Monitorizarea modificărilor survenite în timp asupra Mării Aral pe baza imaginilor satelitare utilizate în GIS Coordonator științific: Prof. Dr. Ing…. [310004]

LUCRARE DE LICENȚĂ

Monitorizarea modificărilor survenite în timp asupra Mării Aral pe baza imaginilor satelitare utilizate în GIS

Coordonator științific:

Prof. Dr. Ing. Cornel Păunescu

Drd.Ing. Florin Nache

Absolvent: [anonimizat]

2020

Cuprins

Sisteme informaționale geografice (GIS)

Aflate la confluența informaticii, a telematicii și a științelor de observare și descriere a Pământului, Sistemele Informaționale Geografice au făcut subiectul a [anonimizat].

„[anonimizat] (hardware), programe (software), informații, persoane, reguli și metode de lucru. [anonimizat], construirea, [anonimizat]”. (Băduț, 2007)

„[anonimizat], recuperarea, transformarea și afișarea datelor spațiale din lumea reală pentru un anumit set de scopuri.” (Burrough, 1986)

[anonimizat] o [anonimizat] a fost problema localizării anumitor obiecte sau fenomene de interes.

Tehnicile de realizare ale sistemelor informaționale geografice au evoluat odată cu apariția calculatoarelor. Astfel, în anul 1963, [anonimizat], a [anonimizat] (Canadian Geographic Informational System). Acest sistem a avut ca scop analizarea datelor și elaborarea unor statistici care să poată fi folosite în dezvoltarea infrastructurii terenurilor. [anonimizat]: [anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat]. În 1970 sistemul devine complet operațional. (Iosub, 2008).

Compania ESRI (Environmental Systems Research Instituion), înființată în 1969, lansează prima variantă a aplicației ARC/INFO (1978), [anonimizat], ARC/INFO 1.0.

[anonimizat], care are ca scop dezvoltarea tehnologie GPS (Global Positioning System). Sistemul are o [anonimizat] 1981, devenind operațional.

În 1982 și 1983 [anonimizat].

La începutul anilor 90 [anonimizat] a selecta și modifica date după mai multe criterii.

[anonimizat], îndreptându-se către Web. (Iosub, 2008)

1.1 Componente

Componentele unui GIS

Un GIS integrează 5 componente principale:

a) Componenta Hardware este sistemul de calculator pe care GIS operează.

b) Componenta Software ofera uneltele și funcțiile necesare pentru a stoca, analiza și afișa informațiile geografice. Este reprezentată de pachetele de aplicații GIS (QGIS, GRASS, MapServer, Udig, gvSIG etc.), necesare pentru a creea, edita, si analiza datele spațiale si de atribut.

c) Componenta Date este cea mai importantă dintre componentele unui GIS. Datele geografice și cele tabulare, pot fi colectate, compilate după diverse specificatii și cerințe.

d) Componenta Personal. Are o valoare dinamică, fiind dependentă de pregătirea personalului în analiză spațială și în utilizarea software-urilor GIS

f) Componenta Metode, arata ca GIS opereaza in stransă concordanță cu reguli si planuri de implememntare, care sunt modele și proceduri de operare unice.

Un sistem de informații geografice facilitează colectarea, prelucrarea și conectarea unor fenomene la datele spațiale corespunzătoare lor. În concluzie, aplicația GIS nu poate exista fără o relație între entitățile grafice și atributele descriptive asociate acestora.

Componenta grafică a proiectului poate fi formată din următoarele tipuri de entități (Băduț, 2007):

Puncte: entități punctiforme de pe plan/hartă, cum ar fi: puncte de referință geografică și geodezică, puncte de măsurători locale, stâlpi, borne, etc.

Linii: succesiuni de segmente liniare constituind rețele filare ce apar în reprezentarea grafică, cum ar fi rețelele de energie electrică, de telefonie, de distribuție/furnizare produse petro-chimice, drumuri, căi ferate, etc.

Poligoane: contururi închise reprezentând entitățile caracterizate de către suprafața la sol a parcelelor, terenurilor, cvartalelor, limitelor administrative, zonelor, clădirilor, etc.

Etichete: acestea sunt reprezentate de texte care oferă informații adiționale asupra elementelor din sistemul informațional (denumiri, note).

Imagini: acestea sunt obținute prin scanarea hărților din arhivă sau prin aero-fotografierea teritoriului modelat (din avion/elicopter/sateliți specializați). Acestea pot viza: delimitări administrative și parcelare, topografie, exploatări de resurse minerale, fenomene seismice, studii/proiecte ecologice, etc.

„Datele alfa-numerice sau atributele descriptive reprezintă cumulul organizat și structurat de informații asociate entităților grafice.” (Băduț, 2007)

1.2 Domenii de aplicabilitate ale GIS-ului

Sistemele informaționale geografice joacă un rol foarte important în multe dintre domeniile de activitate existente în societatea actuală cum ar fi: arhitectură, arheologie, medicină, meteorologie, inginerie, istorie, turism, infrastructură, astronomie, transport aerian, armată, ecologie și multe altele.

Dacă mai sus am enumerate câteva domenii de activitate, în continuare o să evidențiez unele dintre cele mai importante utilizări în diferite ramuri de activitate (Băduț, 2007):

Dezvoltarea urbanistică cât și planificarea în funcție de categoriile terenurilor;

Urmărirea lucrărilor agricole și managementul terenurilor prin determinarea potențialului de exploatare, a lucrărilor de aprovizionare, recoltare și desfacere;

Administrarea infrastructurii citadine în incidența căreia intră rețelele de alimentare cu apă, de canalizare, de alimentare cu energie electrică, telefonie și salubritate;

Implementarea unui registru de cadastru pe bază de GIS, atât în zonele urbane, cât și în cele rurale, a cărei utilizare si actualizare de date să se facă cu ușurință;

Monitorizarea exploatărilor forestiere și de asemenea a defrișărilor ilegale;

Planificarea unor proiecte de modernizare sau dezvoltare a tuturor tipurilor rețelelor de transport și supravegherea siguranței traficului;

Urmărirea achitării impozitelor proprietăților, pe baza hărții digitale;

Bază pentru ghidarea vehiculelor autonome în trafic;

Studii de cercetare privind protecția mediului (zonele de depozitare a deșeurilor);

Marcarea zonelor de siguranță, evidențierea zonelor de evacuare, dirijarea echipelor de salvare, în caz de calamități;

Studiul piețelor la nivel național prin activitatea de Geo-marketing.

Având în vedere tema acestei lucrări am ales să exemplific separat câteva dintre aplicațiile SIG în domeniul geologiei (GISGeography):

Monitorizarea driftului continental, prin măsurarea mișcării plăcilor tectonice cu ajutorul GPS-ului;

Determinarea structurii geologice în zone inaccesibile cu ajutorul fotogammetriei;

Realizarea de hărți geologice, pe baza cărora se pot face interpretări, în urma digitizării geologiei de la suprafață;

Corelarea anomaliilor magnetice cu geologia în zonele cu tectonică active;

Reconstrucția de plăci tectonice de-a lungul timpului geologic;

Determinarea capacității unui acvifer de a se regenera;

Realizarea unor planuri de foraj;

Crearea de modele tridimensionale pe bază de date geologice.

1.3 Avantajele utilizării sistemelor informaționale geografice

Sistemul informatic prezintă următoarele avantaje generale în comparație cu activitățile tradiționale referitoare la geo-spațialitate (desenarea hărților cadastrale, editarea de hărți/atlase, etc) (Băduț, 2007):

Structuralitatea informațiilor;

Acces rapid la informații;

Interschimbabilitatea informațiilor;

Premise pentru actualitatea informațiilor;

Precizia reprezentărilor și a calculelor;

Abilitatea de a dezvolta analize și studii diverse;

Reproducerea ușoară, precisă și nelimitată a materialului grafic;

Realizarea de analize complexe într-un timp scurt;

Creșterea vitezei de luare a deciziilor;

Flexibilitatea la evoluția tehnologiilor.

2. Teledetecție

2.1 Dezvoltarea teledetecției

Dezvoltarea teledetecției este în strânsă legătură cu apariția fotografiei. Primele imagini de teledetecție au fost fotografiile, reprezentând singurele înregistrări utilizate până la apariția primilor senzori satelitari sau a sistemelor nefotografice, fiind realizate din baloane, și mai apoi din avioane. Primele fotografii efectuate în acest sens au fost realizate în anul 1839 de Louis Daguerre și Joesph Nicephore Niepce. În anul urmator, Jean Dominique Arago, directorul Observatorului Astronomic din Paris, susține utilizarea fotografiei în scopuri topografice. În anul 1849, colonelul Aimé Laussedat, ofițer al corpului francez de ingineri, se angajează într-un program al utilizării fotografiei în cartarea topografică.

În anul 1858 baloanele sunt utilizate pentru obtinerea de fotografii ale domeniilor extinse. Felix Tournachon realizează primele fotografii din balon, de la 80m altitudine, în Franța, lângă Paris (Fig. 1). În același an sunt realizate primele fotografii din balon, asupra orașului Boston din SUA. (Fig 2 )

Fig 1. Prima fotografie aeriană a orașului Paris

(https://fatwaramdani.wordpress.com/2008/10/18/history-of-remote-sensing-aerial-photography-part-1-period-1800-world-war-i/)

Fig.2 Prima fotografie aeriană a orașului Boston

(https://mymodernmet.com/first-photograph-photography-history/)

În anul 1877, Woodbury inventează camera de fotografiere din balon, iar 1888 este brevetată camera de fotografiere automată.

În anul 1888, în Austria, Th. Scheimpflug folosește fotografiile stereoscopice obținute cu un dirijabil, și pune bazele fotogrammetriei aeriene.

În anul 1903, pentru transportarea camerelor de fotografiere aeriană erau folosiți porumbeii (invenția lui J. Neubronner în Germania).

În anul 1906, G. L. Lawrence realizează o imagine fotografică oblică a orașului San Francisco după un cutremur si un incendiu foarte mare. Imaginea a fost obținută folosind o cameră foto construită special, ce a fost ridicată în aer prin intermediul unor zmee legate între ele și ținând camera într-o stare de echilibru în diferite poziții de vânt. (Fig. 3 )

Fig. 3 Imagine fotografică oblică a orașului San Francisco (Vais 2012)

Fig.4 Cameră foto proiectată special proiectată cu ajutorul unui sistem de zmee legate intre ele (Vais 2012)

Odată cu apariția avioanelor fotografia aeriană a devenit un instrument foarte folositor pentru obținerea datelor privind suprafețe întinse în condiții total controlate. Prima fotografie din avion este realizată la Centocelle, în Italia, de către unul dintre frații Wright, unul dintre inventatorii avionului (din 1903), împreună cu un ofițer italian.

În anul 1910 este fondată, la Viena, Societatea Internațională de Fotogrammetrie (ISPRS în prezent), ce organizează congrese periodice din 1913 (România este afiliată din 1930 când se publică în Buletinul Societății de Geografie un amplu material privind rolul fotografiilor aeriene în cercetarea geografică).

În anul 1911 este realizată prima fotografie din avion din România, la București, de către Aurel Vlaicu. În anul 1914 este fotografiat Bucureștiul, iar în 1916 se realizează fotografii în scop militar, în cadrul unei direcții speciale a armatei, numită “Serviciul Fotoaerian”.

Prima hartă întocmită pe baza fotografiilor aeriene datează din 1913 și a fost elaborată de Tardivo, în urma unui zbor în Libia.

Perioada celor două Războaie Mondiale a însemnat foarte mult pentru fotografia aeriană (aplicații strategice, cu arhive ale unor fotograme verticale păstrate până în prezent în Anglia, SUA, Olanda, Franța, Germania, etc. În 1918 existau peste 2000 de camere de fotografiere aeriană în Germania, iar în anul 1940 sunt realizate fotograme aeriene de la altitudini de peste 10 mii de metri.

Perioada interbelică, în special anii 30, este caracterizată prin apariția primelor aplicații civile ale fotografiilor aeriene în cercetările lor.

Dupa anul 1919, fotografierea aeriană devine și în România de interes civil (primele aplicații sunt legate de aerofotografierea orașelor și satelor).

În perioada de după cel de-al doilea Război Mondial, apar primele imagini de teledetecție satelitară, folosind alte tehnici decât fotografierea aeriană.

În 1946 se realizează prima fotografie extraatmosferică a Pământului, de pe racheta V2, capturată din Germania, în deșert, la White Sands, New Mexico, SUA.

În 1954 se obțin primele imagini de teledetecție cu sisteme radar lateral aeropurtat (ziua și noaptea).

În 1956 se obțin fotografii aeriene falscolor pentru identificarea vegetației și a culturilor agricole din SUA.

În anul 1962 se realizează o fotografie preluată de pe orbită de cosmonautul sovietic Titov, iar în 1964, astronautul G. Cooper obține fotografii color utilizabile.

Între anii 1968-1969 se fotografiază suprafața Lunii, alb-negru și color prin misiunile automate sovietice Zond, și cele americane pilotate Apollo.

În 1969, misiunea Apollo 9 realizează experimental primele imagini de teledetecție multispectrale prin camere cu mai multe filme spectrozonale.

În 1972 se lansează cu succes satelitul de teledetecție ERTS A, SUA, ce va deschide misiunea de teledetecție LANDSAT, cea mai longevivă misiune axată exclusiv pe obținerea de imagini satelitare de medie rezoluție spațială (15, 30, 60, 120 m, etc.). Până în prezent s-au plasat pe orbită șase sateliți, ce au oferit o arhivă impresionantă, de milioane de imagini.

În anii 1970 au fost lansate misiuni de teledetecție și explorare către Mercur, Marte, Venus și Jupiter.

În 1999, pe lângă lansarea ultimului satelit LANDSAT (L7, cu senzorii ETM+) este inițiată misiunea IKONOS, de 0,65 și 2,5 m

Fotografierea aeriană a teritoriului României în alb-negru s-a realizat în anii 1960-1965, iar în 2005 este încheiată aerofotografierea digitală și realizarea ortofotoplanurilor digitale color la rezoluția de 0,5 m.

Teledetecția se rezumă la obținerea de informații despre un obiect fără a face contact fizic cu acesta, obiectul fiind observat de la distanță.

Teledetecția este utilizată cu succes în numeroase domenii: geografie, topografie și cele mai multe discipline ale științelor Pământului (hidrologie, ecologie, oceanografie, geologie, geofizică); Are de asemenea aplicații militare, comerciale, economice, de planificare si urbanism.

Termenul de “teledetecție” provine din limba engleza (Remote sensing), însemnând detectarea de la depărtare a obiectelor și a fost introdus prima dată în literatură în Statele Unite ale Americii, la mijlocul anilor 50, în cadrul documentațiilor Administrației Americane a Oceanelor (în prezent NOAA sau Administrația Oceanelor și Atmosferei).

Cu un grad mare de generalitate, teledetecția este definită ca fiind o tehnologie ce permite obținerea de informații asupra unor obiecte și fenomene fără a intra în contact nemijlocit cu acestea, exprimarea oficială fiind : “mulțimea cunoștințelor și tehnicilor utilizate pentru determinarea caracteristicilor fizice și biologice ale obiectelor prin măsurători efectuate de la distanță, fără contact material cu acestea.“ (COMITAS – Commision ministérielle de la terminologie de la télédétection aêrospatiale – 1988).

În funcție de tipul radiațiilor, se poate clasifica în :

Sisteme de teledetecție “pasivă” (radiațiile electromagnetice reflectate de obiectele de la sol sunt captate de senzori)

Sisteme de teledetecție “activă” (generarea radiațiilor electromagnetice se datorează utilizării unor dispozitive artificiale ( radar,lidar,sonar).

Problematica teledetecției se rezumă la studiul fenomenelor , analiza acestora realizându-se în funcție de:

natura, tipul și caracteristicile lor ;

durata fenomenelor (ore, ani, luni, decenii); generalizând, se pot lua în considerare elemente temporale (trecutul, prezentul, viitorul);

spațiul geografic definit de:

– dimensiunile coordonatelor x,y cu referire la un plan sau o suprafață;

– altitudine, înălțime, lățime;

– relația dintre obiecte;

Fig.5 Definiția teledetecției, bazată pe captarea radiațiilor emise de corpuri prin metode pasive (stânga) și active (sistemul RADAR, ce emite microunde, dreapta). Sursă Universitatea din Omaha, Nebraska, SUA (Mihai, 2009)

2.2 Misiuni Satelitare

2.2.1 Misiunea Landsat

Misiunea LANDSAT (Land Satellite) a debutat la 23 iulie 1972 prin lansarea primului satelit al acestei misiuni ERTS – 1 (Earth Resources Technology Satellite), având o orbită cu altitudinea de circa 900 km, NASA schimbând denumirea misiunii în 1975.

Până la această dată ERTS 1 a transmis peste 100.000 de imagini, acoperind circa 75% din suprafața Pământului. Primii trei sateliți ai misiunii, având un defazaj de circa 9 zile, îndesind acoperirea cu spire a suprafeței Pământului, au fost dotați cu un scanner multispectral, denumit în literatura de specialitate MSS (Multi Spectral Scanner). “Scanarea” avea loc linie cu linie și ținea cont de viteza ridicată a satelitului, acesta fiind dotat cu 6 senzori simultani pentru fiecare bandă spectrală, astfel obținându-se o înregistrare corectă a imaginii. (Vais,2012).

Modul de lucru al sistemului MSS este prezentat în figura alăturată.

Fig.6 Sistem de colectare a datelor (Vais,2012)

Lumina reflectată de suprafața Pământului este transformată într-un semnal analogic pentru fiecare din cele 4 benzi spectrale. Acest semnal analogic este eșantionat la fiecare 9,958 μs, corespunzând la 56 m pe Pământ. Parametrul IFOV (Instantaneous Field of View = câmp de vedere instantaneu) este definit ca suprafața Pământului care, teoretic, este văzută de instrumentul de măsură, de la altitudinea dată, în orice moment de timp. Acest parametru poate fi dat fie prin măsura unghiului razelor marginale, fie prin distanța echivalentă pe Pământ. Valoarea acestuia pentru senzorul MSS este de 79 m, rezultând că elementul de imagine (pixel) este un domeniu de dimensiuni de 79 m în direcția de mișcare a satelitului si 56 m în direcția perpendiculară pe traiectorie.

Dupa eșantionare, semnalul analogic este convertit în valori numerice. Se obține astfel o imagine multispectrală pentru fiecare domeniu de 185 x 185 km.

Fig.7 Parametrul IFOV (Câmp de vedere instantaneu)

(http://geomatica.como.polimi.it)

Pentru a înțelege limitele și varietatea datelor este necesară observarea celor 3 caracteristici ale acestora: rezoluția terenului, frecvența acoperirii terenului si acoperirea spectrală (ground resolution, land coverage frequency and spectral coverage). Acestea sunt legate între ele într-un mod relativ nefericit din punctul de vedere al utilizatorilor, prin legile opticii, mecanismele orbitale și prin ultimul factor de decizie, factorul economic. Niciun sistem nu poate furniza toate mărimile caracteristicilor cerute de comunitatea utilizatorilor.

Senzorii satelitari au o serie de caracteristici și rezoluții temporale, spațiale și spectrale. Datele satelitare pot fi achiziționate în funcție de necesități (lunar sau orar). Din punct de vedere spectral, datele pot fi pancromatice (imagini în tonuri de gri sau fotograme alb-negru), multispectrale (cateva canale, ca de exemplu albastru, verde, roșu, infraroșu apropiat) sau hiperspectrale (sute de canale). Tipul spectral utilizat într-o aplicație depinde de răspunsul spectral al suprafeței observate. (Fig. 8 )

Fig.8 Senzori multispectrali ai sateliților NASA (Vais,2012)

Fig.9 Principalele misiuni ale programului LANDSAT (M.Vais 2012)

Sateliții LANDSAT (inițial ERTS, adică Earth Resources Technology Satellite) au fost lansați de NASA (National Aeronautic and Space Administration, SUA) începând cu anul 1972, fiind concepuți pentru observarea resurselor terestre.

Primul satelit, LANDSAT 1, era echipat cu trei camere de televiziune care furnizau imagini color în domeniul vizibil al spectrului electromagnetic și un scaner multispectral care înregistra imagini în patru game de lungimi de undă

canal 4 – 0,5-0,6 μm vizibil

canal 5 – 0,6-0,7 μm vizibil

canal 6 – 0,7-0,8 μm infraroșu apropiat

canal 7 – 0,8-1,1 μm infraroșu apropiat

Satelitul se deplasa la 920 km altitudine, revenind deasupra aceluiași loc la un interval de 18 zile. El avea o orbită circulară, heliocentrică, ceea ce înseamnă că satelitul trece la un punct dat, mereu la aceeași oră locală (9h 2 min. – la ecuator). Deplasarea lui se face de la nord la sud pe fața luminată a Pământului, singura porțiune de orbită utilizabilă.

Au urmat încă doi sateliți de același tip, LANDSAT 2 și 3, ultimul funcționând foarte puțin timp. LANDSAT 2 a fost astfel poziționat în timp, încât împreună cu primul, să realizeze înregistrarea aceleiași suprafețe de teren la un interval de 9 zile.

Ca urmare a cercetărilor efectuate pentru utilizarea acestor date în observarea diverselor aspecte ale suprafeței terestre și a răspunsurilor spectrale a numeroase obiecte și fenomene, s-a căutat, pentru o mai bună decelare a acestora pe imaginile satelitare, crearea unor senzori care să funcționeze pe o lungime de undă cât mai apropiată de valorile răspunsurilor (semnăturilor) spectrale ale obiectelor de pe suprafața terestră.

Astfel, pe sateliții LANDSAT 4 și 5 au fost instalate scanere multispectrale specializate care au mai multe game de lungimi de undă. Ele sunt cunoscute sub denumirea de Thematic Mapper.

Sateliții LANDSAT 4 și 5 zboară la altitudinea de 705 km, având un ciclu orbital de 16zile. Ei au o rezoluție la sol de 80 m , în cazul canalelor MSS 4, 5, 6 și 7 și 28,5 m în cazul canalelor TM 1, 2, 3, 4, 5, 7, excepție făcând canalul 6 – infraroșu termic, care are o rezoluție la sol de 120 m. Scena acestor înregistrări este de 185/185 km.

Satelitul LANDSAT 7 ETM, lansat în luna aprilie 1999, furnizează date similare cu LANDSAT 4 și 5 TM, dar prezintă în plus un senzor pancromatic cu rezoluție de 15 m, ce este sensibil și la o mică zonă din infraroșu. Acest senzor ajută la o mai bună discriminare a vegetației.

Senzorii scanerului TM înregistrează energia electromagnetică în spectrul vizibil, infraroșu apropiat, infraroșu mediu și infraroșu termic. Având rezoluții spațiale, spectrale și radiometrice mai ridicate decât scanerul MSS, informațiile recepționate cu ajutorul scanerului TM sunt utile mai ales în determinarea tipurilor și a condițiilor de vegetație (banda 6 – infraroșu termic), umiditatea și tipurile de sol, diferențierea zăpezii față de nori, determinarea tipurilor de roci.

Perioada de funcționare: 15 aprilie 1999 – prezent

Participanți:

o NASA

o National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) (initial participant)

o Department of the Interior (DOI) U.S. Geological Survey (USGS)

o Spacecraft bus: Lockheed Martin Missiles & Space

o Enhanced Thematic Mapper Plus

Caracteristicile navei spațiale

o Puterea furnizată de o singură matrice solară de urmărire a soarelui și de două baterii cu 50 de amperi (AHr), cu nichel-cadmiu

o Controlul altitudinii oferit prin intermediul a patru roți de reacție;

o Trei giroscoape cu 2 canale cu actualizare în derivă;

o Un senzor static al Pământului;

o Un procesor de 1750;

o Tije de torsiune și magnetometre pentru încărcarea impulsurilor

o Controlul orbitelor și descărcarea momentului de rezervă furnizate printr-un sistem de hidrazină monopropellant cu un singur rezervor care conține 270 kg de hidrazină

o Greutate: 2 200 kg

o Lungime: 4,3 m (14 ft)

o Diametru: 2,8 m (9 ft)

Senzori:

Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+)

Opt benzi spectrale, incluzând o bandă pancromatică și o bandă termică:

o Banda 1 Vizibilă (0,45 – 0,52 μm) 30 m

o Banda 2 Vizibilă (0,52 – 0,60 μm) 30 m

o Banda 3 Vizibilă (0,63 – 0,69 μm) 30 m

o Banda 4 Infraroșu apropiat (0.77 – 0.90 μm) 30 m

o Banda 5 Infraroșu apropiat (1,55 – 1,75 μm) 30 m

o Banda 6 Termică (10,40 – 12,50 μm) 60 m

o Banda 7 Infraroșie medie (2,08 – 2,35 μm) 30 m

o Bandă 8 Pancromatică (PAN) (0,52 – 0,90 μm) 15 m

Interval de eșantionare la sol (dimensiune pixel): 30 m reflectiv, 60 m termic

Calibrarea la bord a fost adăugată la Landsat 7: un calibrator solar complet (FASC) și un calibrator solar cu diafragmă parțială (PASC), pe lângă cele două lămpi de calibrare. (https://landsat.usgs.gov).

Fig.10 Lansarea satelitului Landsat 7 (https://landsat.usgs.gov)

Fig. 11 Lansat 7 (https://landsat.usgs.gov/landsat-7-history)

Satelitul Landsat 8 (lansat pe 11 februarie 2013) afișează întregul Pământ la fiecare 16 zile într-un decalaj de 8 zile de la Landsat 7. Datele culese de instrumentele de la bordul satelitului sunt disponibile pentru a fi descărcate gratuit de la EarthExplorer, GloVis sau LandsatLook Viewer în decurs de 24 de ore de la achiziție (Badea, 2011).

Perioada de funcționare: 11 februarie 2013 – prezent

Participanți:

o NASA

o Department of the Interior (DOI) U.S. Geological Survey (USGS)

o Spacecraft bus: Orbital Science Corp.

o Operational Land Imager Sensor: Ball Aerospace & Technologies Corp.

o Thermal Infrared Sensors: NASA Goddard Space Flight Center

Caracteristicile navei spațiale:

o 3.14 terabiti înregistrator de date în stare solidă

o Puterea furnizată de o singură matrice solare de 9 x 0,4 metri și o baterie de 125 Ah (AHr), nichel-hidrogen

o Greutate: 2.071 kg complet încărcata cu combustibil (fără instrumente)

o Lungime: 3 m (9,8 ft)

o Diametru: 2,4 m (7,9 ft)

Senzori:

Operational Land Imager (OLI)

Nouă benzi spectrale, incluzând o bandă pancromatică:

o Banda 1 Vizibilă (0,43 – 0,45 μm) 30 m

o Banda 2 Vizibilă (0,450 – 0,51 μm) 30 m

o Banda 3 Vizibilă (0,53 – 0,59 μm) 30 m

o Banda 4 Roșu (0,64 – 0,67 μm) 30 m

o Banda 5 Infraroșu apropiat (0.85 – 0.88 μm) 30 m

o Banda 6 SWIR 1 (1,57 – 1,65 μm) 30 m

o Banda 7 SWIR 2 (2.11 – 2.29 μm) 30 m

o Banda Pancromatică (PAN) (0,50 – 0,68 μm) 15 m

o Banda 9 Cirrus (1,36 – 1,38 μm) 30 m

Thermal Infrared Sensor (TIRS)

Două benzi spectrale:

o Banda 10 TIRS 1 (10,6 – 11,19 μm) 100 m

o Banda 11 TIRS 2 (11,5 – 12,51 μm) 100 m

Fig. 12 Lansare Landsat 8 (https://landsat.usgs.gov/landsat-8-mission)

2.2.2 Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer (GOCE)

GOCE a fost prima misiune a Agenției Spațiale Europene de explorare a planetei și a avut ca obiectiv cartografierea în detaliu a variațiilor câmpului gravitațional, satelitul fiind plasat la o altitudine mică. Rezultatul a fost un model gravitațional unic al planetei, foarte important pentru acuratețea măsurării circulației oceanice și a schimbărilor nivelului mării, amândouă afectate de schimbarea climatică.

Informațiile obținute de GOCE sunt necesare pentru a înțelege mai bine procesele care au loc în interiorul planetei și pentru aplicații practice în geodezie. Rezultatele practice ale informațiilor obținute contribuie la îmbunătățirea modelelor climatice, dar și a cunostințelor despre mișcările tectonice și cutremure, aducând informații noi despre distribuirea magmei sub vulcani. În combinație cu alte informații, se presupune că datele culese de GOCE vor ameliora estimările legate de grosimea și masa calotei glaciare.

GOCE a avut ca instrument principal un gradiometru foarte sensibil pentru cartografierea câmpului gravitațional al planetei, un receptor GPS permitea satelitului să își "cunoască" poziția în orice moment, acest lucru fiind important la cartografiere, și un retroreflector laser.

Perioada de funcționare: 17 March 2009 – 11 November 2013

A. Caracteristicile navei spațiale

Producător: Thales Alenia Space , EADS Astrium

Masa la lansare: 1,077 kg

Masa propriu-zisă: 872 kg

Dimensiuni: 5.3 m × 2.3 m (17.4 ft × 7.5 ft)

Putere: 1600 watti

B. Obiectivele misiunii

determinarea anomaliilor câmpului gravitațional cu o exactitate de 1 mGal (1mGal = 10–5 ms–2).

determinarea geoidului cu o precizie de 1-2 cm.

îndeplinirea celor 2 cerințe la o rezoluție spațială mai bună de 100 km

Fig.13 Satelitul GOCE

(https://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/GOCE/Facts_and_figures)

2.2.3 Misiunea SPOT

Franța este prima țară ce a lansat un program de teledetecție spațială, care se poate compara cu cel american. Primul satelit SPOT (Systéme Probatoire d’Observation de la Terre) a fost plasat pe orbită în anul 1984, în cadrul Programului Național Spațial al Franței, în asociere cu Suedia și Belgia, program ce asigură atât sateliții cât și mijloacele de lansare, facilități la sol (stații de recepție a datelor și control al zborurilor), facilități de prelucrare și distribuție a imaginilor.

Față de misiunile LANDSAT descrise anterior, sistemul SPOT prezintă două îmbunătățiri esențiale.

Prima se referă la rezoluția imaginii, deci la dimensiunea relativă a pixelului. Astfel, pentru modul de lucru multispectral, rezoluția în teren este de 20 m iar în modul de lucru pancromatic (un canal de imagine alb/negru) rezoluția spațială este de 10 m. A doua se referă la faptul cã senzorii pot fi reglați ca poziție și, deci, vor putea furniza imagini oblice ale zonelor de interes (imagini stereo). (Vais,2012)

Fig. 14 Benzile spectrale ale SPOT (Vais,2012)

Satelitul SPOT 6 a fost lansat în spațiu pe data de 9 septembrie 2012 , în timp ce SPOT 7 a fost lansat pe 30 iunie 2014. Aceștia reprezintă o configurație de sateliți cu obiectivul de a achiziționa imagini de înaltă rezoluție asupra Pământului până în anul 2024.

Sunt plasati la o altitudine de 694 de kilometri

Rezoluția imaginii:

Panchromatic: 1.5 m

Colour merge: 1.5 m

Multi-spectral: 6 m

Benzile spectrale,cu achiziții pancromatice și multispectrale simultane:

Panchromatic (450 – 745 nm)

Blue (450 – 525 nm)

Green (530 – 590 nm)

Red (625 – 695 nm)

Near-infrared (760 – 890 nm)

Zona acoperită: 60 km × 60 km

Șase obiective pe zi per satelit

Capacitatea de a achiziționa date a 3 milioane de kilometri pătrați pe zi

Fig. 15 Satelitul SPOT 6

(http://www.cite-espace.com/actualites-spatiales/spot-6-un-nouveau-regard-sur-la-terre/)

2.3 Benzile spectrale ale imaginilor satelitare

Banda albastră – 0.45-0.52 μm (BANDA 1):

Utilă în distingerea norilor de zăpadă și roci;

Utilă în distingerea solurilor acoperite de vegetație de cele fără vegetație;

Detectează penașele de fum;

Este optimă pentru detectarea vegetației acvatice submersale;

Detectează zonele poluate, turbiditatea apei și sedimentele;

Este o bandă cu lungime de undă scurtă, lungimile de undă scurte au cea mai mare penetrare a apei;

Banda verde – 0.52-0.6 μm (BANDA 2):

Utilă în distingerea claselor de vegetație;

Utilă în detectarea vegetației acvatice submersale;

Utilă în distingerea diferențelor de turbiditate a apei;

Banda roșie – 0.63-0.69 μm (BANDA 3):

Utilă în distingerea solurilor acoperite de vegetație de cele fără vegetație;

Utilă în delimitarea arealelor cu diferite tipuri de soluri;

Captează reflexia majorității solurilor;

Banda de infraroșu apropiat – 0.76-0.9 μm (BANDA 4):

Utilă în distingerea varietăților de vegetație;

Apa este un absorbant puternic al infraroșului, deci această bandă este bună pentru delimitarea corpurilor de apă și distingerea solurilor uscate și umede;

Banda de infraroșu de undă scurtă 1 – 1.55-1.75 μm (BANDA 5):

Prezintă sensibilitate la schimbările de apă din țesuturile frunzelor;

Utilă în identificarea vegetației lemnoase;

Prezintă sensibilitate la rocile metalifere (reflectanța crește odată cu cantitatea de fier din roci);

Prezintă sensibilitate la variația umidității în vegetație și sol (reflectanța scade odată cu creșterea conținutului de apă);

Banda de infraroșu de undă scurtă 2 – 2.08-2.35 μm (BANDA 7):

Utilă în realizarea cartării litologice;

Ca și banda 5, prezintă sensibilitate la variația umidității în vegetație și sol;

Banda LWIR, THERMAL – 10.4-12.5 μm (BANDA 6):

Senzor conceput pentru măsurarea temperaturilor radiante de la -100 grade C la +150 grade C;

Utilizat în aplicații de cartografiere a căldurii: umiditatea solului, tipurile de rocă, puțurile de apă termică, conservarea căldurii, generarea de căldură urbană, direcționarea militară activă, inventarul faunei sălbatice, detectarea geotermală;

Combinarea benzilor spectrale ale programului LANDSAT

Combinarea benzilor 3-2-1

Această combinare simulează o imagine naturală color. Este uneori folosită pentru studii

costale și pentru detectarea norilor de fum.

Combinarea benzilor 4-5-3

Este folosită pentru analiza umidității solului și a condițiilor de vegetație. Este, de asemenea, folositoare pentru localizarea acviferelor și a limitelor apă-sol.

Combinarea benzilor 4-3-2

Aceasta este cea mai folosită combinație de benzi spectrale utilizată în teledetecție pentru analiza vegetației, culturilor, utilizării terenurilor și a zonelor umede.

Combinarea benzilor 7-4-2

Este folosită în analiza conținutului de umiditate a solului și vegetației și localizarea apelor interioare. Prin această combinare a benzilor spectrale vegetația apare verde.

Combinarea benzilor 5-4-3

Această combinație este utilă pentru studiile de vegetație și este utilizată pe scară largă în domeniul gestionării lemnului și a infestării cu dăunători. Identificarea limitelor teren/apă;

Combinarea benzilor 4-5-7

Este folosită pentru detectarea norilor, zăpezii și a gheții (mai ales la latitudini mari).

3. Geologia zonei

Marea Aral se află în depresiunea Aral-Sarykamysh, care este mărginită de câmpiile joase ale Asiei Centrale, la granița dintre Kazahstan și Uzbekistan (Figura 16). Clima este continentală și extrem de uscat, iar scurgerile de suprafață sunt practic zero. Fluctuațiile nivelului apei sunt determinate în mare parte de modificările de debitelor râurilor Amu Darya și Syr Darya. Începând cu 1960, nivelul lacului a fost afectat de activitatea de irigare din bazinele Amu Darya și Syr Darya. Evoluția eroziunii continentale și a formelor de relief sunt controlate de mai mulți parametri: tectonic, factori climatici și antropici. Climatul arid în curs de dezvoltare în regiune duce, de asemenea, la o scădere a suprafeței mării Aral și o creștere a deșertificării (Kovda, 1980).

Fig. 16 Localizarea geografică a Mării Aral

(Sursa: Global International Waters Assessment, 2005)

Depresiunea Mării Aral s-a format spre sfârșitul Perioadei Neogene (care a durat de la aproximativ 2,3 până la 2,6 milioane de ani în urmă). Cândva în timpul acestui proces, golul a fost parțial umplut cu apă – din care o parte provenea din râul Syr Darya. În Pleistocenul Timpuriu și Mijlociu (în urmă cu aproximativ 2.600.000 până la 11.700 de ani), regiunea pare să fi secat, doar pentru a fi inundată între sfârșitul Pleistocenului și Epoca Holocenului Timpuriu (adică după aproximativ 11.700 ani în urmă), ultima instanță (perioadă) fiind prima dată când Amu Darya, și-a schimbat temporar cursul de la Caspian la Marea Aral. După aceea, cu excepția unor perioade uscate relativ scurte între secolele al III-lea și al I-lea î. Hr., fluxurile combinate ale celor două râuri au menținut, în general, un nivel ridicat al apei în mare până în anii '60.

În ceea ce privește geologia zonei, teritoriul este eterogen. Terenurile de câmpie aparțin plăcii turaniene a platformei gerciene, unde un strat acoperitor adânc (mai mare de 10 km) de sedimente mezozoice și cenozoice se află pe sedimentele paleozoice extrem de granuloase. Zonele muntoase ale regiunii (Pamirs, Tien-Shan, PamiroAlay) cuprind structuri geologice rugoase nou formate, care provin din aceeași placă formată în perioada Neogenă–– a Eonului Cenozoic. Deasupra acestui strat se găsesc sedimente neogene-cuaternare continentale, care au fost formate din procesele fluviale și din fluxurile de apă temporare, precum și transgresiunile mării și procedeele eolice (praf). Constituția geologică are un impact semnificativ asupra reliefului și peisajului teritoriului.

4. Studiu de caz.

Monitorizarea modificărilor survenite în timp asupra Mării Aral

Începând din anul 1960, nivelul apei din Marea Aral a fost redus sistematic și drastic, din cauza devierii apei din râurile Amu Darya și Syr Darya în scopul irigării agricole. Pe măsură ce guvernul sovietic a transformat suprafețe mari de pășuni sau terenuri netratate, din zonele care sunt acum Uzbekistan, Kazahstan, Turkmenistan și din alte părți din Asia Centrală, în terenuri agricole irigate, folosind apele Amu Darya, Syr Darya și afluenții lor, cantitatea de apă. Din acele râuri care au ajuns la Marea Aral au scăzut în consecință. Până în anii 1980, în lunile de vară, cele două mari râuri au secat practic înainte de a ajunge la lac. Marea Aral a început să se micșoreze rapid din cauza evaporării apelor sale acum nereinnoite.

Până în 1989, Marea Aral s-a retras pentru a forma două părți separate, „Marea Mare” în sud și „Marea Mică” în nord, fiecare având o salinitate aproape triplă decât cea a mării în anii ’50. Până în 1992, suprafața totală a celor două părți ale Mării Aral a fost redusă la aproximativ 13.000 mile pătrate (33.800 km pătrați), iar nivelul mediu al suprafeței a scăzut cu aproximativ 15 metri. Guvernele statelor din jurul Mării Aral au încercat să instituie politici care să încurajeze practicile agricole mai puțin consumatoare de apă în regiunile de sud și est ale lacului, eliberând astfel mai mult din apele Amu Darya și Syr Darya pentru a curge în lac. și pentru a-și stabiliza nivelul apei. Aceste politici au reușit să reducă oarecum utilizarea apei, dar nu la nivelul necesar pentru a avea un impact semnificativ asupra cantității de apă care ajunge în Marea Aral. În 1994, aceleași state – Kazahstan, Turkmenistan și Uzbekistan, cu adăugarea Kirgazistanului și Tadjikistanului – au creat un comitet mixt pentru a coordona eforturile de salvare a Mării Aral. Totuși, dificultatea coordonării oricărui plan între aceste state concurente a împiedicat progresul.

Până la sfârșitul secolului, Marea Aral se retrăsese în trei lacuri separate: Marea Mare se împărțise într-un lac lung, îngust, de vest și un lac mai mare, mai larg, de est, cu rămășițele Mării Mici spre nord. Nivelul apei a scăzut la 36 de metri deasupra nivelului mării, iar volumul apei a fost redus cu trei sferturi din ceea ce fusese în 1960. Aproape nicio apă din Amu Darya și Syr Darya nu a mai ajuns la Marea Aral. La începutul secolului 21, porțiunea estică a Mării Aral a suferit cel mai drastic și imediat declin – diminuându-se cu aproximativ patru cincimi între 2006 și 2009. Banca Mondială a finanțat construcția barajului Kok-Aral (finalizat în 2005) și proiectele de-a lungul sirul Darya care părea să păstreze porțiunea nordică a mării. Totuși, porțiunea sudică – atât lobul estic, cât și vestul, dar mai ales estul – au continuat să se micșoreze, în ciuda unor fluxuri de apă din nord. Pentru perioade de timp după 2010, lobul estic s-a uscat complet.

Până în anii ’60, factorii cei mai importanți care au afectat echilibrul hidric al Mării Aral au fost cotele de intrare a râurilor și pierderea de apă prin evaporare, care anterior a scos în fiecare an aproximativ aceeași cantitate de apă pe care au adus râurile. De-a lungul secolelor, variațiile nivelului apei au depășit 6 metri, în timp ce variații anuale și sezoniere au fost înregistrate între 3 metri și mai puțin de 0,3 metri.

4.1 Descarcarea imaginilor satelitare pentru diferite perioade

Imaginile au fost descărcate din baza de date Google-Earth-USGS (Serviciul de prospectare geologică al Statelor Unite) .O serie de imagini stocate in arhiva USGS pot fi pregătite la cererea utilizatorului.

Descărcarea imaginilor se realizează prin parcurgerea etapelor următoare:

1. Accesarea site-ului:

https://earthexplorer.usgs.gov/

2. Înregistrarea în baza de date a USGS:

https://ers.cr.usgs.gov/register

3. Identificarea zonei de interes și definirea acesteia:

Fig. 17 Identificarea zonei de interes

4. Prin selectarea butonului “Use Map” definim zona de interes prin adăugarea de puncte conform imaginii de mai jos:

Fig. 18 Definirea zonei de interes

5. Stabilirea intervalului de timp:

Fig. 19 Stabilirea intervalului de timp

6. Selectarea tipului de date (imagini aferente unui anumit tip de satelit).

Accesăm “Data Sets”, și selectăm setul de date dorit:

Fig. 20 Selectarea tipului de date

7. Accesul la imaginile disponibile se face prin accesarea butonului “Results”, care conduce la afișarea de previzualizare a tuturor scenelor Landsat care îndeplinesc criteriile de căutare din baza de date.

Fig. 21 Accesarea imaginilor satelitare

8. Afișarea rezultatelor

Previzualizarea poate oferi o imagine mărită a scenei căutate, pentru a se examina calitatea acesteia și a se decide dacă va fi descărcată sau nu.

Putem previzualiza imaginea selectând pictograma (Figura 22) sau amprenta imaginii la nivelul terenului (Figura 23).

Fig. 22 Previzualizarea imaginii

Fig. 23 Amprenta imaginii la nivelul terenului

9. Imaginile pot fi descărcate prin accesarea pictogramei

Fig. 24 Descărcarea rezultatelor

4.2 Realizarea bazei de date GIS

Am creat în ArcCatalog o bază de date tip File Geodatabase :

Fig. 25 Creare bază de date

În baza de date am creat 3 elemente Feature Class de tip linie (pentru editarea contururilor mării)

Fig. 26 Creare Feature Class

Fig. 27 Creare Feature Class

Am adăugat încă două coloane pentru tabelul de atribute ( an si observații)

Am setat sistemul de coordonate (WGS84-40N)

Fig.28 Setare sistem de coordonate

Am adăugat în spațiul de lucru ArcMap, pe rând imaginile cu marea în diferiți ani ( 2000,2010,2020)

Fig. 29 Adăugare imagini

Am georeferențiat pe rând imaginile :

Fig. 30 Georeferențiere imagini

Fig. 31 Georeferențiere imagini

Am inserat în baza de date rasterele nou georeferențiate:

Fig. 32 Inserare rastere în baza de date

Am creat conturul mării pentru fiecare an in parte :

Fig. 33 Editare contururi

4.3 Rezultate finale

Anul 2000

Fig. 34 Marea Aral anul 2000

Anul 2010

Fig. 35 Marea Aral anul 2010

Anul 2020

Fig. 36 Marea Aral anul 2020

Am suprapus imaginile în programul ArcGIS pentru cei trei ani (2000,2010,2020) pentru a putea observa și analiza schimbările și evoluția suprafeței în acest interval de timp. Astfel am obținut următoarele rezultate :

Fig. 37- Marea Aral

Fig. 38- Tabel cu anii 2000,2010,2020

Suprafața Mării Aral a secat din 2000 până în 2010 în proporție de aproximativ 53% , micșorându-se cu circa 17.314 km² . Este o viteză de secare îngrijorător de mare.

Din 2010 până în 2020, procesul de secare a înregistrat o atenuare, dar nu a încetat, astfel în 2020 avem o micșorare a suprafeței de aproximativ 4% , reprezentând circa 620 km².

Prin urmare în anul 2020 față de anul 2000 suprafața Mării Aral a scăzut cu aproximativ 55% , un adevărat dezastru ecologic.

4.4 Concluzii

Accesul facil și utilizarea imaginilor satelitare din diferite perioade de timp pentru monitorizarea suprafeței mării reprezintă un avantaj, deoarece acestea pot fi prelucrate atât în GIS, cât și în alte programe (cum ar fi Global Mapper), iar rezultatele obținute confirmă faptul că suprafața Mării Aral este în scădere.

În ciuda faptului că rezoluția imaginilor nu este una ridicată, reprezentând un dezavantaj întrucât nu se pot observa detaliile minore, acest studiu de caz demonstrează utilitatea acestora. Au putut fi utilizate deoarece nu detaliile minore au fost obiectivul, ci monitorizarea întregii suprafețe a mării.

Studiile anterioare au arătat că Uniunea Sovietică a redirecționat sursa lui de apă în alte zone, iar rezultatul a fost că suprafața si volumul Mării Aral s-a micșorat.

Studiul de față, pe baza imaginilor satelitare, demonstrează că în perioada 2000-2010 suprafața Mării Aral a scăzut aproximativ cu 53% , iar în perioada 2010-2020 , de asemenea, se poate observa o scădere a suprafeței mării cu aproximativ 4 %.

Această evoluție a Mării Aral este influențată de mai mulți factori, care și-au pus amprenta încă din anii ’60, unul dintre acestea fiind irigațiile masive.

Pe lângă aceste intervenții umane, care au provocat un dezechilibru, asupra ecosistemului Mării Aral, schimbările climatice sunt un alt factor important, iar seceta din anul 2014 a avut un impact dramatic.

Fig. 38 Marea Aral în anul 2014 ( sursa : Wikipedia.org)

Bibliografie

Cărți și articole :

Badea, Alexandru, Teledetecție, (Bucharest: USAMV Publishing House, 2011)

Badea, Alexandru, Teledetecție-note de curs

Băduț, M., (2007), „GIS-Sisteme informatice geografice, fundamente practice”, Editura Albastră, Cluj-Napoca;

Burrough PA., (1986), „Principles of Geographic Information Systems for Land Resource Assessment”. Monographs on Soil and Resources Survey No. 12, Oxford Science Publications, New York;

Global International Waters Assessment, 2005

Iosub F., (2008), „Evoluția Sistemelor Geografice”, http://www.geo-spatial.org/;

Mihai, Bogdan Andrei, Teledetecție: Introducere în procesarea digitală a imaginilor, Editura Universității din București, 2007.

Mihai, Bogdan Andrei, Teledetecție, Editura Universității din București, 2009

Vais, Manuel, Curs de teledetecție, 2012

Site-uri :

HISTORY OF REMOTE SENSING, AERIAL PHOTOGRAPHY (Part 1. Period 1800-World War I)

18 Famous First Photographs in History: From the Oldest Photo Ever to the World’s First Instagram

http://geomatica.como.polimi.it

https://landsat.usgs.gov

https://earthexplorer.usgs.gov/

https://landsat.usgs.gov/landsat-7-history

https://landsat.usgs.gov/landsat-8-mission

https://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/GOCE/Facts_and_figures

http://www.cite-espace.com/actualites-spatiales/spot-6-un-nouveau-regard-sur-la-terre/

https://www.britannica.com/place/Aral-Sea/Environmental-consequences

http://www.geocarto.com.hk/edu/PJ-BCMBLSAT/main_BCLS.html?fbclid=IwAR3pDpgSzh4yUDwuOKnng-OO-BZ_Vyeom11woIGDp1CgZqmtsTV-Y_2mdI0

https://ro.wikipedia.org/wiki/Marea_Aral