|
|
|
principiile teledetectiei pasive
Continut
Moduri de obtinere a imaginilor de teledetectie.
Notiunea de teledetectie pasiva.
Televiziunea satelitara.
Scanarea multispectrala.
Radiometria.
Scanarea termica.
Obiective
Cunoasterea si intelegerea principiilor pasive ale teledetectiei.
Cunoasterea specificului imaginilor rezultate si a unor aplicatii ale acestora in cercetarea mediului geografic.
Imaginile de teledetectie se obtin prin diferite mijloace. Acestea se constituie in principii, in tehnici speciale ce utilizeaza radiatiile electromagnetice, prin captarea, masurarea si inregistrarea lor, in scopul producerii de imagini. Cel mai vechi principiu este fotografierea aeriana sau aerofotografierea, ce a fost aproape un secol, singura modalitate de obtinere a imaginilor de teledetectie. Din aceasta cauza acesta este definit drept un procedeu conventional in aplicatiile de teledetectie. Dupa 1960, mai ales sunt utilizate si alte procedee, bazate pe senzori diferiti de camera fotografica aeriana, numiti si nefotografici sau neconventionali. Acestia sunt aplicatii complexe ale fizicii si mai ales ale opticii, mecanicii de mare precizie, termodinamicii, electronicii, radiocomunicatiilor etc. Aplicatiile de teledetectie sau principiile acesteia se pot clasifica dupa:
a. Provenienta radiatiilor electromagnetice
Principii pasive
Principii active
b. Modalitatea obtinerii imaginilor
Principii conventionale sau fotografice (aerofotografierea)
Principii neconventionale sau nefotografice
Principiile teledetectiei pasive
Presupun inregistrarea de imagini de la distanta ale obiectelor si fenomenelor de pe suprafata terestra (fig. 7), utilizand exclusiv radiatiile electromagnetice emise de acestea. Aceste principii presupun exclusiv inregistrarea radiatiilor emise de catre obiecte si fenomene, ca de pilda inregistrarea radiatiei solare reflectate de catre corpuri (teledetectia cu senzor optic) sau a radiatiilor calorice din zona infrarosului termal (teledetectia prin scanare termica).
Fig. 7. Aplicatie de teledetectie pasiva a satelitului SPOT, axata pe captarea radiatiilor solare reflectate de diferitele elemente ale mediului geografic.
In practica se folosesc patru principii pasive de obtinere a imaginilor nefotografice.
principiul televiziunii satelitare,
principiul scanarii multispectrale,
principiul radiometriei,
principiul scanarii termice.
1. Principiul televiziunii satelitare
Foloseste ca senzori camerele de televiziune de constructie speciala (engl. vidicon), care capteaza si inregistreaza de la distanta, radiatiile luminoase emise de catre corpuri, in mod selectiv, in mai multe intervale ale spectrului radiatiilor.
Televiziunea se bazeaza pe conversia radiatiilor luminoase in imagini vizualizate pe tuburi catodice si care pot fi transmise prin diferite mijloace la distanta. Camera de televiziune primeste radiatia luminoasa pe care o transforma in curenti electrici, proiectati apoi sub forma de fascicule de electroni pe ecranul unui tub catodic. Imaginea rezulta din combinarea punctelor luminoase si intunecate de pe ecran si, desi este neunitara din punct de vedere tehnic, este perceputa de catre ochiul uman ca unitara, datorita inertiei acestuia.
Imaginea de televiziune satelitara trebuie sa aiba o rezolutie mult mai mare decat cea de televiziune comerciala (fig. 8), deoarece este necesara identificarea cat mai multor detalii din teren. Diferenta de rezolutie intre imaginea comerciala de televiziune si cea de teledetectie prin televiziune este de peste 10 ori. Astfel imaginea TV comerciala cuprinde 500-800 de linii iar cea satelitara are mai mult de 4500 de linii.
Fig. 8. Imagine RBV, in infrarosu apropiat, obtinuta cu ajutorul unei camera de televiziune a sistemului de la bordul unui satelit Landsat, deasupra unui sector de la sud de New York, pe coasta atlantica a SUA.
Teledetectia satelitara prin televiziune utilizeaza sisteme de mai multe camere speciale, mobile in raport cu directia de zbor orbital, care pot inregistra simultan aceeasi imagine in mai multe benzi sau intervale spectrale. Inregistrarea imaginilor prin televiziune se poate realiza in doua moduri: imagine-cadru, cand imaginea in care punctele si liniile ce o compun sunt inregistrate simultan si rezulta o imagine relativ unitara, si prin baleiere, cand inregistrarea imaginii se face punct cu punct si linie cu linie.
Imaginile rezultate prin principiul televiziunii satelitare sunt imagini alb-negru diferite sub raport spectral deoarece ele sunt complementare la nivelul lungimilor de unda. Aplicatia a fost folosita la satelitii meteorologici sovietici si americani, la unele statii spatiale din anii 60 si 70 (experimental) si s-a consacrat la primele trei misiuni din programul Landsat, numite ERTS A, B si C. Acestea au folosit sistemul de camere RBV (Return Beam Vidicon) in trei si mai tarziu in cinci intervale spectrale din vizibil si infrarosu. Sistemul a fost abandonat, la urmatorii sateliti, datorita problemelor tehnice destul de frecvente.
2. Principiul scanarii multispectrale
Este unul dintre cele mai folosite principii pentru ca obtine imagini de buna calitate la nivelul rezolutiei spectrale si spatiale. Principiul, perfectionat in ultimele trei decenii, se bazeaza pe faptul ca in natura orice obiect sau fenomen emite radiatii electromagnetice, in functie de proprietatile fizice si chimice, prin intermediul carora acestea pot fi inregistrate, descrise si analizate.
Aceste aplicatii presupun cunoasterea exacta, din cercetari de laborator a radiatiilor electromagnetice emise de diferite corpuri sau medii in vederea proiectarii, construirii si utilizarii unor senzori speciali, in vederea inregistrarii radiatiilor sub forma de imagine.
Scanarea multispectrala utilizeaza radiatiile luminoase cu diferite lungimi de unda emise de catre corpurile de pe suprafata terestra. Aceste radiatii sunt, de fapt, radiatiile solare reflectate de catre obiecte. Imaginile obtinute prin acest principiu sunt numite multispectrale si sunt reprezentate prin mai multe inregistrari ce corespund cate unui interval spectral. Legate de acestea sunt notiunile de banda spectrala, respectiv scena satelitara.
Banda spectrala reprezinta un interval din spectrul careia ii corespunde o imagine in cazul unei inregistrari multispectrale. Inregistrarea imaginilor se realizeaza intotdeauna pe principiul baleierii, adica punct cu punct si linie cu linie. Fiecarei benzi spectrale ii corespunde o imagine alb-negru, asa cum se observa in fig. 9. Sistemele de scanare pot inregistra astfel mai multe benzi (ex. 4 pentru Landsat MSS, 7 pentru Landsat TM, 5 pentru SPOT 4, 5, Ikonos si QuickBird etc.). In fig. 6 sunt evidentiate cateva aplicatii in raport cu spectrul utilizat, prin segmente de dreapta ce semnifica de fapt cate o banda spectrala (ex. 8 benzi la satelitul japonez JERS cu senzor optic).
Fig. 9. Imagini multispectrale Landsat TM (dupa Short, 2006).
Scena satelitara (imaginea satelitara primara) reprezinta o suprafata limitata de teren cu dimensiuni bine precizate, de forma patrata sau dreptunghiulara in limitele careia se inregistreaza o imagine in mai multe benzi spectrale, prin scanare multispectrala si nu numai. Dimensiunile acesteia sunt bine calculate in functie de acoperire spatiala, rezolutie spatiala, timp de scanare, corelat cu viteza satelitului (peste 11 km/s), altitudinea, viteza de rotatie a Pamantului cat si pozitia Soarelui pe bolta (ex. latura de185 km la Landsat, 60 km la SPOT 4, 10,4 km la Ikonos etc.) . Inregistrarea se realizeaza in timpul parcurgerii orbitelor ce au parametrii cunoscuti (fig. 10), de la altitudini de sute de km (400 km la Ikonos, peste 900 km la primii sateliti Landsat etc.) la ore exacte, la intervale de timp egale (ex. cca. 18 zile la ERTS A).
Fig. 10. Configuratia unor orbite heliosincrone in planul polilor la satelitii Landsat (dupa NASA-GSFC).
Sistemul de scanare multispectrala, prezentat simplificat in figura 11, cuprinde o serie de componente ce au ca scop captarea, detectarea, inregistrarea si transmiterea la statiile de sol a imaginilor prin unde radio, in scopul obtinerii pe computer a imaginilor.
Fig. 11. Sistemul de scanare multispectrala Landsat MSS (dupa Short, 2006).
Radiatiile luminoase reflectate de obiectele de pe Pamant sunt captate cu un sistem de oglinzi speciale, mobile, cu unghi mic de deschidere, prin baleiere sau scanare, mai exact prin explorare punct cu punct si linie cu linie. Directia de scanare poate fi paralela sa u perpendiculara fata de traseul orbitei. Oglinzile oscilante capteaza lumina si o trimit catre filtre, unde este filtrata dupa lungimea de unda si sufera o serie de conversii pentru a fi sesizata de sistemul cu detectori (6 pentru o banda spectrala in fig. 10, la Landsat MSS). Dupa detectarea selectiva, semnalul radio va fi trims la sol unde se obtin in statiile specializate si laboratoare imaginile punct cu punvct si linie cu linie.
Sistemul a atins in prezent performante deosebit de mari, prin aparitia scanerului hiperspectral, ce poate detecta si inregistra simultan un numar foarte mare de lungimi de unda in limitele unui mare numar de benzi spectrale (ex. scannerul AVIRIS in 224 de benzi spectrale).
Aplicatiile imaginilor obtinute astfel sunt deosebit de diversificate si au o mare utilitate sociala (analiza vegetatiei, a culturilor agricole, urbanism, investigarea excesului de umiditate, prospectare geologica etc.).
3. Principiul radiometriei se bazeaza, asemeni scanarii multispectrale pe detectarea simultana si selectiva a radiatiilor electromagnetice emise de corpuri, in diferite zone ale spectrului, de la ultraviolet fotografic la vizibil, infrarosu reflectat si chiar infrarosu termal. Sistemele de senzori sunt insa speciale si se numesc radiometre. Radiometrele sunt sisteme complexe sau instrumente de teledetectie pasiva (fig. 11 a) care masoara radiatiile electromagnetice emise de corpuri sau medii (apa marilor, soluri, vegetatie, roci etc.) prin compararea lungimii de unda specifica acestora cu lungimi de unda standard ale unor radiatii generate artificial. Au fost utilizate la inceput la satelitii meteorologici americani Nimbus.
Radiometria permite obtinerea prin baleiere a unor imagini multispectrale, similare celor rezultate din scanarea multispectrala. Prin radiometrie rezulta simultan imagini in intervale mai inguste din spectrul electromagnetic, fapt deosebit de util in inregistrarea comportamentului spectral al obiectelor. Prin combinarea imaginilor radiometrice rezulta imagini fals-color in care culorile naturale au fost inlocuite cu alte culori numite si culori conventionale (fig. 11 b).
A
B
Fig. 11. A. radiometrele sistemului ASTER de la bordul satelitului Terra, destinate masurarii intervalelor de lungimi de unda din vizibil-infrarosu apropiat (VNIR), infrarosului mijlociu (SWIR) si infrarosului termal (TIR). B. imagine satelitara ASTER a vulcanului Villarica, Chile (falscolor in scara de gri). Sursa NASA-JPL.
Aplicatiile radiometriei satelitare sunt multiple identificarea tipurilor de minerale si roci utile, identificarea tipurilor de vegetatie, a speciilor de plante, identificarea scoartelor de alterare si a solurilor, analiza si cartografierea multitemporala a poluarii apelor, aerului si solului obtinerea de modele numerice altitudinale ale terenului (MNA) utile topografiei si studiului dinamicii reliefului, pe baza proprietatilor stereoscopice. Interpretarea imaginilor radiometrice implica o serie de dificultati legate mai ales de corespondenta culorilor. In acest scop se utilizeaza colectii de valori spectrale care caracterizeaza diferitele elemente de mediu in vederea identificarii acestora. Acestea se mai numescsi biblioteci spectrale (ex. biblioteca de signaturi de minerale a USGS).
4.Principiul scanarii termice.
Utilizeaza lungimile de unda ale infrarosului termal in vederea obtinerii de imagini ale potentialului caloric al obiectelor din teren. Imaginile in infrarosu termal se obtin in cazul oricarui corp cu o temperatura mai mare de 1sK. Corpurile emit radiatii calorice ce devin radiatii luminoase atunci cand ating starea de incandescenta. Ferestrele atmosferice ce permit aceste aplicatii sunt limitate la doua intervale ale infrarosului termal (fig. 6), 3-5μ, respectiv 8-14μ. Intensitatea radiatiei reflectate este dependenta de culoarea si rugozitatea suprafetelor.
Sistemele de teledetectie obtin imagini prin baleiere, similar sistemelor de scanare multispectrala, utilizand insa senzori cu trasaturi diferite. Senzorii de teledetectie sunt sensibili la diferentele de temperatura.
In general, senzorii sunt reprezentati prin cristale compuse din metale rare obtinute in laborator (aliaje de PbS, InSb, CdHgTe, adaptate radiatiilor cu anumite lungimi de unda), plasate intr-un mediu gazos (He), care permite racirea permanenta a acestora pentru a fi aduse la tenmperatura de referinta.
Imaginile de teledetectie prin scanare termica (in unele lucrari, termografiere) sunt alb-negru in care corpurile calde apar in tonuri deschise (fig. 12). Obtinerea de imagini prin scanare termica este posibila inclusiv pe timp de noapte si indiferent de conditiile meteorologice. Imaginile in infrarosu termal difera in functie de momentul zilei cand au fost preluate, deoarece si comportamentul caloric este diferit. Fiecare modificare de ton de culoare la altul semnifica si o anumita diferenta de temperatura, ce se poate calcula prin aplicarea unor formule de calcul in functie de parametrii imaginii.
Fig. 12. Imagine in infrarosu termal (TIR) a unui oras din SUA, preluata cu un scanner termic aeropurtat, pe timp de noapte. Sunt evidentiate emisiile de radiatii calorice din jurul cladirilor dar si contrastul termic dintre reteaua stradala si spatiile verzi. Raul canalizat este un corp cald, datorita deversarii apelor epurate.
Aplicatiile scanarii termice sunt importante in domeniul analizelor de mediu, ca de pilda analiza topoclimatica si microclimatica, analiza specificului utilizarii terenurilor, urbanismul, analiza tipurilor de minerale si roci utile, dar si aplicatii in domeniul militar (monitorizarea prin imagini multitemporale a miscarilor de trupe si tehnica militara).
Intrebari de autoevaluare
Cum functioneaza scannerele multispectrale
Ce aplicatii au radiometrele
Cum poate fi interpretata o imagine obtinuta prin scanarea termica.
Tema de control (referat)
Aplicatii in cercetarea mediului ale imaginilor de teledetectie pasiva.
