Coordonatori științifici Absolvent Cond. Prof. univ. Dr. Cornel Păunescu Croitoru Cornelia-Veronica Dr. Manuel Vais UNIVERSITATEA DIN BUCUREȘTI… [309994]

UNIVERSITATEA DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA DE GEOLOGIE ȘI GEOFIZICĂ

SPECIALIZAREA GEOFIZICĂ

LUCRARE DE LICENȚĂ

Coordonatori științifici Absolvent: [anonimizat]. Prof. univ. Dr. [anonimizat]. Manuel Vais

UNIVERSITATEA DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA DE GEOLOGIE ȘI GEOFIZICĂ

SPECIALIZAREA GEOFIZICĂ

LUCRARE DE LICENȚĂ

Utilizarea imaginilor din infraroșu termal ca suport în activitatea geofizică pentru hidrocarburi

Coordonatori științifici Absolvent: [anonimizat]. Prof. univ. Dr. [anonimizat]. Manuel Vais

Introducere.

Această lucrare reprezintă o sinteză a [anonimizat].

Capitolul I [anonimizat], prelucrarea și interpretarea datelor obținute în special în regiunea termică în infraroșu ​​a [anonimizat], [anonimizat], precum și emisivitatea spectrală și temperatura cinetică.

[anonimizat]-LANDSAT 8, care măsoară temperatura suprafeței în două benzi termice cu o tehnologie care aplică fizica cuantică pentru detectarea căldurii.

[anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], oceanele, zăpada și gheața.

[anonimizat].

Al V-[anonimizat], [anonimizat].

I. Misiuni satelitare de teledetecție

"Teledetecția reprezintă un ansamblu de metode și tehnici de obținere a [anonimizat], fără a veni în contact fizic cu aceste obiecte și fenomene. [anonimizat], analizarea și aplicarea acestor informații."(Paunescu C., Paicu G., Teledetecție).

"Prin teledetecție (remote-sensing; télédétection; distanționnoe zondirovanie Zemli;) [anonimizat]-[anonimizat]."(Vais M., Contribuții la problema mișcării sateliților de teledetecție și utilizarea imaginilor de teledetecție pentru monitorizarea contaminării cu produse petroliere în domeniul marin)

Definiția sa oficială este: “ [anonimizat] “ (COMITAS – Commision ministérielle de la terminologie de la télédétection aêrospatiale – 1988).

Termenul de teledetecție a fost folosit în anii 1960 [anonimizat]ane a Oceanelor (în prezent NOAA sau Administrația Oceanelor și a Atmosferei) și includea conceptele de fotogrametrie, fotointerpretare, foto-geologie etc. Teledetecția a început să fie folosită pe scară din ce în ce mai largă înca de la debutul primului satelit de observare terestră care a fost lansat în anul 1972, denumit Landsat1.

Teledetecția are o legatură strânsă cu apariția și dezvoltarea fotografiei, primele fotografii fiind atribuite lui Daguerre și Niepce în anul 1839, iar în anul următor, directorul Observatorului Astronomic din Paris, Arago, susține folosirea fotografiilor în scopuri topografice.

Fig. 1.1. Influenta evolutiei tehnicii aerospațiale Fig.1. 2. Fotografia Nadar a unei zone pariziene 1868

asupra tehnicilor de teledetecție

Fotografia color a fost posibilă în anul 1930, un moment potrivit, în care s-a continuat progresul filmelor care să înregistreze radiații în infraroșu apropiat, făcând astfel fotografia independentă de nori și ceață.

Cercetările mai amănunțite asupra propietăților de reflectanță spectrală a terenului natural, dar și a diponibilității emulsiei fotografice în vederea realizării fotografiei aeriene color în infraroșu au fost concentrate în timpul celui de al II-lea război mondial.

"Utilizarea radiațiilor din domeniul infraroșu a fost prevăzutã, încă din 1800, de către Herschel, dar primul film sensibil la aceste radiații a fost realizat abia în 1931 pentru armata americană, și utilizat pentru studiul vegetației abia din 1960.

În 1956, Colwell a realizat unele din primele experimente în utilizarea fotografiei aeriene pentru clasificarea și recunoașterea tipurilor de vegetație precum și detecția avariilor și bolilor vegetației." (Manuel Vais)

În 1871 este descoperită emulsia fotografică de către Maddox, iar în 1903 a fost realizată de către Julius Neubronnera o cameră fotogrametrică, cu greutatea de doar 70 grame, care se monta pe pieptul porumbeilor călători și prelua imagini pe negative de doar 38 de mm2 expunerea era făcută automat la intervale de 30 de secunde.

Prima fotogramă preluată din avion a fost realizată în 1909, la 24 aprilie. Între cele două războaie mondiale valoarea fotogramelor aeriene a fost demonstrată importante forțe militare politice și economice cum ar fi Germania, America, Rusia, Japonia au utilizat tehnica recunoașterii fotogrametrice experimentând diferite metode de fotointerpretare și preluare a imaginilor de la sol. (Paunescu C., Paiu G., Teledetecție)

Prima hartă aeriană (fig. 1.3), harta Insulei Manhattan, folosită în activitați comerciale a fost realizată în anul 1920, această hartă fiind realizată cu ajutorul a 100 de fotografii cu suprapunere partială, obținute cu o cameră aeriană (fig. 1.4) realizată de catre Sherman M. Fairchild superioară celor anterioare.

Fig. 1.3 si Fig. 1.4 Harta aeriană a insulei Manhattan si camera aeriană Fairchild (Vais M., Contribuții la problema mișcãrii sateliților de teledetecție și utilizarea imaginilor de teledetecție pentru monitorizarea contaminării cu produse petroliere în domeniul marin)

"Un număr mare de studii privind aplicațiile înregistrarilor în infraroșu și multispectrale au fost luate sub sponsorizarea NASA după anul 1960, conducând la obținerea imaginilor multispectrale, înregistrate pe sateliții misiunii LANDSAT (LANDSAT 1 – 23 06 1972)." (Vais M., Contribuții la problema mișcãrii sateliților de teledetecție și utilizarea imaginilor de teledetecție pentru monitorizarea contaminării cu produse petroliere în domeniul marin)

Studiile asupra sistemelor radar au fost orientate în doua direcții:

RAR – sisteme radar cu antena cu diagramă reală;

SAR – sisteme radar cu antena cu diagramă sintetică;

Atât RAR cât și SAR având potențial la creșterea capacității de rezoluție în timpul zborurilor la mari înălțimi.

În anul 1957, Uniunea Sovietică a lansat primul satelit artificial denumit "SPUTNIK 1", ce avea o greutate de 83 kg, dar care a avut o durată scurtă de viață, căzând în data de 4 ianuarie 1958. Următorul satelit sovietic a fost plasat pe orbita pe 3 octombrie 1957, care cântărea 508 kg și a avut la bord un câine de experiență, acest satelit a căzut în data de 14 aprilie 1958.

"În aceeași perioadă, Statele Unite reușesc primul satelit “VANGUARD”, la 17 martie 1958, urmat de al doilea, denumit “EXPLORER”, la 25 martie al aceluiași an. Orbita lui Vanguard 1 avea perigeul la 650 km altitudine, iar apogeul la 4000 km.

SPUTNIK III, lansat la 15 mai 1958, cu o greutate totală de 1325 kg și având la bord 950 kg de instrumente, a avut o viață mai lungă, de aproape doi ani (pânã la 6 aprilie 1960).

Sfârșitul decenului al șaselea este marcat de cele trei rachete lansate de Uniunea Sovieticã în direcția Lunii, culminând cu “LUNIK III”, care însciindu-se pe o orbită circumlunară, a realizat primele fotografii ale feței invizibile ale satelitului natural al Pământului, urmate de misiunile americane “MARINER”, din care Mariner II a furnizat primele imagini luate din apropiere (ale planetei Venus).

Ȋn anul 1961 au fost obținute fotografii color cu ajutorul unei camere automate instalate pe nava spațialã Mercury MA-4, urmate de alte fotografii obținute în cadrul misiunilor Mercury, gemini, apollo și skylab.

Precursorul înregistrãrilor de teledetecție îl constituie programul GEMINI, care a realizat numeroase inregistrãri fotografice, ilustrând potențialul fotografiei spațiale atât pentru cercetãrile terestre cât și pentru cercetãrile oceanografice.

În timpul misiunii apollo-9, a fost obținutã prima imagine multispectralã destinatã cercetãrii resurselor pãmântului, și astfel se pun bazele unui vast program început în anul 1972, prin lansarea primului satelit pentru cercetarea și inventarierea resurselor pãmântului. Programul denumit la început ERTS (earth resources technology satellite) a continuat sub denumirea landsat, fiind cel mai vast program în domeniu." (Vais M., Contribuții la problema mișcãrii sateliților de teledetecție și utilizarea imaginilor de teledetecție pentru monitorizarea contaminării cu produse petroliere în domeniul marin)

Teledetecția termică este o ramură a teledetecției care se ocupă cu achiziția, prelucrarea și interpretarea datelor obținute în special în regiunea termică în infraroșu (TIR) ​​a spectrului electromagnetic (EM). În cazul acestei teledetecții termice, putem măsura radiații emise de pe suprafața la suprafața obiectivului, spre deosebire de teledetecția optică unde se măsoară radiația electromagnetică reflectată de obiectivul luat în considerare.Recomandările utile privind teledetecția termică sunt oferite de Kahle (1980), Sabins (1996) și Gupta (1991).

Este bine cunoscut faptul că toate obiectele naturale reflectă și emit radiații. În regiunea infraroșu termal al spectrului electromagnetic, radiațiile emise de Pământ datorată condiției termale, sunt mult mai intense decât radiațiile solare și, în consecință, senzorii care operează în această regiune a spectrului electromagnetic detectează în cea mai mare parte radiații termale datorită propietații materialelor, iar corpurile cu temperaturi foarte ridicate emit radiații substanțiale la lungimi de undă mai scurte.

Deoarece teledetecția termică se ocupă de măsurarea radiațiilor emise, pentru fenomenul de temperaturi ridicate, domeniul teledetecției termice se extinde pentru a cuprinde nu numai regiune de infrarșu termal TIR, dar și regiunea de infraroșu de unde scurte (SWIR), infraroșu apropiat (NIR) și în cazuri extreme chiar și regiunea vizibilă a spectrului electromagnetic. Detectarea termică de la distanță, în principiu, este diferită de detectarea la distanță din regiunea optică și cea cu microunde.

În practică, datele termice se dovedesc a fi complementare altor date de teledetecție. Astfel, deși nu este încă explorată pe deplin, teledetecția termică își rezervă potențialul pentru o varietate de aplicații.

În cazul teledetecției termice, radiațiile emise de obiectele de sol sunt măsurate pentru estimarea temperaturii. Aceste măsurători dau temperatura radiantă a unui corp care depinde de doi factori – temperatura cinetică și emisivitatea. Figura 1.5 prezintă diferiții factori care afectează temperatura.

Fig. 1.5. Factorii care controlează temperatura radieției (Parkash A., THERMAL REMOTE SENSING: CONCEPTS, ISSUES AND APPLICATIONS)

Datorită diferențelor fundamentale dintre teledetecția în regiunea de infra-roșu termal și alte regiuni ale spectrului electromagnetic, sunt prezente unele implicații peliculare și pertinente pentru teledetecția termală. Unele dintre ele fiind legate de modul de achiziție, calibrare, corecții radiometrice și geometrice, și altele după cum urmează.

Achiziția de date: moduri și platforme de achiziție – există trei aspecte diferite ce trebuie luate în considerare când discutăm de modul de achiziție a datelor termale. Acestea fiind :

achiziție activă versus achiziție pasivă : majoritatea senzorilor termali achiziționează date pasiv (aceștia măsoară radiația emisă în mod natural de corp/sol). Achiziția se poate face și face în mod activ în TIR, transmițând activ unde laser sper corp/sol (LIDAR). Cu toate acestea, această metodă de achiziție nu este îndeajuns de dezvoltată, fiind doar în perioada incipientă.

achiziție cu bandă largă versus cea multispectrală : pentru teledetecția termală cu bană largă, se folosește în general fereastra atmosferică între 8 și 14 μm. Însă, senzorii termali ai unor sateliți precum Landsat Thematic Mapper Band 6, operează cu lungimi de undă între 10,4 și 12,6 μm pentru a evita maximul de absorție a stratului de ozon care se situează la 9,6 μm. Canalele termale multisepctrale, cum sunt cele aflate pe platforma ASTER, sunt dedicate specific aplicațiilor geologice.

achiziția pe timp de zi vs. cea pe timp de noapte : datele termal pot fi achiziționate pe atât pe timp de zi cât și pe timp de noapte. Pentru unele aplicații poate fi folositor ambele tipuri de date. Însă, pentru multe aplicații sunt preferate datele achiziționate pe timp de noapte sau în timpul serii, perioadă de timp în care datele sunt influențate cel mai puțin de încălzirea solară diferit.

Rezoluția spațială și corecția geometrică – majoritatea senzorilor termali prezintă sisteme personale de înregistrare și calibrare.

Lungimea de undă

Partea infraroșie a spectrului electromagnetic este de obicei considerată a fi de la 0,7 la 1,000 μm. În această porțiune în infraroșu, există numeroase nomenclaturi și un consens între diferitele grupuri pentru a defini sub-frontierele.

În ceea ce privește teledetecția terestră, regiunea de 3 până la 35 μm este popular numită termo-infraroșu. La fel ca în toate celelalte misiuni de teledetecție, achizițiile de date se fac numai în zone cu absorbție minimă, cunoscută sub numele de ferestrele atmosferice. În interiorul infraroșiei termice o fereastră excelentă atmosferică se află între 8-14 μm lungime de undă. Ferestrele mai mici se află în 3-5 um și 17-25 μm. Interpretarea datelor în 3-5 μm este complicată datorită suprapunerii cu reflectarea solară în imaginile de zi, iar regiunea 17-25 μm nu este încă bine investigată. Astfel, regiunea 8-14 μm a avut un interes deosebit pentru detectarea telecomenzii termice.

Emisivitatea spectrală și temperatura cinetică

Detectarea termică de la distanță exploatează faptul că tot ceea ce depășește zero absolută (0 K sau -273,15 ° C sau -459 ° F) emite radiații în domeniul infraroșu al spectrului electromagnetic. Cât de multă energie este radiată și la care lungimile de undă depinde de emisivitatea suprafeței și de temperatura ei cinetică.

Emisivitatea este abilitatea de a emite un material real în comparație cu cea a unui corp negru și este o proprietate spectrală care variază în funcție de compoziția materialului și de configurația geometrică a suprafeței. Emisivitatea indicată de epsilon (ε) este un raport și variază între 0 și 1. Pentru majoritatea materialelor naturale, acesta variază între 0,7 și 0,95. Temperatura kinetică este temperatura suprafeței unui corp / sol și reprezintă o măsură a cantității de energie termică conținută în acesta Se măsoară în unități diferite, cum ar fi în Kelvin (K); grade Celsius (° C); grade Fahrenheit (° F).

Corpul negru este un obiect teoretic care absoarbe și apoi emite toate energia incidentă la toate lungimile de undă. Este evident faptul că, un astfel de obiect poate fi doar teoretizat și nici o substanță naturală nu este un corp negru ideal.

Factorii care afectează temperatura cinetică pot fi clasificați în două mari grupe – bugetul energiei termice și proprietățile termice ale materialelor. Bugetul energiei termice include factori cum ar fi încălzirea solară, radiațiile înalte și radiațiile descendente, transferul de căldură la interfața atmosferică-pământ și sursele termice active cum ar fi incendiile, vulcani etc. Proprietățile termice ale materialelor includ factori precum conductivitatea termică, densitatea specifică a căldurii, capacitatea de căldură, difuzivitatea termică și inerția termică a materialului.

Clasificarea senzorilor

După fenomenul fizic prin care energia este retrimisă spre senzor:

reflexie: camere foto, scannere, lidar, radar;

emisie: radiometre, scannere;

dispersie: radar, lidar;

fluorescență: radar, lidar.

După sursa de energie, senzorii pot fi:

pasivi – aceștia utilizează energia obiectului (aceasta provine în principiu de la Soare) cum ar fi: radiometrele, sistemele fotografice, scannerele, spectometrele;

activi – aceștia emit energie care este reflectată de obiectul țintă, iar mai apoi captată de senzor, de exemplu: radarele și sistemele lidar (pe bază de laser).

Fig. 1.3.1 Definiția teledetecției, bazată pe captarea radiațiilor emise de corpuri prin metode pasive (stânga) și active (sistemul RADAR, ce emite microunde, dreapta). Sursa Universitatea din Omaha, Nebraska, SUA

Teledetecția, pasivă sau activă folosește radiații electromagnetice în vederea obținerii imaginilor corpurilor, de la diferite altitudini, iar în acest mod, imaginea poate fi utilizată în obținerea de hărți și planuri, iar interpretarea obiectelor este optimă.

Sursa cea mai des folosită de date în teledetecție o reprezintă radiația electromagnetică reflectată sau degajată de diverse obiecte. Oricare obiect ce emite radiații, indiferent de proprietățile fizice, chimice sau biologice, are o caracteristică unică de reflexie sau de emisie în anumite condiții date de mediu (parametri fizici) sau de poluare. Radiația electromagnetică ilustrează o formă de manifestare a materiei ce este concretizată în emisi energetice, folosind diferite instrumente, pot fi detectate, măsurate și chiar înregistrate. Spectrul electromagnetic constituie gama de frecvențe în care radiația electromagnetică (REM) poate să existe.

Cadrul în care lucrează senzorii satelitari sunt:

porțiunea vizibilă a spectrului;

infraroșu apropiat;

infraroșu mediu;

infraroșu termal (pentru senzorii pasivi) ;

domeniul microundelor (pentru senzorii activi).

Soarele emite radiație electromagnetică în toate benzile spectrale, de la lungimi de undă foarte mici (radiații gamma și raze X) până la lungimi de undă de ordinul km (unde radio), lumina vizibilă atât de importantă pentru oameni, reprezentând doar o mică parte din acest spectru (0,4-0,7 µm). Atmosfera terestră modifică proprietățile anumitor tipuri de radiație și chiar absoarbe o parte din acestea – stratul de ozon absoarbe o mare parte din radiațiile dăunătoare (printre care și o parte din cele ultraviolete) care ar face viața imposibilă pe Pământ.

După lungimile de undă ale radiației electromagnetice:

în spectru vizibil: camere foto, camere TV, scannere, radiometre, spectrometre, lidar;

în infraroșu apropiat: camere foto, camere TV, scannere, radiometre, spectrometre, lidar;

în infraroșu mediu: scannere, radiometre, spectrometre;

în infraroșu termal: scannere, radiometre, spectrometre, camere termoviziune;

în microunde; radar, radiometru cu microunde.

După lungimile de unda pe care le captează simultan:

pancromatici ( captează o porțiune largă din spectrul vizibil):camere foto, camere TV, scannere, radiometre;

spectrozonal (captează o zonă îngusta a spectrului): camere foto, camere TV, scannere, radiometre, radar, lidar;

multispectral (captează mai multe zone înguste, separate sau nu, din spectrul electromagnetic): camere foto, camere TV, scannere, radar.

După modul de prezentare a datelor:

cu formare de imagine: camere foto, scannere, radar, lidar;

fără formare de imagine: radiometre, spectrometre.

Activitatea spațială din S.U.A în domeniul teledetecției.

Misiunea LANDSAT-MSS

Misiunea LANDSAT (Land Satellite) a debutat la 23 iulie 1972 prin lansarea primului satelit al acestei misiuni ERTS – 1 (Earth Resources Technology Satellite), având o orbită cu altitudinea de circa 900 km, NASA schimbând denumirea misiunii în 1975. Până la această dată ERTS 1 a transmis peste 100.000 de imagini, acoperind circa 75% din suprafața Pământului.

Primii 3 sateliți ai misiunii LANDSAT, au avut un defazaj de aproximativ 9 zile, fiind dotați cu un scanner multispectral, denumit MSS (Multi Spectral Scanner), sistemul este dotat cu 6 senzori simultani pentru fiecare bandă spectrală, pentru a perimite înregistrarea corectă a imaginii.

Lumina reflectată de suprafața Pământului este transformată într-un semnal analogic pentru fiecare din cele 4 benzi spectrale. Elementul de imagine pentru senzorul (pixel) MSS, este un domeniu cu dimensiunea de 79 m pe direcția de mișcare a satelitului și de 56 m pe direcția perpendiculară pe traiectorie.

Semnalul analogic este convertit în valori numerice după eșantionare, obținundu-se o imagine multispectală pentru fiecare domeniu de 185 x185 km. Imaginea fiind distribuită sub forma unei imagini fotografice sau sub forma unor benzi magnetice cu răspunsurile spectrale prin valori digitale. Cele 4 benzi spectrale ale LANDSAT-MSS sunt caracteristice, și corespund lungimilor de undă din tabelul 1.

Tabelul 1.4.1. Lungimile de undă ale benzilor spectrale înregistrate de LANDSAT-MSS

Misiunea LANDSAT – TM și ETM

LANDSAT – TM este reprezentat de sateliții LANDSAT 4 și 5, iar LANDSAT – ETM este reprezentat de sateliții LANDSAT 6 și 7. Sateliții misiunii LANDSAT – TM au fost dotați cu senzori mai performanți, cu o rezoluție spațială mai bună, denumit TM – Thematic Mapper, reprezentând o nouă etapă a programului. LANDSAT – 4 a fost plasat pe orbită la 16 iulie 1982, iar LANDSAT – 5 la 1 martie 1984.

Senzorul TM avea șapte benzi spectrale (tabelul 1.2), parametrul IFOV este de 30 m pentru benzile 1 – 5 și 7, în timp ce pentru banda 6 este de 120 m – bandă din domeniul infra-roșu termal. Sistemul TM prezintă 16 detectori pe fiecare bandă, sistemul MSS folosind doar 6 detectori pe bandă.

Tabelul 1.4.2.Lungimile de undă ale benzilor spectrale înregistrate de LANDSAT – TM (Vais M., Contribuții la problema mișcãrii sateliților de teledetecție și utilizarea imaginilor de teledetecție pentru monitorizarea contaminării cu produse petroliere în domeniul marin)

II. Senzorul cu infraroșu termal TIRS-Satelitul Landast 8

Landsat Data Continuity Mission(numit LANDSAT – 8 după inițializarea și verificarea sa pe orbită), a fost lansat din Vandenberg Air Force Base, din statul Calaifornia, pe data de 11 februarie 2013, a fost introdus pe orbită de o rachetă Atlas V.

Senzorul cu infraroșu termal (TIRS) măsoară temperatura suprafeței în două benzi termice cu o nouă tehnologie care aplică fizica cuantică pentru detectarea căldurii.

TIRS a fost adăugat la misiunea satelitului atunci când a devenit clar că managerii de resurse de apă de stat se bazează pe măsurătorile foarte precise ale energiei termice a Pământului obținute de predecesorii Landsat 8, Landsat 5 și Landsat 7, pentru a urmări modul în care terenul și apa sunt utilizate. TIRS este un instrument inestimabil pentru gestionarea consumului de apă.

TIRS utilizează fotodetectoare infraroșu Quantum Well (QWIP) pentru a detecta lungimi de undă, lungi de lumină emise de Pământ a căror intensitate depinde de temperatura suprafeței. Aceste lungimi de undă, denumite infraroșu termic, depășesc cu mult viziunea umană. QWIP-urile au o alternativă nouă, mai ieftină decât tehnologia infraroșu convențională și au fost dezvoltate la Goddard Space Flight Center al NASA din Greenbelt, Md.

TIRS-urile QWIPs sunt sensibile la două benzi termice cu lungimi de undă, ajutând la separarea temperaturii de suprafață a Pământului de cea a atmosferei. Acestea utilizează principiile complexe ale mecanicii cuantice. Galbenele de arsenic de semiconductor de galliu captează electronii într-o "stare bună" a energiei până când electronii sunt ridicați la o stare mai înaltă prin lumină infraroșie termică cu o anumită lungime de undă. Electronii crescuți creează un semnal electric care poate fi citit și înregistrat pentru a crea o imagine digitală.

Instrumentele prezente la bordul lui LANDSAT – 8 include un senzor principal al satelitului numit Operational Land Imager (OLI), care a fost proiectat de Ball Aerospace and Tehnologies Corporation. Acesta achiziționează date cu o rezoluție spațială și benzi spectrale cu specificații corespunzătoare cu precedentele misiuni Landsat, senzorul OLI oferă propietați de măsurare avansate și asigură în același timp și compabilitatea cu datele mai vechi.

Senzorul OLI prezintă o performanță ridicată a raportului zgomot – semnal, și cuantificare de 12- biți, acesta colectează date în domeniul vizibil, infra-roșu apropiat și infra-roșu de unde scurte, precun și o bandă pancrmatică. Două noi benzi spectrale au fost adăugate: una pentru albastru închis pentu apele costale și studii aerosol (banda 1), și o bandă pentru detecția norilor cirrus(banda 9).

Senzorul TIRS (Thermal Infrared Sensor), construit de NASA Goddard Space Flight Center, a fost adăugat pentru continuarea imaginilor termale, și pentru a suporta noi aplicați în domeniu cum ar fi modelarea evapotranspirației, pentru a monitoriza consumul de apă deasupra terenurilor irigate. Senzorul TIRS colectează date în două benzi cu lungimi de undă mari în domeniul infra-roșu termal.

În figura 2.1 sunt reprezentate benzile spectrale ale senzorilor OLI și TIRS, reprezentate în funcție de spectrul electromagnetic și transmisia atmosferică pentru diferitele lungimi de undă.

Tabelul 2.1. Lungimile de undă și rezoluția spațială pentru benzile spectrale înregistrate de LANDSAT – ETM+

Fig. 2.1. Benzile spectrale ale misiunii LANDSAT

Fig. 2.2. Benzile spectrale pentru misiunea Landsat – 8 ale senzorului OLI și TIRS

III. Satelitul TERRA

Satelitul TERRA (EOS – AM1) a fost lansat, cu succes, la 18 decembrie 1999 cu ajutorul unei rachete de tip Atlas II AS expandabilă, de la complexul 3 al VAFB California, fiind primul din seria sateliților EOS, serie planificată pentru următorii cinci ani, și urmând să realizeze un studiu complet asupra tuturor problemelor mediului ȋnconjurător, și care va asigura, zilnic, cca 500 miliarde de bytes cu informații asupra Pământului (despre uscat, oceane, atmosferã).

Fig.3.1. Satelitul EOS-AM1

Terra colectează date despre sistemele bio-geochimice și energetice ale Pământului, folosind cinci senzori care observă atmosfera, suprafața solului, oceanele, zăpada și gheața, precum și bugetul de energie.

Fiecare senzor are caracteristici unice care permit oamenilor de știință să îndeplinească o gamă largă de obiective științifice.

Cei cinci senzori Terra sunt:

ASTER (Radiometru de emisie termică și reflecție avansată în spațiu)

CERES (sau Nori și Sistemul Energetic Radiant al Pământului)

MISR (SpectroRadiometru cu imagini multiple)

MOPITT (măsurători ale poluării în troposferă)

MODIS (spectrometru de imagine cu rezoluție moderată)

Deoarece toate cele cinci instrumente se află pe același satelit care fac observații simultane, oamenii de știință sunt capabili să compare diferitele aspecte ale caracteristicilor Pământului în timp.

Fig.3.2. Imagini rezultate cu cei cinci senzori ai satelitului Terra

ASTER- Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer

Instrumentul ASTER a fost construit în Japonia pentru Ministerul Economiei, Comerțului și Industriei (METI). O echipă comună formata din Statele Unite si Japonia a fost responsabilă pentru proiectarea, calibrarea și validarea datelor.

Fig.3.3. Instrumentul ASTER

Oamenii de știință folosesc datele ASTER pentru a crea hărți detaliate ale temperaturii suprafeței solului, emisivității, reflectanței și altitudinii.

Fig.3.4. Această imagine reprezintă un peisaj vulcanic complex din lanțul munților Andeni și a fost asamblată din datele dobândite de către ASTER pe 9 aprilie 2003.

CERES-Clouds and Earth’s Radiant Energy System

CERES – este un proiect condus de NASA – Langley Research Center (LaRC) care a permis scanarea și rotirea radiometrelor și ȋn lateralul traiectoriei pentru măsurarea energiei radiante emise și reflectate de suprafața terestră și atmosferă, precum și măsurarea fluxului radiant ȋn pătura superioară a atmosferei ȋn vederea realizării balanței energetice a Pământului.

Fig.3.5. Instrumentul CERES

MISR – Multiangle Imaging Spectroradiometer

MISR – a fost realizat de catre NASA – JPL și a permis observarea Pãmântului ȋn zona albastru, verde, roșu și infraroșu apropiat, sub nouă unghiuri diferite datorită celor nouă camere CCD (Charge Coupled Device), cartarea la o rezoluție medie a vegetației, deșertului, și a zonelor acoperite cu gheață, precum și colectarea de date asupra norilor și aerosolilor din atmosferă considerate componente ale balanței energetice ale Pământului.

Fig.3.6. Instrumetul MISR

Fig.3.7. Imaginile înregistrate de către MISR a uraganului Katrina din 27 august, una dintre cele mai puternice și distrugătoare furtuni înregistrate în bazinul Atlanticului. ( NASA/ GSFC/ LaRC/ JPL, MISR Team.)

Fig.3.8. Imagini achiziționate de senzorul MISR ce arată invazia țițeiului în habitatul faunei sălbatice a coastelor statului Louisiana. Invazia de țiței s-a produs în urma accidentului de pe platforma de foraj Deepwater Horizon din 20 aprilie 2010 în golful Mexic. Erupția a durat din mai până în septembrie, cînd s-a reușit oprirea acestei erupții, zona fiind în tot acest timp monitorizată inclusiv de sateliții de teledetecție.

MOPITT (Measurement of Pollution in the Troposphere)

MOPITT – este un instrument creat pentru a ne îmbunătăți cunoștințele despre atmosfera inferioară și pentru a observa cum interacționează cu biosferele terestre și oceanice.

Fig.3.9. Instrumentul MOPITT

MOPITT se concentrează în special pe distribuția, transportul, sursele și scufundările de monoxid de carbon din troposferă. Monoxidul de carbon, care este expulzat din fabrici, mașini și incendii forestiere, împiedică capacitatea naturală a atmosferei de a se debarasa de poluanții dăunători.

Acesta este primul senzor de satelit care utilizează spectroscopia de corelare a gazelor. Senzorul măsoară emisia și reflectă radiațiile de pe Pământ în trei benzi spectrale. Această lumină trece prin două căi diferite, ce absorb cantități diferite de energie, care duc la mici diferențe în semnalele rezultate care se corelează cu prezența gazelor în atmosferă.

Fig.3.10. Imagine realizată de sonzorul MOPITT ce prezintă incendiile generalizate din Africa de Vest, eliberând monoxid de carbon în atmosferă (roșu) în februarie 2004.

MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)

MODIS – este un instrument important la bordul sateliților Terra (inițial cunoscuți sub numele de EOS AM-1) și Aqua (inițial cunoscuți sub numele de EOS PM-1). Satelitul Terra orbitează în jurul Pământului și este programat astfel încât să treacă de la nord la sud de-a lungul ecuatorului dimineața, în timp ce Aqua trece de la sud la nord peste ecuator după-amiaza.

Fig.3.11. Instrumentul MODIS

Terra MODIS și Aqua MODIS vizualizează întreaga suprafață a Pământului la fiecare una-două zile, obținând date în 36 de benzi spectrale sau grupuri de lungimi de undă. Aceste date vor îmbunătăți înțelegerea noastră a dinamicii globale și a proceselor care apar pe teren, în oceane și în atmosfera inferioară.

MODIS monitorizează schimbările ce au loc pe scară largă în biosferă, și care dau noi perspective asupra funcționării ciclului global al carbonului. Acesta măsoară activitatea fotosintetică a plantelor terestre, dar și marine (fitoplancton) în vederea obținerii unei estimări mai bune a cantității de gaze cu efect de seră care este absorbită și utilizată în productivitatea plantelor. Cuplând măsurătorile temperaturii de suprafață a senzorului, măsurătorile efectuate de MODIS asupra biosferei ajută oamenii de știință să urmărească sursele și scăderea dioxidului de carbon ca răspuns la schimbările climatice.

MODIS are un rol esențial în dezvoltarea de aplicații validate, globale și modele interactive ale sistemului Pământului, capabile să prezică schimbările globale cu suficientă precizie pentru a ajuta factorii politici să ia decizii solide cu privire la protecția mediului nostru.

Fig.3.12. Pata de petrol la gurile deltei râului Mississippi, imagine MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) achiziționatã de satelitul Terra in 24 mai 2010 (stânga) și Imagine color a petei de petrol din preajma deltei fluviului Mississippi achiziționatã la 28 iulie 2010 (dreapta) cu senzorul MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer).

Tabelul 3.1.1. Specificațiile benzilor spectrale MODIS

IV. Utilizarea imaginilor de teledetecție în activitatea de prospecțiuni geologice și geofizice

Imaginile satelitare, prin creșterea și diversificarea numărului de senzori, viziunea sinoptică a teritoriului și multitudinea de date biofizice și geomorfologice pe care le reprezintă, se relevă ca fiind un instrument deosebit de important și util în activitatea de prospecțiuni geologice si geofizice.

Cercetarea scoarței terestre cu ajutorul sateliților tehnoligici vizează câteva probleme de ordin geologic, cum ar fi:

Petrografia și structura formțiunilor ce compun scoarța terestră;

Zăcămintele de minerale utile;

Dinamica scoarței terestre;

Cartografierea formațiunilor geologice.

Studiul rocilor, dar și a structurilor geologice se bazează pe analiza caracteristicilor spectrale ale mineralelor și rocilor.

Utilizarea înregistrărilor satelitare, mai ales cele obținute de sateliții specializați, ne ajută la obținerea unor informații precise și detaliate asupra naturii și repartiției diferitelor tipuri de roci, identificarea și caracterizarea structurilor geologice la scări medii și mari și corelarea lor prin extrapolare când sunt îndepartate unele de altele și actualizarea hărților geologice.

Perioada cea mai indicată pentru observații petrografice o reprezintă prima jumătate de oră după ce Soarele a răsărit, deoarece atunci rocile emit lungimi de undă proprii caracteristicilor lor, iar așa putem reuși să detectăm sisteme de fracturi, fiindcă pe liniile de dislocație, căldura telurică emisă este intensă.

Observațiile cele mai clare asupra naturii și structurii formațiunilor geologice au fost obținute în acele regiuni în care climatul aspru limitează dezvoltarea vegetației, cum ar fi regiuni deșartice sau arctice. În afara acestor observații directe, s-au folosit o serie de elemente indicatoare în studiul rocilor și structurilor geologice, cum sunt formele de relief petrografic și structural, vegetația prin tipurile de formațiuni și compoziția floristică, rețeaua hidrografică și solurile.

Prin analiza structurilor geologice s-au putut determina, mai ales în regiunile greu accesibile și puțin cercetate, diverse categorii de resurse minerale. Au fost puse în evidență structuri geologice ce conțin hidrocarburi, diamante și cupru în regiunea Shaba dinAfrica de Sud, sau sateliții rusești Meteor au pus în evidență importante zăcăminte de petrol și gaze naturale în Câmpia Siberiei de Vest.

La fel, stația orbitală Gemini, prin analiza înregistrărilor asupra structurii rețelei hidrografice de pe coasta estică a Golfului Persic a atras atenția asupra structurilor prezente în adâncime. Prin forajele executate ulterior, s-au descoperit imensele rezerve de petrol din această regiune a Iranului. Depistarea marilor acumulări de petrol și gaze a fost posibilă și prin determinarea câmpului gravitațional al Pământului de către sateliții geodezici, care semnalează repartiția neomogenă a maselor în cuprinsul scoarței terestre. Rezultate deosebite au adus cercetarile spațiale în studierea dinamicii scoarței terestre, fiind înregistrate din spațiu mișcările seismice, erupțiile vulcanice, deplasările plăcilor crustale sau mareele terestre. Studiul acestor mișcări în diverse puncte ale globului cum sunt cercetările din California, cele ale Marelui Rift African sau coliziunea dintre Placa Indiană și Placa Euro-asiatică, precum și măsurătorile de precizie făcute de sateliții geodezici, ce surprind ordinul de mărime a diverselor mișcări ale scoarței, toate acestea aduc o contribuție științifică importantă la cunoașterea tectonicii globale cât și a celei regionale sau locale.

V. Studiul de caz

Pentru studiul de caz, am utilizat imagini descărcate de pe site-ul USGS (https://search.earthdata.nasa.gov) , site ce conține imagni preluate din diferite misiuni satelitare.

Setul de date a fost ales de pe site-ul LP DAAC (Land Processes Distributed Active Archive Center) https://lpdaac.usgs.gov/dataset_discovery/modis/modis_products_table. Acesta pune la dispoziție link-uri care sa ne îndrume spre anumite informații și puncte de acces pentru fiecare dinstre produsele MODIS Land distribuite de LP DAAC.

Pachetele de imagini de pe USGS se pot descarca gratuit, singura cerință este aceea de a te înregistra pe site.

Zona aleasă pentru realizarea studiului de caz o reprezintă zona Târgoviște-Prahova, iar produsul de reflectanță ales este MOD09A1, cu o rezoluție spațială de 500 m.

Fig.5.1. Setul de date ales de pe LP DAAC, MOD09A1, de reflectanță, 500m.

După înregistrarea pe site-ul USGS, am copiat setul de date de pe siteul LP DAAC, respectiv MOD09A1. În USGS->motorul de căutare MOD09A1-> Find Data->creare poligon.

Fig.5.2. Crearea poligonului în zona de interes.

Fig.5.3. Generarea automată a imaginilor de interes.

Fig.5.4. Descărcare set date.

Datele MODIS sunt în format HDF. Unele programe de prelucrare a imaginilor satelitare permit citire directă a formatului HDF (cum este ENVI și ArcMap), altele pot necesita iportul datelorîn propriul format (unele programe pot citi datele, dar nu recunosc informația despre georeferențiere fără a le importa).

În continuare am utilizat soft-ul ArcMap pentru a prelucra steul de imagini preluate de senzorul MODIS.

Fig.5.5. Încărcare set prelucrare în ArcMap

Fig.5.6. Încărcare set prelucrare în ArcMap

Fig.5.7. Selectarea seturilor de date de interes (de la 0 la 6).

Fig.5.8. Imaginea satelitară rezultată fără prelucrare

Imaginile prelucrate prin opțiunea programului de a combina RGB, ce produce combinații de benzi spectrale pentru o evidențiere mai bună a obiectivelor urmărite.

Benzile aferente imaginilor multispectrale pot fi reprezentate prin imagini color atribuind o culoare unei benzi spectrale. Procedeul este denumit sintetic reprezentare ȋn RGB (prin atribuire de roșu (Red), verde (Green) respective albastru(Blue) anumitor benzi spectrale.

Combinațiile de benzi respectă domeniul de activitate avut ȋn vedere pentru analize astfel:

Tablelul 5.1 Reprezentări RGB în domeniul multispectral

Fig.5.9. Prelucrarea imaginii prin opțiunea programului de a combina RGB.

.

Fig.5.10. Observarea opțiunile pe care le putem alege pentru combinații RGB

Fig.5.11. Prelucrare imagini multispectrale 1( Red)-4(Green)-3(Blue)

Fig.5.12.Prelucrare imagini multispectrale 2( Red)-3(Green)-4(Blue)

Fig.5.13. Prelucrare imagini multispectrale 4( Red)-3(Green)-2(Blue)

În imaginea de mai sus, se creează culori false, similar unei fotografii în infraroșu, aici vegetația apare în culoare de albastru.

Fig.5.14. Prelucrare imagini multispectrale 4( Red)-5(Green)-7(Blue)

Fig.5.15. Prelucrare imagini multispectrale 5( Red)-4(Green)-2(Blue)

Fig.5.16. Prelucrare imagini multispectrale 7( Red)-4(Green)-2(Blue)

Cea mai bună combinație de benzi, este redată în fig. (7-4-2), în care vegetația este redată prin nuanțe de albastru, iar solurile neacoperite prin magenta. Banda 7 permite discriminarea conținutului diferit de umiditate din soluri și plante. Arealele urbane apr prin nuanțe de magenta spre albșstrui, iar zonele cu aflorimente sau alte suprafețe naturale lipsite de vegetație apar în nuanțe de roșu.

Fig. 5.17. Secțiuni ale câmpului termal, unde se pot observa forajele de explorare și câmpirile de producție (K.M Karimov, R.D. Mukhamedyarov)

VI. Concluzii

Datele de teledetecție sunt o sursă importantă de informație, deoarece rețelele de monitorizare de pe teren sunt insuficiente prin densitatea scăzută a punctelor de observații, platformele satelitare având avantajul că asigură o acoperire spațială destul de largă, fără limitări de acces;

Acest stoc enorm de informații, și dezvoltarea multor algoritmi de prelucrare a lor ca și implementarea lor în soft-urile de prelucrare de imagini dă posibilitatea dezvoltării multor aplicații în cele mai diverse domenii;

Utilizarea benzilor spectrale aferente domeniului infra-roșu termal, conduce la obținerea unor informații ce se constituie într-un suport pentru alte soft-uri specializate aferente prospecțiunii geofizice în general;

Benzile cu infraroșu termal nu înseamnă numai lumina reflectată (cea de suprafață), înseamnă inclusiv radiație termică din subteran, care ne poate oferi informații privin partea de adâncime.

VII. Bibliografie

Vais M., Contribuții la problema mișcãrii sateliților de teledetecție și utilizarea imaginilor de teledetecție pentru monitorizarea contaminării cu produse petroliere în domeniul marin, București, 2010

Mihai B.A., Teledetecție-Noțiuni Generale, București, 2008

Păunescu C., Paicu G., Teledetecție, București, 2001

Parkash A., THERMAL REMOTE SENSING: CONCEPTS, ISSUES AND APPLICATIONS,International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXIII, Part B1. Amsterdam 2000.

Vais M., Aplicații ale teledetecției în geologie, 2013