UNIVERSITATEA DE TIINE AGRONOMICE I MEDICIN VETERINAR FACULTATEA DE MBUNTIRI FUNCIARE I INGINERIA MEDIULUI
Tehnologie RADAR
curs
CUPRINS
I. Scurt istoric al platformelor de teledetecie operaionale ............................................. 3
1. Fotogrammetrie i teledetecie ........................................................................................ 3
2. Teledetecia n domeniile vizibil i infrarou................................................................... 7
3. Teledetecia n domeniul microundelor ........................................................................... 9
II. Senzori de preluare radar ...............................................................................................13
1. Caracteristici ....................................................................................................................13
2. Deformaiile imaginilor SAR ............................................................................................17
III. Misiuni satelitare cu senzori SAR ..................................................................................21
1. ERS ...................................................................................................................................21
2. ENVISAT ...........................................................................................................................25
3. TERRASAR-X ...................................................................................................................31
4. SENTINEL-1 ......................................................................................................................36
IV. Interferometria ................................................................................................................39
1. Principiul interferometriei ...............................................................................................39
2. Criterii de alegere a imaginilor InSAR ............................................................................44
3. Factorii care influeneaz calitatea fazei interferometrice ............................................46
4. Etape de generare a modelului digital al terenului ........................................................47
V. Polarimetria .....................................................................................................................51
1. Principiul polarimetriei ....................................................................................................51
2. Tipuri de polarizri ...........................................................................................................52
3
I. Scurt istoric al platformelor de teledetecie operaionale
1. Fotogrammetrie i teledetecie
"nainte de era spaial (datat convenional n anul 1957), omenirea nu reuise
niciodat s observe o emisfer ntreag ntr-o singur imagine. Mai mult dect att,
nu avusese niciodat o vedere sinoptic a planetei pe care tria. Acest fapt a fost
schimbat o dat cu lansarea pe orbit a primei nave spaiale, iar omenirea a putut
vedea planeta noastr aa cum nu se mai ntmplase niciodat pn atunci. n
decursul a mai mult de cinci decenii de zbor spaial, planeta Pmnt a fost
redescoperit prin culegerea sistematic i analiza unui volum imens de informaii".
Anterior lansrii platformelor satelitare, teledetecia purta denumirea de
fotogrammetrie aerian, iar preluarea imaginilor se realiza numai cu camere
fotografice. La civa ani de la inventarea fotografiei (Daguerre, 1839), fotograful
francez Gaspard Flix Tournachon (alias Nadar) a preluat prima fotogram aerian
(23 octombrie 1858) dintr-un balon aflat deasupra Parisului, la o altitudine de
aproximativ 80 m. Acest moment este considerat nceputul fotogrammetriei aeriene.
"Cuvntul fotogrammetrie se datoreaz arhitectului german Meydenbauer care a
asamblat cuvintele greceti photos (lumin), gramma (un lucru scris sau
desenat) i metron (msur), pentru a desemna un nou mijloc de reprezentare
tridimensional a naturii". n anul 1859, pentru pregtirea Btliei de la Solferino
(nordul Italiei), Napoleon al III-lea i-a ordonat lui Nadar s obin imagini ale acestei
zone n scopuri de recunoatere. Ulterior acestui moment, fotogramele aeriene
preluate de la bordul baloanelor au fost utilizate de ctre generalul George McClellan
pentru studiul poziiei taberelor inamice n timpul Rzboiului Civil din SUA (1861-
1865).
4
La nceputul secolului 20, aeroplanul a reprezentat o platform de preluare util att
n aplicaiile civile (pentru observare), ct i n cele militare (pentru recunoatere).
Fotogrammetria aerian a fost utilizat la scar larg n scopuri de recunoatere n
timpul celor dou rzboaie mondiale.
n perioada care a urmat celor dou rzboaie mondiale i nainte de anii '60,
fotogrammetria aerian a cunoscut o dezvoltare impresionant. Apariia filmelor
fotografice sensibile la anumite lungimi de und ale radiaiei electromagnetice au
permis interpretarea i clasificarea unor anumite caracteristici ale elementelor din
spaiul obiect (filmul color infrarou a fost utilizat pentru diferenierea diverselor
specii de vegetaie), iar cu ajutorul camerelor dotate cu filme de mare sensibilitate,
combinate cu obiectivi cu unghi de mare i foarte mare deschidere, posibilitile de
observare a suprafeei Pmntului au crescut considerabil.
Momentul de nceput al teledeteciei este considerat lansarea satelitului Sputnik de
ctre fosta Uniune Sovietic, la data de 4 octombrie 1957, de la baza Baikonur.
Sputnik-1 (Figura 1) efectua msurtori care permiteau o prim evaluare a densitii
straturilor superioare ale atmosferei. Sputnik-1 a reintrat n atmosfer la data de 4
ianuarie 1958. n perioada urmtoare, lansarea diverselor platforme satelitare a
produs noi i interesante descoperiri. Statele Unite ale Americii lanseaz prima
platform satelitar, Explorer-1, la 31 ianuarie 1958. Satelitul achiziiona informaii
referitoare la mediul i condiiile din spaiul cosmic. La 1 octombrie 1958 este creat
NASA (National Aeronautics and Space Administration), la iniiativa Congresului
SUA.
n august 1960, SUA ncep testarea sistemului KeyHole (nume de cod CORONA).
n total, au existat 105 misiuni Corona fiabile, operate de Forele Aeriene ale SUA,
cu implicarea CIA (Central Intelligence Agency). Rezoluia spaial a primului
5
satelit din serie, KH-1, era de aproximativ 2 m, mbuntindu-se n mod constant
de la o lansare la alta.
Figura 1: Sputnik, primul satelit artificial al Pmntului
La momentul respectiv, nivelul dezvoltrii tehnologiei permitea preluarea imaginilor
numai pe suport analogic (film fotografic), iar recuperarea informaiei reprezenta un
proces dificil i laborios. SUA a folosit filmul fotografic pn n 1963, n timp ce
Uniunea Sovietic a preluat ultima imagine satelitar pe suport analogic n anul
2000. n prezent, att SUA (n februarie 1995, prin decretul preedintelui Bill
Clinton), ct i Rusia au desecretizat aceste imagini.
n perioada anilor '60, datele furnizate de sateliii de teledetecie erau folosite, n
principal, la studiul fenomenelor meteorologice. Primul satelit meteorologic (TIROS
6
1 - Television and InfraRed Observation Satellite) a fost lansat de NASA n anul
1960. Acest satelit a furnizat zilnic imagini cu formaiunile de nori, reprezentnd
piatra de temelie pentru prognoza meteorologic. Ulterior, misiunea acestui satelit a
fost continuat de seria sateliilor destinai studiului mediului nconjurtor, lansat
de NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration).
Cu toate acestea, scopul principal al programelor spaiale ale SUA i Rusia era
constituit de explorarea spaiului cosmic i nu a Terrei. Planificarea unei abordri
deliberate i sistematice n ceea ce privete observarea Pmntului (de exemplu,
cercetarea suprafeei Pmntului) nu a fost realizat pn la mijlocul anilor '60.
Motivaia noului interes manifestat pentru studiul Terrei prin intermediul sateliilor
artificiali a pornit de la examinarea a aproximativ 1100 de fotografii preluate n
timpul misiunilor Mercury i Gemini, cnd s-a constat c acestea conin o cantitate
imens de informaii care pot fi analizate sistematic.
Misiunea Apollo a permis omenirii s cltoreasc n spaiu i s vad pentru prima
oar n istorie ntregul glob pmntesc (Figura 2). Informaiile culese n aceast
misiune despre planeta noastr au coincis cu cele constatate pn n acel moment
doar de la nivelul solului. O dat cu lansarea Misiunii Apollo a fost iniiat i
dezvoltarea sateliilor de comunicaii.
7
Figura 2: Pmntul vzut de pe Lun: Misiunea Apollo 11, 1969
2. Teledetecia n domeniile vizibil i infrarou
O etap deosebit de important n dezvoltarea teledeteciei a fost reprezentat de
realizarea primului sistem satelitar prevzut cu senzori de baleiaj pentru preluarea
imaginilor n format digital, destinat att aplicaiilor civile, ct i militare, fiind
lansat de ctre SUA n anul 1972. Iniial, numele acestui sistem satelitar a fost ERTS-
1 (Earth Resources Technology Satellites), apoi a primit denumirea Landsat 1.
Platforma Landsat 1 este primul satelit dedicat aplicaiilor cartografice i
monitorizrii resurselor naturale, fiind echipat cu senzor MSS (Multi-Spectral
Scanner) de baleiaj, cu oglinda de rotaie. Aceast nou tehnologie a contribuit la
8
apariia unor dezvoltri substaniale n prelucrarea imaginilor digitale. Cu toate
acestea, rezoluia spaial de 79 m x 57 m a acestui senzor era destinat aplicaiilor
cartografice pentru scri medii si mici. Senzorul TM (Thematic Mapper) care a
echipat platformele Landsat ncepnd cu anul 1982 avea o rezoluie spaial de 30m,
aceast rezoluie fiind mbuntit de senzorii ETM (Enhanced Thematic Mapper)
instalai la bordul ultimelor platforme Landsat, care aveau o rezoluie spaial de 15
m. Ulterior, seria platformelor Landsat a fost nlocuit de ctre constructor cu alte
programe spaiale.
Primul satelit francez SPOT (Satellite Probatoire pour l'Observation de la Terre) a
fost lansat n anul 1986. Avantajele sistemului (preluare stereoscopic i pas de
eantionare la sol de 10 m n domeniul pancromatic i 20 m n domeniul multi-
spectral) ofereau posibilitatea generrii i actualizrii hrilor topografice pn la
scara 1:50.000, ns gradul de detaliu al informaiei era inferior celui oferit de
coninutul hrilor tradiionale. n anul 1993, Germania lanseaz senzorul MOMS
(Modular Optoelectronic Multispectral Stereo Scanner), cu o rezoluie spaial de 5
m pancromatic, 15 m pentru prelurile stereoscopice i 15 m pentru domeniul multi-
spectral. Sistemul MOMS a fost instalat i pe platforma ruseasc MIR, n timpul
unei misiuni care a avut loc ntre 1996 i 1999. De aceast dat, altitudinea de zbor
era mai mare, fapt care a condus la diminuarea rezoluiei spaiale a imaginilor
preluate: 6 m pentru domeniul pancromatic, 18 m pentru imaginile preluate
stereoscopic i 18 m pentru domeniul multi-spectral. n anul 1995 India lanseaz
satelitul IRS-1C (Indian Remote Sensing Satellite), cu rezoluia spaial de 5,7 m.
Platforma Terra a fost lansat n anul 1999 de SUA, senzorul ASTER prelund
imagini cu o rezoluie spaial de 15 m n domeniul vizibil i infrarou apropiat.
Urmtorul pas important n evoluia sistemelor de teledetecie a fost reprezentat de
seria platformelor comerciale de foarte mare rezoluie spaial, care a debutat cu
9
lansarea satelitului IKONOS 2 de ctre SUA, n anul 1999. Platforma a fost
prevzut cu un senzor liniar de foarte mare rezoluie spaial, de 0,8 m n domeniul
pancromatic i 3,2 m n domeniul multi-spectral. A urmat lansarea platformei
satelitare QuickBird (2001), care a fost proiectat s aib dimensiunea pixelului la
sol de 0,8 m (similar cu IKONOS), ns nainte de lansare SUA au ridicat restriciile
privitoare la acest parametru i noua dimensiune a pixelului la sol a devenit 0,62 m
(prin reducerea altitudinii de zbor de la 680 km la 450 km).
Seria sateliilor de foarte mare rezoluie este completat de: EROS-A1 (lansat n
2000 de ctre Israel, dotat cu un senzor cu rezoluia spaial de 1,8 m pancromatic),
OrbView-3 (lansat de SUA n anul 2003, rezoluie 1 m pancromatic i 4 m multi-
spectral), FORMOSAT-2 (Taiwan, 2004, 2 m n domeniul pancromatic i 8 m n
domeniul multi-spectral), Cartosat-1 (India, 2005, rezoluie 2,5 m n domeniul
pancromatic, echipat cu doi senzori pancromatici proiectai pentru preluarea
simultan a imaginilor stereoscopice), KOMPSAT-2 (Coreea de Sud, 2006,
rezoluie 1 m n domeniul pancromatic i 4 m n domeniul multi-spectral), ALOS
PRISM (Japonia, 2006, rezoluie 2,5 m pancromatic, preluare stereoscopic
simultan a imaginilor), WorldView-1 (SUA, 2007, rezoluie spaial 2 m multi-
spectral, 0,50 m pancromatic), OrbView-5 (SUA, 2008, cu rezoluia spaial de 0,4
m n domeniul pancromatic i 1,6 m n domeniul multi-spectral, RapidEye
(Germania, 2008, rezoluie spaial 6,5 m n domeniul multi-spectral), GeoEye
(SUA, 2008, rezoluie spaial 1,65 m multi-spectral, 0,41 m pancromatic) i
WorldView-2 (SUA, 2009, rezoluie spaial 2 m multi-spectral, 0,50 m
pancromatic).
3. Teledetecia n domeniul microundelor
10
Sistemele de teledetecie prevzute cu senzori activi au fost dezvoltate n principal
pentru cartografierea zonelor acoperite cu ghea sau zpad i a oceanelor, regiuni
n care acoperirea sistematic cu nori mpiedic nregistrarea de date cu senzori
pasivi sau reflectivi. Utilizarea undelor radio pentru detectarea prezenei obiectelor
metalice situate la o anumit distan a fost realizat pentru prima oar de ctre
Christian Hlsmeyer care a folosit aceast tehnic pentru identificarea navelor n
condiii de cea dens, fr a calcula ns distana pn la aceste obiecte. nainte de
cel de Al Doilea Rzboi Mondial, au fost efectuate cercetri n acest domeniu de
ctre americani, germani, francezi i britanici, ns cel care a propus termenul "radar"
(Radio Detection and Ranging) i a realizat primul aparat a fost englezul Robert
Watson-Watt, n anul 1935. Tehnologia radar a fost inut secret pn n anul 1946.
Dup acest moment, radarul ncepe s fie utilizat i n alte tipuri de aplicaii, cum ar
fi controlul traficului aerian, monitorizarea condiiilor meteorologice i controlul
vitezei vehiculelor.
Primul proiect n care a fost utilizat tehnologia radar este RADAM (Radar of the
Amazon), lansat de Brazilia, n anul 1971 (n banda X). n cadrul acestui proiect,
regiunea Amazonului a fost cartografiat pentru prima oar prin mijloace de
teledetecie, datorit capacitii senzorilor radar de a penetra acoperirea cu nori.
Prima platform satelitar civil echipat cu senzor SAR (Synthetic Aperture Radar)
este SEASAT, lansat de SUA n anul 1978 (band L, 25 m rezoluie spaial). n
ciuda unei misiuni de doar 106 zile, succesul acestui senzor a determinat ESA
(European Space Agency) s decid iniierea unor programe de observare a
Pmntului prin intermediul senzorilor activi de teledetecie. Lansarea platformelor
satelitare echipate cu senzori de tip SAR a continuat cu: SIR-A/B (1981/1984, SUA,
band L, rezoluie spaial 40 m/10-25 m), ALMAZ-1 (fosta Uniune Sovietic,
1991, echipat cu dou senzori SAR n banda S, rezoluie spaial 15-30 m), ERS-1
11
(lansat de ESA n 1991, banda C, rezoluie spaial 30 m), SIR-C/X-SAR (1994,
SUA, benzile X, C, L, rezoluie spaial 15-25 m), JERS (Japonia, 1994, banda L,
rezoluie spaial 18 m), RADARSAT-1 (Canada, 1995, banda C, rezoluie spaial
25 m x 28 m n modul standard de preluare) i ERS-2 (lansat de ESA n 1995, banda
C, rezoluie spaial 30 m).
n februarie 2000, n urma unei cooperri internaionale a fost iniiat misiunea
SRTM, care a avut o durat de 11 zile. Dou sisteme radar cu apertur sintetic
(rezoluie spaial 30 m), unul n banda C (operat de SUA) i unul n banda X (operat
de Germania i Italia), au fost instalate la bordul platformei satelitare. Antenele de
recepie erau separate de un bra cu lungimea de 60 m. Principalul obiectiv al
misiunii a fost reprezentat de realizarea modelului digital al terenului pentru 80%
din suprafaa continental global, pe baza nregistrrilor interferometrice preluate
simultan de sistemele SAR.
ESA a continuat misiunile bazate pe senzori activi de teledetecie cu lansarea
platformei ENVISAT n anul 2002 (band C, rezoluie spaial 30 m). Urmeaz
lansarea sateliilor ALOS (Japonia, 2006, band L, rezoluie spaial 7-44 m, n
funcie de modul de preluare, unghiul de inciden i nivelul de pre-procesare a
datelor) i SAR-Lupe (satelit destinat aplicaiilor militare, Germania, 2006, band
X, rezoluie spaial 1-5 m).
n iunie 2007, Germania a lansat cel mai performat sistem SAR care exist n
prezent: TerraSAR-X. Senzorul de preluare opereaz n band X, are rezoluia
spaial de aproximativ 1 m n modul de preluare High Resolution Spotlight i
furnizeaz imagini de observare a Pmntului att pentru comunitatea tiinific ct
i pentru segmentul comercial. Tot n anul 2007 au fost lansate platformele
RADARSAT-2 (Canada, band C, rezoluie spaial 3 m) i COSMO-SkyMed
(Italia, band X, rezoluie spaial aproximativ 1 m, constelaie de patru satelii, din
12
care, pn n prezent, au fost lansai trei; nregistrrile SAR prezint un potenial
imens pentru aplicaiile de interferometrie datorit intervalului foarte scurt de
revizitare, de cteva ore). Germania a lansat n iunie 2010 TanDEM-X, cel de al
doilea satelit TerraSAR-X. Cei doi satelii funcioneaz n tandem, nregistrrile
preluate n acest mod fiind utilizate pentru generarea unui model digital al terenului,
la scar global.
n anul 2014, ESA a lansat primul satelit al misiunii Sentinel-1 (band C) care face
parte din programul Copernicus, dezvoltat i implementat de ESA n cooperare cu
Comisia European.
Cea mai important realizare a erei spaiale moderne este reprezentat de
capacitatea de a observa Pmntul, mediul su nconjurtor i universul n
toate intervalele de band ale spectrului electromagnetic, deschizndu-se astfel
noi orizonturi n experimentarea i descoperirea aplicaiilor tiinelor
geospaiale. Teledetecia reprezint n prezent sursa principal de date pentru
tiinele geospaiale i disciplinele derivate ale acestora. Pe baza acestor date
sunt elaborate studii care permit deducerea tendinelor (prezente i viitoare) n
dinamica fenomenelor mediului nconjurtor, prin monitorizarea i analiza
schimbrilor semnificative survenite n timp.
13
II. Senzori de preluare radar
1. Caracteristici
Senzorii de preluare activi sunt dotai cu surse proprii de energie. Radarul este un
sistem ce permite determinarea poziiei spaiale i distana pn la un obiect pe baza
undelor electromagnetice reflectate de acesta. Sistemele radar (Radio Detection and
Ranging) sunt operative i pe timpul nopii i au capacitatea de a penetra acoperirea
cu nori i ceaa.
n principal, un sistem radar este alctuit dintr-o unitate de transmisie, o unitate de
recepie, o anten i o component electronic care are rolul de a nregistra i procesa
datele. Unitatea de transmisie emite n mod succesiv impulsuri de radiaie
electromagnetic, la intervale de timp regulate (impulsurile sunt concentrate de
anten ntr-un fascicul), spre spaiul obiect. n urma interaciunii cu spaiul obiect
(radiaia incident este absorbit, transmis, reflectat, dispersat etc.), o parte din
radiaia incident este retro-reflectat i ajunge la senzorul aeropurtat sau satelitar.
Unitatea de recepie nregistreaz radiaia retro-reflectat dup ce aceasta
interacioneaz cu spaiul obiect i radiaia emisa de suprafaa terestr a Pmntului.
La acest nivel, radiaia incident este transformat n semnal electric, care ulterior
este nregistrat, amplificat i prelucrat n scopul formrii imaginii reflectivitii
spaiului obiect. Prin msurarea intervalului de timp scurs ntre emiterea i
recepionarea semnalului poate fi determinat distana dintre elementele din spaiul
obiect i senzorul radar.
Sistemele de teledetecie care acioneaz n domeniul microundelor, n intervalul de
band 1 cm 1 m, sunt caracterizate att prin lungimea de und () n care opereaz,
ct i prin frecvena (). Cu ct este mai mic, cu att se pot concentra fascicule
mai nguste i astfel se pot detecta detalii mai mici.
14
Denumirea anumitor intervale de band (Ka, K, Ku, X, C, S, L, P) utilizate de
sistemele radar a rmas aceeai din timpul celui de al Doilea Rzboi Mondial, cnd
aceast tehnologie a cunoscut o dezvoltare impresionant. Dintre acestea, cel mai
frecvent folosite sunt benzile X, C i L. Intervalele de band utilizate de sistemele
radar sunt prezentate n Figura 3.
Figura 3: Intervalele de band ale spectrului electromagnetic
utilizate de sistemele radar
O nregistrare radar complex reprezint o imagine digital care poate fi privit drept
o matrice bidimensional de elemente imagine denumite pixeli. Fiecare pixel conine
att informaia de amplitudine, ct i informaia de faz a semnalului retro-reflectat
de elementele din spaiul obiect. Coordonatele unui punct din imaginea radar se
exprim n distan (r) i azimut (a), unde distana reprezint coloanele, iar azimutul
liniile matricei.
15
Rezoluia spaial a sistemelor radar este funcie de proprietile specifice ale
semnalului. Rezoluia n distan (rezoluia spaial n plan perpendicular pe direcia
de deplasare a platformei) este dependent de lungimea impulsului semnalului radar
(cu ct aceasta este mai mic, cu att rezoluia n distan va fi mai bun). Prin
urmare, dou elemente din spaiul obiect vor fi observate distinct n distan nclinat
dac sunt situate la mai mult de jumtate din lungimea impulsului semnalului. De
exemplu, elementele 1 i 2 nu vor putea fi identificate distinct n imaginea radar,
spre deosebire de 3 i 4 (Figura 4). Rezoluia n distan nclinat rmne constant,
independent de distana senzor-spaiul obiect.
Rezoluia n azimut (rezoluia spaial n plan paralel cu direcia de deplasare a
platformei) este determinat de dimensiunea unghiular a fasciculului emis de
sistemul radar i de distana nclinat. Pe msur ce distana de la senzor la obiectul
Figura 4: Rezoluia spaial n distan a sistemelor radar
16
vizat crete, rezoluia n azimut scade. n Figura 5, elementele situate n punctele 1
i 2 vor putea fi observate distinct, spre deosebire de cele din punctele 3 i 4 care se
afl la o distan mai mare de senzor.
Dimensiunea fasciculului radar este invers proporional cu lungimea de und a
antenei, ceea ce nseamn c o anten mai lung va produce un fascicul mai ngust,
dar cu o rezoluie mai fin.
O rezoluie superioar se poate obine prin folosirea unui semnal cu o lungime de
und mai mic, ns aceasta se poate realiza cu anumite restricii ce in de proiectarea
din punct de vedere tehnic a antenei. mbuntirea rezoluiei se poate efectua prin
mrirea lungimii de und, ceea ce implic mrirea dimensiunii reale a antenei, o
astfel de construcie fiind dificil de montat pe o platform aerian sau satelitar.
Pentru sistemele radar aeropurtate, dimensiunea unei antene ar trebui s fie de 1-2
m, iar pentru platformele satelitare de 10-15 m.
Pentru depirea acestui impediment, prin deplasarea platformei pe orbit i prin
operaiuni specifice de nregistrare i procesare a semnalelor retro-reflectate, este
simulat efectul unei antene foarte lungi, care mrete rezoluia n azimut. n
concluzie, radarele cu apertur sintetic (SAR) simuleaz efectul unei antene de
dimensiuni foarte mari. Pe msur ce elementul A este vizat de primele fascicule
radar (Figura 6), semnalele retro-reflectate sunt nregistrate n tot intervalul de timp
Figura 5: Rezoluia spaial n azimut a sistemelor radar
17
n care elementul este iluminat de radar. Punctul de pe orbit care corespunde
momentului n care elementul nu mai este iluminat determin lungimea simulat a
antenei (apertura sintetic B).
2. Deformaiile imaginilor SAR
Imaginile preluate de sistemele SAR sunt afectate de deformaii. Aceste efecte
geometrice sunt provocate de modul de preluare a imaginilor i de faptul c radarul
este un instrument de msurare a distanelor. Deformaiile de scar n distan
nclinat apar deoarece radarul msoar distana de la senzor la obiectul vizat pe
direcie lateral i nu distana real msurat n plan orizontal la nivelul suprafeei
terenului. Acest fapt provoac o variaie a scrii n cuprinsul imaginii. n Figura 7,
dei obiectele A1 i B1 au aceeai dimensiune la sol, proieciile lor n distan
nclinat (A2 i B2) sunt diferite. Prin urmare, obiectele aflate n distan nclinat
aproape de punctul de nadir apar comprimate n comparaie cu cele aflate la distan
de acest punct.
Figura 6: Principiul obinerii unei aperturi sintetice (SAR)
18
De asemenea, imaginile SAR sunt afectate de deformaii geometrice provocate de
relief: fenomenul de contracie i fenomenele de inversiune i suprapunere.
Fenomenul de contracie (Fig. 8) se produce n cazul obiectelor care au o nlime
mare, cu pante orientate ctre direcia de preluare a sistemului radar. n acest
exemplu, panta (AB) va avea o dimensiune mai mic i va fi reprezentat incorect
(A'B'). n funcie de unghiul de pant i de unghiul de inciden al fasciculului radar,
amplitudinea fenomenului de contracie variaz, avnd o valoare maxim atunci
cnd fasciculul radar este perpendicular pe pant, astfel nct linia de pant, baza i
vrful acesteia apar suprapuse n acelai punct (C', D') al imaginii.
Figura 7: Deformaiile de scar n distan nclinat ale imaginii SAR
19
Fenomenele de inversiune i suprapunere apar atunci cnd fasciculul radar ntlnete
partea superioar a unui obiect nalt (B) nainte de a atinge baza acestuia (A) Figura
9. Semnalul reflectat de partea superioar a obiectului va fi recepionat naintea celui
reflectat de baz. Rezultatul const n inversarea poziiei celor dou puncte: partea
superioar a obiectului este vizualizat inversat fa de poziia real (nspre radar) i
se suprapune peste baz (B' i A').
Att contracia ct i inversiunea i suprapunerea au ca efect apariia unor zone
umbrite n imagine deoarece fasciculul radar nu poate ilumina suprafaa acestora
(Figura 10). Efectul de umbrire se intensific pe msur ce unghiul de inciden
crete din zona imaginii aflat cel mai aproape de nadir pn la zona situat cel mai
departe de acest punct.
Figura 8: Deformaii ale imaginii SAR provocate de relief
(fenomenul de contracie)
20
Figura 9: Deformaii ale imaginii SAR provocate de relief (fenomenele de inversiune i suprapunere)
Figura 10: Deformaii ale imaginii SAR provocate de relief (fenomenul de umbrire)
Materialele grafice prezentate n Figurile 4 10 sunt adaptate dup cele din cursul
"Tutorial: Fundamentals of Remote Sensing", CCRS.
21
III. Misiuni satelitare cu senzori SAR
1. ERS
Platforma satelitar ERS-1 (European Remote Sensing Satellite) a fost lansat de
Agenia Spaial European (ESA) cu ajutorul unei rachete Ariane, n anul 1991.
ERS-1 reprezint primul satelit de observare a Pmntului lansat de ESA, n
cooperare cu Norvegia i Canada. Platforma ERS-1 a avut diferite misiuni care se
ncadrau n cicluri de 3, 35 sau 336 zile (Misiunea Geodezic). ERS-1 i-a ncheiat
misiunea n martie 2000.
Platforma satelitar ERS-2 a fost lansat n anul 1995 i pstreaz caracteristicile
tehnice ale senzorilor care echipau ERS-1. Elementul de noutate este reprezentat de
senzorul GOME (Global Ozone Monitoring Experiment). Platforma ERS-2 a fost
lansat n acelai plan orbital ca ERS-1, ceea ce a permis realizarea unor misiuni n
tandem (n perioadele 1995-1996 i 1999-2000), nregistrarea aceluiai punct de pe
suprafaa terestr fiind realizat de ctre ERS-2 la un interval de o zi fa de ERS-1.
n timpul acestor misiuni au fost preluate nregistrri care au fost utilizate n aplicaii
de interferometrie, n special pentru generarea modelului digital al terenului.
Succesorul platformei ERS-2 este ENVISAT.
Platformele ERS-1/ERS-2 sunt echipate cu senzori de preluare a imaginilor, dedicai
n special studiilor privind zona continental (identificarea i gestionarea
schimbrilor survenite n categoria de folosin a terenului, monitorizarea proceselor
dinamice din zonele de coast), atmosfera (monitorizarea zonelor poluate),
suprafeele acoperite de ap (identificarea schimbrilor climatice prin monitorizarea
creterii nivelului apei i al temperaturii acesteia la suprafa, studiul curenilor de
aer i al curenilor oceanici) i calota glaciar.
Printre instrumentele aflate la bordul platformelor ERS-1 i ERS-2 se numr:
22
senzor SAR (Synthetic Aperture Radar) - opereaz n banda C, polarizare VV
(transmisie vertical a semnalului, recepie vertical a semnalului), avnd
lungimea de und de 5,66 cm; acest senzor preia imagini cu rezoluia spaial
de 30 m, dimensiunea la sol suprafeei nregistrate fiind de 100 km x 250 km.
Imaginile sunt preluate att n orbit ascendent ct i descendent, ceea ce
implic schimbarea direciei de iluminare (astfel sunt obinute informaii
adiionale despre elementele din spaiul obiect);
radiometru cu microunde MWR (Microwave Radiometer) este un senzor
pasiv care nregistreaz date n dou intervale de band n domeniul
microundelor; acest instrument efectueaz msurtori ale coloanei de vapori
din atmosfer i a coninutului de ap din nori, parametri care sunt utilizai
drept coeficieni de corecie pentru semnalul altimetrului radar;
altimetru radar RA (Radar Altimeter) opereaz n banda Ku i este utilizat
pentru aplicaii n cazul zonelor acoperite cu ghea i al oceanelor;
radiometru cu baleiaj longitudinal ATSR (Along Track Scanning Radiometer)
este un senzor experimental care preia nregistrri n infrarou, n patru benzi
spectrale, pentru realizarea unor msurtori de precizie ale temperaturii la
suprafaa apei; n cazul platformei ERS-2, radiometrul este echipat cu benzi
spectrale adiionale care nregistreaz radiaia din domeniul vizibil, pentru
monitorizarea covorului vegetal. Folosind aceeai imagine, se poate
determina experimental indicele SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), care
permite evaluarea vegetaiei eliminnd influenele radiometrice negative ale
solului. Indicele permite observarea i monitorizarea covorului vegetal
sezonier, anual i multianual;
23
spectrometru pentru monitorizarea global a stratului de ozon GOME
reprezint un senzor care funcioneaz n intervalele ultraviolet i vizibil,
instalat numai la bordul ERS-2.
De asemenea, platformele ERS sunt echipate cu senzori de poziionare foarte
precis: senzorul PRARE (Precise Range and Range-rate Equipment) - utilizat
pentru determinarea parametrilor orbitei i retroreflectorul LASER (Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation - LRR) folosit pentru
calibrarea altimetrului radar, cu o precizie mai mare de 10 cm.
Parametrii orbitei platformelor ERS sunt prezentai n Tabelul 1. Orbita platformelor
ERS este helio-sincron, cvasi-polar i cvasi-circular. Platformele ERS sunt
caracterizate printr-un grad ridicat de stabilitate a orbitei i o calitate superioar a
datelor preluate. Datorit acestor caracteristici, coerena nregistrrilor SAR
complexe provenite din dou sau mai multe treceri ale satelitului pe aceeai orbit
prezint valori ridicate. Parametrii senzorului SAR (ERS) aflat la bordul acestor
platforme sunt prezentate n Tabelul 2.
Tabelul 1: Parametrii orbitei platformelor ERS-1 i ERS-2
Altitudinea orbitei la ecuator 785 km
Numrul de orbite / zi 14
Rezoluia temporal 35 zile
nclinarea orbitei 98,50
Tabelul 2: Parametrii senzorilor SAR ai platformelor ERS-1 i ERS-2
Frecvena radar 5,3 GHz
Lungimea de und 5,66 cm
Unghiul de inciden 230
24
Polarizare VV
Direcia de iluminare a antenei dreapta
O alt aplicaie de interferometrie (diferenial) realizat cu succes pe baza
nregistrrilor preluate de senzorul SAR al platformelor ERS este reprezentat de
studiul efectelor cutremurelor i al alunecrilor de teren de mare ntindere.
Conform cercetrilor efectuate pn n prezent, modelul digital al terenului obinut
n urma procesrii interferometrice a datelor preluate de ERS-1/ERS-2 prezint o
precizie altimetric situat ntre 5 m i 20 m. Precizia altimetric variaz n
funcie de relief i baza de preluare. Valori ale preciziei altimetrice de aproximativ
3 m au fost nregistrate pentru zonele cu relief de cmpie, n cazul datelor preluate
n timpul misiunilor Tandem (pentru suprafee care i pstrau coerena ntre cele
dou preluri efectuate n condiii atmosferice asemntoare). Caracteristicile
produselor generate pe baza senzorului SAR (ERS-1/ERS-2) sunt prezentate n
Tabelul 3.
Tabelul 3: Caracteristicile produselor senzorului SAR (ERS-1/ERS-2),
n funcie de nivelul de pre-procesare
Produs Rezoluia (m) Acoperire (km)
Nivel RAW - 100 x 110
Nivel SLC - 100 x 110
Nivel FDC 20 x 15,9 100 x 96
Nivel PRI 12,5 x 12,5 100 x 102,5
Nivel LRI 100 x 79,5 100 x 96
Nivel FRI 20 x 15,9 100 x 96
25
2. ENVISAT
Programul ENVISAT a luat fiin n urma elaborrii de ctre ESA a strategiei
globale pentru observarea Terrei, n anul 1988. La finanarea i realizarea satelitului
au participat: Austria, Belgia, Canada, Danemarca, Elveia, Finlanda, Frana,
Germania, Italia, Marea Britanie, Norvegia, Olanda i Suedia. ENVISAT asigur
continuitatea misiunilor ERS lansate de ESA, nregistrrile preluate de acesta fiind
utilizate la monitorizarea continu a evoluiei schimbrilor climatice i a mediului
nconjurtor. Satelitul a fost lansat n anul 2002, cu ajutorul unei rachete Ariane 5.
La bordul platformei satelitare ENVISAT sunt instalai 10 senzori radar i optici
(Figura 11). O parte dintre aceste sisteme au aceleai caracteristici i sunt utilizate
n aceleai scopuri ca senzorii aflai la bordul platformelor ERS. Senzorii platformei
ENVISAT sunt:
Figura 11: Senzorii radar i optici ai platformei ENVISAT
26
sistem radar cu anten sintetic ASAR (Advanced Synthetic Aperture
Radar) - este succesorul sistemelor SAR care au echipat platformele ERS-
1 i ERS-2, ceea ce permite coerena unui program de analiz multi-
temporal pe termen lung. Senzorul ASAR prezint ns anumite
caracteristici mbuntite: acoperirea, intervalul valorilor unghiurilor de
inciden, polarizarea i modurile de operare. Limea zonei nregistrate la
sol poate fi de 100 km sau 400 km. Antenele acestui sistem permit
nregistrarea datelor (care pot fi utilizate n aplicaii de interferometrie) n
regimuri de lucru diferite:
modul de operare IM (Image Mode) - genereaz o imagine care acoper o
suprafa ntre 50 i 100 km (Figura 12), cu o rezoluie spaial de 30 m;
senzorul folosete la emisie i recepie polarizarea vertical (VV) sau
orizontal (HH);
modul de operare WSM (Wide Swath) genereaz o imagine care are
dimensiunea maxim de 400 km n plan perpendicular pe direcia de
deplasare a platformei (Figura 13); rezoluia spaial este de 150 m, iar
polarizarea VV sau HH;
modul de operare AP (Alternating Polarisation) imaginile preluate n
acest mod de operare prezint o acoperire ntre 50 i 100 km (Figura 14),
rezoluie spaial 30 m i polarizare alternativ HH/VV, HH/HV, VV/VH.
27
Figura 12: Modul IM de baleiaj al spaiului obiect al senzorului ASAR ENVISAT
Figura 13: Modul WSM de baleiaj al spaiului obiect al senzorului ASAR ENVISAT
28
Figura 14: Modul AP de baleiaj al spaiului obiect al senzorului ASAR ENVISAT
1
radiometru cu baleiaj longitudinal AATSR (Advanced Along-Track
Scanning Radiometer) - este succesorul senzorilor ATSR (Along Track
Scanning Radiometer) instalai pe platformele ERS-1 i ERS-2. Acest
senzor este utilizat n special pentru monitorizarea suprafeei oceanelor i a
terenurilor umede joase, sub diferite lungimi de und, n domeniile vizibil
i infrarou. Este posibil nregistrarea imaginilor sub dou unghiuri de
inciden diferite, n infrarou mediu i termic, rezultnd msurtori ale
temperaturii suprafeei mrilor i oceanelor cu o precizie de 0,3C. Aceste
determinri precise permit evidenierea schimbrilor foarte mici de
temperatur ale suprafeei mrilor, fiind semnalate astfel modificrile
semnificative ale ratei de transfer de cldur ocean/ atmosfer;
spectrometru de mare rezoluie MERIS (Medium Resolution Imaging
Spectrometer) msoar radiaia emis de Pmnt n 15 benzi spectrale
cuprinse n intervalul de band 0,39 1,04 (vizibil i infrarou
29
apropiat); rezoluia spaial a acestui senzor este de 300 m, iar cea
temporal de 3 zile;
altimetru radar RA-2 (Radar Altimeter);
radiometru cu microunde MWR (Microwave Radiometer);
senzor DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by
Satellite) - este utilizat pentru determinarea poziiei satelitului pe orbit cu
o precizie de cel puin 10 cm;
retroreflector laser LRR (Laser Retro-Reflector) este folosit pentru
determinarea precis a parametrilor orbitei i pentru calibrarea altimetrului
radar;
spectrometru pentru supravegherea stratului de ozon GOMOS (Global
Ozone Monitoring by Occultation of Stars);
interferometru pentru sondajul pasiv al atmosferei MIPAS (Michelson
Interferometer for Passive Atmospheric Sounding);
spectrometru de absorbie cu baleiaj i nregistrare de imagini
SCHIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for
Atmospheric CHartographY) compar radiaia electromagnetic solar
cu cea reflectat de suprafaa terestr, rezultnd astfel informaii referitoare
la atmosfer, ca mediu de transmisie prin care se propag energia.
Similar cu ERS, orbita platformei satelitare ENVISAT este polar i helio-sincron,
avnd o perioad de aproximativ 101 minute. Ora local de pasaj este 10:00 a.m.
Caracteristicile orbitei ENVISAT sunt prezentate n Tabelul 4, iar ale senzorului
ASAR n Tabelul 5.
30
Tabelul 4: Parametrii orbitei platformei ENVISAT
Altitudinea orbitei la ecuator 800 km
Numrul de orbite / zi 14
Rezoluia temporal 35 zile
nclinarea orbitei 98,50
Tabelul 5: Parametrii senzorului ASAR al platformei ENVISAT
Frecvena radar 5,3 GHz
Lungimea de und 5,66 cm
Unghiul de inciden (IS1-IS7) 15,00 45,20
Polarizare HH, VV, HH/VV, HH/HV, VV/VH
Direcia de iluminare a antenei dreapta
unde:
HH = transmisie orizontal a semnalului, recepie orizontal a semnalului
VV = transmisie vertical a semnalului, recepie vertical a semnalului
HV = transmisie orizontal a semnalului, recepie vertical a semnalului
VH = transmisie vertical a semnalului, recepie orizontal a semnalului
Precizia vertical a modelelor digitale ale terenului obinute pe baza imaginilor
ENVISAT ASAR este de aproximativ 10 m (n unele cazuri atingnd chiar i 16
m) i este influenat de geometria de preluare, condiiile atmosferice, coerena i
intervalul de timp scurs ntre momentele de preluare a perechilor interferometrice.
Caracteristicile produselor generate pe baza senzorului ASAR (ENVISAT) sunt
prezentate n Tabelul 6.
31
Tabelul 6: Caracteristicile produselor senzorului ASAR (ENVISAT),
n funcie de nivelul de pre-procesare
Mod de operare Produs Rezoluia (m) Acoperire (km)
IM
Nivel RAW - 100 x 100
Nivel SLC 9 x 6 100 x 100
Nivel PRI, GEC 30 x 30 100 x 100
WSM Nivel SLC 150 x 150 405 x 405
AP
Nivel RAW - 100 x 100
Nivel SLC 30 x 30 100 x 100
Nivel PRI, GEC 30 x 30 100 x 100
3. TERRASAR-X
TerraSAR-X este un proiect realizat de Agenia Spaial German (DLR) n
cooperare cu compania ASTRIUM. DLR este proprietarul i operatorul platformei
satelitare i al segmentului terestru PGS (Payload Ground System) i deine
drepturile de exploatare n scop tiinific al datelor, n timp ce ASTRIUM deine
drepturile exclusive de exploatare comercial a produselor. TerraSAR-X a fost
lansat n iunie 2007. Parametrii orbitei i ai senzorului SAR sunt prezentai n
Tabelul 7, respectiv Tabelul 8.
Tabelul 7: Parametrii orbitei platformei TerraSAR-X
Altitudinea orbitei la ecuator 514 km
Numrul de orbite / zi 15
32
Rezoluia temporal 11 zile
nclinarea orbitei 97,440
Ora de pasaj (orbit ascendent) 18:00 0,25 h (ora local)
Tabelul 8: Parametrii senzorului SAR al platformei TerraSAR-X
Frecvena radar 9,66 GHz
Unghiul de inciden (StripMap / ScanSar) 200 - 450 (maxim 150 - 600)
Unghiul de inciden (Spotlight) 200 - 550 (maxim 150 - 600)
Polarizare HH, VH, HV,VV
Lungimea antenei 4,8 m
Direcia de preluare a antenei dreapta
Platforma TerraSAR-X este echipat cu un radar lateral cu apertur sintetic, care
opereaz n banda X (lungimea de und 3 cm). Antena electronic a radarului poate
fi programat s opereze n diverse moduri, ceea ce conduce la posibilitatea prelurii
datelor pentru aplicaii variate i numeroase.
Modurile de operare ale senzorului SAR de la bordul TerraSAR-X sunt:
modul de operare StripMap (SM) - reprezint modul de preluare clasic
al senzorilor SAR, ntlnit i la alte platforme satelitare, cum ar fi ERS-
1/ERS-2 sau ENVISAT. Zona de nregistrare de la sol este iluminat de
o secven continu de impulsuri, fasciculul emis de anten fiind
orientat la un unghi fix pe direcia elevaiei i a azimutului (Figura 15);
modul de operare Spotlight (HS, SL) permite preluarea a dou tipuri
de nregistrri: SL (Spotlight) i HS (Spotlight de foarte mare rezoluie),
care difer prin rezoluia n azimut i dimensiunea zonei nregistrate
(Figura 16);
33
modul de operare ScanSAR (SC) emite impulsuri radar sub unghiuri
de inciden diferite; benzile de preluare ScanSAR sunt alctuite n mod
exclusiv din fascicule StripMap, pentru obinerea unei acoperiri de 100
km fiind necesare patru fascicule SM; rezoluia n azimut azimutului
este redus (Figura 17).
Figura 15: Modul de operare TerraSAR-X StripMap
34
Figura 16: Modul de operare TerraSAR-X Spotlight
Figura 17: Modul de operare TerraSAR-X ScanSAR
35
Modelul digital al terenului construit pe baza imaginilor TerraSAR-X prezint o
precizie altimetric absolut de aproximativ 5-10 m, n funcie de condiiile de
preluare. Caracteristicile modurilor de operare ale senzorului SAR aflat la bordul
platformei TerraSAR-X sunt prezentate n Tabelul 9.
Tabelul 9: Caracteristicile modurilor de operare
ale senzorului SAR al platformei TerraSAR-X
Parametru Modul SM Modul HS Modul SL Modul SC
Limea zonei nregistrate
30 km pol. simpl
15 km pol. dubl
5 km x
10 km
10 km x
10 km 100 km
Lungimea zonei
nregistrate < 1650 km - - < 1650 km
Unghiul de
inciden
200 - 450
(maxim 150 - 600)
200 - 550
(maxim 150 -
600)
200 - 550
(maxim 150 -
600)
200 - 450
(maxim 150 -
600)
Numrul de fascicule
27 95 (maxim
123) 249 27
Rezoluia n azimut
3 m
1 m pol.
simpl
2 m pol.
dubl
2 m pol.
simpl
4 m pol.
dubl
16 m
Rezoluia orizontal
1,55 m 3,21 m 1,34 m 3,21 m
1,34 m 3,21 m
1,55 m 3,21 m
Polarizare
HH sau VV
HH/VV, HH/HV,
VV/VH
HH sau VV
HH/VV
HH sau VV
HH/VV -
36
4. SENTINEL-1
Sentinel-1 (Figura 18) este echipat cu un senzor radar cu apertur sintetic (SAR),
care funcioneaz n band C (5,405 GHz), asigurnd astfel continuitatea misiunilor
satelitare ERS 1/2 i ENVISAT, lansate n trecut de ESA. Datele preluate de
Sentinel-1 pot fi utilizate pentru monitorizarea stratului de ghea i a zonelor
costiere, monitorizarea traficului maritim i a deversrilor de petrol, managementul
situaiilor de urgen, cartografierea pdurilor, etc. Sentinel-1A a fost lansat n aprilie
2014, iar Sentinel-1B va fi lansat n aprilie 2016.
Figura 18: Sentinel-1 pe orbit ( 2015 ESA). Sentinel-1 asigur continuitatea
misiunilor radar n band C (ERS 1/2, ENVISAT, RADARSAT 1/2)
37
Cei doi satelii vor opera pe aceeai orbit polar i heliosincron, la o altitudine de
693 km i un interval de 1800, fiind astfel posibil nregistrarea ntregului glob
pmntesc ntr-un interval de 6 zile. Sentinel-1 are capacitatea de a nregistra date n
4 moduri diferite (Tabelul 10, Figura 19), care pot fi distribuite la Nivelul 0 (date
brute), Nivelul 1 Single Look Complex (pentru aplicaii de interferometrie radar) sau
Ground Range Detected (date transformate ntr-un anumit sistem de proiecie) i
Nivelul 2 (date distribuite n mod sistematic pentru aplicaiile de oceanografie).
Datele preluate de Sentinel-1 sunt gratuite, pot fi accesate direct
(https://scihub.esa.int/) i procesate cu ajutorul aplicaiei software open-source
Sentinel-1 Toolbox (https://sentinel.esa.int/web/sentinel/toolboxes/sentinel-1).
Tabelul 10. Modurile de operare ale Sentinel-1
Mod operare Dimensiune
imagine
(km)
Rezoluie spaial
(m)
Tip
polarizare
Polarizare
Interferometric wide-
swath (IW)
250 5 x 20 simpl
dubl
VV sau HH
VV + VH sau
HH + HV
Wave mode (WV) 20 x 20 5 x 5 simpl VV sau HH
Strip map (SM) 80 5 x 5 simpl
dubl
VV sau HH
VV + VH sau
HH + HV
Extra wide-swath
(EW)
400 20 x 40 simpl
dubl
VV sau HH
VV + VH sau
HH + HV
38
Figura 19: Modurile de operare ale Sentinel-1 ( 2015 ESA).
39
IV. Interferometria
1. Principiul interferometriei
Interferometria const n msurarea diferenei de faz a unui semnal radar, prin
prelucrarea a dou sau mai multe imagini SAR complexe preluate simultan sau la un
anumit interval de timp, din poziii aproape identice.
n anii '70 aceast tehnologie folosea numai perechi de imagini preluate simultan de
ctre platforme echipate cu dou sisteme SAR (o anten de transmisie/recepie i o
anten de transmisie/recepie sau numai recepie). Principalul avantaj oferit de aceste
sisteme const n lipsa decorelrii temporale, ceea ce conduce la valori foarte mari
ale coerenei. n plus, baza de preluare este fix i optim pentru generarea modelelor
digitale ale terenului.
La nceputul anilor '80 tehnologia a fost extins, fiind posibil i utilizarea imaginilor
preluate la momente diferite de timp, de ctre un singur senzor SAR instalat la bordul
unei platformele satelitare. n acest caz, exist mai multe dezavantaje: determinarea
cu dificultate a parametrilor orbitei (ceea ce implic erori de determinare a bazei de
preluare) i apariia decorelrii temporale, n funcie de intervalul de timp scurs ntre
cele dou preluri.
Interferometria permite msurarea cu precizie a drumului parcurs de semnalul radar
datorit naturii coerente a acestuia. Aceast tehnologie poate produce dou tipuri de
informaie: informaia referitoare la topografia terenului i informaia referitoare la
deplasarea sau deformarea terenului.
n primul caz, tehnica poart denumirea de interferometrie convenional, sau simplu
interferometrie (InSAR Interferometric Synthetic Aperture Radar), iar produsul
acesteia este modelul digital al terenului.
40
n cel de al doilea caz, produsul final este o hart de deplasare/deformare a terenului,
iar tehnologia se numete interferometrie diferenial (DInSAR - Differential
Interferometric Synthetic Aperture Radar). Unul dintre dezavantajele
interferometriei difereniale este decorelarea temporal i geometric.
O nou aplicaie de interferometrie este cea denumit "interferometrie pe baza
intelor permanente" (PSI - Persistent Scatterers Interferometry), prin care sunt
analizai i utilizai pixelii care prezint o valoare ridicat a coerenei ntr-un interval
mare de timp i pentru diferite unghiuri de preluare. Pentru identificarea acestor
puncte (PS Permanent Scatterers) este necesar analiza unei serii foarte mari de
imagini SAR complexe, preluate asupra zonei de studiu. Un astfel de punct este
caracterizat de o coeren foarte bun, dimensiunea sa fiind mai mic dect rezoluia
imaginii SAR. Pentru aceste puncte, precizia modelului digital al terenului rezultat
este foarte bun, la fel i precizia determinrii deplasrilor sau deformrilor
suprafeei terenului, chiar dac coerena este sczut n jurul acestor puncte.
Sistemele SAR utilizeaz efectul Doppler pentru simularea aperturii sintetice. Un
impuls de energie electromagnetic este emis n mod continuu pe o direcie
perpendicular pe cea de deplasare pe orbit (n distan nclinat). Semnalul trece
prin atmosfer, interacioneaz cu spaiul obiect i este retro-dispersat ctre antena
de recepie a senzorului de preluare.
n principiu, geometria de preluare a nregistrrilor n cazul unei aplicaii de
interferometrie sau interferometrie diferenial este similar cu cea utilizat n cazul
unei aplicaii de radargrammetrie (stereo SAR): asupra obiectului vizat se preiau
imagini din dou puncte diferite de pe orbit, iar poziia acestuia se poate determina
prin rezolvarea unui sistem de ecuaii.
Cele trei ecuaii caracteristice sistemelor SAR sunt: ecuaia de distan, ecuaia
Doppler i ecuaia InSAR. Acestea sunt prezentate n continuare. Pornind de la
41
geometria de preluare a sistemelor InSAR (Figura 20), urmtorii parametrii sunt
definii astfel:
Figura 20: Geometria de preluare a imaginilor n cazul sistemelor InSAR
unde:
A1 = poziia satelitului la momentul prelurii imaginii principale
A2 = poziia satelitului la momentul prelurii imaginii secundare
= distane nclinate
= factor de corecie
= unghiul de declinaie al bazei de preluare
),,( zyx BBBB
),,( zyxR
,
e
),,( zyxS VVVV
42
),,( zyxS RRRR
(1)
unde:
B = vectorul bazei de preluare
SV = vectorul de vitez al satelitului la momentul prelurii imaginii
principale/secundare
R = vectorul distan ntre poziia platformei satelitare pe orbit i poziia punctului
vizat
SR = vectorul de poziie al satelitului la momentul prelurii imaginii
principale/secundare
TR = vectorul de poziie al punctului vizat, n sistem geocentric cartezian
x, y, z = coordonatele punctului vizat, n sistem geocentric cartezian
Pentru ecuaiile de mai sus, se presupune c aceti parametri sunt ntr-un sistem de
coordonate geocentric (neinerial), neexistnd prin urmare o component
suplimentar a vitezei relative ntre platforma satelitar i obiectul vizat. De
asemenea, se presupune c poziia satelitului este dat de poziia centrului de faz al
antenei SAR.
Determinarea vectorului distan ntre poziia platformei satelitare pe orbit i
poziia obiectului vizat este efectuat pe baza interferogramei, folosind un sistem de
trei ecuaii: ecuaia de distan, ecuaia Doppler i ecuaia InSAR (se consider c
ST RRR
43
baza de preluare este cunoscut, fiind calculat din vectorii de poziie ai platformei
satelitare):
ecuaia de distan:
(2)
ecuaia Doppler (presupunem c imaginea este preluat la momentul zero
Doppler):
(3)
ecuaia InSAR:
(4)
unde:
(5)
unde:
= unghiul de declinaie al bazei de preluare
= lungimea de und a sistemului SAR
= faza interferometric nedesfurat
n = ambiguitatea fazei (numrul ntreg de lungimi de und)
Valoarea factorului de corecie e variaz considerabil de-a lungul unei imagini i
se poate estima pe baza urmtoarei formule:
222
2
2)( zyxR
zVyVxVRV zyxS
zByBxBRB zyx
BB
en
B
24cos
44
(6)
Numrul ntreg de lungimi de und n (ambiguitatea fazei) poate fi determinat
folosind un punct de sprijin cu o precizie relativ sczut. n concluzie, determinarea
poziiei absolute (n plan orizontal i vertical) a punctului vizat este posibil prin
aplicarea i rezolvarea celor trei ecuaii (2), (3) i (4). De regul, exist dou soluii
pentru acest sistem de ecuaii, ns valoarea corect este evident.
2. Criterii de alegere a imaginilor InSAR
Criteriile de alegere a imaginilor SAR interferometrice depind de aplicaia specific
n care vor fi utilizate (generarea modelului digital al terenului sau crearea harilor
de deplasare/deformare a terenului):
unghiul i direcia de preluare (orbit ascendent sau descendent);
baza de preluare geometric componenta perpendicular a bazei de preluare
influeneaz calitatea modelului digital al terenului generat pe baza imaginilor
InSAR. Dei interferogramele generate pe baza unor imagini care au o baz
de preluare perpendicular mic (valori mai mici de 30 m) sunt uor de
prelucrat n etapa de desfurare a fazei, acestea nu se pot utiliza datorit
faptului c sunt puternic afectate de zgomot i de efectele atmosferei. De
asemenea, dac baza de preluare are o valoare prea mic, atunci sensibilitatea
semnalului la diferenele de altitudine va fi minim. n cazul interferogramelor
create din imagini care au o baz de preluare perpendicular de valori mari,
este aproape imposibil desfurarea fazei fr utilizarea unui model digital
al terenului, mai ales dac topografia terenului prezint diferene mari de
nivel]. Pentru aceste interferograme, zgomotul fazei va afecta considerabil
)(2
22
Be
45
semnalul radar. n funcie de baza perpendicular de preluare, se poate calcula
altitudinea de ambiguitate, care este o msur a sensibilitii semnalului radar
la diferenele de nivel din teren.
baza de preluare temporal un interval mare de timp conduce la decorelarea
temporal a semnalului, fiind provocat de variaii ale umiditii sau ale
vegetaiei. Intervalul de timp trebuie s fie minim. Decorelarea poate aprea
ntr-un interval de cteva luni n cazul terenurilor aride i cteva ore n
regiunile cu ploi abundente sau acoperite de pduri. n zonele cu vegetaie
rar, acest interval poate avea valori de cteva zile sau cteva luni. Zonele
ngheate sau acoperite de zpad pot prezenta coeren n timpul unor
intervale foarte scurte de timp. Cu ct lungimea de und a senzorului SAR
este mai mic, cu att decorelarea temporal este mai rapid. Pentru aplicaiile
InSAR, sunt recomandate imaginile preluate n timpul misiunilor tandem
(ERS-1/ERS-2 Tandem, ERS-2/ENVISAT i viitoarea misiune TanDEM-X)
deoarece decorelarea temporal este redus sau inexistent
momentul prelurii imaginile preluate pe timp de noapte sunt mai puin
afectate de efectele atmosferice. De asemenea, este recomandat evitarea
imaginilor SAR nregistrate n zilele cu temperaturi foarte ridicate deoarece
aerul cald poate reine mult mai muli vapori de ap dect cel rece, conducnd
astfel la apariia artefactelor atmosferice. n plus, o importan deosebit este
prezentat de anotimpul n care sunt preluate imaginile InSAR: perechile de
imagini preluate n sezonul uscat asupra zonelor acoperite de vegetaie
prezint o coeren mai mare dect cele preluate n timpul sezonului ploios;
coerena - pentru generarea modelului digital al terenului, imaginile SAR
complexe trebuie preluate la un interval de timp ct mai scurt pentru a
minimiza orice fel de modificri care pot aprea n spaiul obiect. Modificrile
46
pot fi sezoniere, ns coerena este n principal afectat de schimbri rapide,
care afecteaz procesul de calcul al fazei interferometrice i de desfurare a
acesteia;
condiiile meteorologice influeneaz n mod direct coerena. Astfel, este
recomandat evitarea nregistrrilor efectuate n condiii de ploaie, ninsoare
sau vnt puternic. Aceste informaii pot fi extrase din arhivele disponibile pe
Internet;
tipul de relief i acoperirea terenului de exemplu, zonele acoperite de
vegetaie sau ap nu sunt coerente sau prezint o coeren foarte sczut, chiar
i n intervale de timp foarte scurte.
3. Factorii care influeneaz calitatea fazei interferometrice
Alegerea imaginilor InSAR reprezint o etap extrem de important pentru
prelucrarea interferometric ulterioar, avnd un impact puternic asupra calitii
rezultatelor finale. Atunci cnd cele dou imagini SAR complexe nu sunt preluate
simultan, faza interferometric total este generat de:
zgomotatmosferadeformaretopografieelipsoidtotal (7)
unde:
elipsoid = componenta fazei interferometrice provocat de curbura Pmntului
topografie = componenta fazei interferometrice provocat de topografia terenului
deformare = componenta fazei interferometrice provocat de deplasarea/deformarea
terenului
atmosfera = componenta fazei interferometrice provocat de atmosfer
47
zgomot = componenta fazei interferometrice provocat de zgomot
Componenta fazei interferometrice provocat de curbura Pmntului poate fi
eliminat prin utilizarea unui elipsoid de referin. Atunci cnd este disponibil un
model digital al terenului, cu o precizie ridicat, att componenta fazei
interferometrice provocat de curbura Pmntului, ct i cea determinat de
topografia terenului, pot fi eliminate simultan. Pe baza acestui model este generat
interferograma sintetic, care ulterior este sczut din interferograma filtrat.
Componenta fazei interferometrice determinat de deplasarea/ deformarea terenului
este zero atunci cnd imaginile InSAR sunt preluate la un interval scurt de timp.
Condiiile atmosferice diferite (umiditate, temperatur i presiune atmosferic) ntre
cele dou preluri au un impact vizibil asupra fazei interferometrice. n general, acest
efect este limitat ntr-un interval de 2. Efectul atmosferic influeneaz att
determinarea altitudinii (n special n cazul bazelor de preluare scurte) ct i a
deformaiilor terenului. Efectele provocate de atmosfer trebuie eliminate din
interferogram pentru a nu conduce la interpretri eronate ale rezultatelor obinute
pe baza acesteia. Metodele de eliminare a acestor efecte constau n utilizarea mai
multor perechi de nregistrri interferometrice sau a tehnologiei PSI. Zgomotul fazei
interferometrice este eliminat prin aplicarea unor filtre adaptive i prin compresia
interferogramei.
4. Etape de generare a modelului digital al terenului
Imaginile SAR complexe utilizate pentru generarea interferometric a modelului
digital al terenului se aleg n funcie de criteriile enumerate n paragraful IV.2. Un
parametru deosebit de important este reprezentat de baza de preluare a celor dou
48
imagini InSAR. nainte de realizarea primei etape de prelucrare, pot fi integrate
efemeridele corectate ale satelitului (efemeride precise) care mresc precizia de
registraie a imaginilor i de determinare a bazei perpendiculare de preluare.
Registraia geometric a imaginilor InSAR se realizeaz n dou etape. Mai nti este
efectuat registraia aproximativ a imaginilor, pe baza parametrilor orbitei. n cea
de a doua etap, este executat registraia precis la nivel de sub-pixel, prin
identificarea automat a punctelor de legtur n cele dou imagini. n cazul n care
nu sunt disponibile efemeridele precise ale platformei satelitare, atunci trebuie
msurate cteva puncte de sprijin, cu o precizie ridicat.
Prelucrarea imaginilor InSAR continu cu reeantionarea imaginii secundare,
folosind ca referin imaginea principal. Registraia spectral a imaginilor InSAR
este efectuat n azimut (atunci cnd valorile Doppler sunt mari) i n distan
nclinat (n cazul n care baza perpendicular de preluare are o valoare mare).
Urmeaz generarea interferogramei sintetice, folosind un model digital al terenului
i parametrii orbitei. Cu alte cuvinte, n aceast etap, este estimat componenta
fazei interferometrice provocat de topografia terenului. Calculul interferogramei
este urmat de compresia acesteia (n limba englez acest procedeu este numit "multi-
looking"), cu scopul de reducere a zgomotului fazei interferometrice. Prelucrarea
interferometric este continuat cu crearea interferogramei difereniale
(compensarea topografiei terenului). O etap opional este reprezentat de filtrarea
interferogramei, prin aplicarea unui filtru adaptiv. n continuare, este generat harta
de coeren, pe baza creia este analizat calitatea fazei interferometrice. Pasul
urmtor const n desfurarea fazei, proces care reprezint cea mai dificil etap de
prelucrare interferometric i care este subiect de cercetare n comunitatea tiinific
deoarece pn n prezent nu a fost dezvoltat nici un algoritm care s ofere o soluie
unanim acceptat. n concluzie, n unele cazuri, este necesar editarea fazelor care
49
nu au fost corect desfurate. Faza interferometric absolut este obinut prin
adugarea fazei interferogramei sintetice la faza desfurat, pentru fiecare pixel al
interferogramei complexe. Dup aceast etap, este realizat corectarea bazei
perpendiculare de preluare, pe baza punctelor de sprijin msurate n etapa de
registraie. Toate interferogramele generate pn n acest punct sunt recalculate
folosind valoarea corectat a bazei perpendiculare de preluare. n urmtoarea etap,
faza interferometric absolut a fiecrui pixel este transformat n altitudine (ntr-o
distribuie neuniform de puncte de coordonate X, Y i Z). n final, modelul digital
al terenului este interpolat pentru obinerea unei suprafee topografice reprezentat
prin elemente de suprafa finite, de form ptrat.
Registraia imaginilor
Msurarea punctelor de sprijin
50
Generarea interferogramei sintetice
Calculul interferogramei complexe
Calculul interferogramei difereniale
Filtrarea interferogramei difereniale
Analiza coerenei
Desfurarea fazei
Corectarea bazei de preluare
Generarea i interpolarea MDT
Analiza preciziei MDT
Corectarea MDT
Filtrarea MDT
Analiza final a preciziei MDT
51
V. Polarimetria
1. Principiul polarimetriei
Energia electromagnetic conine un cmp electric (E) a crui intensitate variaz pe
direcia perpendicular pe direcia de deplasare a undei electromagnetice i un cmp
magnetic (M) poziionat perpendicular pe cmpul electric (Figura 21). Undele
electromagnetice se propag cu viteza luminii (c).
Polarizarea reprezint o caracteristic foarte important a undelor electro-magnetice
din domeniul microundelor, fiind un indicator al orientrii i formei obiectului vizat.
O und electromagnetic cu polarizare orizontal sau vertical poate genera un
semnal radar retro-dispersat ntr-o varietate de polarizri. Analiza polarizrii acestor
semnale radar transmise i recepionate constituie tiina denumit polarimetrie
radar. Cu alte cuvinte, polarimetria radar este tiina prin care este achiziionat,
procesat i analizat starea de polarizare a unui cmp electromagnetic. Informaia
despre polarizare este coninut de semnalul radar retro-reflectat ctre senzorul de
teledetecie (Figura 22).
Figura 21: Und electromagnetic Figura 22: Polarizarea undei electromagnetice
Semnalul radar retro-reflectat este influenat de: structura, reflectivitatea, forma,
orientarea i proprietile (umiditate, rugozitate) obiectului vizat (Figura 23).
52
Figura 23: Influena caracterisiticilor obiectului vizat asupra semnalului radar retro-reflectat
2. Tipuri de polarizri
n funcie de modul de transmisie i recepie a semnalului radar, exist mai multe
tipuri de polarizri:
HH transmis orizontal, recepionat orizontal
VV transmis vertical, recepionat vertical
HV transmis orizontal, recepionat vertical
VH transmis vertical, recepionat orizontal
Sistemelor radar pot avea urmtoarele tipuri de polarizare:
simpl: HH, VV, HV sau VH
dual: HH i HV, VV i VH sau HH i VV
alternativ: HH i HV, alternativ cu VV i VH
complet: HH, VV, HV i VH
Polarizare direct
Polarizare ncruciat
53
n polarimetria radar, utilizarea mai multor polarizri conduce la obinerea unor
informaii complementare despre spaiul obiect (Figura 24).
Figura 24: Imagini satelitare radar cu polarizri diferite
polarizare HH polarizare VV
polarizare HV compoziie RGB (R-HH, G-VV, B-HV)