Teledetectia

INTRODUCERE

Noțiuni generale

Teledetecția este domeniul tehnic care se ocupă cu detectarea, masurarea, înregistrarea și vizualizarea sub formă de imagini , a radiațiilor electromagnetice, emise de obiecte și fenomene de pe Pământ sau din Univers, de la distanță , fără a avea contact direct cu acestea. Partea finală a definiției este menită să precizeze cel mai bine sensul acestu domeniu tehnic.

Teledetecția nu este o stiință, ci un ansamblu de aplicații ale fizicii și ingineriei, destinate obținerii de imagini. Finalitatea acestui domeniu al tehnicii este imaginea de teledetecție, obținută prin diverse mijloace. Teledetecția oferă, la nivelul aplicațiilor fiecărei ramuri (geomorfologie, hidrologie, biogeografie, geografie umană etc.), o sursă de informații de mare valoare. Caracterul obiectiv al imaginilor de teledetecție, depășește cu mult ceea ce oferă harta sau planul în cercetărea mediului.

Definiția sa oficială este: „mulțimea cunostințelor și tehnicilor utilizate pentru determinarea caracteristicilor fizice si biologice ale obiectelor prin măsurători efectuate de la distanță, fără contact material cu acestea” (COMITAS – Commision ministérielle de la terminologie de la télédétection aerospatiale – 1988). Tehnic se utilizează ca sisteme de achiziție a acestor informații camere fotografice, înregistratoare multibandă-multispectrale, lasere, receptoare de frecvență radio, sisteme radar și altele, instalate la bordul avioanelor, baloanelor, rachetelor sondice și, nu în ultimul rȃnd, al sateliților.

Cele mai simple aplicații de teledetecție sunt legate de pildă, de sesizarea vizuală a unui obiect, prin localizarea lui în spațiu, natura și caractersiticile lui fizic. De exemplu, suntem capabili de a vedea un arbore deoarce ochiul omenesc primește si traduce în mod convenabil o energie luminoasă. Aces semnal nu este cauzat de arbore, ci de o sursă de energie exterioară ce îl luminează. De aceea nu suntem capabili de a percepe același arbore în plină obscuritate. Acest exemplu simplu ne ajuta să înțelegem cele trei elemente principale al orcărui sistem de teledetecție: senzor (ochiul omenesc), obiectul observat (arborele) și fluxul energetic ce permite relaționarea primelor două elemente.

2.2. Scurt istoric

Începuturile teledetecției sunt strȃns legate de apariția și dezvoltările fotografiei. Primele fotografii, făcute în sensul descris mai sus, sunt menționate în anul 1839 și sunt atribuite lui Daguerre și Niepce. În anul următor, Arago, director al Observatorului Astronomic din Paris, susține folosirea fotografiei în scopuri topografice. În anul 1849, colonelul Aimé Laussedat, ofițer în Corpul Francez de ingineri, se angajează într-un program extins pentru utilizarea fotografiei în cartarea topografică.

Din anul 1858 sunt utilizate baloanele pentru obținerea de fotografii pe domenii mari, astfel Felix Tournachon realizează prima fotografie aeriană a Parisului (figura 1), iar mai târziu, între 1880 și 1900, sunt folosiți ulii și porumbei pentru transportul unor camere fotografice la sute de metri altitudine. În anul 1906, George R. Lawrence realizează o imagine fotografică oblică a orasului San Francisco după un cutremur și un incendiu de proporții (figura 2). Imaginea a fost obținută folosind o camera proiectată special și ridicată în aer cu ajutorul unui număr de zmee legate intre ele și ținând camera într-o stare de echilibru în diferite condiții de vânt. El a numit sistemul astfel dezvoltat „Captive Airship”.

În timpul celui de al II-lea război mondial, cercetările au fost concentrate asupra proprietăților de reflectanță spectrală a terenului natural si a disponibilității emulsiei fotografice pentru fotografia aeriană color în infraroșu. În 1956, Colwell a realizat unele din primele experimente în utilizarea fotografiei aeriene pentru clasificarea și recunoasterea tipurilor de vegetație precum și detecția avariilor și bolilor vegetației.

În decursul istoriei științei și tehnicii, secolul XX a însemnat o explozie în domeniul fizicii prin boomul neclear respectiv boomul astronomic în domeniul tehnicii. Astfel, la 4 octombrie 1957 Uniunea Sovietică lansa primul satelit artificial „SPUTNIK 1”, în greutate de 83 kg, pe o orbită circumterestră, având o durată de viață scurtă, el căzând la 4 ianuarie 1958. Al doilea satelit sovietic, plasat pe orbită la 3 noiembrie a aceluiași an, cântărea 508 kg, avea la bord un câine de experiență si a durat până la 14 aprilie 1958. Apogeul său era la 1780 km.

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

În timpul misiunii Apollo–9, a fost obținută prima imagine multispectrală destinată cercetării resurselor Pământului, și astfel se pun bazele unui vast program început în anul 1972, prin lansarea primului satelit pentru cercetarea și inventarierea resurselor Pământului. Programul denumit la început ERTS (Earth Resources Technology Satellite) a continuat sub denumirea LANDSAT (LANDSAT 1 – 23/06/1972), fiind cel mai vast program în domeniul teledetecției satelitare cu caracter comercial spre deosebire de cel militar.

1.3. Radiația electromagnetică

Fluxul energetic dintre suprafața terestră și senzor reprezintă o formă de radiație electromagnetică. Energia se transferă de la un loc la altul prin trei procedee: convecție, conducție și radiație. O sa ne oprim asupra ultimului procedeu, deoarce acesta constituie baza sistemului de teledetecție.

Radiațiile electromagnetice reprezintă o formă de manifestare a materiei, concretizată în emisii energetice, care pot fi detectate, măsurate și chiar înregistrate, folosind diferite instrumente, în anumite condiții.

În natură, radiațiile se diferențiază în funcție de caracteristicile lor energetice, de lungimea lor de unda, frecventa și modul de propagare. Lungimea de undă (λ) este elementul cel mai important pentru teledetecție, aceasta fiind rezultatul raportului dintre viteza de propagare (c sau viteza luminii în vid) și frecvență (ν): λ= c/ ν

Din cele amintite mai sus deducem că se poate defini orice tip de energie radiantă în funcție de lungimea ei de undă sau frecvența. Deși succensiunea de valori de lungime de undă este continuă, de obicei se stabilește o serie de benzi în care radiația electromagnetică manifestă un comportament similar. Organizarea acestor benzi de lungime de undă sau frecvența poartă numele de spectru electromagnetic. Cuprinde de la lungimile de undă cele mai scurte (raze gamma, raze X), pana la lungimi de undă kilometrice (telecomunicații).

Din punct de vedere al teledetecției, importanta este acea serie de benzi spectrale care este cea mai frecvent folosită în tecnologia actuală. Denumirea și amplitudinea lor variază în funcție de diferiți autori, dar cea mai frecventă terminologie este următoarea:

Spectrul vizibil cuprins între 400 și 700 nm. În această zonă a spectrului se formează imaginile pe care le percepe omul. Este deosebit de important pentru teledetecție (obținerea fotografiilor aeriene color normale sau a imaginilor multispectrale în culori naturale). Zona spectrului vizibil este divizată în trei interval: albastru: 400-500 nm, verde 500-600 nm, roșu 600-700 nm.

Infraroșu apropiat cuprins între 700 și 1300 nm. Este deosebit de important pentru capacitatea sa de a determina masele vegetale și concentrația de umiditate.

Infraroșu mediu cuprins între 1300 și 8000 nm. Este zonă a spectrului unde se întrepătrund procesul de reflexie a luminii solare și emisia suprafeței terestre. Este ideal pentru estimarea conținutul de umiditate din vegetație și detectarea unor focare de temperatură înaltă.

Infraroșu îndepărtat sau termal cuprins între 8000 și 14 000 nm. Include porțiunea radiantă spectrului terestru, unde se detectează căldura provenită de la suprafața terestră.

Microundele cu peste 0,1 cm, sunt folosite pentru aplicațiile radar de teledetecție activă și se propagă în bune condiții prin diverse medii. Imaginile rezultate au aplicații largi în modelarea digital a reliefului.

Surse de radiații în teledetecție sunt diversificate și au un rol diferit în obținerea de imagini de teledetecție:

Soarele – este cea mai importanta sursă, mai ales pentru teledetecția pasivă, cu senzor optic (ex. fotografierea aeriană). Soarele emite radiație luminoasă și calorică, datorită reacțiilor de fuziune nucleară, prin care hidrogenul devine heliu.

Pământul emite radiațiile Gamma la nivelul nucleului radioactiv, care nu au aplicații în teledetecție. Obiectele de pe suprafața terestră, diferitele medii ca apa oceanelor, vegetația, culturile agricole sau construcțiile care se află pe suprafața terestră intră în contact cu radiația solara și emit diferite radiații.

Radiațiile emise artificial, sunt: microundele, emise cu ajutorul radarului; lumina polarizată sau laserul, undele sonore (pentru ecosondă).

Propagarea radiațiilor în atmosferă: atmosfera este un mediu gazos eterogen, un amestec de gaze care conține și particule solide. Atmosfera terestră nu este traversată la fel de către toate radiațiile electromagnetice. O mare parte din radiații își pierd proprietățile inițiale, suferind diferite transformări, legate de refracție, reflexie, difuzie sau absorbție. În teledetecție, radiația electromagnetică străbate atmosfera de două ori, ca radiație incidentă, de la Soare către obiect și în calitate de radiație reflectată, de la obiect către senzorul de teledetecție de pe avion sau satelit.

Pentru a defini comportamentul atmosferic al radiațiilor, se folosesc două noțiuni:

rata de transmisie atmosferică care reprezintă procentul în care radiația cu o anumită lungime de undă penetrează atmosfera terestră pe toată înălțimea acesteia (fig.1.6)

fereastra atmosferică (engl. atmospheric window) care constituie un interval de lungime de undă caracteristic radiațiilor din spectrul electromagnetic, care poate trece prin atmosferă în anumite condiții. Aceasta se poate defini ca intervalul de lungimi de undă, în limitele căruia rata de transmitere atmosferică este aproape de 100%. Aceste noțiuni sunt reprezentate grafic în figura 1.6.

Aplicațiile teledetecției utilizează astfel ferestrele atmosferice, deoarece radiația electromagnetică tranzitează de două ori atmosferă și trebuie să ajungă cât mai puțin alterată la senzori, mai ales în cazul celor satelitari plasați pe orbite ce depășesc limita atmosferei, la 400 km la Ikonos, 700-900 km la Landsat (din diferite generații) și chiar 36000 km la sateliți meteorologici geostaționari.

1.4. Interacțiunea energiei electromagnetice cu suprafețele naturale

Pentru a identifica și studia suprafața pământului cu ajutorul radiație care reflectă sau emit, trebuie să înțelegem comportamentul diferențial al suprafeței pămȃntului de-a lungul diferitelor game ale spectrului electromagnetic, sau, altfel spus, răspunsul spectral al suprafeței. Aceste informații ne vor permite să dezvoltăm curbele de răspuns spectrale sau de semnături spectrale pentru fiecare tip de acoperire ( plante, minerale, zone urbane , etc.) și să le utilizăm ca și referință pentru identificare și analizele ulterioare .

O curbă de răspuns sau semnătură spectrală este un grafic care reprezintă răspunsul spectral ( reflexia) de la unul sau mai multe obiecte sau suprafețe de- a lungul unui interval definit de lungimi de undă. Răspunsul spectral depinde, în termeni generali, de următorii factori: unghiul de iluminare solară, relieful, influența atmosferică, unghiul de observație, variațiile spațio-temporale.

Interpretare și analiza curbei de răspuns ne va ajuta să înțeleagă diferitele benzi spectrale ale imagine pentru prelucrare și aplicarea în studii de caz concrete.

Caracteristicile spectrale ale zonelor acvatice

O parte din radiația care atinge suprafața apei este reflectată înapoi spre atmosferă; deși această radiație poartă puține informații despre apa în sine, ne dă idee despre rugozitatea suprafeței, în special despre vânt și valuri. Proprietățile spectrului domeniului acvatic sunt determinate în mare măsură de energia dispersată și reflectată în apă, deoarece o parte a acestei radiații este redirecționat din nou spre suprafață, și în cele din urmă prin atmosfera ajunge la senzorul . Restul de energie care penetrează apa este afectată de fenomenele de absorbție și de dispersie, în cazul de apă limpede, sau prin reflecție și dispersie, în cazul particulelor de apă care transportă sedimente ( apă tulbure ).

Apă limpede: particulele a căror diametru este foarte mic în comparație cu lungimea de undă ale radiațiilor produc dispersia Rayleigh, care afectează radiația cu lungimi de unde scurte. Rezultatele studiilor experimentale arata că transmiterea maximă a luminii prin apă curată apare pentru lungimi de undă între 0,44 și 0,54 mm, cu un maxim la 0,48 mm ( Figura 1.8 ), astfel încât este de așteptat ca apa adâncă să prezinte o culoare între albastru și albastru-verzui.

Apă tulbure: se înțelege ca cea care conduce într-o măsură mai mare sau mai mică, particule în suspensie. Acestea sunt particule de obicei mici de lut și nămol care au fost erodat din zone expuse la curenții fluviali sau antrenate de soluri cu structură slabă. Uneori , cursurile rapide situate pe terenurile în pantă pot trage particule încărcate și să le depună in lacuri mai mari sau la gurile de râu .

Caracteristicile spectrale ale solului

Solul este un amestec complex de materiale cu diferite proprietăți fizice și chimice. Totalitatea energiei electromagnetice care ajunge la acesta este absorbită sau reflectată. Diferențele dintre curbele de reflexie de diferite tipuri de sol sunt determinate în mare parte de următorii factori:

Textură

Umiditate

Rugozitatea suprafeței

Compoziția chimică

Materia organic

Textura joacă un rol important în comportamentul spectral al solurilor datorate atât influenței sale asupra capacității de retenție a apei cȃt și dimensiunii particulelor. Solurile argiloase sunt constituite din elemente solide foarte mici și unite între ele, astfel încât apa formează o peliculă subțire în jurul fiecărei particule care împiedică în mare măsură drenajul și evaporarea.

Solurile nisipoase, formate din particule mai mari, permite atȃt infiltrarea apei in interior precum și aerarea, facilitând astfel evaporarea. De aceea, reflectivitatea acesteia este aproape independentă de curba de absorbție a apei, cu condiția ca umiditatea solului să fie scăzută.

Comportamentul spectral al vegetației

Numeroase studii de teledetecție au ca obiect detectarea din timp a comportamentului vegetației afectată de boli, temperaturile ridicate sau alți factori de mediu, dar și estimarea biomasei și densității vegetației în zonele agricole sau de pădure. Pentru aceste aplicații este de dorit să existe benzi în roșu și infraroșu, astfel încât să se poată caracteriza panta reflectanței acestor acoperiri si evoluția în timp.

Vegetația are o semnătură spectrală unică ce îi permite să fie distinsă cu ușurință de celelalte clase de acoperire a terenului în imaginile optice, în spectrul infraroșu apropiat. Reflectanța este slabă atât în zona albastru cât și în roșu ca urmare a absorbției radiațiilor de către clorofilă pentru procesul de fotosinteză. Aceasta are un vârf în regiunea verde care generează culoarea vegetației. In zona infraroșu apropiat reflectanța este mult mai mare decât în benzile din vizibil datorită structurii celulare a frunzelor. Prin urmare, vegetația poate fi identificată prin reflectanța ridicată pe care o are în infraroșu apropiat și scăzută în banda roșu.

Figura 1.11 prezintă un exemplu de utilizare combinată a benzilor TM3 ( roșu) și TM4 ( infraroșu ) Landsat pentru a evidenția prezența și vigoarea de vegetație.

În cele din urmă, este important să reținem că, în aplicații în care se urmărește diferențierea speciilor agricole este convenabil să se utilizeze informațiile referitoare la semnătura spectrală a fiecărui dintre ele în diferite momente ale sezonului, în scopul de a cunoaște evoluția acestora de-a lungul timpului, astfel încât să se permită evaluarea variațiile sezoniere în creșterea și vigoarea plantelor. Pentru a aplica această tehnică de analiză multitemporal este necesare să se dispună de mai multe imagini ale zonei de studiu , obținute la diferite moment al ciclului de viață al culturilor unde se pot identifica diferențe semnăturilor spectrale în două sau mai multe moment ale campaniei și se obține astfel calendarul de plantare, colectarea de urgență , etc. , ale diferitelor specii de cultură.

1.5. Principiile teledetecției

Imaginile de teledetecție se obțin prin diferite mijloace. Acestea se constituie în principii, în tehnici speciale ce utilizează radiațiile electromagnetice, prin captarea, măsurarea și înregistrarea lor, în scopul producerii de imagini.

Aplicațiile de teledetecție sau principiile acesteia se pot clasifica după:

Proveniența radiațiilor electromagnetice:

Principii pasive

Principii active

Modalitatea obținerii imaginilor:

Principii convenționale sau fotografice (aerofotografierea)

Principii neconvenționale sau nefotografice

Principiile teledetecției pasive

Presupun înregistrarea de imagini de la distanță ale obiectelor și fenomenelor de pe suprafața terestră, utilizând exclusiv radiațiile electromagnetice emise de acestea. Aceste principii presupun exclusiv înregistrarea radiațiilor emise de către obiecte și fenomene, ca de pildă înregistrarea radiației solare reflectate de către corpuri (teledetecția cu senzor optic) sau a radiațiilor calorice din zona infraroșului termal (teledetecția prin scanare termică).

Principiile teledetecției pasive, care stau practic la baza modalităților de achiziționare a imaginilor satelitare, sunt următoarele:

principiul televiziunii satelitare, folosește ca senzori camerele de televiziune de construcție specială care captează și înregistrează de la distanță, radiațiile luminoase emise de către corpuri, în mod selectiv, în mai multe intervale ale spectrului radiațiilor;

principiul scanării sau, după un termen mai vechi, principiul baleierii, folosește ca și captor un scanner, iar scanarea se poate realiza într-o singură bandă, în mai multe benzi (multispectrală), în infraroșu (termică), în ultraviolet etc.;

principiul radiometriei se bazează pe măsurarea radiațiilor electromagnetice emise de detalii folosind sisteme de senzori speciali denumite radiometre și compararea acestora cu lungimile de undă standard ale unor radiații generate artificial.

Principiile teledetecției active

Teledetecția activă utilizează 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 cu pasivă.

Principiile cele mai cunoscute sunt legate de folosirea microundelor (radar), luminii polarizate sau laserului (lidarul), respectiv undelor sonore (sonarul).

principiul radarului se aplică de peste cinci decenii în domeniul navigației aeriene si 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.

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 folosește în locul microundelor lumina polarizată numită și laser. Radiațiile luminoase cu un fascicul foarte îngust și un mare potențial energetic, pot fi generate de către unele cristale sau substanțe gazoase supuse influenței unor câmpuri magnetice sau electrice. 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 instrumental.

principiul sonarului: sonarul 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.

1.6. Avantajele teledetecției

Teledetecția spațială (satelitară), ca tehnică de vârf în investigarea Terrei, are multiple avantaje față de tehnicile devenite clasice (ca de exemplu, aerofotogrammetria). Avantajele, încontinuu amplificate prin crearea de instrumente tot mai performante, conferă teledetecției spațiale câmpuri largi de aplicație. Ele vor fi redate în continuare în mod succint:

Avantajul principal al teledetecției îl constituie posibilitatea studierii, în mod static sau dinamic, a unor fenomene de mare amploare, lucru practic imposibil de realizat prin alte tehnici sau mijloace.

Teledetecția satelitară permite preluarea de înregistrări pe suprafețe mari, pornind de la suprafețe de 11 x 11 km putȃnd ajunge pȃnă la imagini care acoperă o suprafață de 2700 x 2700 km

În teledetecția spațială, culegerea, prelucrarea interpretarea și valorificarea datelor necesită lucrări directe minime pe suprafețele de teren supuse înregistrărilor și aceasta numai în zonele de test;

Sateliții constituie mijlocul ideal pentru a explora regiuni cu acces dificil pentru om (munți, deșerturi, păduri tropicale, calote glaciare etc.);

Caracterul repetitiv al imaginilor de satelit permite studiul fenomenelor variabile în timp (erupții vulcanice, seisme inundații, alunecări de teren, starea vegetației naturale și de cultură etc.);

Caracterul multispectral al datelor este de natură să aducă informații mai numeroase decât fotografiile aeriene, care se limitează la domeniul vizibilului și al infraroșului apropiat.

Costurile implicate de tehnica și tehnologia teledetecției sunt relativ reduse. Un studiu clasic al Terrei întregi costă aproximativ de două ori mai mult decât lansarea unui satelit. În plus, sateliții rămân operaționali de-a lungul mai multor ani.