Teledetectie GIS Cadastru

66
1 Introducere Teledetecţia este o disciplină tehnică ce grupează ansamblul cunoştinţelor şi tehnicilor utilizate pentru observarea, analiza, interpretarea şi gestionarea mediului înconjurător, plecând de la măsurători şi imagini obţinute cu ajutorul platformelor aeropurtate spaţiale, terestre sau maritime. Aşa cum indică şi denumirea (tele = la distanţă), ea presupune achiziţionarea unor informaţii de la distanţă, fără contact direct cu obiectul detectat. În acest context, teledetecţia se defineşte ca ansamblu al cunoştinţelor şi tehnicilor folosite pentru determinarea caracteristicilor fizice şi biologice ale obiectelor prin măsurători efectuate la distanţă, fără contact material cu acestea. La originea teledetecţiei în înţelesul actual al cuvântului stă fotogrammetria aeriană, ale cărei imagini de ansamblu, luate de sus, au modificat, de mai bine de 100 ani obişnuinţa de a cartografia şi de a supraveghea mediul şi resursele lui. Astăzi, teledetecţia integrează descoperirile cele mai recente ale cercetărilor spaţiale, ale fizicii şi informaticii şi se constituie într-o unealtă din ce în ce mai puternică şi flexibilă pentru gestiunea mediului, a planificării şi dezvoltării economice. Întrucât ea face apel la tehnici şi tehnologii aflate într-o evoluţie rapidă, posibilităţile aplicative ale teledetecţiei sunt într-o constantă creştere şi din ce în ce mai multe domenii de activitate apelează la serviciile ei, întrucât, de multe ori, se dovedeşte avantajoasă ca preţ şi randament, faţă de mijloacele tradiţionale. Fotogrammetria, prin intermediul fotogramelor, pune la dispoziţie tehnicile curente de lucru în cartări (ca determinări metrice) şi de fotointerpretare (ca determinări calitative). În acest mod s-au obţinut, la nivel naţional, planurile şi hărţile la scări cuprinse între 1:1.000 şi 1:100.000. Imaginile au fost preluate de la distanţe diferite faţă de sol, funcţie de scara reprezentărilor ce urma să deriveze din fotograme, variind între circa 1000 m şi 8-10.000m. În ce priveşte aspectele calitative derivate din studiul fotogramei, acestea fac obiectul fotointerpretării, care are domenii de aplicabilitate foarte variate, cuprinzând agricultura, pedologia, geografia, geologia, arheologia, amenajarea teritoriului, a spaţiilor verzi şi – nu în ultimul rând - silvicultura. În cazul din urmă, fotogrammetria poate fi implicată în lucrări de amenajare a pădurilor (în special de delimitare, cartare şi descriere parcelară), protecţie (identificarea şi delimitarea calamităţilor), exploatarea pădurilor, evoluţia în timp a unor fenomene legate de torenţialitate, regenerare etc. Teledetecţia are ca scop detectarea şi evaluarea resurselor naturale, probleme de monitoring şi prezicere a evoluţiei unor fenomene, incluzând fotogrammetria şi tehnicile proprii ei. Teledetecţia îşi are originea la sfârşitul secolului al XVIII-lea. Ca evenimente importante care au stat la naşterea acestui nou domeniu se enumără: primul zbor în balon (1783), inventarea plăcii fotografice (Daguerre şi Niepce, 1839), preluarea primei imagini aeriene (Felix Tournachon, Paris, 1858). Fotografia aeriană a adus un nou punct de vedere prin această viziune de ansamblu asupra mediului. Au urmat o serie de invenţii în domeniul aviaţiei, odată cu începutul secolului al XX-lea, permiţând străbaterea atmosferei la diferite înălţimi şi în toate direcţiile, în scopul de obţine informaţii de ansamblu asupra mediului ambiant. În paralel, s-au dezvoltat noi captori de radiaţii: Maxwell a întrevăzut posibilitatea, încă din 1855, a realizării fotografiilor color bazate pe trei suprafeţe sensibile la cele trei culori fundamentale: roşu, verde şi albastru, ceea ce a condus la apariţia primei pelicule color (1895) şi la producţia de serie a acestora ( Kodak, 1935). Între timp, fizicienii descopereau că lumina este o undă electromagnetică şi că ochiul şi în general simţurile umane nu au decât o percepţie limitată asupra acestor radiaţii. Alte manifestări ale acestor radiaţii, numite astăzi raze X, ultraviolete, infraroşu sau microunde, diferă între ele doar prin lungimea lor de undă, întocmai ca şi culorile spectrului vizibil.

Transcript of Teledetectie GIS Cadastru

Page 1: Teledetectie GIS Cadastru

1

Introducere

Teledetecţia este o disciplină tehnică ce grupează ansamblul cunoştinţelor şi tehnicilor utilizate pentru observarea, analiza, interpretarea şi gestionarea mediului înconjurător, plecând de la măsurători şi imagini obţinute cu ajutorul platformelor aeropurtate spaţiale, terestre sau maritime. Aşa cum indică şi denumirea (tele = la distanţă), ea presupune achiziţionarea unor informaţii de la distanţă, fără contact direct cu obiectul detectat. În acest context, teledetecţia se defineşte ca ansamblu al cunoştinţelor şi tehnicilor folosite pentru determinarea caracteristicilor fizice şi biologice ale obiectelor prin măsurători efectuate la distanţă, fără contact material cu acestea.

La originea teledetecţiei în înţelesul actual al cuvântului stă fotogrammetria aeriană, ale cărei imagini de ansamblu, luate de sus, au modificat, de mai bine de 100 ani obişnuinţa de a cartografia şi de a supraveghea mediul şi resursele lui. Astăzi, teledetecţia integrează descoperirile cele mai recente ale cercetărilor spaţiale, ale fizicii şi informaticii şi se constituie într-o unealtă din ce în ce mai puternică şi flexibilă pentru gestiunea mediului, a planificării şi dezvoltării economice. Întrucât ea face apel la tehnici şi tehnologii aflate într-o evoluţie rapidă, posibilităţile aplicative ale teledetecţiei sunt într-o constantă creştere şi din ce în ce mai multe domenii de activitate apelează la serviciile ei, întrucât, de multe ori, se dovedeşte avantajoasă ca preţ şi randament, faţă de mijloacele tradiţionale.

Fotogrammetria, prin intermediul fotogramelor, pune la dispoziţie tehnicile curente de lucru în cartări (ca determinări metrice) şi de fotointerpretare (ca determinări calitative). În acest mod s-au obţinut, la nivel naţional, planurile şi hărţile la scări cuprinse între 1:1.000 şi 1:100.000. Imaginile au fost preluate de la distanţe diferite faţă de sol, funcţie de scara reprezentărilor ce urma să deriveze din fotograme, variind între circa 1000 m şi 8-10.000m. În ce priveşte aspectele calitative derivate din studiul fotogramei, acestea fac obiectul fotointerpretării, care are domenii de aplicabilitate foarte variate, cuprinzând agricultura, pedologia, geografia, geologia, arheologia, amenajarea teritoriului, a spaţiilor verzi şi – nu în ultimul rând - silvicultura. În cazul din urmă, fotogrammetria poate fi implicată în lucrări de amenajare a pădurilor (în special de delimitare, cartare şi descriere parcelară), protecţie (identificarea şi delimitarea calamităţilor), exploatarea pădurilor, evoluţia în timp a unor fenomene legate de torenţialitate, regenerare etc.

Teledetecţia are ca scop detectarea şi evaluarea resurselor naturale, probleme de monitoring şi prezicere a evoluţiei unor fenomene, incluzând fotogrammetria şi tehnicile proprii ei.

Teledetecţia îşi are originea la sfârşitul secolului al XVIII-lea. Ca evenimente importante care au stat la naşterea acestui nou domeniu se enumără: primul zbor în balon (1783), inventarea plăcii fotografice (Daguerre şi Niepce, 1839), preluarea primei imagini aeriene (Felix Tournachon, Paris, 1858). Fotografia aeriană a adus un nou punct de vedere prin această viziune de ansamblu asupra mediului. Au urmat o serie de invenţii în domeniul aviaţiei, odată cu începutul secolului al XX-lea, permiţând străbaterea atmosferei la diferite înălţimi şi în toate direcţiile, în scopul de obţine informaţii de ansamblu asupra mediului ambiant. În paralel, s-au dezvoltat noi captori de radiaţii: Maxwell a întrevăzut posibilitatea, încă din 1855, a realizării fotografiilor color bazate pe trei suprafeţe sensibile la cele trei culori fundamentale: roşu, verde şi albastru, ceea ce a condus la apariţia primei pelicule color (1895) şi la producţia de serie a acestora ( Kodak, 1935).

Între timp, fizicienii descopereau că lumina este o undă electromagnetică şi că ochiul şi în general simţurile umane nu au decât o percepţie limitată asupra acestor radiaţii. Alte manifestări ale acestor radiaţii, numite astăzi raze X, ultraviolete, infraroşu sau microunde, diferă între ele doar prin lungimea lor de undă, întocmai ca şi culorile spectrului vizibil.

Page 2: Teledetectie GIS Cadastru

2

Explorarea domeniului „invizibil” al radiaţiilor electromagnetice – constituite în purtător de informaţii, a avut o evoluţie practic paralelă cu aceea din vizibil, începând cu punerea în evidenţă a radiaţiilor infraroşii (Herschel, 1800), continuând cu primul film sensibil la radiaţiile din infraroşu apropiat (IRA) în 1931, cu folosirea lui în scopuri militare pentru „detectarea camuflajului” şi cu utilizarea filmului la studiul vegetaţiei (1960). În timpul celui de-al doilea Război Mondial au fost puse la punct şi ameliorate tehnicile aeropurtate şi au apărut captorii RADAR (utilizaţi în scopul ameliorării preciziei bombardamentelor nocturne). Curând, la utilizarea peliculelor sensibile în IRA (lungimi de undă de până la 0,95x10-6m (= 0,95μm), s-au adăugat cele sensibile în banda infraroşu termal (IRT) – având lungimea de undă de circa 10μm, capabile să detecteze variaţiile de temperatură ale suprafeţei terestre şi oceanelor. Aceasta au condus la conceperea de detectori electronici cuplaţi la un sistem de baleiaj (scanor) la care combinaţia deplasării avionului sau a satelitului şi rotaţia sau oscilaţia unei oglinzi conduc la obţinerea unei imagini în tente de gri corespunzând temperaturii suprafeţei studiate (termofotogramă). Imaginile astfel create au fost imprimate mai întâi pe pelicule fotografice şi apoi, odată cu dezvoltarea tehnicilor de înregistrare, pe suport magnetic analogic şi apoi numeric. Prin extensie, captorii electronici au fost folosiţi şi în alte regiuni ale spectrului de radiaţii electromagnetice, cel puţin în toate cazurile în care energia reflectată sau emisă de suprafaţa terestră este suficientă pentru aceste sisteme pasive. Recunoaşterea obiectelor ce urmează a fi detectate se bazează pe proprietăţile lor spectrale.

Începând cu anii 1960 s-a dezvoltat fotografierea de la înălţimi mari, începând cu cea din baloane, avioane speciale sau platforme orbitale din diverse programe spaţiale (MERCURY, GEMINI, APOLLO). A urmat apoi lansarea sateliţilor artificiali din seria LANDSAT – prin care teledetecţia este lansată şi recunoscută la scară internaţională întrucât oferă o mare cantitate de informaţii, sub formă de date numerice, la preţuri accesibile. Seriei LANDSAT i-au urmat alte serii de programe satelitare cu scop în urmărirea şi gestiunea mediului ambiant (SEASAT, HCMM, SPOT, MOS, IRS) sau meteorologici (NIMBUS, TIROS, ESSA, GOES, METEOSAT, DMSP). Pentru depăşirea limitelor legate de starea atmosferei la un moment dat, s-a trecut la folosirea captorilor activi, care folosesc adică lungimi de undă emise în mod expres şi recepţionate apoi la nivelul platformei aeriene, din domeniul microundelor (de tip RADAR), capabili să ofere informaţii asupra suprafeţei Pământului prin stratul de nori, prin ceaţă, ziua şi noaptea (sateliţii RADARSAT, ERS).

Dezvoltarea teledetecţiei s-a făcut în timp având în vedere permanent două obiective situate practic în contradicţie: unul de a vedea teritorii din ce în ce mai mari (în domeniul fotografic acesta a condus la obiectivi mari şi supermari angulari) şi celălalt – de a avea o rezoluţie cât mai mare (ceea ce a condus la realizarea de filme cu granulaţie foarte fină. Astfel, pixelul (cel mai mic element distinct de imagine înregistrată, având aceeaşi tentă de gri sau nuanţă de culoare) a evoluat de la câţiva kilometri (NIMBUS, 1970), la 80 metri (LANDSAT MSS, 1972), 30m (LANDSAT TM, 1983) şi 10 m (SPOT 1, 1986). Deşi sunt posibilităţi mai mari, atinse de sateliţii militari, se pare că 10 m este, prin convenţie, rezoluţia la sol compatibilă cu politica mondială de acces la aceste date. Avantajul unei rezoluţii mai puţin fine la nivelul imaginii înregistrate este dat de posibilitatea unei mai mari repetitivităţi a observaţiilor (trecerea satelitului deasupra aceluiaşi loc), pe când obţinerea unor imagini din ce în ce mai fine are dezavantajul unor treceri mai rare. Repetitivitatea în timp este importantă pentru aplicaţiile care studiază fenomene cu evoluţie rapidă (creşterea culturilor agricole şi previziunea recoltelor, atacuri de insecte în fondul agricol şi forestier, inundaţii, umiditatea solului etc).

Analiza imaginilor obţinute prin teledetecţie s-a făcut mai întâi vizual, prin interpretarea fotogramelor aeriene (fotointerpretarea). În paralel, măsurarea şi localizarea obiectelor (fotogrammetrie) s-a dezvoltat folosind vederea stereoscopică. Odată cu apariţia imaginilor digitale (numerice), sistemele de analiză s-au făcut cu ajutorul calculatoarelor de tip PC, dezvoltarea tehnicii de analiză fiind în pas cu dezvoltarea informaticii. Cea mai mare parte a programelor de analiză de imagine a fost concepută plecând de la proprietăţile spectrale ale pixelilor individuali. Trecerea la rezoluţii din ce în ce mai mici, de ordinul de mărime a 1m, au permis determinarea unor elemente

Page 3: Teledetectie GIS Cadastru

3

de peisaj de detaliu. Analiza imaginilor satelitare presupune o serie de etape obligatorii: transmiterea datelor la sol, stocarea lor, tratarea înainte de vânzare şi post-vânzare, aducerea de corecţii radiometrice şi geometrice şi crearea unor imagini (fotografii multibandă alb-negru, color infra şi color natural, fals color etc).

* * *

Lucrarea de faţă nu poate şi nici nu îşi propune să intre detaliat în toate problemele enumerate. Nu este posibil decât să se amintească unele aspecte considerate că pot reprezenta aplicaţii importante în sectorul forestier.

Page 4: Teledetectie GIS Cadastru

1

CUPRINS Definiţie, importanţă, scurt istoric 3Capitolul 1. Înregistrarea imaginilor fotografice 6

1.1. Generalităţi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Fotograma aeriană: caracteristici, elemente geometrice.

Orientarea interioară şi exterioară. Scara fotogramelor . . . . . . 1.3. Obiectivi fotogrammetrici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.4. Materiale fotosensibile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Elemente de proiectare a aerofotografierii . . . . . . . . . . . . . . . . 1.6. Înregistrarea imaginilor aeriene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

79

121922

Capitolul 2. Elemente de fotogrammetrie forestieră 25 2.1. Folosirea fotogramelor aeriene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Reperajul fotogrammetric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Reperajul terestru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Aerotriangulaţii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Efectul curburii Pământului şi a refracţiei atmosferice . . . . . . . 2.4. Fotogrammetria planigrafică . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Generalităţi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2. Redresarea fotogramelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1. Metoda grafică . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Redresarea optico-grafică (camera clară) . . . . . . . 3. Fotoredresarea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Redresarea diferenţiată (pe benzi). Ortofotoplanul .

2.5. Stereofotogrammetria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1. Vederea stereoscopică directă şi indirectă . . . . . . . . . . 2.5.2. Raportul bazei. Evaluarea înălţimilor . . . . . . . . . . . . .

1. Raportul bazei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Evaluarea înălţimilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.5.3. Măsurarea stereoscopică . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capitolul 3. Noţiuni de fotointerpretare forestieră 3.1. Generalităţi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Imaginea fotografică a pădurilor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Condiţiile de mediu şi de preluare . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2. Caracteristicile peisajului . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.3. Caracteristicile arborilor şi a arboretelor . . . . . . . . . . 3.3. Determinări fotogrammetrice forestiere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Generalităţi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Determinarea scării fotogramei . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3. Determinarea diametrului coroanei . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4 Determinarea înălţimii arborilor . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.5. Determinarea consistenţei arboretului . . . . . . . . . . . . 3.3.6. Determinarea numărului de arbori . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Determinarea unor caracteristici structurale ale arboretelor . . . . 3.4.1. Fotointerpretarea speciilor forestiere . . . . . . . . . . . . . 3.4.2. Fotointerpretarea compoziţiei arboretelor . . . . . . . . . 3.4.3. Stabilirea vârstei arboretelor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.4. Fotointerpretarea clasei de producţie . . . . . . . . . . . . . 3.5. Folosirea fotogramelor aeriene în delimitarea arboretelor şi descrierea parcelară . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

252626272829292930313133333336363739 4141424243444747474849505152525353 54

54

Page 5: Teledetectie GIS Cadastru

2

Capitolul 4. Noţiuni de teledetecţie 4.1. Radiaţiile electromagnetice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Spectrul radiaţiilor electromagnetice. Transparenţa atmosferică 4.3. Principiul teledetecţiei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Senzori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1. Senzori fotografici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2. Senzori nefotografici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

A. Senzori de baleiere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B. Senzori radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C. Radiometre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5. Platforme folosite în teledetecţie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.1. Tipuri de platforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2. Orbita sateliţilor folosiţi în teledetecţie . . . . . . . . . . 4.5.3. Componentele principale ale unui satelit . . . . . . . . 4.5.4. Principalele programe satelitare de urmărire a

resurselor terestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.5. Analiza datelor din teledetecţie. Produse obţinute . . Bibliografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5858596162626262656667676868

6972

74

Page 6: Teledetectie GIS Cadastru

4

Capitolul 1: Înregistrarea imaginilor fotografice

1.1. Generalităţi

Istoric, fotogrammetria a apărut, prima în cadrul tehnicilor de teledetecţie. Dacă facem referire la fotogrammetria forestieră, imaginile fotografice aeriene redau pădurea prin imaginea coronamentului arborilor, ca un ansamblu de coroane individuale, mici, asemănătoare ca formă. Dacă fotografiile sunt preluate cu film alb-negru (AN), atunci tentele de gri ale coroanelor sunt apropiate, iar dacă sunt color, atunci se observă că nuanţele de verde sunt de asemenea apropiate.

Calitatea imaginii fotografice este condiţionată de o serie de factori, dintre care se amintesc cei mai importanţi:

- însuşirile camerei de priză (a obiectivului camerei), cu rol direct în formarea imaginii,

- însuşirile emulsiei fotografice folosite, cu rol în înregistrarea imaginii,

- condiţiile de preluare a imaginii (starea atmosferei, nori, vânt, poziţia Soarelui, filtre folosite, înălţimea de zbor ş.a.),

- condiţii care ţin de prelucrarea filmului,

- caracteristicile peisajului (a teritoriului fotografiat).

Pentru ca fotogramele să fie bune de folosit în aplicaţii diverse, ele trebuie să îndeplinească două condiţii de bază:

- condiţii de metricitate, care ţin de formarea perspectivei geometrice, cerute în determinările metrice. Factorii care pot influenţa caracteristicile metrice ale fotogramei ţin de erorile de formare a imaginii de obiectivii folosiţi, refracţia atmosferică, contracţiile inegale ale filmului,

1 2

3

4

5

f

Fig. 1.1. Principalele elemente constitutive ale unui sistem fotografic (cameră de priză): 1- filtru, 2- deschiderea diafragmei, 3- centrul optic al obiectivului, 4- obiectiv, 5- peliculă fotografică, în planul focal, f distanţa totală.

- calitatea imaginii, adică proprietatea de a fi clară, netă şi de a permite înregistrarea detaliilor mici, cu contrast fin. Factorii care pot influenţa calitatea imaginii ţin de camera fotografică şi filmul folosit, de condiţiile de înregistrare şi prelucrare a fotografiilor în laborator.

Principalele elemente constituente ale unui sistem fotografic se pot observa, de principiu, în figura 1.1.

Page 7: Teledetectie GIS Cadastru

5

Rezultă că materialul fotosensibil folosit şi camera de priză joacă un rol important. Acestea trebuie să fie performante, date fiind dificultăţile reale în procesul de fotografiere: distanţe mari până la obiect, timpi mici de expunere, detalii mici între care există contraste slabe etc.

1.2. Fotograma aeriană: caracteristici, elemente geometrice. Orientarea interioară şi exterioară. Scara fotogramelor.

Fotograma este piesa de bază în fotogrammetrie şi reprezintă o înregistrare obiectivă a terenului. Din punct de vedere geometric, fotograma este o perspectivă centrală, iar din punctul de vedere tehnic reprezintă o fotografie specială.

Elementele geometrice care caracterizează procesul optic de obţinere a imaginii fotografice sunt redate în figura 2.2.

L

D

dl

Of

h

ω

Α Β

ab

MM

y y

x x

P

a b

Fig.2.2: Elemente geometrice caracteristice formării imaginii fotografice: a- proiecţia centrală, b- fotograma în plan orizontal

În figura 2 elementele care intervin au următoarea semnificaţie:

- f este distanţa focală a obiectivului fotogrammetric (distanţa principală),

- h este înălţimea medie de zbor deasupra terenului,

- L este latura din teren fotografiată, în proiecţie orizontală,

- D este distanţa orizontală în teren între două puncte oarecare A, B,

- d reprezintă imaginea distanţei D în fotogramă,

- l este latura fotogramei,

- ω este câmpul obiectivului.

În plan orizontal, fotograma este o piesă pătrată, cu dimensiuni de 13x13, 18x18, 23x23 cm. Ca elemente de construcţie ale fotogramei, vizibile în plan orizontal, se amintesc:

- indicii de referinţă; aceştia sunt dispuşi (figura 2b) în colţurile fotogramei sau pe mijloacele laturilor şi servesc pentru determinarea punctului mijlociu al fotogramei, M. Acesta este cel mai important punct din planul fotogramei, întrucât este originea axelor de coordonate proprii

Page 8: Teledetectie GIS Cadastru

6

fotogramei: x - în sensul de zbor, y în sens transversal, pozitiv de exemplu spre stânga. În acest fel, unui punct oarecare din planul fotogramei îi corespund coordonate unice, (x,y), cu semne corespunzătoare cadranului în care este punctul.

- alte înscrisuri, care se referă la numărul de ordine al fotogramei, valoarea distanţei focale a camerei de priză, imaginea altitudinii de zbor citită la un altimetru etc (vezi lucrările de laborator).

Elementele de orientare interioară a fotogramei au rolul de a defini poziţia centrului de proiecţie O faţă de planul fotogramei. Practic, poziţia punctului O este definită dacă se cunoaşte distanţa focală şi proiecţia lui O în planul fotogramei. În cazul fotogramelor la care axul de fotografiere este perfect vertical (fotograme nadirale), proiecţia lui O este în punctul mijlociu al fotogramei.

Elementele de orientare exterioară se referă la poziţia centrului de proiecţie O şi a fascicolului de raze în raport cu sistemul de coordonate spaţiale impus. În cazul fotogramelor nadirale, acestea sunt date de coordonatele centrului de proiecţie în sistemul ales (figura 1.3a). În cazul general, în care fotograma nu este nadirală este şi rotită în planul ei, orientarea exterioară cuprinde şi unghiurile k şi α (figura 1.3b).

XoX

Zo

Z

Yo

Y

Oo

O(Xo;Yo;Zo)

XoX

Zo

Z

Yo

Y

Oo

O(Xo;Yo;Zo; )α;kα

ϕω

k

a b

Fig. 1.3. Elemente de orientare exterioară a fotogramelor nadirale (a) şi înclinate(b)

Unghiul α reprezintă înclinarea axei de fotografiere şi se poate descompune într-un plan paralel cu ZOY (componenta ω) şi într-unul paralel cu ZOX (componenta ϕ). Practic, ω reprezintă unghiul de înclinare transversală faţă de direcţia axei proprii y a fotogramei, iar ϕ unghiul de înclinare longitudinală faţă de direcţia ,,x” de zbor. Unghiul k este unghiul de răsucire a axei fotogramei în planul ei, faţă de direcţia de zbor.

Scara fotogramelor reiese din relaţia generală a scării şi din folosirea altor rapoarte care rezultă din triunghiurile asemenea din figura 2a:

NDd

Ll

dDD

dSc 11===== [1.1]

Page 9: Teledetectie GIS Cadastru

7

1.3.Obiectivi fotogrammetrici

Obiectivul este piesa principală a camerei de priză, cu rol în formarea imaginii pe pelicula

fotografică.

Formarea imaginii se face în conformitate cu figura 1.4. Obiectivul este de fapt un ansamblu de lentile. În figură s-a notat cu „a” distanţa lentilă - obiect, „a’ ” distanţa lentilă – imagine, „f” – distanţa focală a obiectivului.

a’a

x

f f

x’A

B

A’

B’

Fig. 1.4. Formarea imaginii prin obiectiv

Întrucât obiectul vizat se află la o distanţă mai mare decât dublul distanţei focale, relaţia lentilelor convergente se poarte scrie:

faa1

'11

=+ [1.2]

Dacă în figura 1.4 se exprimă distanţele „a” şi „a’ ” în funcţie de distanţa focală, rezultă:

a = x + f [1.3a]

a’ = x’ + f , [13b]

iar relaţia [2] se poate scrie sub forma:

ffxfx1

'11

=+

++

[1.4]

Dacă se aduce la altă formă ultima relaţie, se ajunge la formula lui Newton pentru acest tip de lentile:

f2 = x x’ [1.5]

În cazul practic al preluării fotogramelor aeriene, distanţa de la lentilă la obiectul vizat (a) este de ordinul miilor de metri, câtă vreme mărimea distanţei focale este de ordinul zecilor de centimetri (20 – 40). În această situaţie, raportul 1/a din [1.2] este foarte mic şi se poate neglija, rămânând că:

fa1

'1

≅ sau a ≅ f , [1.6]

adică practic imaginea se formează în planul focal al obiectivului.

Caracteristicile principale ale unui obiectiv sunt: metricitatea, puterea de rezolvare (de rezoluţie), distribuţia luminii în planul imaginii, luminozitatea, câmpul.

Metricitatea imaginii este însuşirea obiectivului de a menţine asemănarea perfectă cu detaliul înregistrat (conservarea perspectivei). Erorile de metricitate se numesc distorsiuni, iar cele mai importante distorsiuni sunt cele radiale. Ele reprezintă o micşorare în proporţii diferite a

Page 10: Teledetectie GIS Cadastru

8

imaginii, funcţie de distanţa faţă de axul de fotografiere. Există, pentru fiecare tip de obiectiv, grafice ale distorsiunilor radiale Acestea se pot pune în evidenţă prin fotografierea unei grile – test, formată din pătrate (figura 5a). Aprecierea se face prin compararea imaginii obţinute cu grila test; distorsiunile pot fi pozitive (tip butoi) figura 5b sau negative (tip seceră) – figura 5c. Este important de menţionat că valoarea distorsiunilor este redusă până la valori de maxim 3x10-6m (3μm).

a b c Fig. 1.5. Distorsiunile imaginilor fotografice a- grilă test, distorsiuni: b- pozitive, c- negative

Puterea de rezolvare a obiectivului reprezintă capacitatea acestuia de a reda detalii mici, cu contrast fin şi se exprimă în număr de linii ce se pot distinge pe un milimetru de imagine.

Orice imagine dată de un sistem optic trebuie să aibă următoarele însuşiri:

- să fie precisă (stigmatică), adică fiecărui punct al obiectului vizat trebuie să-i corespundă un singur punct în imagine,

- să fie plană, adică fiecărui obiect plan, perpendicular pe axa optică, să-i corespundă tot o imagine plană, perpendiculară pe axa optică,

- să prezinte metricitate.

Figura 1.6: Grilă standard folosită la studiul rezoluţiei obiectivului

Limitele rezoluţiei unei lentile se determină prin fotografierea unei grile – test (figura 1.6).

Abaterile apărute în formarea imaginii optice de către o lentilă se numesc aberaţii optice şi acestea fac ca imaginile să fie însoţite de defecte, deformate, neclare, cu margini irizate în diferite

Page 11: Teledetectie GIS Cadastru

9

culori. Aberaţiile pot fi geometrice (ce se abat de la condiţiile de stigmatism, de ex. aberaţia de sfericitate) sau cromatice (datorate faptului că lumina nu este monocromatică). Aberaţiile amintite (de sfericitate, cromatice, astigmatismul, coma), împreună cu curbura terestră sunt principalii factori care pot să afecteze negativ puterea de rezolvare şi claritate a imaginii. Aberaţiile sunt diminuate (dar niciodată eliminate) prin combinarea unor lentile având indici de refracţie şi curburi diferite.

Puterea de rezoluţie se testează în cazul folosirii celor mai fine emulsii şi are valorile cele mai ridicate în centrul imaginii (100 de linii pe un milimetru sau peste), scăzând spre margini

Luminozitatea obiectivului este însuşirea acestuia de a forma imagini mai mult sau mai puţin luminate în aceleaşi condiţii de lumină exterioară. Se poate caracteriza prin „deschiderea relativă”, dată de raportul 1 : n sau f : n, unde „n” este raportul f:d (d = diametrul diafragmei care obturează obiectivul, f = distanţa focală a obiectivului). Se mai poate caracteriza şi prin raportul între suprafaţa diafragmei şi pătratul distanţei focale. Dacă deschiderea relativă este mai mică de 4,5, obiectivele sunt considerate luminoase, iar pentru valori mai mari ca 9, obiectivii sunt puţin luminoase.

Distribuţia luminii în planul imaginii trebuie să fie uniformă, pentru a asigura o iluminare practic egală. Se face conform legii lui Lambert:

I’ = I cos4α [1.7]

În relaţia de mai sus I’ reprezintă iluminarea într-un punct din planul imaginii, I- iluminarea în centrul imaginii, α este unghiul format de raza de lumină a punctului P cu axa optică.

Câmpul obiectivului este definit de unghiul conului de raze limită care ies prin obiectiv şi este important întrucât pe de o parte caracterizează randamentul fotografierilor, iar pe da alta pentru că valoarea lui este în strânsă legătură cu distanţa focală. În funcţie de mărimea unghiului de câmp „ω”, obiectivii pot fi:

- normal unghiulari (ω= 50 – 70 gon)

- mari unghiulari (ω = 70 -120 gon)

- supermari unghiulari (ω ≥ 120 gon)

α2

α1

h

L1

L2 L

O2

O1

α1

α2

h1

h2

α1

zonă de umbrăh

O

L

a b c

Fig. 1.7. Legătura între unghiul de câmp şi suprafaţa fotografiată

La aceeaşi înălţime, obiectivii mari şi supermari sunt preferaţi celor normali întrucât înregistrează suprafeţe mai mari de teren (figura 1.7.a), deci au un randament superior sau, pentru a înregistra aceeaşi suprafaţă se coboară plafonul de zbor, ceea ce conduce la mărirea scării şi la creşterea calităţii imaginii (figura 1.7.b). În terenurile cu relief pronunţat sunt de preferat obiectivii normal unghiulari, şi nu cei mari unghiulari, pentru evitarea unor situaţii asemănătoare cu aceea din figura 1.7c.

Page 12: Teledetectie GIS Cadastru

10

Obiectivii moderni trebuie aleşi astfel încât să răspundă cerinţelor de utilizare a fotografiilor aeriene şi condiţiilor concrete de preluare.

1.4. Materiale fotosensibile

Materialul fotosensibil folosit în fotografierea aeriană este pelicula fotografică. Aceasta

poate fi alb – negru (AN) sau color.

Pelicula fotografică AN este formată din mai multe strate (figura 1.8):

strat protector

emulsie AN

strat antihalo

strat suport

Figura 1.8. Pelicula fotografică AN

- stratul fotosensibil (emulsia), format dintr-o substanţă sensibilă la lumină. Este practic un precipitat al unor halogenuri de argint (mai ales bromură), dispersat într-o soluţie gelatinoasă, vâscoasă.

- stratul protector, cu rol de a feri emulsia propriu-zisă de zgârieri, uscări;

- strat suport, care este în mod curent din poliesteri. Acesta trebuie să rămână perfect plan în timpul fotografierii şi să nu sufere deformaţii la prelucrare (întindere, spălare, uscare). Neplaneitatea suportului în timpul fotografierii conduce la apariţia unor importante erori de poziţie ale punctelor din planul fotografiei, care pot conduce la greşeli metrice;

- stratul antihalo are rolul de a împiedica reflectarea – şi revenirea în stratul sensibil - a acelor raze care ajung pe suport;

Procesul fotografierii se poate împărţi în două etape distincte:

- un proces fotochimic primar, care constă în descompunerea bromurii de argint sub acţiunea luminii, prin expunerea filmului. Rezultatul acestui proces este formarea unei imagini latente, stabile;

- reacţii chimice secundare, care constau practic în developarea imaginii (imaginea devine vizibilă sub acţiunea unui revelator), fixarea imaginii (stoparea acţiunii revelatorului atunci când se obţine cea mai bună imagine), spălarea filmului, cu apă rece, curată, urmată de uscarea lui în camere speciale (în urma acestor procese se obţine negativul) şi pozitivarea imaginii. Aceasta din urmă se poate face prin copiere pe hârtie fotografică sensibilizată prin aplicarea unei emulsii, - caz în care rezultă fotografiile obişnuite - sau pe filme speciale – caz în care se obţin diapozitive.

Page 13: Teledetectie GIS Cadastru

11

Developarea se execută în instalaţii speciale (developeze) automate sau semiautomate. Instalaţiile asigură respectarea riguroasă a reţetelor de prelucrare, specifice fiecărui tip de film, prin calcularea şi programarea electronică a parametrilor necesari (concentraţia soluţiilor, timp de reacţie, temperatura mediului etc), Aceste instalaţii sunt specifice pentru fiecare categorie de film: alb-negru, color-normal, color infraroşu. În cazul radiaţiilor din afara spectrului vizibil, acestea nu pot fi percepute de ochiul omului, dar se convertesc în semnale vizibile cu ajutorul unor traductoare bazate pe principii fotochimice sau fotoelectronice.

Copierea imaginilor negative se poate face pe hârtie fotografică sau pe diapozitiv. Emulsia de pe aceste suporturi este caracterizată prin puterea ei de rezoluţie (mai mică decât a filmului negativ) şi de contrast (moale, normal, dur). Hârtia se diferenţiază după natura suprafeţei (lucioasă, semilucioasă, mată). Fotointerpretarea foloseşte de regulă imagini pe hârtie lucioasă cu contrast normal. Copierea se poate face prin contact, la aceeaşi scară sau prin proiecţie, când scările sunt mărite până la o scară rotundă. Este important de menţionat că prin copiere nu pot fi reproduse toate detaliile de pe negativul original, existând anumite pierderi.

Emulsia fotografică este partea cea mai importantă în ansamblul peliculei, având rolul de a înregistra imaginea formată de obiectiv în planul lui focal (figura 1.1). Calitatea imaginii înregistrate este condiţionată de o serie de caracteristici ale emulsiei. Acestea se referă la sensibilitate, putere de rezolvare, contrast şi latitudine.

Sensibilitatea poate fi considerată caracteristica de bază a emulsiei. Sensibilitatea generală constă în proprietatea emulsiei de a suferi modificări chimice şi fizice sub acţiunea luminii. Ea este dependentă de granulaţie, fiind invers proporţională cu mărimea cristalelor de bromură de argint şi putând fi exprimată în diferite sisteme: „HD”, Scheiner, DIN – germane, USA – americane, GOST – ruseşti etc. Un element important al fotografierii, legat direct de sensibilitatea generală este timpul de expunere, existând relaţii ce dau legătura timp – sensibilitate. De altfel, sensibilitatea generală se exprimă ca inversul timpului de expunere necesar obţinerii unui anumit efect în condiţii date.

Sensibilitatea cromatică a emulsiilor se referă la capacitatea lor de a fi impresionate în mod diferit de radiaţii de diferite lungimi de undă. Emulsiile fotografice AN înregistrează lungimile de undă din spectrul luminii albe în tonuri de gri. Ochiul omului, care trebuie luat ca referinţă în probleme de sensibilitate faşă de diverse culori, este sensibil la radiaţii din intervalul de lungimi de undă 400 – 750mμ (1 milimicron = 10-9m). Emulsiile brute sunt sensibile la lungimi de undă mai mici de 500mμ, aşa cum se observă din figura 1.9.a. De aceea, există preocupări în scopul aducerii, sensibilităţii emulsiei în concordanţă cu aria de sensibilitate a ochiului uman, prin adăugarea de diverşi coloranţi. Au fost astfel create o serie de emulsii – şi implicit filme (figura 1.9.b):

- emulsii ortocromatice şi izoortocromatice (1), sensibile mai ales la culorile verde şi galben (până la 590 mμ (= 0,59 μm). Au avantajul că sunt sensibile la culorile cel mai des întâlnite în natură;

- emulsii pancromatice şi izopancromatice (2), sensibile la întreg spectrul vizibil, care sunt de altfel şi cel mai folosite în practica aerofotografierii;

- emulsii infracromatice (3), care sunt foarte valoroase pentru fotointerpretarea forestieră, întrucât sunt sensibile la radiaţiile din infraroşu apropiat (IRA), până la 3μm, lungimi de undă pentru care speciile lemnoase au maximum de reflectanţă şi se diferenţiază net, putând face posibilă recunoaştarea speciilor. Acest tip de emulsie poate fi utilizat şi la înregistrări cu vizibilitate redusă, noaptea, de la mare distanţă, întrucât radiaţiile IRA străbat uşor atmosfera încărcată cu suspensii uscate.

Page 14: Teledetectie GIS Cadastru

12

300 400 500 600 700 800

viol

et

alba

stru

viol

et

verd

e

galb

en

port

ocal

iu

roşu

300 400 500 600 700 800 900

λ( μ)m

sensibilitaterelativă

1 2 3

a. b.

Fig. 1.9. Sensibilitatea emulsiilor: a- comparativ cu ochiul omului, b- curbe de sensibilitate cromatică: 1- ortocromatică, 2- pancromatică, 3- infracromatică

Puterea de rezolvare (de separare) a emulsiei reprezintă capacitatea emulsiei de a reda detalii fine şi de a reproduce distinct imagini ale detaliilor subţiri şi apropiate. Se exprimă prin numărul de linii care se observă pe un milimetru de imagine şi se determină de asemenea cu mire test speciale. Puterea de rezolvare a emulsiei depinde de mărimea granulelor de bromură de argint, dar în sens invers sensibilităţii, adică fiind direct proporţională cu mărimea granulelor

Coeficientul de contrast şi latitudinea. Fiecărui material fotosensibil îi este caracteristică o curbă de înnegrire, care arată dependenţa înnegririi de expunere (figura 1.10). În figură s-a notat cu „T” – transparenţa imaginii, „1/T” – înnegrirea, „I”- intensitatea fluxului luminos în timpul de expunere „t”, E = „It” – expunerea. Se observă existenţa mai multor zone distincte pe curba de înnegrire:

0

log(

1/T)

log Eα

A

B

C

D

L

C

Fig. 1.10. Curba de înnegrire a emulsiei

- zona de voal (până în A)- este specifică emulsiei, fără să fi început expunerea propriu-zisă. O emulsie developată dar neexpusă arată acest voal;

- zona AB – zona de subexpunere, când înnegrirea creşte foarte puţin în timp; se mai numeşte şi zona de prag a curbei;

- zona BC – zona expunerii normale, în care înnegrirea creşte proporţional cu expunerea, iar alura dependenţei este liniară, de înclinare „α”;

- zona CD (umărul graficului), corespunzătoare supraexpunerii, când gradientul (panta) curbei scade în raport cu expunerea;

Page 15: Teledetectie GIS Cadastru

13

- zona după D, care corespunde degradării imaginii cu inversiuni de înnegrire, urmare a prelungirii prea mari a expunerii (solarizarea).

Cu ajutorul graficului de înnegrire se defineşte:

- coeficientul de contrast (sau gradientul fotografic), care reprezintă panta porţiunii rectilinii BC a curbei:

BC

BC

EETT

LCtg

log(log

1log1log

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

==α [1.8]

Se observă că acest raport este între diferenţa de înnegrire şi diferenţa de expunere, adică între contrast – C – şi latitudine L. Latitudinea fotografică este capacitatea emulsiei de a reda imagini cu o înnegrire corespunzătoare obiectului înregistrat. După valoarea coeficientului de contrast, există emulsii moi (γ < 0,8), emulsii normale (0,8 < γ < 1,0) şi emulsii dure (γ > 1,0).

Emulsiile se aleg funcţie de situaţia concretă a peisajului fotografiat. Astfel, dacă contrastele detaliilor pădurii sunt slabe, va fi necesar să se utilizeze emulsii cu coeficient de contrast ridicat, pentru a se obţine imagini cu contrast normal. Este şi cazul fotografiilor preluate de la mare înălţime, când atmosfera reduce contrastele detaliilor din teren.

Atunci când timpul de expunere corespunde mijlocului intervalului BC, se asigură o expunere optimă, în zona cu puterea maximă de rezolvare a emulsiei.

Filtrele de lumină Filtrele de lumină sunt medii transparente, cu o transmisie selectivă a radiaţiilor de diferite

lungimi de undă. Filtrele sunt folosite permanent la obţinerea aerofotogramelor, cu scopul de a limita pătrunderea radiaţiilor perturbante sau pentru a selecta doar acele lungimi de undă care permit obţinerea unei imagini dorite.

Dacă este de vorba despre modificarea compoziţiei spectrale a energiei radiante, filtrele se numesc optice. Ele sunt de fapt ecrane colorate, care se pot aplica în faţa obiectivului camerei de priză.

În funcţie de caracteristicile spectrale ale lor, filtrele pot fi:

- filtre de tăiere, cu proprietatea de a absorbi radiaţiile cu lungime de undă mai mici decât o valoare considerată ca „prag”, care caracterizează filtrul, lăsând să tracă acele lungimi de undă mai mari decât lungimea de prag;

- filtre monocromatice, care absorb întregul spectru de radiaţii, cu excepţia uneia sau mai multe benzi de lungimi de undă;

- filtre selective, care permit trecerea unor radiaţii corespunzătoare mai multor culori;

- filtra de compensaţie, care combină razele din anumite zone ale spectrului, modificând caracteristicile lor spectrale.

Combinaţia film- filtru se stabileşte funcţie de obiectivele urmărite, pentru selectarea anumitor benzi de radiaţie, pentru accentuarea unor contraste sau reducerea radiaţiilor parazite. Dezavantajul folosirii filtrelor este că se măreşte timpul de expunere, ceea ce poate conduce, în anumite condiţii bine precizate, la apariţia trenajului.

Filtrele pot juca un rol deosebit în selecţionarea şi evidenţierea unor anumite categorii de detalii. De exemplu, în cazul filmului cu emulsie pancromatică – considerat material standard de fotografiere la noi, filtrul verde poate facilita separarea în imagine a răşinoaselor de foioase, filtrul galben (minus albastru) pune în evidenţă construcţiile etc.

Tipuri de fotografii aeriene

Page 16: Teledetectie GIS Cadastru

14

Pelicula fotografică poartă, de regulă, denumirea emulsiei sale. Imaginile pot fi în tonuri de gri sau nuanţe de culori, funcţie de tipul emulsiei.

După modul de redare al culorilor, fotografiile aeriene pot fi: alb – negru (AN), color normale (CN) şi în culori false (CF).

După modul de obţinere a imaginii fotografice putem avea: fotografia convenţională, AN sau CN şi fotografia neconvenţională: CF, multispectrală, color compusă. Fotografiile convenţionale se preiau cu camere aerofotografice, care funcţionează automat. Fotografiile multibandă sau multispectrale se înregistrează în diferite sisteme, stând la baza obţinerii fotografiilor color compuse.

Fotografia în AN este considerată clasică şi înregistrează toate radiaţiile (culorile) spectrului vizibil, redându-le în tonuri de gri. Toate corpurile care radiază sau reflectă lumina pot fi înregistrate pe cale fotografică. Cele de culoare deschisă reflectă lumina incidentă în mai mare măsură, iar cele de culoare închisă o absorb în mai mare măsură. Un corp oarecare, colorat în diferite culori, dă o imagine fotografică alcătuiră din mai multe elemente în diferite tonuri de gri. Cele mai folosite emulsii AN sunt:

- emulsiile ortocromatice,

- emulsii pancromatice şi izopancromatice

- emulsii infracromatice

Fotografia color este aceea care înregistrează obiectele din natură în culori şi nuanţe de culori. Acestea oferă un plus de informaţii în raport cu cele AN, întrucât ochiul omenesc poate distinge doar câteva sute de tonuri de gri, dar zeci de mii de nuanţe de culori. Peliculele color au două sau mai multe strate de emulsie, fiecare sensibil la o anumită culoare.

400

440

480

500

570

590

620

760

viol

et

indi

goal

bast

ruve

rde

galb

en

roşu

infr

aroş

u

port

ocal

iu

λ [ μ]m

Figura 1.11. Spectrul radiaţiilor din vizibil

Culorile din spectrul vizibil (figura 1.11) se pot forma prin adiţia a trei culori considerate primare (fundamentale): albastru, verde şi roşu. Fotografia multibandă, televiziunea color şi alte tehnici în care diferite filtre sunt folosite pentru a înregistra imagini ale obiectelor, fac apel la procedeul adiţiei culorilor pentru reconstituirea imaginii. Culorile pot fi de asemenea obţinute prin substracţia luminii cu filtre de trei culori primare substractive: azuriu, galben şi purpuriu. Acest procedeu este folosit în filmele color. În cazul fotografiei color pe hârtie fotografică, substracţia culorilor primare din culoarea albă dă culorile rezultante. Tehnica de adiţie şi substracţie a culorilor este arătată schematic în figura 1.12.

Page 17: Teledetectie GIS Cadastru

15

indigo azuriu

albăstrui verde

verde galben

alb negru

galben roşu

purpuriuindigo

roşu purpuriu

a b

Figura 1.12. Formarea culorilor: a) adiţia culorilor; b) substracţia culorilor (cu aplicaţie în fotografierea color).

Toate filmele color funcţionează pe principiul substracţiei culorilor. Un film color tipic prin suprapunerea a trei straturi sensibile la diferite culori primare, fixate pe suporturi din diverşi poliesteri (figura 1.13a). Filmele fals color sau color infraroşu sunt formate asemănător, dar au un strate sensibile la domeniul infraroşu apropiat, verde şi roşu (figura 1.13b). Întrucât toate stratele sunt sensibile la albastru, aceste filme sunt însoţite de un filtru galben, plasat înaintea lentilei obiectiv, cu rolul de a elimina culoarea albastră. În figura 1.14 sunt redate sensibilităţile spectrale ale unor emulsii Kodak folosite în mod curent.

1

1

22

3 3

4 45

56 6

Figura 1.13. Compoziţia unei pelicule a- color în culori naturale: 1- strat sensibil la albastru, 2 –filtru minus albastru, 3- strat sensibil la verde (şi albastru), 4- strat sensibil la roşu (şi albastru), 5- strat antihalo, 6- strat suport; b- fals color (color infraroşu) 1- filtru pentru eliminarea albastrului, 2- strat sensibil la infraroşu (şi albastru), 3- strat sensibil la verde (şi albastru), 4- strat sensibil la roşu (şi albastru), 5- strat antihalo, 6- strat suport.

Fotografia color infraroşu (fals color) redă obiectele în culori nenaturale şi cu un contrast mai mare decât cel real. Din această categorie, cele mai cunoscute sunt filmul fals – color şi spectrozonal. Filmul fals color sau de detectare a camuflajului redă obiectele în alte culori decât cele din natură: vegetaţia sănătoasă, care reflectă mai mult radiaţiile roşii decât cele verzi, este redată în diferite nuanţe de roşu, arborii debilitaţi din diverse motive (fiziologice, atacaţi de dăunători) sun coloraţi în roşu deschis spre alb. Acesta este şi motivul denumirii de „detectare a camuflajului”: în timpul celui de-al doilea război mondial, imaginile preluate cu astfel de emulsii

Page 18: Teledetectie GIS Cadastru

16

puteau depista eventualele trupe şi dotări specifice, care se acopereau cu crengi cu frunze verzi pentru a nu fi văzuţi în lumina naturală.

1

2

3

4

56

7 8

9

300 400 500600 700 800 900

sens

ibili

tate

5

Figura 1.14 Sensibilitatea spectrală a unor emulsii folosite în fotografiile color: 1- emulsie

ortocromatică, 2- em. pancromatică, 3- infraroşu AN, color normal : 4- galben, 5- purpuriu, 6- albăstrui, fals color: purpuriu, 8- galben, 9- albăstrui

Fotografia spectrozonală se foloseşte pentru nevoile forestiere, caz în care emulsia are în compoziţie o emulsie color infracromatică şi una pancromatică, sensibile acolo unde reflectanţa frunzelor (modul în care este structurată pe lungimi de undă radiaţia reflectată) este maximă şi diferenţiată puternic între specii. Nuanţele de verde, apropiate mult ca senzaţie vizuală în fotografia AN sau chiar color, sunt în acest caz reprezentate prin culori diferite, falsificate, dar aceeaşi pentru o anumită specie, ceea ce facilitează identificarea lor.

Fotografia multispectrală se referă la înregistrarea simultană a aceluiaşi peisaj în nuanţe de gri, pe două sau mai multe pelicule, folosind emulsii sensibilizate la benzi spectrale diferite şi camere de priză speciale. În acest caz, fotografiile rezultate prezintă un interes deosebit în teledetecţie, întrucât furnizează un plus de informaţii faţă de fotografia AN sau color. Pentru interpretarea fotografiilor multispectrale s-au pus la punct echipamente electronice şi de soft pentru interpretarea automată, date fiind capacităţile limitate umane.

Fotografia color compus sunt fotografii multispectrale prezentate sub formă color. Se folosesc cel mai adesea înregistrări simultane în banda verde, roşu şi infraroşu. Imaginile sunt convertite şi interpretate pe o singură fotografie color compus, iar efectele sunt importante: există contraste puternice şi nuanţe de culori diferite, care măresc conţinutul informaţional şi permit o mai corectă interpretare.

Page 19: Teledetectie GIS Cadastru

17

1.5.Elemente de proiectare a aerofotografierii

Înaintea oricărui zbor, se întocmeşte un proiect de zbor, în raport cu obiectivele practice urmărite. Se alege camera da priză, scara imaginii ce urmează a fi obţinute, tipul de emulsie fotografică şi filtrele aferente, acoperirea fotogramelor, înălţimea de preluare, trenarea maximă admisă etc.

Scara în cazul obţinerii unor imagini folosite ulterior pentru măsurători şi reprezentări se calculează cu relaţia lui Grubber:

rf NcN ⋅= [1.9]

În relaţia de mai sus, Nf reprezintă numitorul scării fotogramei ce rezultă în urma zborului, Nr numitorul scării reprezentării cartografice care urmează să se obţină din fotogramă, iar „c” este un coeficient de randament, care ia valori între 200 şi 300. Un coeficient „c” mare înseamnă mai puţine imagini şi deci mai puţine operaţii de developare, copiere, orientare, reperare etc.

Camera de priză se alege în funcţie de unghiul de câmp: una normal unghiulară -pentru terenurile accidentate din zona muntoasă şi una mare unghiulară pentru terenuri din zona de şes şi ori de câte ori se cere determinarea cu precizie a cotelor.

Altitudinea de fotografiere, Ho, la care trebuie să se înalţe avionul, denumită şi plafon de zbor, se determină plecând de la înălţimea relativă de zbor deasupra terenului, „h” şi de la cota medie a acestuia, Hm, figura 1.15.

Hm

ax

h

Ho

Hm

plafon de zbor

altitudine medie

plan de referinţăHm

in

Figura 1.15 Determinarea altitudinii (plafonului) de zbor

Cota medie a terenului se ia funcţie de scara imaginii şi distanţa focală a camerei de priză. Se determină pe o hartă, ca medie ponderată între cota maximă şi minimă din zona zborului:

3min2max HHHm +

= [1.10]

Timpul de expunere este funcţie de sensibilitatea emulsiei fotografice, de tipul filtrului, de luminozitatea atmosferei şi strălucirea peisajului, contrastele existente între detaliile din teren, deschiderea relativă a diafragmei obiectivului. Valoarea timpului de expunere trebuie să ţină cont – şi este condiţionată - de posibilitatea apariţiei trenajului.

Trenarea imaginii este efectul deplasării imaginii pe fotografie în timpul expunerii, datorită faptului că platforma de zbor este în mişcare. În urma trenării, un punct material poate să apară

Page 20: Teledetectie GIS Cadastru

18

printr-o linie, a cărei lungime este direct dependentă de timpul de expunere. Dacă se consideră „Δt” intervalul de timp scurt cât durează expunerea, „D” distanţa pe care platforma de zbor o parcurge în acest interval, se observă (figura 1.16) că, dacă la începutul intervalului, poziţia detaliului punctual P din teren s-a înregistrat în P1, în timpul expunerii, datorită parcurgerii distanţei D, imaginea P1 va descrie o dreaptă de lungime P1P2 = d. Conform figurii şi a triunghiurilor asemenea formate, se poate scrie:

;hf

Dd

= [1.11]

sau, ţinând cont de observaţiile anterioare

vdN

fh

vdt

hf

tvd

f ⋅=⋅=Δ⇒=Δ⋅

, [1.12]

P1 P1 P23P2d

D

h

O1 O2

Figura 1.16. Trenarea imaginii

Ultima relaţie arată că trenarea este posibil să apară la scări mici (numitorul scării fotogramei, Nf este mare). Pentru ca imaginea să nu fie evident trenată, adică trenajul să aibă efecte neglijabile (trenarea există permanent prezentă!), se limitează valoarea „d” la maxim 0,03mm. Din această condiţie rezultă timpul maxim de expunere. De exemplu, la o viteză de deplasare a platformei de 200 km/h, la o înălţime de zbor de 2.000 m şi pentru o cameră de priză cu f = 200 mm, rezultă că trenarea este inferioară valorii amintite dacă timpul de expunere este inferior la 1/200 secunde.

Emulsia fotografică trebuie aleasă în raport cu scopul urmărit. Pe măsura creşterii înălţimii de preluare trebuie alese emulsii cu coeficient de contrast mare. Filtrul contribuie la obţinerea de imagini de o calitate ridicată, în condiţii date. La fotografierile de la înălţimi mari se indică montarea unui filtru galben (minus albastru), pentru stoparea radiaţiilor cu lungime mică de undă.

Baza de fotografiere reprezintă distanţa parcursă de platforma de zbor între două declanşări succesive ale camerei de priză (figura 1.17 )

În funcţie de baza de fotografiere se alege acoperirea longitudinală, ax (în lungul direcţiei de zbor). Baza este funcţie de mărimea distanţei orizontale de la sol surprinse de-a lungul laturii fotogramei, L, şi se stabileşte ca valoare la (2/3)L = 66%L.

Acoperirea transversală, ay se referă la acoperirea între două benzi vecine. Valoarea acoperirii transversale este de minim 15% din L, dar se consideră, în majoritatea cazurilor, de (1/3)L = 33%L.

Page 21: Teledetectie GIS Cadastru

19

b

b

L

ax

F1 F2 F2

band

ai

band

ai+

1

a Lx a Ly

a b

Figura. 1.17. Baza de fotografiere (a) şi distanţa dintre benzi (b)

Mozaicul fotogrammetric După pozitivarea şi copierea imaginilor fotografice, fotografiile se aşează pe o planşetă în

succesiunea lor, astfel încât imaginile din teren să aibă continuitate. Pentru aceasta, porţiunile de acoperire comună vor fi suprapuse. Fotogramele se fixează prin ace cu gămălie şi se numerotează. Mozaicul ilustrează modul de execuţie al zborului de fotografiere, dacă nu au rămas goluri, dacă s-au realizat acoperirile scontate în sens longitudinal şi transversal, adică 2/3 respectiv 1/3 din latura fotogramei. Pe imaginea astfel obţinută se delimitează prin sfori întinse între ace, cu ajutorul coordonatelor colţurilor, trapezele (foi de plan), de obicei la scara 1:25.000. Se înscriu datele generale ale fotogarfierii: locul fotografierii, nomenclatura foii de plan în proiecţie Stereografică ’70 (de obicei la scara 1:25.000), locul trapezului între celelalte trapeze fotografiate cu aceeaşi ocazie, scara generală a zborului, tipul camerei, echipajul etc (figura 1.18). Întreg ansamblul se refotografiază la o scară mai mică. Copia mozaicului reprezintă piesa de evidenţă a fotogramelor precum şi de evidenţa şi control a lucrărilor de verificare şi apreciere a calităţii imaginilor.

Aprecierea calităţii se face prin verificări specifice, care vizează calitatea fotografiei şi caracteristicile ei metrice. Se determină coeficientul de contrast, contrastul imaginii şi alte caracteristici, conform unor criterii de apreciere stabilite precis prin norme. Eventualele deformaţii care ar putea influenţa metricitatea se pot datora neplaneităţii filmului în planul imaginii.

Page 22: Teledetectie GIS Cadastru

20

Figura 1.18 Mozaic fotogrammetric

1.6. Înregistrarea imaginilor aeriene Obţinerea unor imagini de calitate se realizează prin înregistrarea lor în condiţii bune şi preluarea corectă. În funcţie de obiectivele şi de mijloacele disponibile rezultă o serie de parametri: scara, camera de priză, emulsia, filtrele, înălţimea medie de zbor, acoperirile longitudinale şi transversale, trenarea. De-a lungul timpului camerele de priză s-au perfecţionat continuu; totuşi, trei camere principale prezintă interes: camerele aerofotogrammetrice aeriene, camerele panoramice şi camerele multibandă.

Camerele aerofotogrammetrice aeriene (figura 1.19a) conţin un singur obiectiv, un mecanism de transport al filmului şi caseta. Obiectivul permite formarea imaginii pe pelicula de film; fiind reglat astfel încât să preia imagini de la infinit, distanţa între centrul optic al obiectivului şi peliculă este egală cu distanţa focală, f. Camerele de acest tip mai sunt numite şi „metrice”, întrucât toate deformaţiile metrice şi cromatice pe care la generează sunt cunoscute. Pelicula pe care o utilizează este de format mare, 18x18 cm şi mai ales 23x23 cm. În felul în care sunt construite, aceste camere sunt cele mai utile pentru fotogrammetrie, cartografie şi fotointerpretare.

Camerele panoramice permit baleierea (măturarea) terenului de la un orizont la altul, cu ajutorul unui obiectiv rotitor care trimite imaginea pe o peliculă dispusă pe un cilindru (fig. 1.19b). După baleiere filmul este tras până în poziţia următoare. Baleiajul se face transversal în raport cu

Page 23: Teledetectie GIS Cadastru

21

deplasarea avionului, iar variaţiile de scară între centru şi margini dau imaginii aspect de „butoi”. Acest tip de camere este folosit în scopul recunoaşterii şi supravegherii mediului ambiant, întrucât permite preluarea unor fotografii care acoperă suprafeţe mari (cu acest tip de cameră a fost fotografiată, în cadrul misiunilor Apollo, mai mult de jumătate din suprafaţa Lunii).

Camerele multibandă (figura 1.19c) permit descompunerea spectrului vizibil şi IRA prin folosirea mai multor obiective (de cele mai multe ori 4, fiecare putând fi dotat cu filtre diferite). Pelicula fotografică folosită cel mai des este pentru infraroşu şi alb negru, care este sensibilă şi la radiaţii din vizibil. Fotografia obţinută este apoi descompusă în subimagini corespunzătoare bandelor spectrale delimitate de filtrele fiecărui obiectiv.

a b c

Figura 1.19. Camere de priză: a- aerofotogrammetrice, b- panoramice, c- multibandă În afară de camerele de priză folosite, există o serie de anexe. Cele mai importante în

preluarea imaginii sunt: - vizorul intervalometru - asigură dirijarea platformei de zbor (avionului) şi orientarea

camerei pe direcţia liniei de zbor avute în vedere în faza de proiectare. Axul vizorului este paralel cu axul de fotografiere al camerei, iar rotirea lui se transmite şi la aceasta.

- camera orizont şi periscopul solar dau indicaţie asupra verticalităţii axului de fotografiere şi poziţia Soarelui pe cer.

- altimetrul, cu rol de a da informaţii asupra păstrării altitudinii de zbor prestabilite în faza de proiectare. Sunt folosite astăzi altimetre radar, care dau precizii de nivelul a ± 1-2 m.

- giroscopul, cu rol de a sigura, prin servomecanisme proprii, orizontalitatea camerei. Funcţionarea camerei este automată, acţionată electric, pentru o serie de activităţi: rularea

filmului, crearea vidului, timpul de expunere şi deschiderea diafragmei, înregistrarea elementelor de orientare interioară şi exterioară, a indicilor reper, distanţă focală, număr curent, ceas, nivelă.

Platformele de zbor cel mai des întâlnite în aerofotografiere sunt avioanele, care sunt amenajate special şi trebuie să îndeplinească o serie de condiţii:

- să aibă stabilitate mare şi să menţină linia de zbor; se admit deviaţii de cel mult 3 grade pe orizontală şi maxim de 2% din înălţimea de zbor,

- să permită echipajului vizibilitate bună în faţă, în jos şi lateral pentru a se putea identifica reperele şi a se menţine banda de zbor,

- să fie îndeajuns de spaţios pentru montarea aparaturii fotografice, - locul de evacuare al gazelor provenite din arderea combustibilului să fie departe şi în

spatele trapei de fotografiere, - să aibă autonomie de zbor măcar de 6 ore, viteza minimă de 150 km/h şi să poate păstra un

plafon de zbor de 5000 m. Echipajul este format din: - pilot, cu sarcina de a realiza parametrii antecalculaţi ai zborului, - navigator, care răspunde de respectarea scării fotogramelor, acoperirie, urmărirea traseului.

El comunică pilotului eventualele corecţii. -operator foto, responsabil cu procesul de fotografiere

Page 24: Teledetectie GIS Cadastru

22

Capitolul 2. Elemente de fotogrammetrie forestieră 2.1. Folosirea fotogramelor aeriene Fotogrammetrie are acelaşi obiect de lucru ca şi topografia, adică de a determina forma, dimensiunea obiectelor şi poziţia lor relativă. Tehnicile de realizare sunt însă specifice, iar elementul de bază este fotograma, care este o fotografie specială, luată în condiţii speciale şi cu o anumită aparatură. Fotograma aeriană reprezintă o proiecţie centrală, cu elemente geometrice cunoscute (vezi fig. 2.2).

Preluarea de fotograme în scopuri cartografice trebuie să se conformeze cerinţelor principiilor topografice, respectiv de a fi proiecţii ortogonale, paralele (figura 2.1). Aşa încât, problema principală este de transformare a proiecţiei centrale într-una paralelă.

plan orizontal de proiecţie

QR

Figura 2.1. Proiecţia paralelă (ortogonală) Figura 2.3. trecerea la proiecţia ortogonală în

a terenului cazul unui cuplu de fotograme

Trecerea de la proiecţia prin punct central (conică) la cea paralelă presupune cunoaşterea elementelor de orientare interioară şi exterioară, care definesc poziţia în spaţiu a centrului de proiecţie (de perspectivă).

În cazul unei singure fotograme, trecerea se realizează simplu şi riguros numai în cazul terenurilor plane, pe baza reversibilităţii fenomenelor din optica geometrică, printr-o transformare afină, adică o dilatare de suprafaţă (figura 2.2a). În cazul unui teren accidentat, reprezentarea în proiecţie ortogonală nu mai este la fel de simplă: dacă la nivelul fotogramei distanţele ab şi bc sunt egale, nu acelaşi lucru se întâmplă şi cu distanţele orizontale din teren (figura 2.2b). În cazul unei singure fotograme (fotogramă singulară) se obţine doar poziţia planimetrică a punctelor de detaliu. Avem de a face cu ramura fotogrammetriei planigrafice. Procedeele de realizare a acestui tip de reprezentare sunt cunoscute sub denumirea de redresare, iar produsele pot fi fotoplanuri (reprezentare fotografică) sau planuri redresate (reprezentare grafică).

a b Figura 2.2. Trecerea la proiecţia ortogonală în cazul fotogramei singulare:

a- teren plan, b- teren accidentat

Page 25: Teledetectie GIS Cadastru

23

În cazul unui cuplu de fotograme (două fotograme preluate succesiv cu o acoperire longitudinală de 2/3 sau 66%) se poate obţine proiecţia paralelă necesară reprezentărilor cartografice pentru zona de acoperire comună (fig. 2.3). Avem de-a face cu ramura stereofotogrammetriei şi în acest caz poziţia punctelor rezultă în plan şi în înălţime prin procedee denumite restituţie. Aceasta poate fi:

- restituţie prin construcţii grafice, care este greoaie, fără randament şi nu se practică decât pentru a explica principiul

- analogică, cu aparatură care permite orientarea fotogramelor şi obţinerea modelului optic al terenului, care se exploatează linie cu linie, fără interpolări, prin intermediul unui reper (marcă). Piesele grafice obţinute în urma restituţiei sunt planuri sau hărţi complete, cu curbe de nivel.

2.2. Reperajul fotogrammetric Reperajul este un ansamblu de puncte care au rolul de a face legătura între teren, fotogramă şi reprezentarea cartografică ce urmează a fi obţinută. Este alcătuit din puncte bine identificabile, durabile şi certe pe teren, vizibile şi în fotogramă. Numărul minim de puncte este de 4 pe fiecare fotogramă sau cuplu. Dispunerea lor în planul fotogramei este de preferat spre colţurile, astfel încât să încadreze corespunzător zona de lucru.

Poziţia punctelor la sol se determină prin metode topografice clasice: drumuiri cu radieri, intersecţii – în special înapoi, drumuiri cu laturi lungi (figura 2.4) sau folosind sistemul de sateliţi GPS. Punctele servesc la redresarea fotogramelor (când se cunosc coordonatele plane x, y) sau la orientarea stereogramelor (x, z, y).

A B

R6

CD

αβP

α

β

R9

A

B

7

8

9

10

a b Figura 2.4. Determinarea coordonatelor punctelor de reper: a- radiere din intersecţie înapoi,

b- radiare controlată din drumuire încadrată

Numărul punctelor de reper nu este foarte mare, datorită acoperirii longitudinale (circa 66%) şi transversale (33%). În acest caz, punctele de reper de pe o fotogramă servesc drept reper şi pentru altele vecine. În cazul în care, pe anumite porţiuni, reperele terestre lipsesc, ele se pot înlocui cu puncte determinate pe cale fotogrammetrică, prin aerotriangulaţii

2.2.1 Reperajul terestru Punctele folosite ca reper trebuie alese astfel încât să fie bine identificabile: întretăieri de

garduri, colţuri de parcele sau de case, poduri, stânci, chiar tufe izolate (figura 2.5.). Pe fotogramă aceste puncte se înţeapă, se face schiţa şi, printr-un procedeu topografic, se face determinarea coordonatelor x, y, z. În zonele unde peisajul nu conţine astfel de puncte (masive păduroase întinse), tehnica descrisă anterior nu se mai poate aplica; în acest caz se realizează premarcaje, înainte de efectuarea zborului. Acestea sunt construcţii din pietre dispuse în figuri geometrice, vopsite sau văruite şi având dimensiunea în teren de minim 1/30.000 din numitorul scării pentru a fi văzute în fotogramă. Premarcajele se pot face pe teren (în poieni, de exemplu) din grămezi de pietre, sau în arbori, din table vopsite sau scânduri, aşezate pe prăjini deasupra plafonului pădurii.

Page 26: Teledetectie GIS Cadastru

24

Deşi pot fi o soluţie, premarcajele sunt privite cu rezervă şi se fac numai în cazuri extreme, pentru că sunt costisitoare şi nesigure.

a

bcdpoiană

Figura 2.5. Reperaj fotogrammetric terestru: a- intersecţii de garduri, b- intersecţii de poteci,

c - tufă izolată sau arbore izolat, d – reperi premarcaţi din bolovani 2.2.2. Aerotriangulaţii La acest procedeu se apelează atunci când premarcajul este costisitor şi nesigur, în terenurile

în care nu există puncte care să poată fi reper. Condiţiile pentru aplicarea metodei sunt: - cel puţin la capetele benzii să fie reperi tereştri şi, dacă este posibil, şi la mijloc, - numărul fotogramelor consecutive fără reperi dintr-o bandă să fie maxim 12-15 (figura 2.6)

cca 12 fotograme

Figura 2.6. Fotografii în bandă pentru aerotriangulaţii Metodele de aerotriangulaţie se pot grupa în cele corespunzătoare fotogrammetriei

planimetrice (folosite la fotoredresoare şi întocmirea fotoplanurilor, denumite şi metode de fototriangulaţie plană) şi cele corespunzătoare stereofotogrammetriei (denumite şi metode de aerotriangulaţie spaţială sau de aerotriangulaţie).

Fototriangulaţia plană este un procedeu prin care rezultă doar poziţia plană a punctelor (x,y). Se aplică numai în terenurile aproximativ plane. Între toate metodele, un loc deosebit îl ocupă cele radiale, întrucât erorile datorate reliefului se propagă doar radial din centrul fotogramei, aşa încât prin intersecţii din alte centre ale fotogramelor devin controlabile. Trebuie subliniat că direcţiile duse pe fotogramă din punctul central spre punctele reper nu se deformează în funcţie de accidentaţia terenului.

Procedeul numeric al metodei presupune o bandă cu acoperiri longitudinale normale şi primul cuplu din bandă orientat după reperele terestre (figura 2.7.). Unghiurile se determină în planul fotogramei cu instrumente speciale (de ex. un triangulator, cu precizia ± 1c). În acest procedeu se parcurg următoarele etape: - se determină, cu ajutorul indicilor reper punctele mijlocii ale fotogramelor (1, 2, 3 . . ), - se aleg punctele din centru şi alte două la periferie: a, b, la circa 1-2 cm de margini, - se unesc punctele spre a avea figuri de tip romb: centrele între ele, şi cu punctele de pe margini, - se determină unghiurile din figură, - funcţie de elementele lineare ale primului model (2-3) şi de unghiurile la centru măsurate rezultă elementele care definesc 3a, 3b, 4a, 4b, - se calculează pe ambele părţi:

Page 27: Teledetectie GIS Cadastru

25

α βεε ζ ζζ

ϕ ϕη ηηγ

2

2

3

3

3

3

3

3

3

3 4

4

4

4

δ

1

2a

2b

3a

3b

4a

4b

54

32

Figura 2.7. Determinarea poziţiei punctelor în fototriangulaţia plană – procedeul numeric

( )4

43

23

2

sinsin

3343;)sin(

sin3233εεβ

ζαζ +

−=−+

−=− bb

( )( )224

432

sinsinsinsin3243

ζαεεβζ

++

−=− . . . [13]

- se determină în continuare laturile 4-5, 5-6 ş.am.d., având control pe distanţele obţinute din coordonatele reperilor tereştri

- se compensează, dacă erorile sunt mai mici decât toleranţele - se determină poziţiile punctelor 3a, 3b, 4a, 4b. Aerotriangulaţiile sunt folosite în cazul în care se doreşte determinarea coordonatelor

spaţiale (x,y,z) ale punctelor de detaliu. Este de asemenea necesară o acoperire comună de 2/3 din cuplul de fotograme. Operaţiile pot fi analogice şi analitice. Procedeul analogic presupune construirea stereomodelelor individuale, iar acestea se leagă la capetele de bandă cu stereomodelul general. Primul cuplu se orientează absolut după reperajul terestru existent în capetele de bandă. Modelul nou, care urmează în succesiunea zborului, se leagă cu precedentul prin intermediul fotogramei comune care, odată orientată, rămâne nemişcată. Procedeele analitice sunt posibil de executat doar când se dispune de calculatoare şi calculul se face în bloc, odată pentru toate benzile, rezultând o determinare şi compensare unitară. Orientarea relativă a cuplului se face după condiţia de coplanaritate a razelor omoloage, iar orientarea absolută prin transformarea coordonatelor dintr-un sistem în altul printr-o transformare de scară, translaţie şi rotaţie

2.3. Efectul curburii Pământului şi refracţiei atmosferice Efectul de curbură terestră şi refracţie atmosferică devin importante pentru cazul

fotogramelor preluate de la înălţimi mari, în cazul camerelor mari şi supermari unghiulare. Efectul curburii (figura 2.8a) constă practic într-o apropiere a punctului fotografiat de axa de

fotografiere (de punctul mijlociu), întrucât este înregistrat punctul P real şi nu Po din planul de proiecţie. Efectul ec este dat de relaţia:

RfHrec 2

3

2= , [14]

Page 28: Teledetectie GIS Cadastru

26

unde r este distanţa între punctul înregistrat şi punctul mijlociu al fotogramei, f- distanţa focală, H – altitudinea de zbor, iar R raza medie a Pământului. Dacă, de exemplu, se consideră r = 10 cm, H = 5.000m, R = 6379 km rezultă 1,7x10-5m = 17 μm.

ec

pop F

f

H

D P0

P

Ra

erF

f

H

P

Δαα

OO

r

Figura 2.8. a - efectul curburii terestre, b - efectul refracţiei atmosferice Efectul refracţiei, notat prin er în figura 2.8.b este datorat faptului că traseul razei care vine

de la punctul P nu este rectiliniu, ci curb, devierea fiind caracterizată de unghiul Δα şi având valoarea:

ααΔ= 2cos

fer [15]

Atât corecţia datorată curburii, cât şi cea datorată refracţiei atmosferice se determină numai în cazul lucrărilor fotogrammetrice de precizie.

2.4. Fotogrammetria planigrafică 2.4.1. Generalităţi Fotogrammetria planigrafică se ocupă cu studiul fotogramelor luate una câte una (singulare), iar rezultatele sunt reprezentări cartografice de planimetrie. Problema principală o reprezintă trecerea de la proiecţia centrală la cea normală. Toate tehnicile de lucru folosite trebuie să realizeze corespondenţa proiectivă între planul fotogramei şi teren pe de o parte, iar pe de alta cu planul de proiecţie al planului sau al hărţii obţinute. Corespondenţa este simplă şi riguroasă numai pentru cazul terenurilor plane. În aceste cazuri se poate face riguros trecerea de la proiecţia centrală la cea paralelă sau bine pentru cazul terenurilor cu denivelări uşoare. Reprezentările de planimetrie se obţin prin asamblarea fotogramelor redresate, mai precis a copiilor lor aduse la aceeaşi scară după proiecţe.

2.4.2. Redresarea fotogramelor Fotograma este o proiecţie centrală numai în cazul în care este riguros nadirală şi terenul este orizontal. În acest caz problemele sunt simple şi se rezolvă cu instrumente simple. Practic, fotogramele sunt foarte rar riguros nadirale (există multiple cauze datorate zborului şi condiţiilor

Page 29: Teledetectie GIS Cadastru

27

meteo), iar terenul fotografiat este arareori perfect orizontal sau este numai pe porţiuni mici; în aceste cazuri fotogramele suferă deformări de perspectivă, care trebuie eliminate. Redresarea este operaţia de transformare a fotogramei înclinate în fotogramă nadirală şi eliminarea influenţei reliefului terenului asupra poziţiei punctelor, deci obţinerea unei imagini în proiecţie ortogonală, la o scară dorită. Iniţial redresarea s-a rezumat la transformarea fotogramelor înclinate în fotograme nadirale fără eliminarea influenţelor reliefului, având aplicabilitate în terenuri plane. Ulterior s-a realizat şi transformarea fotogramelor înclinate în fotograme ce reprezintă proiecţia ortogonală a terenului (ortofotograme), indiferent de relief, prin redresare diferenţiată Redresarea se poate realiza prin mai multe metrode: grafice, optico-grafice, fotografice. 2.4.2.1. Metoda grafică Este posibilă cunoscând bazele geometrice ale trecerii imaginii în cazul terenurilor plane şi a fotogramelor nadirale. Practic asemenea redresări nu se fac, dar principiul este valabil (figura 2.9 a).

a

F

A

BC

D

m

O

m0 ab

cd

0

0

0

0

0

H

Δ

Δ

S

S

ma

b

cd

A

B

C

Da

bc

dm

ΔΔ 0

0

0

0

0

0S

S

b

Figura 2.9. a- Redresare grafică (principiul geometric), b- trecerea unei direcţii în plan Fascicolului de raze care trece printr-un punct oarecare „m” de pe fotogramă îi corespunde unul care trece prin punctul „m0” al planului (hărţii), considerat orizontal. Intersecţia fascicolelor se face după linia de intersecţie „SS’ ” între planul fotogramei şi al hărţii (planului). Astfel, unei drepte (Δ) din planul fotogramei îi corespunde dreapta (Δ0) din plan (hartă). Corespondenţa între fotogramă şi hartă este centrică şi coliniară. Cele două fascicule se găsesc în poziţii perspective una faţă de alta. O direcţie din planul fotogramei se poate trece în planul hărţii dacă se face corespondenţa dintre cele două plane funcţie de 3 direcţii (figura 2.9b). Dacă direcţiile mA, mB, mC , mD; m0A, m0C, m0D există, atunci direcţiile m0B şi m0b0 se construiesc simplu din B. Poziţia direcţiei m0b0 şi a punctului b0 pe dreapta (Δ0) rezultă din şirul de rapoarte, întrucât dreapta (Δ0) taie fascicolul de drepte după acelaşi raport:

ktconsBDBC

ADAC

bdbc

adac

=== tan [16]

b0c0 = b0d0 - c0d0 şi a0c0 = a0d0 - c0d0 ; rezultă:

( ) 0000

000000 1 dcdak

dcdakdb+−

⋅= [17]

Page 30: Teledetectie GIS Cadastru

28

2.4.2.2. Redresarea optico-grafică (camera clară) Camera clară este un instrument simplu, a cărui schemă este prezentată în figura 2.10. Operatorul este poziţionat astfel încât vede simultan atât imaginea fotografică, amplasată pe un suport, cât şi imaginea unei hărţi, aflată pe planşeta de lucru. Suportul fotogramei poate să aibă mişcări de rotire, ceea ce ar putea corespunde rotaţiilor suferite de fotogramă în timpul preluării (unghiul k sau α, figura 1.3b). Prisma utilizată are o faţă semiargintată AB, care permite deopotrivă trecerea privirii, prin prismă, spre plan (hartă), dar şi reflexia spre planul fotogramei, prin intermediul oglinzii O. Valoarea distanţelor „d” şi „l” este variabilă. La rândul ei, harta poate fi deplasată pe masa de lucru, până când se realizează suprapunerea imaginii detaliilor considerate ca reper, comune între fotograme şi hartă. Operaţia presupune o serie de mişcări coordonate specific. Odată suprapunerea realizată, se spune că s-a redresat imaginea şi urmează desenarea cu un creion negru a detaliilor noi, apărute de la data întocmirii hărţii, iar detaliile care nu mai apar pe fotogramă (recent preluată), dar apar pe hartă (mai veche) se anulează cu linie roşie. Procedeul se numeşte reambulare şi se poate folosi cu rezultate bune la terenuri plane

fotogramă

suport

A

B

plan (hartă)

operator

l

d

Figura 2.10. Schema de funcţionare a camerei clare Dacă pe planşeta de lucru se aşează o foaie de hârtie pe care s-au raportat în prealabil, la scara dorită, reperi tereştri identificaţi şi în fotogramă şi determinaţi în teren (x,y), prin mişcări adecvate (modificarea distanţelor „d” şi „l”) se suprapune imaginea reperilor din fotogramă peste cei din plan, iar apoi se trasează pe formatul de hârtie detaliile din fotogramă, aduse la scară. 2.4.2.3. Fotoredresarea Este procedeul cel mai utilizat pentru obţinerea reprezentării la scară a imaginii din fotograme. Instrumentele folosire în acest scop se numesc generic fotoredresatoare (aparate de proiecţie fotografică), care permit fotogramei toate gradele de libertate (mişcări de translaţie după fiecare axă şi orice rotaţie). Un astfel de instrument este redat în figura 2.11.Redresarea se face prin intermediul a patru puncte de reper, realizându-se astfel corespondenţa proiectivă între plan şi hartă. Fotoredresatoarele asigură o imagine clară şi în scară, adică fac posibilă corespondenţa proiectivă între fotogramă şi hartă.

Imaginea clară se obţine prin îndeplinirea a două condiţii (figura 2.12):

Page 31: Teledetectie GIS Cadastru

29

obiectiv

planşetă

fotogramă

lampăp.c.

p.o.

p.h .

S

a’

d’

d

a

f

f

O α

β

R’

R

Figura 2.11. Schema constructivă a Figura 2.12. Condiţia de a avea imagini

fotoredresatorului SEG-1 Zeiss clare - condiţia Scheimpflug: planul clişeului (pc), al obiectivului (po) şi al hărţii (ph) trebuie să se

întâlnească după o linie (S). Geometric, această relaţie se poate scrie sub forma relaţiei: SO = l = a’.ctgα + d’ = a.ctgβ - d [18] - condiţia lentilelor: este suficient ca o pereche de puncte (R, R’) să satisfacă condiţia

lentilelor:

faa1

'11=+ [19]

În aceste relaţii, a’ reprezintă distanţa de la planul obiectivului la planul portclişeu,

corespunzătoare punctului R’ din planul fotogramei, a este distanţa de la obiectiv la planşetă (planul hărţii), iar f este distanţa focală a obiectivului

Imaginea de o anumită scară se obţine când patru puncte din planul fotogramei - dintre care trei necoliniare – se suprapun cu corespondentele lor din teren, ridicate în plan şi raportate pe hartă (pe planşetă) la scara respectivă. La fotoredresatorul SEG 1- Zeiss planul obiectivului este fixat în poziţie orizontală, planşeta şi portclişeul se pot înclina în sensul indicat pe figură. Clişeul este proiectat de lampa L prin obiectivul O pe planşeta P. Mişcarea pe verticală a obiectivului conduce la modificarea scării (în raportul 0,75 – 5 ori scara fotogramei), iar mişcările de rotaţie conduc la modificarea unghiurilor α şi k (figura 1.3.b).

Există şi alte tipuri de fotoredresatoare, construite după diverse principii. Piesa de bază care rezultă în urma fotoredresării este fotoplanul. Acesta rezultă din

asamblarea fotogramelor redresate şi aduse toate la aceeaşi scară. Asamblarea se face pe planşete speciale pe care s-au raportat în prealabil reperii fotogrammetrici la scara dorită. Operaţia se face în aşa fel încât să se suprapună punctele de pe fotogramă cu reperii, respectiv detaliile fotografiate să aibă continuitate pe celelalte fotograme. După aplicarea tuturor fotogramelor redresate se poate aplica şi caroiajul hărţii, se înscrie toponimia, semnele convenţionale, se retuşează şi se copiază.

Precizia fotoplanului este în funcţie de precizia cu care are loc procesul de redresare, dar şi performanţele instrumentului, deformaţiile hârtiei fotografice, precizia de determinare a reperilor, a asamblării. În condiţii medii, precizia planurilor fotografice se poate înscrie în limitele ± 1 mm la

Page 32: Teledetectie GIS Cadastru

30

scara planului, iar în condiţii favorabile (teren plan), se poate ajunge până la ± 0,3 mm. Erorile de poziţie ale punctelor cresc dacă redresarea se face după detalii aflate pe reprezentări vechi.

2.4.2.4. Redresarea diferenţiată (pe benzi). Ortofotoplanul

Deşi interesul pentru planurile fotografice este mare (ele cuprind un număr maxim de detalii cu contururi reale), precizia lor scade odată cu accidentaţia terenului. Prin procedeul de redresare diferenţiată se obţine o precizie superioară şi în cazul terenurilor accidentate. Instrumentele folosite asigură redresarea nu instantaneu, ci pe fâşii. Acestea au lăţimi mici, pe care perspectiva centrală se poate transforma riguros în proiecţie paralelă. Una din căile de rezolvare este modificarea înălţimii de proiecţie funcţie de accidentaţia terenului. 2.5. Stereofotogrammetria Obiectul stereofotogrammetriei îl constituie prelucrarea zonei comune a două fotograme succesive, de pe care se poate determina forma, dimensiunile şi poziţia în plan şi în spaţiu a detaliilor. Se pot deci executa reprezentări complete spaţiale, adică de planimetrie şi altimetrie. Elementele spaţiale ale terenului se pot reda prin curbe de nivel sau digital. Instrumentele folosite în procesul de exploatare a cuplurilor de fotograme se numesc stereorestitutoare, iar procesul în urma căruia rezultă reprezentări complete ale terenului se numeşte stereorestituţie.

2.5.1. Vederea stereoscopică directă şi indirectă

Vederea în relief (perceperea profunzimii sau adâncimii unui peisaj) este rezultatul vederii binoculare directe. Explicaţia constă în faptul că în creierul omului se suprapun simultan două imagini distincte ale aceluiaşi obiect, rezultate din puncte diferite de observare.

Din punct de vedere anatomic, ochiul este un organ foarte complex, servind la transformarea imaginilor corpurilor în senzaţii vizuale. Din punctul de vedere strict al opticii, ochiul este format din medii transparente: umoarea apoasă, cristalinul şi umoarea sticloasă. Lumina pătrunde în ochi printr-o fantă denumită cornee transparentă, străbate mediile mai sus amintite şi ajunge pe retină, pe care se formează o imagine reală şi răsturnată a obiectelor privite. Intensitatea luminoasă este reglată automat (reflex) prin intermediul irisului, care este o membrană perforată printr-o deschidere circulară de diametru variabil (pupilă) (figura 2.13). Retina este o membrană subţire, irigată de prelungiri ale nervului optic şi formată din celule fotosensibile. Cristalinul are forma unei lentile biconvexe şi poate fi mai mult sau mai puţin bombat sub acţiunea reflexă a muşchilor oculari, modificând-şi astfel convergenţa de aşa manieră încât imaginea să cadă pe retină. Pentru distanţe mai mari de 15 - 18 metri, ochiul poate forma imaginile pe retină fără nici un efort de modificare a convergenţei cristalinului. Apropiind obiectul, cristalinul se bombează, astfel ca imaginea să rămână pe retină; fenomenul se numeşte acomodare şi se poate face până la distanţe de 10 - 15 cm la tineri şi de circa 25 cm la adulţi. Ochiul uman normal (neafectat de defecte de convergenţă: miopie, hipermetropie, prezbitism) vede cel mai bine la o distanţă de aproximativ 25 cm, numită distanţa vederii optime.

Spre comparaţie, vederea monoculară (cu un singur ochi) oferă numai elemente de contur şi direcţie; profunzimea peisajului nu poate fi percepută decât urmare unor experienţe anterioare legate de mărimea detaliilor, acoperirea lor relativă etc.

Page 33: Teledetectie GIS Cadastru

31

retinăumoare sticloasă

cri stalin

corneetransparentă

umoareapoasă

pupilă

iris

muşchi

nerv optic

PR

Os Od

Figura 2.13. Ochiul uman Figura 2.14 Aprecierea distanţelor în vederea directă

Fie un punct P în spaţiu şi cei doi ochi ai omului, ochiul stâng (Os) şi drept (Od). Punctul P este localizat la intersecţia razelor corespunzătoare Os-P şi Od – P, iar imaginea lor pe retină este respectiv Ps şi Pd. Alte puncte din spaţiu, de exemplu R, dau pe retină imagini în puncte diferite, de exemplu Rs, Rd (figura 2.14)

Distanţa „dP ” la care se află P este funcţie de unghiul de convergenţă a razelor corespunzătoare, „αP” şi de distanţa b0 între centrele optice ale cristalinului fiecărui ochi (denumită bază a vederii binoculare directe). Pentru că de obicei „d” este cu mult mai mare decât b0, rezultă o valoare mică pentru unghiul αP, aşa încât se poate scrie (indicii P arată că se face referire la acest punct):

,db

tg o=α [2.20a]

cc

P

oP d

bρα = [2.20b]

P

cc

oP bdαρ

= [2.20c]

Conform relaţiilor de propagare a erorilor întâmplătoare, eroarea de estimare a distanţei „d”, notată ed este:

α

ρα

ρρ

ααρ

α α

∂=∂−=∂−=∂

∂∂

±=

oo

oo

d

bdd

bbbd

ede

22

222

[2.21]

În determinarea relaţiei [2.21] s-a ţinut cont succesiv de [2.20c] şi [2.20b]. Rezultă, înlocuind:

ρα ob

dd 2

−=∂∂ , [2.22]

sau, înlocuind cu eroarea de apreciere a distanţei:

Page 34: Teledetectie GIS Cadastru

32

αρe

bdeo

d

2

±= [2.23]

Din relaţia [2.23] rezultă că eroarea de apreciere a distanţei ,,d” este proporţională cu pătratul distanţei şi cu eα şi scade cu creşterea bazei interoculare. Mărimea eα este asimilată cu acuitatea vederii stereoscopice, care reprezintă cea mai mică cantitate cu care poate fi variat unghiul α (cea mai mică valoare a paralaxei) pentru ca deplasarea corespunzătoare în adâncime să fie perceptibilă. Valoarea acuităţii vizuale a unei vederi binoculare normale este de circa 17”. Valoarea bazei vederii binoculare este variabilă de la individ la individ aproximativ în intervalul 6- 7 cm. Pentru o valoare medie curentă bo = 6,6 cm şi pentru o acuitate normală rezultă următoarele precizii funcţie de distanţă (tabelul 1):

Tabelul 1. Eroarea de apreciere a profunzimii pentru diferite distanţe

d(m) 0,25 1 10 100 ed ±0,08mm ± 1mm ± 12 cm ±12 m

Se observă că precizii bune de apreciere a profunzimii sunt obţinute numai la distanţe foarte mici. De asemenea, ţinând cont de relaţia [2.23], rezultă că există căi de micşorare a erorii ed, care ar putea consta într-o micşorare a distanţei „d” – lucru care se poate realiza prin utilizarea de binoculare măritoare, cu rol de apropiere aparentă a obiectului vizat - sau prin mărirea artificială a bazei vederii binoculare. Folosind notaţiile din figura 2.14 se poate calcula diferenţa: Δα = αR - αP [2.24] Aceasta se numeşte paralaxă unghiulară şi, aşa cum s-a văzut, dă indicaţii asupra profunzimii Δd a câmpului vederii. Vederea stereoscopică indirectă este legată de perceperea senzaţiei de profunzime a unui peisaj, fără ca ochiul să vadă direct peisajul. Astfel, detaliul AB se percepe spaţial (figura 2. 15) dacă: - este înregistrat pe două fotograme F1 şi F2 din două puncte diferite, aflate la distanţă mai mare ca distanţa interoculară bo; - sunt separate vederile (fiecare ochi vede numai o fotogramă) - fotogramele sunt aranjate într-o figură asemenea cu aceea din momentul preluării, iar direcţiile de observaţie a celor doi ochi sunt conţinute în acelaşi plan. În acest caz se obţine efectul stereoscopic indirect, iar alura reliefului este asemenea cu aceea reală în ce priveşte proporţiile şi tipul detaliilor. Dintre principiile de separare a vederilor se amintesc:

- principiul anaglifului (a culorilor complementare), bazat pe teoria substractivă a luminii, pus la punct de Rollman (1853)

- principiul polarimetrului, care ţine cont de modul de propagare a luminii şi foloseşte polarizarea ei, adică de existenţa unor plane preferenţiate de propagare. - principiul brilamentului (al sclipirilor), în care se foloseşte inerţia ochiului, adică faptul că, peste o anumită frecvenţă(15-20 imagini/secundă), imaginile se percep continuu. Imaginile a două fotografii se proiectează succesiv pe un ecran şi ochii privesc de asemenea succesiv printr-un obturator mobil aflat în fază cu viteza de proiectare a imaginilor. Rezultă, datorită inerţiei ochiului, suprapunerea imaginilor în creier şi aparenţa unei imagini spaţiale.

Page 35: Teledetectie GIS Cadastru

33

Os

bo

AB

F1 F2

Od

imaginevirtuală

imaginereală

a1 a2b1 b2

Os Od

bo

bs

F1 F2

Figura 2.15 Vederea stereoscopică indirectă Figura 2.16. Principiul stereoscopului

Principiul cel mai des folosit şi mai eficient este însă acela al stereoscopului. Stereoscopul poate fi de buzunar (de dimensiuni mici, care asigură numai separarea vederilor) sau cu oglinzi (figura 2.16). Cu ajutorul perechilor de oglinzi se măreşte artificial baza vederii de la bo la bs – baza vederii stereoscopice. Din acest motiv, imaginea se formează la scări diferite pe lungime şi înălţime.

Scara lungimilor este dată de relaţiile cunoscute:

ScND

dhf

===1

Scara înălţimilor se determină cu relaţia:

0

1bhbd

Ns

z ⋅⋅

= [2.25]

În relaţia [2.25] prin „d” s-a notat distanţa vederii oculare optime. Raportul dintre scări (raportul în care este exagerată profunzimea faţă de lungime) se numeşte plastica imaginii şi este:

00

1:1bb

bfbd

NNn ss

z

≈⋅⋅

== [2.26]

Dacă în faţa fiecărui ochi se interpune câte un binocular măritor, care are puterea de mărire de „mx”, exagerarea înălţimilor faţă de distanţele orizontale se numeşte plastică totală a imaginii şi este dată de relaţia: M = nxm [2.27] În acest fel, stereoscopul reuşeşte să îmbunătăţească erorile de apreciere a profunzimii peisajului (relaţia [2.23]) folosind ambele căi: mărirea artificială a bazei vederii binoculare de la bo la bs şi apropierea aparentă a imaginii vizate de mx.

2.5.2. Raportul bazei. Evaluarea înălţimilor

2.5.2.1. Raportul bazei reprezintă o relaţie geometrică şi este caracteristică unui cuplu de fotograme (stereogramă). Raportul bazei condiţionează precizia determinărilor spaţiale, împreună cu aparatura folosită, calitatea imaginii, scară. Efectiv, raportul este dat de b/h, unde „b” reprezintă baza fotografierii (distanţa parcursă de avion între două fotografieri succesive), iar „h” – înălţimea medie de zbor. Din figura 2.17, ţinând cont că „x” reprezintă acoperirea longitudinală a două fotograme în cuplu, se poate scrie:

Page 36: Teledetectie GIS Cadastru

34

O1 O2

F1 F2

b

f

PR

r1 r2p1p2r ’1

p ’1P1 P2

O1 O2

F1 F2

P

b

f

hP

b LxL

l l

α1 α2

Figura 2.17. Raportul bazei Figura 2.18. Determinarea înălţimilor cu

ajutorul paralaxelor

hf

Ll= ; L = b + Lx; L(1-x) = b;

xbL−

=1

.

Înlocuind în prima relaţie şi schimbând pe „b” şi „f” între ei rezultă succesiv:

( )hfx

bl

=−1

( )xfl

hb

−= 1 [2.28]

Dacă se consideră că x = 66% = 2/3, rezultă că raportul bazei depinde de elementele constructive ale camerei, l şi f. Valori mari ale raportului bazei dau camerele mari unghiulare. De exemplu, la o cameră normal unghiulară cu l = 18 cm şi f = 20 cm, pentru x = 66% rezultă un raport al bazei de 1/3, iar pentru f = 10 cm, în aceleaşi condiţii, rezultă 2/3. La camerele aerofotogrammetrice raportul bazei variază între 1/4 şi 1.

Importanţa raportului bazei derivă din aceea că acesta caracterizează mărimea unghiului de convergenţă a razelor conjugate ale unui punct: cu cât unghiul α de convergenţă este mai mare, cu atât poziţia în înălţime este mai precis determinată (fig. 2.17). Camerele mari unghiulare se folosesc în zonele de şes; în acest sens se asigură o determinare bună a cotelor, chiar în condiţiile unor variaţii mici ale înălţimii.

2.5.2.2. Evaluarea înălţimilor pe cale fotogrammetrică este de o mare importanţă practică, putându-se determina diferenţe de nivel între două puncte, înălţimi ale unor detalii (inclusiv arbori). Se poate face prin mai multe moduri, cel caracteristic imaginilor în cuplu fiind cu ajutorul paralaxelor.

Dacă se face referire la situaţia din figura 2.18, se consideră două puncte din teren, P şi R, situate la cote diferite. Imaginea celor două puncte în fotogramele F1 şi F2 (care formează un cuplu) este r1 şi p1 în F1, respectiv r2 şi p2 în F2. Dacă prin punctul central O2 se duc paralele la O1r1 şi la O1p1, se obţin pe fotograma F2 poziţiile r1’ şi p1’.

Pentru un punct oarecare, paralaxa lui este dată de diferenţa coordonatelor punctelor imagine într-un cuplu de fotograme. Prin urmare, paralaxa punctului P, notată pp va fi p1’p2, iar pentru punctul R va fi pr = r1’r2. din triunghiurile asemenea formate (de ex. PO1O2 şi O2p1’p2) rezultă:

Page 37: Teledetectie GIS Cadastru

35

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

=

=

⇒=)

)

bfhbp

afpbh

hf

bp

Pp

pp

p

p [2.29]

Din relaţia [2.29b] se observă că mărimea paralaxei punctului P este funcţie de raportul bazei şi de distanţa focală. Cum „b” se consideră a fi constant, valoarea paralaxei este funcţie de valoarea înălţimii „h”, aşa încât se poate spune că punctele care se află în teren la aceeaşi înălţime au aceeaşi paralaxă pe fotogramele în cuplu. Cu alte cuvinte, dacă punctul R se află în teren la o cotă diferită de a lui P, va avea o altă paralaxă, dată de relaţii asemănătoare:

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

=

=⇒=

)

)

bfhbp

afpbh

hf

bp

RR

RR

R

R [2.30]

Urmare afirmaţiilor de mai sus, se poate spune că unei diferenţe de înălţime Δz îi corespunde o diferenţă de paralaxă Δp şi reciproc. Rezultă că funcţie de paralaxa unui punct se poate determina cota punctului, iar funcţie de diferenţa de paralaxă între două puncte se poate determina diferenţa de nivel între ele. Pentru cazul determinării diferenţelor de nivel (al înălţimilor) rezultă:

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−

⋅=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅=−=Δ=Δ

RP

RP

PRpR pp

ppfbpp

fbhhhz 11 [2.31]

În cazul variaţiilor mici de înălţime, relaţia [2.29a] sau [2.30a] se poate diferenţia, rezultând:

pfpbh Δ⋅−=Δ 2 [2.32]

Dacă se ţine cont de expresia [2.29b] sau [2.30b] pentru p, iar h se transformă în diferenţă de nivel, Δz, rezultă:

PRPRPR

PR pbhNp

bh

hf

fbhpfbz Δ⋅=Δ⋅⋅=⋅Δ⋅⋅

=Δ 22

2

[2.33]

În relaţia [2.33] se observă că înălţimea depinde de N (numitorul scării fotogramei), de inversul raportului bazei şi de diferenţa de paralaxă. Dacă diferenţele de nivel nu sunt foarte mari comparativ cu înălţimea de zbor, se poate scrie: ΔzPR = c⋅ Δp [2.34a] caz în care valoarea „c” se poate determina funcţie de numitorul scării, baza fotografierii şi o înălţime medie de zbor. Dacă terenul este cu denivelări accentuate, relaţia se poate scrie sub forma: ΔzPR = c⋅ Δp⋅k [2.34b] caz în care „k” este un coeficient care ţine cont de raportul ΔzPR / h. În ambele cazuri, constantele (c, k), au valori mari (de ordinul zecilor), astfel încât eroarea de determinare a valorii Δp se transmite amplificată la Δz. Pentru determinarea paralaxei şi a diferenţei de paralaxă se ţine cont că determinarea coordonatelor punctului imagine se face pe fiecare fotogramă funcţie de sistemul propriu de axe al fiecărei fotograme, rezultat din unirea indicilor de referinţă (cap. 1, fig. 2b). Paralaxele sunt de două feluri: orizontale şi verticale. Paralaxa orizontală a unui punct P este dată de diferenţa absciselor punctelor imagine a1 şi a2 din fotogramele F1 şi F2 în cuplu (figura 2. 19). În mod asemănător se defineşte paralaxa orizontală a lui B: px, P = xP2 – xP1 [2.35a] px, R = xR2 – xR1 [2.35b]

Page 38: Teledetectie GIS Cadastru

36

a b

Figura 2. 19. Determinarea paralaxelor pe Figura 2. 20. Determinarea înălţimii unui obiect un cuplu de fotograme pe o fotogramă: a- fotograma, b- perspectiva

centrală

Paralaxa orizontală este totdeauna diferită de zero. Valoarea ei se poate determina practic cu o riglă gradată sau, pentru precizii mai ridicate, cu ajutorul stereomicrometrului optic care însoţeşte stereoscopul cu oglinzi. Diferenţa de paralaxă între punctele P şi R se determină cu relaţia:

ΔpPR = pR – pP = (xP2 – xP1 ) - (xR2 – xR1) [36]

Paralaxa verticală a unui punct P rezultă din diferenţa de ordonate ale punctelor imagine p1 şi p2 din fiecare fotogramă din cuplu. Dacă, în timpul zborului, avionul păstrează riguros linia de zbor, aşa cum se observă din figura 2.19, paralaxa verticală este nulă, pentru că ordonatele punctelor imagini din cuplul de fotograme sunt egale. De paralaxa verticală se ţine cont la măsurătorile de precizie, executate cu aparate de stereorestituţie performante.

Determinarea înălţimii unui obiect se poate face şi numai pe o singură fotogramă (pe o fotogramă singulară) pentru detalii dezvoltate pe verticală (arbori, clădiri), datorită modului de realizarea a proiecţiei centrale (figura 2. 20).

Conform figurii, rezultă:

rd

RD

Hh

== [2.37a]

r

dHh= [2.37b]

În relaţia [2.37b] „h” reprezintă înălţimea detaliului în teren, „d” este lungimea între bază şi vârf a detaliului în fotogramă, „r” este distanţa măsurată pe fotogramă între vârful detaliului şi centrul fotogramei (punctul mijlociu), iar „H” este înălţimea de zbor în momentul preluării imaginii.

2.5.3. Măsurarea stereoscopică

După stereograme se pot executa măsurători complete spaţiale, de planimetrie şi altimetrie. Instrumentele folosite pentru întocmirea unor astfel de reprezentări se numesc stereorestitutoare, iar operaţia – stereorestituţie.

Page 39: Teledetectie GIS Cadastru

37

Stereorestitutoarele permit orientarea cuplurilor de fotograme exterior şi interior. Există o mare varietate de instrumente, dar ele se pot grupa în analogice şi digitale.

Instrumentele analogice pot fi, la rândul lor, pot fi cu proiecţie optică directă şi indirectă. P1 P2

O1 O2

F1 F2

P

b

Figura 2. 21. Modul de lucru cu stereorestitutoarele cu proiecţie optică

Instrumentele cu proiecţie optică directă sunt construite pe principiul reconstrucţiei fasciculului de raze într-o figură asemenea cu aceea din momentul preluării. Razele omoloage formează, punct cu punct, modelul optic al terenului (figura 2. 21). În spaţiul în care se creează modelul există un mobil, de înălţime variabilă, la verticala căruia se găseşte un dispozitiv de desenat. Deplasarea măsuţei se face manual, direct. Există roţi de acţionare pe direcţia x, y şi z. Măsuţa se deplasează astfel ca reperul M (marcă) să se perceapă la suprafaţa terenului (modelului optic) în imagine unică. Restituţia începe cu planimetria: fiecare detaliu se urmăreşte cu marca stereoscopică, în dezvoltarea lui spaţială. Mişcările în planul orizontal xy sunt transmise printr-un mecanism la o masă de desen, unde sunt trasate proiecţiile orizontale ale detaliilor urmărite. După trasarea detaliilor de planimetrie se face trasarea curbelor de nivel prin „blocarea” rolei de deplasare altitudinală la o valoare rotundă, dorită, a cotei. În acest plan de cotă cunoscută, marca se deplasează doar de roţile de acţionare după x şi y. Din intersectarea acestui plan cu suprafaţa modelului optic al terenului rezultă curbele de nivel.

Definitivarea planului se face prin aplicarea de semne convenţionale şi prin confruntarea planului restituit cu terenul sau descifrarea fotogramelor.

Page 40: Teledetectie GIS Cadastru

38

Capitolul 3. Noţiuni de fotointerpretare forestieră 3.1.Generalităţi Fotointerpretarea forestieră este un proces complex de observare, analiză, eventual măsurare a imaginii fotografice în scopul identificării arborilor, arboretelor sau fenomenelor din pădure şi a stabilirii unor caracteristici ale acestora. Caracteristicile fotointerpretării sunt: - fotointerpretarea este o operaţie obiectivă, deoarece fotografia este rezultatul unui proces fizico-chimic şi subiectivă în acelaşi timp, deoarece este investigată cu mijloace umane de percepţie, care nu sunt perfecte. Eforturile întreprinse - prin informatizare în special – sunt în sensul creşterii gradului de obiectivizare al fotointerpretării;

- caracterul obiectiv trebuie asigurat într-o cât mai mare măsură. În acest scop, fotointerpretarea trebuie să fie omogenă în timp şi constantă în privinţa metodologiei de lucru, a mijloacelor folosite şi a pregătirii operatorilor;

- fotointerpretarea forestieră este dificilă, întrucât arborii sunt înregistraţi de sus, dintr-o poziţie cu care operatorul nu este obişnuit. Detaliile au dimensiuni reduse, contrastele între ele sunt slabe, iar tonurile şi culorile nu pot reda fidel varietatea din natură. - fotointerpretarea forestieră se face cu operatori care trebuie să aibă calităţi intelectuale, fiziologice (vedere normală binoculară) şi pregătire temeinică în fotogrammetrie şi ştiinţele silvice în general; - la baza fotointerpretării stau însuşirile naturale ale arborilor, arboretelor şi fenomenelor, caracteristicile imaginii fotografice şi interdependenţa dintre arborete, precum şi dintre arbori şi staţiune. Pentru stabilirea corespondenţei cauzale obiect-imagine trebuie să se cunoască însuşirile obiectelor (arbori, arborete), ale sistemului captor – senzor şi ale factorilor care intervin în obţinerea imaginii; - într-o gospodărire extensivă a pădurilor şi unde există condiţii naturale dificile, fotointerpretarea poate fi metodă de bază; în cazul gospodăririi intensive, fotointerpretarea este folosită ca auxiliar preţios alături de procedeele clasice. - fotointerpretarea este o operaţiune de birou şi de teren, cu operaţii specifice. În teren se execută operaţii de măsurare, observare în zone test, confruntarea imaginilor cu terenul. Modalităţile de lucru se referă la fotointerpretarea directă şi corelativă, clasică, automată şi combinată. Fotointerpretarea directă se referă la recunoaşterea obiectelor din fotogramă după caracteristicile imaginii, denumite indici sau criterii directe şi care se referă la ton, culoare, textură formă etc. Fotointerpretarea corelativă se referă la luarea în consideraţie şi a unor elemente care nu sunt vizibile pe fotogramă, denumite indici sau criterii indirecte. Aceşti indici se referă la corelaţii stabilite între caracteristicile fotointerpretabile şi cele reale, la interdependenţa care există între acestea şi mediul înconjurător. Spre exemplu, dacă ne referim la fotointerpretarea speciilor forestiere, criteriile directe ar fi legate de forma coroanei, a umbrei, tonul de gri, textura imaginilor (frecvenţa schimbărilor de ton) Dacă aceşti indici nu sunt în întregime edificatori, se poate apela la indici indirecţi, cum ar fi: limitele altitudinale, preferinţe staţionale şi de asociere ale speciei. Fotointerpretarea clasică (analogică) se referă la studierea directă a imaginilor fotografice în vedere liberă sau cu instrumente simple. În acest mod se satisfac în general obiectivele fotointerpretării topografice (delimitarea terenurilor, distingerea tipurilor de folosinţe, indicele de acoperire a coroanelor). Se pot folosi şi instrumente simple: lupe măritoare, stereoscoape, pene, ceea ce conduce la o mai bună sesizare a anumitor caracteristici. Fotointerpretarea automată presupune şi prelucrarea automată a datelor cu ajutorul calculatoarelor, pe bază de programe specifice. Interpretarea imaginii digitizate se bazează pe recunoaşterea de calculator a informaţiilor pe baza unor modele de identificare (chei de fotointerpretare). Automatizarea are limitele ei, de aceea se foloseşte practic fotointerpretarea

Page 41: Teledetectie GIS Cadastru

39

combinată. În acest caz se recurge la fotointerpretarea clasică, în care numai anumite procese sunt executate automat. La baza fotointerpretării automate stă digitizarea imaginii, care apoi poate fi stocată în memoria calculatorului şi prelucrată.

3.2. Imaginea fotografică a pădurilor Imaginea fotografică a pădurilor are trăsături specifice, care sunt condiţionate de un mare număr de factori, cu efecte diferite. Fotointerpretarea presupune precizarea acestor factori, a influenţei lor şi a legăturii care există între ei şi imaginea fotografică. 3.2.1. Condiţiile de mediu şi de preluare Poziţia Soarelui pe cer (figura 3.1.) este determinată de înălţimea şi azimutul lui. Prin înălţime se înţelege unghiul z format de direcţia spre Soare şi orizontala locului. Valoarea lui z se poate calcula sau extrage direct din tabele astronomice, în funcţie de latitudinea locului şi de ora locală a fotografierii, elemente care sunt cunoscute.

S

zorizontalalocului

P

Figura 3.1. Înălţimea Soarelui pe cer Azimutul Soarelui este unghiul diedru format de planul meridian al locului şi planul vertical care trece prin punctul dat şi Soare. Poziţia Soarelui determină direcţia razelor de lumină care influenţează imaginea arboretului în planul fotogramei. Când soarele se află la înălţimea maximă dintr-o zi, va lumina doar partea superioară a coroanelor, iar spaţiile libere dintre arbori apar în tonuri închise; dimpotrivă, când Soarele este aproape de orizont, razele cad oblic şi vor lumina numai vârfurile, golurile dintre arbori apărând exagerate din cauza umbrelor, diametrul coroanei va fi perceput diferit de cel real, iar arborii dominaţi şi chiar o parte din cei codominanţi sunt mascaţi. Starea vremii are un rol determinant în calitatea imaginii. Fotografierea în bune condiţii se face pe cer senin, fără nori, cu o atmosferă liniştită, fără pulberi şi fără vânt, cu o nebulozitate redusă. În România, numărul mediu al zilelor care să îndeplinească astfel de condiţii nu este mai mare de 70 pe an, din care 50 în lunile mai – octombrie, când se fac aerofotografieri. Frecvenţa maximă a zilelor senine, în zonele montane, este în septembrie – octombrie, perioadă care este favorabilă şi sub raportul diferenţierii speciilor după reflectanţă. Cum Soarele are o înălţime mai mică în această perioadă, aerofotografierea se limitează doar spre perioada prânzului, pentru că în rest umbrele sunt lungi şi fluxul de radiaţii este scăzut. Norii aflaţi sub plafonul de zbor apar în imagine ca pete albe, iar umbrele lor apar la sol ca pete întunecate, diminuând astfel contrastul – şi aşa redus, pierzându-se în acea porţiune umbrele arborilor, utile în fotointerpreatate. Vântul deviază platforma avionului de la direcţia de zbor prestabilită, în acest fel putând fi prejudiciată chiar şi acoperirea longitudinală şi transversală. Vântul de la sol mişcă arborii, perturbând formarea imaginii stereoscopice de detaliu.

Page 42: Teledetectie GIS Cadastru

40

Atmosfera propice fotografierii este imediat după ploaie, când aerul este liniştit şi spălat de pulberi. Poziţia Soarelui pe cer şi starea atmosferei condiţionează iluminarea peisajului, adică fluxul luminos incident pe unitatea de suprafaţă, sub aspectul intensităţii şi a compoziţiei spectrale. Iluminarea peisajului poate fi directă (de la Soare) sau indirectă (cu lumină difuzată sau reflectată) O parte a luminii este reflectată de nori, producând aşa - numitul voal atmosferic, care are un efect perturbator asupra fotografierii ca proces, putând fi eliminat prin filtrul galben. Iluminarea directă variază sezonier (este maximă în iulie) şi diurn (este maximă la ora locală 12, iar la 9 sau 15 reprezintă doar 80% din cea de la amiază). Temperatura scăzută a aerului măreşte iluminarea directă şi o reduce pe cea indirectă. Compoziţia spectrală a luminii este şi ea variabilă: când Soarele este la zenit, fluxul incident are compoziţia 4% UV, 46% vizibil şi 50% IR. În poziţii mai joase, radiaţiile albastre sunt difuzate şi absorbite din ce în ce mai mult şi dispar complet când Soarele este la orizont (radiaţiile din vizibil ocupă doar 28%, iar IR 72%). De aceea, Soarele are culoarea roşietică la asfinţit şi răsărit. Sezonul fotografierii este de asemenea important. Iarna se obţine o imagine bună a terenului pentru pădurile de foioase, dar zăpada groasă şi viscolită împiedică observarea unor detalii. Pentru pădurile de amestec, fotogramele preluate iarna, corelate cu fotograme din alt sezon pot da informaţii cu privire la stabilirea corectă a proporţiei între specii şi, dacă scara fotogramei este mare, se pot obţine chiar informaţii cu privire la calitatea trunchiurilor. Primăvara fotografierile se fac imediat după înfrunzirea tuturor arborilor şi până când frunzişul ajunge la maturitate. Perioada este scurtă (de circa două săptămâni), iar frecvenţa zilelor senine este foarte mică. Întrucât înfrunzirea este influenţată şi de altitudine, pot exista diferenţe în cadrul aceloraşi specii. Vara există multe zile favorabile zborului, iar arborii şi arboretele sunt în plină vegetaţie. Soarele are o poziţie favorabilă pe cer. Se recomandă filmele infracromatice, dacă fotografierea are ca scop fotointerpretarea. Toamna este perioada cea mai recomandată, ca urmare a deosebirilor mari de reflectanţă. Perioada utilă este considerată de la începutul colorării frunzelor până la căderea lor. Transparenţa atmosferei este bună, iar zilele senine sunt frecvente. Fotografierile se fac practic de la începutul lunii septembrie şi până la circa 20 octombrie. Ora fotografierii este totdeauna bine să fie la amiază, când, aşa cum s-a arătat, contrastele sunt mari, iar mărimea umbrei este limitată la de două ori lungimea obiectului. 3.2.2. Caracteristicile peisajului Imaginea pădurii este o suită de detalii mici (coroane de arbori), cu contururi slabe, greu de fotointerpretat. Utilitatea unei fotograme asupra pădurii este apreciată în primul rând după existenţa contrastelor de ton sau a diferenţei de nuanţă de culoare. Pentru fotointerpretarea forestieră problema esenţială este alegerea unui film cu sensibilitate maximă în domeniul reflectanţei spectrale a speciilor şi a unui filtru corespunzător. Această combinaţie film – filtru trebuie ca, în funcţie de sezonul fotografierii, să accentueze şi să înregistreze cele mai mici diferenţe de culoare sau ton. Capacitatea peisajelor de a reflecta o parte a fluxului incident se numeşte albedou şi se exprimă în procente din radiaţia incidentă. Astfel, valoarea albedoului pentru diverse suprafeţe este de 65 - 80% pentru zăpadă, 25 – 60% pentru nisip, 25 – 35% pentru stânci, 4 – 6% pentru apă, 10 – 13% pentru iarbă, 12% pentru păduri de răşinoase, 15% pentru cele de foioase, iar Pământul în ansamblul lui are un albedou de 38%.

Pentru fotointerpretare este mai utilă cunoaşterea reflectanţei spectrale, care defineşte compoziţia spectrului reflectat. Din fluxul incident, frunzişul arborilor reţine radiaţiile violete, UV şi IR (pentru procesul de fotosinteză), reflectă radiaţiile din vizibil (în special din domeniul verde şi IRA şi este străbătut de radiaţiile cu lungimea de undă foarte mică. Radiaţiile reflectate, responsabile de formarea imaginii prin obiectivul camerei de priză, sunt foarte diferite pe specii, în funcţie de structura internă a frunzei, caracteristicile suprafeţei foliare, dispoziţia lor în coronament.

Reflectanţa spectrală a diverselor specii de arbori a fost studiată de diferiţi cercetători, o parte din rezultate fiind arătate în figura 3.2.

Page 43: Teledetectie GIS Cadastru

41

50

40

30

20100

300

400

500

600

700

800

900

(%)

50403020100

300

400

500

600

700

800

900

(%)

12

3

45

Figura 3.2. Reflectanţa spectrală a unor Figura 3.3. Modificarea reflectanţei

specii (după Backstrom şi Welander).a- mesteacăn, frunzelor atacate la stejar (a) şi la tei (b) b- plop, c- molid, d- pin (după A Rusu) – explicaţii în text

Din analiza reflectanţei, s-au sintetizat legile reflectanţei spectrale a frunzişului: - reflectanţa prezintă două puncte de maxim: unul în vizibil, altul în IRA. Cel din vizibil este

pentru valori ale lungimii de undă corespunzătoare culorii verde, în jur de 550 mμ, iar în infraroşu apropiat este în jur de 850 mμ;

- diferenţierea de reflectanţă dintre specii, dacă există, este mai mare în zonele de maxim amintite, dar mai ales în IRA;

- reflectanţa foioaselor este mai mare ca a răşinoaselor; rezultă că răşinoasele vor apare în fotografiile alb negru în tonuri de gri mai închise ca foioasele;

- vara este sezonul cu maxima diferenţiere între specii. Toamna, odată cu colorarea frunzişului, reflectanţa la foioase creşte în întreg spectrul vizibil , dar mai ales între 600 şi 700 mμ.

- frunzele sau acele din vârful coroanei şi cele de umbră au reflectanţa mai ridicată, - frunzele şi acele bolnave modifică reflectanţa spectrală a speciilor (figura 3.3). Schimbările

de reflectanţă datorate îmbolnăvirilor afectează practic posibilitatea de identificare a arborilor afectaţi într-o populaţie de aceeaşi compoziţie. În figura 3.3. semnificaţia curbelor de reflectanţă este următoarea: pentru tei; 1- arbore sănătos, 2- puţin atacat (făinare), 3- puternic atacat, iar pentru stejar: 4- stejar atacat (înnegrirea frunzelor), 5- stejar sănătos.

3.2.3. Caracteristicile arborilor şi a arboretelor Aspectul imaginii este condiţionat de proprietăţile fizice, optice şi geometrice ale obiectelor,

cum ar fi: forma, culoarea (sau tonul pentru imaginile alb- negru), dimensiunea, aranjamentul spaţial al coroanelor etc.

Dimensiunea coroanei depinde şi de scara fotogramei. Mărimea minimă în plan a obiectelor ce pot fi înregistrate şi distinse pe fotogramă depinde de puterea de rezolvare a obiectivului şi a emulsiei, de contrastul între coroană şi fondul pe care se proiectează. Astfel, pentru contraste medii, la scara 1/10.000 dimensiunea minimă din teren care poate fi sesizată în fotogramă este de 40 – 50 cm, iar la 1/30.000 de 0,70 – 1 m. Pentru corecta determinare a dimensiunilor din fotogramă se impune determinarea corectă a scării în zona de lucru.

Page 44: Teledetectie GIS Cadastru

42

Portul arborelui şi forma coroanei trebuie cunoscute. La scări mari, până la 1/15.000, coroanele se pot recunoaşte individual direct; la scări mici, ele se pot determina prin analiza texturii. Forma coroanei şi portul arborelui în ansamblu sunt definite în linii mari de înălţimea arborelui, H, de diametrul coroanei, Dc, de lungimea ei, Lc, şi de înălţimea corespunzătoare diametrului maxim, HD (figura 3.4.). Variaţia unui element în raport cu celelalte, care rămân constante, produc modificări ale formei coroanei şi ale portului. Important este şi HD , care condiţionează forma vârfului coroanei şi profilul coronamentului, vizibile în stereoscopie.

a b

Figura 3.4. Portul arborelui: a-dimensiuni caracteristice, b- variaţia formei coroanei şi

portului în diferite situaţii (H = const şi Lc = const, H = const. şi HD = const) Pentru a se putea imagina şi descrie uşor, forma coroanei s-a asimilat, în urma sintezei unor

observaţii, cu forme geometrice regulate (figura 3.5). În masiv, forma coroanei este modificată, datorită condiţiilor dictate de viaţa în comun după încheierea stării de masiv

ovoidală conică sferică ovoid-întors ovoid-conică cilindrică pară

ovală alungită măciucă tabulară neregulată(etajată) umbrelată oval

ascuţită

Figura 3.5.Forme tip de coroane ale unor arbori crescuţi în masiv (după A. Kiş şi G. Chiţea

Page 45: Teledetectie GIS Cadastru

43

Fiecare arbore poate fi observat, datorită acoperirii longitudinale a fotogramelor, pe fotograme diferite, în diverse poziţii (figura 3.6), astfel încât imaginea aceluiaşi arbore este diferită în fotograme diferite.

F1 F2 F3

Soare

F1F2

F3

pa

a b

Figura 3.6. a- Imaginea aceluiaşi arbore funcţie de poziţia lui pe fotogramă, b- umbra proprie (p) şi umbra aruncată (a)

Tonul şi nuanţa depind de culoarea frunzişului, definită de reflectanţa spectrală, forma şi

structura coroanei. Se foloseşte noţiunea de „ton” pentru nuanţele de gri în cazul fotogramelor alb – negru şi „nuanţă” pentru cazul fotogramelor color.

În cazul arborilor, tonul depinde de culoarea frunzişului definită prin reflectanţa spectrală, dar şi de forma şi structura coroanei: forma însăşi se conturează pe baza contrastului care trebuie să existe între coroană şi fondul pe care se proiectează. Pentru că există diferenţieri în ce priveşte reflectanţa spectrală, speciile se vor diferenţia şi ca ton (sau nuanţă în fotografiile color). Tonul, împreună cu forma şi structura coroanei, devin elemente de bază în fotointerpretare.

Filmul pancromatic reproduce speciile forestiere în diferite tonuri de gri. Corelaţia între specia forestieră şi ton este afectată de variaţia reflectanţei spectrale pentru aceeaşi specie (funcţie de vârstă, staţiune, stare de vegetaţie, condiţiile concrete de preluare: poziţia Soarelui, iluminare, film – filtru. Cu toate acestea, tonul este un element de bază în fotointerpretare, pentru că este comod şi semnificativ, iar în cazul fotointerpretării automate el poate fi cuantificat şi exprimat numeric. Pentru siguranţa fotointerpretării se impun confruntări în teren imediat după fotografiere în scopul de a preciza corespondenţa dintre specie şi ton, care este valabilă pentru o zonă mare de lucru.

Umbra arborilor iluminaţi de Soare poate fi de două feluri: proprie şi aruncată (figura 3.6b), ambele fiind în măsură să caracterizeze specia. Umbra proprie este pe partea neluminată a coroanei, iar umbra aruncată este proiectată pe sol la arborii izolaţi.

Umbra proprie contribuie pentru arborii aflaţi în masiv la formarea texturii imaginii. Trecerea de la o zonă luminată la una umbrită se face treptat la foioase, care au o coroană rotunjită şi brusc la răşinoase.

Umbra aruncată proiectată pe sol este un criteriu de fotointerpretare, servind şi la determinarea înălţimii. Linia ei de contur este definită de forma spaţială a coroanei, iar tonul de structura acesteia şi suprafaţa pe care se proiectează.

Umbra proprie şi aruncată în ansamblu contribuie la formarea texturii şi a modelului spaţial al arboretului cât şi la obţinerea unor efecte utile studiului: dacă fotograma este privită cu umbrele spre operator, se obţine o imagine plastică, cu un uşor efect de relief. În procesul fotografierii

Page 46: Teledetectie GIS Cadastru

44

trebuie urmărit ca factorii care intervin (înălţimea Soarelui pe cer, panta terenului) să limiteze mărimea umbrei aruncate la maxim dublul înălţimii arborelui.

Textura imaginii este definită de frecvenţa schimbărilor de ton de pe cuprinsul fotogramei, produsă de acele elemente ale obiectului care sunt prea mici pentru a fi percepute individual. Textura este dependentă şi de scara înregistrării fotografice.

La scări mari se distinge o textură a coroanei determinată de conturul şi netezimea părţii superioare a ei, caracteristică pentru anumite specii, prin modul de dispunere a crengilor în coronament şi a frunzelor (figura 3.7.a). La scări mici, coroanele nu mai pot fi sesizate individual, dar se percepe o textură a coronamentului în ansamblul ei, determinată de profilul ei (figura 3.7.b). În cazul scărilor mici (numitorul scării este mare), textura este, alături de ton, singurul criteriu util în fotointerpretare.

rotundănetedă

planăaspră

curbatăscămoşată

ascuţităcu ţepi

ascuţit rotunjit plat ondulat

a b

Figura 3.7: a- Textura coroanelor individuale, b- profiluri de coronamente (după N. Boş)

În legătură cu scara fotogramelor, pentru fotointerpretarea forestieră se obişnuieşte să se considere:

- scări mari, la care numitorul este între 5.000 şi 12.000, - scări mijlocii, la care numitorul este între 12.000 şi 30.000, - scări mici, la care numitorul este între 30.000 şi 200.000, - scări foarte mici, la care numitorul este mai mare de 200.000, cuprinzând aici şi

înregistrările satelitare. 3.3. Determinări fotogrammetrice forestiere 3.3.1. Generalităţi

Aceste caracteristici se referă la anumite mărimi care pot fi măsurate la nivelul fotogramei. Funcţie de precizia cerută, determinările se pot face cu instrumente simple (lupe, rigle, pene, stereoscoape cu oglinzi) sau cu aparatură performantă. Rezultatele determinărilor sunt condiţionate de scara şi calitatea fotogramelor, de tipul de elemente asupra cărora se face determinarea. Elementele care pot fi determinate în condiţii bune şi medii pe o fotogramă se referă la diametrul coroanei, numărul de arbori pe unitatea de suprafaţă (ha), înălţimea arborilor izolaţi sau a arboretelor, consistenţa etc. Dimensiunile reale ale detaliilor din fotogramă sunt aflate corect dacă scara fotogramelor este determinată corect în zona de determinare. 3.3.2. Determinarea scării fotogramei În cazul în care axa de fotografiere este verticală iar suprafaţa terenului aproximativ orizontală, scara este dată de raportul dintre valoarea unui segment măsurat pe fotogramă şi valoarea aceluiaşi segment din teren, redus la orizont, aşa cum se arată în capitolul 1.2, figura 1.2.a

Page 47: Teledetectie GIS Cadastru

45

şi relaţia [1.1]. Funcţie de posibilitatea de a cunoaşte elementele din relaţia [1.1], există mai multe modalităţi practice de determinare (vezi şi lucrarea de laborator): a). dacă se cunoaşte înălţimea medie de zbor, h. În acest caz, înălţimea de zbor se consideră că s-a determinat cu un altimetru diferenţial sau radar. În relaţia scării, cunoscându-se caracteristicile camerei de priză (distanţa focală, f), rezultă:

hf

NSc ==

1

[3.1] b). dacă se cunosc distanţe din teren. Se identifică distanţe „Di” în teren între detalii care sunt cert identificabile în fotogramă. Dacă se doreşte determinarea scării medii pentru întreaga fotogramă, este indicat ca distanţele corespunzătoare „di” să fie în fotogramă cât mai lungi şi dispuse radial. Dacă se urmăreşte determinarea scării fotogramei numai în zona de lucru, se determină distanţe în teren şi în fotogramă care să încadreze zona de lucru. În teren, distanţele se măsoară prin metode topografice, cel mai simplu fiind, în cazul unor bune vizibilităţi, folosirea unor instrumente de măsurat prin unde. Distanţele se reduc la orizont cu relaţiile cunoscute. Scara rezultă în acest caz ca medie a minim 3 determinări diferite:

n

Sc

NmedSc

Dd

NiSc

Dd

NSc

n

ii

i

ii

∑===⇒==== 1

1

1

11

1.,1...,1 [3.2.]

Dacă în fotogramă sunt cuprinse şi vizibile puncte cunoscute din reţeaua geodezică de ordin I – V (de exemplu puncte înalte cu piramide, biserici, turnuri etc), atunci distanţa din teren Di se calculează din coordonatele plane ale punctelor (x, y), folosind relaţia cunoscută: D = 22 yx Δ+Δ [3.3] c)- dacă se dispune de o hartă a aceleiaşi zone. În acest caz, se aleg pe hartă şi pe fotogramă perechi de distanţe între aceleaşi detalii. Este indicat ca aceste distanţe să fie pe fotogramă cât mai lungi şi radiale, pentru a surprinde eventualele variaţii de scară din cauza denivelărilor. Între 3-5 astfel de perechi de puncte se măsoară distanţa cu rigle sau cu pene paralactice. Dacă se urmăreşte determinarea scării doar într-o anumită zonă, distanţele în fotogramă trebuie să încadreze bine zona. Se scrie expresia scării hărţii (cu indice h) şi a fotogramei (cu indice f) şi se face raportul lor:

f

h

h

f

f

h

f

ff

h

hh

dd

NN

ScSc

Dd

NSc

Dd

NSc

==

==

==

1

,1

[3.4]

Cum distanţele de pe fotogramă şi de pe hartă sunt cunoscute, scara hărţii se cunoaşte, rezultă scara fotogramei sau numitorul acesteia ca medie a determinărilor:

h

f

hf N

ddN =

[3.5] 3.3.3. Determinarea diametrului coroanei Se face în condiţii de precizie acceptabilă pentru scări mijlocii şi mari, cu numitorul scării mai mic de circa 10.000. Determinarea se face în condiţii din în ce mai bune funcţie de gradul în care coroana se individualizează în imagine.

Page 48: Teledetectie GIS Cadastru

46

Practic, diametrul se poate determina folosind instrumente simple, ca de exemplu pana paralactică sau pana cu puncte (figura 3.8). Pana paralactică se obţine determinând cu precizie distanţa între două drepte care fac între ele un unghi mic. Distanţa poate fi exprimată în milimetri (cazul general) sau, pentru un set de fotograme a căror scară se cunoaşte, direct la scara fotogramei. Pana cu puncte se construieşte similar, doar că în locul distanţei dintre cele două linii sunt folosite cercuri de diametre cunoscute. Atât pana cu puncte cât şi cea paralactică se construiesc pe folie transparentă.

= 1,8mm

= 1,

9 m

m

0,5

0,5

1, 0

1, 0

1,5

1,5

2,0 2,5

2,5

3, 0

3, 0

3,5

3,5

4,0

4,02,

0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

= 2 mm

a

b

Figura 3.8. Pană paralactică ( a) şi cu puncte (b) Diametrul coroanei se determină sub stereoscop aşezând pana pe una din fotografii. Dacă se

lucrează cu pana paralactică, cele două linii divergente ale penei trebuie să devină tangente la coroana arborelui pe care dorim să o măsurăm şi se citeşte valoarea dintre linii, ca în figură. Dacă se lucrează cu pana cu puncte, diametrul rezultă nu prin măsurare, ci prin compararea mărimii cu a unui cerc de pe pană: se trece pana cu puncte pe lângă coroana de măsurat până când unul din cercuri este apreciat ca egal cu diametrul coroanei. Dacă gradarea este în milimetri, se trece la scara fotogramei pentru a afla valoarea din teren. Determinările se fac în două direcţii perpendiculare, alese de obicei în funcţie de asimetria coroanei arborelui. Recomandarea este de a face determinări pe arbori aflaţi în centrul fotogramei; coroanele aflate spre margini pot fi supraevaluate.

Privitor la precizia determinării, pot fi făcute următoarele observaţii - determinările se fac în condiţii cu atât mai bune, cu cât coroana arborilor este mai

bine individualizată în coronament. Acest lucru se întâmplă pentru scări mari (până la 1/10.000), la arbori izolaţi sau în arborete cu consistenţă redusă, pentru arbori dominanţi şi de vârstă înaintată.

- determinările sunt mai sigure la răşinoase (molid, brad) decât la unele foioase (fag, carpen),

- rezultatele sunt sistematic subevaluate din cauza pierderii la fotografiere a ramurilor extreme, subţiri sau din cauza întrepătrunderii coroanelor în coronament.

3.3.4. Determinarea înălţimii arborilor Înălţimea arborilor este un element dendrometric important, pentru că stă la baza

procedeelor de cubaj, determinarea clasei de producţie, determinarea vârstei etc. Înălţimea se poate determina pe fotograme sau pe cupluri de fotograme. a. Pe fotograme singulare, înălţimea se determină conform cu cele discutate la

capitolul 2.5.2.2, figura 2.20 şi folosind relaţiile [3.7]. Cu această metodă se obţin rezultate bune pentru arbori izolaţi, iar elementele care intervin în relaţie se pot determina sigur.

Page 49: Teledetectie GIS Cadastru

47

b. Tot pe fotograme singulare se poate determina înălţimea cu ajutorul umbrei aruncate a arborelui. Determinarea se face funcţie de panta terenului şi de unghiul de înălţime a Soarelui pe cer (figura 3.9 ). În cazul terenurilor orizontale (figura 3.9.a), înălţimea rezultă cu relaţia:

H = la tgz [3.6.a] unde la este lungimea umbrei aruncate, iar z este înălţimea Soarelui pe cer. În cazul pantelor care prelungesc umbra (figura 3.9.b) sau o micşorează (figura 3.9.c), ţinând cont de unghiul de înclinare al terenului, ϕ, rezultă respectiv:

H = la tgz - la tgϕ = la( tgz - tgϕ) [3.6.b] H = la tgz + la tgϕ = la( tgz + tgϕ) [3.6.c]

la

la

la

ϕ

H

H

H

z

z

Soar

e Soar

e

a b c

c. Pe un cuplu de fotograme, înălţimea arborelui poate fi determinată cu ajutorul paralaxelor, conform celor ce s-au discutat la capitolul 2.5.2.2

Figura 3.9: Determinarea înălţimilor cu ajutorul umbrei aruncate

Dacă ne referim la înălţimea medie a arborilor dintr-un arboret, aceasta se poate determina ca o medie a unor înălţimi reprezentative sau ca o medie a înălţimii arborilor dominanţi. Dacă arboretul este uniform, sunt necesare mai puţine determinări. 3.3.5. Determinarea consistenţei arboretului Gradul de închidere al coronamentului se exprimă prin indicele de acoperire, calculat ca raport între suprafaţa acoperită de proiecţiile coroanelor (Sc) şi suprafaţa arboretului (Sa) şi se exprimă în zecimi, de la zero la unu: Ia = Sc/Sa [3.7] Determinarea precisă a consistenţei se face însă cu ajutorul grilei cu puncte, construită pe folie transparentă (figura 3.10). Grila se suprapune peste coroane şi se numără punctele care cad pe coroane. Consistenţa este dată de raportul între numărul punctelor care cad pe coroane şi numărul total de puncte din grila suprapusă peste arboret. Pentru cazul din figură, Ia = 96/157 = 0,61.

Page 50: Teledetectie GIS Cadastru

48

Figura 3.10 Grila cu puncte pentru determinarea consistenţei arboretului

Pentru operatori cu experienţă, estimarea directă, la vedere, permite aprecierea rapidă a consistenţei în funcţie de procentul aparent al golurilor dintre arbori. Chiar în acest caz, precizia este superioară determinărilor terestre. Dacă scara fotogramei este mică, există tendinţa de supraevaluare a consistenţei. 3.3.6. Determinarea numărului de arbori Acest element serveşte la determinarea densităţii şi a volumului arboretelor. Numărul de arbori se determină sau pe fotograme izolate, sau pe cupluri de fotograme. În ultimul caz determinările se fac la stereoscop, pe modelul optic. Determinarea este cu atât mai precisă cu cât fotogramele sunt mai clare, arboretele sunt la o scară mai mare şi mai aproape de maturitate, adică cu cât sunt mai bine individualizate coroanele în coronament.

Page 51: Teledetectie GIS Cadastru

49

Figura 3.11. Determinarea numărului de arbori cu cercuri de probă Practic, se trasează pe folie transparentă suprafeţe de probă circulare de mărime cunoscută, aşa fel încât la scara fotogramei să rezulte o suprafaţă rotundă, de exemplu 1 ha sau altă valoare rotundă. Mărimea cercului este şi în funcţie de numărul de arbori, astfel încât într-un cerc să fie cuprinşi între 10 şi 40 coroane. Folia se aşează pe una din fotogramele din cuplu (figura 3.11) şi operatorul numără coroanele incluse în cerc. Se calculează apoi prin interpolare numărul de arbori la hectar sau pe întreaga suprafaţă. Se obţin de regulă valori mai mici decât numărul real de arbori, diferenţele fiind cu atât mai mari cu cât scara fotogramei este mai mică şi consistenţa este mai ridicată. La arboretele etajate cu structură plurienă, arborii dominaţi nu se văd, fiind în conul de umbră aruncat de cei dominanţi. De asemenea, numărul de arbori determinat în zona marginală este mai mic decât în celelalte părţi ale fotogramei. Măsurătorile trebuie repetate în mai multe puncte de pe întinderea arboretului, astfel ca suprafaţa tuturor cercurilor aplicate să fie cam 20% din suprafaţa arboretului.

Precizia scade de asemenea pe terenuri accidentate, unde arborii dominanţi acoperă pe cei codominanţi datorită modului de proiecţie. Pentru determinări precise, este obligatorie corelarea dintre numărul total de arbori şi cel din plafonul superior, prin sondaje în teren în zone reprezentative. Statistic s-a dovedit că pe fotograme la scara 1:10.000 precizia de determinare este de circa ± 11%, iar pe fotograme la scara de 1:18.000 este de circa ± 24%.

3.4.Fotointerpretarea unor caracteristici structurale ale arboretelor 3.4.1. Fotointerpretarea speciilor forestiere

Molid Brad Larice Pin Fag Gorun

Larice Pinsilvestru

Molid Brad Fag Gorun

Mo Br La Pi Fa Go Ca Me Pl

a)

b)

c)

Figura 3.12. a-forme de coroane pe fotograme, b- umbre la arborii din masiv, c- forma coroanei şi portul arborilor maturi din masiv (după N. Boş)

Page 52: Teledetectie GIS Cadastru

50

Recunoaşterea speciilor componente este esenţială în cunoaşterea unei păduri. Pentru recunoaşterea efectivă, se apelează la criterii de fotointerpretare directe şi indirecte.

Criteriile directe de fotointerpretare sunt legate de imaginea fotografică a arborilor: forma coroanei, tonul, textura – ca trăsături vizibile.

Forma coroanei proiectată în planul fotogramei este caracteristică speciilor fiind definită de contur (figura 3.12a), umbră proprie şi aruncată (figura 3.12b). Acestea derivă din forma coroanei şi portul arborilor maturi din masiv (figura 3.12c).

Tonul imaginii coroanei depinde de reflectanţa spectrală a speciilor, iar diferenţierile între specii se pot înregistra dacă emulsiile sunt sensibilizate în domeniul spectral respectiv.

Umbrele aruncate devin elemente de încredere la fotointerpretare, când se proiectează pe teren liber şi au contraste corespunzătoare. Conturul ilustrează forma coroanei, iar tonul este funcţie de desimea frunzişului, de dispoziţia crengilor.

Criteriile indirecte de fotointerpretare se referă la legătura existentă între arbori, arborete, staţiune. Se menţionează:

- localizarea geomorfologică, adică referinţele staţionale (de exemplu: molidul se instalează pe fundul văilor, laicele sau gorunul pe culmi, fagul pe versanţi umbriţi etc.)

- asocierile de specii – permit ca recunoaşterea uneia să conducă la posibilitatea existenţei alteia sau, dimpotrivă, indică absenţa altei specii cu care nu se asociază (de ex: cireş cu molid, tei argintiu cu molid, molid cu stejar, gorun cu pin pe soluri acide etc).

Criteriile amintite pot fi grupate în chei de fotointerpretare. Astfel, există chei prin eliminare, care se sprijină pe criteriile directe cele mai sigure (forma coroanei) şi chei prin asemănare, care conţin descrieri, fotografii ale criteriilor de identificare.

De exemplu, într-o cheie prin asemănare, pentru molid există următoarele caracteristici de identificare:

- limitele altitudinale – între 800 şi 1750m, în staţiuni foarte diferite, formând arborete pure sau de amestec,

- la peste 1400 m formează arborete pure, - la limitele inferioare formează amestec cu fagul şi bradul, ocupând poziţii dominante în

coronament, - se localizează pe versanţi umbriţi şi pe firul văilor - coroana apare pe fotogramă stelată, de ton deschis, alb strălucitor, - modelul spaţial este tipic, cu textură grosolană, cu ţepi 3.4.2. Fotointerpretarea compoziţiei arboretelor Compoziţia se referă la proporţia în care speciile sunt reprezentate în cadrul arboretului. Stabilirea compoziţiei arboretelor pe cale fotogrammetrică este posibilă cu condiţia

recunoaşterii corecte a speciilor, operaţie care necesită cunoştinţe de specialitate şi experienţă. Determinarea compoziţiei este condiţionată de scara fotogramei, calitatea imaginii, operator. Se folosesc criteriile cunoscute: ton, textură, forma coroanei, forma şi textura coronamentului pe ansamblu.

Arboretele pure de răşinoase se recunosc mai sigur decât cele de foioase. Cel mai sigur se recunosc arboretele de larice, molid, pin, brad. În cazul speciilor de foioase, speciile care se recunosc mai sigur se eşalonează, după precizia de identificare în ordinea: gorun, fag, carpen. Confuziile care se pot face se datorează imaginii asemănătoare a coroanei şi a coronamentului în ansamblu: molidul cu bradul în perioada de tinereţe, carpenul cu fagul.

Dacă fotogramele sunt la scară mică, determinările constau în stabilirea doar a apartenenţei speciilor la răşinoase sau foioase.

Avantajul determinării compoziţiei arboretelor pe cale terestră este că, în cazul scărilor mari, când coroanele se disting bine, operatorul are o viziune de ansamblu a întregului arboret, lucru care nu este posibil în cazul metodelor terestre

Page 53: Teledetectie GIS Cadastru

51

3.4.3. Stabilirea vârstei arboretelor Vârsta arboretului se determină după o serie de caracteristici ale lui, cum ar fi: înălţimea

medie a arborilor, diametrul mediu al coroanei. Ambele mărimi sunt determinabile pe fotograme şi în auxologie sunt stabilite corelaţii bune, pe specii, între vârstă şi diametrul coroanei pe de o parte, dar mai ales între înălţime şi vârstă. Erorile de determinare ţin de erorile comise la determinarea fiecăreia dintre mărimile amintite, despre care s-a discutat deja.

Un mijloc mai precis şi mai agreat este însă acela al evaluării vârstei prin vizualizarea cu ochiul liber a fotogramei, dar având ca sprijin fotograme tip, reprezentând arborete asemănătoare, de vârstă cunoscută.

Tot în scopul fotointerpretării vârstei arboretului sunt utile şi gradul de diferenţiere al coroanelor în coronament, spaţiile dintre coroane şi posibilitatea observării în adâncime. Aceste informaţii sunt valabile întrucât, la aceeaşi specie, funcţie de vârstă, elementele menţionate variază ca urmare a dezvoltării coroanei şi a înălţimii.

Precizia fotointerpretării vârstei depinde de compoziţia arboretelor, fiind cea mai bună pentru cazul arboretelor pure şi scăzând cu numărul de specii din compoziţie. Un alt factor care influenţează precizia este şi scara fotogramei, în sensul că se obţin vârste cu atât mai precise cu cât scara este mai mare (numitorul este mai mic). Scările cele mai convenabile sunt 1/10.000 – 1/15.000. Precizii bune se obţin pentru arborete de peste 100 ani. În general preciziile obţinute sunt încadrate în intervalul ± 5 ani.

Ţinând că instrucţiunile de amenajare a pădurilor prevăd pentru majoritatea cazurilor amplitudinea clasei de vârstă de 20 ani, rezultă că fotogramele pot servi cu succes la determinarea clasei de vârstă. Precizia este mai bună pentru cazul determinării vârstei arboretelor care provin din sămânţă decât cele care provin din lăstari.

3.4.4. Fotointerpretarea clasei de producţie Clasa de producţie se referă la capacitatea de producţie a unui arboret, fiind dată de

condiţiile de staţiune ale arboretului. Pentru fiecare specie, clasa de producţie se stabileşte în principal funcţie de înălţimea medie şi vârsta arboretului. Ambele mărimi sunt fotointerpretabile.

La fotointerpretare se pot trage concluzii privitoare la bonitatea staţiunii, dacă se ţine cont că în staţiunile de bonitate superioară frunzişul este de un verde mai închis, ceea ce duce la un ton de gri mai închis în fotogramă.

Alţi indicatori care pot contribui la aprecierea clasei de producţie sunt relieful, solul şi formaţiunile geologice şi vegetaţia asociată.

Relieful este foarte bine observabil sub stereoscop sub aspectul accidentaţiei, pantei, expoziţiei (deci indirect orientare, umiditate). Solul şi formaţiunile geologice condiţionează staţiunea şi pot fi fotointerpretabile numai în măsura în care există porţiuni descoperite care dau imagine directă în fotogramă. Dacă vegetaţia asociată poate fi identificată în fotograme, poate contribui la decizia în aprecierea staţiunii şi implicit a clasei de producţie.

3.5. Folosirea fotogramelor aeriene în delimitarea arboretelor şi descrierea parcelară

Pădurea, ca entitate a preocupărilor silviculturale, este divizată teritorial în unităţi de

producţie (UP), care la rândul lor sunt alcătuite din parcele. Acestea au limite naturale la munte (ape, culmi) şi artificiale la şes (linii parcelare şi somiere). În interiorul unei parcele, delimitată de condiţii naturale, pot apărea variaţii ale condiţiilor staţionale şi implicit ale vegetaţiei forestiere.

Prin descrierea parcelară se urmăreşte cunoaşterea în detaliu a pădurii sub aspect silvicultural, în scopul separării parcelelor în subparcele care să cuprindă porţiuni omogene de pădure. În acest fel, subparcela se confundă cu arboretul, considerat ca unitate fundamentală de

Page 54: Teledetectie GIS Cadastru

52

studiu care trebuie să fie omogen sub raportul condiţiilor şi care necesită aceleaşi măsuri silviculturale.

În activitatea de amenajare a pădurilor, separarea arboretelor şi descrierea lor reprezintă două etape ale unui proces unitar, ocupând un timp în teren de până la 50% din timpul afectat întocmirii amenajamentului.

Fotogramele aeriene reprezintă cea mai sigură cale pentru rezolvarea acestei importante probleme, cu rezultate bune şi foarte bune. Este evident că nu toate problemele se pot rezolva fără deplasări în teren. La baza acţiunii de separare a arboretelor stau legăturile existente între caracteristicile arboretelor şi ale staţiunii şi însuşirile imaginii fotografice: o imagine omogenă în fotogramă indică un arboret omogen în teren; orice modificare în aspectul imaginii indică o schimbare a caracteristicilor structurale ale arboretului.

Delimitarea arboretelor trebuie să se facă în conformitate cu instrucţiunile de amenajare a pădurilor. În acest scop, trebuie văzut în ce măsură anumite criterii de amenajare (cele principale) privitoare la separarea subparcelelor sunt fotointerpretabile pe fotografiile considerate standard la noi (film pancromatic alb – negru, la scări de cel mult 1/16.000):

- diferenţa de vârstă de minim 20ani – se evidenţiază prin diferenţa de înălţime, fiind fotointerpretabilă sigur sub stereoscop;

- separarea după consistenţă atunci când diferă cu minim 0,3 se face cu ajutorul fotogramelor foarte sigur, apreciindu-se în limite de ± 0,1. Determinarea consistenţei arboretelor pe cale fotografică se face mai sigur decât pe cale terestră.

- diferenţa de tip de structură (arborete pluriene sau echiene) este de asemenea fotointerpretabilă. Arboretele echiene sunt aproximativ de aceeaşi înălţime şi dau pe fotogramă o textură uniformă, distinctă de aceea a arboretelor pluriene;

- existenţa sau inexistenţa vegetaţiei forestiere – alt criteriu de separare a parcelelor- se observă cert pe fotograme ( chiar singulare sau la scări mici).

Alte criterii de delimitare parcelară sunt mai puţi sigure, de la caz la caz: - deosebirea de unitate staţională – rezultă în mod normal prin cartări pedologice,

climatologice, de vegetaţie şi au un caracter puternic de teren. Pentru acest criteriu emulsia fotografică AN pe film pancromatic nu dă rezultate; există posibilitatea obţinerii unor anumite informaţii referitoare la sol doar în cazul în care sunt folosite alte emulsii.

- diferenţele de compoziţie pot fi determinate pe fotogramă cu diferite grade de încredere. Liniile care separă arboretele pure între ele ca şi liniile ce separă arboretele pure de cele de amestec sunt întotdeauna clare, sub stereoscop sau pe fotograme singulare, la orice scară. Normele amenajistice prevăd separarea în cazul în care proporţia speciei dominante variază cu cel puţin 3 zecimi. Acest lucru se poate realiza pe baza fotogramelor în următoarele situaţii:

- arboretele amestecate de răşinoase şi foioase se pot delimita bine, mai ales sub stereoscop, ca urmare a diferenţelor de formă şi de ton între coroane

- arboretele de amestec de răşinoase se pot delimita bine în cazurile: Mo cu Pi, Mo cu La, Br cu La, Br cu Pi, La cu Pi. Prezenţa La în special este uşor sesizată (dar şi Mo, Pi) pentru că au coroane cu forme specifice, dar şi reflectanţe diferite.

- arboretele de amestec de foioase se delimitează bine, mai ales Go cu Ca, Go cu Fa. Carpenul este uşor detectabil datorită tonului lui mai deschis. Rezultate mai bune, aplicabile şi pentru alte cazuri, s-ar obţine cu emulsii specializate mai ales în IRA, unde s-a văzut că speciile diferă mult din punct de vedere al reflectanţei spectrale.

- diferenţa de productivitate de minim două clase – criteriu de separare – nu este în general fotointerpretabilă sigur în fotograme; - separarea pe criterii de provenienţă se rezolvă folosind date din documentaţiile existente şi

nu fotogrammetric - deosebirile funcţionale sunt atribuţii ce se stabilesc pentru un arboret şi nu se pot stabili pe

cale fotografică.

Page 55: Teledetectie GIS Cadastru

53

Descrierea parcelară se poate face în mare măsură folosind fotograme aeriene; unele caracteristici se pot deduce cu o precizie suficientă sau chiar mai mare decât în determinările terestre, altele suficient de precis, iar altele nu pot fi determinate din fotograme.

Elementele care caractreizează arboretul se pot obţine: - compoziţia şi consistenţa mai sigur decât pe cale terestră; - înălţimea medie, diametrul la 1,30 (pe baza corelaţiilor existente, pe specii, cu

înălţimea) cu precizii corespunzătoare numai uneori (când se poate vedea clar solul lângă baza arborelui);

- starea fitosanitară a pădurilor şi vitalitatea arborilor, calitatea, provenienţa, creşterea curentă, subarboretul, se precizează greu sau deloc.

Organizarea lucrărilor de parcelare se poate face după o metodologie bine pusă la punct şi valabilă în cazul gospodăririi intensive a pădurilor, caz în care fotograma nu poate fi neglijată datorită unor avantaje pe care le prezintă. Se evidenţiază următoarele etape:

- studiul preliminar al pădurii pe fotograme, după ce în prealabil se trasează parcelarul. Se separă arboretele şi se marchează diferit limitele sigure şi cele dubioase, se fotointerpretează elementele din descrierea parcelară şi se întocmeşte un plan al deplasărilor pe teren.. Traseul deplasărilor din teren trebuie să fie cu eforturi minime. În arboretele omogene, indicate de o imagine fotografică uniformă, traseul trebuie să fie scurt. În arboretele cu imagine neuniformă datorată schimbărilor de ton, itinerarul trebuie prelungit. De exemplu, în figura 3.13, o imagine uniformă a parcelelor 7, 8, 9, 10, 11 şi 12 permite o descriere corectă a lor pe traseul cu linie plină. Acest traseu este evident mai scurt decât cel terestru (trasat cu linie întreruptă), parcurs în zig – zag, aşa cum se cere în normativele de amenajare. Descrierea terestră poate duce la omisiuni în separarea arboretelor, aşa cum se observă din figura 3.14, unde subparcelele 15b, 17c şi 18b nu sunt sesizate.

fărăfotograme

cu fotograme

78

910 11

1214 15

16

17

18

aa

a bb

a

b

b b

c

Figura 3.13: Traseul descrierii Figura 3.14 Omisiuni în separarea terestră parcelare(după N. Boş) a subparcelelor (după N. Boş)

Page 56: Teledetectie GIS Cadastru

54

Capitolul 4. Noţiuni de teledetecţie

Prin teledetecţie se înţelege achiziţionarea de date şi informaţii de la distanţă (tele = distanţă, + detecţie) asupra unor obiecte sau fenomene fără a le perturba sau a veni în contact cu ele. Scopul este de a urmări cercetarea din spaţiul aerian sau cosmic, a suprafeţei Pământului, a altor planete sau sateliţi naturali. Informaţiile sunt de mare importanţă pentru o gamă largă de utilizatori: agricultură, silvicultură, cartografie, evaluarea resurselor naturale, protecţia mediului, meteorologie etc. Tehnicile de detecţie moderne apar ca o prelungire a aplicaţiilor de fotogrammetrie, care au apărut primele în timp.

Teledetecţia foloseşte proprietăţile fizice ale obiectelor observate, mai ales proprietăţile lor optice, pentru achiziţionarea de informaţii asupra naturii acestor obiecte. Aceste informaţii sunt aduse spre sistemele de observare / de detectare prin intermediul undelor electromagnetice, ca de exemplu prin intermediul luminii, care este manifestarea vizibilă pentru om a acestor radiaţii.

4.1. Radiaţiile electromagnetice Energia este transportată de la un punct la altul sub formă de unde. Anumite unde necesită pentru propagare un mediu favorabil: de exemplu, undele seismice se propagă într-un mediu solid, undele sonore străbat aerul, apa, corpurile solide (medii elastice). Undele electromagnetice – şi lumina – se pot propaga în vid şi în atmosferă. După definiţia dată de Maxwell, radiaţia electromagnetică este o formă dinamică de energie, care nu se manifestă decât în interacţiunea ei cu materia. O undă electromagnetică este reprezentată, aşa cum se cunoaşte din fizică, prin doi vectori perpendiculari nedisociabili, a căror amplitudine variază periodic în timp: câmpul electric şi cel magnetic. Direcţia de propagare a undei este perpendiculară pe planul definit de aceşti vectori.

Radiaţia electromagnetică este caracterizată de perioadă, frecvenţă, viteză de propagare, lungime de undă şi amplitudine. Perioada este dată de timpul T în care unda produce o oscilaţie completă, iar frecvenţa este inversul perioadei, fiind definită ca număr de oscilaţii într-o unitate de timp. Lungimea de undă este distanţa parcursă de undă cu viteza „v” în timpul unei perioade. Frecvenţa υ , viteza v şi lungimea de undă λ sunt legate prin relaţia:

vkωλυ == [4.1]

Această relaţie leagă proprietăţile undei privitoare la spaţiu şi timp, iar mărimile care intervin au semnificaţia: ω - frecvenţa unghiulară (pulsaţia) undei, k este numărul undelor (2π/λ). Cu cât frecvenţa este mai mare, cu atât lungimea de undă este mai mică. Frecvenţa undei este independentă de mediul de propagare, dar viteza şi deci şi lungimea de undă sunt dependente. În vid (şi în aer, cu oarecare aproximaţie), viteza de propagare a undelor electromagnetice este c = 300.000 km/s. Viteza de propagare şi lungimea de undă sunt reduse în alte medii, funcţie de densitatea mediului.

Undele electromagnetice sunt caracterizate de o serie de proprietăţi, folosite în aplicaţiile de teledetecţie, dintre care se amintesc cele mei importante:

- emisia - toate corpurile care au temperatura mai mare ca –2730C emit radiaţii. Corpul care emite se numeşte sursă, iar undele se propagă în linie dreaptă atâta timp cât densitatea mediului este aceeaşi;

- absorbţia – toate corpurile a căror suprafaţă primeşte o radiaţie poate absorbi o parte din ea. Energia absorbită îi modifică energia internă, ceea ce se traduce printr-o nouă emisie, într-o altă lungime de undă,

- reflexia- corpurile a căror suprafaţă primeşte o cantitate de energie pot reflecta o parte. Când energia primită provine de la Soare şi suprafeţe iradiate sunt cele terestre, reflectanţa (raportul între energia reflectată şi cea primită) se numeşte albedou. Reflexia poate fi dirijată într-o singură direcţie sau difuză. Reflexia este însoţită de o modificare spectrală a radiaţiei incidente, fapt ce

Page 57: Teledetectie GIS Cadastru

55

constituie baza semnăturii spectrale a corpurilor. Fenomenele de reflexie constituie baza celor mai multe aplicaţii din teledetecţie.

- transmisia – corpurile care primesc o anumită cantitate de energie pot transmite o parte din ea, raportul dintre energia transmisă (refractată) şi cea incidentă se numeşte transmitanţă. De exemplu, obiectele transparente au transmitanţă ridicată pentru radiaţiile din vizibil.

Suma energiilor reflectate, absorbite şi transmise dă energia incidentă. - interferenţa – este fenomenul de suprapunere a efectelor a două sau mai multe unde

electromagnetice care provin din surse diferite. Interferenţa se produce în cazul în care undele sunt coerente, adică dacă există o relaţie între fazele diverselor unde emise cu aceeaşi frecvenţă;

- difuzia – este datorată existenţei de particule microscopice în atmosferă, ceea ce conduce la împrăştierea în toate direcţiile a unei părţi de energie primită de la o sursă. În cazul radiaţiilor din domeniul vizibil, fenomenul de difuziune este mai important pentru lungimile de undă mici (albastru) decât pentru cele mai mari (roşu). Datorită difuziei cerul senin apare albastru şi nu negru ziua, în lipsa Soarelui. Circa 25% din radiaţia solară ajunsă la sol este difuzată, iar două treimi din aceasta ajung la sol sub formă de radiaţia difuză. Datorită difuziei (şi într-o mică măsură a difracţiei) este posibil ca zonele umbrite să nu fie total întunecate (negre). O atmosferă încărcată cu umiditate şi aerosoli difuzează mai mult radiaţiile decât una uscată şi limpede. Fenomenele de difuziune atmosferică sunt importante în teledetecţie şi necesită aplicarea unor corecţii specifice în multe cazuri. Difuzia se traduce prin creşterea cantităţii de radiaţii în toate direcţiile şi printr-o atenuare a acesteia în direcţia de propagare.

- efectul Doppler – efectul produs la recepţia unei unde emise dintr-un vehicul în mişcare de către o staţie fixă. În acest caz se produce un decalaj de frecvenţă între unda emisă şi cea reflectată. Acest decalaj de frecvenţă poate conduce la modificarea culorii unui obiect în mişcare, perceput de un observator fix. Efectul Doppler este cunoscut din domeniul undelor sonore, care nu sunt unde electromagnetice. O aplicaţie obişnuită este aceea a modificării frecvenţei sunetului perceput de un observator fix la trecerea unui vehicul pe stradă. Sunetul mai ascuţit (cu frecvenţa mai mare) se percepe când vehiculul se apropie, iar mai coborât (frecvenţă mai joasă) când vehiculul se îndepărtează. Efectul Doppler are ca aplicaţie importantă cazul detecţiei care foloseşte radiaţii din domeniul radar.

4.2. Spectrul radiaţiilor electromagnetice. Transparenţa atmosferică Radiaţiile electromagnetice pot fi descompuse în unde elementare, denumite componente

spectrale ale radiaţiei considerate. De exemplu, trecerea luminii albe printr-o prismă conduce la dispersia luminii; diferitele tipuri de radiaţii rezultate sunt clasificate după lungimea lor de undă şi frecvenţă. Rezultă, în ordinea crescătoare a frecvenţei (descrescătoare a lungimii de undă) următoarele componente spectrale ale luminii albe: roşu, oranj (portocaliu), galben, verde, albastru, indigo, violet.

În mod similar, prin extindere, se poate vorbi despre spectrul electromagnetic, caz în care s-au individualizat mai multe tipuri de radiaţii, clasificate dup lungimea de undă sau frecvenţă (figura 4.1)

Determinarea mărimilor fizice legate de radiaţiile electromagnetice face obiectul radiometriei. Pentru cazul aplicaţiilor din domeniul vizibilului se mai foloseşte şi noţiunea de „fotometrie”. Radiometria poate fi abordată practic din punct de vedere energetic, spectral şi luminos. Aceste noţiuni sunt importante întrucât ele explică mecanismele de interacţiune între energia radianţă şi suprafaţa terestră. În continuare vor fi definite câteva noţiuni radiometrice prin prisma energetică:

- energia radiantă – cantitatea de energie transportată de undă [joul, j] - flux energetic – cantitatea de energie emisă de o sursă punctuală într-o unitate de timp în

toate direcţiile [watt, w], - intensitatea unei surse punctuale într-o direcţie dată este porţiunea din fluxul energetic

radiat în această direcţie,

Page 58: Teledetectie GIS Cadastru

56

- luminanţa energetică (radianţa) – este intensitatea emisă de unitatea de suprafaţă după o direcţie dată [wm2/sr],(sr = steradian = unitate de măsură pentru unghiurile spaţiale),

- emitanţă – puterea totală emisă de o semisferă într-o emisferă pe unitatea de suprafaţă a sursei [w/m2]

- corp negru – este, prin definiţie, un corp ideal care absoarbe totalitatea energiei pe care o primeşte, fără să reflecte sau să transmită. De asemenea, corpul negru este un corp radiant perfect, emiţând o radiaţie a cărei intensitate şi frecvenţă nu depind decât de temperatura sa.

Lungimide undă Frecvenţe

300.000km30.000km3.000km

300km30km

3km300m

300 mμ30 mμ3 mμ

0.4 mμ

0.7 mμ

0,3 mμ

30m3m

30cm3cm

3mm

300A30A

3A0,3A

0,03A

o

o

o

o

o

1Hz10Hz100Hz1kHz10kHz100kHz1MHz10MHz100MHz1GHz10GHz100GHz10 Hz12

10 Hz14

10 Hz16

10 Hz18

10 Hz20

Audio

Bandaradio

LFMFHFVHFUHF

Hiperfrecvenţe

InfraroşuÎndepărtat

TermicMediuApropiat

Ultraviolet

Raze X

Raze gamma

roşuoranj

galbenverde

albastruviolet

tran

spar

enţă

arm

osfe

rică

Figura 4.1. Spectrul radiaţiilor electromagnetice şi transparenţa atmosferică Din ansamblul radiaţiilor din spectrul electromagnetic reţin atenţia pentru teledetecţie

următoarele domenii spectrale: - radiaţiile din vizibil (spectrul vizibil), între 0,4 μm – 0,7 μm (1μm = 10-6 m = 10-3 mm = 1

micron). Acestea sunt folosite la înregistrări fotografice, fiind împărţit în componentele spectrale menţionate în figura 3.1 şi detaliate în componente spectrale în capitolul 1 figura 11;

- domeniul radiaţiilor infraroşii, cuprinzând domeniile: infraroşu apropiat (0,76μm – 1,5μm), infraroşu mediu (1,5μm – 7 μm), termal (7 μm – 15μm) şi îndepărtat (15 μm – 1 mm)

- domeniul radar (0,5 cm – 140 cm), - domeniul ultravioletului, între 0,01 μm şi 0,4 μm. Atmosfera terestră reprezintă învelişul gazos neomogen al Pământului, fiind împărţită în

cinci straturi după criteriul variaţiei temperaturii cu altitudinea: - troposfera – până la circa 8.000 m la poli şi 18.000 m la ecuator, - stratosfera – între troposferă şi circa 32-40 km, - mezosfera – până la circa 80 km,

Page 59: Teledetectie GIS Cadastru

57

- termosfera sau ionosfera – formată din gaze puternic ionizate, se întinde până la circa 1.000 km,

- exosfera – până la circa 3.000 km Dincolo de exosferă poate fi considerat că începe spaţiul cosmic. Radiaţia care străbate atmosfera suferă perturbaţii ce se datorează anizotropiei şi

turbulenţelor mediului, perturbaţii materializate prin refracţii, atenuări, dispersii etc. Practic, atmosfera absoarbe selectiv o parte din radiaţiile electromagnetice datorită existenţei anumitor componenţi. (Radiaţiile ultraviolete sunt reţinute de oxigenul şi ozonul atmosferic). În spectrul radiaţiilor există mai multe zone cu transparenţă ridicată (practic totală), denumite ferestre. Ferestrele sunt deci părţi din spectrul electromagnetic pentru care atmosfera este transparentă. Principalele ferestre atmosferice (considerate detaliat) sunt:

- în ultraviolet (UV) şi vizibil (V) – de la 0,35 –0,75μm - în infraroşu apropiat (IRA) – de la 0,77 - 0,91 μm

1,0 – 1,12 μm 1,19 – 1,34 μm

- în infraroşu mediu (IRM) de la 1,55 – 1,75 μm 2,05 – 2,4 μm

- în infraroşu termic (IRT) de la 3,35 – 4,16 μm 4,5 – 5,0 μm 8,0 – 9,2 μm 10,2 – 12,4 μm 17,0 – 22,0 μm

- în microunde şi radar – 2,06 – 2,22 mm 3,0 –3,75 mm 7,5 – 115,5 mm peste 20,0 mm

Atmosfera joacă aşadar rolul de filtru faţă de radiaţiile electromagnetice. Acest fapt condiţionează şi limitează folosirea anumitor sisteme de teledetecţie.

4.3 Principiul teledetecţiei Terenul şi detaliile pe care le conţine vin în contact cu radiaţiile electromagnetice, prin

fenomenele enumerate (absorbţie, reflexie, emitere, refracţie, difuziune, interferenţă, efect Doppler).

12

3

45

captor - senzor

Soare

Figura 4.2. Principiul teledetecţiei: 1- reflexie cu difuziune, 2- reflexie după absorbţie,

3- reflexie şi refracţie, 4, 5- emisie de radiaţii termice (după N. Boş)

Page 60: Teledetectie GIS Cadastru

58

La nivelul suprafeţei terestre se produc interacţiuni între radiaţia provenită de la o sursă de energie (Soare, radar) şi materie şi au loc emisii de radiaţie (mai ales termică). Radiaţiile traversează un strat atmosferic de diferite grosimi, după care ajung la platforma de detecţie (figura4.2), unde sunt recepţionate prin intermediul unui captor (de exemplu obiectivul fotografic al camerei de priză) şi transmise unui senzor (pelicula fotografică). Aici are loc o altă interacţiune între radiaţie şi materie (de exemplu formarea imaginii latente în urma unei reacţii chimice). În general, cantitatea de energie ajunsă la nivelul senzorului este mică, aşa încât trebuie amplificată pentru a fi făcută perceptibilă (de exemplu revelarea imaginii) şi apoi înregistrată (fixarea fotografică).

Orice sistem de detecţie de la distanţă are la bază interacţiunea între radiaţie şi materie, caracterizată de parametri corespunzători (absorbţie, reflexie, difuziune etc). Aceşti parametri depind de lungimea de undă a radiaţiei şi de natura detaliului de la sol. În urma interacţiunii, radiaţia electromagnetică suferă modificări care pot fi cuantificate.

4.4. Senzori Senzorii sunt dispozitive care captează radiaţii din spectrul electromagnetic, pe care le redau

sub o formă adecvată pentru a obţine informaţii asupra suprafeţei terestre. Se foloseşte deopotrivă şi termenul de captor, existând tendinţa de a înţelege prin senzor dispozitivele de redare a informaţiei, iar prin captor dispozitivele de captare a informaţiei.

Senzorii pot fi, în funcţie de energia pe care o captează: - pasivi, care folosesc sursele naturale de energie, - activi, care folosesc surse artificiale de energie. După modul de formare a imaginii, există: - senzori fotografici, care preiau instantaneu imagini fotografice în alb – negru, color,

color infra, multispectrale etc - senzori nefotografici, care creează imagini prin baleierea teritoriului şi care nu produc

direct înregistrări direct pe film.

4.4.1. Senzori fotografici Senzorii fotografici sunt senzori pasivi, întrucât folosesc radiaţiile solare ca purtător de

informaţie. Tipurile de senzori sunt diferite, după imaginea pe care o redau: alb – negru, alb – negru IR, color normal, color IR, multispectral. Condiţiile de preluare a imaginii sunt în general zilele senine, fără nori, iar metricitatea imaginilor obţinute este bună.

Despre aceşti senzori s-a discutat mai pe larg în capitolul I. 4.4.2. Senzori nefotografici Senzorii nefotografici folosiţi sunt pasivi (senzorii de baleiere optico – mecanică, de televiziune) şi activi (radar lateral, multispectral, aeropurtat, sonar).

A. Senzori de baleiere Aceşti senzori colectează radiaţiile prin baleiere (măturare punct cu punct pe fâşii) pe care le

dirijează spre detectori specifici. Senzorii de baleiere sunt nefotografici, dar pot produce în final imagini fotografice reconstituite punct cu punct prin pixeli (elemente de imagine). Radiaţiile captate sunt transmise unui detector, sensibil la o anumită bandă spectrală, care converteşte energia radiaţiilor în energie electrică prin efecte fotonice (efectul fotoelectric) pentru lungimi de undă sub 1 mm sau prin efecte electromagnetice (inducţie într-un circuit electric oscilant) pentru lungimi de

Page 61: Teledetectie GIS Cadastru

59

undă peste 1 mm. Semnalele electrice pot fi amplificate, codificate digital (prin simboluri numerice) şi depozitate pe benzi magnetice sau pe compact – discuri.

Senzori de baleiere optico-mecanică

În acest caz se baleiază pe benzi continui, paralele între ele şi perpendiculare pe direcţia de înaintare a platformei (figura 4.3). Lăţimea fâşiei survolate este dată de unghiul de baleiere α şi de înălţimea h. Elementul de suprafaţă, a cărui energie este înregistrată, este dat de unghiul câmpului de vedere instantanee, β. În acest sistem sunt înregistrate informaţii prin radiaţii din spectrul vizibil, IRA şi IRT. Modul de lucru este acelaşi, dar detectorii sunt specifici, specializaţi pe anumite lungimi de undă.

α

β

fâşie

element de imagine(pixel)

linie

h

Figura 4.3. Înregistrarea terenului prin baleiere În figura 4.4. este prezentată schema de principiu a unui sistem baleior termal.

M1

O1

radiaţii din teren

O2

O3

D PA A T F

M2

fir sincronizare

Figura 4.4. Schema de principiu a unui senzor de baleiere termal: O1- oglinda rotativă, M1- motorul oglinzii rotative, O2- oglindă primară, O3- oglindă secundară, D- detector, PA- preamplificator, A- amplificator, T- tub catodic, F- rolă de film, M2- motor sincronizat cu M1

Dispozitivul optic este format dintr-o oglindă rotitoare, care captează radiaţia emisă de teren şi o concentrează, prin oglinda primară şi secundară, pe un detector construit pe bază de sare de

Page 62: Teledetectie GIS Cadastru

60

germaniu. Detectorul produce un curent electric a cărui intensitate este proporţională cu cea a energiei radiaţiei unităţii de suprafaţă; curentul este trecut într-un preamplificator şi un amplificator şi în final este recepţionat de un tub catodic sau luminiscent. Imaginea se re-compune punct cu punct şi linie cu linie, ca o imagine continuă, ce se poate înregistra pe un film. Pentru preluarea corectă a imaginii, este important ca să existe o perfectă sincronizare între viteza de rotire a oglinzii de baleiere, viteza de deplasare a filmului şi viteza generală de deplasare a platformei de zbor. De asemenea, pentru etalonarea măsurii temperaturii, oglinda rotativă vizează la fiecare scanare un corp negru, considerat ca referinţă.

Imaginea obţinută se numeşte şi imagine termală (termofotogramă) şi ea reprezintă imaginea terenului după emisivitatea lui în domeniul IRT. Câmpul de vedere instantaneu are o rezoluţie de 1- 3 microradiani, asigurând mărimi ale pixelului de imagine de 1,5 – 3 m pentru fiecare 1.000 metri altitudine a platformei. Un alt sistem este cel baleior multispectral, care este de cel mai mare interes practic, denumit MSS (MultiSpectral Scanner), prezentat în principiu în figura 4.5.

M1

O1

radiaţii incidente

O2

O3

fir sincronizare

SD(IR)

PD(V) D(V)

D(IR)

SI

Figura 4.5. Sistemul MSS – schema de principiu: O1- oglinda rotativă, M1- motorul oglinzii rotative, O2- oglindă primară, O3- oglindă secundară, SD(IR) (sistem de dispersie pentru IR, PD(V)- prismă de dispersie pentru vizibil, D(V)- detectori pentru vizibil, D(IR)- detectori pentru IR, SI- sistem de înregistrare a datelor Din schema de principiu rezultă că radiaţiile de la sol sunt colectate cu ajutorul oglinzii rotative de baleiere, acţionată de un motor, sunt concentrate cu ajutorul unei oglinzi primare şi a uneia secundare şi trimise spre un sistem de dispersie. Aici radiaţia este descompusă spectral în benzi discrete din domeniul vizibil şi infraroşu. Radiaţiile din vizibil sunt trimise spre un sistem de dispersie, de unde ajung la detectorii corespunzători. Semnalele electrice în care este transformată energia radiantă sunt stocate pe benzi sau discuri. Înregistrările se fac în mod obişnuit în mai multe canale (până la 24) pentru 6 –8 benzi spectrale din vizibil, plus benzi din IRM şi IRT. Senzori de baleiere electronică Senzorii de baleiere electronică (senzori de televiziune) reprezintă o tehnică complexă de transmitere a imaginilor la distanţă, bazată pe principiul baleiajului electronic (figura 4.6) Etapele în care se face o transmisie TV sunt:

- analiza imaginii: imaginea formată de sistemul optic al camerei este baleiată linie cu linie cu un fascicul de electroni, descompusă în elemente simple de imagine şi transformată apoi în semnale electrice,

- transmiterea semnalelor: se face printr-un canal de comunicaţie. Intensitatea semnalului este proporţională cu strălucirea detaliilor sau fenomenelor din natură,

- sinteza imaginii: se face în cadrul unui complex de recepţie, care posedă un tub catodic. Semnalele electrice sunt reconvertite în semnale video, din asamblarea cărora rezultă

Page 63: Teledetectie GIS Cadastru

61

imaginea afişată pe ecran. Imaginile pot fi transmise la distanţă sau înmagazinate pe benzi.

sursă de radiaţii

detaliu

mediu de separaţie

sistem de televiziune

imaginea detaliului pe ecran

Figura 4.6. Sistemul de televiziune

Televiziunea foloseşte radiaţii din spectrul vizibil provenite de la Soare şi reflectate de suprafaţa studiată, fiind, din acest punct de vedere un sistem pasiv. Este necesară o atmosferă senină, fără nori. Sunt avantajoase datorită greutăţii reduse a instalaţiei şi a uşurinţei de transmitere a datelor.

Un loc deosebit îl are, în cadrul televiziunii, sistemul RBV (Return Beam Vidicon), adică tuburi cu fascicul electronic de întoarcere. Este un tub modificat la care semnalul de ieşire este derivat din fascicolul de electroni reflectat. Are avantajul unei bune rezoluţii.

B. Senzori radar Undele denumite radar aparţin domeniului spectral 5,36x10-4m – 1,40 m, iar denumirea lor

provine din prescurtarea RAdio Detecting And Ranging, adică detectare şi urmărire prin (unde) radio. Senzorii radar sunt activi, întrucât aceştia generează ei înşişi şi transmit unde de frecvenţă radio către un obiect care trebuie înregistrat. Radiaţia reflectată şi împrăştiată de aceştia este recepţionată şi afişată de senzor.

Radarele cu explorare circulară, la care imaginea este obţinută cu ajutorul unei antene rotative şi trimisă spre afişare unui osciloscop, sunt folosite mai ales pentru controlul navigaţiei maritime şi aeriene. În teledetecţie mai folosit este radarul lateral. Acesta este bazat pe principii asemănătoare. Undele radio sunt proiectate de antenă într-un fascicul aflat într-un plan perpendicular pe direcţia de deplasare a platformei (figura 4.7a). O parte din această energie este reflectată de detaliile de la sol şi transmisă din nou spre captor.

transmiţător de unde

antenăceas electronic

sistem de tratare aimaginii

film (sistem de stocare) c

a b Figura 4.7. Principiul de funcţionare a radarului lateral: a- fascicolul lateral, b- principiul de

funcţionare

Page 64: Teledetectie GIS Cadastru

62

Caracteristicile undei reflectate (amplitudine, fază, polarizare) sunt comparate cu cele ale undei emise, în scopul de a deduce, pe de o parte timpul de parcurs captor – teren – captor (şi prin urmare distanţa captor – teren) şi pe de altă parte atenuarea semnalului prin difuziune în raport cu semnalul emis şi, prin deducţie, proprietăţile suprafeţei reflectoare (panta, rugozitatea, proprietăţile dielectrice).

Sistemul se compune din (figura 4.7b) - transmiţător, cu rolul de a produce periodic trenuri de unde de frecvenţă ν în timpul τ, - antenă, cu rolul de a transmite semnalul la sol şi de a capta semnalul reflectat, - un ceas electronic, care are rolul de a măsura timpul de parcurs al trenului de unde, - un sistem de tratare a imaginii în timp real pentru a reconstitui pe un ecran catodic

fiecare linie a terenului baleiat. Intensitatea semnalului reflectat comandă intensitatea semnalului luminos de pe ecran,

- un sistem de stocare a imaginii, prin care fiecare imagine este înregistrată fie pe un film care se derulează sincronizat cu viteza de înaintare a platformei, fie pe o bandă magnetică sau un CD.

Despre rezoluţia imaginilor radar se poate discuta în sens transversal şi longitudinal. Rezoluţia transversală a imaginii depinde în principal de unghiul de incidenţă a radiaţiilor la sol şi de distanţa faţă de nadir a fascicolului de raze. Rezoluţia longitudinală este cu atât mai bună cu cât lungimea antenei este mai mare

Pentru ameliorarea limitei rezoluţiei longitudinale este necesară folosirea unei antene de lungime cât mai mare; acest lucru vine însă în contradicţie cu dimensiunile întregului sistem captor – platformă purtătoare. Aceasta a condus la dezvoltarea pe scară largă a altor tipuri de senzori radar, cu antene virtuale, denumite antene sintetice.

În final trebuie remarcat că înregistrările radar au unele avantaje: - înregistrările nu sunt condiţionate de starea atmosferei sau de iluminarea exterioară,

putându-se face zi şi noapte, în atmosferă cu praf, ceaţă, nori, - se pot detecta, datorită posibilităţii de penetrare a radiaţiilor emise, formele de teren de

sub zăpadă, fundul apelor mărilor sau oceanelor sau terenul de sub covorul vegetal, - se poate determina temperatura aerului, a solului sau a apei în stratul superficial. C. Radiometre

Radiometrele sunt senzori fără formare de imagine şi au rolul de a măsura intensitatea

radiaţiilor electromagnetice care provin de la sol. Dacă se referă numai la radiaţiile din spectrul vizibil, se numesc fotometre şi nu necesită sursă de radiaţie internă, iar dacă măsoară numai anumite linii spectrale se numesc spectrometre. Acestea din urmă au sisteme dispersive şi detectori specializaţi, astfel încât măsurătoarea să se refere la o singură lungime de undă.

O

SOP

M

F

MOD

SOS

DTDF

RR

Figura 4.8. Schema de principiu a unui radiometru: O- obiect, SOP- sistem optic primar, RR- radiaţie de referinţă, M- motor, MOD- modulator, F- filtru, DF- diafragmă, SOS- sistem optic secundar, DT- detector

Page 65: Teledetectie GIS Cadastru

63

În principiu (figura 4.8) radiometrul este construit dintr-un sistem optic este menit să fotografieze, pe un detector, radiaţiile incidente pe un sistem optic primar. Filtrul inserat este specific pentru lungimile de undă pentru care este construit. Datorită unui modulator care este acţionat de un motor, detectorul poate primi alternativ radiaţii de la detaliile din teren sau o radiaţie de referinţă, emisă de o sursă internă. Există şi un ecran de afişare electronică.

Radiometrele sunt importante întrucât efectuează măsurători radiometrice pentru lungimile de undă în care se fac înregistrările de teledetecţie, pentru a se putea efectua corecturile înregistrărilor satelitare afectate de filtrul atmosferic.

Radiometrele cu microunde folosesc, pentru măsurarea fluxului de radiaţii incident, antene specifice. Microundele sunt de lungimi de undă mai mari ca 1 mm şi până la câţiva decimetri. Sunt importante întrucât permit evaluarea umidităţii solului, temperaturii apei, rugozitatea terenului.

4.5. Platforme folosite în teledetecţie 4.5.1. Tipuri de platforme În detecţia de la distanţă, prin platformă se înţelege orice vehicul spaţial sau terestru capabil să poarte un captor în condiţiile dorite. O clasificare a acestor platforme se poate face după altitudinea la care operează, în platforme terestre, aeriene şi spaţiale. Platformele terestre sunt cele care acţionează la sol, cuprinzând vehicule terestre înzestrate cu braţe telescopice capabile să ridice captorul la câţiva metri înălţime. Platformele aeriene au pierdut din importanţă odată cu apariţia sateliţilor. Ele rămân totuşi importante pentru misiunile specializate sau pentru aplicaţii la care se cere o rezoluţie deosebită. Baloanele sunt utilizate astăzi doar în meteorologie. Ele pot fi captive sau libere. Cele captive sunt legate de sol printr-un cablu şi pot transporta o nacelă echipată cu cameră de priză, spectrometre etc până la altitudini de doi kilometri. Au avantajul preţului mic, al traiectoriei controlate şi a posibilităţii de a urmări fenomene în timp util. Baloanele libere pot atinge înălţimi de 40 km şi pot transporta echipamente de până la 6 tone. Dacă sunt lansate în perioade din an în care există un regim al vânturilor cunoscut, baloanele libere pot avea o traiectorie întrucâtva controlată. Au avantajul atingerii unor înălţimi mari. Avioanele permit transportare unor echipamente mai grele şi au o traiectorie bine controlată, dar prezintă şi o serie de limite:

- repetitivitatea observaţiilor nu este deplin garantată, - teritoriul acoperit la un singur zbor este relativ limitat, - preţurile de achiziţie a imaginilor sunt relativ ridicate. Aproape în toate cazurile, avioanele sunt folosite în misiuni de fotogrammetrie. Datorită

preţurilor totuşi ridicate ale zborurilor numai în scopul detecţiei, există tendinţa producerii de sisteme de captori miniaturizaţi, capabili să funcţioneze în condiţii speciale, montaţi în exteriorul avioanelor comerciale, pe carlingă. Poziţionarea absolută a avionului este acum rezolvată prin folosirea sistemului de sateliţi de poziţionare (sistemul GPS = Global Positionning System = sistem de poziţionare globală). Dacă se lucrează în condiţii bine stabilite (împreună cu receptori GPS ficşi de la sol), poziţia avioanelor poate fi determinată în timp util cu o precizie de câţiva cm, rezolvând astfel o parte din elementele de orientare exterioare ale fotogramelor).

Platformele spaţiale (sateliţii) sunt instalaţii care se mişcă pe traiectorii bine stabilite în jurul

Pământului. Deplasarea lor urmează legile lui Kepler, de unde rezultă elementele traiectoriei. Planul orbitei (traiectorie închisă parcursă de satelit) poate avea o anumită înclinare, „i” faţă de planul ecuatorial al Pământului. O orbită ecuatorială are înclinarea zero, iar una polară o înclinare de 90o.

Page 66: Teledetectie GIS Cadastru

64

4.5.2. Orbita sateliţilor folosiţi în teledetecţie În teledetecţie există trei orbite care prezintă interes. Orbita heliosincronă este în cazul în care orbita satelitului rămâne fixă în raport cu planul

orbital al Pământului în jurul Soarelui. Pământul execută o mişcare completă (360o) în 365 zile, adică circa un grad pe zi. Alegând o orbită astfel încât pe aceasta mişcarea să fie retrogradă (în sens opus mişcării Soarelui) şi cu circa un grad pe zi se obţine o orbită heliosincronă. Din legile lui Kepler rezultă că aceste orbite sunt posibile numai între 300 şi 1500 km altitudine.

Orbita heliosincronă interesează mai ales în detecţia resurselor terestre, întrucât satelitul trece pe deasupra unui punct dat de la sol aproximativ la aceeaşi oră locală. Practic, altitudinea medie a sateliţilor heliosincroni este de circa 700 km, ceea ce permite rezoluţii destul de bune la sol. Această altitudine este şi un inconvenient, întrucât poate interveni o frânare datorată frecărilor cu atmosfera. Acest tip de traiectorie nu poate trece pe deasupra polilor.

Dintre sateliţii cu orbită heliosincronă se amintesc: SPOT, LANDSAT, NIMBUS. Orbita geostaţionară este în cazul în care satelitul rămâne constant deasupra unui acelaşi

punct fix de pe suprafaţa Pământului. Din legile lui Kepler rezultă că o asemenea orbită nu poate fi decât ecuatorială (adică planul ei se confundă cu planul Ecuatorului) şi că înălţimea necesară pentru care perioada de rotaţie să fie de 24 ore este de circa 36.000 km. Orbita geostaţionară permite sateliţilor supravegherea continuă a unei părţi a Pământului, între paralele 81,3o N şi S. Acest fapt, ca şi înălţimea mare, fac sateliţii utilizabili mai ales pentru aplicaţii în meteorologie şi telecomunicaţii. Din sateliţii plasaţi pe orbită geostaţionară se amintesc: GOES, METEOSAT. Orbita circulară oarecare oferă sateliţilor avantajul survolării Pământului la aceeaşi altitudine. Astfel de orbită au sateliţii SEASAT, ERS, RADARSAT. 4.5.3. Componentele principale ale sateliţilor de teledetecţie Deşi sunt diferiţi ca formă şi dimensiuni, sateliţii au anumite componente principale obligatorii comune. Acestea sunt: - sisteme de restabilire a altitudinii, având ca scop menţinerea altitudinii iniţiale a satelitului, care tinde să scadă datorită frânării în special de către atmosfera Pământului şi a presiunii radiaţiilor solare. Cantitatea de carburant necesară corectării altitudinii fiind limitată din raţiuni de greutate de lansare, adesea sateliţii sunt scoşi din funcţie datorită pierderii altitudinii (în special sateliţii militari, cu altitudini mici); - sisteme de comandă cu scopul controlului poziţiei axului de priză a imaginilor. Corecţiile sunt făcute de gaze sub presiune, eliberate prin fante poziţionate în diferite locuri la comanda unor procesoare, - panouri solare, care au rolul de a produce energia electrică necesară funcţionării instalaţiilor de la bord; - sisteme responsabile cu ansamblul operaţiunilor de bord şi cu comunicaţia cu staţiile de comandă de la sol; - antene care servesc transmiterii datelor şi recepţionării comenzilor de la staţiile de control terestre; - captori; - sisteme de înregistrare, care permit stocarea informaţiilor până în momentul în care satelitul se găseşte în raza de acţiune a unei staţii receptoare de la sol, la care poate descărca aceste informaţii.