|
|
|
principiile teledetectiei active
Continut
Notiunea de teledetectie activa.
Radarul.
Lidarul.
Sonarul.
Obiective
Cunoasterea si intelegerea principiilor active ale teledetectiei.
Cunoasterea specificului imaginilor rezultate si a unor aplicatii ale acestora in cercetarea mediului geografic.
Teledetectia activa utilizeaza radiatiile electromagnetice generate artificial, cu ajutorul diferitelor instrumente, in vederea explorarii si inregistrarii sub forma de imagini a obiectelor si fenomenelor de pe suprafata terestra. Teledetectia cu mijloace active, determina posibilitatea de a obtine imagini exacte ale obiectelor, folosind radiatii ce se pot propaga in conditii diferite de cele utilizate in teledetectia cu pasiva (ex. microundele folosite de sistemul radar). Imaginile au aplicatii variate in analiza mediilor geografice, fiind complementare imaginilor fotografice sau celor obtinute neconventional. Principiile cele mai cunoscute sunt legate de folosirea microundelor (radar), luminii polarizate sau laserului (lidarul), respectiv undelor sonore (sonarul).
1. Radarul
Principiul radarului (de la engl. Radio Detection and Ranging) se aplica de peste cinci decenii in domeniul navigatiei aeriene si maritime sau fluviale. Imaginea radar permite sesizare pe monitoare, in timp util, a obstacolelor existente in campul sau raza de actiune a sistemului. Acesta utilizeaza microundele, mai exact o parte a acestora, cu lungimi de unda mai mari de 0,5 cm, deoarece aceste radiatii, vecine in spectru cu undele radio, au o buna rata de transmisie atmosferica. Mai mult, microundele se pot propaga indiferent de conditiile atmosferice si sunt reflectate diferit de obiecte in fiunctie de expunerea lor la fluxuri de unda si de caracteristicile suprafetei lor.
Radarul de teledetectie are ca aplicatie principala obtinerea de imagini ale terenului si utilizeaza microundele generate artificial, cu ajutorul unor sisteme amplasate la bordul avioanelor, elicopterelor sau satelitilor. Principiul acestuia este exprimat in fig. 13.
Fig. 13. Fluxurile de radiatii (microunde) in cazul unei aplicatii radar.
In figura de mai sus se observa emisia la interval egale (cadentata), de radiatie incidenta, cu parametri cunoscuti, in directia unor obiecte din teren (constructii), respective depolarizarea acestorv fluxuri la contactul cu obiectele ce au forme diferite. Microundele reflectate sunt captate dupa un interval de timp, la bordul avionului, de catre sistemul radar, insa cu proprietati diferite de radiatiile incidente. Receptia acestor radiatii permite, inregistrarea lor, conversia in curenti electrici, proiectarea lor pe tuburi catodice, dar mai ales inregistrarea imaginii, fie la bordul aparatului de zbor, fie la statiile special de la sol, unde sunt procesate imaginile.
Sistemele radar sunt de doua tipuri, in functie de localizarea fluxurilor de radiatii si acoperirea terenului.
In teledetectie, sistemele radar sunt de 2 tipuri, in functie de posibilitatile obtinerii de imagini de emisie verticala. In primul caz, cel al radarului cu emisie verticala, rezulta o imagine ingusta, similara unui profil topografic al terenului. Aplicatia este utila mai ales navigatiei aeriene, in diferite misiuni de fotografiere aeriana, deoarece se impune cunoasterea exacta a plafonului de zbor.
Al doilea sistem este radarul lateral aeropurtat, cu acronimul SLAR (engl. Side Looking Airborne Radar), cea mai utilizata aplicatie de acest tip. Acesta permite emiterea de microunde cu ajutorul unor antene mobile amplasate oblic pe fuselajul avionului, de o parte si de cealalta a acestuia sau lateral si perpendicular fata de directia de zbor. In aceste conditii, rezulta o mult mai buna acoperire a terenului, ce creste in functie de plafonul de zbor (ex. latimea zonei de acoperire in teren atinge 9 km la un plafon de 3000 m, respectiv peste 20 km la un plafon de cca. 7000 m). In figura 14, este prezentat schematic principiul acestei aplicatii.
Fig. 14. Principiul radarului lateral aeropurtat (dupa Short, 2006).
In desenul de mai sus, se observa interactiunea componentelor de mediu cu fluxurile oblice de microunde cu emisie cadentata (ex. peste 2000 de impulsuri pe secunda la unele sisteme). Acestea imprima o reflexie diferita a radiatiilor incidente, datorata pe de o parte rugozitatii suprafetelor, materialelor componente (podul metalic determina un varf de intensitate a semnalului de raspuns) si pe de alta parte un raspuns slab in cazul apei lacului (penetrate de microunde), dar mai ales pentru suprafetele ,,ascunse'' sau ,,umbrite" in raport cu fluxul de radiatii. In acest mod, imaginea radar rezultata este o suma de puncte luminoase si intunecate, o imagine alb-negru sau in scara de gri (engl.grayscale) in care suprafetele expuse spre radiatia incidenta sunt deschise ca ton de culoare, iar cele adapostite apar intunecate, asa cum se observa si in banda ce insoteste figura 14. De asemenea imaginea suprafetelor cu o mare netezime (ex. cele metalice, din sticla, beton etc.) apare in tonuri deschise datorita dispersiei slabe a microundelor, in timp ce suprafetele cu aspect neuniform, rugos apar mai inchise datorita diaspersarii fluxurilor de radiatii incidente. Imaginile se obtin prin baleiere, in timul deplasarii avionului sau satelitului, prin coordonarea fluxurilor incidente si reflectate cu viteza de zbor si momentul inregistrarii punctelor luminoase. Aplicatia permite obtinerea de imagini oblice, cu deformari geometrice, de mare utilitate in reprezentarea suprafetei topografice (figura 15).
AB
Fig. 15. Imagini de teledetectie radar. A. Imagine satelitara SEASAT asupra coastei Californiei. B. Imagine combinata in trei intervale ale spectrului microundelor (in scara de gri) si profile topografice prin modelul digital rezultat, California (dupa USGS si Short, 2006).
Din simpla examinare a imaginii din figura 15A, se observa morfografia sau fizionomia suprafetei topografice, linia tarmului, fragmenntarea versatilor montani defrisati, contactul pe falii si asimetriile impuse de structura geologica etc. Delimitarea treptelor de relief este lesnicioasa, dar si aprecierea prin profile a fragmentarii acestuia (fig. 15B).
Sistemul a devenit tot mai performant in ultimul deceniu, prin obtinerea de imagini cu rezolutii din ce in ce mai mari, rezultatul unei sincronizari perfecte a vitezei de zbor, pozitiei antenei si timpilor de emisie si de raspuns ai semnalului. Aplicatia SAR (eng. Synthetic Aperture Radar) sau radar cu deschidere sintetica, ce utilizeaza efectul Doppler (aplica ecoul in propagarea semnalului de raspuns), are ca scop obtinerea de imagini radar cu rezolutii mari si foarte mari.
Mijloacele actuale computerizate au atins performanta de a permite generarea automata a modelelor numerice sau digitale ale terenului din imagini radar oblice, cu o anumita suprapunere laterala. Procedeul se numeste si interferometrie si este de mare utilitate in analiza dinamicii reliefului dar mai ales in obtinerea elementelor de altimetrie, necesare hartilor topografice. In vara anului 2000, naveta spatiala americana a realizat o aplicatie de teledetectie radar, destinata obtinerii de imagini si in final de modele digitale ale suprafetei topografice a intregului uscat terestru, la rezolutii de 30 m, prelucrate la 90 m. Misiunea SRTM (engl. Shuttle Radar Topographic Mission, fig. 16) a fost un succes, deoarece in prezent, aceste date topografice sunt accesibile diferitelor domenii de cercetare teoretica si aplicata.
AB
Fig. 16. Misiunea SRTM, cu sistemul de antena mobila radar montat pe naveta spatiala (dupa USGS), A. Model digital, in scara de gri, al suprafetei topografice, obtinut prin procesarea datelor din inregistrarile radar din misiunea SRTM (dupa DLR).
Aplicatiile imaginilor radar sunt axate astfel tot mai mult pe cartografierea si modelarea digitala a reliefului si proceselor actuale (ex. alunecari de teren), dar se dovedesc importante si in proiectele de amenajare teritoriala si urbanism.
2. Principiul lidarului
Este un mijloc activ de a obtine imagini, similar pana la un punct radarului, insa mai nou, fiind aparut si perfectionat dupa anii 60. Lidarul (de la engl. Light Detection and Ranging) foloseste in locul microundelor lumina polarizata numita si laser.
Radiatiile luminoase cu un fascicul foarte ingust si un mare potential energetic, pot fi generate de catre unele cristale sau substante gazoase supuse influentei unor campuri magnetice sau electrice. Principiul utilizeaza scanarea sau baleierea unor suprafete situate lateral in raport cu directia de zbor, prin coordonarea perfecta cu viteza de zbor a avionului sau elicopterului ce transporta instrumentul. La contactul cu obiectele din teren, semnalul incident, cu parametri cunoscuti este reflectat, o parte a luminii este absorbita, difuzata, astfel incat intensitatea raspunsului este captata, masurata si inregistrata sub forma unei imaginii alb-negru. Explorarea terenului se realizeaza prin baleiere sau scanare cu fasciculul monocromatic generat la bordul avionului, elicopterului sau satelitului iar coordonarea vitezei de deplasare cu cea de scanare se face cu ajutorul unui sistem special GPS (figura 17 A). Radiatiile luminoase cu alte lungimi de unda, provenite de la diverse surse, sunt eliminate prin filtrare in conditiile receptiei semnalului de raspuns cu antena speciala.
A B
Fig. 17. Principiul lidarului aeropurtat (A) si imagine lidar din Marea Britanie (B).
Imaginea rezultata este in scara de gri (fig. 17B) si are de cel mai multe ori o foarte mare rezolutie spatiala, de ordinul a 1-2 m sau chiar mai mare de 0,5 m. Aceasta implica posibilitatea modelari digitale sau a cartografierii unor obiecte sau fenomene cu o dinamica rapida ca de pilda deplasari in masa, dinamica albiilor in timpul inundatiilor, formatiuni noroase, dinamica valurilor si mareelor in regiunile litorale (cu precizii mai bune de 0,5 m, in functie de altitudinea de zbor). Aplicatiile in topografia de detaliu sunt remarcabila prin precizia si importanta lor (altimetrie si batimetrie pe baza unor modele numerice de teren derivate din imagini).
3. Principiul sonarului
Sonarul (de la engl. Sound navigation and ranging), numit si ecosonda, utilizeaza undele sonore generate in limitele unor parametri cunoscuti de sisteme speciale. Aplicatiile sunt legate aproape exclusiv de mediul marin, de bazinele acvatice, deoarece propagarea sunetului, a ultrasunetelor este optima prin apa si mult mai dificila in atmosfera. Principiul (fig. 18 A) 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, in directia fundului apei marine, unde interactioneaza cu diferite medii cu structuri si rugozitati diferite, expuse diferit in raport cu flux sonor incident. Sistemul exploreaza obiectelo tot prin scanare sau baleiere, in limitele razei de actiune.
Reflectate in parte, aceste radiatii electromagnetice se intorc spre nava unde sunt receptate cu senzori numiti geofoane, similare unor microfoane. Semnalul de raspuns este captat, inregistrat, prelucrat si vizualizat pe tub catodic, unde apare o imagine alb-negru numita si sonograma (fig. 18 B). Aceasta arata destul de fidel, imaginea sedimentelor si a formelor sau structurilor de pe fundul bazinului acvatic si este utila in studiul reliefului si geologiei acestora. Din imagini dublet, asa cum apar in fifura 18, se pot genera chiar si modele digitale ale topografiei subacvatice, aplicatie ce se poate dezvolta si din interpolarea unor profile cu o ecosond portabila. Suprafetele expuse undelor sinore sunt mai deschise ca ton de culoare, comparativ cu cele ascunse fluxului de unde. De asemenea rocile sedimentare moi absorb sau difuzeaza undele, mai ales cand sunt slab consolidate, de aceea apar in ton inchis, comparativ cu roci sau obiecte dure ce apar deschise.
Fig. 18. Principiul sonarului de joasa frecventa (A) si aspectul unei sonograme ce prezinta un sector de self continental (B).
Intrebari de autoevaluare
Ce asemanari si deosebiri exista intre sistemele de teledetectie activa
Ce aplicatii ale lidarului sunt importante pentru studiul reliefului?
Cum poate fi interpretata geografic o imagine radar ?
Tema de control (referat)
Importanta in cercetarea mediului a imaginilor radar si lidar.
O abordare comparativa cu imaginile obtinute prin scanare multispectrala siradiometrie.
