Notiuni generale [307683]

Teledetectie:

[anonimizat] „teledetecție” provine din limba engleză (remote sensing) sintagmă care se traduce ca detectare de la distanță.

[anonimizat], înregistrarea și vizualizarea sub forma unor imagini, a [anonimizat], [anonimizat], fără existența unui contact real sau direct cu acestea (Fig. 1.1).

[anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat], fără un contact real cu acestea.

Remote sensing is a [anonimizat], seas, and air.

– Dr. Nicholas Short

Fig. 1.1. Principiul colectării datelor de teledetecție

La baza colectării informațiilor este principiul interacțiunii dintre materie și radiație (Fig. 1.2), [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat].

Fig. 1.2. [anonimizat] a [anonimizat], prelucrare și difuzare către diverși utilizatori a [anonimizat] (Fig. 1.3).

Orice Sistem de teledetecție are următoarele componente principale:

centrul misiunii spațiale unde se stabilesc misiunile zilnice ale sateliților, a navelor spațiale și a [anonimizat] a deplasării pe orbită a unui vehiculului spațial de pe orbita respectivă (satelit, [anonimizat]);

[anonimizat], au rolul de a colecta datele transmise de către sateliți și nave spațiale.

centrul de prelucrare a datelor, are roul de a [anonimizat], în scopul distribuirii lor către utilizatori;

vehiculel spațiale (sateliți, [anonimizat]) care este echipat cu instrumentele de teledetecție;

utilizatorii, [anonimizat], firme private, , instituții de învățământ etc.

Fig. 1.3. Schema unui Sistem de teledetecție

••• [anonimizat], Canada, online

Mihai B. A., Teledetecție, Introducere în procesarea digitală a imaginilor, Vol I, Editura Universității din București, 2007

Mihai B. A., Teledetecție, [anonimizat], Editura Universității din București, 2009

Popescu C.A., Copăcean L., Herbei M. V., Teledetecție. Fundamente teoretice, Ed. Eurostampa, Timișoara, 2015

Un sistem de teledetecție are în componență următoarele programe:

program de determinări spațiale, care utilizează senzorii de pe platformele orbitale;

program de determinări aeropurtate, pentru diverse înățșimi (mari, medii și mici);

un program de determinări de teren (pentru eșantionare) corelat cu programele anterioare, folosind analize de laborator și de teren, dar și analize teoretice ale ansamblului determinărilor.

Statele lumii care dispun de tehnică satelitară au creat difierite sisteme de teledetecție, îmbunătățite și modernizare permanent pentru a se plia pe necesitățile și cerințele utilizatorilor.

Structura unui sistem de teledetecție poate fi concepută cu mai mulți sateliți (sau nave spațiale) care sunt plasați pe orbite diferite astfel încât să acopere diverse zone de interes de pe Pământ care urmează a fi cercetate.

La bordul sateliților sau a navelor spațiale sunt instalate mai multe sisteme de captori cu senzori care pot acționa în diverse zone ale spectrului electromagnetic, în zona radiațiilor termice sau în zona ultrasunetelor.

În acest fel, fiecare zonă studiată și înregistrată este văzută prin mai multe straturi sau ferestre, care corespund lungimilor de undă în care lucrează senzorii utilizați.

Radiațiile recepționate de sistemul de înregistrare aflat de la bordul satelitului sau a navei spațiale sunt convertite în anumite semnale electrice care pot varia în funcție de intensitatea care este măsurată în fiecare bandă.

Semnalele electrice (analogice) sunt convertite într-o formă digitală și sunt transmise către stațiilor de recepție de la sol unde sunt înregistrate pe benzi magnetice în vederea prelucrării lor.

Aplicațiile teledetecției.

Domeniile de aplicabilitate a teledetecției sunt multiple, dar cea mai mare utilizare a teledetecției este în domeniul studiului resurselor naturale ale Pământului.

Altfel spus, teledetecția studiază comportamentul suprafeței Pământului în interacțiune cu radiațiile electromagnetice, studiază mijloacele tehnice care sunt utilizate în vederea recepționării acestor radiații și, nu în ultimul rând, studiazî metodele de analiză a datelor brute recepționate.

Instrumentele optice furnizează imagini multispectrale, la rezoluții ridicate și care conțin o multitudine de informații ce pot fi interpretate în diverse scopuri.

Instrumentele radar furnizează informații atât pe timp de zi, cât și de noapte, indiferent de acoperirea cu nori, față de instrumentele optice care sunt dependente atât de starea atmosferică cât și de iluminarea directă a soarelui.

Tipuri de senzori.

Utilizarea senzorilor instalați la bordul aeronavelor sau a sateliților constituie, în prezent, instrumentul pentru colectarea informațiilor necesare monitorizării, controlului și administrării mediului.

Din punct de vedere al tipului de energie utilizat, senzorii se impart în 2 categorii:

Senzori Pasivi – care sunt platforme dotate cu senzori relectivi care inregistreaza radiatia solara reflectata de spatiul obiect sau radiatia emisa de catre acesta.

Senzori Activi – sunt cei care detectează răspunsurile reflectate de obiecte care sunt iradiate de la surse de energie artificiale (ex.: radarul).

Pe baza senzorilor pasivi și active pot fi definite noțiunile de teledetecție pasivă, respective teledetecție active.

Teledetectia pasiva se bazează pe inregistrareade la distanță a imaginilor obiectelor sau fenomenelor de pe Pământ, pe baza radiațiior electromagnetice emise de acestea, ca de exemplu:

înregistrarea radiației solare reflectate de către obiecte (teledetectia cu senzor optic);

înregistrarea radiației calorice din zona infraroșu termal (teledetectia prin scanare termica).

Fig. 1.4. Sistem de teledetecție PASIV

Teledetectia activă utilizează radiațiile electromagnetice generate artificial cu ajutorul diferitelor instrumente in vederea exploatarii si inregistrarii sub forma de imagini a obiectelor si fenomenelor de pe suprafata terestra. Teledetectia cu mijloace active ofera posibilitatea de a obtineimagini exacte ale obiectelor, folosind radiatii ce se pot propaga in conditii diferite de cele utilizate in teledetectia pasiva. Principiile cele mai cunoscute ale teledetectiei active sunt legate de folosirea microundelor (radar), luminii polarizate sau laserului (LiDAR), respective undelor sonore (sonarul).

Fig. 1.5. Sistem de teledetecție ACTIV

PRINCIPIILE TELEDETECȚIEI PASIVE

Teledetecția pasivă se bazează pe înregistrarea imaginilor obiectelor și fenomenelor de la distanță utilizând doar radiațiile electromagnetice emise de acestea.

Teledetecția pasivă se bazează pe 4 principii, și anume:

Principiul televiziunii satelitare;

Principiul scanării multispectrale;

Principiul radiometriei;

Principiul scanării termice.

Principiul televiziunii satelitare

Folosește ca senzori camerele de televiziune de construcție specială (engl. vidicon), care captează și înregistrează de la distanță, radiațiile luminoase emise de către corpuri, în mod selectiv, în mai multe intervale ale spectrului radiațiilor. Televiziunea se bazează pe conversia radiațiilor luminoase în imagini vizualizate pe tuburi catodice și care pot fi transmise prin diferite mijloace la distanță. Camera de televiziune primește radiația luminoasă pe care o transformă în curenți electrici, proiectați apoi sub formă de fascicule de electroni pe ecranul unui tub catodic. Imaginea rezultă din combinarea punctelor luminoase și întunecate de pe ecran și, deși este neunitară din punct de vedere tehnic, este percepută de către ochiul uman ca unitară, datorită inerției acestuia.

Teledetecția satelitară prin televiziune utilizează sisteme de mai multe camere speciale, mobile în raport cu direcția de zbor orbital, care pot înregistra simultan aceeași imagine în mai multe benzi sau intervale spectrale. Înregistrarea imaginilor prin televiziune se poate realiza în două moduri: imagine-cadru, când imaginea în care punctele și liniile ce o compun sunt înregistrate simultan și rezultă o imagine relativ unitară, și prin baleiere, când înregistrarea imaginii se face punct cu punct și linie cu linie.

Imaginile rezultate prin principiul televiziunii satelitare sunt imagini alb-negru diferite sub raport spectral deoarece ele sunt complementare la nivelul lungimilor de undă. Aplicația a fost folosită la sateliții meteorologici sovietici și americani, la unele stații spațiale din anii 60 și 70 (experimental) și s-a consacrat la primele trei misiuni din programul Landsat, numite ERTS A, B și C. Acestea au folosit sistemul de camere RBV (Return Beam Vidicon) în trei și mai târziu în cinci intervale spectrale din vizibil și infraroșu. Sistemul a fost abandonat, la următorii sateliți, datorită problemelor tehnice destul de frecvente.

Principiul scanării multispectrale

Este unul dintre cele mai folosite principii pentru că obține imagini de bună calitate la nivelul rezoluției spectrale și spațiale. Principiul, perfecționat în ultimele trei decenii, se bazează pe faptul că în natură orice obiect sau fenomen emite radiații electromagnetice, în funcție de proprietățile fizice și chimice, prin intermediul cărora acestea pot fi înregistrate, descrise și analizate

Scanarea multispectrală utilizează radiațiile luminoase cu diferite lungimi de undă emise de către corpurile de pe suprafața terestră. Aceste radiații sunt defapt, radiațiile solare reflectate de către obiecte. Imaginile obținute prin acest principiu sunt numite multispectrale și sunt reprezentate prin mai multe înregistrări ce corespund câte unui interval spectral. Legate de acestea sunt noțiunile de bandă spectrală, respectiv scenă satelitară.

Banda spectrală reprezintă un interval din spectrul căreia îi corespunde o imagine în cazul unei înregistrări multispectrale. Înregistrarea imaginilor se realizează întotdeauna pe principiul baleierii, adică punct cu punct și linie cu linie. Fiecărei benzi spectrale îi corespunde o imagine alb-negru.

Scena satelitară (imaginea satelitară primară) reprezintă o suprafață limitată de teren cu dimensiuni bine precizate, de formă pătrată sau dreptunghiulară în limitele căreia se înregistrează o imagine în mai multe benzi spectrale, prin scanare multispectrală și nu numai. Dimensiunile acesteia sunt bine calculate în funcție de acoperire spațială, rezoluție spațială, timp de scanare, corelat cu viteza satelitului (peste 11 km/s), altitudinea, viteza de rotație a Pământului cât și poziția Soarelui pe boltă. Înregistrarea se realizează în timpul parcurgerii orbitelor ce au parametrii cunoscuți, de la altitudini de sute de km la ore exacte, la intervale de timp egale.

Principiul radiometriei

Principiul radiometriei se bazează, asemeni scanării multispectrale pe detectarea simultană și selectivă a radiațiilor electromagnetice emise de corpuri, în diferite zone ale spectrului, de la ultraviolet fotografic la vizibil, infraroșu reflectat și chiar infraroșu termal. Sistemele de senzori sunt însă speciale și se numesc radiometre. Radiometrele sunt sisteme complexe sau instrumente de teledetecție pasivă care măsoară radiațiile electromagnetice emise de corpuri sau medii (apa mărilor, soluri, vegetație, roci etc.) prin compararea lungimii de undă specifică acestora cu lungimi de undă standard ale unor radiații generate artificial.

Principiul scanării termice

Utilizează lungimile de undă ale infraroșului termal în vederea obținerii de imagini ale potențialului caloric al obiectelor din teren. Imaginile în infraroșu termal se obțin în cazul oricărui corp cu o temperatură mai mare de 1șK.

PRINCIPIILE TELEDETECȚIEI ACTIVE

Teledetecția activă folosește radiațiile electromagnetice generate artificial, cu ajutorul diferitelor instrumente, în vederea explorării și înregistrării sub formă de imagini a obiectelor și fenomenelor de pe suprafața terestră. Teledetecția cu mijloace active, determină posibilitatea de a obține imagini exacte ale obiectelor, folosind radiații ce se pot propaga în condiții diferite de cele utilizate în teledetecția pasivă (ex. microundele folosite de sistemul radar). Imaginile au aplicații variate în analiza mediilor geografice, fiind complementare imaginilor fotografice sau celor obținute neconvențional.

Principiile cele mai cunoscute sunt

Principiul microundelor (radar),

Principiul luminii polarizate sau laserului (Lidar),

Principiul undelor sonore (sonarul).

Radarul

Principiul radarului (de la engl. Radio Detection and Ranging) se aplică de peste cinci decenii în domeniul navigației aeriene și maritime sau fluviale. Imaginea radar permite sesizare pe monitoare, în timp util, a obstacolelor existente în câmpul sau raza de acțiune a sistemului. Acesta utilizează microundele, mai exact o parte a acestora, cu lungimi de undă mai mari de 0,5 cm, deoarece aceste radiații, vecine în spectru cu undele radio, au o bună rată de transmisie atmosferică. Mai mult, microundele se pot propaga indiferent de condițiile atmosferice și sunt reflectate diferit de obiecte în fiuncție de expunerea lor la fluxuri de undă și de caracteristicile suprafeței lor.

În teledetecție, sistemele radar sunt de 2 tipuri, în funcție de posibilitățile obținerii de imagini de emisie verticală. În primul caz, cel al radarului cu emisie verticală, rezultă o imagine îngustă, similară unui profil topografic al terenului. Aplicația este utilă mai ales navigației aeriene, în diferite misiuni de fotografiere aeriană, deoarece se impune cunoașterea exactă a plafonului de zbor.

Al doilea sistem este radarul lateral aeropurtat, cu acronimul SLAR (engl. Side Looking Airborne Radar), cea mai utilizată aplicație de acest tip. Acesta permite emiterea de microunde cu ajutorul unor antene mobile amplasate oblic pe fuselajul avionului, de o parte și de cealaltă a acestuia sau lateral și perpendicular față de direcția de zbor. În aceste condiții, rezultă o mult mai bună acoperire a terenului, ce crește în funcție de plafonul de zbor.

Principiul lidarului

Este un mijloc activ de a obține imagini, similar până la un punct radarului, însă mai nou, fiind apărut și perfecționat după anii 60. Lidarul (de la engl. Light Detection and Ranging) folosește în locul microundelor lumina polarizată numită și laser.

Principiul utilizează scanarea sau baleierea unor suprafețe situate lateral în raport cu direcția de zbor, prin coordonarea perfectă cu viteza de zbor a avionului sau elicopterului ce transportă instrumentul. La contactul cu obiectele din teren, semnalul incident, cu parametri cunoscuți este reflectat, o parte a luminii este absorbită, difuzată, astfel încât intensitatea răspunsului este captată, măsurată și înregistrată sub forma unei imaginii alb-negru. Explorarea terenului se realizează prin baleiere sau scanare cu fasciculul monocromatic generat la bordul avionului, elicopterului sau satelitului iar coordonarea vitezei de deplasare cu cea de scanare se face cu ajutorul unui sistem special GPS. Radiațiile luminoase cu alte lungimi de undă, provenite de la diverse surse, sunt eliminate prin filtrare în condițiile recepției semnalului de răspuns cu antena specială.

Principiul sonarului

Sonarul (de la engl. Sound navigation and ranging), numit și ecosondă, utilizează undele sonore generate în limitele unor parametri cunoscuți de sisteme speciale. Aplicațiile sunt legate aproape exclusiv de mediul marin, de bazinele acvatice, deoarece propagarea sunetului, a ultrasunetelor este optimă prin apă și mult mai dificilă în atmosferă.

Principiul este destul de apropiat de cel al radarului sau lidarului. Undele sonore sunt emise de generatoare submerse asemeni unor antene fixe sau mobile de pe nave sau submarine, în direcția fundului apei marine, unde interacționează cu diferite medii cu structuri și rugozități diferite, expuse diferit în raport cu flux sonor incident. Sistemul explorează obiectelo tot prin scanare sau baleiere, în limitele razei de acțiune.

Comparatie senzori active –pasivi

Senzorii pasivi detecteaza radiatia electromagnetica reflectata sau emisa de surse naturale. Senzorii activi detecteaza raspunsul reflectat de obiecte iradiate de surse artificiale de energie, cum ar fi radarul. Fiecare din aceste doua categorii se pot clasifica mai departe in sisteme cu sacanare sau fara scanare.

Un senzor functionand dupa o combinatie de metode pasive, fara scanare si fara imagerie este un tip de inregistrator de profile, ex. un radiometru de microunde. Un senzor functionand dupa o combinatie de metode pasive, fara scanare si cu imagerie este ceea ce numim o ”camera”, cum se afla de exemplu la bordul satelitului rusesc COSMOS

Senzorii functionand ca si combinatii de imagerie pasiva cu scanare se pot clasifica in continuare in senzori cu scanare planara de tip imagine (camere TV sau scanere cu semiconductori) si senzori cu scanare planara de tip obiect (cum ar fi scanerele multispectrale (opto-mecanice) si radiometre de microunde cu scanare

Ca exemplu de senzor activ fara scanare si fara imagerie este orice inregistrator de profile, cum ar fi un spectrometru cu laser sau un altimetru cu laser. Un senzor activ, cu scanare si imagerie este radarul, ex. un radar cu apertura sintetica (SAR), care poate produce imagerie de inalta rezolutie, atat ziua cat si noaptea, chiar si sub acoperire de nori.

Cei mai raspanditi senzori folositi in teledetectie sunt camerele, scanerul cu semiconductori, scanerul multispectral. Senzorii cu laser au inceput recent sa fie folositi pentru monitorizarea poluarii aerului cu spectrometre laser si pentru masurarea distantelor in altimetre cu laser.

Platforme de teledetecție

Platformele de teledetecție sunt vehicule capabile să transporte senzori de preluare de la sol sau să îl ridice la altitudinea de preluare. Aceste platforme trebuie sa asigure o foarte mare stabilitate pentru senzorul de preluare în timpul înregistrării și să poată să se orienteze în sensul proiectat pentru preluarea imaginilor. De asemenea trebuie să mențină constantă altitudinea de zbor.

Aceste platforme sunt dotate cu sursă proprie de energie,cu sisteme de orientare și control a parametrilor de zbor.

Clasificarea platformelor:

Platforme aeriene de teledetecție

Platforme spațiale de teledetecție

Platforme circumterestre fără oameni la bord

Platforme circumterestre cu oameni la bord

Platforme extraterestre fără oameni la bord

Platforme extraterestre cu oameni la bord

Sisteme de teledetecție

Imagistica aplicata in agricultura

Spectrul electromagnetic

Cub spectral

Sisteme de culori

Conversii

Spectrul electromagnetic.

Spectrul electromagnetic reprezintă totalitatea radiațiilor electromagnetice existente în univers. Aceste radiații au frecvențe cuprinse între aproximativ 1023 herți și 0 herți. Teledetecția utilizează radiațiile electromagnetice din intervalul cuprins între ultraviolet și microunde.

Mărimea cea mai des măsurată de sistemele de teledetecție actuale este energia electromagnetică emanată sau reflectată de obiectul studiat. Aceasta pentru că elementele constitutive ale scoarței terestre (rocile, solurile), vegetația, apa, cât și obiectele care le acoperă au proprietatea de a absorbi, reflecta sau de a emite energie. Cantitatea de energie depinde de:

caracteristicile radiației (lungimea de undă și intensitatea acesteia),

proprietatea de absorbție a obiectelor,

orientarea acestor obiecte fața de soare sau fața de sursa de radiație.

Cantitatea de energie depinde de caracteristicile radiatiei (lungimea de unda si intensitatea acesteia), de proprietatatea de absorbtie a obiectelor si de orientarea acestor obiecte fata de soare sau fata de sursa de radiatie si de polarizare.

Lungimea de undă reprezintă distanța parcursă de radiația electromagnetică pe durata unei perioade de repetiție

Toate obiectele din natura, cu conditia ca temperatura lor sa fie superioara lui zero absolut emit o cantitate specifica de radiatie electromagnetica din care, o parte, poate fi perceputa de instrumente specializate.

Toate categoriile de obiecte de la suprafata Terrei au proprietatea de absorbi o parte a radiatiei electromagnetice, in functie de aceasta fiind definita semnatura spectrala a obiectului respectiv. Pe baza cunostintelor referitoare la categoriile de radiatii cu lungimi de unda absorbite si reflectate este posibila analizarea si interpretarea imaginilor de teledetectie.

Elementele care stau la baza acestor analize sunt urmatoarele:

• lungimea de unda;

• intensitatea radiatiei incidente;

• caracteristicile obiectelor si elementelor (in particular caracteristici de absorbtie) ;

• orientarea acestor obiecte si elemente in raport cu pozitia soarelui sau a sursei de iluminare

O unda electromagnetică este caracterizată prin:

lungimea de unda (sau frecvență),

polarizare,

energia sa specifică.

Independent de caracteristicicile enumerate mai sus, toate undele electromagnetice sunt de natura esențial identică.

Particularitățile diferitelor domenii ale spectrului au condus la clasificarea în:

unde radio,

microunde,

infraroșu,

vizibil,

ultraviolet,

raze X,

raze gamma,

raze cosmice.

Spectrul electromagnetic cuprinde radiațiile electromagnetice, de la cele mai scurte (radiațiile cosmice) până la cele mai lungi (undele radio).

În ordinea crescândă a lungimii de undă și descrescândă a frecvenței, zonele de radiații electromagnetice principale sunt: radiațiile gama γ, razele X (Roentgen), radiațiile ultraviolete, spectrul vizibil, radiațiile infraroșii, microundele și ultima zonă – undele radio.

Zonele cele mai utilizate în teledetecție sunt: ultravioletele, spectrul vizibil, infraroșu și radar. Pentru înregistrările fotografice, spațiul de înregistrare se compune din ultravioletul apropiat, zona vizibilului și infraroșu apropiat.

Cele patru zone utilizate mai des de către senzorii de teledetecție sunt: UV, vizibil, IR si radar. Atât zona radiațiilor ultraviolete a spectrului, cât și cea a radiațiilor infraroșii este împărțită în trei sectoare: apropiat, mediu și îndepărtat.

Zona vizibilului.

Culorile de bază din zona spectrului vizibil sunt:

ALBASTRU – Blue – B – λ = 0,4358 μm,

VERDE – Green – G – λ = 0,5461 μm

ROȘU – Red – R – λ = 0,7000 μm

Prin combinația celor 3 culori de bază se pot obține toate celelalte culori.

Zona infraroșului.

Radiațiile infraroșii se situează de la limita roșie a spectrului vizibil până la undele ultrascurte, cu frecvența cuprinsă între aproximativ 1011 și 1015 Hz, iar lungimea de unda este cuprinsă între 0,750 și 1000 μm (1 mm).

Zona se împarte în 3 sectoare: infraroșul apropiat – Near Infrared – NIR cu lungimea de undă cuprinsă între 0,750 și 3 μm, infraroșul mediu – Medium Infrared – MIR – cu lungimea de undă cuprinsă între 3 și 30 μm și infraroșul îndepărtat (30 – 1000 μm).

Înregistrările termice utilizează domeniul de radiații infraroșii pentru a cerceta un obiect sau fenomen (însușirile și modificările acestuia) prin evidențierea temperaturii superficiale sau din profunzime.

Zona ultravioletului.

Zona ultravioletului se întinde de la limita inferioară a radiațiilor vizibile 0,400 μm (4 000 Å) și până la 100 Å lungime de undă, cu frecvența cuprinsă între aproximativ 1015 și ceva mai mult de 1016 Hz.

Zona ultravioletului se împarte în 3 sectoare: ultravioletul apropiat (4000–3200 Å), ultravioletul mediu (3200–2000 Å) și ultravioletul îndepărtat (2000–100 Å).

În teledetecție se utilizează, însă, numai o porțiune a spectrului electromagnetic (de la microunde până la ultraviolet). Fiecare domeniu este observat cu ajutorul unor captori/senzori adecvați în funcție de natura obiectelor și fenomenelor supuse cercetării.

Toate categoriile de obiecte de la suprafața Terrei au proprietatea de absorbi o parte a radiației electromagnetice, în funcție de aceasta fiind definită semnătura spectrală a obiectului respectiv. Pe baza cunoștințelor referitoare la categoriile de radiații cu lungimi de undă absorbite și reflectate este posibilă analizarea și interpretarea imaginilor de teledetecție. Elementele care stau la baza acestor analize sunt următoarele:

lungimea de undă;

intensitatea radiației incidente;

caracteristicile obiectelor și elementelor (în particular caracteristici de absorbție);

orientarea acestor obiecte și elemente în raport cu poziția soarelui sau a sursei de iluminare.

Teledetecția aerospațială se bazează pe înregistrarea radiației electromagnetice cu ajutorul senzorilor special concepuți în acest scop, utilizând radiația luminii, de la ultraviolet la microunde, folosind ca formă de stocare a datelor imagini numerice sau analogice. Acest spectru nu este disponibil în totalitate, atmosfera acționând ca un filtru de absorbție și de difuzie, rămânând la dispoziție câteva ferestre de transparență. Acestea sunt zonele spectrale utilizate pentru teledetecție, senzorii instrumentelor de captare a semnalului fiind calate în aceste lungimi de undă.

Propagarea radiațiilor în atmosferă

În teledetectie, radiația electromagnetică strabate atmosfera de două ori, ca radiație incidentă, de la Soare către obiect și in calitate de radiație reflectată, de la obiect către senzorul de teledetecție

atmosfera și componentele sale (vapori de apă, CO2, O3, particule de praf, etc.) „funcționează” ca un mediu perturbator, influențând comportamentul acestor unde electromagnetice [56], producându-se diferite fenomene care vor fi prezentate succint în cele ce urmează.

Transmisia sau propagarea radiațiilor reprezintă penetrarea unui mediu de către radiațiile electromagnetice (fig. 2.5), fără a suferi modificări substanțiale, cum este, spre exemplu, trecerea radiației solare directe, din zona infraroșului termal prin atmosferă [31].

2. Reflexia (fig. 2.5) se produce atunci când radiația se întoarce din mediul din care a venit, sub un unghi egal cu unghiul de incidență, numit și unghi de reflexie [31].

3. Difuzia (împrăștierea) reprezintă risipirea radiațiilor la contactul cu un mediu (fig. 2.5). Acest fenomen corespunde acțiunii moleculelor și particulelor (picături de apă, particule de praf sau de gaz, particule de fum, etc) asupra lungimilor de undă (λ). Se notează cu d diametrul particulelor.

Absorbția este datorată pierderii radiațiilor intr-un mediu (fig. 2.5). Este puternic legată de lungimea de undă utilizată și depinde de tipul moleculelor și de proprietățile lor [40].

Emisiunea proprie (autoemisia). Ca și suprafața Pământului, atmosfera emite radiații datorită stării sale termale. Aceasta este mai semnificativă în subdomeniul IR mediu, deoarece temperatura atmosferei este relativ mică [18].

Comportamentul radiațiilor electromagnetice sub influența atmosferei

Comportamentul spectral al unor componente ale mediului înconjurător

Reflectanța spectrală

Reflectanța reprezintă caracteristica obiectelor componente ale mediul terestru de a reflecta o parte a radiației solare incidente în direcția senzorului de teledetecție, în funcție de proprietățile lor fizice și chimice [58]. Reflectanța este definită ca raportul dintre fluxul reflectat de suprafața obiectului și fluxul incident pe suprafață [68] și se poate exprima în procente, prin relația [32]:

Reflectanța exprimată în funcție de lungimea de undă (fig. 2.10) reprezintă reflectanța spectrală

Fiecare obiect din natură prezintă o curbă de reflectanță spectrală (fig. 2.10). Aceasta reprezintă un grafic care evidențiază variația reflectanței unui obiect, in funcție de lungimea de undă a radiației electromagnetice [58].

O presupunere fundamentală în teledetecție este aceea că reflectanța spectrală este o caracteristică unică a fiecărui obiect [68], pe baza acesteia fiind posibilă identificarea și analiza obiectului sau fenomenului respectiv, prin mijloace și metode specifice.

Radianța spectrală

Radianța (fig. 2.11) semnifică fluxul de energei radiantă pe unitatea de unghi solid ce corespunde unui obiect cu o suprafață relativ omogenă, intr-o anumită directțe în spațiu [58]. Se exprimă în unități de energie pe suprafață și unghi solid.

În funcție de datele disponibile, de tipul și gradul de complexitate al analizelor, precum și de scopul urmărit, radianța poate fi transformată în reflectanță și invers, prin operații complexe, ca de exemplu Transformarea Tasseled Cap. În imaginile de teledetecție, componentele mediului înconjurător care au valori mari ale radianței, sunt exprimate în tonuri de culoare deschise (strălucitoare). Valorile radianței cresc odată cu cele ale reflectanței

Semnătura spectrală

Comportamentul suprafețelor, obiectelor sau fenomenelor față de radiațiile cu care intră în contact nu este identic, acestea absorb anumite lungimi de undă, în timp ce pe altele le reflectă. Procentajul din spectrul electromagnetic pe care o suprafață îl reflectă poartă numele de semnătură spectrală (signatură spectrală) a acelei suprafețe

Conceptul de semnătură spectrală reprezintă cea mai frecvent utilizată metodă de identificare și separare a diferitelor materiale și obiecte, utilizând date multispectrale [32], având în vedere faptul că pentru orice material, cantitatea de radiație solară pe care acesta o reflectă, o absoarbe sau o transmite variază în funcție de lungimea de undă, fiind astfel posibilă identificarea diferitelor obiecte după semnăturile lor spectrale (fig. 2.13).

Așadar, semnătura spectrală poate fi definită ca reprezentarea grafică a variației radiației electromagnetice reflectate, în raport cu lungimea de undă

Reflectanța spectrală a vegetației, solului și apei în vizibil și infraroșu apropiat

Reflectanța spectrală a vegetației

În cazul vegetației, reflectanța spectrală (coeficientul de remisie) este determinată de pigmenți, structura celulelor sau de conținutul în apă, în funcție de domeniul spectral.

Reflectanța vegetației în domeniul vizibil (0.4 – 0.7 μm). În această porțiune a spectrului electromagnetic, reflectanța formațiunilor vegetale este determinată de capacitatea de absorbție a pigmenților (în principal clorofila). Reflectanța este slabă atât în zona albastră cât și în cea roșie a spectrului, datoriă clorofilei, pigment care absoarbe energia pe lungimi de undă de 0.45 μm și 0.67 μm (fig. 2.14). Clorofila lasă să treacă numai radiațiile verzi (0.55 μm – punct maxim), care fiind reflectate ulterior „produc” culoarea verde a frunzelor. Punctul de maxim de la 0.55 μm este totuși destul de slab (fig. 2.14), adesea de ordinul a 10% pentru măsurătorile efectuate „in situ” la 1,5 m înălțime pe direcția verticală [40]. Cercetările efectuate anterior fac dovada unei relații inverse între reflectanță și conținutul în clorofilă: creșterea conținutului în clorofilă, deci o capacitate mai mare de absorbție a radiației, determină scăderea valorilor reflectanței.

2. Reflectanța vegetației în domeniul infraroșu apropiat (0.7 – 1,3 μm). În această zonă a spectrului, reflectanța vegetației este mult mai mare comparativ cu zona vizibilă – situație specifică vegetației – (fig. 2.15). Pigmenții nu mai intervin în comportamentul spectral al vegetației în acest domeniu, reflectanța și capacitatea de înregistrare a acesteia de către senzori fiind determinată de celulele plantelor.

3. Reflectanța vegetației în domeniul infraroșu apropiat (peste 1,4 μm). Comportamentul spectral al vegetalelor în acest domeniu este în funcție de conținutul în apă. O vegetație clorofiliană, în bună stare de sănătate are o curbă de reflectanță ce prezintă o diminuare importantă la 1,45 μm și 1,9 μm corespunzătoare unor benzi de absorbție a apei (fig. 2.14). Dacă planta este în curs de maturizare, suferă de stress hidric sau de o boală, conținutul său în apă va fi mai scăzut, iar benzile de absorbție la 1,45 μm și 1,9 μm vor fi puțin sau chiar deloc marcate. Domeniul infraroșu apropiat este de o importanță majoră pentru observarea și cartografierea zonelor acoperite de vegetație, mai ales datorită faptului că gradientul pronunțat de reflectanță la 0.7 – 0.9 μm este produs numai de vegetație (fig. 2.10).

De asemenea, în funcție de curbele de reflectanță spectrală pot fi identificate diferitele specii vegetale (fig. 2.17)

După cum se poate observa în fig. 2.17, forma curbelor de reflectanță a celor trei specii vegetale este diferită, ceea ce permite utilizarea lor pentru identificarea tipuluilor de vegetație (curbele spectrale ale vegetației, în ansamblu, sunt diferite față de alte tipuri de suprafețe, însă și în cadrul acestei formațiuni, sunt evidențiate unele diferențieri care permit analiza la nivel de detaliu).

Reflectanța spectrală a solurilor și rocilor de alterare

Curba de reflectanță a unui sol, în comparație cu cea a vegetației clorofiliene (fig. 2.10), prezintă particularitatea de a fi regulat crescătoare și convexă în domeniul vizibil (0,4 μm), până în infraroșul apropiat (1,3 μm). La 1,45 μm, ea prezintă, precum curba vegetalei clorofiliene, o diminuare importantă urmată de o creștere înspre 1,5 μm. Această diminuare bruscă la 1,45 μm corespunde unei benzi de absorbție a apei [40]. Coeficientul de remisie al solurilor goale depinde de o serie de proprietăți fizice (textura), hidrofizice (în special conținutul în apă), chimice (conținutul în fier, materie organică, etc), starea suprafeței (diferite grade de rugozitate), etc. Așadar, proprietățile solurilor își manifestă influența asupra traiectoriei curbelor de reflectanță. Spre exemplu, modificarea conținutului în apă determină și modificarea curbelor de reflectanță (fig. 2.18).

Conținutul în apă al solurilor produce modificări în traiectoria curbei de reflectanță, în special în domeniul infraroșu, însă acestea nu sunt substanțiale (fig. 2.18). De asemenea, textura solului se reflectă în traiectoria curbei de reflectanță (fig. 2.19).

Solurile nisipoase au valori mai mari ale reflectanței în domeniul vizibil, iar solurile argiloase, în domeniul infraroșu (1,4 – 2,2 μm) [30]. În fig. 2.20 sunt ilustrate diferitele forme ale reflectanței spectrale produse în infraroșul apropiat (1.3-3.0 μm) de către diferite tipuri de roci și minerale.

Se poate remarca faptul că, la fel ca și curbele spectral ale solurilor, în cazul rocilor și mineralelor, este evidențiată o diferențiere în funcție de proprietățile acestora, însă, în linii generale, se păstrează aceeași tendință evolutivă (fig. 2.20).

Reflectanța spectrală a apei

Coeficientul de remisie al apei (reflectanța) variază în funcție de turbiditatea acesteia (fig. 2.21). În cazul în care apa are un anumit grad de turbiditate (conținut de sedimente în suspensie), reflectanța este mai mare comparativ cu apa curată (fig. 2.21). Prezența diferitelor materii în suspensie determină creșterea reflectanței apei în zona albastră a domeniului vizibil ccea ce îi conferă culoarea albastră în percepția umană. Reflectanța apei scade odată cu creșterea lungimii de undă (fig. 2.21), astfel încât, în domeniul infraroșu este aproape absentă, însă prezența vegetației acvatice (de exemplu alge verzi) poate să mărească valorile reflectanței [68].

Rolul culorilor în analiza datelor de teledetecție.

Lumina este o formă de energie care se propagă în spațiu sub forma undelor (oscilațiilor) electromagnetice, fiind un caz particular al energiei radiante, mai precis este acea parte a energiei radiante care este capabilă să producă ființei umane și altor organisme superioare, senzații vizuale.

Energia emisă de soare cuprinde o largă gamă de radiații electromagnetice. Dintre acestea, la suprafața Pamântului, după trecerea prin atmosfera terestră (care acționează ca un filtru), ajunge doar o mică parte, care cuprinde radiațiile vizibile precum și radiații din zonele învecinate (ultraviolet și infraroșu). Toate acestea alcătuiesc zona optică a spectrului.

Dintre componentele spectrului radiațiilor electromagnetice, doar acelea aparținând unui domeniu foarte îngust, plasat aproximativ în mijlocul acestuia, având valorile eșalonate între 380 și 760 nm, produc senzații luminoase. Ele constituie zona vizibilă a spectrului, prezența lor simultană în cantități egale, provocând unui observator senzația luminii albe.

Ochiul răspunde simultan tuturor radiațiilor pe care le captează. O radiație de o anumită lungime de undă nu poate fi distinsă dintre celelalte, cu excepția cazului în care este captată separat. De exemplu, ochiul identifică cu ușurință culoarea verde în spectrul vizibil, dar nu este capabil să izoleze această senzație din lumina albă în care acest verde este prezent. Înseamnă că ochiul nu conține o infinitate de categorii de elemente sensibile la culoare, corespunzătoare tuturor radiațiilor aparținând domeniului vizibil al spectrului. Experiența demonstrează că totul se petrece ca și cum ar exista doar trei categorii de astfel de elemente, mai precis de conuri corespunzând, în mare, celor trei zone ale spectrului care grupează radiațiile albastre (380-500 nm), verzi (500-600 nm) și roșii (600-760 nm). Este suficient astfel să se amestece în mod judicios fascicole de lumină având culorile roșu, verde, respectiv albastru (numite culori primare), pentru a realiza sinteza luminii albe. Această teorie este confirmată de faptul că orice culoare poate fi reprodusă printr-un amestec potrivit de trei fascicole de lumină, fiecare corespunzător culorilor primare.

În cazul corpurilor opace culoarea rezultă din interacțiunea luminii cu un obiect. Receptorul (în acest caz ochiul) analizează, iar creierul interpretează fracțiunea de semnal reflectat în direcția sa.

Culoarea corpurilor opace Culoarea corpurilor transparente

O culoare obținută prin excitarea ochiului cu o radiație luminoasă de o anumită lungime de undă sau de o bandă foarte îngustă de lungimi de undă (sub 5 nm) se numește culoare monocromatică, iar radiația care îi dă naștere este denumită radiație monocromatică.

În realitate, culorile uzuale sunt departe de a fi pure așa cum sunt culorile monocromatice ale spectrului. De fapt, culorile folosite în teledetecție corespund radiației acoperind un interval continuu de lungimi de undă care integrează o infinitate de unde monocromatice. De aceea, procesarea de imagini are ca obiect și caracterizarea spectrală a culorii corpurilor.

Noțiunea de culoare include în sine doi factori:

unul obiectiv (radiația luminoasă),

unul subiectiv (senzația de culoare care se naște în creierul uman, ca urmare a excitării ochiului de această radiație).

Geneza culorilor în natură

Toate senzațiile de culoare pe care le încercăm rezultă din modificarea selectivă a luminii albe în natură. Principalele fenomene fizice care stau la originea acestor modificări sunt absorbția, difuzia, interferența, dispersia și fluorescența.

Absorbția. Majoritatea fenomenelor absorb selectiv o parte din lumina care le întâlnește, în sensul că absorbția variază cu lungimile de undă ale radiațiilor componente. Ca urmare, lumina care părăsește materialul (prin reflexie sau transmisie) are o compoziție spectrală diferită de cea incidentă și, fiind percepută de ochi, produce senzația unei anumite culori. Un obiect dat va apărea, deci, colorat în culoarea luminii reflectate sau transmise de el.

Difuzia. Culorile în care apare cerul la răsăritul sau la apusul soarelui rezultă datorită aceluiași fenomen care conferă cerului senin culoarea sa albastră: difuzia selectivă a radiațiilor luminoase reflectate în toate direcțiile de către moleculele gazelor care alcătuiesc atmosfera. Acționând asupra radiațiilor luminoase, moleculele de aer au influență în primul rând asupra celor cu lungime de undă mică și destul de puțin asupra celorlalte. Difuzate prin reflexie, undele luminoase cu lungime de undă mică dau cerului culoarea albastră.

Proporția de unde scurte difuzate este atât de mare încât observatorul nu mai primește decât o cantitate foarte mică din acestea: fluxul luminos este compus în principal din unde mai lungi, astfel încât soarele apare galben, portocaliu și, în anumite cazuri, în funcție de puritatea atmosferei, chiar roșu.

Interferența pe straturi transparente subțiri este rezultatul interacțiunii dintre radiațiile reflectate pe ambele fețe ale acestora, având ca efect diminuarea, intensificarea sau anularea reflexiei în funcție de faza în care acestea se întâlnesc. În lumina albă interferența are ca rezultat atenuarea selectivă a unor radiații în funcție de raportul dintre lungimile lor de undă și grosimea stratului. Din acest motiv baloanele de săpun și petele de ulei de pe suprafața apei, care reprezintă variante ale straturilor transparente subțiri, prezintă un aspect multicolor.

Dispersia. Formarea culorilor poate proveni din diferențele de refracție suferite de radiațiile având lungimi de undă diferite. Lumina albă este astfel dispersată în elementele sale componente, etalate sub forma unui spectru colorat.

Fluorescența. Radiațiile ultraviolete, deci invizibile, care, absorbite de anumite substanțe, sunt transformate în radiații de diferite lungimi de undă din domeniul vizibil, având culori strălucitoare vizibile în plină obscuritate provoacă fenomenul de fluorescență. Imaginea color de televiziune, dar și, foarte important pentru procesarea de imagini de teledetecție, cea obținută pe ecranul monitoarelor calculatoarelor, se reconstituie cu ajutorul unor luminofori a căror excitare este produsă nu de radiații electromagnetice ci de fascicole de electroni.

Reproducerea culorilor

Teoria tricromatică a vederii este confirmată de faptul că orice culoare poate fi reprodusă (sintetizată) prin amestecul judicios a trei fascicole de lumină colorate în albastru, verde și respectiv roșu, numite culori primare, reprezentând, fiecare, aproximativ cât o treime din spectrul vizibil.

Sinteza aditivă a culorilor (amestecul aditiv)

Atunci când amestecul a trei fascicule de lumină colorată se obține prin adunare spunem că au fost sintetizate culorile prin aditivare. Procedeul se poate realiza într-o cameră obscură, proiectând pe un ecran alb fascicolele de lumină provenind de la trei surse coerente de lumină, prevăzute fiecare cu câte un filtru având culorile roșu, verde, respectiv albastru. Suprapunând în diferitele moduri cele trei proiecții, se obțin următoarele rezultate:

la intersecția fascicolului roșu cu cel verde se obține o suprafață galbenă

(R+V=G);

fascicolul roșu combinat cu cel albastru generează culoarea magenta (purpuriu)

(A+R=M);

fascicolul albastru combinat cu cu cel verde generează prin suprapunere culoarea cyan (azurie)

(V+A=C)

la intersecția celor trei fascicole colorate, se obține o suprafață albă:

(R+V+A => alb)

Trecând în această egalitate pe rând, fiecare culoare în dreapta, putem scrie:

(R+V = alb-A) ; R+A = alb-V și V+A = alb-R

dar R+V, R+A și V+A reprezintă culorile Galben, Magenta și respectiv Cyan.

Rezultă că: galbenul și albastrul, verdele și magenta, respectiv cyanul cu roșul, alcătuiesc, în amestec de cantități egale, culoarea albă. Din acest motiv, culorile galben, magenta și cyan se numesc complementarele culorilor albastru, verde și respectiv roșu deoarece amestecate în proporții corespunzătoare dau o culoare neutră (alb sau cenușiu). De exemplu, culoarea complementară pentru galben este violet, pentru roșu este verde-albăstrui, iar pentru albastru este portocaliu. Așezate alături aceste culori au proprietatea de a se întări reciproc. În legătură cu culorile complementare, trebuie făcute două remarci interesante:

culoarea magenta nu se găsește în spectrul vizibil; ea rezultă prin amestecul culorilor spectrale roșu și albastru;

dacă în culorile cyan (albastru+verde), magenta (roșu+albastru) simțim într-o oarecare măsură prezența componentelor, în galben (roșu+verde) componentele amestecului își pierd complet individualitatea.

Fig. Sinteza aditivă și Sinteza substractivă a culorilor

Fig. Cercul culorilor

Rolul filtrelor în teledetecție

La ora actuală specialiștii consideră că filtrul este unul dintre cele patru elemente fundamentale ale captării imaginii și înregistrării ei, alături de lumină, sistemul optic și materialul fotosensibil, sau, în cazurile fotogrammetriei digitale și a teledetecției, senzorul digital. Astfel, un filtru optic permite, în funcție de caracteristicile sale, reproducerea optimă a realității, fie redarea acesteia potrivit intențiilor analistului, de unde și necesitatea utilizării în teledetecție.

În prezent, la dispoziția celor care captează imaginea există o mare diversitate de filtre. Alegerea aceluia care produce modificarea potrivită și exactă a iluminării, pentru a furniza către elementul fotosensibil informații optime, presupune stăpânirea unor cunoștințe strict necesare din domeniul opticii fizice și fiziologiei din partea utilizatorului imaginii.

Cu alte cuvinte, filtrul este un element care transmite parțial radiațiile electromagnetice incidente, fie reducând în aceeași proporție componentele sale, fie reducând diferit radiațiile, în funcție de lungimea lor de undă. Majoritatea filtrelor folosite absorb în mod preferențial unele radiații, fiind numai selective și având de obicei un aspect colorat. În fotografie se folosesc și filtre care au o acțiune uniformă asupra diferitelor radiații, indiferent de lungimea lor de undă. Acestea se numesc neselective și au un aspect gri.

Principiul acțiunii unui filtru colorat este următorul: el transmite radiațiile având aceeași culoare cu a sa și le reține prin absorbție pe cele de culoare complementară. O excepție o reprezintă filtrele interferențiale, la care o parte din radiația incidentă este reflectată, datorită fenomenului de interferență pe straturi subțiri, și o altă parte, de culoare complementară este transmisă. Trebuie precizat că, de fapt, filtrul are o anumită culoare, tocmai datorită faptului că din lumina albă incidentă, permite trecerea doar a radiațiilor care îi conferă acea culoare. Principiul acțiunii filtrelor este identic, indiferent de tipul materialului.

Caracteristicile imaginilor digitale de teledetecție.

Imaginea digitală este compusă din puncte cărora le sunt asociate valori care descriu parametri semnificativi referitori la suprafața terestră:

• reflectivitatea radiației elector-magnetice,

• emisivitatea obiectelor,

• temperatura de suprafață,

• conținutul de vapori de apă,

• elemente topografice de altitudine

Fiecărui pixel îi este asociat un număr care descrie radiația medie a obiectului sau părților de obiecte care se regăsesc în suprafața de teren corespunzătoare pixelului respectiv. Acest număr reprezintă un nivel de gri, iar valorile atribuite sunt etalate de la 0 la 255, adică 256 de valori (în cazul informației codate pe 8 biți).

Cu cât suprafața acoperită de un pixel este mai mică cu atât peisajul este păstrat și reprezentat cu mai multă precizie (din punct de vedere geometric). De fapt, aceasta arată că dimensiunea scăzută a pixelului are ca efect reproducerea mai precisă a elementelor din natură

Fiecare pixel este identificat cu ușurință printr-o referință imagine unică (linie/coloană). Pe lângă coordonatele imagine, reprezentarea tip raster conține și o valoare numerică ce poate fi după caz: valoarea radiometrică (pentru imaginile de teledetecție), nivelul de gri pentru imaginile scanate, sau, în cazul imaginilor clasificate, un cod numeric corespunzător unui atribut descriptiv.

Suprafața de teren care este acoperită de un pixel din imagine, aferentă mărimii celor mai mici obiecte identificabile cu mijloacele tehnice respective, caracterizează imaginea din punct de vedere al rezoluției.

Nu înseamnă, însă, că fiecărui pixel îi corespunde un singur obiect deoarece distribuția areală implică cumularea la nivelul detectorului a mai multor semnale cu proprietăți diferite: căi de comunicații, păduri, sol descoperit, vegetație de talie mică, etc.. Aceasta înseamnă că datele de teledetecție trebuie folosite numai până la nivelul de precizie proiectat, adică rezoluția imaginii să corespundă preciziei impuse la scara planului sau hărții.

Imaginile provenite de la sateliții de teledetecție pun la dispoziție o cantitate mare de informație, de obicei suficientă, pentru a putea produce un document cartografic complet.

Relațiile spațiale dintre obiectele din imagine sunt implicite, conectivitatea fiind o proprietate inerentă a acestui mod de reprezentare.

Integrarea informațiilor cosmice în sistemele informaționale este tentantă și necesară dar realizarea acestui deziderat nu se face fără probleme. Într-adevăr, soft-ware-ul pentru procesare de imagini și Sistemele Informaționale Geografice s-au dezvoltat în direcții diferite, dar, în ultimii ani, datorită progresului industriei hard marii producători au fost capabili să depășească bariere care păreau insurmontabile.

Preprocesarea imaginilor de teledetecție

Preprocesarea imaginilor de teledetecție are ca scop eliminarea sau reducerea unor erori și îmbunătățirea imaginilor supuse prelucrării.

Corecțiile care se aplică se pot împărți în 3 categorii

Corecții radiometrice

Corecții geometrice

Eliminarea zgomotului imaginii

Aceste operațiuni sunt obligatorii pentru a putea corecta erorile si limitările specifice sistemului de senzori, pentru a diminua efectele atmosferice, dar și pentru a corecta și adapta geometria imaginii astfel încât, ulterior, în faza de utilizare, aceasta să poată fi integrată într-un sistem informațional prin utilizarea unor parametri geografici compatibili cu sistemul cartografic stabilit de utilizator.

Numai după îndeplinirea acestor condiții, se poate trece la analiza și interpretarea corectă a datelor în vederea extragerii pe baza clasificării a informațiilor tematice corespunzător fiecărui domeniu de utilizare.

Corectii radiometrice – se aplica în vederea eliminării erorilor provocate de către senzorul de teledetectie și / sau de mediul inconjurator. Acestea corecții sunt:

Corectii pentru inlaturarea erorilor produse de catre senzor. Aceste corectii se pot aplica sistemului de colectare a datelor, sistemului de baleiere sau in cazul erorilor produse de perturbatii ale sistemului de detectare, inregistrare si transmitere a datelor.

Corectii ale variatiilor peisajului si a mediului inconjurator. Acestea corecteaza variatiile de iluminare si cele atmosferice.

Corectii de intarire a imaginii care constau in efectuarea unor filtrari a imaginii (Eliminarea unor perturbatii sau zgomote), in modificari de densitate atunci cand acestea au constrast slab.

Corectii de calibrare radiometrica care se aplica la conveetirea valorilor datelor in unitati fizice.

Indepartarea dungilor. Acestea apar in imagine din cauza raspunsului inegal al detectorilor in cazul inregistrarilor multispectrale. Se elimina prin prelucrarea histogramei imaginii.

Indepartarea zgomotului (aparut din cauza interferentei instrumentelor invecinate sau erorilor in transmiterea datelor)-se face cu ajutorul unor filtre de eliminare a perturbatiilor din imagine.

Corectia de eliminare a variatiei in timp a luminii solare se aplica analogic sau analitic, prin calcul pentru fiecare pixel al imaginii.

Corectii de eliminare a erorilor produse de atmosfera se aplica analogic sau analitic pe baza unor algoritimi de calcul.

Corectii geometrice – se aplica cu scopul eliminării erorilor care deformează geometria imaginilor. Acestea corecții sunt:

Corecții de eliminare a influenței reliefului, a înclinarii imaginii sau a altor distorsiuni, in vederea compararii mai multor imagini (Se aplica prin procesul de redresare)

de corespondenta in vederea compararii imaginilor aeriene cu imaginile satelitare

de registratie in vederea efectuarii corelatiei dintre inregistrarile succesive repetitive, respectiv intre inregistrarile multicanal

de eliminare a distorsiunii panoramice care apar din cauza neverticalitatii axei optice a statiei

de distorsiune din cauza rotatiei Pamantului

Eliminarea zgomotului din imagine

Imaginea digitala satelitara poate fi considerata ca fiind un camp stohastic bidimensional peste care se suprapune un semnal perturbator numit zgomot de camp, aparut ca rezultat al imperfectiunii aparatelor de inregistrat, cat si influentei factorilor de mediu. Acest semnal perturbator este inregsitrat in imaginea satelitara prin anumite nuante de gri sau culoare care se suprapun peste nuanta de gri sau culoare a detaliilor planimetrice inregistrate. Exista programe care pot detecta acest zgomot in continutul imaginii si il pot elimina, fara a afecta imaginea.

Procesarea imaginilor digitale.

Procesarea digitală (numerică) a imaginilor (Digital image processing) cuprinde un ansamblu de operațiuni matematice și statistice complexe, care se aplică imaginilor de teledetecție, în mod digital, în vederea prelucrării acestora astfel încât să fie posibilă extragerea informațiilor și efectuarea analizelor scontate.

Prelucrarea imageriei multispectrale se bazează pe analiza caracteristicilor spectrale si spațiale ale obiectelor omogene având ca scop identificarea obiectelor de pe suprafața Pământului și interpretarea semnificației pe care aceste obiecte o au în contextul peisajului din care fac parte.

Prelucrarea statistica a imaginilor multispectrale permite obținerea informațiilor necesare stabilirii claselor de obiecte care interesează un domeniu sau altul ținând insa seama ca in cadrul procesului tehnologic se apelează in primele etape la prelucrări relativ simple monocanal, urmând ca pentru clasificările de detaliu să se aplice metodele digitale multicanal.

Prin analiză logică, informațiile conținute de imaginile de teledetecție sunt detectate, identificate, clasificate prin măsurarea și evaluarea obiectelor naturale și antropice din punct de vedere al:

• semnificației fizice,

• trăsăturilor/structurilor,

• relațiilor spațiale cu vecinătățile.

Izolarea plajelor de valori într-un domeniu monospectral (histograma)

Histograma este un grafic (diagramă) care reprezintă prin dreptunghiuri o distribuție statistică (matematică), sau, altfel spus construit dintr-un sistem ortonormat din dreptunghiuri care au ca baza amplitudinea unei clase de elemente similare.

Histograma este un instrument grafic folosit in statistica descriptiva cu ajutorul căruia este vizualizată o distribuție de frecventa. Distribuția de frecvență are ca semnificație numărul de evenimente statistice pe clase (grupe) de evenimente. Într-o histogramă clasele reprezintă intervale de numere reale separabile prin proprietăți ale subiectelor analizate. Pe axa orizontala se înserează punctele de separare între clase, iar pentru fiecare clasa se ridica pe direcția verticala un dreptunghi cu înălțimea proporționala cu frecventa de apariție (absoluta sau relativă) a clasei respective.

Limitările de rezoluție spectrală și/sau geometrică ale imaginilor de teledetecție nu permit separarea strictă prin praguri absolute a două clase vecine din punct de vedere radiometric. În cazul teledetecției, trebuie ținut seama de faptul că subiectele sunt obiecte/fenomene caracterizate printr-o variabilitate specifică peisajului analizat influențată în foarte mare măsură de condițiile mediului natural în momentul înregistrării.

In procesarea datelor satelitare, histogramele reprezintă frecvența de apariție a valorilor radiometrice ale pixelilor care compun o imagine exprimate prin nivele de gri corespunzătoare plajelor de valori specifice modului de codificare a informației (de exemplu 2, 8, 16, 24, 32 …). O clasă este identificată prin gruparea valorilor vecine care definesc cel mai corect obiectele/fenomenele respective.

În practica procesării de imagini de teledetecție, pot fi generate histograme pentru a estima funcțiile de probabilitate pentru fiecare clasă. Astfel, este posibilă utilizarea acestora pentru repartizarea datelor similare cu identitate necunoscută, pe baza măsurătorilor spectrale, în clase distincte

Rezoluția în teledetecție

Folosirea imaginilor provenite de la sateliții de observare a Pământului ține cont de caracteristicile proprii fiecărui satelit utilizat, mai precis de cei trei parametri fundamentali:

• rezoluția spațială,

• rezoluția spectrală,

• repetitivitatea spațio-temporală.

Un factor foarte important de care trebuie să se țină cont în teledetecție este alegerea celei mai convenabile soluții de compromis în ceea ce privește dimensiunea scenei (implicit a mărimii fișierului imagine) și rezoluția spațială specifică. Evident, nu trebuie neglijat nici aspectul financiar strict dependent de rezoluția geometrică a produsului utilizat.

Termenul “rezoluție” are un înțeles destul de larg fiind utilizat în practică pentru a descrie :

– numărul de pixeli pe care utilizatorul îi are la dispoziție în cazul unui periferic de afișare (de exemplu monitorul unui calculator);

– suprafața de la sol pe care o reprezintă un pixel.

Rezoluție: precizia cu care este redată poziția și forma unui element geografic pe o reprezentare oarecare;

Rezoluție: dimensiunea celor mai mici detalii care pot fi detectate sau reprezentate în plan.

Particularizând, în teledetecție trebuie să fie luate în considerare, simultan, datele tehnice ale sistemului de achiziție care se referă la:

• Rezoluția spectrală,

• Rezoluția spațială,

• Rezoluția radiometrică,

• Rezoluția temporală

Rezoluția spectrală este determinată de intervalele specifice de lungime de undă descrise de pragurile minime și maxime între care un senzor este sensibil (se referă la un anumit interval de lungime de undă din spectrul electromagnetic în care poate înregistra un senzor).

Intervalele largi din spectrul electromagnetic corespund unei așa numite rezoluții spectrale brute, iar benzile înguste unei rezoluții spectrale fine.

Cu cât intervalul spectral este mai îngust cu atât puterea de discriminare este mai mare, dar numărul de obiecte identificabile scade.

Rezoluția spațială – reprezintă dimensiunea celui mai mic obiect ce poate fi sesizat pe imaginea înregistrată de senzor și este definită prin aria reprezentată de fiecare pixel (altfel spus: suprafața de la sol reprezentată de un pixel).

Trebuie subliniat faptul că, în cea mai mare parte a cazurilor, pe o platformă satelitară sunt instalați senzori cu rezoluție diferită aparținînd mai multor categorii geometrice. De exemplu, Pe platforma satelitului SPOT 5 au fost instalate instrumente care permit generarea de imagini cu rezoluții VHR (Supermode 2,5 m), și achiziția HR (Pancromatic 5m, multispectral 10m), dar și LR (Vegetation 1,15 km). De fapt, conceptul pus în aplicare odată cu lansarea primului satelit din seria SPOT care a permis combinarea geometriei superioare a canalului pancromatic (10 m) cu multispectralitatea celorlalte canale (20 m în verde, roșu și infraroșu apropiat) este utilizat și în prezent pe platformele VHR și HR.

Rezoluție radiometrică – se referă la domeniul dinamic al înregistrării, adică la numărul posibil de valori de gri pentru înregistrarea răspunsului radiometric.

Aceasta are legătură cu numărul de biți pe care este reprezentat răspunsul spectral al senzorului. De ex: în datele reprezentate pe 8 biți domeniul dinamic este reprezentat pe intervalul 0-255. Odată cu perfecționarea sistemelor de stocare și transmitere a infirmației-imagine, cât și a senzorilor, datele de teledetecție sunt codate pe 11 biti (valori de gri de la 0 la 2047), 12 biți (valori de gri de la 0 la 4095) sau 16 biți (valori de gri de la 0 la 65535).

Fig. Imagine pe 2 bit vs. Imagine pe 8 bit

Rezoluția temporală – reflectă posibilitatea de revenire (revizitare) a aceleiași suprafețe de la sol cu un senzor de același tip și indică la ce interval de timp un senzor poate să obțină informații despre aceeași zonă terestră.

Pentru sateliții Landsat 8 rezoluția temporală are valoarea de 16 zile, adică după acest interval satelitul va observa aceeași zonă a globului

Interpretarea vizuală imaginilor de teledetecție

O imagine se definește ca o reprezentare pictorială a unui obiect sau o scenă.

Interpretarea vizuală a imaginilor de teledetecție este procesul de a extrage informații calitative și cantitative din acestea.

Aceasta implică identificarea diferitelor obiecte de pe teren care pot fi naturale sau artificiale, constând din puncte, linii sau poligoane. Depinde de modul în care caracteristicile diferite reflectă sau emit radiația electromagnetică incidentă și înregistrarea lor de către o cameră sau un senzor.

La început, când imaginile digitale și clasificarea computerizată nu erau disponibile, fotografiile aeriene au fost analizate doar prin interpretare vizuală.

Precizia interpretării depinde de pregătire, experiență, amploarea fotografiei, localizarea geografică a zonei de studiu, harta asociată, datele de observare la sol etc.

După disponibilitatea imaginilor prin satelit, datele au fost clasificate în două metode de procesare: fotografii aeriene analogice și imagini digitale prin satelit.

Deși imaginile prin satelit pot fi interpretate vizual și fotografiile aeriene pot fi procesate de computere.

În imagine sau fotografie, unele obiecte pot fi ușor identificabile, în timp ce altele nu pot. Depinde de percepțiile și experiența individuală. Detaliile la care poate fi analizată o imagine sau o fotografie depinde de rezoluția imaginii și a dimensiunii fotografiei. Imaginile satelitare sunt în general de dimensiuni reduse decât fotografiile aeriene și nu pot fi analizate stereoscopic.

Elemente de interpretare vizuală

În viața noastră de zi cu zi interpretăm multe fotografii și imagini, dar interpretarea fotografiilor și imaginilor aeriene este diferită datorită a trei aspecte importante:

reprezentarea trăsăturilor dintr-o perspectivă deasupra, adesea nefamilară;

utilizarea frecventă a lungimilor de undă în afara părții vizibile a spectrului;

reprezentarea suprafeței pământului la scări necunoscute.

7 parametri sau elemente fundamentale sunt utilizați în interpretarea imaginilor sau fotografiilor de la distanță.

Acestea sunt

Tonul sau culoarea (eng.: Tone, color);

Tonul se referă la luminozitatea sau culoarea relativă a obiectelor dintr-o imagine. În general, tonul este elementul fundamental pentru a face distincția între diferitele ținte sau caracteristici. Variațiile de tonaj permit, de asemenea, distingerea elementelor de formă, textura și modelul obiectelor.

Textura (eng.: Texture);

Textura se referă la dispunerea și frecvența variației tonale în anumite zone ale unei imagini. Texturile ascuțite ar consta într-un ton strălucitor în care nivelele gri se schimbă brusc într-o zonă mică, în timp ce texturile netede ar avea o variație foarte mică a tonurilor.

Dimensiunea (Size);

Dimensiunea obiectelor dintr-o imagine este o funcție de scală. Este important să se evalueze mărimea unei ținte față de alte obiecte dintr-o scenă, precum și dimensiunea absolută, pentru a ajuta la interpretarea acelei ținte. O aproximare rapidă a dimensiunii țintă poate duce mai rapid la interpretarea unui rezultat adecvat.

Forma (eng.; Shape);

Forma se referă la forma, structura sau schița generală a obiectelor individuale. Forma poate fi un indiciu foarte distinctiv pentru interpretare. Formele de margine drepte reprezintă, de obicei, obiective urbane sau agricole (în teren), în timp ce trăsăturile naturale, cum ar fi marginile pădurilor, sunt în general mai neregulate, cu excepția cazului în care omul a creat o șosea sau tăieturi clare. Terenurile agricole sau culturi irigate de sistemele de aspersoare rotative ar apărea ca forme circulare.

Modelul (eng.; Pattern)

Modelul se referă la aranjamentul spațial al obiectelor vizibile. În mod obișnuit, o repetare ordonată a tonurilor și texturilor similare va produce un model distinctiv și în cele din urmă recunoscut.

Umbra (eng.; Shadow)

Umbra este, de asemenea, utilă pentru interpretare, deoarece poate oferi o idee despre profilul și înălțimea relativă a unei ținte sau ținte care ar putea face identificarea mai ușoară.. Umbra este utilă pentru îmbunătățirea sau identificarea topografiei și a formelor de relief, în special în imaginile radar.

Asocierea (eng.; Association).

Asocierea ia în considerare relația dintre alte obiecte sau caracteristici recunoscute în apropierea țintei de interes. Identificarea caracteristicilor pe care s-ar aștepta să le asociați altor funcții poate furniza informații pentru a facilita identificarea.

În unele cazuri, un singur astfel de element este suficient pentru identificarea cu succes; în altele, va fi necesară utilizarea mai multor elemente.

How Digital Images are Analyzed

Pre-processing

Combinatii benzi spectrale

Classification

Detecting Change to Solve Problems