Teledetectia aplicata apelor costiere

In prezent sunt utilizate datele de teledetectie provenite de la diferiti senzori, instalati la bordul satelitilor aflati pe orbita.

Pricincipalii factori care determina gradul de utilitate al datelor de teledetectie sunt cei determinati de :

caracterisiticile de rezolutie temporala si spatiala;

capacitatea algoritmilor de prelucrarea a datelor de teledetectie de a extrage parametrii geofizici necesari aplicatiilor specifice.

In prezent, majoritatea datelor privind starea zonelor costiere este obtinuta prin analiza determinarilor 'in situ' , modelelor locale si partial prin masuratori de teledetectie aeriana si stelitara. Datele 'In situ' si observatiile aeriene sunt destul de costisitoare si de aceea fluxul de date astfel obtinut este limita atat spatial cat si temporal. In numeroase proiecte de cercetare a fost dovedit faptul ca datele de teledetectie pot fi utilizate cu succes la obtinerea de parametri cam sunt temperatura, turbiditatea si productia primara . In cateva cazuri, teledetectie este folosit la monitorizarea operationala dar acoperirea cu nori face dificila obtinerea in mod regulat de date. Datele de teledetectie ofera insa o privire sinoptica si pot constitui un important surplus de date in completarea datelor 'in situ'.

Exista insa cateva obstacole destul de importante ce impiedica utilizarea datelor de teledetectie in cadrul unui sistem operational. Fara indepartarea acestor obstacole, datele de teledetectie vor ramane in zona cercetarii fara a putea fi utilizate la mangementul operational al zonelor costiere. Aceste obstacole sunt explicate in tabelul urmator (Tabel II.1‑ ).

Rezolutia spatiala si precizia datelor de teledetectie sunt parametri deosebit de importanti. Pana de curand rezolutia spatiala a senzorilor de teledetectie era destul de limitata, rezultatele aveau o precizie mult scazuta fata de cea a masuratorilor de la suprafata marii. In viitorul apropiat, se pare ca in ceea ce priveste culoarea suprafetei marii, precizia datelor de teledetectie se va incadra in limitele erorii standard de determinare in situ.

Ceea ce trebuie subliniat este faptul ca desi masuratorile efectuate asupra esantioanelor de apa sunt precise si permit obtinerea mai multor parametri, atunci cand intervine necesitatea de extrapolare a acestor rezultate, izoliniile rezultate ofera o precizie inferioara celei a hartilor tematice derivate din imaginile satelitare. Se pune deci problema sa comparam precizia celor doua metode la nivel de harti spatio-temporale si nu la nivel de esantion, respectiv masuratoare asupra unui pixel.

I.1.1     Precizia spatiala si temporala

O caracteristica a datelor de inalta rezolutie este faptul ca volumul de date trimis de satelit este deosebit de mare. O rezolutie marita, pe langa volumul mare este insotita de o reducere a latimii benzii si deci a perioadei de esantionare. Din aceasta cauza trebuie facut un compromis intre o acoperire globala la perioade adecvate pentru studii oceanografice si rezolutia datelor, care in acest caz, nu au o precizie atat de mare pe cat ar trebui. Se pare insa, ca generatia activa a senzorilor dedicati studiilor oceanografice cu o rezolutie de 1 km: SeaWiFS, AVHRR) este destul de potrivita pentru identificare anumitor trasaturi ale apei, in special pentru marile deschise si pentru zonele costiere.

In ceea ce priveste rezolutia spatio-temporala, multi din satelitii de teledetectie, acopera zone intinse dar la o rezolutie prea scazuta pentru studiile costiere si monitorizarea apelor interioare. (altimeter, scatterometer, Meteosat).

Scara spatiala ce permite masurarea proceselor si parametrilor costieri, semnificativi pentru apele costiere si interioare sunt cuprinse intre cativa metri si cativa km. Se poate spuna desi rezolutia datelor de teledetectie nu este suficienta pentru a defini un proces in detaliu, teledetectia ofera o privire de ansamblu atat din punct de vedere temporal cat si spatial.

Tabel II.1 Avantaje si dezavantaje la utilizarea teledetectiei in studii costiere

Este evident faptul ca senzorii optici de inalta rezolutie, asa cum sunt SPOT, Landsat Thematic Mapper (TM), Landsat ETM⁺ precum si radarele cu deschidere sintetic, sunt mai potriviti decat senzorii cu rezolutie mai scazuta, cum sunt scaterometrele si radiometrele in domeniul microundelor, sau chiar senzori cu rezolutie medie (SeaWiFS, AVHRR) la care un pixel are aproximativ un km.

tabel II.1 . Scarile spatiale si aplicabilitatea datelor de teledetectie la studiul apelor costiere si interioare

tabel II.1 . Principalii senzori de teledetectie disponibili pentru scarile 2 si 3 - zone costiere si ape interioare

Pentru procesele cu un ritm de progres de cteva zile, si care pot fi observate la o rezolutie a imaginii de 1 km, mai multi senzori de teledetectie sunt extrem de folositori. O limitare majora a utilizarii acestora este acoperirea cu nori, care este un fenomen destul de frecvent in zonele marine / costiere.

Instrumentul SAR, care este independent de acoperirea cu nori, este limitat de ciclul de repetabilitate. In timpul ciclului de repetatibilitate, pe perioada cand ERS1 si 2 au lucrat in tandem (un interval de o zi intre doua preluari de imagini) s-a demonstrat ca multe procese marine pot fi monitorizate cu ajutorul acestui senzor. Din pacate, multe procese se desfasoara cu o viteza mai mare decat ciclul de repetare al SAR .

In prezent, doar satelitii geostationari ofera o rezolutie temporala potrivita monitorizarii zonelor marine- cand sunt necesare observatii de cateva ori pe zi. Rezolutia spatiala a acestor sateliti este prea slaba pentru zonele costiere, ea fiind potrivita pentru monitorizarea proceselor marine la nivel regional si global.

I.1.2     Cerintele pe care trebuie sa le indeplineasca datele de teledetectie in activitatea de monitorizare a calitatii apei

I.1.2.1     Documente de referinta pentru politica europeana de mediu

A.     Poluare marina

Conventia din 1972 de prevenire a poluarii marine prin aruncarea reziduurilor si a altor materiale (London Convention)

Conventia internationala din 1973 de prevenire a polarii mari de catre nave (MARPOL Convention)

Conventia din 1974 de prevenire a poluarii marine din surse aflate pe uscat (Paris Convention)

Acordul din 1983 de Cooperare in rezolvarea problemelor de poluare a Marii Nordului cu petrol si alte substante daunatoare (Bonn Agreement)

Conventia din 1974 si 1992 de protectie a mediului marin in zona Marii Baltice (Helsinki Convention, HELCOM)

Conventia din 1992 Pentru protectia Mediului marin in Atlaticul de Nord-est (Oslo and Paris Conventions, OSPARCOM)

Uniunea Europeana este parte la toate aceste tratate cu exceptia Conventiei de la Londra si a Conventiei MARPOL, care au fost semnate de Franta, Germania si altele. Conform Conventiei de la Paris, (Articolul 10), partile semnatare au hotarat se dezvolte programe de cercetare stiintifica si tehnologica. Partile semnatare ale conventiei de la Helsinki , in 1992, au fost de acord sa colaboreze in domenii ale stiintei si tehnologiei, sa faca schimb de informatii si mai ales sa dezvolte programe avand ca scop punerea la punct a unor metode de evaluare a mediului, estimarea nivelului de poluare, precum si a riscului de poluare in zona Marii Baltice (Articolul 24). Articolul 20 al conventiei de la Helsinki stipuleaza obligatii speciale al Comisiei Europene: sa urmareasca punerea in aplicare a hotararilor Conventiei, sa faca recomandari asupra masurilor ce se impun in continare si sa promoveze cercetarea stiintifica si tehnologica.

Conventiile de la Oslo si Paris prevad ca partile trebuie sa puna la punct programe de cercetare stiintifica iar rezultatele sa fie transmise si altor parti.

In general, toate partile semnatare ale conventiilor mentionate sunt obligate sa colecteze date privind starea marii si sa foloseasca sisteme de monitorizare in vederea obtinerii unei situatii a starii de fapt a poluarii marine. O asemenea monitorizare se poate obtine prin exploatarea datelor furnizate de satelitii de observare ai pamantului NOAA 1-9, ERS-1-2, Envisat, Seastar; Radarsat, SPOT,Landsat).

Prin decizia 86/85 EEC a Consiliului Europei din 6 Martie 1986 " Establishing a Community Information System for the Control and Reduction of Pollution caused by the Spillage of Hydrocarbons and Other Harmful Substances at Sea" s-a stabilit realizarea unui sistem informational care sa furnizeze autoritatilor competente ale tarilor membre toate datele necasare controlului si reducerii poluarii prin dispersia de hidrocarburi si alte substante nocive in mare. In caz de accidente, cantitatea de poluant, in special hidrocarburi, poate fi evaluata utilizand satelitii de teledetectie (ERS-l and ERS-2; Envisat; RADARSAT; SPOT; LANDSAT; TERRA ).

B.     Poluarea apelor interioare

Conventia din 1992 privind protectia si utilizarea cursurilor de apa transfrontaliere si a lacurilor internationale. Obiectivul acestui tratat, ratificat de Uniunea europeana, este sa protejezee mediul de efectele distructive ale utilizarii apelor transfrontaliere de catre oameni. Este mentionata obligatia generala a partilor de a lua toate masurile ce se impun pentru a proteja, controla si reduce orce poluare transfrontaliera, definita ca "efect advers semnificativ asupra mediului, rezultat din modificarea conditiei apelor tranfrontaliere, atunci cand acesta este cauzat de actiunea umana".

Conventia din 1976 pentru protectia Rinului impotriva poluarii chimice. Partile la aceasta conventie sunt Franta, Germania, Luxemburg, Olanda, Elvetia si Uniunea Europeana.

I.1.3     Necesitatile informationale geospatiale si de mediu ale Uniunii Europene

Pot fi identificate cinci aspecte importante ale politicii de mediu a uniunii Europene:

1.Dezvoltarea regionala necesita o planificare spatiala. Datele satelitare au inceput sa furnizeze tot mai multe date statisticilor de dezvoltare urbana sau de acoperire/ folosinta a terenurilor. Sunt luate in considerare protectia mediului, modificarile liniei de tarm, alte procese costiere.

2. Managementul resurselor terestre si maritime - in special a celor agricole. DGVI (Directoratul General VI) este cel mai activ utilizator de informatie EO din cadrul Comisiei Europene (estimarea recoltelor, controlul fraudelor ). Zonele costiere, raurile si lacurile sunt afectate de compusii organici folositi in agricultura, cauzand poluarea apei.

3. Conventiile de mediu. Uniunea Europeana a contrasemnat o serie de conventii legate de poluare, conservarea diversitatii biologice, energie, probleme legate de schimbarile climatice. Multe din aceste acorduri se refera direct sau indirect si la zonele costiere, habitatul marin si rezervele de apa dulce. Modificarile climatice vor avea un impact pe termen lung asupra parametrilor cum sunt: nivelul marii,temperatura apei si marimea valurilor. Diversitatea biologica necesita protectia habitatului marin, a ecosistemelor costiere, a ecosistemelor rau/lac si a terenurilor joase, mlastinoase.

4. Indicatorii de mediu: instrumente capabile sa masoare progrsul realizat in directia protectiei mediului pe termen lung. Cantitatile direct masurabile sunt necesare pentru a realiza statistici privind resursele de apa ale subsolului si de la suprafata, managementul apei uzate, degradarea zonelor costiere datorita poluantilor transportati de catre rauri, poluarea directa a marii din cauza deversarii de produse petroliere, eroziunea costiera. Biodiversitatea necesita estimarea habitatelor, cuantificarea parametrilor ce descriu calitatea apei . Indicatorii specifici, relevanti pentru zonele costiere, asa cum sunt prezentati in Eurostat [JRC*]:

eutroficatia

pescuit excesiv

dezvoltarea urbana in lungul tarmului

prezenta metalelor grele in suspensiile minerale

poluare cu petrol

compusi organici halogenati

pentru evaluarea nivelului de poluare a apei sunt luati in considerare urmatorii parametri:

prezenta nitratilor si a fosfatilor (N+P) (echivalent al eutroficarii)

pierderea apei din sol

pesticide / hectar, folosite in zonele agricole

Azot/ hectar utilizat in zonele agricole

Apa tratata/ apa colectata

emisii de materii organice, cum este BOD

indicii de prezenta a metalelor grele in apa

5. Securitate si risc. Efectul dezastrelor naturale in zonele costiere poate fi foarte mare. Datele de teledetectie pot contribui intr-un mod semnificativ la supravegherea poluarii cu petrol, monitorizarea inundatiilor, estimarea pagubelor produse.

Pentru a rezolva aceste probleme este nevoie de o procedura standardizata de control a calitatii datelor. Comparabilitatea datelor este inca o problema nerezolvata. Este obligatorie armonizarea nomenclaturii parametrilor masurabili, a metodelor analitice, precizia datelor, rezolutia spatio-temporala.

Metodele de colectare a datelor specifica doar tehnici de analiza si nu au in vedere implicarea tehnicilor de teledetectie

I.1.3.1     Criterii de evaluare a calitatii apei

Variabilele de evaluare a calitatii apei [Kristensen and Bogestrand, 1996] sunt grupate in categorii mari:

Variabile de baza

Indicatori de poluare organica

Suspensii si particule in apa

Indicatori de aciditate

Principalii ioni specifici

Metale

Micro-polunti organici

Indicatori de radioactivitate

Indicele microbiologic

Indicatorii biologici.

Fiecare tara are propriul program de monitorizare a calitatii apei. Progamele includ directive, institutiile responsabile, categoriile de parametri masurati, frecventa masuratorilor, densitatea lor, perioada de operare, acoperirea geografica.

Studii recente [Kristensen et al] arata ca aceste detalii sunt mult diferite de la tara la alta si deci sunt departe de reprzenta un standard comun. In cadrul acestor programe nu sunt mentionate criterii de clasificare justificate stiintific, se fac putine specificatii in ceea ce priveste nomenclatura parametrilor monitorizati, precizia spatio-temporala necesara datelor de supraveghere a calitatii apei.

Cerintele ce trebuie indeplinite pentru monitorizarea apei

In cadrul raportului "Requirements for water monitoring" , [Nixon et al., 1996 ] sunt trecute in revista activitatile prezente in tarile Cominitatii Europene de monitorizare a apei. Acest raport se doreste un punct de plecare pentru a dezvolta o politica comuna europeana in domeniul calitatii apei. Sunt descrise in amanuntime (asa cum sunt prezente in cadrul legislatiei europene si a tratatelor in vigoare)cerintele privind nomenclatura si procedurile de colectare a datelor pentru estimarea parametrilor privind calitatea apei din subsol, de la suprafata, din mediile costiere si marine, impruna cu metodologiile frecventa de colectare a datelor, localizarea statiilor de esantionare, densitatea punctelor de preluare a esantioanelor, aspecte ale tratarii apelor uzate si poluate, precum si controlul calitatii datelor.

Raportul prezinta cele patru tipuri de directive care sunt utilizate de Comunitatea europeana (folosinta, industrie, substante, produse). Legislatia Europeana cuprinde 20 directive/ decizii , in plus, exista mai mult de 40 acorduri internationale care contin prevederi asupra folosintei si monitorizarii apelor interioare. Cerintele specificate atat in aceste directive cat si in acorduri au fost concepute in mod independent si evident nu sunt armonizate si sunt departe de a fi standardizate. Frecventa de preluare a probelor variaza mult si este neclar daca la baza acestor prevederi au stat considerente stiintifice si statistice pentru aprecierea cantitativa a riscului. In cele mai multe cazuri directivele si acordurile nu specifica nici un standard de control analitic al calitatii datelor.

Cele mai multe din metodele de analiza prevazute in aceste documente sunt metode de laborator si multi parametrii sunt prevazuti a fi masurati prin metode diferite, in functie de directiva specifica. Nici una din aceste directive nu prevede utilizarea metodelor de teledetectie in acest scop.

In ceea ce priveste precizia masuratorilor, aceasta nici nu este specificata de cele mai multe ori, iar atunci cand este luata in considerare, ea este exprimat ca procent dintr-o concentatie de referinta, care insa difera de la un act normativ la altul.

Parametrii specifici bazelor de date privind calitatea apei

[ France et al., 1996 ]

Acest raport catalogheaza si eplica pe scurt informatiile continute in bazele de date asociate cu programele internationale de monitorizare relevante fata de necesitatile, inclisiv cele care sprizina conventiile Europene si din afara Europei.

Raportul identifica in special programele focusate pe calitatea apei : patru pentru raurile europene, sapte pentru lacuri doua pentru estuare, noua pentru ape costiere, doua pentru ape subterane. Discriminantii sunt clasificati astfel:

estetici (culoare, materiale care plutesc, surfactanti )

chimici (aciditate, calciu, cloride, cianide, fluoride, etc.)

metale (aluminiu, arsenic, boron, zinc, etc.)

microbiologice (coli, salmonella, total bacterii, etc.)

nutrienti (ammoniac, azot, etc.)

poluare organica (BOD, COD, carbon organic, oxigen dizolvat, etc.)

fizici si fizico-chimici (debit, nivrl, pH, temperatura, etc.)

radioactivitate (emisii alpha, cesium, strontium, etc.)

substante organice sintetice (PCB, DDT, BHC, HCH, etc.).

principalul produs al acestui raport este o baza de date care contine informatii de natura sa faciliteze o rapida identificare a localizarii geografice, tipul de esantioane si amplasarea lor (satie pe lac, satatie de sediment, crescatorie de peste, atatie termo-pluviometrica, statie de calitatea apei ) determinantii masurati si acoperirea temporala a datelor .

Este evident ca nu exista o armonizare a nomenclaturii pentru parametrii de calitate a apei ca trebuie masurati.

Proiectul European de monitorizare a apei [Nixon, 1996]

In aceasta publicatie sunt prezentate conceptele proiectarii unei retele de monitorizarea apei dulci in vederea obtinerii de informatii cantitative si calitative in timp util de la toate statele EEA astfel incat sa poata fi realizate comparatii temporale si spatiale si in acelasi timp sa poata fi definite principalele probleme de mediu cu care se cunfrunta comunitatea . Problemele de mediu se pot clasifica in :

modificari ale climatului :efecte asupra ciclului hidrologic, ridicarea nivelului marii (salinizarea apelor dulci), efecte colaterale asupra ecosistemului

acidificatie

managementul apei dulci: rezerve de apa dulce, calitatea apei (Poluarea apei freatice, eutroficare, poluare organica (inclusiv agenti patogeni), alte modificari fizico-chimice

Programele nationale de monitorizare includ cele mai comune variabile: pH, conductivitate, alcalinitate, carbon organic total, nitrat, potasiu, calciu, magnesiu, sodium, sulfati si cloruri, precum si diferiti compusi cu aluminiu. Cateva programe de monitorizare includ masuratori ale fosforului total si ale azotului total. Nivelul de acidifiere este masurat cu ajutorul unor indicatori biologici asa cum sunt zoobenthos, fitoplancton, si pesti.

Parametrii de calitate ai apei freatice se pot imparti in urmatoarele grupuri:

a)     parametri descriptivi (conductivitate, pH, turbiditate, miros);

b)     ioni principali;

c)     parametri suplimentari( bor, fluoriuri, cianide, benzen hidrocarbonat);

d)     metale grele ;

e)     substante organice inclusivg solventi chlorinati ( trichloroethene; tetrachloroethene; 1,1,1 trichloroethane; 1,1-dichloroethene);

f)      pesticide (ierbicide, insecticide).

Nu exista o standardizare in nomenclatura parametrilor masurabili ai apei dulci. Nu exista concepte generalizate in ceea ce priveste cerintele de rezolutie spatiala si temporala a masuratorilor.

Raportul sugereaza o lista de parametri primari si secundari care trebuie determinati in cadrul retelei de monitorizare a apei dulci (rauri, lacuri ):

Indicatori biologici (macro-nevertebrate, peste, fitoplancton, clorofila);

Determinanti descriptivi(oxigen dizolvat, pH, alcalinitate, conductivitate, temperatura, solide suspendedate);

debit (debit, nivel);

Determinanti aditionali (cerere biochimica de oxigen , cerere chimica de oxigen, carbon organic total, disc Secchi, fractii aluminiu);

Nutrienti (fosfor total, fosfor solubil reactiv, nitrati, nitriti, amoniac, azot organic, azot total),

Ioni principali (calciu, sodiu, potasiu, magnesiu, cloruri, sulfati, bicarbonati),

Metale grele (cadmiu, mercur);

pesticide;

Alte substante organice sintetice (PAH, PCBs);

microbi(bacterii coli total si fecale, streptococci, salmonella, entero-virusi);

radionuclides , activitate totala alpha si beta , Caesium 137).

Raportul specifica explicit ca nu sunt incluse masuratori de teledetectie.

Aceste tehnici sunt:

Fizice: culoare, turbiditate, solide suspendate, conductivitate, presiune, adancime, nivel, densitate, temperatura, debit, debit volumetric ,

Electrochimice: pH, amoniac, nitrati, bromuri, calciu, dioxid de carbo, cloruri, metale, cianuri, fluoruri, REDOX, oxigen dizolvat,

Colorimetrie: amoniac, nitrati, nitriti, fosfati, cloruri, fluoruri, sulfhati, metale, mangan, fenoli,

Metode de inalta si joasa temperatura: nasuratori carbon organic

Respirometre: BOD si toxicitate.

Chromatografie cu gas si HPLC: pentru fenoli si alte substante organice.

Precizia acestor metode este intre 5-10 %,

I.1.4     Cerinte pe care trebuie sa le indeplineasca datele de teledetectie, asa cum au reiesit din studiile pentru segmentul utilizatorilor

Una din trasaturile predominante ale sectorului utilizatorilor este lipsa de cunostinte si lipsa de informatii in ceea ce priveste capacitatea datelor de teledetectie pentru determinarea riscului de inundatii, monitorizarea sedimentelor in suspensie (concentratie si transport), prevenirea si reactia rapida in cazul poluarii cu substante daunatoare (accidental sausistematic), precum si informatii privind estimarea starii trofice a apei si a ecosistemului. Aceasta lipsa este pusa in evidenta in toate rapoartele de cercetare care se refera la produse derivate din analiza datelor de teledetectie (harti, harti tematice) si nu sunt identificati parametri, care fiind obtinuti din datele de teledetectie, pot fi integrati cu parametrii obtinuti prin alte metode, oferind astfel o sursa de date pentru sistemele de suport decizional.

I.1.5     Cerintele datelor de teledetectie pentru monitorizare costiera

Misiunile de teledetectie destinate monitorizarii zonelor costiere, asa cum au fost identificate in raportul ESA* :" Coastal Zones: A survey of data requirements of the operational community", 1995, trebuie sa indeplineasca anumite conditii si cerinte pentru a putea rezolva problemele legate de monitorizarea proceselor costiere naturale si induse de activitatea umana, mai ales cele economice si de transport. Cele mai importante cerinte sunt:

Eatinderea in timp a observatiilor : lunga si foarte lunga (de la un an la 20)

Precizia: precizia de determinare a parametrilor se cere a fi cuprinsa intre 1-10 %, dar este ceruta o precizie de 0.1 % pentru parametrii biogeochimici.

Rezolutia spatiala: sub 500 m pentru trasaturile tarmului, interiorul uscatului si parametrii bio-geo-chimici, si 1-10 km pentru parametrii suprafetei apei.

Rezolutia temporala: 1-6 ore pentru parametrii ce afecteaza suprafata apei, 1 zi pentru parametrii privind interiorul uscatului si parametrii bio-geo-chimici

Prognoza: 10-30 zile.

Legatura intre rezolutia spatiala si : 10 km - 1 zi, <500 m - timp real sau monitorizare de lunga durata

Principalii parametri urmariti sunt:

Nivelul marii;

Interactia dintre tarm si marea deschisa;

Caracteristicile valurilor;

Curentii si circulatia lor;

Furtuni;

Maree rosii si infloriri algale;

Fronturi de scara medie;

Vartejuri;

Fluxuri estuariene;

Poluare cu petrol;

Pelicule naturale

Ecosistem marin;

Biomasa pentru terenurile mlastinoase de coasta;

Utilizarea terenurilor costiere;

Fronturi de estuar;

Eroziune pe termen scurt si lung

Batimetria apelor in apropierea coastei

Capacitatea de observare a cestor parametri din punct de vedere al repetitivitati si al rezolutiei spatiale si radiometrice.

I.2.1     Definitii si parametri specifici opticii apei

Intre fluxul radiant F si intensitatea radianta i exista relatia:

dI = d²F / d    ecuatia II.2

iradianta E

dE = d²F / ds = dI cosq / r²    ecuatia II.2

Radianta L

L = d²F / ds cosq d = dI / ds cosq ecuatia II.2

A.     Definitii

Reflectanta: raportul dintre fluxul radiant si fluxul incident: = F_r / F₀

Transmitanta: raportul dintre fluxul radiant transmis si fluxul radiant incident

T = F_t / F₀ ecuatia II.2

Absobtanta: Raportul dintre pierderea in fluxul radiant pierdut dintr-o raza datorita absorbtiei fluxului

A = F_a / F₀ ecuatia II.2

Imprastiere: Raportul dintre fluxul radiant imprastiat si fluxul incident

B = F_b / F₀ ecuatia II.2

Atenuare: Raportul dintre fluxul radiant pierdut dintr-un fascicul infinit de ingust datorita absorbtiei si imprastierii si fluxul incident

C = F_c / F₀ ecuatia II.2

1 - C = (1 - A)(1 - B) = T    ecuatia II.2

Coeficient de absorbtie: Absorbanta interna a unui strat infinit de subtire a mediului, normal la raza, impartita la grosimea stratului (r)

a= -DA / Dr ecuatia II.2

pentru un mediu omogen: ar = -ln(1 - A)

Coeficient de imprastiere: Imprastierea interna a unui strat infinit de subtire a mediului, normal la raza, impartita la grosimea stratului (r)

b = -DB / Dr ecuatia II.2

pentru un mediu omogen: br = -ln(1 - B)

Coeficient de atenuare: Atenuarea interna a unui strat infinit de subtire al mediului normal la raza, impartit la gorsimea stratului (r)

c = -DC / Dr ecuatia II.2

c = a + b ecuatia II.2

pentru un mediu omogen: cr = -ln(1 - C) = -ln(T

Impreuna cu functia de imprastiere in volum (distributia unghiulara a luminii imprastiate de unitatea de volum), coeficientii de absorbtie, imprastiere si atenuare reprezinta proprietatile optice inerente ale apei. Aceste cantitati nu sunt dependente de campul de distributie al luminii

Iradianta sau reflectanta de volum: raportul dintre iradianta emergenta si cea imergenta la o anumita adancime

R Eu / E_d ecuatia II.2

Coeficientul de atenuare al unei cantiati H (ex. radianta, iradianta): gradientul vertical al logaritmului cantitatii

K = -d(ln H) / dz = -(1 / H)(dH / dz) ecuatia II.2

Reflectanta de volum si coeficientul de atenuare difuza reprezinta proprietatile optice "aparente" ale apei. Aceste cantitati sunt dependente de campul de distributie al luminii.

Indice refractiv -Viteza de faza a energiei radiante impartita de viteza de faza a aceleiasi energii intr-un mediu specificat. Este egala cu sinusul unghiului de incidenta (in vid) supra sinusul unghiului de refractie - se noteaza cu 

Lungime optica: Lungimea geometrica a unui drum, multiplicata cu coeficientul total de atenuare asociat drumului optic.

= cr ecuatia II.2

I.2.2     Proprietatile optice ale suprafetelor de apa

A.     Radiatia incidenta globala

Transferul radiativ in coloana de apa in medii naturale, asa cum sunt lacurile, marile si oceanele, este determinat de radiatia globala incidenta pe suprafata apei. Modificarea radiatiei solare in atmosfera este datorata in principal fenomenelor de imprastiere, acestea elimininand o importanta parte din radiatia cu lungimi mici de unda a Soarelui. In acest fel se formeaza doua componente de natura diferita: componenta directa a radiatiei, care acopera o portiune importanta a spectrului (290 nm to 3000 nm), in timp ce a doua este radiatie cerului care domina in lungimile scurte de unda si este difuza. Distributia spectrala a radiatiei globale este afectata numai intr-o mica masura de turbiditatea aerului si nu este influentata de elevatiile solare de peste 15 ^o. Se poate considera ca norii nu modifica compozitia spectrala pe domeniul 350 nm - 800 nm . Radianta pentru cerul acoperit de nori poate fi reprezentata (printr-o aproximare sumara) ca functia:

L (i) = L( 2)(1 + 2 cos i) ecuatia II.2

B.     Reflexia la suprafata apei

Reflectanta pentru radiatia totala: Pentru a afla reflectanta radiatiei globale, trebuie sa tratam in mod distinct reflectanta radiatiei solare directe, r_s si cea a radiatiei cerului, r_d Radiatia totala poate fi exprimata sub forma unei sume:

 Ex / E = r_s(1 - N) + r_dN ecuatia II.2

unde E si Ex sunt iradiantele incidenta si reflectata iar N este raportul dintre radiatia difuza si radiatia globala. Diferitele metode bazate pe modele sau determinate empiric, de a calcula aceste valori au dus la urmatoarele valori [Cox and Munk ,1956]:

Tabel II.2 Reflectanta marii (%) relativ la radiatia cerului:

Sclipirea este un fenomen datorat reflexiei radiatiei solare. Componenta directa se reflecta pe suprafata apei si este inregistrata de un senzor. O suprafta de apa agitata va mari efectul de sclipire.

C.    Refractia la suprafata marii

Modul in care este deviata directia de propagare a luminii la interfata apa aer este descrisa de legile Al Husseini - Descartes - Snell. Pentru o interfata plana, fenomenul produce o deviere a luminii pentru care unghiul de refractie j este in functie de unghiul de incidenta i :

sin i = n sin j ecuatia II.2

in care indicele de refractie, n are valoarea aprox. 4/3 pentru apa. Din punct de vedere practic, variatiile indicelui de refractie in functie de temperatura si salinitatea apei, pot fi neglijate.

Acest efect defineste un con al luminii refractate care produce modificari ale radiantei si iradiantei la interfata aer apa. Daca L_a si L_w sunt radianta in aer, respectiv in apa, vom avea:

L_w = n²(1 - r) L_a    ecuatia II.2

Iradiantele imergente in aer si apa sunt :

dE_a = L_a cos i dw_a = L_a cos i sin i df di ecuatia II.2

dE_w = L_w cos j dw_w = L_w cos j sin j df dj ecuatia II.2

unde dw sunt unghiurile solide infinit de mici :

dE_w = (1 - r) dE_a ecuatia II.2

acest lucru arata ca la interfata aer apa, refelxia modifica iradainta pe un plan paralel cu interfata..

Albedoul apei

Vom nota: 

E_ad = iradianta imergenta in aer

E_au = iradianta emergenta in aer

E_wd = = iradianta imergenta in apa

E_wu = = iradianta emergenta in apa

Albedoul marii, notat cu A este definit ca raportul intre energia care paraseste suprafata marii fata de cea care ajunge la suprafata marii:

A = E_au / E_ad    ecuatia II.2

Ceea ce duce la:

E_ad - E_au = E_wd - E_wu ecuatia II.2

E_au = r_a E_ad + E_wu - r_w E_wu    ecuatia II.2

A = r_a r_w) E_wu / E_ad    ecuatia II.2

I.2.3     Tranferul radiativ al sprafetelor de apa in functie de lungimea de unda a radiatiei incidente

A.     Ecuatia transferului radiativ

Forma generala a ecuatiei este:

ecuatia II.2

unde E_i este iradianta produsa de lumina soarelui pe un plan perpendicular pe directia de propagare (q ,₀). Se presupune cunoscuta legea de imprastiere - functia  .

B.     Relatia intre radiatia imergenta si emergenta

Gordon (1975,) a demonstrat, ca R reflectanta de volum, depinde de proprietatile optice inerente ale apei : coeficientii de absorbtie si de retro- imprastiere :

ecuatia II.2

unde C depinde de unghiul zenital al Soarelui functia de imprastiere in volum si starea apei, are valori cuprinse in intervalul 0.32 . 0.37 pentru soare la zenit respectiv cer acoperit. Prieur si Morel (1975,) au determinat o valoare teoretica de 0.33 pentru apa curata.

Pentru adancimi considerate infinite dezvoltarea modelului teoretic duce la ipoteza unei imprastieri isotropice:

ecuatia II.2

unde k limita la infinit a coeficientului de atenuare a radiantei.

Pentru a putea efectua o estimare cantitativa corecta a parametrilor geofizici ( concentratia de clorofila, etc ) ai mediului marin, este necesara corectia atmosferica a datelor.

I.3.1.1     Necesitatea corectiilor atmosferice

Vazute din spatiu prin intermediul senzorilor de teledetectie, oceanele si marile apar intunecate (nivel mic al semnalului). Cu toate acestea variatiile de culoare si stralucire in imagini care indica variatii ale concentratiilor de clorofila sunt influentate in acelas timp de efectele de difuzie a luminii solare in atmosfera. Pentru a putea determina cu o precizie satisfacatoare cantitatea de pigmenti clorofilieni trebuie indepartata influenta atmosferei asupra raspunsului radiativ al scenei. Numai 10-20% din semnalul inregistrat asupra suprafetelor de apa se datoreaza direct caracteristicilor bio-fizico-chimice ale acesteia si 80-90% se datoreaza influentei atmosferei (Figura II.3‑1

I.3.1.2     Modele matematice de corectie atmosferica a inregistrarilor din zonele litorale

Pentru a putea indeparta influenta atmosferei din semnalul masurat de senzor, ar trebui modelate proprietatile optice ale atmosferei la momentul preluarii imaginii. In zona vizibila a spectrului efectele atmosferice se datoreaza mai multor fenomene, principalele trei sunt:

q      Dispersia Rayleigh

q      Absorbtia in vapori de apa , ozon si alte gaze

q      Absorbtie si dispersie prin particule in suspensie .

Dintre acestea, numai ultimul are cea mai mare influenta.

Pentru indepartarea efectului particulelor in suspensie au fost dezvoltate de-a lungul timpului mai multe metode:

q      Algoritmi bazati pe benzile spectrale ale senzorilor (CZCS, SeaWiFS, algoritmul "Bright Pixel"). Acestia utilizeaza benzile in IR pentru a estima concentratia de aerosoli. Aceasta metoda este descrisa in amanunt in lucrari printre care se numara : André , 1991; Clark, 1997 ; Fraser, 1997; Gordon, 1997 ; Lavender, 1997; Richter, 1996;

q      Proceduri bazate pe calculul transferului radiativ in atmosfera. In acest fel, corectiile atmosferice ce vor fi aplicate sunt determinate pornind de la simularea transferului radiativ in atmosfera si calcularea contributiilor atmosferei si a interfatei apa/atmosfera la semnalul masurat de senzor. Modelele de transferutilizeaza profile standard ale gazelor si particulelor atmosferice, distributii ale aerosolilor pentru zone model: maritime, urbane, industriale, continentale etc.

q      Metoda modelarii inverse consta in considerearea parametrilor atmosferici drept necunoscute impreuna cu parametrii apeice urmeaza a fi determinati.

Figura II.3 Transferul radiativ in atmosfera

a) drumul optic al radiantei emergente, b) atenuarea radiantei emergente, c) difuzia radiantei emergente in afara campului de observare a senzorului (FOV). d) reflexia directa a soarelui e)reflexia cerului. Fimprastierea luminii reflectate in afara campului de observare a senzorului. g) atenuarea radaitie reflectate in drumul ei catre senzor. h) radiatia reflectata de catre soare direct catre senzor. i) radiatia atmosferei dirijata catre senzor. j) radianta a apei, aflata in afara campului de observare a senzorului dar care este reflectata catre senzor.. k) refelxia pe suprafata apei, aflata in afara campului de observare a senzorului dar care este dirijata catre senzor. L_r: radianta la suprafata apei, datorata tuturor efectelor de reflexie din campul de observare al senzorului. L_p: radianta de drum prin atmosfera. (adaptata dupa Robinson, 1983)

I.3.1.3     Fenomene la interfata aer /apa

In afara de corectia atmosferica exista ti alti factori care modifica semnalul inregistrat de catre senzor. Acestia sunt:

Reflexia soarelui pe apa agitata Cele mai des utilizate tehnici de indepartare a acestui efect sunt cele acre estimeaza gradul de neregularitate a suprafetei apei (Cox & Munk, 1956).

Valurile albe. La vanturi care sufla cu viteze de peste 3 m.s^-1 sunt generate valuri albe. O estimare a procentului suprafeteti apei acoperite cu aceste valuri se poate calcula pornind de la viteza vantului si se poate astfel introduce un factor de corectie a semnalului masurat de sensor.

Apa linistita

I.3.2     Corectiile atmosferice pentru determinarea temperaturilor

Temperatura inregistrata de catre captor este insa o temperatura relativa si necesita aplicarea unor corectii suplimentare care sa elimine influentele induse de straturile de atmosfera interpuse intre suprafata observata si captor.

O imagine etalonata radiometric poate fi utilizata direct daca dorim sa observam doar gradientii de temperatura dintre masele de apa fara insa a cunoaste temperatura absoluta a suprafetelor investigate. Cu toate aceste este necesara o corectie atmosferica deoarece conditiile atmosferice nu sunt omogene si nu sunt constante de la o imagine la alta.

Temperatura reala a suprafetei este afectata cel mai mult de continutul de vapori din atmosfera deoareceacestia absord o mare parte din radiatia emisa de suprafata marii.

Efectul atmosferei [Jensen,1995 ] poate fi eliminat din imaginile de teledetectie prin mai multe procedee. Alegerea unuia sau altuia depinde de tipul de aplicatie urmarit, de natura efectelor aparute in imagine si de cantitatea de date adevar teren pe care le avem la dispozitie.

Cazul 1

Cele mai multe aplicatii de teledetectie ignora efectul indus de atmosfera. Acest lucru se datoreaza cel mai mult faptului ca semnalele provenite de la diferitele tipuri de acoperiri ale solului (vegetatie, zone construite, suprafete de apa, etc.) sunt sufucient de diferite, permitand o discriminare buna iar atenuarea indusa de atmosferica nu acopera semnalul provenit de la suprafata terestra.

Cazul 2

In cazul in care vrem sa extragem informatii bio-fizice privind corpurile de apa (clorofila a, sedimente in suspensie sau temperatura) sau suprafete acoperite cu vegetatie (biomasa, productivitate primara, etc), diferentele minore de reflectanta intre componentele principale ale suprafetei pot fi acoperite integral de efectul indus de atmosfera. In acest caz este necesara colectarea de date in situ preluate simultan cu imaginea satelitara pentru a calibra datele de teledetectie. Aceasta metoda permite insa corectia datelor de teledetectie numai pentru o anumita data si pentru un anumit loc. Masuratorile in situ sunt costisitoare si laborioase.

Cazul 3

In anumite cazuri este indicata utilizarea unui model al atmosferei pentru a corecta datele de teledetectie. Pentru aceaasta se calculeaza un model estimativ al atmosferei tinand cont de altitudinea de la care se iau imaginile, latitudinea si longitudinea, perioada anului in care se fac inregistrarile de teledetectie. Aceasta metoda este suficienta in cazurile in care atenuarea atmosferica este relativ mica iar semnalul primit de la terenul observat este destul de puternic.

Cazul 4

O alta metoda, mai laborioasa dar mai precisa este calcularea unui model atmosferic care include si masuratori in situ efectuate simultan cu preluarea datelor de teledetectie. In acest fel se poate calcula o corectie radiometrica absoluta.

Cazul 5

Atenuarea indusa de atmosfera poate fi indepartata, cel putin partial, prin utilizarea de imagini multiple ale aceleiasi locatii din diferite unghiuri de vedere (multiple looks). In acest fel se poate extrage informatie prin substitutia benzilor. Principalul dezavantaj al acestei metode este fatul ca drumol optic al radiatiei care formeaza imaginile multiple difera. Acest procedeu mai este numit si corectarea relativa radiometrica.

I.3.3     Corectia radiometrica absoluta a atenuarii atmosferice

Radiatia solara este afectata intr-o anumita masura la trecere ei prin straturile atmosferice. Principalele efecte induse de atenuarea atmosferica sunt:

dificultatea corelarii datelor radiometrice preluate in situ cu masuratorile radimetrice efectuate pe imaginile multispectrale de teledetectie

generalizarea in timp si spatiu a semnaturilor spectrale ale diferitelor tipuri de acoperire

o atenuare atmosferica mare face ca erorile de clasificare a acoperirilor solului sa fie foarte mari [Kaufman& Fraser,1984]

Figura II.3 Efectul atmosferei asupra semnalului

In [Jensen, 1995] sunt descrisi factorii care afecteaza radianta receptionata de senzorul satelitar.

Pentru a putea efectua corectia radiometrica absoluta a datelor de teledetectie este necesara parcurgerea mai multor etape:

Etapa1

Calcularea unghiului zenital solar (q ) la timpul trecerii satelitului si determinarea lui m=cosq

Etapa 2

Calcularea grosimii optice normale t. Aceasta este compusa din efectul datorat imprastierii moleculare, din efectul datorat continutului in apa, efectul datorat stratului de ozon si de aerosoli.

Etapa 3

Calcularea transmitantei atmosferice pentru unghiul de incidenta q cu formula :

ecuatia II.3

In cazul imaginilor Landsat se aproximeaza un unghi zenital de 38^o

Etapa 4

Iradianta spectrala solara la partea superioara a atmosferei si iradianta spectrala totala solara are o variatie sezoniera. In [Slater,1980] sunt descrisi algoritmii de calcul ai acestor valori.

Etapa 5

Calculul radiantei de cale [Foster1984], L_p

Etapa 6

Calculul radiantei totale a senzorului, L_s

ecuatia II.3

Etapa 7

Se extrag valorile de stralucire pentru banda in care se lucreaza L_min si L_max ,

ecuatia II.3

aceasta valoare, egalizand cu valoarea lui L_s calculata la etapa 6 :    ecuatia II.3‑

rezulta o relatie care facce legatura intre valoarea R_{banda_ n} si BV_ijk. Acest lucru se poate realiza pentru orice banda si este astfel posibil sa comparam masuratorile de reflectanta pentru pixelii care au fost inregistrati la date diferite pentru aceasi locatie. Acest model presupune insa ca avem conditii atmosferice uniforme in cadrul aceleiasi scene.

Temperatura suprafetei marii este unul dintre cei mai importanti parametri fizici care pot fi masurati cu ajutorul tehnicilor de teledetectie. Analiza unei serii de imagini achizitionate intr-un interval de tip, permite observarea si urmarirea evolutiei unor fenomene specifice zonelor costiere sa marilor deschise. In acest fel a putit fi completat tabloul ciclului annual al curentilor de suprafata, evolutia fromturilr termice.

Analiza si interpretarea acestor seturi de dteeste destul de dificila, data fiind cantitatea extrem de mare de informatie continut.. Una din aplicatiile importante ale acestor banci de date este reprezentata de studiile de climatologie deoarece utilizand serii lungi de imagini se pot defini tendintele de evolutie climatica la diferite scari spatiale si temporale, Modificarile astfel identificate pot fi utilizate la evaluarea moficarilor climatice globale.In prezent precizia de determinare a diferentelor de temperatura nu depaseste 0.55^o C.

Studiul temperaturii suprafetei apei permite punera in evidenta a zonelor frontale intre masele de apa, a vartejurilor si curentilor asociati cu aceste fenomene. Studiul oceanografic al acestor fenomene urmareste o mai buna intelegere si modelare a circulatiei generale a apelor de suprafata .

In multe cazuri determinarea doar a gradintilor orizontalei ai temperaturii suprafetei apei permite identificarea localizarii zonelor frontale utilizate la delimitrea zonelor care ofera conditii de mediu optime pentru anumite specii de pesti . De exemplu acest tip de informatie este utilizata la identificarea momentului optim de eliberare a somonilor din crescatorii. Sau alegera locului de pescuit . In toate cazurile, temperatura suprafetei marii nu permite decat o evaluare calitativa .

Parametrii de calitate a apei sunt, de regula, determinati in mod indirect, cu ajutorul unor parametrii intermediari ce pot fi masurati cu ajutorul instrumentelor de teledetectie. In tabelul (Tabel II.4‑ ) de mai jos sunt prezentate simbolurile acestor parametri:

Tabel II.4 parametri observabili cu ajutorul tehnicilor de teledetectie

In tabelele urmatoare sunt trecuti in revista parametrii specifici tehnicilor de teledetectie, impreuna cu alte marimi necesare identificarii lor.

I.4.1     Parametrii fizici

Tabel II.4 Principalii parametri fizici observabili cu ajutorul teledetectiei .

Nota : un model hidro-optic este considerat informatie cunoscuta aprioric, avand la baza proprietatile optice inerente sau aparente ale apei.

I.4.2     Parametri chimici

Tabel II.4 Parametrii chimici observabili cuajutorul teledetectiei

I.4.3     Parametri biologici si de mediu

Tabel II.4 Parametrii biologici si ecologici observabili cu ajutorul teledetectiei

I.4.4     Parametrii dinamici si geomorfologici

Tabel II.4 Parametrii geologici si morfometrici observabili cu ajutorul teledetectiei

I.4.5     Modele hidrooptice si metoda inversa

Modelele hidrooptice descriu relatia intre proprietatile optice inerente(POI-IOP) determinate sau estimate precum si proprietatile optice aparente (POA-AOP) si concentratia constituientilor optic activi din coloana de apa (COA- OAC).

Modelele directe determina proprietatile optice ale apei pornind de la concetratii ale COA pe cand modelele inverse permit determinarea concentratiilor de COA avand cunoscute POI sau POA.

Cele mai multe metode de determinare inversa in studiile marine necesita crearea unui model care sa asigure legatura intre cantitatea optice determinate cu ajutorul datelor de teledetectie si componentele optic active ale apei marii (COA).

I.4.6     Proprietatile apei in domeniul IR indepartat

Deoarece emisivitatea apei se apropie de valoarea unitara in doemiul infrarosu indepartat, radaianta apei in banda 3 mm - 12 mm se comporta conform teoriei corpului negru. Radiatia electromagnetica nu patrunde in apa pe distante mai mari de 1mm in aceasta banda. Temperatura medie la interfata apa aer corespunzatoare acestei adancimi de patrundere a radiatie electromagnetice este in mod current denumita ca Temperatura Suprafetei Marii (Sea Surface Temperature - SST). Un principal dezavantaj al utilizarii acestui parametru este faptul ca la interfata aer/ apa au loc multiple fenomene astfel ca valoarea acestuia este afecta de numeroase artfacte cum ar fi vantul, viteza curentilor, curentii de convectie pe verticala etc. .

Conform legii lui Planck , radianta L a corpului negru la temperatura absoluta SST, la o lungime de unda data l

Dependenta exponentiala a radiantei corpului negru fata de temperatura poate fi simplificate in scopul usurarii calculului: Aproximarea Rayleigh-Jeans permite utilizarea unei formule simplificate care duce la o dependenta liniara intre radianta si temperatura in cazul lungimilor de unda in domeniul microundelor. In domeniul IR indepartat, aceasta aproximare nu mai este valabila dar legea Planck poate fi dezvoltata intr-o serie Taylor si sa se pastreze doar termenii liniari. Aceasta metoda poate fi utilizata atunci cand variatiile de temperatura sunt de ordinul a 10 K, in acest caz, vom obtine o ecuatie de forma :

Parametrii de calitate ai apelor costiere care pot fi observati cu ajutorul tehnicilor de teledetectie sunt:

parametrii observabili cu ajutorul tehnicilor de teledetectie

Pentru a rezolva aceste problemele legate de monitorizarea calitatii apelor costiere utilizand datele de teledetectie este nevoie de o procedura standardizata de control a calitatii datelor. Comparabilitatea datelor este inca o problema nerezolvata. Este obligatorie armonizarea nomenclaturii parametrilor masurabili, a metodelor analitice, precizia datelor, rezolutia spatio-temporala.si dezvoltarea de algoritmi de calcul care sa permita determinarea parametrilor necesari caracterizarii apelor costiere.

Metodele de colectare a datelor mentionate in legislatia actuala de mediu, europeana si romaneasca specifica doar tehnici de analiza clasice si nu au in vedere aplicarea tehnicilor de teledetectie.

In etapa 2 se va elabora metodologia pentru prelucrarea si analiza imaginilor satelitare si a masuratorilor "in situ" si Integrarea datelor intr-un sistem informational geographic. In perioada imediat urmatorare, de comun accord cu partenerii, se vor selecta imaginile MERIS si ASAR ce urmeaza sa fie comandate de la ESA.

In etapa 3 se va elabora metodologia pentru prelucrarea si analiza imaginilor satelitare si a masuratorilor "in situ" si Integrarea datelor intr-un sistem informational geographic urmand sa fie realizate aplicatii urmand procedurile de prelucrare dezvoltate in cadrul proiectului.