57
UNIVERSITATEA DE ŞTIINŢE AGRONOMICE ŞI MEDICINĂ VETERINARĂ FACULTATEA DE ÎMBUNĂTĂŢIRI FUNCIARE ŞI INGINERIA MEDIULUI Tehnologii RADAR şi LIDAR curs
| Date post: | 19-Jan-2016 |
| Category: |
Documents |
| Upload: | radu-cononov |
| View: | 166 times |
| Download: | 4 times |
UNIVERSITATEA DE ŞTIINŢE AGRONOMICE ŞI MEDICINĂ VETERINARĂ
FACULTATEA DE ÎMBUNĂTĂŢIRI FUNCIARE ŞI INGINERIA MEDIULUI
Tehnologii RADAR şi LIDAR
curs
CUPRINS
A. Tehnologii RADAR .................................................................................. 3
I. Scurt istoric al platformelor de teledetecţie operaţionale .............................. 3
1. Fotogrammetrie şi teledetecţie ......................................................................... 3
2. Teledetecţia în domeniile vizibil şi infraroşu .................................................. 7
3. Teledetecţia în domeniul microundelor .........................................................10
II. Senzori de preluare radar ...............................................................................13
1. Caracteristici ....................................................................................................13
2. Deformaţiile imaginilor SAR ..........................................................................17
III. Misiuni satelitare cu senzori SAR ..................................................................21
1. ERS ....................................................................................................................21
2. ENVISAT ..........................................................................................................24
3. TERRASAR-X .................................................................................................31
IV. Interferometria ................................................................................................36
1. Principiul interferometriei ..............................................................................36
2. Criterii de alegere a imaginilor InSAR .........................................................41
3. Factorii care influenţează calitatea fazei interferometrice ..........................43
4. Etape de generare a modelului digital al terenului ......................................45
B. Tehnologii LiDAR ...................................................................................48
I. Principii utilizate în tehnologiile LiDAR .......................................................48
1. Scanarea laser ..................................................................................................48
2. Scurt istoric ......................................................................................................49
3. Metode de determinare a distanţei .................................................................52
3
A. Tehnologii RADAR
I. Scurt istoric al platformelor de teledetecţie operaţionale
1. Fotogrammetrie şi teledetecţie
"Înainte de era spaţială (datată convenţional în anul 1957), omenirea nu reuşise
niciodată să observe o emisferă întreagă într-o singură imagine. Mai mult decât
atât, nu avusese niciodată o vedere sinoptică a planetei pe care trăia. Acest fapt a
fost schimbat o dată cu lansarea pe orbită a primei nave spaţiale, iar omenirea a
putut vedea planeta noastră aşa cum nu se mai întâmplase niciodată până atunci. În
decursul a mai mult de cinci decenii de zbor spaţial, planeta Pământ a fost
redescoperită prin culegerea sistematică şi analiza unui volum imens de
informaţii".
Anterior lansării platformelor satelitare, teledetecţia purta denumirea de
fotogrammetrie aeriană, iar preluarea imaginilor se realiza numai cu camere
fotografice. La câţiva ani de la inventarea fotografiei (Daguerre, 1839), fotograful
francez Gaspard Félix Tournachon (alias Nadar) a preluat prima fotogramă aeriană
(23 octombrie 1858) dintr-un balon aflat deasupra Parisului, la o altitudine de
aproximativ 80 m. Acest moment este considerat începutul fotogrammetriei
aeriene. "Cuvântul «fotogrammetrie» se datorează arhitectului german
Meydenbauer care a asamblat cuvintele greceşti «photos» (lumină), «gramma» (un
lucru scris sau desenat) şi «metron» (măsură), pentru a desemna un nou mijloc de
reprezentare tridimensională a naturii". În anul 1859, pentru pregătirea Bătăliei de
la Solferino (nordul Italiei), Napoleon al III-lea i-a ordonat lui Nadar să obţină
imagini ale acestei zone în scopuri de recunoaştere. Ulterior acestui moment,
fotogramele aeriene preluate de la bordul baloanelor au fost utilizate de către
4
generalul George McClellan pentru studiul poziţiei taberelor inamice în timpul
Războiului Civil din SUA (1861-1865).
La începutul secolului 20, aeroplanul a reprezentat o platformă de preluare utilă
atât în aplicaţiile civile (pentru observare), cât şi în cele militare (pentru
recunoaştere). Fotogrammetria aeriană a fost utilizată la scară largă în scopuri de
recunoaştere în timpul celor două războaie mondiale.
În perioada care a urmat celor două războaie mondiale şi înainte de anii '60,
fotogrammetria aeriană a cunoscut o dezvoltare impresionantă. Apariţia filmelor
fotografice sensibile la anumite lungimi de undă ale radiaţiei electromagnetice au
permis interpretarea şi clasificarea unor anumite caracteristici ale elementelor din
spaţiul obiect (filmul color infraroşu a fost utilizat pentru diferenţierea diverselor
specii de vegetaţie), iar cu ajutorul camerelor dotate cu filme de mare sensibilitate,
combinate cu obiectivi cu unghi de mare şi foarte mare deschidere, posibilităţile de
observare a suprafeţei Pământului au crescut considerabil.
Momentul de început al teledetecţiei este considerat lansarea satelitului Sputnik de
către fosta Uniune Sovietică, la data de 4 octombrie 1957, de la baza Baikonur.
Sputnik-1 (Figura 1) efectua măsurători care permiteau o primă evaluare a
densităţii straturilor superioare ale atmosferei. Sputnik-1 a reintrat în atmosferă la
data de 4 ianuarie 1958. În perioada următoare, lansarea diverselor platforme
satelitare a produs noi şi interesante descoperiri. Statele Unite ale Americii
lansează prima platformă satelitară, Explorer-1, la 31 ianuarie 1958. Satelitul
achiziţiona informaţii referitoare la mediul şi condiţiile din spaţiul cosmic. La 1
octombrie 1958 este creată NASA (National Aeronautics and Space
Administration), la iniţiativa Congresului SUA.
În august 1960, SUA încep testarea sistemului KeyHole (nume de cod CORONA).
În total, au existat 105 misiuni Corona fiabile, operate de Forţele Aeriene ale SUA,
5
cu implicarea CIA (Central Intelligence Agency). Rezoluţia spaţială a primului
satelit din serie, KH-1, era de aproximativ 2 m, îmbunătăţindu-se în mod constant
de la o lansare la alta.
Figura 1: Sputnik, primul satelit artificial al Pământului
La momentul respectiv, nivelul dezvoltării tehnologiei permitea preluarea
imaginilor numai pe suport analogic (film fotografic), iar recuperarea informaţiei
reprezenta un proces dificil şi laborios. SUA a folosit filmul fotografic până în
1963, în timp ce Uniunea Sovietică a preluat ultima imagine satelitară pe suport
analogic în anul 2000. În prezent, atât SUA (în februarie 1995, prin decretul
preşedintelui Bill Clinton), cât şi Rusia au desecretizat aceste imagini.
6
În perioada anilor '60, datele furnizate de sateliţii de teledetecţie erau folosite, în
principal, la studiul fenomenelor meteorologice. Primul satelit meteorologic
(TIROS 1 - Television and InfraRed Observation Satellite) a fost lansat de NASA
în anul 1960. Acest satelit a furnizat zilnic imagini cu formaţiunile de nori,
reprezentând piatra de temelie pentru prognoza meteorologică. Ulterior, misiunea
acestui satelit a fost continuată de seria sateliţilor destinaţi studiului mediului
înconjurător, lansată de NOAA (National Oceanic and Atmospheric
Administration).
Cu toate acestea, scopul principal al programelor spaţiale ale SUA şi Rusia era
constituit de explorarea spaţiului cosmic şi nu a Terrei. Planificarea unei abordări
deliberate şi sistematice în ceea ce priveşte observarea Pământului (de exemplu,
cercetarea suprafeţei Pământului) nu a fost realizată până la mijlocul anilor '60.
Motivaţia noului interes manifestat pentru studiul Terrei prin intermediul sateliţilor
artificiali a pornit de la examinarea a aproximativ 1100 de fotografii preluate în
timpul misiunilor Mercury şi Gemini, când s-a constat că acestea conţin o cantitate
imensă de informaţii care pot fi analizate sistematic.
Misiunea Apollo a permis omenirii să călătorească în spaţiu şi să vadă pentru
prima oară în istorie întregul glob pământesc (Figura 2). Informaţiile culese în
această misiune despre planeta noastră au coincis cu cele constatate până în acel
moment doar de la nivelul solului. O dată cu lansarea Misiunii Apollo a fost
iniţiată şi dezvoltarea sateliţilor de comunicaţii.
7
Figura 2: Pământul văzut de pe Lună: Misiunea Apollo 11, 1969
2. Teledetecţia în domeniile vizibil şi infraroşu
O etapă deosebit de importantă în dezvoltarea teledetecţiei a fost reprezentată de
realizarea primului sistem satelitar prevăzut cu senzori de baleiaj pentru preluarea
imaginilor în format digital, destinat atât aplicaţiilor civile, cât şi militare, fiind
lansat de către SUA în anul 1972. Iniţial, 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 aplicaţiilor cartografice şi
monitorizării resurselor naturale, fiind echipat cu senzor MSS (Multi-Spectral
Scanner) de baleiaj, cu oglinda de rotaţie. Această nouă tehnologie a contribuit la
8
apariţia unor dezvoltări substanţiale în prelucrarea imaginilor digitale. Cu toate
acestea, rezoluţia spaţială de 79 m x 57 m a acestui senzor era destinată aplicaţiilor
cartografice pentru scări medii si mici. Senzorul TM (Thematic Mapper) care a
echipat platformele Landsat începând cu anul 1982 avea o rezoluţie spaţială de
30m, această rezoluţie fiind îmbunătăţită de senzorii ETM (Enhanced Thematic
Mapper) instalaţi la bordul ultimelor platforme Landsat, care aveau o rezoluţie
spaţială de 15 m. Ulterior, seria platformelor Landsat a fost înlocuită de către
constructor cu alte programe spaţiale.
Primul satelit francez SPOT (Satellite Probatoire pour l'Observation de la Terre) a
fost lansat în anul 1986. Avantajele sistemului (preluare stereoscopică şi pas de
eşantionare la sol de 10 m în domeniul pancromatic şi 20 m în domeniul multi-
spectral) ofereau posibilitatea generării şi actualizării hărţilor topografice până la
scara 1:50.000, însă gradul de detaliu al informaţiei era inferior celui oferit de
conţinutul hărţilor tradiţionale. În anul 1993, Germania lansează senzorul MOMS
(Modular Optoelectronic Multispectral Stereo Scanner), cu o rezoluţie spaţială de 5
m pancromatic, 15 m pentru preluările stereoscopice şi 15 m pentru domeniul
multi-spectral. Sistemul MOMS a fost instalat şi pe platforma rusească MIR, în
timpul unei misiuni care a avut loc între 1996 şi 1999. De această dată, altitudinea
de zbor era mai mare, fapt care a condus la diminuarea rezoluţiei spaţiale a
imaginilor preluate: 6 m pentru domeniul pancromatic, 18 m pentru imaginile
preluate stereoscopic şi 18 m pentru domeniul multi-spectral. În anul 1995 India
lansează satelitul IRS-1C (Indian Remote Sensing Satellite), cu rezoluţia spaţială
de 5,7 m. Platforma Terra a fost lansată în anul 1999 de SUA, senzorul ASTER
preluând imagini cu o rezoluţie spaţială de 15 m în domeniul vizibil şi infraroşu
apropiat.
9
Următorul pas important în evoluţia sistemelor de teledetecţie a fost reprezentat de
seria platformelor comerciale de foarte mare rezoluţie spaţială, care a debutat cu
lansarea satelitului IKONOS 2 de către SUA, în anul 1999. Platforma a fost
prevăzută cu un senzor liniar de foarte mare rezoluţie spaţială, de 0,8 m în
domeniul pancromatic şi 3,2 m în domeniul multi-spectral. A urmat lansarea
platformei satelitare QuickBird (2001), care a fost proiectată să aibă dimensiunea
pixelului la sol de 0,8 m (similar cu IKONOS), însă înainte de lansare SUA au
ridicat restricţiile privitoare la acest parametru şi noua dimensiune a pixelului la sol
a devenit 0,62 m (prin reducerea altitudinii de zbor de la 680 km la 450 km).
Seria sateliţilor de foarte mare rezoluţie este completată de: EROS-A1 (lansat în
2000 de către Israel, dotat cu un senzor cu rezoluţia spaţială de 1,8 m pancromatic),
OrbView-3 (lansat de SUA în anul 2003, rezoluţie 1 m pancromatic şi 4 m multi-
spectral), FORMOSAT-2 (Taiwan, 2004, 2 m în domeniul pancromatic şi 8 m în
domeniul multi-spectral), Cartosat-1 (India, 2005, rezoluţie 2,5 m în domeniul
pancromatic, echipat cu doi senzori pancromatici proiectaţi pentru preluarea
simultană a imaginilor stereoscopice), KOMPSAT-2 (Coreea de Sud, 2006,
rezoluţie 1 m în domeniul pancromatic şi 4 m în domeniul multi-spectral), ALOS
PRISM (Japonia, 2006, rezoluţie 2,5 m pancromatic, preluare stereoscopică
simultană a imaginilor), WorldView-1 (SUA, 2007, rezoluţie spaţială 2 m multi-
spectral, 0,50 m pancromatic), OrbView-5 (SUA, 2008, cu rezoluţia spaţială de 0,4
m în domeniul pancromatic şi 1,6 m în domeniul multi-spectral, RapidEye
(Germania, 2008, rezoluţie spaţială 6,5 m în domeniul multi-spectral), GeoEye
(SUA, 2008, rezoluţie spaţială 1,65 m multi-spectral, 0,41 m pancromatic) şi
WorldView-2 (SUA, 2009, rezoluţie spaţială 2 m multi-spectral, 0,50 m
pancromatic).
10
3. Teledetecţia în domeniul microundelor
Sistemele de teledetecţie prevăzute cu senzori activi au fost dezvoltate în principal
pentru cartografierea zonelor acoperite cu gheaţă sau zăpadă şi a oceanelor, regiuni
în care acoperirea sistematică cu nori împiedică înregistrarea de date cu senzori
pasivi sau reflectivi. Utilizarea undelor radio pentru detectarea prezenţei obiectelor
metalice situate la o anumită distanţă a fost realizată pentru prima oară de către
Christian Hülsmeyer care a folosit această tehnică pentru identificarea navelor în
condiţii de ceaţă densă, fără a calcula însă distanţa până la aceste obiecte. Înainte
de cel de Al Doilea Război Mondial, au fost efectuate cercetări în acest domeniu de
către americani, germani, francezi şi britanici, însă cel care a propus termenul
"radar" (Radio Detection and Ranging) şi a realizat primul aparat a fost englezul
Robert Watson-Watt, în anul 1935. Tehnologia radar a fost ţinută secret până în
anul 1946. După acest moment, radarul începe să fie utilizat şi în alte tipuri de
aplicaţii, cum ar fi controlul traficului aerian, monitorizarea condiţiilor
meteorologice şi controlul vitezei vehiculelor.
Primul proiect în care a fost utilizată tehnologia radar este RADAM (Radar of the
Amazon), lansat de Brazilia, în anul 1971 (în banda X). În cadrul acestui proiect,
regiunea Amazonului a fost cartografiată pentru prima oară prin mijloace de
teledetecţie, datorită capacităţii senzorilor radar de a penetra acoperirea cu nori.
Prima platformă satelitară civilă echipată cu senzor SAR (Synthetic Aperture
Radar) este SEASAT, lansat de SUA în anul 1978 (bandă L, 25 m rezoluţie
spaţială). În ciuda unei misiuni de doar 106 zile, succesul acestui senzor a
determinat ESA (European Space Agency) să decidă iniţierea unor programe de
observare a Pământului prin intermediul senzorilor activi de teledetecţie. Lansarea
platformelor satelitare echipate cu senzori de tip SAR a continuat cu: SIR-A/B
(1981/1984, SUA, bandă L, rezoluţie spaţială 40 m/10-25 m), ALMAZ-1 (fosta
11
Uniune Sovietică, 1991, echipat cu două senzori SAR în banda S, rezoluţie spaţială
15-30 m), ERS-1 (lansat de ESA în 1991, banda C, rezoluţie spaţială 30 m), SIR-
C/X-SAR (1994, SUA, benzile X, C, L, rezoluţie spaţială 15-25 m), JERS
(Japonia, 1994, banda L, rezoluţie spaţială 18 m), RADARSAT-1 (Canada, 1995,
banda C, rezoluţie spaţială 25 m x 28 m în modul standard de preluare) şi ERS-2
(lansat de ESA în 1995, banda C, rezoluţie spaţială 30 m).
În februarie 2000, în urma unei cooperări internaţionale a fost iniţiată misiunea
SRTM, care a avut o durată de 11 zile. Două sisteme radar cu apertură sintetică
(rezoluţie spaţială 30 m), unul în banda C (operat de SUA) şi unul în banda X
(operat de Germania şi Italia), au fost instalate la bordul platformei satelitare.
Antenele de recepţie erau separate de un braţ cu lungimea de 60 m. Principalul
obiectiv al misiunii a fost reprezentat de realizarea modelului digital al terenului
pentru 80% din suprafaţa continentală globală, pe baza înregistrărilor
interferometrice preluate simultan de sistemele SAR.
ESA a continuat misiunile bazate pe senzori activi de teledetecţie cu lansarea
platformei ENVISAT în anul 2002 (bandă C, rezoluţie spaţială 30 m). Urmează
lansarea sateliţilor ALOS (Japonia, 2006, bandă L, rezoluţie spaţială 7-44 m, în
funcţie de modul de preluare, unghiul de incidenţă şi nivelul de pre-procesare a
datelor) şi SAR-Lupe (satelit destinat aplicaţiilor militare, Germania, 2006, bandă
X, rezoluţie spaţială 1-5 m).
În iunie 2007, Germania a lansat cel mai performat sistem SAR care există în
prezent: TerraSAR-X. Senzorul de preluare operează în bandă X, are rezoluţia
spaţială de aproximativ 1 m în modul de preluare High Resolution Spotlight şi
furnizează imagini de observare a Pământului atât pentru comunitatea ştiinţifică cât
şi pentru segmentul comercial. Tot în anul 2007 au fost lansate platformele
RADARSAT-2 (Canada, bandă C, rezoluţie spaţială 3 m) şi COSMO-SkyMed
12
(Italia, bandă X, rezoluţie spaţială aproximativ 1 m, constelaţie de patru sateliţi, din
care, până în prezent, au fost lansaţi trei; înregistrările SAR prezintă un potenţial
imens pentru aplicaţiile de interferometrie datorită intervalului foarte scurt de
revizitare, de câteva ore). Germania a lansat în iunie 2010 TanDEM-X, cel de al
doilea satelit TerraSAR-X. Cei doi sateliţi funcţionează în tandem, înregistrările
preluate în acest mod fiind utilizate pentru generarea unui model digital al
terenului, la scară globală.
Cea mai importantă realizare a erei spaţiale moderne este reprezentată de
capacitatea de a observa Pământul, mediul său înconjurător şi universul în
toate intervalele de bandă ale spectrului electromagnetic, deschizându-se
astfel noi orizonturi în experimentarea şi descoperirea aplicaţiilor ştiinţelor
geospaţiale. Teledetecţia reprezintă în prezent sursa principală de date pentru
ştiinţele geospaţiale şi disciplinele derivate ale acestora. Pe baza acestor date
sunt elaborate studii care permit deducerea tendinţelor (prezente şi viitoare)
în dinamica fenomenelor mediului înconjurător, prin monitorizarea şi analiza
schimbărilor semnificative survenite în timp.
13
II. Senzori de preluare radar
1. Caracteristici
Senzorii de preluare activi sunt dotaţi cu surse proprii de energie. Radarul este un
sistem ce permite determinarea poziţiei spaţiale şi distanţa până la un obiect pe
baza undelor electromagnetice reflectate de acesta. Sistemele radar (Radio
Detection and Ranging) sunt operative şi pe timpul nopţii şi au capacitatea de a
penetra acoperirea cu nori şi ceaţa.
În principal, un sistem radar este alcătuit dintr-o unitate de transmisie, o unitate de
recepţie, o antenă şi o componentă electronică care are rolul de a înregistra şi
procesa datele. Unitatea de transmisie emite în mod succesiv impulsuri de radiaţie
electromagnetică, la intervale de timp regulate (impulsurile sunt concentrate de
antenă într-un fascicul), spre spaţiul obiect. În urma interacţiunii cu spaţiul obiect
(radiaţia incidentă este absorbită, transmisă, reflectată, dispersată etc.), o parte din
radiaţia incidentă este retro-reflectată şi ajunge la senzorul aeropurtat sau satelitar.
Unitatea de recepţie înregistrează radiaţia retro-reflectată după ce aceasta
interacţionează cu spaţiul obiect şi radiaţia emisa de suprafaţa terestră a
Pământului. La acest nivel, radiaţia incidentă este transformată în semnal electric,
care ulterior este înregistrat, amplificat şi prelucrat în scopul formării imaginii
reflectivităţii spaţiului obiect. Prin măsurarea intervalului de timp scurs între
emiterea şi recepţionarea semnalului poate fi determinată distanţa dintre elementele
din spaţiul obiect şi senzorul radar.
Sistemele de teledetecţie care acţionează în domeniul microundelor, în intervalul
de bandă 1 cm – 1 m, sunt caracterizate atât prin lungimea de undă (λ) în care
operează, cât şi prin frecvenţa (Φ). Cu cât λ este mai mic, cu atât se pot concentra
fascicule mai înguste şi astfel se pot detecta detalii mai mici.
14
Denumirea anumitor intervale de bandă (Ka, K, Ku, X, C, S, L, P) utilizate de
sistemele radar a rămas aceeaşi din timpul celui de al Doilea Război Mondial, când
această tehnologie a cunoscut o dezvoltare impresionantă. Dintre acestea, cel mai
frecvent folosite sunt benzile X, C şi L. Intervalele de bandă utilizate de sistemele
radar sunt prezentate în Figura 3.
Figura 3: Intervalele de bandă ale spectrului electromagnetic
utilizate de sistemele radar
O înregistrare radar complexă reprezintă o imagine digitală care poate fi privită
drept o matrice bidimensională de elemente imagine denumite pixeli. Fiecare pixel
conţine atât informaţia de amplitudine, cât şi informaţia de fază a semnalului retro-
reflectat de elementele din spaţiul obiect. Coordonatele unui punct din imaginea
radar se exprimă în distanţă (r) şi azimut (a), unde distanţa reprezintă coloanele, iar
azimutul liniile matricei.
15
Rezoluţia spaţială a sistemelor radar este funcţie de proprietăţile specifice ale
semnalului. Rezoluţia în distanţă (rezoluţia spaţială în plan perpendicular pe
direcţia de deplasare a platformei) este dependentă de lungimea impulsului
semnalului radar (cu cât aceasta este mai mică, cu atât rezoluţia în distanţă va fi
mai bună). Prin urmare, două elemente din spaţiul obiect vor fi observate distinct
în distanţă înclinată dacă sunt situate la mai mult de jumătate din lungimea
impulsului semnalului. De exemplu, elementele 1 şi 2 nu vor putea fi identificate
distinct în imaginea radar, spre deosebire de 3 şi 4 (Figura 4). Rezoluţia în distanţă
înclinată rămâne constantă, independent de distanţa senzor-spaţiul obiect.
Rezoluţia în azimut (rezoluţia spaţială în plan paralel cu direcţia de deplasare a
platformei) este determinată de dimensiunea unghiulară a fasciculului emis de
Figura 4: Rezoluţia spaţială în distanţă a sistemelor radar
16
sistemul radar şi de distanţa înclinată. Pe măsură ce distanţa de la senzor la obiectul
vizat creşte, rezoluţia în azimut scade. În Figura 5, elementele situate în punctele 1
şi 2 vor putea fi observate distinct, spre deosebire de cele din punctele 3 şi 4 care
se află la o distanţă mai mare de senzor.
Dimensiunea fasciculului radar este invers proporţională cu lungimea de undă a
antenei, ceea ce înseamnă că o antenă mai lungă va produce un fascicul mai îngust,
dar cu o rezoluţie mai fină.
O rezoluţie superioară se poate obţine prin folosirea unui semnal cu o lungime de
undă mai mică, însă aceasta se poate realiza cu anumite restricţii ce ţin de
proiectarea din punct de vedere tehnic a antenei. Îmbunătăţirea rezoluţiei se poate
efectua prin mărirea lungimii de undă, ceea ce implică mărirea dimensiunii reale a
antenei, o astfel de construcţie fiind dificil de montat pe o platformă aeriană sau
satelitară. Pentru sistemele radar aeropurtate, dimensiunea unei antene ar trebui să
fie de 1-2 m, iar pentru platformele satelitare de 10-15 m.
Pentru depăşirea acestui impediment, prin deplasarea platformei pe orbită şi prin
operaţiuni specifice de înregistrare şi procesare a semnalelor retro-reflectate, este
simulat efectul unei antene foarte lungi, care măreşte rezoluţia în azimut. În
concluzie, radarele cu apertură sintetică (SAR) simulează efectul unei antene de
dimensiuni foarte mari. Pe măsură ce elementul A este vizat de primele fascicule
Figura 5: Rezoluţia spaţială în azimut a sistemelor radar
17
radar (Figura 6), semnalele retro-reflectate sunt înregistrate în tot intervalul de timp
în care elementul este iluminat de radar. Punctul de pe orbită care corespunde
momentului în care elementul nu mai este iluminat determină lungimea simulată a
antenei (apertura sintetică B).
2. Deformaţiile imaginilor SAR
Imaginile preluate de sistemele SAR sunt afectate de deformaţii. Aceste efecte
geometrice sunt provocate de modul de preluare a imaginilor şi de faptul că radarul
este un instrument de măsurare a distanţelor. Deformaţiile de scară în distanţă
înclinată apar deoarece radarul măsoară distanţa de la senzor la obiectul vizat pe
direcţie laterală şi nu distanţa reală măsurată în plan orizontal la nivelul suprafeţei
terenului. Acest fapt provoacă o variaţie a scării în cuprinsul imaginii. În Figura 7,
deşi obiectele A1 şi B1 au aceeaşi dimensiune la sol, proiecţiile lor în distanţă
înclinată (A2 şi B2) sunt diferite. Prin urmare, obiectele aflate în distanţă înclinată
Figura 6: Principiul obţinerii unei aperturi sintetice (SAR)
18
aproape de punctul de nadir apar comprimate în comparaţie cu cele aflate la
distanţă de acest punct.
De asemenea, imaginile SAR sunt afectate de deformaţii geometrice provocate de
relief: fenomenul de contracţie şi fenomenele de inversiune şi suprapunere.
Fenomenul de contracţie (Fig. 8) se produce în cazul obiectelor care au o înălţime
mare, cu pante orientate către direcţia de preluare a sistemului radar. În acest
exemplu, panta (AB) va avea o dimensiune mai mică şi va fi reprezentată incorect
(A'B'). În funcţie de unghiul de pantă şi de unghiul de incidenţă al fasciculului
radar, amplitudinea fenomenului de contracţie variază, având o valoare maximă
atunci când fasciculul radar este perpendicular pe pantă, astfel încât linia de pantă,
baza şi vârful acesteia apar suprapuse în acelaşi punct (C', D') al imaginii.
Figura 7: Deformaţiile de scară în distanţă înclinată ale imaginii SAR
19
Fenomenele de inversiune şi suprapunere apar atunci când fasciculul radar
întâlneşte partea superioară a unui obiect înalt (B) înainte de a atinge baza acestuia
(A) – Figura 9. Semnalul reflectat de partea superioară a obiectului va fi
recepţionat înaintea celui reflectat de bază. Rezultatul constă în inversarea poziţiei
celor două puncte: partea superioară a obiectului este vizualizată inversat faţă de
poziţia reală (înspre radar) şi se suprapune peste bază (B' şi A').
Atât contracţia cât şi inversiunea şi suprapunerea au ca efect apariţia unor zone
umbrite în imagine deoarece fasciculul radar nu poate ilumina suprafaţa acestora
(Figura 10). Efectul de umbrire se intensifică pe măsură ce unghiul de incidenţă
creşte din zona imaginii aflată cel mai aproape de nadir până la zona situată cel mai
departe de acest punct.
Figura 8: Deformaţii ale imaginii SAR provocate de relief
(fenomenul de contracţie)
20
Figura 9: Deformaţii ale imaginii SAR provocate de relief
(fenomenele de inversiune şi suprapunere)
Figura 10: Deformaţii ale imaginii SAR provocate de relief
(fenomenul de umbrire)
Materialele grafice prezentate în Figurile 4 – 10 sunt adaptate după cele din cursul
"Tutorial: Fundamentals of Remote Sensing", © CCRS.
21
III. Misiuni satelitare cu senzori SAR
1. ERS
Platforma satelitară ERS-1 (European Remote Sensing Satellite) a fost lansată de
Agenţia Spaţială Europeană (ESA) cu ajutorul unei rachete Ariane, în anul 1991.
ERS-1 reprezintă primul satelit de observare a Pământului lansat de ESA, în
cooperare cu Norvegia şi Canada. Platforma ERS-1 a avut diferite misiuni care se
încadrau în cicluri de 3, 35 sau 336 zile (Misiunea Geodezică). ERS-1 şi-a încheiat
misiunea în martie 2000.
Platforma satelitară ERS-2 a fost lansată în anul 1995 şi păstrează 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 lansată în acelaşi plan orbital ca ERS-1, ceea ce a permis realizarea unor
misiuni în tandem (în perioadele 1995-1996 şi 1999-2000), înregistrarea aceluiaşi
punct de pe suprafaţa terestră fiind realizată de către ERS-2 la un interval de o zi
faţă de ERS-1. În timpul acestor misiuni au fost preluate înregistrări care au fost
utilizate în aplicaţii de interferometrie, în 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,
dedicaţi în special studiilor privind zona continentală (identificarea şi gestionarea
schimbărilor survenite în categoria de folosinţă a terenului, monitorizarea
proceselor dinamice din zonele de coastă), atmosfera (monitorizarea zonelor
poluate), suprafeţele acoperite de apă (identificarea schimbărilor climatice prin
monitorizarea creşterii nivelului apei şi al temperaturii acesteia la suprafaţă, studiul
curenţilor de aer şi al curenţilor oceanici) şi calota glaciară.
Printre instrumentele aflate la bordul platformelor ERS-1 şi ERS-2 se numără:
22
senzor SAR (Synthetic Aperture Radar) - operează în banda C, polarizare
VV (transmisie verticală a semnalului, recepţie verticală a semnalului),
având lungimea de undă de 5,66 cm; acest senzor preia imagini cu rezoluţia
spaţială de 30 m, dimensiunea la sol suprafeţei înregistrate fiind de 100 km x
250 km. Imaginile sunt preluate atât în orbită ascendentă cât şi descendentă,
ceea ce implică schimbarea direcţiei de iluminare (astfel sunt obţinute
informaţii adiţionale despre elementele din spaţiul obiect);
radiometru cu microunde MWR (Microwave Radiometer) – este un senzor
pasiv care înregistrează date în două intervale de bandă în domeniul
microundelor; acest instrument efectuează măsurători ale coloanei de vapori
din atmosferă şi a conţinutului de apă din nori, parametri care sunt utilizaţi
drept coeficienţi de corecţie pentru semnalul altimetrului radar;
altimetru radar RA (Radar Altimeter) – operează în banda Ku şi este utilizat
pentru aplicaţii în cazul zonelor acoperite cu gheaţă şi al oceanelor;
radiometru cu baleiaj longitudinal ATSR (Along Track Scanning
Radiometer) – este un senzor experimental care preia înregistrări în
infraroşu, în patru benzi spectrale, pentru realizarea unor măsurători de
precizie ale temperaturii la suprafaţa apei; în cazul platformei ERS-2,
radiometrul este echipat cu benzi spectrale adiţionale care înregistrează
radiaţia din domeniul vizibil, pentru monitorizarea covorului vegetal.
Folosind aceeaşi imagine, se poate determina experimental indicele SAVI
(Soil Adjusted Vegetation Index), care permite evaluarea vegetaţiei
eliminând influenţele radiometrice negative ale solului. Indicele permite
observarea şi monitorizarea covorului vegetal sezonier, anual şi multianual;
23
spectrometru pentru monitorizarea globală a stratului de ozon GOME –
reprezintă un senzor care funcţionează în intervalele ultraviolet şi vizibil,
instalat numai la bordul ERS-2.
De asemenea, platformele ERS sunt echipate cu senzori de poziţionare foarte
precisă: senzorul PRARE (Precise Range and Range-rate Equipment) - utilizat
pentru determinarea parametrilor orbitei şi 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 prezentaţi în Tabelul 1. Orbita
platformelor ERS este helio-sincronă, cvasi-polară şi cvasi-circulară. Platformele
ERS sunt caracterizate printr-un grad ridicat de stabilitate a orbitei şi o calitate
superioară a datelor preluate. Datorită acestor caracteristici, coerenţa înregistrărilor
SAR complexe provenite din două sau mai multe treceri ale satelitului pe aceeaşi
orbită prezintă valori ridicate. Parametrii senzorului SAR (ERS) aflat la bordul
acestor platforme sunt prezentate în Tabelul 2.
Tabelul 1: Parametrii orbitei platformelor ERS-1 şi ERS-2
Altitudinea orbitei la ecuator 785 km
Numărul de orbite / zi ≈ 14
Rezoluţia temporală 35 zile
Înclinarea orbitei 98,50
Tabelul 2: Parametrii senzorilor SAR ai platformelor ERS-1 şi ERS-2
Frecvenţa radar 5,3 GHz
Lungimea de undă 5,66 cm
Unghiul de incidenţă 230
24
Polarizare VV
Direcţia de iluminare a antenei dreapta
O altă aplicaţie de interferometrie (diferenţială) realizată cu succes pe baza
înregistrărilor preluate de senzorul SAR al platformelor ERS este reprezentată de
studiul efectelor cutremurelor şi al alunecărilor de teren de mare întindere.
Conform cercetărilor efectuate până în prezent, modelul digital al terenului obţinut
în urma procesării interferometrice a datelor preluate de ERS-1/ERS-2 prezintă o
precizie altimetrică situată între ± 5 m şi ± 20 m. Precizia altimetrică variază în
funcţie de relief şi baza de preluare. Valori ale preciziei altimetrice de aproximativ
± 3 m au fost înregistrate pentru zonele cu relief de câmpie, în cazul datelor
preluate în timpul misiunilor Tandem (pentru suprafeţe care îşi păstrau coerenţa
între cele două preluări efectuate în condiţii atmosferice asemănătoare).
Caracteristicile produselor generate pe baza senzorului SAR (ERS-1/ERS-2) sunt
prezentate în Tabelul 3.
Tabelul 3: Caracteristicile produselor senzorului SAR (ERS-1/ERS-2),
în funcţie de nivelul de pre-procesare
Produs Rezoluţia (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
2. ENVISAT
25
Programul ENVISAT a luat fiinţă în urma elaborării de către ESA a strategiei
globale pentru observarea Terrei, în anul 1988. La finanţarea şi realizarea
satelitului au participat: Austria, Belgia, Canada, Danemarca, Elveţia, Finlanda,
Franţa, Germania, Italia, Marea Britanie, Norvegia, Olanda şi Suedia. ENVISAT
asigură continuitatea misiunilor ERS lansate de ESA, înregistrările preluate de
acesta fiind utilizate la monitorizarea continuă a evoluţiei schimbărilor climatice şi
a mediului înconjurător. Satelitul a fost lansat în anul 2002, cu ajutorul unei rachete
Ariane 5. La bordul platformei satelitare ENVISAT sunt instalaţi 10 senzori radar
şi optici (Figura 11). O parte dintre aceste sisteme au aceleaşi caracteristici şi sunt
utilizate în aceleaşi scopuri ca senzorii aflaţi la bordul platformelor ERS. Senzorii
platformei ENVISAT sunt:
Figura 11: Senzorii radar şi optici ai platformei ENVISAT
26
sistem radar cu antenă sintetică ASAR (Advanced Synthetic Aperture
Radar) - este succesorul sistemelor SAR care au echipat platformele ERS-
1 şi ERS-2, ceea ce permite coerenţa unui program de analiză multi-
temporală pe termen lung. Senzorul ASAR prezintă însă anumite
caracteristici îmbunătăţite: acoperirea, intervalul valorilor unghiurilor de
incidenţă, polarizarea şi modurile de operare. Lăţimea zonei înregistrate la
sol poate fi de 100 km sau 400 km. Antenele acestui sistem permit
înregistrarea datelor (care pot fi utilizate în aplicaţii de interferometrie) în
regimuri de lucru diferite:
modul de operare IM (Image Mode) - generează o imagine care acoperă o
suprafaţă între 50 şi 100 km (Figura 12), cu o rezoluţie spaţială de 30 m;
senzorul foloseşte la emisie şi recepţie polarizarea verticală (VV) sau
orizontală (HH);
modul de operare WSM (Wide Swath) – generează o imagine care are
dimensiunea maximă de 400 km în plan perpendicular pe direcţia de
deplasare a platformei (Figura 13); rezoluţia spaţială este de 150 m, iar
polarizarea VV sau HH;
modul de operare AP (Alternating Polarisation) – imaginile preluate în
acest mod de operare prezintă o acoperire între 50 şi 100 km (Figura 14),
rezoluţie spaţială 30 m şi polarizare alternativă HH/VV, HH/HV, VV/VH.
27
Figura 12: Modul IM de baleiaj al spaţiului obiect al senzorului ASAR
ENVISAT
Figura 13: Modul WSM de baleiaj al spaţiului obiect al senzorului ASAR ENVISAT
28
Figura 14: Modul AP de baleiaj al spaţiului obiect al senzorului ASAR ENVISAT
1
radiometru cu baleiaj longitudinal AATSR (Advanced Along-Track
Scanning Radiometer) - este succesorul senzorilor ATSR (Along Track
Scanning Radiometer) instalaţi pe platformele ERS-1 şi ERS-2. Acest
senzor este utilizat în special pentru monitorizarea suprafeţei oceanelor şi
a terenurilor umede joase, sub diferite lungimi de undă, în domeniile
vizibil şi infraroşu. Este posibilă înregistrarea imaginilor sub două
unghiuri de incidenţă diferite, în infraroşu mediu şi termic, rezultând
măsurători ale temperaturii suprafeţei mărilor şi oceanelor cu o precizie de
± 0,3°C. Aceste determinări precise permit evidenţierea schimbărilor
foarte mici de temperatură ale suprafeţei mărilor, fiind semnalate astfel
modificările semnificative ale ratei de transfer de căldură ocean/
atmosferă;
29
spectrometru de mare rezoluţie MERIS (Medium Resolution Imaging
Spectrometer) – măsoară radiaţia emisă de Pământ în 15 benzi spectrale
cuprinse în intervalul de bandă 0,39 μ – 1,04 μ (vizibil şi infraroşu
apropiat); rezoluţia spaţială a acestui senzor este de 300 m, iar cea
temporală 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 poziţiei satelitului pe orbită cu
o precizie de cel puţin 10 cm;
retroreflector laser LRR (Laser Retro-Reflector) – este folosit pentru
determinarea precisă a parametrilor orbitei şi 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 absorbţie cu baleiaj şi înregistrare de imagini
SCHIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for
Atmospheric CHartographY) – compară radiaţia electromagnetică solară
cu cea reflectată de suprafaţa terestră, rezultând astfel informaţii
referitoare la atmosferă, ca mediu de transmisie prin care se propagă
energia.
30
Similar cu ERS, orbita platformei satelitare ENVISAT este polară şi helio-
sincronă, având o perioadă de aproximativ 101 minute. Ora locală de pasaj este
10:00 a.m. Caracteristicile orbitei ENVISAT sunt prezentate în Tabelul 4, iar ale
senzorului ASAR în Tabelul 5.
Tabelul 4: Parametrii orbitei platformei ENVISAT
Altitudinea orbitei la ecuator ≈ 800 km
Numărul de orbite / zi ≈ 14
Rezoluţia temporală 35 zile
Înclinarea orbitei 98,50
Tabelul 5: Parametrii senzorului ASAR al platformei ENVISAT
Frecvenţa radar 5,3 GHz
Lungimea de undă 5,66 cm
Unghiul de incidenţă (IS1-IS7) 15,00 – 45,2
0
Polarizare HH, VV, HH/VV, HH/HV, VV/VH
Direcţia de iluminare a antenei dreapta
unde:
HH = transmisie orizontală a semnalului, recepţie orizontală a semnalului
VV = transmisie verticală a semnalului, recepţie verticală a semnalului
HV = transmisie orizontală a semnalului, recepţie verticală a semnalului
VH = transmisie verticală a semnalului, recepţie orizontală a semnalului
Precizia verticală a modelelor digitale ale terenului obţinute pe baza imaginilor
ENVISAT ASAR este de aproximativ ± 10 m (în unele cazuri atingând chiar şi ±
31
16 m) şi este influenţată de geometria de preluare, condiţiile atmosferice, coerenţa
şi intervalul de timp scurs între momentele de preluare a perechilor
interferometrice. Caracteristicile produselor generate pe baza senzorului ASAR
(ENVISAT) sunt prezentate în Tabelul 6.
Tabelul 6: Caracteristicile produselor senzorului ASAR (ENVISAT),
în funcţie de nivelul de pre-procesare
Mod de operare Produs Rezoluţia (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 Agenţia Spaţială Germană (DLR) în
cooperare cu compania ASTRIUM. DLR este proprietarul şi operatorul platformei
satelitare şi al segmentului terestru PGS (Payload Ground System) şi deţine
drepturile de exploatare în scop ştiinţific al datelor, în timp ce ASTRIUM deţine
drepturile exclusive de exploatare comercială a produselor. TerraSAR-X a fost
lansat în iunie 2007. Parametrii orbitei şi ai senzorului SAR sunt prezentaţi în
Tabelul 7, respectiv Tabelul 8.
32
Tabelul 7: Parametrii orbitei platformei TerraSAR-X
Altitudinea orbitei la ecuator 514 km
Numărul de orbite / zi ≈ 15
Rezoluţia temporală 11 zile
Înclinarea orbitei 97,440
Ora de pasaj (orbită ascendentă) 18:00 ± 0,25 h (ora locală)
Tabelul 8: Parametrii senzorului SAR al platformei TerraSAR-X
Frecvenţa radar 9,66 GHz
Unghiul de incidenţă (StripMap / ScanSar) 200 - 45
0 (maxim 15
0 - 60
0)
Unghiul de incidenţă (Spotlight) 200 - 55
0 (maxim 15
0 - 60
0)
Polarizare HH, VH, HV,VV
Lungimea antenei 4,8 m
Direcţia de preluare a antenei dreapta
Platforma TerraSAR-X este echipată cu un radar lateral cu apertură sintetică, care
operează în banda X (lungimea de undă 3 cm). Antena electronică a radarului
poate fi programată să opereze în diverse moduri, ceea ce conduce la posibilitatea
preluării datelor pentru aplicaţii variate şi numeroase.
Modurile de operare ale senzorului SAR de la bordul TerraSAR-X sunt:
modul de operare StripMap (SM) - reprezintă modul de preluare clasic
al senzorilor SAR, întâlnit şi la alte platforme satelitare, cum ar fi
ERS-1/ERS-2 sau ENVISAT. Zona de înregistrare de la sol este
iluminată de o secvenţă continuă de impulsuri, fasciculul emis de
antenă fiind orientat la un unghi fix pe direcţia elevaţiei şi a azimutului
(Figura 15);
33
modul de operare Spotlight (HS, SL) – permite preluarea a două tipuri
de înregistrări: SL (Spotlight) şi HS (Spotlight de foarte mare
rezoluţie), care diferă prin rezoluţia în azimut şi dimensiunea zonei
înregistrate (Figura 16);
modul de operare ScanSAR (SC) – emite impulsuri radar sub unghiuri
de incidenţă diferite; benzile de preluare ScanSAR sunt alcătuite în
mod exclusiv din fascicule StripMap, pentru obţinerea unei acoperiri
de 100 km fiind necesare patru fascicule SM; rezoluţia în azimut
azimutului este redusă (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 prezintă o
precizie altimetrică absolută de aproximativ ± 5-10 m, în funcţie de condiţiile de
preluare. Caracteristicile modurilor de operare ale senzorului SAR aflat la bordul
platformei TerraSAR-X sunt prezentate în Tabelul 9.
Tabelul 9: Caracteristicile modurilor de operare
ale senzorului SAR al platformei TerraSAR-X
Parametru Modul SM Modul HS Modul SL Modul SC
Lăţimea zonei
înregistrate
30 km pol. simplă
15 km pol. dublă
5 km x
10 km
10 km x
10 km 100 km
Lungimea zonei
înregistrate < 1650 km - - < 1650 km
Unghiul de
incidenţă
200 - 45
0
(maxim 150 - 60
0)
200 - 55
0
(maxim 150 -
600)
200 - 55
0
(maxim 150 -
600)
200 - 45
0
(maxim 150 -
600)
Numărul de
fascicule ≈ 27
≈ 95 (maxim
123) ≈ 249 ≈ 27
Rezoluţia în
azimut 3 m
1 m pol.
simplă
2 m pol.
dublă
2 m pol.
simplă
4 m pol.
dublă
16 m
Rezoluţia
orizontală 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
IV. Interferometria
1. Principiul interferometriei
Interferometria constă în măsurarea diferenţei de fază a unui semnal radar, prin
prelucrarea a două sau mai multe imagini SAR complexe preluate simultan sau la
un anumit interval de timp, din poziţii aproape identice.
În anii '70 această tehnologie folosea numai perechi de imagini preluate simultan
de către platforme echipate cu două sisteme SAR (o antenă de transmisie/recepţie
şi o antenă de transmisie/recepţie sau numai recepţie). Principalul avantaj oferit de
aceste sisteme constă în lipsa decorelării temporale, ceea ce conduce la valori
foarte mari ale coerenţei. În plus, baza de preluare este fixă şi optimă pentru
generarea modelelor digitale ale terenului.
La începutul anilor '80 tehnologia a fost extinsă, fiind posibilă şi utilizarea
imaginilor preluate la momente diferite de timp, de către un singur senzor SAR
instalat la bordul unei platformele satelitare. În acest caz, există mai multe
dezavantaje: determinarea cu dificultate a parametrilor orbitei (ceea ce implică
erori de determinare a bazei de preluare) şi apariţia decorelării temporale, în
funcţie de intervalul de timp scurs între cele două preluări.
Interferometria permite măsurarea cu precizie a drumului parcurs de semnalul
radar datorită naturii coerente a acestuia. Această tehnologie poate produce două
tipuri de informaţie: informaţia referitoare la topografia terenului şi informaţia
referitoare la deplasarea sau deformarea terenului.
În primul caz, tehnica poartă denumirea de interferometrie convenţională, sau
simplu interferometrie (InSAR – Interferometric Synthetic Aperture Radar), iar
produsul acesteia este modelul digital al terenului.
37
În cel de al doilea caz, produsul final este o hartă de deplasare/deformare a
terenului, iar tehnologia se numeşte interferometrie diferenţială (DInSAR -
Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar). Unul dintre dezavantajele
interferometriei diferenţiale este decorelarea temporală şi geometrică.
O nouă aplicaţie de interferometrie este cea denumită "interferometrie pe baza
ţintelor permanente" (PSI - Persistent Scatterers Interferometry), prin care sunt
analizaţi şi utilizaţi pixelii care prezintă o valoare ridicată a coerenţei într-un
interval mare de timp şi pentru diferite unghiuri de preluare. Pentru identificarea
acestor puncte (PS – Permanent Scatterers) este necesară analiza unei serii foarte
mari de imagini SAR complexe, preluate asupra zonei de studiu. Un astfel de punct
este caracterizat de o coerenţă foarte bună, dimensiunea sa fiind mai mică decât
rezoluţia imaginii SAR. Pentru aceste puncte, precizia modelului digital al
terenului rezultat este foarte bună, la fel şi precizia determinării deplasărilor sau
deformărilor suprafeţei terenului, chiar dacă coerenţa este scăzută în jurul acestor
puncte.
Sistemele SAR utilizează efectul Doppler pentru simularea aperturii sintetice. Un
impuls de energie electromagnetică este emis în mod continuu pe o direcţie
perpendiculară pe cea de deplasare pe orbită (în distanţă înclinată). Semnalul trece
prin atmosferă, interacţionează cu spaţiul obiect şi este retro-dispersat către antena
de recepţie a senzorului de preluare.
În principiu, geometria de preluare a înregistrărilor în cazul unei aplicaţii de
interferometrie sau interferometrie diferenţială este similară cu cea utilizată în
cazul unei aplicaţii de radargrammetrie (stereo SAR): asupra obiectului vizat se
preiau imagini din două puncte diferite de pe orbită, iar poziţia acestuia se poate
determina prin rezolvarea unui sistem de ecuaţii.
38
Cele trei ecuaţii caracteristice sistemelor SAR sunt: ecuaţia de distanţă, ecuaţia
Doppler şi ecuaţia InSAR. Acestea sunt prezentate în continuare. Pornind de la
geometria de preluare a sistemelor InSAR (Figura 18), următorii parametrii sunt
definiţi astfel:
Figura 18: Geometria de preluare a imaginilor în cazul sistemelor InSAR
unde:
A1 = poziţia satelitului la momentul preluării imaginii principale
A2 = poziţia satelitului la momentul preluării imaginii secundare
, = distanţe înclinate
e = factor de corecţie
= unghiul de declinaţie al bazei de preluare
),,( zyx BBBB
),,( zyxS VVVV
39
),,( zyxR
),,( zyxS RRRR
ST RRR (1)
unde:
B = vectorul bazei de preluare
SV = vectorul de viteză al satelitului la momentul preluării imaginii
principale/secundare
R = vectorul distanţă între poziţia platformei satelitare pe orbită şi poziţia
punctului vizat
SR = vectorul de poziţie al satelitului la momentul preluării imaginii
principale/secundare
TR = vectorul de poziţie al punctului vizat, în sistem geocentric cartezian
x, y, z = coordonatele punctului vizat, în sistem geocentric cartezian
Pentru ecuaţiile de mai sus, se presupune că aceşti parametri sunt într-un sistem de
coordonate geocentric (neinerţial), neexistând prin urmare o componentă
suplimentară a vitezei relative între platforma satelitară şi obiectul vizat. De
asemenea, se presupune că poziţia satelitului este dată de poziţia centrului de fază
al antenei SAR.
Determinarea vectorului distanţă între poziţia platformei satelitare pe orbită şi
poziţia obiectului vizat este efectuată pe baza interferogramei, folosind un sistem
de trei ecuaţii: ecuaţia de distanţă, ecuaţia Doppler şi ecuaţia InSAR (se consideră
40
că baza de preluare este cunoscută, fiind calculată din vectorii de poziţie ai
platformei satelitare):
ecuaţia de distanţă:
222
2
2)( zyxR
(2)
ecuaţia Doppler (presupunem că imaginea este preluată la momentul zero
Doppler):
zVyVxVRV zyxS
(3)
ecuaţia InSAR:
zByBxBRB zyx
(4)
unde:
BB
en
B
24cos
(5)
unde:
β = unghiul de declinaţie al bazei de preluare
= lungimea de undă a sistemului SAR
= faza interferometrică nedesfăşurată
n = ambiguitatea fazei (numărul întreg de lungimi de undă)
Valoarea factorului de corecţie δe variază considerabil de-a lungul unei imagini şi
se poate estima pe baza următoarei formule:
41
)(2
22
Be
(6)
Numărul întreg de lungimi de undă n (ambiguitatea fazei) poate fi determinat
folosind un punct de sprijin cu o precizie relativ scăzută. În concluzie,
determinarea poziţiei absolute (în plan orizontal şi vertical) a punctului vizat este
posibilă prin aplicarea şi rezolvarea celor trei ecuaţii (2), (3) şi (4). De regulă,
există două soluţii pentru acest sistem de ecuaţii, însă valoarea corectă este
evidentă.
2. Criterii de alegere a imaginilor InSAR
Criteriile de alegere a imaginilor SAR interferometrice depind de aplicaţia
specifică în care vor fi utilizate (generarea modelului digital al terenului sau
crearea harţilor de deplasare/deformare a terenului):
unghiul şi direcţia de preluare (orbită ascendentă sau descendentă);
baza de preluare geometrică – componenta perpendiculară a bazei de
preluare influenţează calitatea modelului digital al terenului generat pe baza
imaginilor InSAR. Deşi interferogramele generate pe baza unor imagini care
au o bază de preluare perpendiculară mică (valori mai mici de 30 m) sunt
uşor de prelucrat în etapa de desfăşurare a fazei, acestea nu se pot utiliza
datorită faptului că sunt puternic afectate de zgomot şi de efectele
atmosferei. De asemenea, dacă baza de preluare are o valoare prea mică,
atunci sensibilitatea semnalului la diferenţele de altitudine va fi minimă. În
cazul interferogramelor create din imagini care au o bază de preluare
perpendiculară de valori mari, este aproape imposibilă desfăşurarea fazei
fără utilizarea unui model digital al terenului, mai ales dacă topografia
42
terenului prezintă diferenţe mari de nivel]. Pentru aceste interferograme,
zgomotul fazei va afecta considerabil semnalul radar. În funcţie de baza
perpendiculară de preluare, se poate calcula altitudinea de ambiguitate, care
este o măsură a sensibilităţii semnalului radar la diferenţele de nivel din
teren.
baza de preluare temporală – un interval mare de timp conduce la
decorelarea temporală a semnalului, fiind provocată de variaţii ale umidităţii
sau ale vegetaţiei. Intervalul de timp trebuie să fie minim. Decorelarea poate
apărea într-un interval de câteva luni în cazul terenurilor aride şi câteva ore
în regiunile cu ploi abundente sau acoperite de păduri. În zonele cu vegetaţie
rară, acest interval poate avea valori de câteva zile sau câteva luni. Zonele
îngheţate sau acoperite de zăpadă pot prezenta coerenţă în timpul unor
intervale foarte scurte de timp. Cu cât lungimea de undă a senzorului SAR
este mai mică, cu atât decorelarea temporală este mai rapidă. Pentru
aplicaţiile InSAR, sunt recomandate imaginile preluate în timpul misiunilor
tandem (ERS-1/ERS-2 Tandem, ERS-2/ENVISAT şi viitoarea misiune
TanDEM-X) deoarece decorelarea temporală este redusă sau inexistentăŞ
momentul preluării – imaginile preluate pe timp de noapte sunt mai puţin
afectate de efectele atmosferice. De asemenea, este recomandată evitarea
imaginilor SAR înregistrate în zilele cu temperaturi foarte ridicate deoarece
aerul cald poate reţine mult mai mulţi vapori de apă decât cel rece,
conducând astfel la apariţia artefactelor atmosferice. În plus, o importanţă
deosebită este prezentată de anotimpul în care sunt preluate imaginile
InSAR: perechile de imagini preluate în sezonul uscat asupra zonelor
acoperite de vegetaţie prezintă o coerenţă mai mare decât cele preluate în
timpul sezonului ploios;
43
coerenţa - pentru generarea modelului digital al terenului, imaginile SAR
complexe trebuie preluate la un interval de timp cât mai scurt pentru a
minimiza orice fel de modificări care pot apărea în spaţiul obiect.
Modificările pot fi sezoniere, însă coerenţa este în principal afectată de
schimbări rapide, care afectează procesul de calcul al fazei interferometrice
şi de desfăşurare a acesteia;
condiţiile meteorologice – influenţează în mod direct coerenţa. Astfel, este
recomandată evitarea înregistrărilor efectuate în condiţii de ploaie, ninsoare
sau vânt puternic. Aceste informaţii pot fi extrase din arhivele disponibile
pe Internet;
tipul de relief şi acoperirea terenului – de exemplu, zonele acoperite de
vegetaţie sau apă nu sunt coerente sau prezintă o coerenţă foarte scăzută,
chiar şi în intervale de timp foarte scurte.
3. Factorii care influenţează calitatea fazei interferometrice
Alegerea imaginilor InSAR reprezintă o etapă extrem de importantă pentru
prelucrarea interferometrică ulterioară, având un impact puternic asupra calităţii
rezultatelor finale. Atunci când cele două imagini SAR complexe nu sunt preluate
simultan, faza interferometrică totală este generată de:
zgomotatmosferadeformaretopografieelipsoidtotal (7)
unde:
elipsoid= componenta fazei interferometrice provocată de curbura Pământului
topografie= componenta fazei interferometrice provocată de topografia terenului
44
deformare= componenta fazei interferometrice provocată de deplasarea/deformarea
terenului
atmosfera= componenta fazei interferometrice provocată de atmosferă
zgomot= componenta fazei interferometrice provocată de zgomot
Componenta fazei interferometrice provocată de curbura Pământului poate fi
eliminată prin utilizarea unui elipsoid de referinţă. Atunci când este disponibil un
model digital al terenului, cu o precizie ridicată, atât componenta fazei
interferometrice provocată de curbura Pământului, cât şi cea determinată de
topografia terenului, pot fi eliminate simultan. Pe baza acestui model este generată
interferograma sintetică, care ulterior este scăzută din interferograma filtrată.
Componenta fazei interferometrice determinată de deplasarea/ deformarea
terenului este zero atunci când imaginile InSAR sunt preluate la un interval scurt
de timp. Condiţiile atmosferice diferite (umiditate, temperatură şi presiune
atmosferică) între cele două preluări au un impact vizibil asupra fazei
interferometrice. În general, acest efect este limitat într-un interval de 2π. Efectul
atmosferic influenţează atât determinarea altitudinii (în special în cazul bazelor de
preluare scurte) cât şi a deformaţiilor terenului. Efectele provocate de atmosferă
trebuie eliminate din interferogramă pentru a nu conduce la interpretări eronate ale
rezultatelor obţinute pe baza acesteia. Metodele de eliminare a acestor efecte
constau în utilizarea mai multor perechi de înregistrări interferometrice sau a
tehnologiei PSI. Zgomotul fazei interferometrice este eliminat prin aplicarea unor
filtre adaptive şi prin compresia interferogramei.
45
4. Etape de generare a modelului digital al terenului
Imaginile SAR complexe utilizate pentru generarea interferometrică a modelului
digital al terenului se aleg în funcţie de criteriile enumerate în paragraful IV.2. Un
parametru deosebit de important este reprezentat de baza de preluare a celor două
imagini InSAR. Înainte de realizarea primei etape de prelucrare, pot fi integrate
efemeridele corectate ale satelitului (efemeride precise) care măresc precizia de
registraţie a imaginilor şi de determinare a bazei perpendiculare de preluare.
Registraţia geometrică a imaginilor InSAR se realizează în două etape. Mai întâi
este efectuată registraţia aproximativă a imaginilor, pe baza parametrilor orbitei. În
cea de a doua etapă, este executată registraţia precisă la nivel de sub-pixel, prin
identificarea automată a punctelor de legătură în cele două imagini. În cazul în care
nu sunt disponibile efemeridele precise ale platformei satelitare, atunci trebuie
măsurate câteva puncte de sprijin, cu o precizie ridicată.
Prelucrarea imaginilor InSAR continuă cu reeşantionarea imaginii secundare,
folosind ca referinţă imaginea principală. Registraţia spectrală a imaginilor InSAR
este efectuată în azimut (atunci când valorile Doppler sunt mari) şi în distanţă
înclinată (în cazul în care baza perpendiculară de preluare are o valoare mare).
Urmează generarea interferogramei sintetice, folosind un model digital al terenului
şi parametrii orbitei. Cu alte cuvinte, în această etapă, este estimată componenta
fazei interferometrice provocată de topografia terenului. Calculul interferogramei
este urmat de compresia acesteia (în limba engleză acest procedeu este numit
"multi-looking"), cu scopul de reducere a zgomotului fazei interferometrice.
Prelucrarea interferometrică este continuată cu crearea interferogramei diferenţiale
(compensarea topografiei terenului). O etapă opţională este reprezentată de filtrarea
interferogramei, prin aplicarea unui filtru adaptiv. În continuare, este generată harta
de coerenţă, pe baza căreia este analizată calitatea fazei interferometrice. Pasul
46
următor constă în desfăşurarea fazei, proces care reprezintă cea mai dificilă etapă
de prelucrare interferometrică şi care este subiect de cercetare în comunitatea
ştiinţifică deoarece până în prezent nu a fost dezvoltat nici un algoritm care să
ofere o soluţie unanim acceptată. În concluzie, în unele cazuri, este necesară
editarea fazelor care nu au fost corect desfăşurate. Faza interferometrică absolută
este obţinută prin adăugarea fazei interferogramei sintetice la faza desfăşurată,
pentru fiecare pixel al interferogramei complexe. După această etapă, este realizată
corectarea bazei perpendiculare de preluare, pe baza punctelor de sprijin măsurate
în etapa de registraţie. Toate interferogramele generate până în acest punct sunt
recalculate folosind valoarea corectată a bazei perpendiculare de preluare. În
următoarea etapă, faza interferometrică absolută a fiecărui pixel este transformată
în altitudine (într-o distribuţie neuniformă de puncte de coordonate X, Y şi Z). În
final, modelul digital al terenului este interpolat pentru obţinerea unei suprafeţe
topografice reprezentată prin elemente de suprafaţă finite, de formă pătrată.
47
Registraţia imaginilor
Măsurarea punctelor de sprijin
Generarea interferogramei sintetice
Calculul interferogramei complexe
Calculul interferogramei diferenţiale
Filtrarea interferogramei diferenţiale
Analiza coerenţei
Desfăşurarea fazei
Corectarea bazei de preluare
Generarea şi interpolarea MDT
Analiza preciziei MDT
Corectarea MDT
Filtrarea MDT
Analiza finală a preciziei MDT
48
B. Tehnologii LiDAR
I. Principii utilizate în tehnologiile LiDAR
1. Scanarea laser
Scanarea laser reprezintă o metodă de colectare a unor informaţii geometrice
referitoare la forma şi poziţia unor obiecte, a terenului sau a mediului înconjurător
în general. Datele colectate pot fi ulterior folosite pentru a realiza modele digitale
tridimensionale ale obiectivului scanat.
Tehnologiile de scanare terestră reprezintă subiectul unor dezvoltări uluitoare în
ultimele decenii, devenind, fără echivoc, una dintre cele mai importante modalităţi
de colectare a datelor geospaţiale. Aplicaţiile acestora variază de la simple
modelări ale obiectelor de dimensiuni mai mari sau mai mici până la studii
complexe privind deformaţiile anumitor obiective şi realizarea modelelor digitale
ale terenului sau ale suprafeţei pentru zone întinse. Rezultatul scanării este
reprezentat, de regulă, de un set discret de puncte aparţinând obiectivului scanat,
puncte a căror poziţie raportată la centrul geometric al instrumentului este
determinată într-un sistem de coordonate polare propriu instrumentului de scanare.
Setul de puncte rezultat în urma scanării este cunoscut în literatura de specialitate
sub denumirea de "nor de puncte" ("point cloud"). Însăşi această denumire
sugerează densitatea de informaţii folosite pentru a modela obiectivul, acesta fiind,
de altfel, avantajul major al acestor instrumente.
Principiul sistemelor de scanare se bazează pe tehnologiile RADAR (RAdio
Detection and Ranging) / LIDAR (LIght Detection And Ranging), ce permit
determinarea distanţelor, orientării şi vitezei de deplasare a obiectelor fixe sau
aflate în mişcare cu ajutorul undelor electromagnetice. Diferenţa dintre cele două
tehnologii este reprezentată de lungimea de unda utilizată; în cazul celei din urmă,
49
unda electromagnetică folosită pentru determinări se află în domeniul UV, vizibil
sau infraroşu apropiat.
2. Scurt istoric
Dezvoltarea acestor tehnologii a început în anii 1900 cu detectarea obiectelor
metalice aflate la distanţă [Hulsmeyer, 1994] principiile de realizare a unor astfel
de sisteme fiind însă puse de Nikola Tesla (1917). Utilizate iniţial în timpul celui
de-al doilea război mondial, radarul a devenit apoi un instrument util în multe
dintre aplicaţiile civile.
La începutul anilor ’70, au apărut primele sisteme de scanare utilizate pe platforme
aeropurtate, dar, din cauza lipsei de soluţii pentru georeferenţierea directă a datelor
obţinute, aplicaţiile acestor sisteme s-au rezumat la studii asupra atmosferei, asupra
oceanelor, asupra gheţarilor, etc., o utilizare în modelarea terenului neputând fi în
acel moment realizabilă. În domeniul topografiei şi al geodeziei, mai bine spus în
industria constructoare de instrumente destinate acestor domenii, principiile
tehnologiilor de scanare au fost utilizate iniţial în realizarea instrumentelor de
măsurare a distanţei.
Începând cu anii ’90, după dezvoltarea sistemelor globale de poziţionare, a
sistemelor inerţiale de navigaţie dar şi a unui model matematic pentru integrarea
observaţiilor provenite de la cele doua sisteme, utilizarea sistemelor de scanare
aeropurtate în scopul modelării suprafeţei terestre a devenit posibilă.
50
Figura 19: Utilizarea scanerelor aeropurtate pentru modelarea suprafeţei terestre
Tot în această perioadă au început să apară şi sistemele de scanare terestră pentru
aplicaţii industriale şi topografice dar au găsit aplicabilitate în multe alte domenii
precum arhitectură, arheologie, etc. Utilizarea lor a fost până în ultima perioadă
una statică, în sensul că instrumentul rămâne fix în cadrul unei sesiuni de
măsurători. Raza laser utilizată pentru a măsura distanţa până la cel mai apropiat
obiect este orientată pe diferite direcţii bine definite cu ajutorul unui servomotor
pentru mişcarea în plan orizontal şi prin devierea ei pe baza rotaţiei unei oglinzi cu
viteze foarte mari în plan vertical. Se determină astfel poziţia, dată prin coordonate
polare (unghiuri si distanta), pentru un set de puncte, denumit generic "nor de
puncte".
În cazul în care dimensiunile obiectivelor scanate sunt mari, acestea sunt scanate
prin utilizarea staţionărilor multiple, rezultând astfel mai mulţi "nori de puncte" ce
sunt apoi "uniţi" pe baza unor puncte comune (mărci amplasate pe obiectivul ce
trebuie scanat). Acest procedeu poartă denumirea de registraţie.
51
Pentru a aduce apoi observaţiile realizate într-un anumit sistem de coordonate,
operaţiune cunoscută sub denumirea de georeferenţiere, se amplasează mărci
specifice pe puncte de coordonate cunoscute în spaţiul obiect, puncte ce vor putea
fi apoi uşor identificate în norul de puncte obţinut. De regulă se utilizează
reflectoare specifice instrumentului de scanare. În urma scanării, în cadrul
operaţiunilor de procesare a datelor, norului de puncte i se aplică o transformare
Helmert cu 7 parametri pentru a fi adus în sistemul de referinţă dorit. Deşi
utilizarea sistemelor de scanare aduce un plus evident din punct de vedere al
duratei colectării datelor, comparabil cu metodele clasice de realizare a modelului
suprafeţei terestre, metoda de lucru pentru obiective de dimensiuni mari păstrează
totuşi un minus la capitolul eficacitate.
În prezent, datorită micşorării dimensiunilor sistemelor inerţiale de navigaţie şi a
costurilor acestora, precum şi datorită dezvoltărilor tehnologice în partea de
procesare a datelor, s-au putut dezvolta sisteme terestre mobile de scanare ce
utilizează un sistem integrat GNSS/INS pentru georeferenţierea directă a datelor
scanate. Această nouă tehnologie înlătură lipsa de eficacitate a sistemelor utilizate
în mod static şi propulsează sistemele terestre de scanare mobilă ca lider în
domeniul colectării de date spaţiale. În figura de mai jos se poate observa schema
de ansamblu a unui instrument de scanare produs de firma Riegl (Austria).
52
©RIEGL
Figura 20: Schema de principiu a unui sistem de scanare
(1 – sistemul electronic de măsurare a distanţei; 2 – raza laser utilizată pentru
determinarea punctelor din spaţiul obiect; 3 – oglinda; 4 – servomotor pentru
rotirea în plan orizontal a sistemului optic; 5 – interfaţă de transmitere a datelor
către laptop/PC; 6 – laptop/PC utilizat pentru colectarea datelor; 7 – camera
fotografică; 8 – interfaţă de transmitere a datelor provenite de la camera
fotografică)
3. Metode de determinare a distanţei
Există în principiu două modalităţi de determinare a distanţei:
Prima metodă, cunoscută în literatura de specialitate sub numele de "impuls-ecou",
constă în emiterea unui impuls scurt, dar intens, şi determinarea “timpului de zbor”
53
al acestuia ("time of flight" – TOF). Astfel, instrumentul măsoară precis timpul de
propagare scurs de la emiterea impulsului până la primirea răspunsului său urmare
a reflexiei pe obiectul scanat (vezi figura de mai jos )
A - Instrument B - Obiect
Emitator
Receptor
Impuls emis
Impuls reflectat
Distanta ce trebuie
determinata
Figura 20: Metoda "impuls-ecou" de determinare a distanţei
Astfel, se poate estima distanţa dintre scanner şi obiectul scanat ca fiind egală cu :
2
tvD
(8)
Prin diferenţierea relaţiei precedente se obţine:
22
dtvtdvdD
(9)
Având în vedere că viteza luminii este cunoscută şi bine determinată, în practică,
precizia de determinare a distanţei de la instrument la obiect va depinde doar de
precizia de determinare a timpului de propagare.
Metoda alternativă constă în emiterea continuă a unui fascicul de radiaţie laser, în
locul unui impuls. Determinarea distanţei în acest caz se face prin comparearea
caracterului sinusoidal al undei transmise şi al celei receptate, distanţa rezultând pe
54
baza diferenţelor de fază măsurate. Întrucât undele utilizate au lungimi de undă
foarte mici (1 m), acestea sunt modulate cu ajutorul unui semnal cu o lungime de
undă mai mare ce va fi suprapus peste unda iniţială (în general modulaţie de
amplitudine). Diferenţa de fază (măsurătoarea) nu oferă decât partea fracţionară
din lungimea de undă (), numărul întreg de lungimi de undă (N) dintre scanner
şi obiect rămânând necunoscut (figura 21). Pentru a elimina acest inconvenient,
instrumentul poate schimba structura semnalului modelator, şi estima astfel acest
parametru. Distanţa finală va fi determinată apoi cu:
2
MD
(10)
A doua metodă este utilizată cu precădere pentru instrumentele de scanare terestră,
unde distanţele sunt mai mici, în timp ce pentru scanarea aeropurtată este utilizată
prima metodă, motivul fiind reprezentat de consumul de energie.
Emitator Receptor
A B A
(1) (2) (3) (4)
Semnal emis Semnal reflectat
M
Receptor
Emitator
Semnal emis
Semnal reflectat
Figura 21: Determinarea distanţei prin măsurarea diferenţei de fază
Cele două metode discutate mai sus prezintă doar determinarea distanţei dintre
instrument şi punctul scanat. Pentru a putea obţine poziţia acestuia într-un sistem
de coordonate tridimensional sunt necesare două unghiuri. Scannerele terestre au
incorporate un sistem de deviere a undei emise pe anumite direcţii precis
55
determinate. De regulă, acest sistem este reprezentat de o oglindă sau o prismă
pentagonală ce este rotită cu viteze foarte ridicate în plan vertical. Pentru unghiul
orizontal, instrumentele folosesc un servomotor ce roteşte întregul instrument în
plan orizontal astfel că norul de puncte obţinut va avea o dispunere asemănătoare
celei din figura 22.
Distanţele măsurate împreună cu unghiurile asociate (orizontal si vertical) stau la
baza generării norului de puncte. După cum se poate observa în figura de mai jos,
acesta este alcătuit dintr-un număr de linii (ce alcătuiesc un cadru) iar fiecare linie
este alcătuită dintr-un număr relativ mare de puncte. Un cadru poate conţine sute
sau chiar mii de linii în funcţie de capabilităţile instrumentului şi de necesitatea
utilizatorului. Instrumentele sunt astfel construite încât să asigure o densitate foarte
mare de puncte pe o linie iar aceasta să fie realizată rapid, lucru posibil prin rotirea
oglinzii cu care este prevăzut scanerul cu o viteza foarte mare.
Axa
ve
rtic
alã
a in
str
um
entu
lui
Plan orizonal Profile
sca
nateScanare
azimutala
Figura 22: Reprezentare schematică a modului de scanare
pentru cazul în care instrumentul este fix
56
După cum a fost prezentat mai devreme există şi posibilitatea pentru anumite
instrumente să lucreze în regim dinamic, în sensul în care instrumentul este
amplasat pe o platformă purtătoare iar scanarea se face în timpul mişcării.
Diferenţele dintre cele două tehnologii sunt substanţiale atât din punct de vedere al
modului în care se efectuează scanarea dar şi din punct de vedere al tehnologiilor
utilizate. Diferenţa majoră o constituie modul de referenţiere a datelor spaţiale
colectate. Poziţiile punctelor colectate sunt determinate prin coordonate polare şi
raportate la un sistem de coordonate propriu al scannerului (de regulă având
originea în centrul geometric al instrumentului). Pentru a putea raporta norul de
puncte la un anumit sistem de referinţă, în cazul scanărilor terestre fixe, se
amplasează în spaţiul obiect reflectoare speciale a căror poziţie este determinată în
prealabil cu precizie în sistemul de referinţă ales. Ulterior, în cadrul post-procesării
datelor, norul de puncte este transcalculat în sistemul solicitat. În ceea ce priveşte
scanarea terestră mobilă, georeferenţierea norului de puncte obţinut este un
procedeu mult mai complicat, întrucât poziţia centrului geometric al scanerului, şi
implicit a originii sistemului de coordonate propriu instrumentului, variază
continuu. De aceea, un prim pas pentru a putea rezolva această problemă îl
constituie determinarea traiectoriei pe care o parcurge instrumentul. Aceasta se
realizează prin introducerea în platforma purtătoare a unui sistem de navigaţie
bazat pe tehnologii de navigaţie satelitare şi inerţiale. Sistemul de navigaţie trebuie
sincronizat cu sistemul de scanare pentru a şti ulterior unde se afla scannerul în
momentul măsurării distanţelor către punctele din spaţiul obiect. Fiecare punct va
primi astfel o marcă de timp ce va fi folosită în procesul de generare a datelor în
post-procesare.
Nu trebuie făcută confuzia între scanarea terestră mobilă, în cadrul căreia scanarea
are loc continuu în timpul mişcării platformei purtătoare, şi scanarea statică de pe
57
platforme purtătoare mobile în care instrumentul de scanare este amplasat pe
platforme purtătoare, pentru o utilizare mai rapida şi un transport mai comod, dar
care în timpul procesului de scanare rămâne fixă.
Sistemul aflându-se în mişcare, scanarea pe cadre nu mai are sens. De aceea, în
scanările mobile singura deviaţie a razei laser rămâne cea verticală dată de rotaţia
oglinzii, scanând astfel doar linii ce nu mai alcătuiesc cadre. Direcţia de scanare
este de regulă perpendiculară pe direcţia deplasării platformei purtătoare.
Din cauza deplasării vehiculului în timpul scanării unei linii, norul de puncte va
avea o formă spiralată. O reprezentare schematică a acestuia poate fi analizată în
figura 23. Distanţa dintre profilele (liniile) realizate depinde de viteza cu care se
deplasează platforma şi de viteza cu care se roteşte sistemul de deviere a razei
laser. Numărul de puncte dintr-un profil este direct proporţional cu rata de achiziţie
a sistemului de scanare.
După cum a fost menţionat mai devreme, pentru a putea reconstrui norul de puncte
trebuie cunoscută traiectoria platformei şi înclinările acesteia pe timpul efectuării
observaţiilor. Ultimele tehnologii dezvoltate utilizează împreună cu sistemul de
navigaţie GNSS/INS şi diverse alte echipamente pentru a determina mai bine
traiectoria platformei. Datele înregistrate de scaner (punctele determinate) trebuie
sincronizate cu echipamentele de determinare a traiectoriei. D
Figura 23: Imaginea schematica a norului de puncte in scanări cinematice
