Ing. Zoltán FERENCZ [305346]

UNIVERSITATEA DE ȘTIINȚE AGRONOMICE ȘI MEDICINĂ VETERINARĂ DIN BUCUREȘTI

FACULTATEA DE ÎMBUNĂTĂȚIRI FUNCIARE ȘI INGINERIA MEDIULUI

Ing. Zoltán FERENCZ

REFERAT DE DOCTORAT

“METODE ȘI APLICAȚII DE TELEDETECȚIE FOLOSITE ÎN AGRICULTURĂ ȘI ÎN ÎMBUNĂTĂȚIRI FUNCIARE”

[anonimizat]. univ. dr. Sorin Mihai CÎMPEANU

București

2016

INTRODUCERE

Datele de teledetecție reprezintă o alternativă de achiziție a datelor mult mai ieftină și mai completă (datorită informațiilor pe care ochiul uman nu le poate detecta) decât cele obținute prin metode directe de observare (măsurare). Teledetecția permite culegerea datelor simultan din diferite zone cu posibilitatea repetării măsurătorilor în timp la o [anonimizat] o vedere de ansamblu.

Interpretarea, prelucrarea, [anonimizat]. Datorită acestui sistem există posibilitatea de actualizare a bazei de date și integrarea cu ușurință a datelor noi obținute.

Una dintre condițiile necesare unei cât mai bine organizate activități agricole este de a [anonimizat], [anonimizat] a vegetației (plantei). Prin combinarea acestor date se poate face o predicție cu privire la randamentul culturilor. [anonimizat] o [anonimizat] a [anonimizat].

M. Vais în teza sa de doctorat afirmă că teledetecția satelitară și teledetecția aeropurtată trebuie privită ca o alternativă de monitorizare a [anonimizat].

Ecosistemele furnizează mijloacele de trai necesare pentru bunăstarea oamenilor. Cuantificarea și cartografierea ecosistemelor este esențială pentru monitorizarea continuă în vederea sprijinirii procesului decizional. [anonimizat] o zonă extinsă la costuri relativ mici.

În această lucrare, s-a efectuat o revizuire a [anonimizat], cu aplicabilitate în domeniul agriculturii și a îmbunătățirilor funciare.

[anonimizat]:

[anonimizat], cuprinzând date cu privire la procesul propriu zis de teledetecție și componentele acestui sistem.

[anonimizat], [anonimizat].

În capitolul trei se face referire la fenomenele și procesele care intervin în cazul interacțiunii dintre elementele componente ale Pământului și radiația electromagnetică, precum și comportarea radiației în contact cu diferite materiale (unicitatea semnăturilor spectrale). Punctul culminant al acestui capitol tratează tipurile de rezoluții și tipurile de senzori utilizați/existenți în teledetecție, precum și o trecere în revistă a misiunilor LANDSAT.

Capitolul patru este dedicat în special prezentării noțiunilor elementare ce țin de topografie și geodezie prin conturarea suprafețelor de referință și a proiecțiilor cartografice, precum și prezentarea tehnologiilor geospațiale moderne de manipulare a datelor grafice și a celor textuale (sisteme de tip GIS). În finalul acestui capitol se găsesc câteva informații cu privire la modelarea și modelele tridimensionale, care redau aspectele scoarței terestre atât din punct de vedere altimetric cât și planimetric.

Capitolul cinci este apogeul acestei lucrări și pregătește pașii pentru programul de pregătire și cercetare viitoare, servind ca punct de plecare pentru raportul de doctorat din cel de-al doilea an de studiu. Acest capitol se concentrează asupra rolului pe care îl are teledetecția în agricultură, sintetizând aplicațiile în care poate fi utilizată cu succes această metodă de obținere a informațiilor. În ultimul subcapitol sunt prezentate informații cu privire la agricultura de precizie cu menționarea faptului că prezenta lucrare se abate într-o măsură oarecare (într-un sens negativ) de acest tip de teledetecție particular, în ceea ce privește preciziile și acuratețea datelor obținute.

Lucrarea de față este strâns legată de tehnologia și metodele de lucru existente la ora actuală, iar obiectivele principale vor fi testarea metodelor existente și dezvoltarea unor noi metodologii de prelucrare a imaginilor multispectrale, făcând referire în special la aplicabilitățile acestora în agricultură. Având în vedere gama variată de senzori multispectrali și implicit existența unui amalgam de imagini satelitare este oportun structurarea și testarea acestor imagini, precum și compararea lor pentru a obține rezultate satisfăcătoare în domeniul aferent agronomiei, însă cele amintite în acest paragraf vor fi detaliate mai în amănunte în următoarele rapoarte doctorale.

În cele ce urmează sunt prezentate obiectivele tezei de doctorat:

Prelucrarea imaginilor multispectrale, utilizarea metodelor practice;

Studierea semnăturilor spectrale și utilizarea procedurilor de clasificare prin procesarea imaginilor digitale;

Cercetarea în domeniile aferente agriculturii cu date furnizate de la senzori multispectrali (ex: evaluarea stării culturilor agricole și previziunea recoltelor);

Utilizarea de date satelitare la estimarea umidității de suprafață a solurilor;

Analiza comparativă a rezultatelor obținute în urma interpretării imaginilor;

Implementarea unui sistem informațional geografic cu integrarea mai multor date din diferite domenii de activitate aflate în legătură directă cu agronomia.

CAPITOLUL I

Bazele teoretice ale teledetecției

Istoricul teledetecției

În anul 1858 a fost efectuată prima fotografie aeriană dintr-un balcon cu aer cald.

În anul 1895 a fost realizată prima fotografie color (compozit) de către Hauron, care a scindat imaginea în trei culori distincte, imaginea fiind reprezentată folosind pigmenți de culoarea roșu, galben și albastru.

În anul 1903 senzorii au fost montați pe porumbei, etapă urmată de era avioanelor începând din anul 1914 și dezvoltat aproape până la perfecțiune în perioada interbelică.

Despre utilizarea fotointerpretării aeriene se poate vorbii începând cu anul 1930, iar domeniile principale în care au avut aplicabilitate sunt: geodezie, agronomie, hidrologie, protecția mediului, etc.

În anul 1931 a fost produs primul film sensibil la infraroșu.

În anul 1942 a fost produs primul film fals color pentru determinarea camuflajelor prin folosirea emulsiei sensibile la infraroșu apropiat într-un film color, astfel a fost posibilă departajarea mașinilor și obiectelor, respectiv obiectivelor militare vopsite în culori verzi (asemănătoare pământului) de vegetație propriu- zisă. Singurul dezavantaj al acestei metode constă în faptul că în acea perioadă nu existau programe de prelucrare și analiză de tipul sistemelor informaționale geografice, motiv pentru care interpretarea imaginilor se putea face doar cu metode optice și vizuale.

Perfecționarea filmelor color și a mijloacelor de prelucrare a acestora a fost perfecționată în perioada cuprinsă între cel de-al doilea război mondial și anul 1960 din necesități militare.

Prima înregistrare de imagine în infraroșu termic a fost obținută după cel de-al doilea război mondial prin anii ’50.

Primele identificări și clasificări cu privire la identificarea și clasificarea tipurilor de vegetație, agricolă și forestieră folosind fotografii aeriene și filme pancromatice, color, infraroșu au fost efectuate în anul 1956 de către Colwell.

Înregistrările sistematice ce privesc cartarea suprafeței terestre au început odată cu lansarea satelitului meteorologic TIROS 1 în anul 1960.

Primele imagini multispectrale au fost realizate în scopul cartografierii resurselor naturale și a monitorizării mediului înconjurător, ele fiind preluate de pe o platformă satelitară (Apollo 9) în anul 1969 și au fost realizate cu ajutorul a patru camere de tip Hasselblad, folosindu-se mai multe tipuri de filme, iar rezultatele obținute au fost cât se poate de bune.

La începutul anilor ’70 are loc lansarea primei generații de sateliți LANDSAT MSS (Multispectral Scanner), iar după 10 ani mai târziu are loc lansarea celei de-a doua generație de sateliți și anume LANDSAT TM (Thematic Mapper).

În anul 1971 se introduce în țara noastră termenul de teledetecție.

În luna iulie a anul 1972 a fost lansat în spațiu primul satelit LANDSAT 1 (misiunea LANDSAT 1), satelit care a fost special destinat pentru înregistrări de teledetecție în scopul obținerii imaginilor multispectrale.

În anii ’80 s-a început dezvoltarea senzorilor hiperpsectrali și experimentarea senzorilor în domeniul microundelor (LIDAR, Radar, etc).

În anul 1990 a început teledetecția prin folosirea sistemelor radar.

În primul deceniu al secolului XXI apar noi sateliți și îmbunătățiri ale camerelor digitale, dezvoltându-se camere cu rezoluții spectrale și spațiale înalte și folosirea senzorilor hiperspectrali, ceea ce a dus la mai multe benzi spectrale și la mai multe detalii observate. Începând cu anul 2010 s-a început achiziția datelor de teledetecție prin implicarea aparatelor de zbor fără pilot (UAS – Unmanned Aircraft Systems).

Pe 11 februarie 2013 a fost lansat misiunea LANDSAT 8, care studiază suprafața terestră cu 11 benzi spectrale.

Utilizarea teledetecției în agricultură

1.2.1. Utilizarea teledetecției în România

Conform celor citate în raportul întocmit cu ocazia celui de-al VIII – lea Congres Mondial de Știința Solului, România a avut o poziție fruntașă, printre țările avansate din Europa Centrală și de Est în utilizarea teledetecției spațiale în agricultură. În România ca și în multe alte țări Europene utilizarea teledetecției satelitare în agricultură a început în anul 1980, iar în această perioadă s-au stabilit mai multe acorduri de cooperare care vizau examinarea caracteristicilor spectrale privitoare la protecția mediului, agricultură, geologie, soluri, minerale și vegetație, prin interpretarea datelor multispectrale. Profesorul universitar Nicolaie Oprescu a fost pionierul preocupat cu asimilarea și folosirea tehnicilor de teledetecție ȋn România, ȋn cadrul Catedrei de fotogrametrie de la Facultatea de cãi ferate, drumuri și poduri din cadrul Institutului de Construcții din București.

În literatura de specialitate găsim o serie de utilizări ale teledetecției în practicile agricole la nivel național și internațional, iar în momentul actual există mai multe programe și instituții care se ocupă cu implementarea și extragerea datelor provenite din teledetecție atât la nivel de unitate administrativă cât și județeană sau națională, care au drept activitate principală servicii de consiliere date fermierilor.

Statele membre din Uniunea Europeană au ales o metodă eficientă de control pentru subvențiile financiare acordate din fondurile comunitare și anume controlul prin teledetecție, în urma căruia se verifică exactitatea datelor declarate de solicitant cu ceea ce există pe teren. În România s-a ales această metodă datorită resurselor financiare. Pentru gestionarea corectă a datelor în vederea efectuării plăților directe s-a impus minimalizarea controalelor efectuate de către inspectori.

Administrația Națională de Metereologie – structură aparținătoare Ministerului Mediului, Apelor și Pădurilor deține laboratoare de teledetecție și GIS fiind unul dintre realizatorii și furnizorii de produse și servicii geospațiale pentru aplicații de mediu din România. Laboratorul este specializat în aplicații de monitorizare a mediului folosind cele mai noi tehnologii pentru prelucrarea imaginilor satelitare și a fotografiilor aeriene. Produsele obținute prin prelucrarea imaginilor satelitare sunt stocate în baze de date georeferențiate și integrate în sisteme informaționale geografice pentru analize spațiale avansate (text preluat și adaptat de pe adresa de internet: http://www.meteoromania.ro/anm/?page_id=421).

Servicul SIGUR (Serviciu bazat pe Informații satelitare pentru Gestionarea situațiilor de Urgență), este coordonat de Agenția Spațială Română (ROSA) și realizat în colaborare de Administrația Națională de Meteorologie (ANM), Institutul Național de Hidrologie și Gospodărirea Apelor (INHGA), Centrul Român pentru Utilizarea Teledetecției în Agricultură (CRUTA), Universitatea Politehnică București (UPB) și Advanced Studies and Research Center (ASRC). Proiectul își propune realizarea unui serviciu la nivel national, care să aibă atribuții în producerea de materiale grafice, cartografice și statistice prin intermediul procesării datelor (clasificare, filtrare, fotointerpretare, etc.) preluate de pe diversele platforme satelitare. Informațiile obținute în urma procesului de prelucrare sunt utilizate în combinație cu datele spațiale existente (rețele de comunicații, localități, hidrografie, etc). Aceste produse finale își dovedesc utilitatea în înțelegerea impactului cauzat de inundații și în estimarea pagubelor produse de aceasta (text preluat și adaptat de pe adresa de internet: http://www.meteoromania.ro/anm/?page_id=421).

Alegerea tipului de imagini satelitară se face ținând cont de mai multe aspecte, dar în special de dimensiunea evenimentului precum și de resursele financiare / umane avute la dispoziție. Fluxul de producție a fost complet optimizat, produsele finale fiind livrate după 8 – 24 ore de la achiziționarea imaginilor de către senzor, timpii reali de procesare a imaginilor fiind de aproximativ unu, două ore. Diferența o reprezintă timpul de procesare primară a datelor și cel de transfer, operațiuni realizate de către operatorul platformei satelitare. Serviciul a generat sute de produse cartografice pentru inundațiile ce au afectat România în perioada cuprinsă între anii 2005 și 2010. Produsele au fost rapid distribuite către factorii de decizie, atât în formă tipărită cât și în formă digitală, prin intermediul unor site-uri web special proiectate (text preluat și adaptat de pe adresa de internet: http://www.meteoromania.ro/anm/?page_id=421).

1.2.2. Utilizarea teledeteției pe plan internațional

Teledetecția are aplicații numeroase și în domeniul forestier, iar Jurnalul Internațional de Aplicații ale Teledetecției din anul 2012 (articol disponibil online la adresa de internet: http://www.ijrsa.org/Download.aspx?ID=4774) confirmă acest lucru, unde prin utilizarea tehnicilor de clasificare s-a arătat faptul că în perioada cuprinsă între anii 1986 și 2007 au avut loc schimbări radicale în ceea ce privește fondul forestier al planetei, iar scăderea vegetație forestiere a fost cauzată ca urmare a activităților antropice.

După anul 1990, asistăm la programele naționale de teledetecție cu participarea companiilor cu capital privat precum: ORBIMAGE (cu misiunea ORBVIEW), Earth Watch Inc. Colorado (SUA). Tot în această perioadă au început și colaborările între agențiile spațiale naționale.

Franța în asociere cu țările Suedia și Belgia, a lansat un program de teledetecție spațială, prin plasarea pe orbită a satelitului SPOT (Sattelite pour l’observation de la Terre) – 1984. Față de programul LANDSAT, misiunea SPOT prezintă o rezoluție a imaginii mult mai superioară, iar senzorii pot fi reglați ca poziție pentru obținerea imaginilor oblice.

Constelația SPOT este la cea de-a șaptea misiune (SPOT 7), care a fost lansată pe data de 30 iunie 2014, de către organizația de cercetare spațială indiană.

În anul 1999 compania specializată în comercializarea imaginilor spațiale, aerofotografiere și alte servicii de cartografiere Space Imaging – Denver Colorado, a lansat primul satelit comercial cu rezoluție spațială foarte înaltă, denumită IKONOS – 1.

În anul 1977 demarează programul japonez de activități spațiale în colaborare cu agenția spațială americană (NASA) prin lansarea satelitului GMS – 1, destinat monitorizării aspectelor climatice.

Programul de teledetecție Canadian începe în anul 1995 cu platforme satelitare echipate cu senzori de tip radar RADARSAT 1, iar în anul 2007 cu senzori de-a doua generație RADARSAT 2.

Programul de teledetecție a activității spațiale indiene este coordonată de organizația spațială indiană ISRO – (Indian Space Research Organization) și a fost implementată pentru a sprijinii economia națională în mai multe domenii de interes major (agricultură, silvicultură, ecologie, etc). În anul 1988 are loc lansarea primei generații de sateliți (satelitul IRS 1A) din cadrul misiunii IRS – Indian Remote Sensing Satellite, urmat de satelitul IRS 1B în anul 1991 (text adaptat din articolul cu titlul “Teledetecția – Schiță istorică” al lui Vais M., disponibil online la adresa de internet: http://www.crifst.ro/noema/doc/2010_b_03.pdf).

Sistemul de teledetecție indian (IRS) are cea mai mare constelație de sateliți de teledetecție pentru uz civil din lume (include 12 sateliți operaționali) și furnizează date într-o varietate de rezoluții spațiale, spectrale și temporale.

Misiunile satelitare sovietice de teledetecție au avut în general un caracter militar. Recent arhivele informațiilor satelitare rusești au fost deschise cu scopuri comerciale și utilizatorilor civili, având o rezoluție spațială aproximativă de doi metri, nemaiîntâlnit în nici o altă misiune satelitară civilă, anterioară anilor ’90 (text adaptat din articolul “Teledetecția – Schiță istorică” al lui Vais M., disponibil online la adresa de internet: http://www.crifst.ro/noema/doc/2010_b_03.pdf).

În Statele Unite agricultura de precizie a făcut progrese mari în ultimul deceniu, atât în ​​ceea ce privește tipurile de tehnologii cât și utilizarea diverselor sisteme de prelucrare a informațiilor. Agricultura de precizie avansează rapid și probabil va continua să se extindă pentru că mulți producători pot vedea valoarea rezultatelor și eficiența acestei tehnologii. Apariția acestei tehnologii marchează și începutul unei noi perioade, în care deciziile vor putea fi luate mult mai ușor. Această tehnologie constituie o bază consolidată de informații care pot conduce la culturi cu randament mai mare și profituri pe măsura așteptărilor. La nivel global, există peste 1000 de instrumente și aplicații dezvoltate, care conduc spre inovare atât în agricultură cât și în multe domenii de activitate aferente.

În Statele Unite, studiul agriculturii de precizie se bazează pe două aspecte și anume:

Aspectul tehnologic, care se aplică uniform tuturor regiunilor și include perspective cu evaluarea completă a agriculturii de precizie;

Aspectul comercial care se aplică în funcție de regiune și examinează tendințele majore de adopție în industrie și impactul actual și viitor al acestor tehnologii asupra companiilor de-a lungul lanțului valoric.

Departamentul de Agricultură al Statelor Unite (USDA) care are în componență Serviciul Național al Statisticilor Agricole (NASS) a făcut cercetări și a folosit date provenite din teledetecție pentru monitorizarea și estimarea terenurilor începând din anul 1970.

Progresele semnificative obținute în ultimii ani de tranziție au permis agenției NASS care avea un rol preponderent doar în activitatea de cercetare să evolueze într-o agenție cu un rol esențial în programele de monitorizare și estimare a randamentului culturilor agricole care acoperă suprafețe importante de teren în marile state ale Statelor Unite ale Americii.

Această realizare a fost atinsă ca urmare a îmbunătățirii metodologiilor utilizate precum și datorită gamei vaste de softurilor scoase spre comercializare și nu în ultimul rând datorită evoluției atinse de imaginistică, precum și consolidării parteneriatelor care au ca activitate principală furnizarea de date.

În mometul de față NASS face cercetări cu privire la determinarea progreselor realizate pe câmpurile de culturi și utilizează teledetecția în scopul evaluării și monitorizării dezastrelor naturale precum și pentru cartografierea umidității solului.

1.3. Generalități

Teledetecția este știința și arta de a obține informații despre obiecte (clădiri, utilaje, construcții de orice natură), suprafețe (câmpuri de cultură), fenomene (precipitații, erupții vulcanice), prin analiza datelor dobândite de un dispozitiv care nu este în contact direct cu obiectele, suprafețele sau fenomenele investigate (Green K., Kempka D. și Lackey L. 1994).

De ce teledetecția a fost definită ca fiind o artă și o știință în același timp?

Iată răspunsul: Este o știință, deoarece înglobează o serie de tehnici și tehnologii de ultimă generație și este o artă, deoarece depinde de abilitățile și aptitudinile interpretului datelor (utilizatorului).

Teledetecția este un procedeu de culegere a datelor prin care se obțin informații cu privire la caracteristicile obiectelor, fenomenelor studiate (de exemplu: compoziția chimică, proprietățile fizice, dimensiuni), fără a fi necesar un contact direct fizic cu acestea. Obținerea datelor prin teledetecție se realizează de obicei prin transportarea energiei electromagnetice de la o sursă emitentă și captarea semnalului reflectat de către un sensor. Această metodă particulară de culegere a datelor, în esența ei înglobează două trăsături principale și anume:

captarea (detectarea) datelor cu privire la obiectul studiat de la o anumită distanță prin intermediul undelor electromagnetice;

prelucrarea și interpretarea datelor stocate prin intermediul programelor specializate.

Senzorii de teledetecție multispectrali și hiperspectrali sunt capabili să înregistreze date prin intermediul diferitelor zone ale spectrului electromagnetic, obținând date complexe despre suprafața Pământului.

Omul este tot un sistem de teledetecție, deoarece avem mai multe tipuri de sensori ca: urechi, nas, ochi, piele. Senzorii umani sunt asemănători senzorilor montați pe platforme satelitare sau pe avioane.

Datorită dezvoltării rapide și îmbunătățite a tehnologiei informației din secolul XXI și știința teledetecției a fost afectată într-o mare măsură. În ultimii ani, teledetecția a evoluat în direcția utilizării a cât mai multor benzi spectrale caracterizată de o înaltă rezoluție spațială, pe utilizarea imaginilor satelitare, precum și pe dezvoltarea metodelor active de teledetecție (în special sistemele laser).

Dintre avantajele utilizării teledetecției se numără: colectarea sistematică a datelor, repetabilitatea, acoperirea globală, singura soluție pentru analizarea unei suprafețe care este inaccesibilă, informații cu întrebuințări în mai multe domenii de activitate (silvicultură, agricultură, urbanism, etc).

Colectarea datelor de către senzor nu este o etapă finală, deoarece informația trebuie transmisă și procesată, la fel ca în cazul ochiului uman, unde ochiul captează lumina, o focalizează și o înregistrează la nivelul retinei, unde are loc transformarea luminii captate în impulsuri electro – chimice, după care aceste impulsuri sunt trimise prin nervul optic la creier pentru o vedere clară și exactă. La fel se întâmplă și în cazul senzorilor de teledetecție, care după colectarea datelor trebuie să transmită informația captată înapoi pe Pământ prin intermediul emițătoarelor instalate pe platforma de teledetecție, spre receptoarele (antenele) instalate pe suprafața Terrei. Aici datele sunt preprocesate și analizate din punct de vedere calitativ și cantitativ de către operatorii platformei de teledetecție, pentru a putea fi folosite în diferite aplicații.

1.4. Procesul de teledetecție

Orice metodă de vizualizare, analiză a obiectelor indiferent de distanță, fără a intra în contact direct cu acesta este o metodă de teledetecție, chiar și o poză făcută dintr-o construcție.

Teledetecția poate fi clasificată în funcție de înălțime, după cum urmează:

terestră (cu senzori montați pe vehicule și utilaje agricole);

aeriană (înălțimi mici, medii și mari);

spațială (înregistrări asupra globului Pământesc, Lună, corpuri cerești).

Fotografia aeriană nu poate să acopere acuratețea necesară cercetărilor topo – geodezice fără cunoașterea exactă a poziției camerei în momentul achiziției imaginii. Sistemele de navigație prin sateliți GNSS au putut asigura această cerință, astfel a apărut teledetecția aeropurtată modernă, cu senzori de teledetecție montați pe avioane, în vederea efectuărilor măsurătorilor (text preluat și adaptat din articolul cu titlul “Teledetecția – Schiță istorică” al lui Vais M., disponibil online la adresa de internet: http://www.crifst.ro/noema/doc/2010_b_03.pdf).

Teledetecția realizată de pe platformele satelitare au mai multe avantaje în sensul că prin intermediul acestora se pot culege date standardizate unitare de pe suprafețe întinse de teren, cu o rezoluție medie a imaginii (o imagine bună din punct de vedere calitativ) și repetitivă la anumite intervale de timp dând astfel posibilitatea de analiză pe dimensiunile timpului.

Posibilitatea aplicării teledetecției necesită cumulativ mai multe elemente:

zona țintă – despre care vrem să aflăm informații;

o sursă de energie (ex.: soarele);

o platformă și un senzor;

radiația electromagnetică – care pornește de la o sursă către țintă, iar o parte este reflectată către senzor;

emițătoare și receptoare – asigură legătura dintre platformele purtătoare de senzori de teledetecție cu Pământul.

De menționat ar fi faptul că există două tipuri de teledetecție și anume:

Teledetecție pasivă:

când sursa energiei este Soarele – senzorul captează energia reflectată;

când sursa energiei este însăși ținta (de exemplu: energie termală), iar acest tip de teledetecție este denumită teledetecție emisivă.

Teledetecție activă – când sursa energiei este senzorul în sine, deci atât emiterea energiei cât și captarea acesteia se face de către senzor (există doar în zona aferentă microundelor).

1.5. Componentele sistemului de teledetecție

Sistemele de teledetecție sunt compuse din două componenete principale și anume:

Sistem de colectare al datelor spațiale, echivalentul senzorului.

Componenta senzor înregistrează radiația electromagnetică, detectată ca o combinație a radiației solare reflectate (sistem pasiv) și radiația emisă de un obiect;

Platforma pe care este instalată senzorul (dronă, avion, satelit, utilaj agricol, etc).

Platformele de preluare (achiziție) a datelor pot fi încadrate în una dintre grupurile: satelitare, aeronave, sisteme și vehicule terestre.

CAPITOLUL II

RADIAȚIA ELECTROMAGNETICĂ

2.1. Proprietățile radiației electromagnetice

Radiația electromagnetică este un mijloc de transport al informației.

Există două teorii cu privire la definirea radiației electromagnetice și anume:

Teoria undelor – consideră radiația electromagnetică ca o undă și teoria particulelor care consideră că radiația electromagnetică constă din mai multe particule distincte.

Radiația electromagnetică are o natură duală, comportându-se în anumite situații ca niște particule denumite fotoni (de exemplu: emisie, absorbție), iar în cazul fenomenelor de propagare se comportă ca o undă sinusoidală harmonică. În cele ce urmează sunt tratate câteva aspecte cu privire la natura pe care o poate dobândi radiația electromagnetică.

1.) Natura Undei: Unda electromagnetică este transversală la care în fiecare punct al său câmpul electric este perpendicular pe câmpul magnetic și implicit pe direcția de propagare a acesteia.

Unda electromagnetică este caracterizată prin două mărimi și anume: lungimea de undă și frecvența.

Lungimea de undă = λ (m) – reprezintă cea mai scurtă distanță ce separă unda în două puncte identice ale sale la un moment dat.

Frecvența = ν (hz) – numărul de oscilații care trec prin același punct într-o unitate de timp.

Figura 2.1 – Unda electromagnetică

Lungimea de undă este legată de viteza de propagare a undei respective și de frecvența ei prin relația:

unde: λ – lungimea de undă (m), ν – frecvența (cicluri pe secunde, Hz),

c = viteza luminii (3 108 m ÷ s).

Ca o observație, trebuie să reținem că viteza de propagare a undelor este egală cu viteza luminii și că lumina nu necesită un mediu fizic de propagare (se propagă și în vidul cosmic), spre deosebire de sunet.

2.) Natura particulei:

Energia unui foton este dată de formula:

unde: c – viteza de propagare, λ – lungimea de undă, ν – frecvența,

h – constanta lui Plank = 6,6262 10-34 (Js).

Dualitatea particulă – unda a fost dezbătută de către “Louis de Broglie în 1924 în teza sa de doctorat unde arată că lungimea de undă este invers proporțională cu impulsul unei particule și că frecvența este direct proporțională cu energia cinetică a particulei” (sursă online: https://ro.wikipedia.org/wiki/Ipoteza_De_Broglie).

Relația de mai jos (2.3) leagă lungimea de undă λ cu impulsul particulei p.

unde: λ – lungimea de undă, h – constanta lui Plank = 6,6262 10-34 (Js),

p – impulsul particulei.

2.2. Spectrul electromagnetic

Spectrul electromagnetic, reprezintă totalitatea radiațiilor electromagnetice existente în Univers. Spectrul electromagnetic variază de la radiațiile cu lungimi de unde scurte (de exemplu: radiații gamma – are dimensiunea unui nucleu atomic, radiații X) până la cele cu lungimi de unde mari (exemplu: microundele și undele radio – au dimensiunea unor clădiri).

Există mai multe regiuni ale spectrului electromagnetic, care sunt utile pentru teledetecție, iar ce înseamnă de fapt aceste regiuni, “zone” sau “domenii” ale spectrului electromagnetic va fi detaliat în cele ce urmează.

Lumina vizibilă este cel mai la îndemână exemplu pentru a putea explica regiunile spectrului electromagnetic și nu trebuie să ne gândim decât la fenomenul de descompunere a luminii albe în fascicule colorate prin refracție, folosind o prismă triunghiulară, iar totalitatea acestor fascicule formează domeniul vizibil. Domeniul vizibil este doar un fragment extrem de redus ca dimensiune.

Figura 2.2 – Spectrul electromagnetic

Odată cu creșterea frecvenței, crește și energia asociată undei.

În domeniul teledetecției se folosesc undele cu lungimile aferente spectrului vizibil, infraroșu și microunde. În cele ce urmează este prezentată o mică descriere a acestor regiuni al spectrului electromagnetic.

Spectrul vizibil este reprezenta de lumina pe care ochiul uman este capabil să îl detecteze. În funcție de tipul de senzor utilizat lungimile de undă specifice fiecărei culori în parte pot altera, de aceea trebuie analizate specificațiile tehnice ale senzorilor.

Spectrul infraroșu poate fi divizat în două categorii în funcție de proprietățile radiațiilor și astfel avem infraroșu reflectat și infraroșu termal (emitent). Trebuie menționat că lungimea de undă specifică infraroșului termal este mai mare.

Microundele sunt cuprinse în intervalul lungimilor de unde situate între un milimetru și un metru și au cea mai mare lungime de undă folosită în teledetecție. Cea mai importantă caracteristică a microundelor este că acestea pot penetra norii. Spectrul de microunde este divizat în mai multe benzi identificate cu litere majuscule (D, F, K, X, C, S, L, etc.). Microundele sunt utilizate de către sistemele globale de navigație prin sateliți (GNSS), armată, telefoane mobile (GSM), radare, bluetooth, rețele fără fir (wireless), etc.

2.3. Noțiuni de radiometrie

În teledetecție măsurătorile se bazează pe două principii: radiometrie și fotometrie.

Conceptul de radiometrie este folosit pentru măsurători din mai multe domenii ale spectrului electromagnetic, în timp ce fotometria este bazată doar pe sensibilitatea ochiului omenesc (spectrul vizibil).

Termenul de radiometrie a fost preluat din limba franceză (radiométrie) și reprezintă totalitatea metodelor de măsurare a energiei radiațiilor.

Înainte de a enunța definițiile unităților de măsură folosite în radiometrie trebuie să avem în vedere că aceste măsuri cantitative de sine stătătoare nu sunt suficiente pentru ca un obiect aparținător al suprafeței terestre să pară mai luminos sau mai întunecat, deoarece aceste definiții sunt date pentru o direcție de propagare oarecare a fluxului radiant, iar cum senzorul care înregistrează datele poate fi considerat ca fiind doar o entitate punctiformă, este nevoie de introducerea conceptului de unghi solid care concentrează fluxul radiant pe o anumită direcție și suprafață. Lucrul într-un spațiu tridimensional implică introducerea unghiului solid în locul unghiului bidimensional.

2.3.1. Noțiunea de unghi solid și unități de măsură cantitative

Unghiul solid (Ω) este delimitat în spațiu de forma unui con circular drept. Unghiul solid poate fi privit ca fiind un unghi bidimensional într-un spațiu tridimensional, acesta fiind un con de ghidare a direcțiilor care pornesc dintr-un punct (vârful conului) și intersectează o anumită suprafață sferică. Unghiul solid înlocuiește măsurarea unei lungimi de arc de cerc (subîntinsă de un unghi) cu măsurarea unei suprafețe.

Unitatea de măsură a unghiul solid este steradianul (sr) – (și nu radiani ca în cazul unghiurilor bidimensionale). Un steradian este egal cu unghiul solid care are vârful în centrul unei sfere și decupează din aceasta o suprafață egală cu pătratul razei. Dacă considerăm o sferă cu raza de un metru, atunci unghiul solid care decupează din suprafața sferei o arie de un metru pătrat este considerat a fi un steradian.

Figura 2.3 – Unghi solid

În cele ce urmează sunt redate cele mai importante definiții din radiometrie, cu relevanță în domeniul teledetecției.

Energia radiantă este energia transportată de radiația electromagnetică și se măsoară în Joule (J).

Fluxul radiant (puterea radiantă) este energia radiantă (energia fotonilor) emisă, reflectată, primită sau transmisă pe unitate de timp și se exprimă în Wați (W), W = J ÷ s.

Intensitatea radiantă este măsura fluxului radiant emis, reflectat, transmis sau primit, pe unitate de unghi solid și se exprimă în (W ÷ sr). Aceasta este o mărime cantitativă dependentă de direcție.

Radianța este definită ca fiind fluxul radiant emis, reflectat, transmis sau primit (recepționat) de o suprafață, pe unitate de unghi solid și unitatea de arie proiectată a suprafeței. Aceasta este o măsură cantitativă direcțională și se exprimă în [W ÷ (sr m2)].

De menționat este faptul că radianța este o mărime caracterizată în funcție de timp, suprafață și de unghiul solid.

Aria proiectată reprezintă acea arie care se obține prin perpendicularizarea suprafeței studiate pe direcția sursei de energie.

Figura 2.4 – Aria proiectată a suprafeței terestre studiate

Iradianța este fluxul radiant incident (primit) pe o suprafață raportată la unitatea de arie a acesteia, exprimându-se în (W ÷ m2).

Emisivitatea radiantă este fluxul radiant emis de o suprafață raportată la unitatea de arie a acesteia și se exprimă în (W ÷ m2).

Orice mărime radiometrică se poate definii pe unitatea de lungime de undă, atribuind adjectivul “Spectral”. De exemplu, se poate folosi fluxul radiant spectral (W ÷ μm), sau radianța spectrală [W ÷ (m2 sr μm)].

Cum se observă în definițiile enunțate mai de dinainte, unitatea de măsură principală a radiometriei este energia și se măsoară în Joules. Prin adăugarea conceptelor geometrice (aria și unghi) și temporale (timp), obținem celelalte mărimi cantitative. Pentru a înțelege acest lucru iată o succesiune logică între mărimile caracteristice radiometriei:

Figura 2.5 – Rezumatul mărimilor cantitative din radiometrie

2.3.2. Noțiunea de corp negru

Corpul negru are o importanță deosebită în studiul radiațiilor electromagnetice și termice, deoarece acesta absoarbe cantitatea maximă de energie incidentă pe suprafața acestuia. Corpul negru poate fi privit ca fiind un absorbant ideal al radiațiilor. Deși nu reflectă și transmite radiații, acesta poate emite radiații într-un spectru dependent numai de temperatura absolută a corpului.

După cum îi spune și numele,un corp negru apare ca fiind de culoare neagră, deoarece nici o rază de lumină nu va fi reflectată de pe suprafața acestuia.

Temperatura corpului negru și lungimea de undă în care emite energie, sunt invers proporționale, cu cât crește temperatura corpului cu atât scade lungimea de undă.

Compararea unui corp negru cu o entitate fizică reală se face prin intermediul emisivității spectrale. Emisivitatea spectrală (ε) este definită, ca fiind eficiența cu care entitățile reale emit radiații termice în lungimi de unde diferite și este dată de raportul dintre radianța spectrală a entității și radianța spectrală a corpului negru cu temperatura absolută și lungimea de undă egală cu cea a entității studiate.

Emisivitatea poate lua valori între zero și unu, unde valoarea unu reprezintă emisivitatea corpului negru (pentru toate lungimile de undă), iar valoarea zero reprezintă un corp care reflectă toată cantitatea de radiație incidentă (reflector perfect).

Măsura reflectivității unei suprafețe sau a unui corp este cunoscută ca albedo. Albedo este o valoare cuprinsă tot între zero și unu. Un corp negru care ar absorbi toate lungimile de undă fără să reflecte niciuna, ar avea un albedo nul, în timp ce o oglindă perfectă, care ar reflecta toate lungimile de undă, fără să absoarbă niciuna, ar avea albedoul egal cu unu.

Cu cât valoarea emisivității spectrale este mai apropiată de valoarea unu ,cu atât entitatea este mai asemănătoare corpului negru.

Capitolul III

Interacțiunea radiației electromagnetice cu elementele componente ale Pământului

3.1. Interacțiunea materiei cu radiația electromagnetică

Corpurile interacționează cu radiația electromagnetică atât prin intermediul fenomenelor de reflexie și refracție cât și prin absorbție și emisie. Avantajul principal al teledetecției este dat de faptul că prin utilizarea acestei tehnologii, nici un obiect nu poate rămâne nedetectat.

Există două cazuri posibile pentru interacțiunea dintre radiația electromagnetică cu materia și anume:

Figura 3.1 – Interacțiunea materialelor cu radiația electromagnetică

De la sursa de lumină pornește radiația (solară) incidentă, parcurge atmosfera, este reflectată de către obiect și înregistrată de către senzor sub forma radiației solare reflectate.

În cazul sistemelor active de teledetecție (precum radar) radiația solară este înlocuită cu o sursă de energie artificială (de exemplu: fascicul laser).

Dacă privim imaginea de mai jos observăm o frunză de paltin, supusă, energiei solare provenite de la soare. După cum bine se știe vegetația prin fotosinteză își creează hrana, ceea ce înseamnă că o parte din raza incidentă este absorbită de către clorofilă (zonele roșu și albastru din domeniul spectrului vizibil), în timp ce o altă parte este transmisă prin textura vegetației (figura 3.2 – b) și reflectată de către clorofilă (zona verde corespunzătoare spectrului vizibil – în acest fel explicându-se culoarea verde a vegetației). În teledetecție o mare parte a radiației electromagnetice nu poate fi observată cu ochiul liber, dar poate fi detectată cu ajutorul senzorilor multispectrali care operează de exemplu și în banda infraroșu. În vederea analizei vegetației și interpretării înregistrărilor efectuate în spectrul infraroșu se obișnuiește ca în compozitul de imagine digitală RGB banda aferentă spectrului roșu să fie înlocuită cu banda infraroșie.

Există trei procese de interacțiune a radiațiilor electromagnetice cu materialele suprafețelor și anume: transmisie, absorbție și reflecție (figura 3.2 – a), iar conform legii lui Kirchhoff suma dintre fenomenele de absorbtivitate (αλ), reflectivitate (ρλ) și factorul de transmisie prin materie (τλ) este egală cu valoarea unu.

Figura 3.2 – Interacțiunea dintre energia electromagnetică (lumină) și vegetație

3.1.1. Procesele de interacțiune prin reflexie

Există două tipuri de reflexie și sunt prezentate în tabelul de mai jos (tabelul nr. 3.1).

Tabel 3.1 – Procesul de reflexie

Partajarea unei suprafețe netede de una accidentată se face după criteria lui Rayleigh.

Criteria lui Rayleigh este dată de următoarea inegalitate:

unde: h – abaterea medie pătratică a variației înălțimii aflate deasupra planului de referință în unități specifice λ, λ – lungimea de undă, ϴ – unghiul de incidență.

Dacă condiția este satisfăcută atunci suprafața este accidentată (brută), iar altfel suprafața este lină.

Pentru a putea folosi criteria Rayleigh este necesar să cunoaștem date cu privire la lungimea de undă, ondulația medie a suprafeței și unghiul de incidență.

Observație! O suprafață care apare ca fiind netedă într-o zonă particulară a spectrului vizibil poate fi accidentată în alte lungimi de undă.

3.1.2. Semnătura spectrală

“Semnătură spectrală a fost folosită încă de la începuturile teledetecției satelitare, fiind definită ca ansamblul de însușiri care condiționează interacțiunea radiațiilor electromagnetice cu materia” (text preluat din raportul întocmit cu ocazia celui de-al VIII – lea Congres Mondial de Știința Solului, articol disponibil online pe adresa de internet: https://www.academia.edu/9177757/CONTRIBUTII_ALE_CERCET%C4%82RII_DIN_ROM%C3%82NIA_LA_UTILIZAREA_TELEDETECTIEI_SATELITARE_%C3%8EN_AGRICULTURA_SECOLULUI_XXI).

Semnătura spectrală este un identificator unic al obiectelor. Obiectele particulare pot fi departajate unele de altele prin modul în care ele interacționează cu radiația electromagnetică.

Semnătura spectrală este o reprezentare grafică bidimensională, care are structurată pe o axă reflectanța, iar pe cealaltă axă lungimile de undă.

3.1.3. Reflectanța

Reflectanța este raportul dintre cantitatea de radiație incidentă pe o anumită suprafață “obiect” la cantitatea de radiație reflectată de aceasta. De exemplu stratul de ozon absoarbe razele ultraviolete, deci reflectanța este foarte slabă în zona spectrului ultraviolet.

Reflectanța nu este măsurată pe cale directă, ea se determină indirect prin prelucrarea imaginii.

Există două tipuri de reflectanță:

Reflectanța de deasupra atmosferei (Top of atmosphere reflectance) – este reflectanța care se obține de la un senzor al cărei altitudini este mai mare decât atmosfera terestră la momentul înregistrării de date. Această valoare calculată a reflectanței include efectele provocate de nori și de aerosolul atmosferic (particulele lichide și solide dintr-un gaz).

Reflectanța de suprafață este reflectanța suprafeței terestre, la care componenții atmosferici nu afectează spectrul de reflexie.

În teledetecție reflectanța are o importanță deosebită, cu ajutorul căreia se pot analiza caracteristicile unice ale elementelor componente ale suprafeței terestre prin analiza diagramei semnăturilor spectrale. Reflectanța spectrală este unică pentru fiecare obiect individual.

3.1.4. Analiza modelului spectral

Conform celor descrise în paragrafele anteriore știm cum poate interacționa energia electromagnetică cu elementele componenete ale suprafeței Pâmântului.

Fiecare element (corp) interacționează diferit în sensul că reflectă, absoarbe și permite transferul energiei electromagnetice prin structura sa în ponderi diferite în funcție de materialul (materialele) din care este compus. Aflarea caracteristicilor obiectelor se face prin analiza modelului spectral în funcție de lungimea undei și reflectanță. Pentru a evidenția diferitele caracteristici spectrale ale obiectelor să analizăm graficul prezentat în figura 3.3, de pe pagina următoare unde sunt redate reflectanțele spectrale suprapuse a trei tipuri de obiecte distincte: betonul, pinul și stejarul.

Sursa diagramei a fost o imagine care redă trei zone acoperite proponderent doar cu unul din tipurile de obiecte enumerate mai sus (o pădure de fag, o pădure de pin și o zonă urbană acoperită cu beton), obținută prin folosirea unui senzor multispectral capabil să înregistreze date în diferitele domenii ale spectrului electromagnetic (spectrul vizibil și infraroșu).

Figura 3.3 – Diagrama semnăturilor spectrale

Diagrama este una bidimensională, unde axa (Y – vertical) redă reflectanța obiectelor în procente, iar axei (X – orizontal) îi corespunde lungimea de undă aferentă diferitelor benzi spectrale utilizate având sensul pozitiv înspre dreapta, în micrometri.

Două obiecte aparțin vegetației (stejarul și pinul) iar acest lucru poate fi dedus din creșterea reflectanței în banda verde (între 0,5 și 0,6 micrometri) și în infraroșu (apropiat) combinat cu absorbția bandei albastre și roșii.

Reflectanța vegetației sănătoase se comportă conform acestui grafic, iar distingerea tipurilor de vegetație se poate face cu precădere în banda infraroșu apropiat, unde raportul de variație al liniilor care indică reflectanța pentru fiecare obiect în parte este mai semnificativ. În diagrama de mai sus se observă că domeniul spectral cel mai potrivit pentru analiza acestor trei tipuri de obiecte este situată între 0,8 și 1,3 micrometri.

Vegetația sănătoasă reflectă infraroșu apropiat în timp ce cea uscată nu (folosit pentru depistarea camuflajului). În realitate analiza unei imagini preluate în infraroșu este mult mai utilă decât deplasarea la fața locului și analizarea frunzelor cu privire la starea de sănătate a vegetației.

3.2. Interacțiunea radiației electromagnetice cu atmosfera – efecte

Deoarece Pământul este înconjurat de atmosferă, atât radiația electromagnetică incidentă (care pătrunde și o traversează) cât și cea reflectată este perturbată într-o măsură oarecare, în funcție de mai mulți factori. Fenomenele sunt cele de absorbție, împrăștiere (scattering) și refracție.

Particulele componenete ale atmosferei pot absorbi sau împrăștia energia electromagnetică astfel datele înregistrate de către senzor sunt afectate de erori. Datele brute (valorile celulelor imaginii) sunt denumite în teledetecția satelitară numere digitale, acestea nu sunt calibrate și nu au nici măcar unitate de măsură. În acest stagiu incipient, datele includ efectele sursei de lumină, care nu este uniformă în toate lungimile de undă, efectele senzorului, efectele atmosferei, efectul materialului de suprafață (obiectul studiat). Pentru a face niște analize cantitative folosind aceste date este necesară corectarea (înlăturarea) efectelor amintite mai de dinainte, pentru a obține doar efectele produse de suprafața terestră în contact cu energia electromagnetică.

Prima corecție de acest gen se numește calibrare, iar în urma acestui proces numerele digitale aferente celulelor componente ale imagini satelitare vor fi transformate într-o unitate fizică denumită ca radianță (vezi la subcapitolul intitulat “Noțiunea de unghi solid și unități de măsură cantitative” – pagina 18). Acest proces se face cu ajutorul programelor specializate și are ca scop înlăturarea efectelor datorate senzorului.

Următorul proces este de a înlătura toate efectele atmosferice, lăsând la final doar efectul suprafeței terestre studiate (efectul obiectelor studiate), iar acest proces este denumită,corecția atmosferică. În urma corecției atmosferice se obțin pentru fiecare pixel al imaginii valorile de reflectanță.

Figura 3.4 – Interacțiunea radiației electromagnetice cu atmosfera

3.3. Rezoluții și tipuri de senzori utilizați în teledetecție

Înainte de o enumerare a senzorilor este necesară elaborarea câtorva definiții:

Rezoluția spațială este dată de dimensiunea celei mai mici componente a unei imagini, ea fiind definită ca cea mai mică suprafață de teren care poate fi redată de o celulă (pixel).

Rezoluția spectrală este numărul benzilor cu lungimile de undă specifică ce poate fi captat de un senzor.

Rezoluția temporală este denumită și perioada de revizitare și reprezintă o unitate de măsură a frecvenței de revizitare al aceleiași zone de către un senzor.

Rezoluția radiometrică specifică cât de bine poate fi percepută diferența de luminozitate dintr-o imagine și se măsoară în nuanțe de gri. Numărul maxim de valori este dat de numărul de biți (numere binare) și aparține intervalului [0, n]. Imaginile digitale pot avea mai multe tipuri de rezoluții radiometrice, după cum urmează:

Rezoluții radiometrice pe un bit – cu două nivele de intensitate reprezentate de valorile zero și unu (alb și negru);

Rezoluții radiometrice pe patru biți – (16 nuanțe de gri);

Rezoluții radiometrice pe opt biți (LANDSAT 5 și 7) – (256 nuanțe de gri [0, 255]);

Rezoluții radiometrice pe 11 biți – (2048 nuanțe de gri);

Rezoluții radiometrice pe 16 biți (LANDSAT 8) – (sateliți ERS) de reprezentare a 65.536 nuanțe de gri.

Tabel 3.2 – valori ale nuanțelor posibile de gri în funcție de numărul de biți

Ca o observație la acest subpunct, se poate afirma că odată cu creșterea rezoluției radiometrice a unei imagini crește și intervalul de valori al nuanțelor de gri.

Este important de reținut faptul că, datele digitale modelate pe puțini biți fac zonele luminoase să pară supraexpuse, iar în zonele umbrite se pierd informații prețioase tocmai datorită numărului scăzut de culori.

Realizarea înregistrărilor de teledetecție în domeniul multispectral, a fost condiționată de fabricarea senzorilor sensibili la anumite (mai multe) lungimi de undă.

Senzorii folosiți în teledetecție sunt de două tipuri, în funcție de tipul de teledetecție: senzori pasivi și activi.

Senzorii pasivi sunt cei care detectează radiațiile naturale care au fost emise sau reflectate de către un obiect din spațiu (reflecția luminii soarelui este cea mai comună sursă de radiație).

Senzorii activi își asigură propria sursă de energie pe care o emit spre obiectele care se doresc a fi investigate, după care detectează radiația care este reflectată.

Tabel 3.3 – Exemple de senzori

În încheierea acestui subcapitol, având în vedere că tema tezei de doctorat se bazează pe imagini obținute prin teledetecție, trebuie precizat faptul că există două tipuri de imagini care se pot obține în urma procesului de înregistrare și anume: imagini analogice și digitale.

O fotografie aeriană este o înregistrare analogică pentru că ea folosește un film și au rezoluții spațiale foarte mari, iar o imagine digitală are o rezoluție spațială mai mică (exemplu imaginile satelitare LANDSAT) și presupune o reprezentare binară a informației conținute – (limbaj pe care se bazează sistemele informatice), iar informația rezultată poate fi comprimată și transmisă într-un mod mult mai avantajos, oferind astfel facilități pe care imaginile analogice nu le pot oferi. În zilele noastre rezoluția spațială a imaginilor digitale s-a îmbunătățit considerabil datorită sistemelor transportoare de senzori și imaginisticii avansate, astfel încât suntem asaltați cu date digitale de o înaltă și foarte înaltă rezoluție spațială.

3.4. Misiunea LANDSAT

3.4.1. Istoricul programului LANDSAT

Programul LANDSAT a fost demarat de către Statele Unite ale Americii cu denumirea de ERTS (Earth Resources Technology Satellite), fiind inspirat de către misiunea Apollo în timpul căruia a fost obținută prima imagine multispectrală destinată cercetării resurselor Pământului. Sateliții LANDSAT au fost utilizați începând cu anul 1972 furnizând informații și date utile până în prezent despre suprafața terestră. Din anul 2008 toate datele culese în misiunile LANDSAT sunt puse la dispoziția utilizatorilor cu titlu gratuit, fiind cel mai vast program în domeniul teledetecției satelitare cu caracter comercial.

În raportul emis de cel de-al VIII-lea Congres Mondial de Știința Solului se specifică faptul că “Munteanu et al. (1977), Albotă (1978) și Zegheru și Albotă (1979) au fost primii care au evidențiat că principalul avantaj al imaginilor LANDSAT MSS îl reprezintă mărimea acoperirii (170 185 kilometri) și localizarea geografică a datelor – culese în spectrul vizibil și infraroșu apropiat – care permit o viziune globală, complementară studiilor de teren”.

Misiunile LANDSAT 1, LANDSAT 2 și LANDSAT 3 au fost bazate pe sateliții din prima generație, acestea fiind exploatați în perioada cuprinsă între 1972 și 1983, având instalat la bord scannere multispectrale.

Misiunile LANDSAT 4 și LANDSAT 5 au beneficiat de cea de-a doua generație de sateliți prin adăugarea mai multor benzi spectrale, ceea ce a dus la diversificarea datelor. Trebuie amintit că misiunea LANDSAT 5 a fost cea mai longevivă, însumând în total 29 ani de ani de flux continuu de date spațiale.

Misiunile LANDSAT 6 și LANDSAT 7 au avut o nouă generație de sateliți, care a avut instalat la bord senzorul ETM. Din păcate satelitul LANDSAT 6 nu a mai ajuns pe orbită, acesta fiind un eșec total.

Satelitul LANDSAT 8 a fost lansat în luna februarie a anului 2013 și reprezintă cea de-a patra generație de sateliți.

Următoarea lansare de satelit este programată în anul 2023 și este continuarea generației de sateliți LDCM – (Landsat Data Continuity Mission).

Figura 3.5 – Rezumatul misiunilor LANDSAT

3.4.2. Evoluția sateliților LANDSAT

Pentru a vedea evoluția sateliților LANDSAT în cele ce urmează este prezentat un studiu comparativ între prima generație de sateliți și ultima generație.

Prima generație de sateliți a constat din lansarea a trei sateliți identici, echipați cu un senzor multispectral (MSS) și mai multe camere video (RBV – Return Beam Vidicons). Perioada exploatării primei generații de sateliți a durat 11 ani începând cu anul 1972 până în anul 1983.

Altitudinea sateliților era între 907 și 915 kilometri, iar timpul scurs dintre două scanări succesive ale aceleiași zone era de 18 zile, având dimensiunea scenei observate de 170 185 kilometri, 185 185 kilometri – LANDSAT 3.

Rezoluția spațială a imaginii era de 80 metri (40 metri – LANDSAT 3), ceea ce înseamnă că programul operațional LANDSAT și-a început prima misiune folosind senzori de înaltă rezoluție spațială.

Rezoluția spectrală a senzorului (numărul de benzi) era de patru, numerotate cu cifre arabe de la patru la șapte (5 benzi la LANDSAT 3, care includea pe lângă benzile verde, roșu, două benzi în infraroșu apropiat și o bandă de infraroșu termal, care a eșuat după puțin timp de la lansare).

A patra generație de sateliți se regăsește în misiunea LANDSAT 8 și care este prevăzut cu două tipuri de senzor: un senzor multispectral denumit OLI (Operational Land Imager) și un senzor termal TIRS (Thermal Infrared Sensor). În cele ce urmează sunt redate mai multe caracteristici tehnice.

Altitudinea satelitului este de: 705 kilometri, iar timpul scurs dintre două scanări succesive ale aceleiași zone este de 16 zile, având dimensiunea scenei observate de 170 185 kilometri.

Rezoluția spațială a senzorului OLI este de 30 30 metri, cu excepția bandei pancromatice care are o rezoluție de 15 15 metri, iar cea a senzorului TIRS este de 100 100 metri.

Rezoluția spectrală a senzorului OLI este de nouă, iar cea a senzorului TIRS este de doi, însumând în total un număr de 11 benzi spectrale.

3.4.3. Compararea rezoluției spațiale cu rezoluția spectrală

Deși rezoluția spațială a imaginilor LANDSAT lasă de dorit, în ceea ce privește rezoluția spectrală este cea mai bună alegere. La alegerea tipului de imagine utilizat trebuie să se facă un compromis în ceea ce privește rezoluția spectrală și cea spațială a unei imagini.

Figura 3.6 – Rezoluții spațiale (a – rezoluție 30 m, b – rezoluție 0.5 m, c – rezoluție 0.1 m

Cele trei imagini de mai sus (figura 3.6) redau aceeași zonă situată în intravilanul municipiului Miercurea Ciuc (Loc. Miercurea Ciuc) prin intermediul a trei tipuri de rezoluții spațiale. Imaginea din stânga (figura a) este o imagine satelitară preluată de către senzorul OLI al satelitului LANDSAT 8 (descărcată de pe pagina de internet http://earthexplorer.usgs.gov/) și are o rezoluție spațială de 30 metri, ceea ce înseamnă că un singur pixel al imaginii redă o suprafață de nouă ari (30 30 metri). Imaginea din mijloc (figura b) este un ortofotoplan, achiziționat cu ajutorul unei camere digitale și are o rezoluție spațială de 0,5 metri, această rezoluție spațială este întâlnită și la imaginile satelitare utilizate de către Google Earth. Imaginea din dreapta (figura c) este o imagine digitală preluată de la o altitudine mică și are o rezoluție de 0,1 metri.

Pentru a analiza un tip de obiect este necesar alegerea unei rezoluții spațiale astfel încât dimensiunea unui pixel să fie mai mică decât jumătatea din dimensiunea obiectului analizat.

În figura 3.7 sunt prezentate două imagini care readau o zonă din extravilanul municipiului Miercurea Ciuc, situată în partea de Nord al reședinței județului Harghita. Ambele imagini au fost preluate de către senzorul OLI instalat pe platforma satelitară LANDSAT 8 și au fost achiziționate de pe pagina de internet: http://earthexplorer.usgs.gov.

În partea stângă (figura 3.7. a) se distinge o imagine multispectrală (compozit de imagine RGB fals color din benzile 4, 3, 2,), iar în partea dreaptă (figura 3.7. b) este reprezentată o imagine pancromatică cu o rezoluție spațială de 15 metri (deci superioară imaginii situate în stânga care are rezoluție de 30 metri). Deși ,imaginea din dreapta are o rezoluție spațială mai înaltă (conține mai multe detalii spațiale), imaginea din stânga conține mai multe informații datorită rezoluției spectrale mai înalte. Imaginea pancromatică poate conține doar 256 de nuanțe de gri, deci inferioară chiar și ochiului uman care poate distinge peste 100.000 de culori. De exemplu pe compozitul fals color (infraroșu) se pot distinge vizual terenurile cu vegetație sănătoasă și nesănătoasă, ceea ce nu se poate afirma în cazul imaginii pancromatice. În imaginea pancromatică terenurile numerotate cu unu și cinci sunt asemănătoare ca nuanță de culoare,însă diferite din punctul de vedere al vegetației, iar analizând imaginea din stânga se observă că terenul identificat cu numărul unu este acoperit cu o vegetație sănătoasă iar terenul identificat cu numărul cinci nu conține deloc vegetație (nu este reflectată lungimea de undă aferentă domeniului infraroșu). Tot în imaginea multispectrală se observă că terenurile numerotate cu doi și trei diferă prin sănătatea vegetației, dar în imaginea pancromatică se observă că acestea sunt relativ asemenea.

Figura 3.7 – Avantajele rezoluției spectrale

CAPITOLUL IV

Elemente de poziționare și tehnologii de modelare a datelor spațiale

4.1. Suprafețe de referință

Planul, sfera, elipsoidul de rotație sunt utilizate ca suprafețe de referință și pe care se definesc diferite sisteme de coordonate, care ne ajută să descriem pozițiile punctelor de interes [Munteanu. C. Gh., 2002 – Cartografie matematică, București, Editura “Matrix”].

Forma fundamentală a Pământului se consideră a fi geoidul. Geoidul este definit de Carl Friedrich Gauss ca fiind o suprafața echipotențială, care în fiecare punct al său este perpendicular pe verticala locului, dată de firul cu plumb. Geoidul este dat de suprafața medie liniștită a mărilor și oceanelor, considerate prelungite pe sub continente. Cea mai asemănătoare formă geometrică față de geoid este elipsoidul de rotație.

Situația dintre geoid și elipsoid este ilustrată în figura 4.1 și descrisă în cele ce urmează. Pe uscat geoidul se află deasupra elipsoidului, iar pe apă se află dedesubtul elipsoidului. Diferența maximă altimetrică dintre elipsoid și geoid nu depășește 150 metri. Legătura dintre geoid și elipsoid este stabilită de datumul geodezic. Datumul geodezic definește la rândul lui forma și dimensiunile globului terestru, precum și originea și orientarea sistemului de coordonate utilizat pentru reprezentarea suprafeței terestre.

Figura 4.1 – Relația dintre elipsoid și geoid

4.1.1. Elipsoidul de referință

Elipsoidul de rotație mai este denumit și elipsoid de referință și rezultă din rotirea elipsei meridiene în jurul axei sale mici (axa polilor geografici). Elipsoidul este turtit la cei doi poli și bombat la Ecuator.

Elipsoidul de referință poate fi descris cu ajutorul următorilor parametrii:

Figura 4.2 – Elipsa meridian al elipsoidul de rotație

Elipsoidul de referință adoptat în România în anul 1951 este elipsoidul Krasovski (1940), iar elipsoidul standard global (folosit și de către sistemul de poziționare al Statelor Unite – GPS) este WGS 84.

Oricare punct de pe suprafața elipsoidului poate fi determinat cu formule matematice. Deși suprafața acestuia poate fi modelat cu funcții matematice și aproximează suprafața terestră, nu poate reda fidel caracteristicile fizice ale Pământului, deoarece neregularitățile scoarței terestre sunt cuprinse între o altitudine de 8848 metri (Muntele Everest din Munții Himalaya) și o adâncime de 11022 metri aflată sub nivelul mării (Groapa Marianelor din Oceanul Pacific), deci în total o diferență de nivel de 19870 metri.

4.1.1.1. Coordonate geografice pe elipsoid

Coordonatele geografice mai sunt denumite și coordonate geodezice și sunt notate cu B, L și H, iar acestea sunt definite cu ajutorul normalei în punctul considerat.

Figura 4.3 – Elipsoidul de referință și coordonatele geografice definite pe suprafața acestuia

Latitudinea este notată cu litera B și este valoarea unghiului format de normala la elipsoid cu planul Ecuatorului și poate lua valori de la [00, 900] în emisfera nordică și [00, – 900] în emisfera sudică. Ecuatorul are latitudinea egală cu 00 și împarte Pământul în două părți egale obținându-se astfel emisfera nordică și sudică.

Longitudinea este notată cu litera L și este unghiul diedru format între planul meridianului care trece prin proiecția punctului considerat pe elipsoid cu planul meridianului origine Greenwich și se măsoară în longitudine vestică [00, -1800] și longitudine estică [00, 1800]. Meridianul Greenwich împreună cu opusul său împart Pământul în două emisfere și anume emisfera vestică și cea estică. Simbolurile matematice (+) și (–) pot fi înlocuite cu denumirile punctelor cardinale scrise după valorile unghiurilor astfel: pentru latitudine N și S, iar pentru longitudine E și V.

4.1.1.2. Linii de coordonate

Cu siguranță toți am avut ocazia să privim o hartă a lumii sau un glob Pământesc, pe care erau trasate linii orizontale și verticale, care prin suprapunerea lor generau intersecții și formau o rețea de trapeze. Acea rețea de trapeze este denumită rețea de meridiane și paralele, iar paralelele și meridianele sunt considerate linii de coordonate deoarece toate punctele situate de-a lungul acestora au o coordonată fixă care nu suferă modificări.

Paralelele sunt cercuri a căror rază variază în funcție de latitudine, atingând un maxim la Ecuator și un minim la cei doi poli. Paralelele sunt paralele cu Ecuatorul (B = 00) și perpendiculare pe axa polilor geografici.

Meridianele sunt jumătăți de elipsă care au extremitățile în cei doi poli geografici și sunt perpendiculare pe Ecuator.

Meridianele și paralelele sunt liniile de coordonate ale sistemului de coordonate geografice și se reprezintă pe hărți constituind rețeaua cartografică.

4.1.2. Sfera terestră

La fel ca și elipsoidul de rotație și sfera aproximează suprafața terestră. Între cele două suprafețe de referință nu există diferențe majore, iar cele mai multe lucruri amintite la elipsoid sunt universal valabile și la sferă.

4.1.2.1. Coordonate geografice pe sferă

Coordonatele geografice de pe sferă se definesc cu ajutorul razei care trece prin punctul considerat [Munteanu. C. Gh., 2002 – Cartografie matematică, București, Editura “Matrix”].

Coordonatele geografice (latitudinea – φ și longitudinea – λ) sunt similare cu cele de la elipsoidul de referință.

Figura 4.4 – Cordonate geografice pe sferă

4.1.3. Planul de proiecție

“Înainte de a fi reprezentate grafic, pe o foaie de hartă sau pe un plan topografic, punctele din teren sunt reprezentate pe un plan, printr-o pereche de valori numerice, care reprezintă coordonatele sale plane. Acest plan este denumit plan de proiecție” [Munteanu. C. Gh., 2002 – Cartografie matematică, București, Editura “Matrix”].

Există două tipuri de coordonate și anume: coordonate plane polare (se definește printr-un unghi și o distanță) și coordonate plane rectangulare (se definesc pe axa Nord și axa Est).

Figura 4.5 – Coordonate plane rectangulare și polare

Sistemele de coordonate geografice au totuși un neajuns, deoarece distanțele nu se măsoară într-o unitate liniară, ci în unghiuri (în arce de cerc). Dacă se consideră un fus de 100, distanțele dintre extremitățile arcului (de la capătul estic la cel vestic), măsurate de-a lungul liniilor de latitudine (paralel cu Ecuatorul), diferă semnificativ în funcție de valoarea latitudinii. Datorită acestui fapt a fost utilă introducerea proiecțiilor cartografice.

4.2. Proiecții cartografice

Sistemele de proiecție în esență proiectează coordonatele geografice pe o suprafață bidimensională. Elementele proiectate sunt distorsionate în funcție de tipul de proiecție (formă, distanțe, suprafețe, direcții) însă unitatea de măsură pentru distanțe este unul de tip liniar. În urma proiectării, elementele pot lua valori negative pe abscise și ordonate, motiv pentru care a fost necesară introducerea Estului și Nordului fals, adică translatarea originii sistemului de coordonate astfel încât toate valorile să fie pozitive.

Un sistem de referință stabilește legăturile dintre sistemele de coordonate și Pământ. Altfel spus fiecărui punct aflat pe suprafața terestră îi corespunde un set de coordonate unice.

4.2.1. Proiecția Stereografică 1970

În România sistemul național de referință este bazat pe elipsoidul Krassowsky 1942 cu proiecția stereografică 1970 (Stereo ’70) pentru poziționarea elementelor planimetrice și geoidul pentru altitudini (sistemul de cote Marea Neagră 1975).

Deoarece în România suntem în cel de-al cincilea deceniu în care proiecția Stereografică 1970 este sistemul de proiecție oficial adoptat, fiind obligatoriu pentru toată suprafața țării, ceea ce însemnă că toate hărțile și planurile întocmite prin lucrări geodezice, fotogrammetrice, cartografice sunt executate în această proiecție cartografică, iar în cele ce urmează sunt prezentate sumar câteva date cu privire la aceasta.

Proiecția Stereografică 1970 este o proiecție azimutală (proiectată pe un plan secant la suprafața de referință), oblică, conformă (adică nu deformează unghiurile, iar acest lucru permite prelucrarea măsurătorilor direct în planul de proiecție, fără calculul coordonatelor geografice, cu condiția aplicării unor corecții de reducere la planul de proiecție).

Figura 4.6 – Deformații liniare în urma proiecției stereografice 1970

Centrul proiecției este un punct fictiv situat în centrul țării și are coordonatele geografice 250 longitudine estică și 460 latitudine nordică. Planul de proiecție este un plan secant care se află aproximativ la o adâncime de 3,2 kilometri față de planul tangent la sfera terestră în punctul central. La intersecția planului secant unic cu sfera terestră de rază medie s-a obținut un cerc de deformație nulă cu o rază aproximativă de 202 kilometri, care încadrează în mare măsură suprafața României. Pentru punctele situate în interiorul acestui cerc, deformațiile sunt negative, iar pentru cele aflate în afara cercului, deformațiile sunt pozitive. Deformațiile cresc odată cu distanțarea față de centrul proiecției. În centrul proiecției există o deformație negativă de 25 centimetri pe kilometru, cresc până la cercul de deformație nulă (deformații nule), ajungând ca la o distanță de 385 kilometri de la centrul proiecției să atingă o deformație pozitivă de aproximativ 64 de centimetri pe kilometru.

Deformațiile liniare au fost prezentate schematic în figura 4.6 de pe pagina precedentă, unde s-a avut în vedere faptul că în cadrul proiecției azimutale stereografice, dreptele de proiecție pornesc dintr-un punct diametral opus originii centrului proiecției.

4.2.2. Proiecția Universal Transversal Mercator (UTM) și sistemul de navigație prin sateliți NAVSTAR GPS

Un alt sistem de proiecție utilizat pentru reprezentarea zonelor aflate pe teritoriul României (inclusiv imaginile satelitare LANDSAT) este proiecția UTM, având ca suprafață de referință elipsoidul WGS 84 și fiind atașat sistemul geodezic mondial WGS 84, utilizat pe tot mapamondul. Proiecția UTM a fost folosită prima dată de către americani, pentru cartografierea zonelor de război. Această proiecție a fost folosită începând cu anul 1949 de către Statele Unite și organizațiile militare ale țările membre NATO, deci hărțile topografice militare din aceste zone sunt întocmite în această proiecție.

În anul 1951 Uniunea Internațională de Geodezie și Geofizică (IUGG) a stabilit că această proiecție poate fi utilizată și în scopuri civile, astfel este utilizat și la întocmirea hărților civile cu precădere în Statele Unite și în țările Europei de Vest.

Deoarece în cadrul acestui subcapitol s-a făcut pomenire de sistemul de referință WGS 84, folosit și de către sistemul de poziționare global, trebuie făcute câteva precizări cu privire la sistemul de navigație satelitară americană denumită NAVSTAR GPS, sistem fundamental al zilelor noastre.

Acest sistem a fost creat pentru deservirea scopurilor militare, dar după ce un zbor al Liniilor Aeriene Coreene (KAL) a fost doborât pentru că a pătruns în spațiul aerian sovietic datorită unei erori de navigare, Președintele Ronald Reagan a emis o directivă prin care sistemul GPS devine disponibil pentru uz civil. Sistemul a fost proiectat cu o constelație de 24 de sateliți cu orbite circulare și o altitudine de 20.200 kilometri, plasați în așa fel încât, din orice punct de pe suprafața Pământului, să fie vizibili minim patru sateliți (text preluat și adaptat din articolul cu titlul “Teledetecția – Schiță istorică” al lui Vais M., disponibil online la adresa de internet: http://www.crifst.ro/noema/doc/2010_b_03.pdf).

Asemănător sistemului GPS la ora actuală mai există și alte sisteme globale de navigație prin sateliți (GNSS). Această precizare este necesară, deoarece în general există o confuzie care se face între sistemul de navigație global coordonat de către Statele Unite (GPS) și sistemele globale de navigație prin sateliți (GNSS), care cuprind totalitatea sistemelor de navigație de pe glob și anume:

GPS;

GLONASS – sistemul de navigație prin sateliți folosit de către Federația Rusă;

GALILEO – sistemul de navigație European;

COMPASS – sistemul de navigație implementat de către China.

În marea majoritate a cazurilor când se dorește într-un context utilizarea termenului de GNSS ca sisteme de navigație prin sateliți se folosește în mod eronat acronimul GPS.

4.3. GIS – Sisteme informaționale geografice

4.3.1. Generalități

“Un sistem informațional geografic are scopul principal reprezentarea computerizată a suprafeței terestre, a obiectelor și a fenomenelor, astfel încât să permită efectuarea analizelor spațiale” [Keller I. E., 2010 – GIS Sisteme Informatice Geografice, Cluj-Napoca, Editura “Casa Cărții de Știință”].

Una dintre cele mai reprezentative definiții ale GIS-ului este dat de către Săvulescu (1996): “GIS reprezintă o colecție organizată de hardware, software, date spațiale și persoane, pentru capturarea, stocarea, actualizarea, manipularea, analiză și afișare de informații referențiate geografic”.

Toate domeniile de activitate care folosesc date spațiale și au ca sarcină luarea de decizii pot utiliza GIS

Componentele unui GIS sunt:

Hardware – echipamente fizice (stocare, intrare și ieșire);

Software – programe specializate;

Date – cea mai importantă componentă a unui GIS;

Personal – administratorii sistemului;

Aplicații – metode și proceduri pentru introducerea, gestionarea și vizualizarea datelor.

Tipurile de date cu care operează sistemele informaționale geografice sunt date de tip spațial (date grafice) și date de tip atribut (date textuale, sunt atașate datelor spațiale).

4.3.2. Modelarea datelor spațiale

Modelarea este operația de transformare a observațiilor efectuate asupra lumii reale în seturi de date utilizate de către un GIS (Keller I. E., 2010). Modelul în termeni simpli este o generalizare a lumii reale, iar prin operația de modelare se obține modelul spațial.

Entitățiile spațiale (grafice) cu ajutorul cărora se face modelarea sunt de tip punct, linie și suprafață. Pe lângă entitățile enumerate mai de dinainte mai există și conceptul de suprafață 3D, care poate fi utilizat pentru reprezentarea modelului digital al terenului – DEM.

Entitățiile grafice pot fi reprezentate sub două formate și anume:

Formatul vector – sub forma unor linii multistratificate (multinivel). Formatul vector poate avea structură de date cu topologie (are definite relațiile dintre entitățile grafice componente) și fără topologie.

Formatul raster – se prezintă sub forma unei rețele regulate de celule (pixeli), de exemplu o imagine.

Datele obținute prin teledetecție sunt indispensabil legate de GIS, deoarece prelucrarea, analizarea și clasificarea imaginilor de teledetecție este posibilă doar prin intermediul sistemelor informaționale geografice. Teledetecția oferă baza de dată primară (un amalgam de date), atât de vitale pentru funcționalitatea sistemului.

4.4. Modelul tridimensional

Modelare 3D este procesul de realizare prin reprezentări matematice a oricărei suprafețe tridimensionale (fie un obiect sau o suprafață) prin intermediul programelor specializate. Produsul final obținut în urma procesului de modelare este denumit model 3D.

Modelul 3D în literatura de specialitate poate fi suplinit cu o multitudine de acronime, cu mici, mari diferențe între ele, dar care au ca obiectiv principal o reprezentare tridimesională a terenului.

MNAT – Modelul numeric altimetric al terenului;

MNT – Modelul numeric al terenului;

MDAT – Modelul digital altimetric al terenului;

MDT – Modelul digital al terenului;

MDE (engleză: DEM) – Model digital al elevației;

MDST – Modelul digital al suprafeței topografice;

MDS (engleză: DSM) – Modelul digital al suprafeței, conține informații altimetrice (pe lângă suprafața topografică) și pentru obiectele situate deasupra solului (arbori, construcții, etc.), util în modelarea suprafețelor urbane.

În GIS modelul 3D are o multitudine de aplicații practice, dintre care amintim cele expuse de Burrough în anul 1986:

Calcule de volum (umplutură și săpătură);

Analiza vizibilității (util în topografie, tehnică militară, comunicații, etc.);

Identificarea zonelor supuse dezastrelor naturale (ex.: inundații și alunecări de teren);

Determinarea orientării pantelor și gradul de înclinare al acestora, etc.

Tot aici trebuie menționat că DEM-ul este indispensabil când facem analize asupra eroziunii solului, analize hidrologice și orice alte analize care sunt în legătură directă cu gradul de înclinare (pantă, relief) al suprafeței terestre.

Modelele 3D au o utilitate crescută în toate domeniile tehnice, pornind de la domeniul construcțiilor, hidrologiei, geomorfologiei, îmbunătățirilor funciare, până la mecanică ș. a. m. d.

Modelul 3D nu este doar o simplă reprezentare asistată de calculator ci este una dintre cele mai plăcute și spectaculoase metode de vizualizare a informațiilor. În cazul suprafețelor 3D, la fel ca în cele prezentate în subcapitolul anterior, nu procesul de generare a modelului 3D este greoi, ci etapa de culegere a datelor primare.

Obținerea modelului 3D se poate face prin diverse metode și anume:

Convertirea în format digital al hărților și planurile topografice analogice prin vectorizarea curbelor de nivel;

Măsurători directe executate cu instrumente topografice (receptoare GNSS, stații totale, scanere laser, etc);

Extragerea modelului digital de elevație din imagini satelitare sau aerofotogramme – interpretarea stereoscopică a perechilor de imagini care redau suprafața terestră (stereopare);

Măsurători de teledetecție, prin folosirea radarului sau senzori laser de scanare (ex.: SRTM, LIDAR).

Modelul altimetric obținut prin proiectul SRTM este pus la dispoziția utilizatorilor cu titlu gratuit (pe pagina de internet: http://earthexplorer.usgs.gov/), alături de mai multe alte modele de elevație cu diferite rezoluții spațiale.

Figura 4.7 – Modele digitale de elevație disponibile online cu titlu gratuit

Modelele de date spațiale pentru DEM sunt cele cu care operează sistemele informaționale geografice adică formatul raster și vector. Formatul raster este o imagine bidimensională, care conține în fiecare celulă, valoarea individuală a elevației (figura 4. 8. a), iar la formatul vector datele se stochează sub forma unei rețele regulate de puncte. Pentru reprezentarea modelului digital de elevație în formatul vector se utilizează cel mai frecvent rețeaua neregulată de triunghiuri TIN (figura 4. 8. b și figura 4. 8. c).

Figura 4.8 – Model tridimensional pentru zona lacului de acumulare “Frumoasa“ din Județul Harghita, (a – DEM, b – TIN vedere planimetrică, c – TIN vedere 3D)

CAPITOLUL V

Rolul teledetecției în agricultură

5.1. Noțiuni introductive

Utilizarea teledetecției în agricultură este dependentă de analiza relației dintre datele provenite din teledetecție și starea biologică a vegetației, unde starea biologică a vegetației este redată de indicii de vegetație. Prin intermediul acestor caracteristici se poate cuantifica starea culturilor.

În cazul senzorilor multispectrali și hiperspectrali datele despre aceeași zonă se structurează în funcție de benzile spectrale cu care operează senzorul respectiv și astfel se obțin o serie de imagini (seturi de date) egale cu numărul de benzi utilizate de către senzor. Folosind sistemele informaționale geografice, se pot combina oricare trei imagini distincte pentru a realiza un compozit de culoare RGB.

Sistemele de teledetecție captează datele în funcție de rezoluția spațială a senzorului și le stochează în pixeli (celule), astfel se obține o rețea regulată deasă de celule organizate pe rânduri și coloane.

În ceea ce privește structura datelor provenite din teledetecție, acestea sunt stocate pe suport raster (celule structurate pe linii și coloane), suport care prezintă câteva avantaje față de sistemul de stocare în format vector, iar cea mai importantă dintre acestea ar fi faptul că nu există redundanță în date, datorită faptului că limita dintre două entități este reprezentată doar prin intermediul laturilor pixelilor și nu ca în cazul formaturilor vector unde de exemplu, liziera unei păduri este conținută într-un strat, peste care se suprapune un alt strat care reprezintă de exemplu o suprafață agricolă, iar peste acestea se mai pot suprapune limite de unități administrativ teritoriale, limite de delimitare a localităților, etc. Deși se pot face configurații geometrice corecte din punct de vedere topologic pe fiecare strat în parte, totuși nu este îndeajuns și din acest motiv apar erori în cadrul bazelor de date digitale în format vector (vezi cele ținute în arhivele ANCPI și a instituțiilor subordonate).

5.2. Monitorizarea vegetației

Plantele care suferă din cauza unei boli sau sunt expuse unor condiții de stres, în urma căruia se modifică masa, compoziția sau structura plantei se pot depista prin monitorizarea atentă a reflectanței bandei infraroșii apropiate, în urma căreia se poate face distincția dintre un câmp de cultură sănătos și unul maladiv. Este un lucru cert faptul că pentru lungimile de undă corespunzătoare bandei de infraroșu apropiat, reflectanța vegetației bolnave scade drastic comparativ cu cel al vegetației sănătoase. Deci ,dacă în urma monitorizării la intervale regulate de timp observăm că reflectanța bandei NIR (infraroșu apropiat) este tot timpul în scădere, atunci înseamnă că trebuie luate măsuri pentru remedierea problemei și oprirea extinderii bolii.

Pentru monitorizarea unei culturi, în special pentru analiza efectelor provocate de stres (boli, parazit, inundații, secetă, drenaj), trebuie să se facă măsurători (prelevări de probe) regulate pe parcursul câtorva zile, iar aceste prelevări de monstre se pot face utilizând teledetecția, deoarece scurgerea acestui proces este unul foarte rapid.

Pentru o analiză întreprinsă asupra schimbărilor produse odată cu trecerea timpului este necesar ca datele să fie structurate logic, captate cu o rezoluție spectrală cât mai bună iar imaginile care se succed în timp să aibă o acuratețe ridicată prin aplicarea corecțiilor atmosferice, geometrice și radiometrice în urma cărora să fie minimalizate erorile sistematice apărute în momentul captării (preluării) imaginii de către senzor.

Pe lângă monitorizarea culturilor cu ajutorul aplicațiilor sistemelor informaționale, bazate pe datele provenite din teledetecție mai putem aminti: extragerea limitelor parcelelor, extragerea terenurilor care sunt cultivate, randamentul culturilor, calitatea solului, detectarea buruienilor și a dăunătorilor, etc.

5.3. Detectarea buruienilor și a dăunătorilor precum și extinderea acestora

Din păcate detectarea câmpurilor afectate de buruieni și dăunători pe baza semnăturilor spectrale nu este întotdeauna posibilă dacă utilizăm imagini multispectrale. De aceea atenția trebuie axată pe găsirea tuturor acelor suprafețe de teren care au fost contaminate sau există un potențial ridicat de apariție a buruienilor și a dăunătorilor, respectiv izolarea acestor culturi.

În acest caz la interpretarea imaginilor satelitare se are în vedere ipoteza conform căruia proprietățile spectrale ale plantelor de cultură în momentul (etapa) de maximă maturare se schimbă radical, datorită pierderii substanței de clorofilă, iar imaginea compozit care are în componență banda NIR (infraroșu apropiat) nu mai redă cultura maturată în culoarea roșu aprins, ci mai degrabă în portocaliu. După recoltare suprafețele de teren acoperite cu restul de vegetație rămasă pe imaginile satelitare apar ca fiind goale, iar în cazul în care aceste terenuri se înroșesc din nou odată cu trecerea timpului înseamnă că acel teren a fost populat cu buruieni.

Figura 5.1 – Detectarea buruienilor pe o cultură cu floarea soarelui

În Ungaria și nu numai prin acest procedeu se detectează planta Ambrozia (Ambrosia artemisiifolia), plantă perenă care poate fi întâlnită în culturile de floarea soarelui și în culturile de cereale precum și în zonele lăsate în paragină (denumire populară: iarbă de paragină) cum ar fi: pe marginea drumurilor și a căilor ferate, respectiv pe terenurile prost întreținute (text preluat și adaptat de pe adresa de internet: https://ro.wikipedia.org/wiki/Ambrozie_%28plant%C4%83%29).

În teledetecție este foarte importantă referențierea spațială geografică, care se pot obține în urma unei deplasări la fața locului, pentru ca datele tematice furnizate în urma procesului de analiză să aibă o referință geografică bine precizată, deoarece din punctul de vedere al unei agriculturi de precizie este foarte importantă analiza omogenității arealului studiat. În urma unei deplasări la față locului se pot depista locurile izolate ocupate preponderant de buruieni, daunele produse de eventualii dăunători sau epidemii și gradul de gravitate al acestora, precum și direcția de propagare respectiv observarea dinamicii acesteia.

În momentul de față datorită creșterii cererilor cu privire la datele de calitate provenite din teledetecție se impune și dezvoltarea tehnologiilor de achiziție a datelor, prin dezvoltarea senzorilor hiperspectrali, iar utilizarea acestora este însă mai mult într-un stadiu experimental din punct de vedere al aplicării acestora în practică. Senzorii hiperspectrali sunt capabili să obțină date analizând suprafața studiată cu mai multe zeci sau chiar sute de benzi spectrale în acelaș timp, ceea ce înseamnă că fiecărui pixel îi sunt asociate mai multe valori ale intensității (nuanțe de culori).

Achiziția datelor prin tehnologia hiperspectrală cu băncile de date spectrale aferente, face posibilă o analiză și mai amănunțită a spațiului terestru (compoziția și starea actuală a mediului înconjurător).

Din păcate se observă că uneori este destul de greu să se lucreze și cu un număr de 11 benzi spectrale (LANDSAT 8) darămite cu mai multe zeci sau chiar sute. Pentru a putea opera cu acestea în primul rând este nevoie de cunoștiințe aferente tehnnogiei multispectrale, iar în al doilea rând trebuie stăpânite cu exactitate toate cunoștiințele legate de domeniul de activitate în care se opereză. Aspectul negativ este dat de volumul mare de cunoștiințe ce trebuie asimilate de către personalul desemnat să lucreze în domeniul hiperspectral și pe de altă parte, resurselor considerabile (financiare, umane, tehnologice) care trebuie alocate.

5.4. Rolul teledetecției în cartografierea solului

O altă ramură importantă a utilizării teledetecției în aplicațiile agricole este reprezentată de cartografierea solului și implicit îmbunătățiri funciare. Cultivarea plantelor se află într-o strânsă legătură cu caracteristicile și calitatea solului. În zonele de dealuri și munți este prezentă eroziunea solului, iar acesta poate fi agravată de cultivarea intensă a pământului. În zonele de șes pe lângă eroziune apar și alte tipuri de probleme, ca de exemplu: deteriorarea structurii solului, salinizare, deflație (proces de îndepărtare, sub acțiunea vântului, a materialului fin). Mai pot apărea probleme în funcție de influența anotimpului și care în general sunt legate de umiditatea solului ca de exemplu: gradul excesiv de saturație al solului cu apă, inundațiile, seceta, care pot crea dificultăți în muncile agricole. De aceea supravegherea stării solului, detectarea schimbărilor produse, nu au utilitate doar în agricultură, ele îsi dovedesc utilitatea și furnizează date atât pentru protejarea solului prin îmbunătățiri funciare cât și pentru amenajarea teritoriului.

“Solul este cea mai importantă sursă naturală a Pământului, fiind regenerabilă în mod condiționat și asupra căruia se pot executa lucrări de refacere și îmbunătățire” (Várallyay Gy. 2001).

Condiția de bază pentru ca solul să se poată regenera este dată de găsirea unei utilizări a terenului care să fie în echilibru cu dotările naturale ale zonei. Condiția de bază este asigurată de realizarea unei baze de date geoinformatice, care să asigure un flux de informații actualizate și precise cu privire la facilitățile oferite de către sol, starea solului, caracteristicile terenului. Pentru cartografierea diferitelor tipuri de sol se folosesc imagini obținute cu ajutorul spectrului vizibil și infraroșu apropiat, iar anotimpul cel mai optim pentru executarea măsurătorilor este începutul primăverii și sfârșitul toamnei, deoarece în această perioadă gradul de acoperire al solului cu vegetație este minimă sau nesemnificativă. Totuși se pot face înregistrări și când terenul studiat este acoperit cu vegetație, dar în acest caz vegetația este indicatorul stării solului, cu cât vegetația este mai sănătoasă cu atât starea solului este mai bună.

Evoluția eroziunii solului sau monitorizării acesteia se poate face printr-o tehnică specială, poate că este și cea mai sugestivă, prin înregistrări multi-temporale, caracterizate prin preluări la intervale de timp diferite, iar în urma fiecărei înregistrări se creează o imagine distinctă, urmând ca din imaginile astfel obținute să se creeze compozitul de imagine RGB (roșu, verde, albastru) unde imaginea (scena) cu trăsătura cea mai puternică contribuie la culoarea finală al acesteia.

Degradarea solului sau refacerea calității acestuia (pe cale naturală sau prin intervenția omului în urma lucrărilor de îmbunătățiri funciare) se face în urma modificărilor proprietăților fizice și biologice ale solului, ceea ce determină o schimbare a proprietăților spectrului (semnăturii spectrale), deci poate fi determinată cu ajutorul teledetecției.

Figura 5.2 – Reprezentarea diferitelor tipuri de eroziuni pe imagini de teledetecție

5.5. Agricultura de precizie

Agricultura de precizie poate fi descrisă ca o colecție de practici agricole care se concentrează pe anumite suprafețe specifice reprezentative din culturile agricole (câmpuri de cultură), la un anumit moment. Acest lucru se deosebește față de practicile agricole tradiționale unde întreținerea și tratarea culturilor, (irigarea, aplicarea de îngrășăminte, pesticide și erbicide) este efectuată și aplicată în mod egal pe toată suprafața culturii, ignorând în acest fel orice variabilitate dintr-o zonă particulară a unui câmp de cultură.

Prin agricultura de precizie se pot obține informații exacte (cu referință geografică) cu privire la zonele (restrânse) care au nevoie de un tratament specific, iar prin intermediul acestor informații aplicarea substanțelor chimice se poate face într-un mod optimizat, unde doar arealurile afectate care necesită îngrijire sunt tratate, astfel se reduce cantitatea de substanță chimică folosită, ajutând la protejarea mediului înconjurător și nu în ultimul rând la reducerea costurilor de achiziție, datorită reducerii volumului de substanță chimică folosită.

Agricultura de precizie poate fi considerată ca fiind o ramură particulară a teledetecției, deoarece datele colectate din teren sunt captați în general de senzori montați pe utilaje agricole aflate în mișcare care scanează câmpul propriu zis, iar coordonatele suprafeței terestre studiate sunt determinate prin intermediul sistemelor globale de navigație prin sateliți (GNSS).

Dezavantajul acestei agriculturi este reprezentat de necesitatea unei precizii spațiale foarte mari având în vedere porțiunile individuale restrânse ale câmpurilor de cultură, fapt ce implică costuri ridicate ale receptoarele GNSS.

CONCLUZII

Lucrarea de față a avut drept scop prezentarea studiului bibliografic al tezei de doctorat, redând partea teoretică a cercetării, iar concluzia principală constă în faptul că există o sumedenie de aplicații ale teledetecției în domeniul agronomiei și în îmbunătățiri funciare.

Literatura de specialitate susține că teledetecția este instrumentul cel mai la îndemână prin care se pot observa și distinge elementele aparținătoare suprafeței terestre, precum și schimbările acestora în urma unor dezastre sau a trecerii timpului.

În rezolvarea unor probleme avem nevoie de o diversitate de date, care de cele mai multe ori nu se încadrează în bugetul alocat proiectului. Pentru a determina arealele cu probleme avem la dispoziție cu titlu gratuit scenele LANDSAT, scene care până în anul 2008 au fost produse comerciale care aveau o valoare de achiziție de aproximativ 500 de dolari. După depistarea eventualelor probleme poate fi necesară achiziționarea unei imagini comerciale cu o rezoluție spațială mai înaltă pentru zona de interes. Scena LANDSAT ajută în reducerea costurilor proiectelor, pentru că achiziționarea unei imagini IKONOS care acoperă o suprafață de 100 kilometri pătrați (10 10 kilometri) costă undeva la valoarea de 10.000 de dolari.

Începând cu data de întâi aprilie a anului curent (2016), pe lângă datele LANDSAT, toate produsele de date ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer), sunt disponibile în mod gratuit, ceea ce înseamnă o mai mare diversitate de date spațiale.

Direcția de cercetare viitoare va fi orientată pe un studiu de caz propriu zis, orientat pe suprafața județului Harghita. Vor fi efectuate și deplasări pe teren pentru recunoașterea anumitor zone (câmpuri de cultură), dar studiul propriu-zis va implica mai multă activitate asistată de calculator. Resursele primare vor fi pe cât posibil cele online, disponibile gratuit pe adresa de internet: http://earthexplorer.usgs.gov.

Alegerea județului Harghita ca studiu de caz al cercetării științifice viitoare este datorat faptului că, reședința acestui județ este localitatea mea natală și că solul acestei zone este favorabil mai mult creșterii animalelor decât cultivării plantelor, cunoscându-se faptul că zona este renumită doar pentru producția de cartofi. Această zonă este proponderent muntoasă și acoperită cu vegetație forestieră, lucru ce nu favorizează dezvoltarea plantelor de cultură, datorită umidității aerului și a conținutului mic de dioxid de carbon. Cea mai productivă zonă, cu cel mai bogat sol este reprezentată de suprafața unității administrativ teritoriale al comunei Tomești, unde chiar și în cel mai prielnic caz producția de grâu atinge doar un procent de 80% față de restul zonelor din România.

Studiind dicționarul enciclopedic de teledetecție al autorilor MIHAI B. A., NISTOR C. și SĂVULESCU I. (2014) am constatat că localitatea Miercurea Ciuc, a făcut obiectul unui studiu comparativ, unde prin utilizarea teledetecției sa arătat modul de dezvoltare a municipiului.

Având în vedere cele enumerate mai de dinainte consider că județul Harghita este o zonă favorabilă realizării studiului de caz care se va desfășura în cel de-al doilea an de cercetare științifică, la sfârșitul căruia vom obține date cu privire la plauzabilitatea sau neverosimilitatea afirmațiilor privitoare la calitățile solurilor din acest județ.

BIBLIOGRAFIE

Baumann P. R., 2001 – History of Remote Sensing, Aerial Photography. New York (S. U. A), disponibil online la adresa de internet: http://www.oneonta.edu/faculty/baumanpr/geosat2/ RS%20History%20I/RS-History-Part-1.htm.

Berke J., 2004 – Real 3D terrain simulation in agriculture. Veszprém (Ungaria), Editura “1st Central European International Multimedia and Virtual Reality Conference”, Vol. I., pag. 195–201.

Bilașco Ș., 2008 – Implementarea G. I. S. în modelarea viiturilor de versant. Cluj-Napoca, Editura “Casa Cărții de Știință”.

Broge N. H., Mortensen J. V., 2002 – Deriving green crop area index and canopy chlorophyll density of winter wheat from spectral reflectance data. Copenhaga (Danemarca), Revistă de teledetecție, Vol. 80, pag. 44–57.

Costea G., 2012 – Evaluarea procesului de despădurire, prin teledetecție. Efectul despăduririi asupra schimbărilor caracteristicilor suprafețelor subiacente din bazinele superioare ale Someșului Cald și Rece. Cluj-Napoca, Teză de doctorat.

Curran P. J., Windham W. R., Gholz H. L., 1995 – Exploring the Relationship Between Reflectance Red Edge and Chlorophyll Concentration in Slash Pine Leaves. Carolina de Nord (S. U. A.), Editura “Journal of Cognition and Development” Vol. XV., pag. 200-205.

Keller I. E., 2010 – G. I. S. Sisteme Informatice Geografice. Cluj-Napoca, Editura “Casa Cărții de Știință”.

Kozma-Bognár Veronika, 2012 – Hiperspectrális felvételek feldolgozásának és mezőgazdasági alkalmazásának vizsgálata. Keszthely (Ungaria), disponibil online la adresa de internet: http://konyvtar.uni-pannon.hu/doktori/2012/Kozma-Bognar_Veronika_ dissertation.pdf.

Munteanu. C. Gh., 2002 – Cartografie matematică, București, Editura “Matrix”.

Petrescu F., 2007 – Sisteme informatice geografice în urbanism și amenajarea teritoriului. București, Editura “Matrix Rom”.

Terente M., 2008 – Modelarea și analiza digitală a terenului. București, Editura “Universității din București”.

Vais M., 2010 – Teledetecția – Schiță istorică. Editura “Academia Română NOEMA, Comitetul Român de Istoria și Filosofia Științei și Tehnicii”, Vol. IX., pag. 228 – 240.

Várallyay Gy., 2001 – A talaj vízgazdálkodása és a környezet. Budapesta (Ungaria), Editura “Magyar Tudományos Akadémia”, Vol. XLVI., disponibil online la adresa de internet: http://www.matud.iif.hu/01jul/varally.html

WebograFIE

http://earthexplorer.usgs.gov/

http://eoedu.belspo.be/en/satellites/landsat.htm

http://geo-spatial-org.2126404.n4.nabble.com/

http://lazarus.elte.hu/hun/digkonyv/csato/csato.htm

http://lazarus.elte.hu/hun/hunkarta/tezis/csato.htm

http://meip.x5.hu/files/1602

http://ro.scribd.com/doc/212875979/Abduraman-Adina-Esma-GIS-Proiect-RIC#scribd

http://vcgi.vermont.gov/warehouse/imagery

http://www.academiaromana.ro/pro_pri/doc/st_b08.doc

Acasă

http://www.bi-obiectiv.ro/gis.html

http://www.creeaza.com/referate/geografie/meteorologie/Aerosolul-atmosferic-Sursele-d699.php

http://www.crisp.nus.edu.sg/~research/tutorial/atmoseff.htm

http://www.digkep.hu/konyv/Hiper/Berke_Taverzekeles2_Kvark.pdf

http://www.fizica.unibuc.ro/Fizica/Studenti/Cursuri/doc/VFilip/MEIM/Principiile_teledetectiei.pdf).

http://www.geo.uzh.ch/gis/services/downloads

http://www.geografie.uvt.ro/old/educatie/cursuri/cursdoc/gis/Curs_03_Natura-datelor-geografic.pdf

http://www.honvedelem.hu/files/9/4865/tanulmanyvegh.pdf

http://www.icpa.ro/proiecte/SIGSTAR-200.pdf

http://www.topo-online.ro

https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum

https://www.pix-agri.com