UNIVERSITATEA DE TIINE AGRONOMICE I MEDICIN VETERINAR FACULTATEA DE MBUNTIRI FUNCIARE I INGINERIA MEDIULUI

Tehnologie RADAR

curs

CUPRINS

I. Scurt istoric al platformelor de teledetecie operaionale ............................................. 3

1. Fotogrammetrie i teledetecie ........................................................................................ 3

2. Teledetecia n domeniile vizibil i infrarou................................................................... 7

3. Teledetecia n domeniul microundelor ........................................................................... 9

II. Senzori de preluare radar ...............................................................................................13

1. Caracteristici ....................................................................................................................13

2. Deformaiile imaginilor SAR ............................................................................................17

III. Misiuni satelitare cu senzori SAR ..................................................................................21

1. ERS ...................................................................................................................................21

2. ENVISAT ...........................................................................................................................25

3. TERRASAR-X ...................................................................................................................31

4. SENTINEL-1 ......................................................................................................................36

IV. Interferometria ................................................................................................................39

1. Principiul interferometriei ...............................................................................................39

2. Criterii de alegere a imaginilor InSAR ............................................................................44

3. Factorii care influeneaz calitatea fazei interferometrice ............................................46

4. Etape de generare a modelului digital al terenului ........................................................47

V. Polarimetria .....................................................................................................................51

1. Principiul polarimetriei ....................................................................................................51

2. Tipuri de polarizri ...........................................................................................................52

3

I. Scurt istoric al platformelor de teledetecie operaionale

1. Fotogrammetrie i teledetecie

"nainte de era spaial (datat convenional n anul 1957), omenirea nu reuise

niciodat s observe o emisfer ntreag ntr-o singur imagine. Mai mult dect att,

nu avusese niciodat o vedere sinoptic a planetei pe care tria. Acest fapt a fost

schimbat o dat cu lansarea pe orbit a primei nave spaiale, iar omenirea a putut

vedea planeta noastr aa cum nu se mai ntmplase niciodat pn atunci. n

decursul a mai mult de cinci decenii de zbor spaial, planeta Pmnt a fost

redescoperit prin culegerea sistematic i analiza unui volum imens de informaii".

Anterior lansrii platformelor satelitare, teledetecia purta denumirea de

fotogrammetrie aerian, iar preluarea imaginilor se realiza numai cu camere

fotografice. La civa ani de la inventarea fotografiei (Daguerre, 1839), fotograful

francez Gaspard Flix Tournachon (alias Nadar) a preluat prima fotogram aerian

(23 octombrie 1858) dintr-un balon aflat deasupra Parisului, la o altitudine de

aproximativ 80 m. Acest moment este considerat nceputul fotogrammetriei aeriene.

"Cuvntul fotogrammetrie se datoreaz arhitectului german Meydenbauer care a

asamblat cuvintele greceti photos (lumin), gramma (un lucru scris sau

desenat) i metron (msur), pentru a desemna un nou mijloc de reprezentare

tridimensional a naturii". n anul 1859, pentru pregtirea Btliei de la Solferino

(nordul Italiei), Napoleon al III-lea i-a ordonat lui Nadar s obin imagini ale acestei

zone n scopuri de recunoatere. Ulterior acestui moment, fotogramele aeriene

preluate de la bordul baloanelor au fost utilizate de ctre generalul George McClellan

pentru studiul poziiei taberelor inamice n timpul Rzboiului Civil din SUA (1861-

1865).

4

La nceputul secolului 20, aeroplanul a reprezentat o platform de preluare util att

n aplicaiile civile (pentru observare), ct i n cele militare (pentru recunoatere).

Fotogrammetria aerian a fost utilizat la scar larg n scopuri de recunoatere n

timpul celor dou rzboaie mondiale.

n perioada care a urmat celor dou rzboaie mondiale i nainte de anii '60,

fotogrammetria aerian a cunoscut o dezvoltare impresionant. Apariia filmelor

fotografice sensibile la anumite lungimi de und ale radiaiei electromagnetice au

permis interpretarea i clasificarea unor anumite caracteristici ale elementelor din

spaiul obiect (filmul color infrarou a fost utilizat pentru diferenierea diverselor

specii de vegetaie), iar cu ajutorul camerelor dotate cu filme de mare sensibilitate,

combinate cu obiectivi cu unghi de mare i foarte mare deschidere, posibilitile de

observare a suprafeei Pmntului au crescut considerabil.

Momentul de nceput al teledeteciei este considerat lansarea satelitului Sputnik de

ctre fosta Uniune Sovietic, la data de 4 octombrie 1957, de la baza Baikonur.

Sputnik-1 (Figura 1) efectua msurtori care permiteau o prim evaluare a densitii

straturilor superioare ale atmosferei. Sputnik-1 a reintrat n atmosfer la data de 4

ianuarie 1958. n perioada urmtoare, lansarea diverselor platforme satelitare a

produs noi i interesante descoperiri. Statele Unite ale Americii lanseaz prima

platform satelitar, Explorer-1, la 31 ianuarie 1958. Satelitul achiziiona informaii

referitoare la mediul i condiiile din spaiul cosmic. La 1 octombrie 1958 este creat

NASA (National Aeronautics and Space Administration), la iniiativa Congresului

SUA.

n august 1960, SUA ncep testarea sistemului KeyHole (nume de cod CORONA).

n total, au existat 105 misiuni Corona fiabile, operate de Forele Aeriene ale SUA,

cu implicarea CIA (Central Intelligence Agency). Rezoluia spaial a primului

5

satelit din serie, KH-1, era de aproximativ 2 m, mbuntindu-se n mod constant

de la o lansare la alta.

Figura 1: Sputnik, primul satelit artificial al Pmntului

La momentul respectiv, nivelul dezvoltrii tehnologiei permitea preluarea imaginilor

numai pe suport analogic (film fotografic), iar recuperarea informaiei reprezenta un

proces dificil i laborios. SUA a folosit filmul fotografic pn n 1963, n timp ce

Uniunea Sovietic a preluat ultima imagine satelitar pe suport analogic n anul

2000. n prezent, att SUA (n februarie 1995, prin decretul preedintelui Bill

Clinton), ct i Rusia au desecretizat aceste imagini.

n perioada anilor '60, datele furnizate de sateliii de teledetecie erau folosite, n

principal, la studiul fenomenelor meteorologice. Primul satelit meteorologic (TIROS

6

1 - Television and InfraRed Observation Satellite) a fost lansat de NASA n anul

1960. Acest satelit a furnizat zilnic imagini cu formaiunile de nori, reprezentnd

piatra de temelie pentru prognoza meteorologic. Ulterior, misiunea acestui satelit a

fost continuat de seria sateliilor destinai studiului mediului nconjurtor, lansat

de NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration).

Cu toate acestea, scopul principal al programelor spaiale ale SUA i Rusia era

constituit de explorarea spaiului cosmic i nu a Terrei. Planificarea unei abordri

deliberate i sistematice n ceea ce privete observarea Pmntului (de exemplu,

cercetarea suprafeei Pmntului) nu a fost realizat pn la mijlocul anilor '60.

Motivaia noului interes manifestat pentru studiul Terrei prin intermediul sateliilor

artificiali a pornit de la examinarea a aproximativ 1100 de fotografii preluate n

timpul misiunilor Mercury i Gemini, cnd s-a constat c acestea conin o cantitate

imens de informaii care pot fi analizate sistematic.

Misiunea Apollo a permis omenirii s cltoreasc n spaiu i s vad pentru prima

oar n istorie ntregul glob pmntesc (Figura 2). Informaiile culese n aceast

misiune despre planeta noastr au coincis cu cele constatate pn n acel moment

doar de la nivelul solului. O dat cu lansarea Misiunii Apollo a fost iniiat i

dezvoltarea sateliilor de comunicaii.

7

Figura 2: Pmntul vzut de pe Lun: Misiunea Apollo 11, 1969

2. Teledetecia n domeniile vizibil i infrarou

O etap deosebit de important n dezvoltarea teledeteciei a fost reprezentat de

realizarea primului sistem satelitar prevzut cu senzori de baleiaj pentru preluarea

imaginilor n format digital, destinat att aplicaiilor civile, ct i militare, fiind

lansat de ctre SUA n anul 1972. Iniial, numele acestui sistem satelitar a fost ERTS-

1 (Earth Resources Technology Satellites), apoi a primit denumirea Landsat 1.

Platforma Landsat 1 este primul satelit dedicat aplicaiilor cartografice i

monitorizrii resurselor naturale, fiind echipat cu senzor MSS (Multi-Spectral

Scanner) de baleiaj, cu oglinda de rotaie. Aceast nou tehnologie a contribuit la

8

apariia unor dezvoltri substaniale n prelucrarea imaginilor digitale. Cu toate

acestea, rezoluia spaial de 79 m x 57 m a acestui senzor era destinat aplicaiilor

cartografice pentru scri medii si mici. Senzorul TM (Thematic Mapper) care a

echipat platformele Landsat ncepnd cu anul 1982 avea o rezoluie spaial de 30m,

aceast rezoluie fiind mbuntit de senzorii ETM (Enhanced Thematic Mapper)

instalai la bordul ultimelor platforme Landsat, care aveau o rezoluie spaial de 15

m. Ulterior, seria platformelor Landsat a fost nlocuit de ctre constructor cu alte

programe spaiale.

Primul satelit francez SPOT (Satellite Probatoire pour l'Observation de la Terre) a

fost lansat n anul 1986. Avantajele sistemului (preluare stereoscopic i pas de

eantionare la sol de 10 m n domeniul pancromatic i 20 m n domeniul multi-

spectral) ofereau posibilitatea generrii i actualizrii hrilor topografice pn la

scara 1:50.000, ns gradul de detaliu al informaiei era inferior celui oferit de

coninutul hrilor tradiionale. n anul 1993, Germania lanseaz senzorul MOMS

(Modular Optoelectronic Multispectral Stereo Scanner), cu o rezoluie spaial de 5

m pancromatic, 15 m pentru prelurile stereoscopice i 15 m pentru domeniul multi-

spectral. Sistemul MOMS a fost instalat i pe platforma ruseasc MIR, n timpul

unei misiuni care a avut loc ntre 1996 i 1999. De aceast dat, altitudinea de zbor

era mai mare, fapt care a condus la diminuarea rezoluiei spaiale a imaginilor

preluate: 6 m pentru domeniul pancromatic, 18 m pentru imaginile preluate

stereoscopic i 18 m pentru domeniul multi-spectral. n anul 1995 India lanseaz

satelitul IRS-1C (Indian Remote Sensing Satellite), cu rezoluia spaial de 5,7 m.

Platforma Terra a fost lansat n anul 1999 de SUA, senzorul ASTER prelund

imagini cu o rezoluie spaial de 15 m n domeniul vizibil i infrarou apropiat.

Urmtorul pas important n evoluia sistemelor de teledetecie a fost reprezentat de

seria platformelor comerciale de foarte mare rezoluie spaial, care a debutat cu

9

lansarea satelitului IKONOS 2 de ctre SUA, n anul 1999. Platforma a fost

prevzut cu un senzor liniar de foarte mare rezoluie spaial, de 0,8 m n domeniul

pancromatic i 3,2 m n domeniul multi-spectral. A urmat lansarea platformei

satelitare QuickBird (2001), care a fost proiectat s aib dimensiunea pixelului la

sol de 0,8 m (similar cu IKONOS), ns nainte de lansare SUA au ridicat restriciile

privitoare la acest parametru i noua dimensiune a pixelului la sol a devenit 0,62 m

(prin reducerea altitudinii de zbor de la 680 km la 450 km).

Seria sateliilor de foarte mare rezoluie este completat de: EROS-A1 (lansat n

2000 de ctre Israel, dotat cu un senzor cu rezoluia spaial de 1,8 m pancromatic),

OrbView-3 (lansat de SUA n anul 2003, rezoluie 1 m pancromatic i 4 m multi-

spectral), FORMOSAT-2 (Taiwan, 2004, 2 m n domeniul pancromatic i 8 m n

domeniul multi-spectral), Cartosat-1 (India, 2005, rezoluie 2,5 m n domeniul

pancromatic, echipat cu doi senzori pancromatici proiectai pentru preluarea

simultan a imaginilor stereoscopice), KOMPSAT-2 (Coreea de Sud, 2006,

rezoluie 1 m n domeniul pancromatic i 4 m n domeniul multi-spectral), ALOS

PRISM (Japonia, 2006, rezoluie 2,5 m pancromatic, preluare stereoscopic

simultan a imaginilor), WorldView-1 (SUA, 2007, rezoluie spaial 2 m multi-

spectral, 0,50 m pancromatic), OrbView-5 (SUA, 2008, cu rezoluia spaial de 0,4

m n domeniul pancromatic i 1,6 m n domeniul multi-spectral, RapidEye

(Germania, 2008, rezoluie spaial 6,5 m n domeniul multi-spectral), GeoEye

(SUA, 2008, rezoluie spaial 1,65 m multi-spectral, 0,41 m pancromatic) i

WorldView-2 (SUA, 2009, rezoluie spaial 2 m multi-spectral, 0,50 m

pancromatic).

3. Teledetecia n domeniul microundelor

10

Sistemele de teledetecie prevzute cu senzori activi au fost dezvoltate n principal

pentru cartografierea zonelor acoperite cu ghea sau zpad i a oceanelor, regiuni

n care acoperirea sistematic cu nori mpiedic nregistrarea de date cu senzori

pasivi sau reflectivi. Utilizarea undelor radio pentru detectarea prezenei obiectelor

metalice situate la o anumit distan a fost realizat pentru prima oar de ctre

Christian Hlsmeyer care a folosit aceast tehnic pentru identificarea navelor n

condiii de cea dens, fr a calcula ns distana pn la aceste obiecte. nainte de

cel de Al Doilea Rzboi Mondial, au fost efectuate cercetri n acest domeniu de

ctre americani, germani, francezi i britanici, ns cel care a propus termenul "radar"

(Radio Detection and Ranging) i a realizat primul aparat a fost englezul Robert

Watson-Watt, n anul 1935. Tehnologia radar a fost inut secret pn n anul 1946.

Dup acest moment, radarul ncepe s fie utilizat i n alte tipuri de aplicaii, cum ar

fi controlul traficului aerian, monitorizarea condiiilor meteorologice i controlul

vitezei vehiculelor.

Primul proiect n care a fost utilizat tehnologia radar este RADAM (Radar of the

Amazon), lansat de Brazilia, n anul 1971 (n banda X). n cadrul acestui proiect,

regiunea Amazonului a fost cartografiat pentru prima oar prin mijloace de

teledetecie, datorit capacitii senzorilor radar de a penetra acoperirea cu nori.

Prima platform satelitar civil echipat cu senzor SAR (Synthetic Aperture Radar)

este SEASAT, lansat de SUA n anul 1978 (band L, 25 m rezoluie spaial). n

ciuda unei misiuni de doar 106 zile, succesul acestui senzor a determinat ESA

(European Space Agency) s decid iniierea unor programe de observare a

Pmntului prin intermediul senzorilor activi de teledetecie. Lansarea platformelor

satelitare echipate cu senzori de tip SAR a continuat cu: SIR-A/B (1981/1984, SUA,

band L, rezoluie spaial 40 m/10-25 m), ALMAZ-1 (fosta Uniune Sovietic,

1991, echipat cu dou senzori SAR n banda S, rezoluie spaial 15-30 m), ERS-1

11

(lansat de ESA n 1991, banda C, rezoluie spaial 30 m), SIR-C/X-SAR (1994,

SUA, benzile X, C, L, rezoluie spaial 15-25 m), JERS (Japonia, 1994, banda L,

rezoluie spaial 18 m), RADARSAT-1 (Canada, 1995, banda C, rezoluie spaial

25 m x 28 m n modul standard de preluare) i ERS-2 (lansat de ESA n 1995, banda

C, rezoluie spaial 30 m).

n februarie 2000, n urma unei cooperri internaionale a fost iniiat misiunea

SRTM, care a avut o durat de 11 zile. Dou sisteme radar cu apertur sintetic

(rezoluie spaial 30 m), unul n banda C (operat de SUA) i unul n banda X (operat

de Germania i Italia), au fost instalate la bordul platformei satelitare. Antenele de

recepie erau separate de un bra cu lungimea de 60 m. Principalul obiectiv al

misiunii a fost reprezentat de realizarea modelului digital al terenului pentru 80%

din suprafaa continental global, pe baza nregistrrilor interferometrice preluate

simultan de sistemele SAR.

ESA a continuat misiunile bazate pe senzori activi de teledetecie cu lansarea

platformei ENVISAT n anul 2002 (band C, rezoluie spaial 30 m). Urmeaz

lansarea sateliilor ALOS (Japonia, 2006, band L, rezoluie spaial 7-44 m, n

funcie de modul de preluare, unghiul de inciden i nivelul de pre-procesare a

datelor) i SAR-Lupe (satelit destinat aplicaiilor militare, Germania, 2006, band

X, rezoluie spaial 1-5 m).

n iunie 2007, Germania a lansat cel mai performat sistem SAR care exist n

prezent: TerraSAR-X. Senzorul de preluare opereaz n band X, are rezoluia

spaial de aproximativ 1 m n modul de preluare High Resolution Spotlight i

furnizeaz imagini de observare a Pmntului att pentru comunitatea tiinific ct

i pentru segmentul comercial. Tot n anul 2007 au fost lansate platformele

RADARSAT-2 (Canada, band C, rezoluie spaial 3 m) i COSMO-SkyMed

(Italia, band X, rezoluie spaial aproximativ 1 m, constelaie de patru satelii, din

12

care, pn n prezent, au fost lansai trei; nregistrrile SAR prezint un potenial

imens pentru aplicaiile de interferometrie datorit intervalului foarte scurt de

revizitare, de cteva ore). Germania a lansat n iunie 2010 TanDEM-X, cel de al

doilea satelit TerraSAR-X. Cei doi satelii funcioneaz n tandem, nregistrrile

preluate n acest mod fiind utilizate pentru generarea unui model digital al terenului,

la scar global.

n anul 2014, ESA a lansat primul satelit al misiunii Sentinel-1 (band C) care face

parte din programul Copernicus, dezvoltat i implementat de ESA n cooperare cu

Comisia European.

Cea mai important realizare a erei spaiale moderne este reprezentat de

capacitatea de a observa Pmntul, mediul su nconjurtor i universul n

toate intervalele de band ale spectrului electromagnetic, deschizndu-se astfel

noi orizonturi n experimentarea i descoperirea aplicaiilor tiinelor

geospaiale. Teledetecia reprezint n prezent sursa principal de date pentru

tiinele geospaiale i disciplinele derivate ale acestora. Pe baza acestor date

sunt elaborate studii care permit deducerea tendinelor (prezente i viitoare) n

dinamica fenomenelor mediului nconjurtor, prin monitorizarea i analiza

schimbrilor semnificative survenite n timp.

13

II. Senzori de preluare radar

1. Caracteristici

Senzorii de preluare activi sunt dotai cu surse proprii de energie. Radarul este un

sistem ce permite determinarea poziiei spaiale i distana pn la un obiect pe baza

undelor electromagnetice reflectate de acesta. Sistemele radar (Radio Detection and

Ranging) sunt operative i pe timpul nopii i au capacitatea de a penetra acoperirea

cu nori i ceaa.

n principal, un sistem radar este alctuit dintr-o unitate de transmisie, o unitate de

recepie, o anten i o component electronic care are rolul de a nregistra i procesa

datele. Unitatea de transmisie emite n mod succesiv impulsuri de radiaie

electromagnetic, la intervale de timp regulate (impulsurile sunt concentrate de

anten ntr-un fascicul), spre spaiul obiect. n urma interaciunii cu spaiul obiect

(radiaia incident este absorbit, transmis, reflectat, dispersat etc.), o parte din

radiaia incident este retro-reflectat i ajunge la senzorul aeropurtat sau satelitar.

Unitatea de recepie nregistreaz radiaia retro-reflectat dup ce aceasta

interacioneaz cu spaiul obiect i radiaia emisa de suprafaa terestr a Pmntului.

La acest nivel, radiaia incident este transformat n semnal electric, care ulterior

este nregistrat, amplificat i prelucrat n scopul formrii imaginii reflectivitii

spaiului obiect. Prin msurarea intervalului de timp scurs ntre emiterea i

recepionarea semnalului poate fi determinat distana dintre elementele din spaiul

obiect i senzorul radar.

Sistemele de teledetecie care acioneaz n domeniul microundelor, n intervalul de

band 1 cm 1 m, sunt caracterizate att prin lungimea de und () n care opereaz,

ct i prin frecvena (). Cu ct este mai mic, cu att se pot concentra fascicule

mai nguste i astfel se pot detecta detalii mai mici.

14

Denumirea anumitor intervale de band (Ka, K, Ku, X, C, S, L, P) utilizate de

sistemele radar a rmas aceeai din timpul celui de al Doilea Rzboi Mondial, cnd

aceast tehnologie a cunoscut o dezvoltare impresionant. Dintre acestea, cel mai

frecvent folosite sunt benzile X, C i L. Intervalele de band utilizate de sistemele

radar sunt prezentate n Figura 3.

Figura 3: Intervalele de band ale spectrului electromagnetic

utilizate de sistemele radar

O nregistrare radar complex reprezint o imagine digital care poate fi privit drept

o matrice bidimensional de elemente imagine denumite pixeli. Fiecare pixel conine

att informaia de amplitudine, ct i informaia de faz a semnalului retro-reflectat

de elementele din spaiul obiect. Coordonatele unui punct din imaginea radar se

exprim n distan (r) i azimut (a), unde distana reprezint coloanele, iar azimutul

liniile matricei.

15

Rezoluia spaial a sistemelor radar este funcie de proprietile specifice ale

semnalului. Rezoluia n distan (rezoluia spaial n plan perpendicular pe direcia

de deplasare a platformei) este dependent de lungimea impulsului semnalului radar

(cu ct aceasta este mai mic, cu att rezoluia n distan va fi mai bun). Prin

urmare, dou elemente din spaiul obiect vor fi observate distinct n distan nclinat

dac sunt situate la mai mult de jumtate din lungimea impulsului semnalului. De

exemplu, elementele 1 i 2 nu vor putea fi identificate distinct n imaginea radar,

spre deosebire de 3 i 4 (Figura 4). Rezoluia n distan nclinat rmne constant,

independent de distana senzor-spaiul obiect.

Rezoluia n azimut (rezoluia spaial n plan paralel cu direcia de deplasare a

platformei) este determinat de dimensiunea unghiular a fasciculului emis de

sistemul radar i de distana nclinat. Pe msur ce distana de la senzor la obiectul

Figura 4: Rezoluia spaial n distan a sistemelor radar

16

vizat crete, rezoluia n azimut scade. n Figura 5, elementele situate n punctele 1

i 2 vor putea fi observate distinct, spre deosebire de cele din punctele 3 i 4 care se

afl la o distan mai mare de senzor.

Dimensiunea fasciculului radar este invers proporional cu lungimea de und a

antenei, ceea ce nseamn c o anten mai lung va produce un fascicul mai ngust,

dar cu o rezoluie mai fin.

O rezoluie superioar se poate obine prin folosirea unui semnal cu o lungime de

und mai mic, ns aceasta se poate realiza cu anumite restricii ce in de proiectarea

din punct de vedere tehnic a antenei. mbuntirea rezoluiei se poate efectua prin

mrirea lungimii de und, ceea ce implic mrirea dimensiunii reale a antenei, o

astfel de construcie fiind dificil de montat pe o platform aerian sau satelitar.

Pentru sistemele radar aeropurtate, dimensiunea unei antene ar trebui s fie de 1-2

m, iar pentru platformele satelitare de 10-15 m.

Pentru depirea acestui impediment, prin deplasarea platformei pe orbit i prin

operaiuni specifice de nregistrare i procesare a semnalelor retro-reflectate, este

simulat efectul unei antene foarte lungi, care mrete rezoluia n azimut. n

concluzie, radarele cu apertur sintetic (SAR) simuleaz efectul unei antene de

dimensiuni foarte mari. Pe msur ce elementul A este vizat de primele fascicule

radar (Figura 6), semnalele retro-reflectate sunt nregistrate n tot intervalul de timp

Figura 5: Rezoluia spaial n azimut a sistemelor radar

17

n care elementul este iluminat de radar. Punctul de pe orbit care corespunde

momentului n care elementul nu mai este iluminat determin lungimea simulat a

antenei (apertura sintetic B).

2. Deformaiile imaginilor SAR

Imaginile preluate de sistemele SAR sunt afectate de deformaii. Aceste efecte

geometrice sunt provocate de modul de preluare a imaginilor i de faptul c radarul

este un instrument de msurare a distanelor. Deformaiile de scar n distan

nclinat apar deoarece radarul msoar distana de la senzor la obiectul vizat pe

direcie lateral i nu distana real msurat n plan orizontal la nivelul suprafeei

terenului. Acest fapt provoac o variaie a scrii n cuprinsul imaginii. n Figura 7,

dei obiectele A1 i B1 au aceeai dimensiune la sol, proieciile lor n distan

nclinat (A2 i B2) sunt diferite. Prin urmare, obiectele aflate n distan nclinat

aproape de punctul de nadir apar comprimate n comparaie cu cele aflate la distan

de acest punct.

Figura 6: Principiul obinerii unei aperturi sintetice (SAR)

18

De asemenea, imaginile SAR sunt afectate de deformaii geometrice provocate de

relief: fenomenul de contracie i fenomenele de inversiune i suprapunere.

Fenomenul de contracie (Fig. 8) se produce n cazul obiectelor care au o nlime

mare, cu pante orientate ctre direcia de preluare a sistemului radar. n acest

exemplu, panta (AB) va avea o dimensiune mai mic i va fi reprezentat incorect

(A'B'). n funcie de unghiul de pant i de unghiul de inciden al fasciculului radar,

amplitudinea fenomenului de contracie variaz, avnd o valoare maxim atunci

cnd fasciculul radar este perpendicular pe pant, astfel nct linia de pant, baza i

vrful acesteia apar suprapuse n acelai punct (C', D') al imaginii.

Figura 7: Deformaiile de scar n distan nclinat ale imaginii SAR

19

Fenomenele de inversiune i suprapunere apar atunci cnd fasciculul radar ntlnete

partea superioar a unui obiect nalt (B) nainte de a atinge baza acestuia (A) Figura

9. Semnalul reflectat de partea superioar a obiectului va fi recepionat naintea celui

reflectat de baz. Rezultatul const n inversarea poziiei celor dou puncte: partea

superioar a obiectului este vizualizat inversat fa de poziia real (nspre radar) i

se suprapune peste baz (B' i A').

Att contracia ct i inversiunea i suprapunerea au ca efect apariia unor zone

umbrite n imagine deoarece fasciculul radar nu poate ilumina suprafaa acestora

(Figura 10). Efectul de umbrire se intensific pe msur ce unghiul de inciden

crete din zona imaginii aflat cel mai aproape de nadir pn la zona situat cel mai

departe de acest punct.

Figura 8: Deformaii ale imaginii SAR provocate de relief

(fenomenul de contracie)

20

Figura 9: Deformaii ale imaginii SAR provocate de relief (fenomenele de inversiune i suprapunere)

Figura 10: Deformaii ale imaginii SAR provocate de relief (fenomenul de umbrire)

Materialele grafice prezentate n Figurile 4 10 sunt adaptate dup cele din cursul

"Tutorial: Fundamentals of Remote Sensing", CCRS.

21

III. Misiuni satelitare cu senzori SAR

1. ERS

Platforma satelitar ERS-1 (European Remote Sensing Satellite) a fost lansat de

Agenia Spaial European (ESA) cu ajutorul unei rachete Ariane, n anul 1991.

ERS-1 reprezint primul satelit de observare a Pmntului lansat de ESA, n

cooperare cu Norvegia i Canada. Platforma ERS-1 a avut diferite misiuni care se

ncadrau n cicluri de 3, 35 sau 336 zile (Misiunea Geodezic). ERS-1 i-a ncheiat

misiunea n martie 2000.

Platforma satelitar ERS-2 a fost lansat n anul 1995 i pstreaz caracteristicile

tehnice ale senzorilor care echipau ERS-1. Elementul de noutate este reprezentat de

senzorul GOME (Global Ozone Monitoring Experiment). Platforma ERS-2 a fost

lansat n acelai plan orbital ca ERS-1, ceea ce a permis realizarea unor misiuni n

tandem (n perioadele 1995-1996 i 1999-2000), nregistrarea aceluiai punct de pe

suprafaa terestr fiind realizat de ctre ERS-2 la un interval de o zi fa de ERS-1.

n timpul acestor misiuni au fost preluate nregistrri care au fost utilizate n aplicaii

de interferometrie, n special pentru generarea modelului digital al terenului.

Succesorul platformei ERS-2 este ENVISAT.

Platformele ERS-1/ERS-2 sunt echipate cu senzori de preluare a imaginilor, dedicai

n special studiilor privind zona continental (identificarea i gestionarea

schimbrilor survenite n categoria de folosin a terenului, monitorizarea proceselor

dinamice din zonele de coast), atmosfera (monitorizarea zonelor poluate),

suprafeele acoperite de ap (identificarea schimbrilor climatice prin monitorizarea

creterii nivelului apei i al temperaturii acesteia la suprafa, studiul curenilor de

aer i al curenilor oceanici) i calota glaciar.

Printre instrumentele aflate la bordul platformelor ERS-1 i ERS-2 se numr:

22

senzor SAR (Synthetic Aperture Radar) - opereaz n banda C, polarizare VV

(transmisie vertical a semnalului, recepie vertical a semnalului), avnd

lungimea de und de 5,66 cm; acest senzor preia imagini cu rezoluia spaial

de 30 m, dimensiunea la sol suprafeei nregistrate fiind de 100 km x 250 km.

Imaginile sunt preluate att n orbit ascendent ct i descendent, ceea ce

implic schimbarea direciei de iluminare (astfel sunt obinute informaii

adiionale despre elementele din spaiul obiect);

radiometru cu microunde MWR (Microwave Radiometer) este un senzor

pasiv care nregistreaz date n dou intervale de band n domeniul

microundelor; acest instrument efectueaz msurtori ale coloanei de vapori

din atmosfer i a coninutului de ap din nori, parametri care sunt utilizai

drept coeficieni de corecie pentru semnalul altimetrului radar;

altimetru radar RA (Radar Altimeter) opereaz n banda Ku i este utilizat

pentru aplicaii n cazul zonelor acoperite cu ghea i al oceanelor;

radiometru cu baleiaj longitudinal ATSR (Along Track Scanning Radiometer)

este un senzor experimental care preia nregistrri n infrarou, n patru benzi

spectrale, pentru realizarea unor msurtori de precizie ale temperaturii la

suprafaa apei; n cazul platformei ERS-2, radiometrul este echipat cu benzi

spectrale adiionale care nregistreaz radiaia din domeniul vizibil, pentru

monitorizarea covorului vegetal. Folosind aceeai imagine, se poate

determina experimental indicele SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index), care

permite evaluarea vegetaiei eliminnd influenele radiometrice negative ale

solului. Indicele permite observarea i monitorizarea covorului vegetal

sezonier, anual i multianual;

23

spectrometru pentru monitorizarea global a stratului de ozon GOME

reprezint un senzor care funcioneaz n intervalele ultraviolet i vizibil,

instalat numai la bordul ERS-2.

De asemenea, platformele ERS sunt echipate cu senzori de poziionare foarte

precis: senzorul PRARE (Precise Range and Range-rate Equipment) - utilizat

pentru determinarea parametrilor orbitei i retroreflectorul LASER (Light

Amplification by Stimulated Emission of Radiation - LRR) folosit pentru

calibrarea altimetrului radar, cu o precizie mai mare de 10 cm.

Parametrii orbitei platformelor ERS sunt prezentai n Tabelul 1. Orbita platformelor

ERS este helio-sincron, cvasi-polar i cvasi-circular. Platformele ERS sunt

caracterizate printr-un grad ridicat de stabilitate a orbitei i o calitate superioar a

datelor preluate. Datorit acestor caracteristici, coerena nregistrrilor SAR

complexe provenite din dou sau mai multe treceri ale satelitului pe aceeai orbit

prezint valori ridicate. Parametrii senzorului SAR (ERS) aflat la bordul acestor

platforme sunt prezentate n Tabelul 2.

Tabelul 1: Parametrii orbitei platformelor ERS-1 i ERS-2

Altitudinea orbitei la ecuator 785 km

Numrul de orbite / zi 14

Rezoluia temporal 35 zile

nclinarea orbitei 98,50

Tabelul 2: Parametrii senzorilor SAR ai platformelor ERS-1 i ERS-2

Frecvena radar 5,3 GHz

Lungimea de und 5,66 cm

Unghiul de inciden 230

24

Polarizare VV

Direcia de iluminare a antenei dreapta

O alt aplicaie de interferometrie (diferenial) realizat cu succes pe baza

nregistrrilor preluate de senzorul SAR al platformelor ERS este reprezentat de

studiul efectelor cutremurelor i al alunecrilor de teren de mare ntindere.

Conform cercetrilor efectuate pn n prezent, modelul digital al terenului obinut

n urma procesrii interferometrice a datelor preluate de ERS-1/ERS-2 prezint o

precizie altimetric situat ntre 5 m i 20 m. Precizia altimetric variaz n

funcie de relief i baza de preluare. Valori ale preciziei altimetrice de aproximativ

3 m au fost nregistrate pentru zonele cu relief de cmpie, n cazul datelor preluate

n timpul misiunilor Tandem (pentru suprafee care i pstrau coerena ntre cele

dou preluri efectuate n condiii atmosferice asemntoare). Caracteristicile

produselor generate pe baza senzorului SAR (ERS-1/ERS-2) sunt prezentate n

Tabelul 3.

Tabelul 3: Caracteristicile produselor senzorului SAR (ERS-1/ERS-2),

n funcie de nivelul de pre-procesare

Produs Rezoluia (m) Acoperire (km)

Nivel RAW - 100 x 110

Nivel SLC - 100 x 110

Nivel FDC 20 x 15,9 100 x 96

Nivel PRI 12,5 x 12,5 100 x 102,5

Nivel LRI 100 x 79,5 100 x 96

Nivel FRI 20 x 15,9 100 x 96

25

2. ENVISAT

Programul ENVISAT a luat fiin n urma elaborrii de ctre ESA a strategiei

globale pentru observarea Terrei, n anul 1988. La finanarea i realizarea satelitului

au participat: Austria, Belgia, Canada, Danemarca, Elveia, Finlanda, Frana,

Germania, Italia, Marea Britanie, Norvegia, Olanda i Suedia. ENVISAT asigur

continuitatea misiunilor ERS lansate de ESA, nregistrrile preluate de acesta fiind

utilizate la monitorizarea continu a evoluiei schimbrilor climatice i a mediului

nconjurtor. Satelitul a fost lansat n anul 2002, cu ajutorul unei rachete Ariane 5.

La bordul platformei satelitare ENVISAT sunt instalai 10 senzori radar i optici

(Figura 11). O parte dintre aceste sisteme au aceleai caracteristici i sunt utilizate

n aceleai scopuri ca senzorii aflai la bordul platformelor ERS. Senzorii platformei

ENVISAT sunt:

Figura 11: Senzorii radar i optici ai platformei ENVISAT

26

sistem radar cu anten sintetic ASAR (Advanced Synthetic Aperture

Radar) - este succesorul sistemelor SAR care au echipat platformele ERS-

1 i ERS-2, ceea ce permite coerena unui program de analiz multi-

temporal pe termen lung. Senzorul ASAR prezint ns anumite

caracteristici mbuntite: acoperirea, intervalul valorilor unghiurilor de

inciden, polarizarea i modurile de operare. Limea zonei nregistrate la

sol poate fi de 100 km sau 400 km. Antenele acestui sistem permit

nregistrarea datelor (care pot fi utilizate n aplicaii de interferometrie) n

regimuri de lucru diferite:

modul de operare IM (Image Mode) - genereaz o imagine care acoper o

suprafa ntre 50 i 100 km (Figura 12), cu o rezoluie spaial de 30 m;

senzorul folosete la emisie i recepie polarizarea vertical (VV) sau

orizontal (HH);

modul de operare WSM (Wide Swath) genereaz o imagine care are

dimensiunea maxim de 400 km n plan perpendicular pe direcia de

deplasare a platformei (Figura 13); rezoluia spaial este de 150 m, iar

polarizarea VV sau HH;

modul de operare AP (Alternating Polarisation) imaginile preluate n

acest mod de operare prezint o acoperire ntre 50 i 100 km (Figura 14),

rezoluie spaial 30 m i polarizare alternativ HH/VV, HH/HV, VV/VH.

27

Figura 12: Modul IM de baleiaj al spaiului obiect al senzorului ASAR ENVISAT

Figura 13: Modul WSM de baleiaj al spaiului obiect al senzorului ASAR ENVISAT

28

Figura 14: Modul AP de baleiaj al spaiului obiect al senzorului ASAR ENVISAT

1

radiometru cu baleiaj longitudinal AATSR (Advanced Along-Track

Scanning Radiometer) - este succesorul senzorilor ATSR (Along Track

Scanning Radiometer) instalai pe platformele ERS-1 i ERS-2. Acest

senzor este utilizat n special pentru monitorizarea suprafeei oceanelor i a

terenurilor umede joase, sub diferite lungimi de und, n domeniile vizibil

i infrarou. Este posibil nregistrarea imaginilor sub dou unghiuri de

inciden diferite, n infrarou mediu i termic, rezultnd msurtori ale

temperaturii suprafeei mrilor i oceanelor cu o precizie de 0,3C. Aceste

determinri precise permit evidenierea schimbrilor foarte mici de

temperatur ale suprafeei mrilor, fiind semnalate astfel modificrile

semnificative ale ratei de transfer de cldur ocean/ atmosfer;

spectrometru de mare rezoluie MERIS (Medium Resolution Imaging

Spectrometer) msoar radiaia emis de Pmnt n 15 benzi spectrale

cuprinse n intervalul de band 0,39 1,04 (vizibil i infrarou

29

apropiat); rezoluia spaial a acestui senzor este de 300 m, iar cea

temporal de 3 zile;

altimetru radar RA-2 (Radar Altimeter);

radiometru cu microunde MWR (Microwave Radiometer);

senzor DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by

Satellite) - este utilizat pentru determinarea poziiei satelitului pe orbit cu

o precizie de cel puin 10 cm;

retroreflector laser LRR (Laser Retro-Reflector) este folosit pentru

determinarea precis a parametrilor orbitei i pentru calibrarea altimetrului

radar;

spectrometru pentru supravegherea stratului de ozon GOMOS (Global

Ozone Monitoring by Occultation of Stars);

interferometru pentru sondajul pasiv al atmosferei MIPAS (Michelson

Interferometer for Passive Atmospheric Sounding);

spectrometru de absorbie cu baleiaj i nregistrare de imagini

SCHIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for

Atmospheric CHartographY) compar radiaia electromagnetic solar

cu cea reflectat de suprafaa terestr, rezultnd astfel informaii referitoare

la atmosfer, ca mediu de transmisie prin care se propag energia.

Similar cu ERS, orbita platformei satelitare ENVISAT este polar i helio-sincron,

avnd o perioad de aproximativ 101 minute. Ora local de pasaj este 10:00 a.m.

Caracteristicile orbitei ENVISAT sunt prezentate n Tabelul 4, iar ale senzorului

ASAR n Tabelul 5.

30

Tabelul 4: Parametrii orbitei platformei ENVISAT

Altitudinea orbitei la ecuator 800 km

Numrul de orbite / zi 14

Rezoluia temporal 35 zile

nclinarea orbitei 98,50

Tabelul 5: Parametrii senzorului ASAR al platformei ENVISAT

Frecvena radar 5,3 GHz

Lungimea de und 5,66 cm

Unghiul de inciden (IS1-IS7) 15,00 45,20

Polarizare HH, VV, HH/VV, HH/HV, VV/VH

Direcia de iluminare a antenei dreapta

unde:

HH = transmisie orizontal a semnalului, recepie orizontal a semnalului

VV = transmisie vertical a semnalului, recepie vertical a semnalului

HV = transmisie orizontal a semnalului, recepie vertical a semnalului

VH = transmisie vertical a semnalului, recepie orizontal a semnalului

Precizia vertical a modelelor digitale ale terenului obinute pe baza imaginilor

ENVISAT ASAR este de aproximativ 10 m (n unele cazuri atingnd chiar i 16

m) i este influenat de geometria de preluare, condiiile atmosferice, coerena i

intervalul de timp scurs ntre momentele de preluare a perechilor interferometrice.

Caracteristicile produselor generate pe baza senzorului ASAR (ENVISAT) sunt

prezentate n Tabelul 6.

31

Tabelul 6: Caracteristicile produselor senzorului ASAR (ENVISAT),

n funcie de nivelul de pre-procesare

Mod de operare Produs Rezoluia (m) Acoperire (km)

IM

Nivel RAW - 100 x 100

Nivel SLC 9 x 6 100 x 100

Nivel PRI, GEC 30 x 30 100 x 100

WSM Nivel SLC 150 x 150 405 x 405

AP

Nivel RAW - 100 x 100

Nivel SLC 30 x 30 100 x 100

Nivel PRI, GEC 30 x 30 100 x 100

3. TERRASAR-X

TerraSAR-X este un proiect realizat de Agenia Spaial German (DLR) n

cooperare cu compania ASTRIUM. DLR este proprietarul i operatorul platformei

satelitare i al segmentului terestru PGS (Payload Ground System) i deine

drepturile de exploatare n scop tiinific al datelor, n timp ce ASTRIUM deine

drepturile exclusive de exploatare comercial a produselor. TerraSAR-X a fost

lansat n iunie 2007. Parametrii orbitei i ai senzorului SAR sunt prezentai n

Tabelul 7, respectiv Tabelul 8.

Tabelul 7: Parametrii orbitei platformei TerraSAR-X

Altitudinea orbitei la ecuator 514 km

Numrul de orbite / zi 15

32

Rezoluia temporal 11 zile

nclinarea orbitei 97,440

Ora de pasaj (orbit ascendent) 18:00 0,25 h (ora local)

Tabelul 8: Parametrii senzorului SAR al platformei TerraSAR-X

Frecvena radar 9,66 GHz

Unghiul de inciden (StripMap / ScanSar) 200 - 450 (maxim 150 - 600)

Unghiul de inciden (Spotlight) 200 - 550 (maxim 150 - 600)

Polarizare HH, VH, HV,VV

Lungimea antenei 4,8 m

Direcia de preluare a antenei dreapta

Platforma TerraSAR-X este echipat cu un radar lateral cu apertur sintetic, care

opereaz n banda X (lungimea de und 3 cm). Antena electronic a radarului poate

fi programat s opereze n diverse moduri, ceea ce conduce la posibilitatea prelurii

datelor pentru aplicaii variate i numeroase.

Modurile de operare ale senzorului SAR de la bordul TerraSAR-X sunt:

modul de operare StripMap (SM) - reprezint modul de preluare clasic

al senzorilor SAR, ntlnit i la alte platforme satelitare, cum ar fi ERS-

1/ERS-2 sau ENVISAT. Zona de nregistrare de la sol este iluminat de

o secven continu de impulsuri, fasciculul emis de anten fiind

orientat la un unghi fix pe direcia elevaiei i a azimutului (Figura 15);

modul de operare Spotlight (HS, SL) permite preluarea a dou tipuri

de nregistrri: SL (Spotlight) i HS (Spotlight de foarte mare rezoluie),

care difer prin rezoluia n azimut i dimensiunea zonei nregistrate

(Figura 16);

33

modul de operare ScanSAR (SC) emite impulsuri radar sub unghiuri

de inciden diferite; benzile de preluare ScanSAR sunt alctuite n mod

exclusiv din fascicule StripMap, pentru obinerea unei acoperiri de 100

km fiind necesare patru fascicule SM; rezoluia n azimut azimutului

este redus (Figura 17).

Figura 15: Modul de operare TerraSAR-X StripMap

34

Figura 16: Modul de operare TerraSAR-X Spotlight

Figura 17: Modul de operare TerraSAR-X ScanSAR

35

Modelul digital al terenului construit pe baza imaginilor TerraSAR-X prezint o

precizie altimetric absolut de aproximativ 5-10 m, n funcie de condiiile de

preluare. Caracteristicile modurilor de operare ale senzorului SAR aflat la bordul

platformei TerraSAR-X sunt prezentate n Tabelul 9.

Tabelul 9: Caracteristicile modurilor de operare

ale senzorului SAR al platformei TerraSAR-X

Parametru Modul SM Modul HS Modul SL Modul SC

Limea zonei nregistrate

30 km pol. simpl

15 km pol. dubl

5 km x

10 km

10 km x

10 km 100 km

Lungimea zonei

nregistrate < 1650 km - - < 1650 km

Unghiul de

inciden

200 - 450

(maxim 150 - 600)

200 - 550

(maxim 150 -

600)

200 - 550

(maxim 150 -

600)

200 - 450

(maxim 150 -

600)

Numrul de fascicule

27 95 (maxim

123) 249 27

Rezoluia n azimut

3 m

1 m pol.

simpl

2 m pol.

dubl

2 m pol.

simpl

4 m pol.

dubl

16 m

Rezoluia orizontal

1,55 m 3,21 m 1,34 m 3,21 m

1,34 m 3,21 m

1,55 m 3,21 m

Polarizare

HH sau VV

HH/VV, HH/HV,

VV/VH

HH sau VV

HH/VV

HH sau VV

HH/VV -

36

4. SENTINEL-1

Sentinel-1 (Figura 18) este echipat cu un senzor radar cu apertur sintetic (SAR),

care funcioneaz n band C (5,405 GHz), asigurnd astfel continuitatea misiunilor

satelitare ERS 1/2 i ENVISAT, lansate n trecut de ESA. Datele preluate de

Sentinel-1 pot fi utilizate pentru monitorizarea stratului de ghea i a zonelor

costiere, monitorizarea traficului maritim i a deversrilor de petrol, managementul

situaiilor de urgen, cartografierea pdurilor, etc. Sentinel-1A a fost lansat n aprilie

2014, iar Sentinel-1B va fi lansat n aprilie 2016.

Figura 18: Sentinel-1 pe orbit ( 2015 ESA). Sentinel-1 asigur continuitatea

misiunilor radar n band C (ERS 1/2, ENVISAT, RADARSAT 1/2)

37

Cei doi satelii vor opera pe aceeai orbit polar i heliosincron, la o altitudine de

693 km i un interval de 1800, fiind astfel posibil nregistrarea ntregului glob

pmntesc ntr-un interval de 6 zile. Sentinel-1 are capacitatea de a nregistra date n

4 moduri diferite (Tabelul 10, Figura 19), care pot fi distribuite la Nivelul 0 (date

brute), Nivelul 1 Single Look Complex (pentru aplicaii de interferometrie radar) sau

Ground Range Detected (date transformate ntr-un anumit sistem de proiecie) i

Nivelul 2 (date distribuite n mod sistematic pentru aplicaiile de oceanografie).

Datele preluate de Sentinel-1 sunt gratuite, pot fi accesate direct

(https://scihub.esa.int/) i procesate cu ajutorul aplicaiei software open-source

Sentinel-1 Toolbox (https://sentinel.esa.int/web/sentinel/toolboxes/sentinel-1).

Tabelul 10. Modurile de operare ale Sentinel-1

Mod operare Dimensiune

imagine

(km)

Rezoluie spaial

(m)

Tip

polarizare

Polarizare

Interferometric wide-

swath (IW)

250 5 x 20 simpl

dubl

VV sau HH

VV + VH sau

HH + HV

Wave mode (WV) 20 x 20 5 x 5 simpl VV sau HH

Strip map (SM) 80 5 x 5 simpl

dubl

VV sau HH

VV + VH sau

HH + HV

Extra wide-swath

(EW)

400 20 x 40 simpl

dubl

VV sau HH

VV + VH sau

HH + HV

38

Figura 19: Modurile de operare ale Sentinel-1 ( 2015 ESA).

39

IV. Interferometria

1. Principiul interferometriei

Interferometria const n msurarea diferenei de faz a unui semnal radar, prin

prelucrarea a dou sau mai multe imagini SAR complexe preluate simultan sau la un

anumit interval de timp, din poziii aproape identice.

n anii '70 aceast tehnologie folosea numai perechi de imagini preluate simultan de

ctre platforme echipate cu dou sisteme SAR (o anten de transmisie/recepie i o

anten de transmisie/recepie sau numai recepie). Principalul avantaj oferit de aceste

sisteme const n lipsa decorelrii temporale, ceea ce conduce la valori foarte mari

ale coerenei. n plus, baza de preluare este fix i optim pentru generarea modelelor

digitale ale terenului.

La nceputul anilor '80 tehnologia a fost extins, fiind posibil i utilizarea imaginilor

preluate la momente diferite de timp, de ctre un singur senzor SAR instalat la bordul

unei platformele satelitare. n acest caz, exist mai multe dezavantaje: determinarea

cu dificultate a parametrilor orbitei (ceea ce implic erori de determinare a bazei de

preluare) i apariia decorelrii temporale, n funcie de intervalul de timp scurs ntre

cele dou preluri.

Interferometria permite msurarea cu precizie a drumului parcurs de semnalul radar

datorit naturii coerente a acestuia. Aceast tehnologie poate produce dou tipuri de

informaie: informaia referitoare la topografia terenului i informaia referitoare la

deplasarea sau deformarea terenului.

n primul caz, tehnica poart denumirea de interferometrie convenional, sau simplu

interferometrie (InSAR Interferometric Synthetic Aperture Radar), iar produsul

acesteia este modelul digital al terenului.

40

n cel de al doilea caz, produsul final este o hart de deplasare/deformare a terenului,

iar tehnologia se numete interferometrie diferenial (DInSAR - Differential

Interferometric Synthetic Aperture Radar). Unul dintre dezavantajele

interferometriei difereniale este decorelarea temporal i geometric.

O nou aplicaie de interferometrie este cea denumit "interferometrie pe baza

intelor permanente" (PSI - Persistent Scatterers Interferometry), prin care sunt

analizai i utilizai pixelii care prezint o valoare ridicat a coerenei ntr-un interval

mare de timp i pentru diferite unghiuri de preluare. Pentru identificarea acestor

puncte (PS Permanent Scatterers) este necesar analiza unei serii foarte mari de

imagini SAR complexe, preluate asupra zonei de studiu. Un astfel de punct este

caracterizat de o coeren foarte bun, dimensiunea sa fiind mai mic dect rezoluia

imaginii SAR. Pentru aceste puncte, precizia modelului digital al terenului rezultat

este foarte bun, la fel i precizia determinrii deplasrilor sau deformrilor

suprafeei terenului, chiar dac coerena este sczut n jurul acestor puncte.

Sistemele SAR utilizeaz efectul Doppler pentru simularea aperturii sintetice. Un

impuls de energie electromagnetic este emis n mod continuu pe o direcie

perpendicular pe cea de deplasare pe orbit (n distan nclinat). Semnalul trece

prin atmosfer, interacioneaz cu spaiul obiect i este retro-dispersat ctre antena

de recepie a senzorului de preluare.

n principiu, geometria de preluare a nregistrrilor n cazul unei aplicaii de

interferometrie sau interferometrie diferenial este similar cu cea utilizat n cazul

unei aplicaii de radargrammetrie (stereo SAR): asupra obiectului vizat se preiau

imagini din dou puncte diferite de pe orbit, iar poziia acestuia se poate determina

prin rezolvarea unui sistem de ecuaii.

Cele trei ecuaii caracteristice sistemelor SAR sunt: ecuaia de distan, ecuaia

Doppler i ecuaia InSAR. Acestea sunt prezentate n continuare. Pornind de la

41

geometria de preluare a sistemelor InSAR (Figura 20), urmtorii parametrii sunt

definii astfel:

Figura 20: Geometria de preluare a imaginilor n cazul sistemelor InSAR

unde:

A1 = poziia satelitului la momentul prelurii imaginii principale

A2 = poziia satelitului la momentul prelurii imaginii secundare

= distane nclinate

= factor de corecie

= unghiul de declinaie al bazei de preluare

),,( zyx BBBB

),,( zyxR

,

e

),,( zyxS VVVV

42

),,( zyxS RRRR

(1)

unde:

B = vectorul bazei de preluare

SV = vectorul de vitez al satelitului la momentul prelurii imaginii

principale/secundare

R = vectorul distan ntre poziia platformei satelitare pe orbit i poziia punctului

vizat

SR = vectorul de poziie al satelitului la momentul prelurii imaginii

principale/secundare

TR = vectorul de poziie al punctului vizat, n sistem geocentric cartezian

x, y, z = coordonatele punctului vizat, n sistem geocentric cartezian

Pentru ecuaiile de mai sus, se presupune c aceti parametri sunt ntr-un sistem de

coordonate geocentric (neinerial), neexistnd prin urmare o component

suplimentar a vitezei relative ntre platforma satelitar i obiectul vizat. De

asemenea, se presupune c poziia satelitului este dat de poziia centrului de faz al

antenei SAR.

Determinarea vectorului distan ntre poziia platformei satelitare pe orbit i

poziia obiectului vizat este efectuat pe baza interferogramei, folosind un sistem de

trei ecuaii: ecuaia de distan, ecuaia Doppler i ecuaia InSAR (se consider c

ST RRR

43

baza de preluare este cunoscut, fiind calculat din vectorii de poziie ai platformei

satelitare):

ecuaia de distan:

(2)

ecuaia Doppler (presupunem c imaginea este preluat la momentul zero

Doppler):

(3)

ecuaia InSAR:

(4)

unde:

(5)

unde:

= unghiul de declinaie al bazei de preluare

= lungimea de und a sistemului SAR

= faza interferometric nedesfurat

n = ambiguitatea fazei (numrul ntreg de lungimi de und)

Valoarea factorului de corecie e variaz considerabil de-a lungul unei imagini i

se poate estima pe baza urmtoarei formule:

222

2

2)( zyxR

zVyVxVRV zyxS

zByBxBRB zyx

BB

en

B

24cos

44

(6)

Numrul ntreg de lungimi de und n (ambiguitatea fazei) poate fi determinat

folosind un punct de sprijin cu o precizie relativ sczut. n concluzie, determinarea

poziiei absolute (n plan orizontal i vertical) a punctului vizat este posibil prin

aplicarea i rezolvarea celor trei ecuaii (2), (3) i (4). De regul, exist dou soluii

pentru acest sistem de ecuaii, ns valoarea corect este evident.

2. Criterii de alegere a imaginilor InSAR

Criteriile de alegere a imaginilor SAR interferometrice depind de aplicaia specific

n care vor fi utilizate (generarea modelului digital al terenului sau crearea harilor

de deplasare/deformare a terenului):

unghiul i direcia de preluare (orbit ascendent sau descendent);

baza de preluare geometric componenta perpendicular a bazei de preluare

influeneaz calitatea modelului digital al terenului generat pe baza imaginilor

InSAR. Dei interferogramele generate pe baza unor imagini care au o baz

de preluare perpendicular mic (valori mai mici de 30 m) sunt uor de

prelucrat n etapa de desfurare a fazei, acestea nu se pot utiliza datorit

faptului c sunt puternic afectate de zgomot i de efectele atmosferei. De

asemenea, dac baza de preluare are o valoare prea mic, atunci sensibilitatea

semnalului la diferenele de altitudine va fi minim. n cazul interferogramelor

create din imagini care au o baz de preluare perpendicular de valori mari,

este aproape imposibil desfurarea fazei fr utilizarea unui model digital

al terenului, mai ales dac topografia terenului prezint diferene mari de

nivel]. Pentru aceste interferograme, zgomotul fazei va afecta considerabil

)(2

22

Be

45

semnalul radar. n funcie de baza perpendicular de preluare, se poate calcula

altitudinea de ambiguitate, care este o msur a sensibilitii semnalului radar

la diferenele de nivel din teren.

baza de preluare temporal un interval mare de timp conduce la decorelarea

temporal a semnalului, fiind provocat de variaii ale umiditii sau ale

vegetaiei. Intervalul de timp trebuie s fie minim. Decorelarea poate aprea

ntr-un interval de cteva luni n cazul terenurilor aride i cteva ore n

regiunile cu ploi abundente sau acoperite de pduri. n zonele cu vegetaie

rar, acest interval poate avea valori de cteva zile sau cteva luni. Zonele

ngheate sau acoperite de zpad pot prezenta coeren n timpul unor

intervale foarte scurte de timp. Cu ct lungimea de und a senzorului SAR

este mai mic, cu att decorelarea temporal este mai rapid. Pentru aplicaiile

InSAR, sunt recomandate imaginile preluate n timpul misiunilor tandem

(ERS-1/ERS-2 Tandem, ERS-2/ENVISAT i viitoarea misiune TanDEM-X)

deoarece decorelarea temporal este redus sau inexistent

momentul prelurii imaginile preluate pe timp de noapte sunt mai puin

afectate de efectele atmosferice. De asemenea, este recomandat evitarea

imaginilor SAR nregistrate n zilele cu temperaturi foarte ridicate deoarece

aerul cald poate reine mult mai muli vapori de ap dect cel rece, conducnd

astfel la apariia artefactelor atmosferice. n plus, o importan deosebit este

prezentat de anotimpul n care sunt preluate imaginile InSAR: perechile de

imagini preluate n sezonul uscat asupra zonelor acoperite de vegetaie

prezint o coeren mai mare dect cele preluate n timpul sezonului ploios;

coerena - pentru generarea modelului digital al terenului, imaginile SAR

complexe trebuie preluate la un interval de timp ct mai scurt pentru a

minimiza orice fel de modificri care pot aprea n spaiul obiect. Modificrile

46

pot fi sezoniere, ns coerena este n principal afectat de schimbri rapide,

care afecteaz procesul de calcul al fazei interferometrice i de desfurare a

acesteia;

condiiile meteorologice influeneaz n mod direct coerena. Astfel, este

recomandat evitarea nregistrrilor efectuate n condiii de ploaie, ninsoare

sau vnt puternic. Aceste informaii pot fi extrase din arhivele disponibile pe

Internet;

tipul de relief i acoperirea terenului de exemplu, zonele acoperite de

vegetaie sau ap nu sunt coerente sau prezint o coeren foarte sczut, chiar

i n intervale de timp foarte scurte.

3. Factorii care influeneaz calitatea fazei interferometrice

Alegerea imaginilor InSAR reprezint o etap extrem de important pentru

prelucrarea interferometric ulterioar, avnd un impact puternic asupra calitii

rezultatelor finale. Atunci cnd cele dou imagini SAR complexe nu sunt preluate

simultan, faza interferometric total este generat de:

zgomotatmosferadeformaretopografieelipsoidtotal (7)

unde:

elipsoid = componenta fazei interferometrice provocat de curbura Pmntului

topografie = componenta fazei interferometrice provocat de topografia terenului

deformare = componenta fazei interferometrice provocat de deplasarea/deformarea

terenului

atmosfera = componenta fazei interferometrice provocat de atmosfer

47

zgomot = componenta fazei interferometrice provocat de zgomot

Componenta fazei interferometrice provocat de curbura Pmntului poate fi

eliminat prin utilizarea unui elipsoid de referin. Atunci cnd este disponibil un

model digital al terenului, cu o precizie ridicat, att componenta fazei

interferometrice provocat de curbura Pmntului, ct i cea determinat de

topografia terenului, pot fi eliminate simultan. Pe baza acestui model este generat

interferograma sintetic, care ulterior este sczut din interferograma filtrat.

Componenta fazei interferometrice determinat de deplasarea/ deformarea terenului

este zero atunci cnd imaginile InSAR sunt preluate la un interval scurt de timp.

Condiiile atmosferice diferite (umiditate, temperatur i presiune atmosferic) ntre

cele dou preluri au un impact vizibil asupra fazei interferometrice. n general, acest

efect este limitat ntr-un interval de 2. Efectul atmosferic influeneaz att

determinarea altitudinii (n special n cazul bazelor de preluare scurte) ct i a

deformaiilor terenului. Efectele provocate de atmosfer trebuie eliminate din

interferogram pentru a nu conduce la interpretri eronate ale rezultatelor obinute

pe baza acesteia. Metodele de eliminare a acestor efecte constau n utilizarea mai

multor perechi de nregistrri interferometrice sau a tehnologiei PSI. Zgomotul fazei

interferometrice este eliminat prin aplicarea unor filtre adaptive i prin compresia

interferogramei.

4. Etape de generare a modelului digital al terenului

Imaginile SAR complexe utilizate pentru generarea interferometric a modelului

digital al terenului se aleg n funcie de criteriile enumerate n paragraful IV.2. Un

parametru deosebit de important este reprezentat de baza de preluare a celor dou

48

imagini InSAR. nainte de realizarea primei etape de prelucrare, pot fi integrate

efemeridele corectate ale satelitului (efemeride precise) care mresc precizia de

registraie a imaginilor i de determinare a bazei perpendiculare de preluare.

Registraia geometric a imaginilor InSAR se realizeaz n dou etape. Mai nti este

efectuat registraia aproximativ a imaginilor, pe baza parametrilor orbitei. n cea

de a doua etap, este executat registraia precis la nivel de sub-pixel, prin

identificarea automat a punctelor de legtur n cele dou imagini. n cazul n care

nu sunt disponibile efemeridele precise ale platformei satelitare, atunci trebuie

msurate cteva puncte de sprijin, cu o precizie ridicat.

Prelucrarea imaginilor InSAR continu cu reeantionarea imaginii secundare,

folosind ca referin imaginea principal. Registraia spectral a imaginilor InSAR

este efectuat n azimut (atunci cnd valorile Doppler sunt mari) i n distan

nclinat (n cazul n care baza perpendicular de preluare are o valoare mare).

Urmeaz generarea interferogramei sintetice, folosind un model digital al terenului

i parametrii orbitei. Cu alte cuvinte, n aceast etap, este estimat componenta

fazei interferometrice provocat de topografia terenului. Calculul interferogramei

este urmat de compresia acesteia (n limba englez acest procedeu este numit "multi-

looking"), cu scopul de reducere a zgomotului fazei interferometrice. Prelucrarea

interferometric este continuat cu crearea interferogramei difereniale

(compensarea topografiei terenului). O etap opional este reprezentat de filtrarea

interferogramei, prin aplicarea unui filtru adaptiv. n continuare, este generat harta

de coeren, pe baza creia este analizat calitatea fazei interferometrice. Pasul

urmtor const n desfurarea fazei, proces care reprezint cea mai dificil etap de

prelucrare interferometric i care este subiect de cercetare n comunitatea tiinific

deoarece pn n prezent nu a fost dezvoltat nici un algoritm care s ofere o soluie

unanim acceptat. n concluzie, n unele cazuri, este necesar editarea fazelor care

49

nu au fost corect desfurate. Faza interferometric absolut este obinut prin

adugarea fazei interferogramei sintetice la faza desfurat, pentru fiecare pixel al

interferogramei complexe. Dup aceast etap, este realizat corectarea bazei

perpendiculare de preluare, pe baza punctelor de sprijin msurate n etapa de

registraie. Toate interferogramele generate pn n acest punct sunt recalculate

folosind valoarea corectat a bazei perpendiculare de preluare. n urmtoarea etap,

faza interferometric absolut a fiecrui pixel este transformat n altitudine (ntr-o

distribuie neuniform de puncte de coordonate X, Y i Z). n final, modelul digital

al terenului este interpolat pentru obinerea unei suprafee topografice reprezentat

prin elemente de suprafa finite, de form ptrat.

Registraia imaginilor

Msurarea punctelor de sprijin

50

Generarea interferogramei sintetice

Calculul interferogramei complexe

Calculul interferogramei difereniale

Filtrarea interferogramei difereniale

Analiza coerenei

Desfurarea fazei

Corectarea bazei de preluare

Generarea i interpolarea MDT

Analiza preciziei MDT

Corectarea MDT

Filtrarea MDT

Analiza final a preciziei MDT

51

V. Polarimetria

1. Principiul polarimetriei

Energia electromagnetic conine un cmp electric (E) a crui intensitate variaz pe

direcia perpendicular pe direcia de deplasare a undei electromagnetice i un cmp

magnetic (M) poziionat perpendicular pe cmpul electric (Figura 21). Undele

electromagnetice se propag cu viteza luminii (c).

Polarizarea reprezint o caracteristic foarte important a undelor electro-magnetice

din domeniul microundelor, fiind un indicator al orientrii i formei obiectului vizat.

O und electromagnetic cu polarizare orizontal sau vertical poate genera un

semnal radar retro-dispersat ntr-o varietate de polarizri. Analiza polarizrii acestor

semnale radar transmise i recepionate constituie tiina denumit polarimetrie

radar. Cu alte cuvinte, polarimetria radar este tiina prin care este achiziionat,

procesat i analizat starea de polarizare a unui cmp electromagnetic. Informaia

despre polarizare este coninut de semnalul radar retro-reflectat ctre senzorul de

teledetecie (Figura 22).

Figura 21: Und electromagnetic Figura 22: Polarizarea undei electromagnetice

Semnalul radar retro-reflectat este influenat de: structura, reflectivitatea, forma,

orientarea i proprietile (umiditate, rugozitate) obiectului vizat (Figura 23).

52

Figura 23: Influena caracterisiticilor obiectului vizat asupra semnalului radar retro-reflectat

2. Tipuri de polarizri

n funcie de modul de transmisie i recepie a semnalului radar, exist mai multe

tipuri de polarizri:

HH transmis orizontal, recepionat orizontal

VV transmis vertical, recepionat vertical

HV transmis orizontal, recepionat vertical

VH transmis vertical, recepionat orizontal

Sistemelor radar pot avea urmtoarele tipuri de polarizare:

simpl: HH, VV, HV sau VH

dual: HH i HV, VV i VH sau HH i VV

alternativ: HH i HV, alternativ cu VV i VH

complet: HH, VV, HV i VH

Polarizare direct

Polarizare ncruciat

53

n polarimetria radar, utilizarea mai multor polarizri conduce la obinerea unor

informaii complementare despre spaiul obiect (Figura 24).

Figura 24: Imagini satelitare radar cu polarizri diferite

polarizare HH polarizare VV

polarizare HV compoziie RGB (R-HH, G-VV, B-HV)