ROLUL DEZVOLTĂRII TEHNOLOGIEI ÎN EVOLUȚIA TELEDETECȚIEI Coordonator științific, Absolvent, Conferențiar univ. dr. : Alexe Mircea Popa Răzvan-Lucian… [307541]

[anonimizat],CLUJ-NAPOCA

FACULTATEA DE GEOGRAFIE

SPECIALIZAREA:[anonimizat]: [anonimizat] : [anonimizat]-Napoca,2016

CUPRINS

INTRODUCERE…………………………………………………………………………………………………………….2

CAPITOLUL 1. TELEDETECȚIA ȘI SATELIȚII

1.1 Istoria teledetecției și a sateliților…………………………………………………………………………….3

1.2 Principiile teledetecției…………………………………………………………………………………………..5

1.3 Categorii de sateliți………………………………………………………………………………………………..6

1.4 Sateliții de mare rezoluție……………………………………………………………………………………….8

1.5 Gradele de evoluție a sateliților de teledetecție…………………………………………………………11

CAPITOLUL 2. EVOLUȚIA PRELUCRĂRII ȘI OBȚINERII DATELOR DE TELEDETECȚIE

2.1 Softuri folosite în scopul prelucrării și obținerii datelor……………………………………………..13

2.2 Metode folosite în scopul prelucrării datelor…………………………………………………………….

2.3 Noi instrumente folosite în teledetecție……………………………………………………………………

2.4 Domeniile de aplicabilitate ale teledetecției moderne………………………………………………..

CAPITOLUL 3. MĂSURATOARE TOPOGRAFICĂ REALIZATĂ CU SCOPUL COMPARĂRII CU O LUCRARE DE TELEDETECȚIE MODERNĂ

3.1 Localizarea zonei în care a fost efectuată masurătoarea……………………………………………..

3.2 Sistemele de proiecție și cote utilizate……………………………………………………………………..

3.3 Metode de măsurare utilizate………………………………………………………………………………….

3.4 Descrierea instrumentelor si softurilor utilizate…………………………………………………………

3.5 Planul topografic rezultat……………………………………………………………………………………….

CAPITOLUL 4. LUCRAREA DE TELEDETECȚIEI ȘI REZULTATELE COMPARĂRII

4.1 Tehnicile folosite………………………………………………………………………………………………….

4.2 Rezultatele comparării…………………………………………………………………………………………..

CONCLUZII……………………………………………………………………………………………………………….

BIBLIOGRAFIE………………………………………………………………………………………………………….

[anonimizat], geodezia și cadastrul din grupul de știinte numite măsurători terestre. Ea poate fi definită ca fiind ansamblul de tehnici utilizate pentru obținerea de date despre suprafața Pământului și de a efectua o [anonimizat] a intra în contact direct cu aceasta.

Formele teledetecției sunt teledecția terestră care se realizează cu ajutorul informațiilor preluate din teren, teledetecția aeriană care presupune înregistrări din atmosferă cu ajutorul senzorilor amplasați pe diferite mijloace precum balonul, avionul, elicopterul și mai nou dronele și în final, teledetecția spațială care presupune înregistrări din spațiul cosmic în principal cu ajutorul sateliților.

Teledetecția are în același timp o serie de avantaje cât și dezavantaje. Principalul avantaj este faptul că în cele mai multe cazuri nu este necesară deplasarea în teren dar și posibilitatea observării unor suprafețe foarte extinse. Alte avantaje sunt rezultate din urmărirea evoluției în timp al unor fenomene precum alunecările de teren si fenomenele meteo.

Limitările sunt în principal costurile și complexitatea preluării și prelucrării imaginilor dar și timpul de citire și analizare a acestora. Odată cu evoluția tehnologiilor și apariția unor programe și softuri „open source” precum Google Earth aceste limitări sunt diminuate, deoarece imaginile oferite sunt deja prelucrate și sunt foarte exacte avănd rezoluții de ordinul metrilor ba chiar a centrimetrilor.

Astfel în perioada prezentă teledetecția are o mare ascensiune și caștigă teren în fața altor metode de măsurare, acest lucru fiind datorat în principal tehnologie moderne care are efecte directe asupra mijloacelor prin care sunt realizate imaginile dar și a senzorilor amplasați care oferă rezoluții foarte bune facilitând astfel extinderea zonei de aplicabilitate a acestei științe.

Tocmai acesta este și motivul pentru care am ales această temă în vederea realizării lucrării de licență. Pe parcursul celor 3 ani de studiu în cadrul Facultății de Geografie, am fost interesat în mod deosebit și am studiat cu interes aceasta ramură a măsurătorilor terestre și evoluția acesteia în special în ultima perioadă. Toate acestea au fost posibile cu ajutorul profesorilor în mod special al domnului profesor Mircea Alexe căruia îi mulțumesc pe această cale.

În vederea demonstrării rolului important pe care teledetecția modernă îl ocupă în cadrul grupului de științe din care face parte și precizia la care aceasta a ajuns am realizat în cadrul lucrării o serie de comparații între măsurători de teledetecție și măsurători realizate cu ajutorul intrumentelor topografice, mai exact cu ajutorul tehnologiei GPS.

1.TELEDETECȚIA ȘI SATELIȚII

1.1 Istoria teledetecției și a sateliților

Dezvoltarea teledetecției a început încă de acum peste 150 de ani odată cu apariția primelor imagini realizate prin diferite tehnici. Prima fotografie alb-negru a fost realizată de către Joseph Nicephore Niepce în anul 1826, pe baza tehnicii heliografiei, imaginea surprinzând priveliștea de la geamul acestuia (fig 1).

Fig. 1. Prima fotografie alb negru (www.khanacademy.org)

Ulterior, in jurul anilor 1840-1850 apare posibilitatea folosirii primelor imagini aeriene primitive în realizarea hărților topografice. Aceste imagini erau realizate cu ajutorul unor senzori amplasați pe baloane care survolau zonele de interes.

O mare importanță în dezvoltarea teledetecției o reprezintă perioada de la sfârșitul primului război mondial deoarece începând cu aceasta perioadă s-au folosit camere montate pe avioane menite sa ofere imagini aeriene pe suprafețe extinse folosite în scopuri militare. Din acel moment până în jurul anului 1960 aceasta a rămas principala modalitate de ilustare a suprafeței dintr-o pespectivă verticală.

În anul 1950 apare pentru prima dată termenul englezesc de „remote sensing” care a fost introdus de către Evelyn Pruitt și este definit ca știința de a indentifica, observa și măsura obiecte fară a intra in contact direct cu acestea, acest proces implică detectarea si măsurarea radiațiilor diferitelor lungimi de undă. reflectate sau emise de diferite obiecte sau materiale. Astfel, începând cu aceasta perioadă putem vorbi de existența unei științe de sine stătătoare. Termenul de „teledetecție” a aparut ca un corespondent al termenului englezesc în jurul anului 1971.

Cel mai mare impact asupra dezvoltării acestei științe este desigur, apariția si lansarea primilor sateliți artificiali.Începutul cuceririi spațiale a început în anul 1957, în data de 4 octombrie când Uniunea Sovietică lansează de la o bază din Kazahstan primul satelit arficial numit „Sputnik 1” (fig. 2). Satelitul era o sferă de aluminiu cu o greutate de aproximativ 83 de kilograme și un diametru de 58 de centimetri. Conținea baterii cu zinc-argint, captori de presiune și temperatură, un emițător radio și un ventilator pentru răcirea echipamentelor, neavând astfel nici un senzor care sa capteze imagini.

Fig. 2. Satelitul Sputnik 1 (www.wikipedia.com)

Primul satelit care a realizat imagini aspupra Pământului a fost „Tiros 1”, un satelit meteorologic cu orbită joasă lansat de catre NASA în anul 1960. Cu toate acestea primul satelit de teledetecție a fost „ERTS 1 (Earth Resource Technological Satellite) =LANDSAT 1” (fig. 3). Acesta a fost lansat de catre NASA în 1972 și a fost primul satelit lansat în cadrul programului Statelor Unite ala Americii numit „LANDSAT”. Obiectivele au fost de a obține informații referitoare la agricultură, silvicultură, hidrologie, oceanografie, elemente de mediu și elemente climatice.

Satelitul avea o greutate considerabilă de aproximativ o tonă și un diametru de 1,5 metri, iar pentru energie se folosea de o serie de panouri electrice. LANDSAT are orbita la o distanță de aproximativ 917 km față de Pământ și era echipat cu o serie de senzori care aveau diferite scopuri. În primul rând, o cameră numită „Return Beam Vidicon (RBV)” care opera în 3 benzi spectrale (1,2,3) și avea o rezoluție de 80 de metri, dar nu a reușit să surprindă doar 1692 fiind operabilă pe o perioadă scurtă de aproximativ 12 zile. Ceilalți senzor erau un scaner multispectral (MSS) care opera în 4 benzi (4,5,6,7) și un sistem de colectare al datelor (DCS). Acest satelit a revoluționat astfel nu doar teledetecția ci și o serie de alte discipline, iar aplicabilitățile sale erau multiple. Cu ajutorul său chiar s-a descoperit în anul 1976 o insulă nelocuită pe coasta de est a Canadei, care ulterior a fost numită „Landsat Island” după numele satelitului.

LANDSAT 1 a fost dezactivat în ianuarie 1978 după ce, din cauza expunerii îndelungate la soare s-a supraîncălzit. Acesta a fost practic baza sateliților de teledetecție iar lansarea sa a fost practic momentul cel mai important al teledetecției spațiale care ulterior a ajuns la performanțe incredibile.

Fig. 3. Satelitul LANDSAT 1 (www. directory.eoportal.org)

1.2 Principiile teledetecției

Imaginile aerospațiale ale suprafeței terestre sunt obținute în principal cu ajutorul energiei electromagnetice. Aceasta se propagă în natură cu ajutorul undelor (radiații) magnetice.

Undele magnetice au o serie de proprietăți. Acestea sunt: direcția de propagare, viteza de propagare, lungimea de undă, frecvența, amplitudinea etc.

Orice corp care are temperatura mai mare de -273°C, absoarbe, reflectă și emite continuu unde electromagnetice care sunt capabile să transmită energie dintr-un loc în altul. Cantitatea de radiație electromagnetică pe care un obiect o emite depinde în primul rând de temperatura sa.

Principalele surse de radiații electromagnetice sunt sursele naturale (Soarele, Pământul) și sursele artificiale (telefonie, aparaturi).

Factorul perturbator principal al undelor este atmosfera, datorită difuziei, absorției, reflexiei, refracției și emisiei.

Răspunsul obiectelor și proceselor de la suprafața terestră determinat în funcție de lungimea de undă și intensitatea radiațiilor poartă numele de signatură spectrală. Aceasta poate fi

măsurată cu mai multe instrumente, cel mai important fiind spectrometrul.

Una dintre cele mai importante caracteristici ale observațiilor făcute de sateliți este rezoluția. Aceasta este de trei tipuri: rezoluție spațială, rezoluție spectrală și rezoluție temporală. Prima este determinată de mărirea celui mai mic obiect care poate fi detectat, a doua este determinată de numărul de culori pe care senzorul le poate distinge, iar a treia este determinată de cât de frecvent o țintă poate fi fotografiată.

Cele 3 mari principii ale teledetecției sunt:

-Radar (Radio Detection and Ranging), care este un sistem de localizare care folosește microunde pentru a determina distanța dintre aparat și obiect și viteza de deplasare a acestuia. Inițial acest sistem a fost folosit doar în navigația maritimă, dar s-a dovetit foarte uitlă în timpul celui de-Al Doilea Război Mondial.

-Lidar (Light Detection and Ranging) este tehnologia prin care se masoară distanța cu ajutorul luminii. Principala ramură în care are aplicabilitate este meteorologia, însă poate fi folosit și în agricultură, silvicultură, geologie etc.

-Sonar (Sound Navigation and Raging) este un sistem de localizare care folosește ultrasunetele pentru localizare. Un generator este lansat în apă, undele reflectate de sistem se întorc la suprafață iar aici sunt captate de microfoane speciale numite geofoane.

1.3 Categorii de sateliți

Sateliții sunt corpuri spațiale, care evoluează pe o orbită, în jurul Pământului folosindu-se de atracția terestră. Aceștia pot fi clasificați pe baza unor caracteristici specifice. În primul rând se pot clasifica în funcție de orbită. Astfel după poziția orbitei există sateliți pe orbită polară și sateliți pe orbită geostațională, iar după altitudinea orbitei există sateliți cu orbite joase (300-700 km), medii (700-1500 km), înalte (15000-36000) și orbite pubelă (38000 km).

Cel mai important mod de clasificare este determinat de obiectivele sateliților. Astfel există:

a. Sateliții de teledetecție sunt cei care au suferit în timp cele mai mari modificări fiind cei mai exacți, oferind cele mai mari rezoluții. Cel mai important rol în aceasta categorie îl are programul sateliților LANDSAT. Ei au fost primii sateliți de teledetecție, primul fiind lansat în anul 1972. În cadrul programului au fost lansați 8 sateliți, însă LANDSAT 6 a eșuat și nu a fost capabil să ajungă la orbită.

Primii trei sateliți LANDSAT au avut caracteristici asemănătoare, orbita fiind situată la o altitudine de 917 m, rezoluția spectrală fiind de 80 m ,iar rezoluția temporală de 18 zile. O reală evoluție a avut loc la lansarea următorilor doi sateliți (4,5), care aveau o orbită mai joasă situată la aproximativ 705 km și o rezoluție de 30 de metri.

În anul 1999 este lansat satelitul LANDSAT 7. Acesta orbitează la o altitudine de 705 km și are o rezoluție de 15 metri pancromatic. El oferă imagini în 8 benzi spectrale avănd o rezoluție foarte bună pentru banda 8. Principalul scop al său a fost de a reînoii arhiva de imagini satelitare, în momentul de fața imagini realizate de acesta putând fi accesate gratuit de utilizatorii din orice colț al lumii.

Ultimul satelit lansat în cadrul acestui program este LANDSAT 8 (LDCM) care a fost lansat în anul 2013. Acesta are caracteristici asemanătoare cu predecesorii săi cea mai mare diferență fiind introducerea unor noi benzi spectrale, banda 9 (CIRUS) și benzile 10,11 (infraroșu termal).

În același timp există o serie de sateliți de precizie mai mare ca și sateliții LANDSAT, care oferă imagini foarte precise. Dintre aceștia amintim sateliții SPOT, IKONOS, QUICKBIRD, GEOEYE,WORLDVIEW.

Fig. 4. Cronologia programului LANDSAT (www. earth.esa.int)

b. Sateliții de geodezie care au scopul de a efectua măsuratori foarte precise asupra formei și dimensiunii Pământului. Dintre aceștia trebuie amintiți GEOS și LAGEOS.

c. Sateliții meteorologici care oferă imagini pentru analizarea factorilor climatici precum precipitațiile, deplasarea maselor de aer și a norilor, fenomene extreme(uragane,tornade) etc. Cei mai importanți dintre aceștia sunt METEOSAT, MTSAT, NOAA, METEOR.

d. Sateliții oceanografici care analizează topografia suprafeței oceanelor, dinamica apei, poluarea apei, gheața marină. De amintit sunt AQUA, SEASAT, JASON, RADARSAT.

e. Sateliții de mediu care analizează fenomene precum efectul de seră, deteriorarea stratului de O3, deșertificarea. Cei mai importanți sateliți din această categorie sunt ERS, ENVISAT, TELSAT, SENTINEL.

1.4 Sateliții de mare rezoluție

În jurul anului 2000 au început sa apară o serie de sateliți care au revoluționat observațiile efectuate asupra Pământului, oferind rezoluții spectrale de sub un metru, care facilitează studiile într-o multitudine de domenii cum ar fii inginerie, mediu, agricultură, turism și domeniul militar.

IKONOS a fost primul satelit care oferea public imagini de mare rezoluție. Lansarea a avut loc la sfârșitul lunii septembrie a anului 1999 de la baza aeriană din Vandenberg, California și a fost supranumită „unul dintre cele mai importante momente din istoria aviației spațiale” de către revista „Times”, reprezentând începerea unei noi ere în teledetecție.

Vehiculul spațial avea la lansare o greutate de aproximativ 730 de kilograme, iar energia necesară pentru recepționare și transmitere de date se realizează cu ajutorul a 3 panouri solare.

Rezoluțiile imaginilor realizate de IKONOS au fost cele mai bune la acea vreme, satelitul fiind capabil de rezoluții de 0,82 de metrii pancromatic și aproximativ 4 metrii multispectral, o singură scenă fotografiată având suprafața de 11 km x 11 km.

O caracteristică principală și foarte importantă a satelitului este faptul ca este capabil să realizeze imagini stereografice, care se pretează pentru crearea de dem-uri (fig. 5) iar avantajul acestora este posibilitatea de extragere a datelor de tip vector și folosirea lor pentru reprezentarea tridimensională a unor clădiri, drumuri și unele zone de teren.

Fig. 5. Dem extras din date obținute de IKONOS asupra deșertului Sahara (www.satimagingcorp.com)

Un alt satelit de mare însemnatate este GEOEYE 1. Importanța acestuia este dată de faptul că este unul dintre principalii sateliți care oferă informații pentru programele Google: „Earth si Maps”. Costurile construcției satelitului și a stațiilor de comandă de la sol au fost achitate de compania americană în alianță cu US National Geospatial Intelligence Agency. Astfel, Google își rezervă dreptul de a fi singura companie care va folosi imaginile satelitare executate de acest satelit. Acesta a fost lansat cu succes în data de 6 septembrie de la baza aeriană din Vandenberg. Satelitul a avut la lansare o greutate de circa 2 tone și orbiteză la o distanță aproximativă de 680 de kilometri față de Pământ.

Este capabil să realizeze imagini asupra unei zone de până la 350000 kilometri pătrați în fiecare zi și poate revizita orice punct de pe planetă o dată la 3 zile sau mai repede.

GEOEYE 1 a fost la vremea lansării, satelitul cu cea mai bună rezolutie a imaginilor realizate (46 de centimetrii pancromatic și 1,65 metri multispectral), însă din cauza unor restricții ale guvernului american publicul a avut acces la imagini cu detalii de 50 de centrimetri.

Prima imagine a fost transmisă de satelit la bază în data de 7 octombrie, fiind redată Universitatea KutzTown din Pennsylvania (fig. 6).

Fig. 6. Prima imagine transmisă de GEOEYE (www.popsci.com)

GEOEYE 2 este un satelit de mare rezoluție asemănător cu predecesorul său care este programat pentru lansare în septembrie 2016. Satelitul este finalizat și testat. Are o greutate asemanatoare cu GEOEYE-1 și va zbura la aceeași distanță orbitală.

Numele său a fost modificat și se numește acum WORLDVIEW 4. Producătorii au declarat că rezoluțiile pe care va fi capabil să le ofere vor fi de aproximativ 30 de centimetri pancromatic si 1,2 metri multispectral.

Sistemul Pleiades a fost constituit sub conducerea a două state europene, Franța și Italia și este compus din 2 sateliți de mare rezoluție PLEIADES 1A și PLEIADES 1B. Aceștia au fost construiți atât în scopuri civile, comerciale, cât și în scopuri militare.

Primul dintre aceștia a fost lansat în luna decembrie a anului 2011 folosindu-se de o rachetă rusească Soyuz, iar la distanță de un an a fost lansat și cel de al doilea. Sateliții oferă imagine la o rezoluție de 50 de centimetri și datorită faptului că operează pe aceeași orbită (695 kilometri), au o perioadă de revizitare a oricărui punct de pe Terra de aproximativ 24 de ore. Acest lucru facilitează realizarea de imagini tridimensionale de mare precizie. În același timp cei doi sateliți împart aceeași orbită cu sateliții SPOT 6 si SPOT 7 formând astfel o constelație de 4 sateliți.

Cea mai importantă companie din domeniu sateliților de mare rezoluție este „DigitaGlobe”. Aceasta deține și operează cei mai performanți sateliții din momentul de față, cei care oferă cele mai bune rezoluții care pot fi accesate de publicul civil. Printre aceștia se află și sateliții WORLDVIEW, în număr de 3. Ultimul lansat dintre aceștia este în prezent satelitul care oferă cele mai precise imagini având o rezoluție pancromatică de 31 de centimetri.

WORLDVIEW 1 a fost lansat în anul 2007 pentru a satisface nevoia tot mai mare cererea comercială de imagini satelitare aflată în creștere. Satelitul are o greutate de aproximativ 2 tone și jumatate și o orbită joasă de aproximativ 500 kilometri. Rezoluția oferită este de 46 de centimetri pancromatic, senzorul amplasat avand doar posibilitatea captării imaginilor în pancromatic. Este capabil sa realizeze zilnic, imagini pe o zonă de 750000 de kilometri pătrați și are o perioadă de revizitare de 1,7 zile.

Spre deosebire de predecesorul său, WORLDVIEW 2, lansat în 2009 are o orbită situată la o înălțime mai mare, de peste 700 de kilometri și este capabil sa fotografieze zilnic o zonă de până la un milion de kilometri pătrați și are o perioadă de revizitare de 1,1 zile.

WORLDVIEW 3, cel mai precis satelit al momentului, a fost lansat cu succes în data de 13 august 2014. Acesta are o orbită de 617 kilometri și are multe caracteristici tehnice asemănatoare cu WORLDVIEW 2, diferențe semnificative întâlnindu-se la senzorul amplasat care este capabil să ofere imagini mai precise dar a și fost realizat cu costuri mai mici și oferă un transfer de imagini mai rapid. Satelitul operează imagini în 8 benzi multispectrale, cu rezoluții de până la 30 de centimetri și capabilitatea de fotografiere zilnică a unei zone de până la 700000 kilometri pătrați.

Compania deținătoare, DigitalGlobe a primit în anul 2014 permisiunea Guvernului American să colecteze și să pună în vânzare imagini la cele mai bune rezoluții existente. La 6 luni de la lansarea satelitului WORLDVIEW 3 compania avea posibilitatea să vândă imagini cu rezoluții de 25 centimetri pancromatic si 1 metru multispecral. Astfel în februarie 2015, DigitalGlobe pune la dispoziția consumatorilor imagini cu rezoluție de 30 de centimetri respectiv 1,2 metri. Acesta este un pas foarte important pentru evoluția teledetecției deoarece acest lucru nu a fost posibil până la acea dată, însă Guvernul American a considerat ca acest lucru ajută beneficiarii care folosesc astfel de imagini dar și industria în general acceptând astfel comercializarea imaginilor cu rezoluții foarte mari.

Fig. 7. Imagine WORLDVIEW 3 cu rezolție de 30 de centimetri (www.satimagincorp.com)

1.5 Gradele de evoluție a sateliților de teledetecție

Se poate afirma ca sateliții de teledetecție au urmat o evoluție dispusă pe diferite perioade de timp. Astfel, începuturile teledetecției satelitare propriu-zise coincid cu lansarea primului satelit LANDSAT, în 1972 și continuă până la lansarea celui de al 4-lea în 1982 care aducea noi inovații și tehnologii facilitând crearea de imagini destul de precise la acea vreme. În perioada următoare senzorii au suferit destule modificări însă nu unele foarte însemnate.

Cea mai importantă perioadă este sfârșitul anilor 90 și începutul anilor 2000 cand a avut loc o revoluție în domeniu fiind construiți și lansați sateliții cu rezoluții foarte mari, unii reușind să realizeze imagini cu rezoluții metrice sau chiar centimetrice. Pe parcursul anilor 2000 s-a observat o îmbunătățire a senzorilor de la bordul sateliților datorată în primul rând dezvoltării tot mai rapide a tehnologiei la nivel global.

În prezent (după anul 2010), sateliții lansați au la bord tehnologii de ultimă oră care nu numai că oferă cele mai bune rezoluții ale imaginilor dar și comunicarea cu stațiile de la sol este mult mai rapidă iar transferul de date se realizează cu o mai mare ușurință, un alt factor foarte important, care nu este de neglijat este scăderea costurilor, în spațiu fiind lansați din ce în ce mai mulți sateliți. Chiar și țara noastră a participat cu o echipă de ingineri la un proiect al Agenției Spațiale Europene care permitea lansarea a mai multor sateliți, reușind astfel să receptioneze pentru scurt timp date de la primul satelit românesc ajuns în spațiu, GOLIAT.

Fig. 8. GOLIAT- primul satelit românesc (www.goliat.ro)

2. EVOLUȚIA PRELUCRĂRII ȘI OBȚINERII DATELOR DE TELEDETECȚIE

2.1 Softuri folosite în scopul prelucrării și obținerii datelor

Unul dintre cei mai importanți pași în dezvoltarea și cunoașterea la scară globală a teledetecției și a importanței acesteia a fost lansarea de către compania Google a programului Google Earth, în anul 2005. Acesta cumulează informații din imagini satelitare, fotografii aeriene și date GIS și le integrează într-o reprezentare tridimensională a globului.

Programul pune la dispoziția utilizatorilor imagini cu diferite rezoluții, majoritatea fiind unele foarte mari și le permite acestora să vizualizeze de la diferite înălțimi și înclinații orașe, construcții sau alte puncte de interes. Google Earh permite navigarea prin diferite metode, cum ar fi introducerea adresei, a coordonatelor sau prin simpla mișcare cu ajutorul mouse-ului.

De-a lungul timpului programul a primit diferite îmbunătățiri. Pornind de le simpla vizualizare 2D a unor zone, astăzi, Google Earth este capabil să afișeze o serie de orașe, clădiri și chiar forme de relief în format tridimensional (fig. 9), lucru, care facilitează o mai bună cunoaștere a acestor zone fără a fi necesară o analiză în teren, la fața locului. Astfel, utilizatorii pot viziona în mod destul de exact multe puncte de interes din întreaga lume de acasă. Acest lucru este pus în evidență și mai tare de posibilitatea navigării cu ajutorul imaginilor de la nivelul solului în diferite părți ale lumii (street view).

Fig. 9. Vârful Everest și Empire State Building (New York)- imagine 3D Google Earth

O altă comandă spectaculoasă pe care utilizatorii Google Earth o pot accesa este „historical imagery”, care permite vizualizarea de imagini mai vechi realizate asupra zonei de interes. Astfel în unele părți ale plantei pot fi accesate chiar și imagini din anul 1950 când teledetecția satelitară nu exista (fig. 10). Cu ajutorul acestora este posibilă analizarea evoluției în timp al acelei zone cu privire la diferite aspecte, spre exemplu evoluția teritorială a unui oraș, urmărirea scăderii sau creșterii fondului forestier dar nu în ultimul rând este posibilă observarea evoluției calitative a imaginilor satelitare.

Fig. 10. Evoluția unei zone din orașul Las Vegas (imagine Google Earth)

Alte posibilități pe care utilizatorii programului le au sunt:

1. vizualizarea unei anumite zone în diferite momente ale zilei, lucru care ajută la diferite analize temporale.

2. accesarea unor informații scrise despre zona de interes

3. un simulator de zbor virtual care oferă o mai bună studiere de ansamblu (Flight Simulator)

4. vizualizarea stelelor sau a altor corpuri cereste (Sky Mode)

5. vizualizarea unor imagini tridimensionale a reliefului din adâncul oceanelor

6. vizualizarea unor imagini de la suprafața Lunii și a plantei Marte

Rezoluția imaginilor în cele mai multe zone de pe glob este de 15 m (imagini LANDSAT), însă compania Google face eforturi de a le înlocui imagini SPOT cu rezoluție de 2-3 m. Cu toate acestea există și multe locuri în care imaginile satelitare au rezoluții foarte bune. În zonele foarte populate imaginile satelitare sunt înlocuite cu imagini aeriene realizate din aeronave, acestea oferind rezoluții centimetrice și o calitate mai crescută.

Cu toate că programul este foarte apreciat și folosit de multe persoane de pe întreg globul sunt oameni și instituții care îl contestă și consideră ca invadează dreptul la intimitate sau chiar că afectează securitatea națioanală datorită imaginilor de mare rezoluție realizate asupra unor baze militare sau a altor zone de acest tip pe care oricine le poate accesa. Unele dintre acestea, care au o securitate foarte ridicată nu pot fi vizualizate sau sunt estompate cu ajutorul unor diferite tehnici.

Există și o versiune mai avansată numită Google Earth Pro care oferă mai multe comenzi și permite importarea de date GIS, posibilitatea realizării unor filmulețe și cel mai important permite realizarea de diferite măsuratori (suprafață, perimetru). Cu ajutorul acesteia putem chiar să realizăm amprenta tridimensioanlă la sol a unei viitoare clădiri (fig. 11). Până în 2015 această variantă era disponibilă doar contra-cost, însă în prezent ea este gratuită.

În concluzie Google Earth reprezintă o revoluție la nivelul cunoașterii geografice fiind astăzi disponibil pe orice dispozitiv electronic modern precum computer, telefon, tabletă.

Fig. 11. Amprenta la sol a unei clădiri cu înălțimea de 20 de metri(imagine Google Earth)

Unul dintre principalele softuri de prelucrare a datelor de teledetecție este Erdas Image. Acesta permite utilizatorilor să pregatească, să afișeze și să lucreze cu imagini în scopul obținerii unor viitoare date GIS. Prin diferite metode și comenzi se poate reuși identificarea și analizarea unor obiecte sau procese care în mod normal nu ar fi vizibile.

Programul are o istorie vastă, prima versiune fiind introdusă chiar în anul 1978 și funcționa pe un microcomputer bazat pe un procesor de 8-biți și un ecran cu un monitor alb-negru cu rezoluția de 256×256 pixeli. De-a lungul timpului programul a suferit o serie de modificări, ajungandu-se astăzi la variante mult mai sofisticate care oferă utilizatorilor numeroase posibilități și de metode de prelucrare a imaginilor. Printre acestea se numără clasificări, corectări, proiecții, interpolări, modelări, mozaicări. Programul nu este folosit exclusiv de către specialiști în teledetecție sau GIS ci și de o multitudine de alți oameni care au interese în diferite știinte precum: arheologie, hidrologie, inginerie, geologie, pedologie etc.

O serie de alte programe care permit prelucrarea datelor de teledetecție sunt LEOWorks, ENVI, eCognition dar și softurile GIS precum ArcGis și GlobalMapper.

LEOWorks este un soft open-source care se ocupă cu prelucrarea, inspectarea și analizarea imaginilor satelitare. Este dezvoltat de către o echipă EDUSPACE care aparține Agenției Spațiale Europene.

ENVI este un program creat de către compania ITT Exelis și este folosit pentru analiza și vizualizarea imaginilor satelitare. A fost lansat în anul 1977 și dezvoltă produse de tip IDL și IAS care sunt folosite într-o serie largă de domenii.

Econgnition este un soft al celor de la Trimble și are aceleași scopuri precum cele menționate mai sus.

ArcGis este un program GIS care are ca scop prelucrarea datelor geografice în vederea realizării harților. Softul este deținut de compania Esri care este liderul mondial al tehnologiei GIS și oferă o gamă largă de produse și servicii. În ceea ce privește teledetecția Arcgis oferă posibilatea georeferențierii imaginilor, combinării de benzi, posibilitatea efectuării deferitelor tipuri de interpolări și posiblitatea efectuării diferitelor tipuri de analize.

Global Mapper este la fel ca și ArcGis un soft de prelucrare a datelor GIS și este competitorul acestuia. În esență, cele 2 programe oferă aproximativ aceleași posibilități în ceea ce privește prelucrarea datelor de teledetecție.

Există astăzi și site-uri care oferă gratuit o serie de imagini satelitare. Printre acestea sunt www.glcfapp.glcf.umd.edu și www.glovis.usgs.gov, care pune la dispoziție în mod gratuit imagini Landsat (fig. 12).

Un alt site care oferă imagini satelitare gratuite este www.sentinel.esa.int.com. Acesta este site-ul misiunilor Sentinel deținute de Agenția Spațială Internațională. Scopul acestei misiuni este de a înoi baza de date cu imagini realizate asupra Pământului în vederea protejării mediului și studierii elementelor care au impact asupra acestuia.

În cadrul acestei misiuni au fost lansați mai mulți sateliți fiecare dintre aceștia având diferite obiective și fiind dotați cu echipamente de ultimă oră.

În prezent datele care pot fi descarcate în mod gratuit de pe site-ul programului sunt în principal date de tip Radar, care pot fi folosite în studii precum schimbările climatice, monitorizarea oceanelor și a mărilor și monitorizarea atmosferică.

Fig. 12. Site-ul www.glovis.usgs.gov care oferă imagini Landsat gratuite

2.2 Metode folosite în scopul prelucrării datelor

În primul rând dupa obținerea imaginilor satelitare ele intră în etapa numită preprocesare care constă în eliminarea erorilor radiometrice și geometrice. Acest lucru se realizează prin aplicarea unor corecții.

Corecțiile radiometrice se aplică pentru a elimina erorile produse de senzori și de mediul înconjurător. Dintre aceste corecții putem aminti: corecțiile produse de senzor, corecțiile ale variației peisajului, corecții de întărire a imaginii (filtrări ale imaginii), îndepărtarea „zgomotului”,corecții de eliminare a variației în timp a luminii solare etc.

Corecțiile geometrice (geocorecții) se aplică în scopul eliminării erorilor care deformează geometria imaginilor. Corecțiile din această categorie sunt corecțiile ce elimină înclinarea imaginilor și alte distorsiuni, corecțiile de eliminare a distorsiunii panoramice, corecțiile de eliminare a distorsiunii produse de rotația Pământului.

Un alt pas important în această etapă este reprezentat de modificarea contrastului imaginilor care se realizează asupra imaginilor cu contrast mic. Constă în modificarea nuanțelor de gri a fiecărui pixel. Procedeul se realizează în strânsă legătură cu parametrii histogramei de culori a imaginilor.

Ulterior, se realizează etapa de redresare și georeferențiere a imaginilor în vederea prelucrării propriu-zise a acestora.

Unul dintre cei mai importanți pași al perfecționării datelor în vederea realizării diferitelor analize este reprezentat de combinarea benzilor spectrale. Aceasta se realizează pentru o mai bună întelegere și vizualizare în vederea prelucrărilor exacte. Prin suprapunerea diferită a acestora vor rezulta imagini în care culorile obiectelor sunt diferite, iar în funcție de analiza care se dorește se va alege ordinea suprapunerii. Acest pas este necesar deoarece ochiul uman nu poate percepe unele diferențe de tonuri de culoare și astfel nu poate identifica elemente cu signatură spectrală asemănatoare. Un exemplu concret este dat de asemănarea norilor cu zăpada care pot fi confundate.

Combinarea 321 este cea a culorilor naturale prin care obiectele de la sol apar în culori similare cu cele percepute de om în realitate. Prin aceasta se facilitează analiza apelor de suprafață puțin adânci, a solurilor dar și a elementelor antropice. Limitările sunt determinate de diferențierea greu de realizat a vegetației și deficiențe în ceea ce privește stabilirea diferenței dintre nori și zăpadă.

432- fals color este foarte folositoare în studiile de vegetație. Aceasta apare în nuanțe de roșu (roșu mai aprins vegetație bogată, sănătoasa și roșu mai șters zone cu vegetație săracă), ariile urbane apar în nuanțe de albastru cyan iar solurile variaza de la maro închis la maro deschis. Este facilitată diferențierea tipurilor de păduri, astefel pădurile de foioase apar în culor de roșu intens iar pădurile de conifere în culori de verde închis-negru. Tot cu ajutorul acestei combinări pot fi realizate analize asupra zonelor cu umidități diferite însă acestea nu pot fi exacte exisând combinări mai facile pt astfel de analize.

453- aceasta combinare de benzi folosește 2 benzi din domeniul infraroșului care ajută la studiile asupra vegetației și elimină aproapre în totalitate masele noroase. Etajele de vegetație pot fi observate foarte ușor. Pădurile de foioase și livezile aprar în culori de portocaliu intens, pădurile de conifere verde închis iar pajistile în culor de cenușiu deschis. Terenuirle cu exces de umiditate apar în nuanțe de verde deschis iar asezările în nuanțe de albastru și alb Astfel combinarea este foarte utilă în studiile de utilizare a terenurilor.

457- este o combinare care unește numai benzi din domeniul infraroșului. Acest lucru denonă o expresivitate mare asupra solurilor și vegetației și permite analize asupra regiunilor umede. Terenurile cu exces de umiditate apar în nuanțe de cenușiu-verzui. Căile de comunicații sunt ușor de identificat chiar și în zonele depresionare.

742- ajută la diferențierea ușoară a terenurilor acoperite cu vegetație și cele descoperite și la deosebirea unor specii de arbori. Cu toate acestea culorile sunt dificil de interpretat expresivitatea în cazul excesului de umiditate este mică.

753- zăpada și gheața apar în culori de albastu închis iar apa în culori apropiate de negru și albastru foarte închis. Suprafețele cu temperaturi mari cum ar fi incendiile de pădure ies în evidență având culori de roșu sau galben. Astfel cea mai importantă aplicabilitate o reprezintă monitorizarea incendiilor forestiere.

543 și 541- au aplicabilitate în agricultură

754- țărumurile și liniile costiere sunt foarte bine definite. Vegetația apare cu culoarea albastră. Combinarea este folosită în studiile geologice.

731- utilă în studiile de diferențiere de roci

O metodă principală de prelucrare a imaginilor este clasificarea. Aceasta are scopul de a simplifica imaginile prin reducerea entităților în categorii mai restrânse. Astfel, acest procedeu are scopul de a construi imagini tematice. Clasificarea se împarte în două categorii: clasificarea nesupervizată și clasificarea supervizată.

Clasificarea nesupervizată a imaginilor presupune crearea grupelor de pixeli (clustere) fără a cunoaște în mod exact ceea ce se clasifică. Acesta este și marele avantaj al acestei metode, faptul că nu este necesară o cunoaștere detaliata asupra zonei. Un alt avantaj este faptul că analistul are controlul deplin asupra numărului de clase. Dezavantajul principal este precizia, clasele obținute nu reflectă în totalitate realitatea. În clasificarea nesupervizată se utilizează doi algoritmi:

-Algoritmul K

-Algoritmul ISODATA (Iterative Self Organizing Data Analysis)

În ceea ce privește clasificare supervizată clasele sunt cunoscute de înainte pe anumite zone. Așadar, pentru această metodă este necesară cunoașterea detaliată a caracteristicilor suprafeței une porțiuni din imagine. La rândul ei aceasta clasificare se împarte în trei categorii: clasificare geometrică, clasificare paralelipipedică și clasificarea probalistă. Principalele avantajele acestei metode sunt: faptul că există un control total asupra identității claselor și exactitatea claselor care reflectă categoriile din teren. Dezavantajul principal este faptul că regiunile de interes este posibil să nu fie reprezentative.

Clasificarea supervizată se realizează în 3 etape:

-Etapa pregătitoare în care analistul identifică zonele eșantion. Aceasta are cea mai mare importanță deoarece rezultatele finale ale clasificării depind cel mai mult de alegerea zonelor eșantion numite și zone de interes. Crearea acestor zone se realizează prin vectorizare acolo unde se consideră că arealul este cel mai reprezentativ.

-Etapa clasificării propriu-zise în care fiecarui pixel îi este atribuită o clasă

-Etapa finală în care imaginea rezultată este procesată în vederea integrării ei în aplicațiile GIS.

În prezent cele două metode de clasificări sunt folosite împreună. Mai întâi se realizează o clasificare nesuprevizată după care se realizeaza cea supervizată, astfel se diminuează dezavantajele celor două și rezultă o clasificare exactă care sa corespundă cu caracteristicile din teren cu ajutorul căreia se pot realiza harți tematice și în același timp rezultate pot fi folosite în analize și procedee GIS și cartografia de detaliu. Acest tip de clasificare este denumită și clasificare mixtă sau hibridă.

Unul dintre cei mai importanți pași în prelucrarea datelor este reprezentat de introducerea indicilor normalizați de diferențiere. Aceștia sunt exprimați, cu ajutorul unor operații aritmetice între benzile spectrale, în imagini noi. Valorile pixelilor din imaginile rezultave vor avea valori „floating” cuprinse între -1 și +1. Există astfel de indici care pot fi aplicați în diferite analize precum: vegetație: NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), EVI (Enhanced Vegetation Index), SAVI (Soil-adjusted Vegetation Index), MSAVI (Modified Soil-adjusted Vegetation Index), SATVI (Soil-adjusted Total Vegetation Index), NDBR (Normalized Difference Burning Ratio) hidrologie: NDWI (Normalized Difference Water Index), NDMI (Normalized Difference Moisture Index), urbanism: NDBI (Normalized Difference Build-Up Index), meteorelogie: LST (Land Surface Temperature), NDSI (Normalized Difference Snow Index) etc. Prin aplicarea acestor indici se reduce simțitor volumul de muncă iar rezultatele obținute în urma analizelor efectuate cu ajutorul lor sunt eficiente și destul de exacte.

2.3 Noi instrumente folosite în teledetecție

În ultima perioadă a existat o reală ascensiune și impunere a noi instrumente folosite în teledetecție. Cel mai important rol în acest aspect îl au micile instrumente de zbor numite UAV-uri sau drone.

UAV-urile (unmanned aerial vehicle) sunt vehicule de zbor autonome care sunt pilotate de un operator de la sol, sau de un computer. Datorită acestui fapt ele au fost folosite inițial în domeniul militar. Un mare avantaj al dronelor este faptul că pot ajunge în locuri dificile și pot efectua zboruri de recunoaștere.

Cele mai multe drone civile, de dimensiuni mai mici adoptă designul de tip quadcopter sau octacopter (fig. 13). Acesta rezultă din numărul existent de brațe pe care sunt montate elice. Se urmărește ca materialele folosite pentru realizarea componentelor să faciliteze în final obținerea unei greutăți cât mai mici. În prezent, un rol important în crearea componentelor dronelor de mici dimensiuni o are tehnologia de printare 3D.

În ceea ce privește energia, majoritatea dronelor se bazează pe baterii de tip lithium. Marele lor avantaj este greutatea și dimensiunea mică, însă nu oferă o autonomie foarte ridicată. Senzorii principali prezenți la bordul dronelor sunt gyroscopul, accelerometrul, busola, GPS, camera de fotografiat ,termometru.

Fig. 13. Drone de tip quadcopter și octacopter (www.wikipedia.com)

Utilizarea dronelor oferă o serie de avantaje față de metodele tradiționale de colectare a imaginilor în teledetecție. În primul rând, dronele sunt mult mai ieftine și costurile operaționale sunt mult mai mici față de aeronavele clasice. Pe de altă parte și rezoluțiile imaginilor captate de aceste vehicule este una foarte bună(de ordinul centimetrilor). Datorită acestor aspecte, în ultimii ani dronele joacă un rol important în teledetecție și a altor ramuri ale științei măsurătorilor terestre. Limitările acestor aparate sunt reprezentate în primul rând de autonomia scăzută dar și de distanța față de receptoarele de la care este controlată, la care pot zbura.

De-a lungul timpului au existat mai multe controverse în ceea ce le privește, existând oameni care le-au contestat și care consideră că încalcă dreptul la intimitate. O altă problemă este faptul că unele drone performante pot zbura până la altitudini destul de mari unde se pot întâlni cu alte aparate de zbor. Datorită acestor aspecte s-au elaborat diferite legi care condiționează utilizarea dronelor fie ele și de mici dimensiuni.

Legislația din țara noastră se află în momentul de față în curs de completare și îmbunătățire și tinde să se alinieze celei internaționale. Instituția care se ocupă cu înmatricularea și emiterea de aprobări de zbor este Autoritatea Aeriană Civilă Română. În prezent se estimează că pe teritoriul României există un număr de aproximativ 4000-5000 de drone dintre care doar în jur de 100 sunt înmatriculate. Astfel, atunci cand vrei sa filmezi/fotografiezi cu o dronă , ai nevoie de aprobare, în funcție de zona pe care o urmărești. Dacă drona provoaca daune răspunzător este numai proprietarul ei.

În prezent dronele sunt utilizate, în domeniul civil, având aplicații în agricultură, silvicultură, domeniul forestier, monitorizarea vegetației (Hunt et al., 2010) hidrologie, turism, meteorologie, mediu și multe altele. Fenomenele care pot fi urmărite cu ajutorul tehnicilor UAV sunt alunecările de teren (Niethammer et al., 2010), eroziunea solurilor, incendiile.

În agricultură aceste aparate acordă sprijinul necesar fermierilor în supravegherea culturilor. Asfel ele au o sumedenie de aplicații pentru eficientizarea și modernizarea agriculturii. Se poate urmării evoluția culturilor, sanatatea culturilor, evaluarea eventualelor daune și se pot realiza modele tridimensionale și analize ciclice.

În hidrografie aparatele de zbor de tip UAV permit urmărirea facilă a fenomenului de inundații care reprezintă o problemă de mare interes. Imaginile obținute au astfel rezoluții foarte mari și sunt ușor de prelucrat. Împreună cu imagini satelitare și aeriene aceste imagini obținute cu UAV-uri permit realizarea de studii exacte asupra inundațiilor (Abdelkader et al., 2013)

Un alt domeniu în care dronele sunt foarte folositoare este cel de securitate civilă. Aparatele pot fi folosite de instituțiile de aparare atât pentru o mai bună securitate dar și pentru salvarea sau ajutorarea în caz de calamități. Spre exemplu dronele pot fi folosite pentru găsirea unor victime care nu pot fi localizate exact prin alte metode și accesul spre ele fiind imposibil pentru salvatori.

Astăzi, există pe piață o multitudine de astfel de mici aparate de zbor unele mai neperformante, având chiar și prețuri destul de scăzute. Totuși acestea nu trebuie privite ca fiind niște „jucării” deoarece pot cauza daune daca nu sunt folosite corespunzător, ba chiar cei care le pilotează pot răspunde penal în cazul în care acestea ajung în locuri nepermise sau nu respectă legislația în vigoare.

2.4 Domeniile de aplicabilitate ale teledetecției

Teledetecția modernă are o arie largă de domenii în care poate fi aplicată. Fiecare dintre aceste domenii are cererile și nevoile ei în ceea ce privește rezoluția și calitatea imaginilor.Cele mai importante dintre aceste domenii sunt: catografia, agricultura, domeniul forestier și vegetația, geologie, hidrologie, oceanografie, folosința terenurilor.

a. Obținerea de diferite date cartografice cu ajutorul teledetecției joacă un rol foarte important în știința realizării hărților doarece cu datele obținute și cu ajutorul tehnicilor GIS se pot obține hărți exacte care să corespundă întocmai cu situațiile din teren.

Astăzi, teledetecția și GIS-ul reprezintaă două domenii înfrățite care „comunică” între ele cu scopul analizelor tot mai exacte asupra suprafeței terestre

Teledetecția oferă în momentu de față o serie de date cu caracteristici care facilitează tot mai mult realizarea de hărți. Printre acestea sunt: imaginile stereografice, timpul de revizitarea a sateliților tot mai mic, transmisia de date mai rapidă, acoperirea unor zone din ce în ce mai mari și nu în ultimul rând rezoluțiile oferite.

În prezent în domeniul GIS există o cerere tot mai mare de modele digitale de elevație (DEM-uri). Cu ajutorul acestora se pot realiza analize precise asupra elevației terenului și totodată se pot genera curbe de nivel care facilitează întelegerea altitudinii terenului pe hărți în format bidimensional.

Din DEM-uri se pot extrage și alte tipu de date și analize. Printre acestea sunt: realizarea de analize asupra pantelor, adâncimi și densității ale versanților dar și reclasificări care pot facilita, spre exemplu, la elaborarea hărților hipsometrice.

Există mai multe procedee de realizare a acestor DEM-uri. Prima este metoda creării unor seturi de date formate din puncte colectate din teren cu ajutorul tehnicilor de poziționare globală (GPS). Această metodă este însă una dificilă, care implică mult timp și efort, nefiind astfel practică. Acesta este și motivul pentru care cea mai întâlnită metodă de realizare a DEM-urilor este generarea lor din imagini satelitare și aeriene. Metoda este una mult mai eficientă, care implică un efort mult mai mic și costuri mai reduse.

Cel mai important set de date de acest tip este SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Programul a fost lansat cu scopul de a genera cea mai completă bază de date de mare rezoluție de acest tip.

Fig. 14. Vizualizare 3D cu ajutorul datelor SRTM a județului Cluj în ArcScene

b. Vegetația și domeniul forestier: Pădurile sunt o resursă naturală foarte valoroasă deoarece pe lângă faptul că reprezintă habitatul unor numeroase specii de animale, este și sursa noastră de oxigen și pe lângă acest lucru ne pune la dispoziție o serie de elemente fără de care nu am putea trăi.

Cu toate acestea, din pacate, pe plan mondial una dintre cele mai mari probleme de mediu o reprezintă defrișările. Acest fenomen produce mari dezechilibre în natură și afectează biodiversitatea, solul, clima și o multitudine de alți factori.

Astfel, este necesară luarea de măsuri care să reducă defrișările. Teledetecția joacă un rol foarte important în acest aspect. Cu ajutorul acesteia se pot realiza analize asupra diferitelor aspecte legate de domeniul forestier. Cele mai importante dintre acestea sunt urmărirea defrișărilor, urmărirea sănătății vegetației, monitorizarea biodiversității, identificarea de specii, urmărirea incendiilor de păduri.

Cele mai importante aspecte în urmărirea domeniului forestier cu ajutorul teledetecției sunt analizele temporale realizate pe parcursul unei perioade mai îndelungate de timp.

Un rol foarte important în analiza imaginilor cu scopul realizării diverselor studii asupra vegetației sunt indicii normalizați de diferențiere. Aceștiau au fost clasificați de către Chen în 1996 în 4 clase distincte:

a. indici de tip „ratio”. În această categorie fiin prezenți NDVI, RVI, EVI

b. indici ortogonali precum DVI, PVI, WDVI

c. indici hibrid, SAVI, TSAVI, MSAVI

d. indici nonlineari precum NLI, RDVI

NDVI, indicele normalizat de diferențiere al vegetației este cel principalul indice de acest tip și a fost introdus de către John Rouse în anul 1973 în studiile sale asupra unei zone din centrul Statelor Unite ale Americii.

Formula de calcul al acestui indice este NDVI= unde NIR este banda infraroșu apropiat și R banda roșu.

Alegerea celor două benzi cu ajutoru carora se calculează au fost alese deaorece scot în evidență contrastul dintre sol și vegetație și faptul că pigmenții din frunze precum clorofila reflectă puternic radiațiile în domeniul infraroșu.

Valorile NDVI sunt cuprinse între -1 și +1. Tonurile închise (valorile apropiate de -1) reprezintă zone lipsite de vegetație, tonurile intermediare (valorile apropiate de 0) sunt asociate pajiștilor iar tonurile deschise (valori apropiate de +1) reprezintă vegetația bogată și sănătoasă.

NDVI este utilizat pentru determinarea zonelor în care există sau nu vegetație verde și pentru analizarea caracteristicilor acesteia. Cu toate acestea este influențat de o serie de factori perturbatori precum efectele atmosferice, topografia zonei analizate, nori și sol prin tip umiditate și alte caracteristici

EVI este indicele îmbunătățit al vegetație și a fost dezvoltat pentru optimizarea NDVI. A fost introdus de către Liu și Huete în anul 1995.

ENVI se deosebește de NDVI prin faptul că reduce efectele de mediu precum condițiile atmosferice, aerosolii și corectează semnalul solului, toate acestea fiind posibile deoarece pe lânga benzile roșu și infraroșu folosite de NDVI, acest indice folosește și banda albastră . Astfel este foarte util în studiile de evoluție ale vegetației.

SAVI este indicele introdus tot de Huete în anul 1988. El a fost dezvoltat pentru a scădea influența luminozității solului în indicii de vegetație.

Pentru realizarea acestor analize sunt necesare imagini cu rezoluție medie, bună și chiar foarte bună pentru studiile mai detaliate. Un factor benefic pentru analizele de detaliu este posibilitatea vizionării tridimensionale care ajută spre exemplu, la studii cu privire la înălțimea arborilor.

Incendiile de pădure fac parte din ciclul natural de reproducere și de revitalizare a solurilor. Acestea însă se pot extinde foarte rapid cauzând mari probleme. Teledetecția ajută la urmarirea acestor incendii și ajută specialiștii sa le țină sub control. În acest scop cel mai important rol îl au senzorii termali ai sateliților care pot detecta rapid incendiile.

Cu ajutorul indicelui NDBR care este indicele ce stabilește potențialul de ardere al vegetației, pot fi realizate analize și studii care în timp pot ajuta la combaterea incendiilor de pădure.

Acesta a fost introdus în anul 1999 de către C.Key și B.Nate analiza făcându-se într-o zonă cu păduri din nord vestul Statelor Unite ale Americii.

Indicele utilizează benzile infraroșu apropiat și infraroșu mediu deoarece în acestea răspunsul vegetației incendiate și neincendiate este cel mai mare. Formula de calcul pe care se bazează este NDBR= unde NIR este banda infraroșu apropiat și MIR banda infraroșu mediu. La fel ca și la ceilalți indici valorile sunt cuprinse între -1 și +1. Asfel valorile mai mari de 0 reprezintă zone cu risc mai mare de incendiu iar în zonele cu risc mai mic sunt prezente valori mai mici de 0.

c. Agricultura joacă un rol important în economia oricărei țări, deoarece populația are necesități continue în ceea ce privește hrana. Asfel aceasta trebuie realizată cât mai eficient posibil. Pentru o mai bună cunoaștere a diferitelor aspecte legate de agricultură teledetecția poate pune la dispoziția fermierilor o serie de informații foarte folositoare referitoare la culturile, sanatatea acestora și fenomenle care le pot influența negativ.

Imaginile satelitare și aeriene pot fi folosite pentru cartarea și monitorizarea culturilor. Principalele aspecte care pot fi reprezentate astfel sunt clasificarea tipurilor de culturi, estimarea randamentului acestora și caracteristicile solului. Teledetecția oferă informații eficiente și concrete asupra culturilor și a caracteristicilor acestora precum structura lor și gradul de umiditate.

Monitorizarea culturilor este crucială deoarece oferă hrana pentru oameni. Plantele au un mod particular de a reflecta radiațiile electromagnetice. Reflectanța vegetației este cel mai bine observată în infraroșu apropiat. Creșterea normală a plantelor poate fi perturbată de diferiți factori precum secetele, produselor chimice(nitriți, nitrați, pesticide), salinitatea nefirească a solurilor, temperaturi extreme. Prin imaginile satelitare se pot observa acestor factori și se pot diminua și preveni.

Estimarea cantității finale pe care o cultură o produce este o practică pe care fermierii o fac de mult timp. Astfel, prin analizarea plantelor într-un anumit stagiu de dezvoltare se pot face estimări asupra cantității finale obținute, ținându-se cont de elemente precum cele climatice. Datorită modului specific de reflectanță a plantelor se poate stabili starea acestora la momentul realizării unei imagini și combinând aceste date cu date climatice se poate obține o estimare destul de exactă.

Informațiile obținute cu ajutorul teledetecție combinate cu tehnicie GIS reușesc să pună la dispoziție analize exacte cu privire la agricultură. Cu toate acestea, pentru a satisface nevoile din domeniul agriculturii imaginile trebuie să aibă rezoluții foarte bune și trebuie sa fie realizate în perioade specifice ale anului.

d. Geologia este știința care se ocupă cu studiul structurii Pământului. Teledetecția este folosită impreună cu date din alte știinte ca un instrument de extragere a informațiilor despre compoziția și structura suprafeței terestre. Ea constituie o metodă foarte eficientă în ceea ce privește analizare zonelor greu accesibile.

Cu ajutorul imaginilor satelitare se pot realiza studii geomorfologice și prin corelarea acestora cu date colectate din teren pot rezulta hărți exacte asupra structurilor.

Vizualizarea sinoptică a suprafeței este principalul avantaj al folosirii teledetecției în geologie. Cu toate acestea studiile geologice realizate cu ajutorul imaginilor satelitare sunt destul de îngreunate de vegetație, însă cu ajutorul tehnologiei radar acest inconveniet este eliminat. Studiile care pot fi realizate cu ajutorul acestei tehnologii privesc în primul rând litologia.

Și în cazul geologiei o mai mare aplicabilitate o au imaginile tridimensionale și imaginile de mare rezoluție.

e. Meteorologia Poate cea mai importantă problemă la nivel mondial la ora actuală, încălzirea globală produce efecte negative ireversibile. Teledetecția joacă un rol important în oferirea informațiilor pentru crearea de programe care urmăresc reducerea acestui fenomen și ținerea lui sub control.

f. Hidrologia și oceanografia. Hidrologia se ocupă cu studiul apei de pe suprafața Pământului în toate formele ei, este una dintre cele mai studiate domenii cu ajutorul teledetecție deoarece influențează o largă gamă de fenomene.

Studiile hidrologice realizate cu ajutorul imaginilor satelitare se referă la monitorizarea cursurilor de apă și a bazinelor hidrografice, la zone înmlăștinite, inundații, monitorizarea stratului de zăpadă și de gheață.

Teledetecția reprezintă o sursă viabilă de observare a fenomenelor hidrologice. În ultima perioadă studiile asupra apei realizate cu ajutorul imaginilor satelitare au avansat odată cu demararea programului lansat de NASA numit EOS(Earth Observation System). Acesta dorește prin lansarea mai multor sateliți să obțină date benefice cu privire la suprafața terestră, biosferă, atmosferă.

Cu ajutorul imaginilor satelitare stereografice din care se constituie diferite DEM-uri se pot realiza analize destul de exacte în ceea ce privește bazinele hidrografice iar cu ajutorul tehnicilor GIS aceste date se pot prelucra și asfel se poat realiza calcule privind suprafața acestor bazine.

Inundațiile sunt fenomene care pot produce pagube materiale însemnate și în același timp să provoace mari dezechilibre în cadrul ecosistemelor. Imaginile ajută la stabilirea exactă a zonelor afectate și a gradului de impact negativ produs, însă există și unele limitări.O problemă o reprezintă faptul că nevoia de astfel de imagini este imediată, fenomenul fiind unul rapid care se produce într-un timp foarte scurt.

În ultima perioadă s-a pus accent pe studiile asupra calotelor glaciare. Acestea se află într-o continuă scădere datorată fenomenului de încălzire globală. Urmărirea este benefică pentru stabilirea impactului pe care acest fenomen îl are asupra lor.

Imaginile necesare pentru studiile hidrologice și climatice sunt oferite în mare măsură de sateliții meteorologici care au amplasați senzori speciali. Dintre acești sateliți pot fi amintiți: NOAA, METEOSAT, GEOS.

Un rol important în obținerea de date care sa aiba aplicabilitate în hidrologie o are senzorul amplasat la bordul sateliților lansați în cadrul programului NOAA. Acesta este AVHRR (advanced very-high-resolution radiometer). Chiar dacă pentru cerințele actuale datele obținute cu ajutorul acestui senzor sunt depășite, ele sunt foarte folositoare deoarece au înregistrat date în trecut și acestea pot fi comparate cu imagini mai recente, astfel putându-se realiza o serie de comparații temporale.

Oceanografia se ocupă cu studiul mărilor, oceanelor și proceselor care au loc în acestea. Informațiile obținute cu ajutorul aceste știinte sunt foarte importante în alte diferite domenii precum transportul maritim.

Studiile de oceanografie se află în stânsă legatură cu cele meteorologice și comunică pentru stabilirea caracteristicilor procesolor precum furtunile de mare, curenții oceanici, valurile dar și a temperatură ale apei care poate produce fenomene precum „El Nino” și „La Nina” care generează anomalii climatice pe întreaga planetă.

O ramură a știintei studierii oceanelor este reprezentată de cercetarea ecosistemelor și a fondului biofizic. Teledetecția poate oferii informațiile necesare realizării acestor studii prin imagini multispectrale de mare rezoluție. De amintit aici sunt sateliții oceanografici precum: AQUA, SEASAT, RADARSAT 1 și RADARSAT 2 (fig. 14). Ultimii sunt unii dintre cei mai importanți sateliți care oferă informații despre schimbările climatice.

Programul NOAA al celor de la NASA joacă un rol foarte important în ceea ce privește studiile oceanelor, măsurarea, observarea și protejarea acestora

Fig. 15. Sateliții RADARSAT (www.asc-csa.gc.ca)

g. Folosința terenurilor se referă la identificare scopului pe care un teren îl are și care este categoria de folosință în care se încadrează. Stabiliarea acestui lucru este benefică pentru diferite studii precum managementul resurselor naturale, expansiunea urbană, stabilirea de taxe și de impozite.

Caracteristica principală a acestui domeniu este dinamica. Terenurile schimbându-și des categoria de folosință, fapt datorat în principal de impactul antropic.

În prezent există o tendință tot mai importantă in ceea ce privește extinderea zonelor urbane. Acest lucru este datorat în principal migrării din zonele rurale dar și creșterea populației mondiale. Teledetecția oferă informații foarte practice și folositoare pentru stabilirea ariilor urbane și evoluția acestora.

În trecut, studiile asupra folosinței terenurilor erau efectuate cu ajutorul imaginilor LANDSAT folosind tehnici mai puțin precise. Astăzi, aceste metode au fost mult îmbunătățite ajungându-se la clasificări mai precise și algoritmi de clasificare mult mai exacți.

Imaginile necesare studiilor asupra folosinței terenurilor pot avea rezoluții diferite însă pentru stabilirea și delimitarea exacta a categoriilor sunt necesare rezoluții mari. Din aceste imagini se pot crea ușor date vector cu privire la folosința terenurilor, un exemplu fiind datele Corine Land Cover, cu ajutorul cărora se pot realiza mai multe hărți tematice.

3. MĂSURATOARE TOPOGRAFICĂ REALIZATĂ CU SCOPUL COMPARĂRII CU O LUCRARE DE TELEDETECȚIE MODERNĂ

3.1 Localizarea zonei în care a fost efectuată masurătoarea

Pentru a evidenția gradul de evoluție la care a ajuns teledetecția am efectuat o măsurătoare topografică a suprafețelor unor terenuri de sport situate în municipiul Cluj- Napoca (fig. 16) cu scopul comparării rezultatelor obținute cu datele rezultate din măsurători făcute pe imagini satelitare și aeriene.

Fig. 16. Harta localizării zonei măsurate

Cele 11 terenuri de sport măsurate sunt localizate în cartierul Mănăștur, în sud vestul municipiului Cluj- Napoca la limita dintre unitațile de relief Dealul Feleacului și Culoarul Gilău-Cluj la liziera pădurii care poartă numele de Pădurea Mănășturului.

Zona reprezintă cel mai mare spațiu verde existent în acest cartier și reprezintă un spațiu de joacă, de plimbare și de organizare de evenimente. Din păcate aici sunt întâlnite o serie de probleme printre care deșeurile și starea proastă a locurilor de joacă și a terenurilor de sport. Aceste terenuri ar trebui reabilitate, iar prin măsurarea lor se poate realiza un studiu cu privire la cantitatea de materiale care vor fi folosite în acest scop și viitoarele costuri necesare.

Fig. 17. Terenurile de sport și numerotarea lor (prima imagine de sus- Google Earth)

3.2 Sisteme de proiecție si cote folosite

Sistemul de proiecție utilizat în cadrul măsurătorii este sistemul de referință din România și anume Stereografic 1970 (Stereo 70). El a fost adoptat în țara noastră în anul 1973 și a înlocuit vechea proiecție Gauss-Kruger.

Stereo 70 este o proiecție stereografică oblică pe plan secant unic. În general proiecțiile stereografice sunt folosite pentru regiuni care au formă rotundă. S-a considerat ca țara noastră poate fi încadrată într-un cerc cu raza de 400 de kilometri. Proiecția este conformă, adică nu deformează unghiurile. În schimb, aceasta deformează ariile în funcție de distanța lor fața de centrul proiecției.

Elipsoidul de referință este ca și în cazul vechii proiecții Gauss-Kruger, Krasovski și planul de referință pentru cote Marea-Neagră 1975. Conform elipsoidului Krasovski semiaxa mare are valoarea de 6 378 245, 000 00 metri, iar semiaxa mică are valoarea de 6 356 863, 018 770 metri.

Punctul central al proiecției este situat la următoarele coordonate geografice: latitudinea 46°00'00'' N și longitudinea 25°00'00'' E. Factorul de scară este 0,99975. Polul proiecției este un punct fictiv, nu este materializat pe teren, situat aproximativ în centrul geometric al teritoriului României, la nord de orașul Făgăraș.

Stereo 70 a fost folosită la întocmirea planurilor topografice de bază la scările 1:2.000, 1:5.000 și 1:10.000, precum și a hărților cadastrale la scara 1:50.000.

Coordonatele rectangulare ale punctului central al proiecției sunt: Nord=500,000 de metri și Est=500,000 de metri.

Adâncimea planului de proiecție este de aproximativ 3.2 km față de planul tangent la sfera terestră în punctul central. În urma intersecției dintre acest plan și sfera terestră de rază medie s-a obținut un cerc al deformațiilor nule cu raza apropiată de 201,718 km

Nomenclatura hărților este aceeași cu cea a proiecției Gauss-Kruger exceptând planurile la scara 1:2000. Datorită acestui fapt Stereo 70 permite ingergrarea lucrărilor noi în lucrări mai vechi.

Nomenclatura este stabilită prin împărțirea elipsoidului în zone și fuse. Pentru acest lucru se trasează meridiane din 6° în 6° și paralele din 4° în 4°. Teritoriul României este situat în zonele K, L, M și fusele 34 și 35. Astfel nomenclatura unui trapez cu scara 1:1000000 va fi formată din una drintre literele și unul dintre numerele menționete anterio(exemplu: L-34). Pornind de la această scară se va stabili nomenclatura trapezelor cu scări mai mari.

Pe fondul apariției și evoluției sistemelor de poziționare globală GPS,GLONASS a fost necesară elaborarea de diverși algoritmi de transformare de coordonate datorită faptului ca aceste sisteme utilizează elipsoidul de referința WGS84. În momentul de față acest lucru nu mai reprezintă o problemă din cauza apariției diverselor softuri care permit transformarea instantă a coordonatelor.

Sistemul de cote utilizat este Sistemul de cote Marea Neagră 1975. Acesta este sistemul de referință utilizat în România și are punctul zero fundamental în Capela Militară Constanța, ce reprezintă nivelul mediu multianual al mării.

Rețeaua altimetrică a României dată în acest sistem are peste 14000 de puncte și se apeciază ca este una dintre cele mai bine reprezentate rețele de acest tip din Europa. Aceasta a fost realizată prin măsurători riguroase iar punctele au fost răspândite uniform pe toată suprafața țării.

3.3 Metode de măsurare utilizate

În cadrul măsurătorii efectuate s-a folosit sistemul de poziționare globală (GPS). Acesta este un sistem global de navigație prin satelit și unde radio. Principalul sistem de acest tip este cel american numit NAVSTAR care oferă pentru utilizatorii echipați cu receptoare corespunzătoare poziționarea tridimensională.

Sistemul NAVSTAR a fost proiectat inițial în scopuri militare de către Ministerul Apărării al Statelor Unite ale Americii. În timp însă, acesta a devenit disponibil și pentru operatori civili.

NAVSTAR a fost proiectat încă din anii 70 însă funcționarea în modul actual a început cu anul 1995.

Este un sistem care poate oferii poziționarea în orice moment pe întreaga suprafață terestră și este independent de condițiile meteorologice. Pentru poziționare sistemul are nevoie de o constelație de 24 de sateliți dispuși astfel încât minim 4 sateliți sa fie vizibili deasupra orizontului 24 de ore pe zi. Astfel principiul fundamental al sistemului GPS este bazat pe determinarea distanței dintre utilizatori și cel puțin 4 sateliți.

În contextul evoluției rapide a tehnologiilor, costurile de producție și lansare a acestor sateliți au scăzut semnificativ.

Celelalte sisteme de acest tip sunt: GLONASS, GALILEO, BEIDOU.

GLONASS (sistemul Federației Ruse), funcțional din anul 1996 care a avut un număr de 24 de sateliți însă după destramarea URSS doar câțiva dintre acesția mai erau funcționali. În prezent se încearcă repararea și reconstituirea sistemului, iar din 2007 la acest proces a început să participe și guvernul indian.

Alternativa europeană la celelalte sisteme este sistemul GALILEO. Aceasta este creat de către Uniunea Europeană și Agenția Spațială Europeană și are 2 stații de operare la sol, una în Munchen (Germania) și una în Fucino (Italia). Programul a lansat până la sfârșitul anului 2015 un număr de 12 sateliți din totalul de 30. Se estimează că sistemul va funcționa la capabilități maxime începând cu anul 2020.

Sistemul chinezesc numit BEIDOU cunoscut și sub numele de COMPASS este un sistem de poziționare aflat încă în construcție. Sistemul a avut mai multe variante însă cel final va avea o constelație de 35 de sateliți și va fi complet operațional de către utilizatorii civili în anul 2020.

Principalele componente ale sistemului GPS sunt: componenta spațială, componenta de control și componenta utilizatorilor.

a. Componenta spațială este formată din constelația de sateliți. Inițial sistemul a fost proiectat sa conțină un număr de 24 de sateliți însă momentan numărul acestora a crescut ajungându-se la un numar de 32-34 de sateliți. Principalele funcții pe care această componentă le îndeplinește sunt transmisia permanentă de date de la satelit catre utilizatori prin cele 2 frecvențe purtătoare L1 și L2, mentinerea unei referințe de timp foarte precise cu ajutorul ceasurilor atomice, receptarea de către sateliți a informațiilor primite de la stațiile de la sol și executarea manevrelor de corectare a orbitelor.

b. Componenta de control este formată din cele 5 stații de la sol. Acestea sunt dispuse uniform în jurul Pământului și sunt situate aproximativ în zona ecuatorială. Sarcinile principale pe care aceste stații trebuie să le îndeplinească sunt urmărirea permanentă a sateliților din cadrul sistemului, controlarea ceasurilor atomice ale acestora, calcularea poziției orbitale corecte, stocarea datelor receptionate și calcului efemeridelor.

Principala stație de control (Master) este situată în Colorado Springs. Stațiile secundare sunt amplasate în: Estul Oceanului Pacific-Hawaii, Vestul Oceanului Pacific-Cwajaleen, Vestul Oceanului Indian-Diego Garcia și Oceanul Atlantic-Ascension (fig. 18).

Fig. 18. Localizarea stațiilor de control ale sistemului GPS (www.geosoft-gps.de)

c. Componenta utilizatorilor care se referă la totalitatea utilizatorilor de receptoare GPS. În funcție de calitatea receptoarelor acuratețea poziției poate fi diferită. Cele mai precise receptoare sunt cele geodezice, aceste ocupând însă doar o mică parte din piață. Cele mai importante segmente de pe piață sunt receptoarele montate pe autotorisme, sisteme de control, supraveghere a traficului aerian și maritim, telecomunicații.

Principiul de referință al sistemului GPS este faptul că poziționarea se realizează cu retrointersecție spațială de distanțe în sistemul de referință WGS84. În acest sistem coordonatele spațiale ale fiecărui punct de pe suprafața Pământului se pot determina cu o bună precizie dacă se măsoară un număr suficient de distanțe de la receptor la satelit.

Poziționarea cu ajutorul sistemului se poate face în diferite modalități. Asfel întâlnim:

– Poziționarea absolută prin care coordonatele unui punct sunt determinate într-un sistem de poziționare globală. Aceasta se realizează cu ajutorul a două receptoare, unul fiind amplasat pe un punct al cărui coordonate au fost deja determinate întru-un sistem de referință.

– Poziționarea relativă care se realizează prin diferența coordonatelor a două puncte staționate cu receptoare GPS, astfel se elimină erorile sistematice.

– Poziționarea diferențiată este asemănătoare cu poziționarea absolută, însă eroarea care afectează distanța de la satelit la receptor este calculată și aplicată în timp real.

Erorile sunt determinate în primul rând de măsurarea distanței de la receptor la sateliți Erorile masurătorilor GPS pot fi de mai multe tipuri.

Erorile accidentale care pot fi datorate elementelor precum multipath prin reflexii, interferențe electromagnetice și componentele electronice ale receptorilor și sateliților. Erorile multipath(de multiparcurs) sunt datorate reflexiilor semnalului pe diferite suprafețe(luciul apei, clădiri) aflate în vecinătatea antenei.

Erorile sistematice sunt erori cu acțiune permanentă și pot duce la rezultate ale măsurătorilor GPS care nu se află în concordanță cu realitatea. Cele mai importante astfel de erori sunt erorile de ceas, erorile de orbită și erorile datorate refracției toposferice.

Erorile introduse intenționat de către administratorul sistemului GPS constau în posibilitatea introducerii unor serii de tehnici care să permită controlul, protecția și siguranța sistemului. Principale tehnici sunt SA (Selective Availlability) care permite doar accesul selectiv și tehnica AS (Anti-Spoofing) care combate bruiajul informațiilor din sistem.

Măsurătorile GPS pot fi realizate prin două tipuri de observații:

a. Metoda statică care presunpune măsurarea cu două sau mai multe receptoare amplasate pe puncte ce urmează sa fie determinate și care sunt staționate simultan o perioada de timp mai mare. Durata este stabilită în funcție de distanța dintre puncte și de geometria așezărilor pe cer a sateliților în momentul măsurării. Se va ține cont de 2 indici și anume PDOP și HDOP(diluție în plan și diluție verticală)

b. Metoda cinematică care presupune măsurarea cu două sau mai multe receptoare dintre care unul e amplasat pe punctul cunoscut (baza) iar restul se află în mișcare continuă sau au o staționare foarte scurtă.

Determinarea distantei dintre receptor și satelit se poate face prin doua metode. Prima este metoda fazei cod din componenta activă a semnalului iar cea de a doua este metoda măsurării fazei undei purtătoare. Aceasta a doua metodă de realizare a măsurătorilor GPS, prezintă o importanță deosebită pentru aplicarea acestei tehnologii in domeniul geodeziei și în ceea ce privește punctele rețelei geodezice de sprijin.

Condiția cea mai importantă pentru a obține rezultate bune cu ajutorul tehnologiei GPS este vizibilitatea cerului din punctul ce urmează să fie determinat. Prin urmare punctele situate spre exemplu în orașe, în colțurile clădirilor, sub copaci, pe șantiere unde există obstrucții nu vor putea fi determinate cu precizie.

În cadrul măsurătorii efectuate am folosit metoda cinematica în timp real numită RTK. Aceasta este în momentul de față cea mai rapidă și mai accesibilă metodă de obținere a unor precizii ridicate.

Metoda presupune crearea unei conexiuni radio între o stație permanentă și receptorul mobil. De la stație sunt transmise către rover-ul mobil, în timp real datele recepționate de la sateliți.

Receptorul mobil primește și el date direct de la sateliți prin intermediul propriei sale antene. Cele două seturi de date sunt procesate și astfel rezultă precizia ridicată. Legătura radio a majorității receptorilor GPS RTK este asigurată de modemuri radio pe frecvența UHF.

În cadrul procesului de inițializare se alege stația permanentă cea mai apropiată, în cazul nostru stația de la Cluj, iar când acest proces este finalizat se poate trece la determinarea de puncte cu precizie centimetrică. Rețeaua românească de stații permanente a fost creată de ROMPOS.

„Transferul corecțiilor diferențiale DGNSS/RTK de la stațiile (rețeaua de stații) de referință la utilizator se poate face prin diverse mijloace, cele mai întâlnite fiind: transferul prin unde radio, prin sisteme de comunicații mobile GSM/GPRS sau prin internet. Serviciile DGNSS/RTK ale ROMPOS se bazează pe transferul datelor prin intermediul internetului. Aceste date sunt transmise în format standardizat RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) cu ajutorul tehnologiei NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol). NTRIP include un protocol de sine stătător bazat pe HTTP – Hypertext Transfer Protocol și adaptat la cerințele de transfer al datelor GNSS. El permite difuzarea corecțiilor diferențiale (în format RTCM) sau al altor tipuri de date GNSS, spre utilizatori staționari sau in mișcare, prin intermediul internetului. NTRIP permite accesul la internet prin rețele mobile bazate pe IP (Internet Protocol), cum sunt rețelele GSM, GPRS, EDGE sau UMTS.”(www.rompos.ro accesat în aprilie 2016)

ROMPOSUL este sistemul românesc de determinare al poziției. Acesta este un proiect al Agenției Naționale de Cadastru și Publicitate Imobiliară, care pe baza stațiilor permanente oferă poziționarea exactă în sistemul ETRS89 (sistemul de coordonate european)

Stațiile dispun de antene și receptoare capabile să recepționeze semnale GNSS de la sistemele de poziționare GPS-NAVSTAR, GLONASS și în viitor GALILEO.

În contextul realizării unui sistem european EUPOS (European Positionig Determination System), România lanseaza în septembrie anul 2008 sitemul propriu numit ROMPOS.

Stațiile permanente sunt interconectate între ele chiar și peste granițele țării. Distanța dintre ele a fost la început de aproximativ 100 de kilometri și numărul lor era de aproximativ 40. În prezent numărul lor a crescut ajungându-se la peste 70 iar distanța dintre ele a scăzut până la valoare de 60-70 de kilometri. Ele sunt amplasate astfel încât să acopere tot teritoriul țării, iar alegerea locului unde sunt poziționate s-a ales în urma unor criterii stricte precum asigurarea stabilității pe termen lung și asigurarea unui orizont de vizibilitate cât mai bun pentru a reduce interferențele.

Cel mai important aspect al acestor stații este redat de precizia determinării coordonatele care au o precizie de sub 1 centimetru. Managementul lor este foarte important, antenele și celelalte componente fiind verificate periodic iar calitatea servicilor se promite a fi una foarte bună oferind utilizatorilor disponibilitate maximă.

Tipurile de servici disponibile cu ajutorul ROMPOS sunt:

a. ROMPOS DGNSS- serviciu pentru aplicații cinematice în timp real cu precizie cuprinsă între 3 metri și 0,5 metri

b. ROMPOS RTK- serviciu pentru aplicații cinematice în timp real cu precizii de până la 2 centimetri

c. ROMPOS GEO- serviciu geodezic pentru aplicații postprocesare care este capabil sa ofere precizii de sub 2 centimetri.

Aparatura necesară utilizatorilor care folosesc serviciile ROMPOS este formată din receptoare cu una sau două frecvențe și acces direct din teren la internet pentru conectare la serverul de servicii.

În lucrările de cadastru măsurătorile executate cu ajutorul tehnologiilor GNSS au mare importanță deoarece oferă utilizatorilor, prin sistemul ROMPOS o alternativă rapidă și de precizie la măsurătorile cu alte tipuri de aparate precum stația totală. Aplicațiile sistemului în cadastru sunt determinate realizarea rețelelor de ridicare, determinarea coordonatelor punctelor care alcătuiesc limita proprietăților și realizarea unor ridicări de detaliu pentru lucrări de cadastru de specialitate. O mare importanță în acest context o au determinarea punctelor rețelelor de ridicare utlizând serviciul ROMPOS GEO.

Sistemul de poziționare românesc mai poate fi utilizat și în construcții, inginerie, GIS, fotogrametrie, navigație, hidrologie.

Etapele urmărite în măsuratoarea dint teren efectuată sunt:

a. În primul rând etapa premergătoare, stabilirea planului de măsurere și instalarea aparaturii, care constă punerea acumulatorilor în roverul GPS și controller, atașarea pe jalon a acestora și în final pornirea lor.

b. Urmează etapa care constă în realizarea setărilor celor 2 componente. În primul rând este necesară intrarea în programul de lucru înstalat în controller (SurvCe). După aceea se selectează sau creează lucrarea (job-ul) în care vom efectua măsurătorile. Caracteristicile job-ului cum ar fi stabilirea proiecției și a unităților de măsură se efectuează ulterior iar următorul pas este reprezentat de stabilirea conexiunii bluetooth dintre controller și receptorul GPS.

Setările roverului GPS constau în stabilirea mai multor factori. În submeniul RTK stabilim tipul rețelei folosite (NTRIP) și stația permanentă (CLUJ). Urmează setările APN care constau în stabilirea setărilor pentru pachetele de date obținute de la providerul GSM. Ulterior se configurează setările NTRIP unde trebuie introduse user name-ul și parola obținute prin crearea unui cont online gratuit pe site-ul celor de la ROMPOS.

c. Următoarea etapă este cea a măsurării propriu-zise. Intrăm în meniul store points (înregistrare puncte). În acesta se setează înălțimea jalonului și se introduce numărul și codul punctului. Tot în acest meniu se selectează numărul citirilor pe care îl dorim (2 citiri) și se pot vizualiza coordonatele și erorile în timp real. Pentru a putea demara măsurătoarea este necesara obținerea corecțiilor fixe. Celelalte tipuri de niveluri de corecții sunt Autonom, DGPS, Float.

Tabel 1. Precizia diferitelor niveluri de corecții

După ce se fixează corecțiile putem demara procesul de măsurare a punctelor. Fiecare teren are numărul său caracteristic astfel, punctele ridicate de pe un anumit teren au codul corespunzător numărului acestuia, fapt care facilitează întelegerea în vederea prelucrării.

d. Ultima fază realizată în teren constă în exportarea fisierului „carnetului de teren” în format „ascii”. Acesta poate ulterior sa fie descărcat în computer și deschis ca un fisier de tip text în care putem vizualiza numărul punctului, codul acestuia și coordonatele(x, y, z).

3.4 Descrierea instrumentelor si softurilor utilizate

Aparatul cu care am efectuat măsurarea celor 11 terenuri este un aparat GPS numit Stonex S8 Plus (fig. 19)

Fig. 19. Aparat GPS Stonex S8 Plus

Stonex este o companie multinațională care produce echipamente topografice de mare precizie cu aplicații în inginerie civilă, topografie, securitate, transport și minerit.

Compania de proveniență italiană produce diferite echipament printre care stații totale, receptoare GPS și scanere laser. Aceasta a urmat o creștere considerabilă în ultimii 10 ani în ceea ce privește dezvoltarea și este astăzi una dintre cele mai importante companii care produce echipamente topografice pe care le comercializeză în peste 80 de țări.

Stonex S8 Plus reprezintă un instrument GNSS complet care permite utilizatorilor să efectueze măsurători topografice complexe fie că este vorba de ridicări, lucrări cadastrale, calcule de volume sau trasări.

Receptorul GPS este capabil să urmărească toate tipuri de sisteme de poziționare:GPS, GLONASS, GALILEO, BEIDOU. Acesta dispune de un modem radio UHF de înaltă calitate care permite transmiterea și recepția facilă de date și de un modem GSM 3G cu ajutorul căruia primește corecțiile. Receptorul are capabilitatea să fie folosit pe post de baza GPS și să transmită astfel date la mai multe rovere. În ceea ce privește viabilitatea, este de amintit faptul că este foarte rezistent la șocuri, la apă, și la praf.

Comunicarea receptorului cu controllerul se realizează cu ajutorul tehnologie Bluetooth de clasa a 2-a care are o rază de funcționare de până la 50 de metri.

Controller-ul face parte din seria S4 și oferă instalat softul Carlson SurvCe în limba română cu proiecția Stereo70 pentru lucru RTK implementată prin programut Transdat.

În ceea ce privește specificațiile tehnice controller-ul este echipat cu sistem de operare Windows Mobile, un procesor de 806 mhz, o memorie RAM de 256 de mb și memorie de stocare de 4 gb care însă poate fi mărită cu ajutorul unui card microSD. Display-ul este unul tactil cu diagonala de 3,7 inch iar tastatura este de tip alfanumeric.

Comunicarea este asigurată de tehnologiile bluetooth, wi-fi și USB pentru transmiterea datelor către computer. Greutatea este de aproximativ 500 de grame cu bateria montată. Unul dintre cele mai importante aspecte este legat de rezistența sa. Este făcut să reziste la șocuri repetate și la căderi de la distanțe mari chiar și pe suprafețe dure precum betonul.

Controlleru-ul poate fi utilizat în aproape orice condiții meteorologice funcționând fără probleme chiar și la temperaturi cuprinse între -30 și +60 de grade C.

Bateriile celor 2 componente din care aparatul este compus, folosesc pentru alimentara baterii Lithium-Ion performante (2500 mah, 7,2V) de dimensiuni și greutăți mici însă care oferă autonomii de lungă durată (peste 6 ore).

Preciziile oferite sunt: Orizontal Static: 5mm+/- 0.5ppm(RMS)

Vertical Static: 10mm+/- 0.5ppm(RMS)

RTK Fixat Orizontal: 10mm+/-1ppm(RMS)

RTK Fixat Vertical: 20mm+/-1ppm(RMS)

În concluzie, GPS Stonex S8 Plus este echipamentul cu randamentul cel mai bun calitate preț, fiind unul dintre cei mai buni din clasa lui. Având implementat programul Transdat si funcționând cu sistemul național ROMPOS se pot determina foarte ușor puncte în aproape toată țara (unde este acoperire GSM). Softul SurvCE face Stonex S8 Plus un instrument foarte ușor de învățat.

Softurile folosite pentru prelucrarea datelor culese din teren(obținerea planului topografic) sunt AutoCad, TopoLt.

AutoCAD, dezvoltat și comercializat de compania Autodesk este un program CAD (Computer-aided design) utilizat în proiectarea în dimensiunile 2D și 3D. Acesta este cel mai cunoscut și răspândit program de acest tip fiind folosit într-o diversitate de aplicații precum mecanică, topografie, arhitectură, electronică.

AutoCAD a fost proiectat să funcționeze pe diferite siteme de operare. În prezent el rulează pe platforme precum Windows și Mac OS dar și pe sisteme mobile precum IOS și Android.

Softul a fost lansat în anul 1982 și a ajuns în prezent la versiunea cu numărul 31. Lansarea lui a reprezentat o revoluție în ceea ce privește proiectarea deoarece înlocuiește metodele de desen tradiționale. Evoluția programului se află în strânsă legatură cu evoluția tehnologiilor computerelor, AutoCAD dezvoltându-se de la versiune la versiune, oferind mai multe posibilități utilizatorilor însă prin acest lucru și cerințele hardware cresc.

TopoLt este o extensie a AutoCAD-ului. Acesta conține unelte pentru aplicații 2D și 3D, utile pentru realizarea de planuri topografice sau cadastrale, a modelelor 3D, a curbelor de nivel și a calculării volumelor.

Firma care deține și comercializează softul este 3D Space, o companie cu o vastă experiență în domeniul lucrărilor geodezice și proiectare software.

Singurul sistem de operare pe care acest soft rulează este Windows. El poate funcționa și pe alte platforme de tip CAD precum IntelliCAD sau ZWCAD.

Etapele urmate în munca de procesare a datelor în vederea realizării planului topografic:

a .Primul pas a fost descărcarea datelor din controllerul GPS în computer. Acest lucru a fost posibil prin conectarea cablului și astfel realizarea conexiunii dintre cele două. Descărcarea se realizează cu ajutorul aplicației Windows Mobile însă computerul poate recunoaște controller-ul și ca o memorie externă nemaifiind necesară această aplicație. Sunt descărcate o serie de mai multe fișiere însă cel mai important este cel în format „text” care conține coordonatele punctelor ridicate, numărul lor, codul, precum și o serie de alte informații precum data, ora și erorile.

b. Pasul următor constă în raportarea punctelor în AutoCAD. Acest lucru se realizează cu ajutorul comenzii „Raportează puncte” din meniul „Coordonate” al extensiei TopoLt. Aici selectăm fișierul „text” cu caracteristicile punctelor și selectăm scara la care raportăm punctele.

c. Al treilea pas este cel în care prin comanda „Polyline” unim punctele pentru realizarea limitelor terenurilor. Ulterior, se efectuează partea de personalizare a planului.

d. Ultima fază o reprezintă finalizarea procesului de creare a planului topografic și anume introducerea caroiajului a nordului geografic și a altor elemente de conținut precum notarea sistemelor de proiecție și cote.

În cadrul măsurătorii celor 11 terenuri am ridicat un număr de 218 puncte. Coordonatele acestora precum și suprafețele terenurilor vor fi prezentate în tabelele următoare.

3.5 Planul topografic rezultat

4. LUCRAREA DE TELEDETECȚIEI ȘI REZULTATELE COMPARĂRII

4.1 Tehnicile folosite

În prima fază am utilizat programul Google Earth Pro care prin comanda „Ruler” permite măsurarea unor suprafețe prin vectorizarea unor zone de pe imaginile satelitare. Astfel prin adăugarea de vertexi se realizează o formă geometrică la sol care să corespundă cu limitele terenului.

Ulterior am utilizat un ortofotoplan georeferențiat în sistemul Stereo70 realizat în anul 2010. În primul rând, am tăiat zona de interes cu ajutorul softului Global Mapper dupa care imaginea rezultată am inserat-o în programul Erdas Image iar cu ajutorul meniului „Utility” și a submeniului „Measurement Tool” am realizat aceeași procedură ca și cea anterioară.

Prin comapararea rezultatelor obținute se observă diferențe de suprafață și perimetru relativ mici lucru care demonstrează că în prezent nu mai este necesară în mod obligatoriu o ieșire în teren pentru cunoașterea unor astfel de caracteristici. Desigur pentru măsurătorile de detaliu care necesită precizii foarte bune nu pot fi aplicate metodele de mai sus însă pentru studii de fezabilitate sau recunoaștere a terenului sunt foarte folositoare.

Rezultatele comparărilor sunt prezentate în tabelele de mai jos, primul legat de suprafață și al doilea de perimetru:

Tabel 2: Comparări suprafață

Tabel 3: Comparări perimetru

Pentru o mai bună înțelegere a fenomenului de evoluție a imaginilor satelitare am suprapus în Google Earth poligoanele obținute prin vectorizarea limitelor terenurilor, pe o imagine din 2003 disponibilă prin comanda „historical imagery”. Rezultatul obținut demonstrează ca în urmă cu 10-15 ani tehnologiile nu erau la fel de avansate ca și în prezent. În primul rând poziționarea este una inexactă și în al doilea rând rezoluția imaginii este una mult mai slabă.