GIS pro krajinné ekology Dálkový průzkum Země GIS pro krajinné ekology

Co to je? DPZ je metoda, která bezkontaktním způsobem získává data o zemském povrchu nebo o jevech pod zemským povrchem, které se na zemském povrchu projevují (geologické zlomy). DPZ je nejdražší způsob, jak vytvořit obrázek DPZ je umění rozdělit svět na množství malých barevných čtverečků, se kterými si lze hrát na počítači s cílem odhalení jejich neuvěřitelného potenciálu.

Historie – pár důležitých dat Historie DPZ začíná vynálezem fotografie. Slovo fotografie je odvozeno ze slov řeckého původu – „světlo“ (phos) a „písmo“ (graphien)

1038 – arabský matematik Al Hazen vysvětluje princip fotografické komory

Fotografická komora

1490 – Leonardo da Vinci popisuje principy fotografické komory 1550 – Cirolama Cardamo – první optická kamera 1640 – Angelo Sala objevuje solí stříbra na světlo – tmavnutí 1666 – rozložení a složení světla pomocí optického hranolu … 1800 – Sir William Herschel – měří teplotu světla rozloženého hranolem – objevuje termální infračervenou radiaci

1827 – Niepce – první fotka – francouzská krajina

1858 - Gasper Felix Tournachon “Nadar" zachycuje první leteckou fotografii z výšky 1200 stop nad Paříží

1860 – využití balónů a fotografie v občanské válce

1903 – využití holubů pro doručování zpráv i pro letecké fotografie

Rozmach leteckého snímkování za první a druhé světové války (rakety V-2)

1960 - TIROS-1 první meteorologický satelit Konec 60. let – programy Geminy a Apollo 1972 - ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite,později přejmenován na Landsat 1). 1972 - Skylab, 1975 - Landsat 2, GOES 1977 - Meteosat-1,1978 - Landsat 3 1981 - Space-Shuttle Imaging Radar (SIR-A), Meteosat-2 1982 - Landsat-4, 1984 - SIR-B, 1984 - Landsat-5, 1986 - SPOT-1 …

2005 - Google Inc. uvolňuje Keyhole, http://earth. google 2005 - Google Inc. uvolňuje Keyhole, http://earth.google.com, zvýšení povědomosti o satelitních mapách mezi veřejností

Fyzikální princip – elektromagnetické záření jako nositel informace Hypotéza – předměty ovlivňují své okolí prostřednictvím určitého druhu silového pole Elmg. záření Prochází atmosférou Je zachyceno okem Informace předána mozku Který je zaznamenává A tvoří z nich informaci

Fyzikální podstata

Elektromagnetické záření

Violet: 0.4 - 0.446 mm Blue: 0.446 - 0.500 mm Green: 0.500 - 0.578 mm Yellow: 0.578 - 0.592 mm Orange: 0.592 - 0.620 mm Red: 0.620 - 0.7 mm

Elektromagnetické spektrum Elektromagnetické záření vzniká při zrychleném nebo zpomaleném pohybu nabité částice

Wiennův zákon posuvu

Průchod atmosférou Rozptyl Pohlcení Rayleighův (molekulární) rozptyl – nepřímo úměrný čtvrté mocnině vlnové délky záření  ovlivnění krátkovlnného záření Aerosolový rozptyl – vlnová délka je menší než průměr částice Neselektivní rozptyl – bez vlivu vlnové délky Pohlcení atmosférická okna

Hlavní atmosférická okna

Vlnové délky využívané v DPZ Ultrafialové záření 300 Å cca do 3800 Å Viditelné záření 380 nm – 720 nm Infračervené záření blízké 0.72 m – 1.3 m Infračervené záření střední 1.3 m – 4 m Infračervené záření tepelné 8 m – 14 m Infračervené záření daleké 4 m –25 m Mikrovlnné záření 0.1 cm – 100 cm

Ultrafialové záření (0,1 - 0,4 µm) Je to záření škodlivé pro živé organismy. K zemskému povrchu je propouštěna pouze malá část V DPZ se využívá v podobě tzv. UV laseru Může sloužit pro vyhledávání ložisek zlata, pro monitorování ropných skvrn. Toto záření také do jisté míry prochází vodním sloupcem. Mnoho minerálů vydává charakteristické záření v těchto vlnových délkách (využití v mineralogii). Intenzita pohlcování UV záření O3 slouží k monitorování mocnosti ozónové vrstvy

Viditelné záření (0,4 - 0,7 µm) V oblasti viditelného záření pracují všechny konvenční metody a také většina družicových systémů. Je nejvyužívanější částí spektra především z historického hlediska. Neprochází oblačností a mlhou, lze ho zaznamenávat pouze v denních hodinách. Značný rozptyl a pohlcování má za následek např. ztrátu kontrastu viditelných snímků. Ve srovnání s delšími vlnovými délkami je toto záření schopno procházet vodním sloupcem - především v modré části spektra. To umožňuje studovat mnoho fyzikálních i biologických vlastností vodních objektů. Jednotlivé horniny, minerály ani půda neukazují odlišnosti ve spektrálním chování ve viditelné části spektra.

Infračervené blízké (0,7 - 1,4 µm) Tvoří pokračování atmosférického okna z viditelné části spektra. Lze je zaznamenávat jak konvenčními fotografickými metodami (do 0,9 µm) tak i elektronicky. Je již méně pohlcováno a rozptylováno atmosférou. V důsledku toho jsou snímky ostré s dobrým kontrastem. Hodí se k topografickým účelům, důležité jsou tyto vlnové délky pro studium vegetace především v lesnictví a zemědělství. Voda se v těchto vlnových délkách chová téměř jako absolutně černé těleso.

Infračervené střední (1,4 - 3 µm) Zahrnuje dvě atmosférická okna se středy přibližně 1,5 a 2,2 mikrometrů. Obě jsou důležité především pro vegetační a geologické studie. První okno např. umožňuje dobré odlišení druhů vegetace, hodí se k rozpoznávání ledu a sněhu, k odlišení oblačnosti a ke studiu zdravotního stavu vegetace. Druhé okno je oblastí, ve které má mnoho minerálů charakteristický absorpční pás. Množství odraženého záření je výrazně větší, než množství záření emitovaného. V důsledku tohoto malého množství záření emitovaného nelze blízké a střední infračervené vlnové délky využít ke zjišťování teplotních vlastností povrchů To je možné až v oblasti termálního infračerveného záření, kde je podíl emitovaného záření větší.

Tepelné záření (3 µm - 1 mm) Obsahuje dvě atmosférická okna v intervalu přibližně 3-5 a 8-12 mikrometrů. Snímků se používá např. ke zjišťování povrchové teploty oceánů (SST), k mapování tepelného znečištění řek a jezer i samotné krajiny, k lokalizaci lesních požárů apod. Protože v oblasti 3-5 mikrometrů je ještě množství odraženého záření poměrně značné, k měření radiační teploty lze využívat pouze nočních hodin. V oblasti 8-12 mikrometrů je již množství odraženého slunečního záření ve srovnání s emitovaným zářením velmi malé, těchto vlnových délek potom lze využít ke zjišťování radiační teploty i během denních hodin. K přesným kvantitativním měřením je nutná dobrá znalost tzv. emisivity objektů a procesů, které ovlivňují záření v atmosféře. V případě přesné kalibrace umožňují snímky získávat poznatky o tepelné bilanci objektů

Mikrovlnné záření (1 mm - 1m) Je využíváno pasivními i aktivními metodami (RADAR). Tyto dlouhé vlnové délky mohou za vhodných podmínek pronikat i pod povrch. Nejméně závisí na podmínkách počasí, je výrazně zeslabováno pouze v případě vydatného deště. Intenzita přirozeně emitovaného mikrovlnného záření je velmi nízká, musí měřící zařízení k zachycení zjistitelného signálu měřit toto záření na poměrně velké ploše. To je příčinou malého prostorového rozlišení dat získaných pasivními metodami v mikrovlnné části spektra. Značný rozvoj zaznamenávají aktivní systémy, poskytují data využitelná především pro studium reliéfu, plovoucího ledu, v geomorfologii, v lesnictví i v zemědělství. Pomocí aktivních mikrovlnných systémů lze získat i neobrazová data, informace o výškových poměrech, o řadě meteorologických prvků atd.

Zářivé vlastnosti krajinných objektů Intenzita odraženého záření závisí na elmg. vlastnostech látek, které závisejí na: druhu látky (objektu) - druhové parametry jeho okamžitém stavu - (stavové parametry) na stavu jeho okolí znalost těchto zářivých vlastností umožňuje z naměřených intenzit záření (odrazivosti, emisivity) určit, o jakou látku jde

Spektrální charakteristiky Obecný průběh spektrální odrazivosti vody (1), vegetace (2), suché půdy (3) a vlhké půdy (4).

Rozdělení do skupin dle spektrálních vlastností Pevný povrch bez vegetace Vegetační povrch Voda Plynné látky

Vegetační povrch – spektrální projev utváří homogenní plochy - listnatý les, obilné lány vytváří také heterogenní plochy - každá rostlina má odlišné odrazové vlastnosti odrazivost ovlivňuje – vnější uspořádání listů, vnitřní struktura jednotlivých částí rostlin, vodní obsah, zdravotní stav vegetace,k vlastnosti substrátu

Spektrální odrazivost 3 hlavní oblasti odrazivosti oblast pigmentační abs0.4 - 0.7m oblast vysoké odrazivobuněčné struktury 0.7 - 1.3 m oblast vodní absorpce -1.3 - 3.0 m nejrozšířenější barvivo = pohlcuje v 0.45 m) a (0.65 m), maximum na 0.54 m

A – oblast pigmentační absorpce – 0,5-0,6mikrometrů, způsobuje zelené zbarvení rostliny, ovlivňuje hlavně chlorofyl B – oblast buněčné struktury – 0,7-1,3 mikrometrů, ovlivňuje odrazivost listů, hustota listů, použití pro charakteristiku míry hustoty vegetačního krytu – index listové pokryvnosti– kolikrát je plocha listů větší než plocha jednotková plocha C – oblast vodní absorpce – 1,3 – 3 mikrometry, formováno absorpčními pásy vody, maxima odrazivosti na 1,6 a 2,2 mikrometrů, využití ve vegetačních studiích Blízké infračervené - odrazivost druhů dřevin - rozdílné u listnáčů a jehličnanů - detekce vegetace, která je ve stresu - poškozené – klesá množství chlorofylu – bude pohlcováno méně - modré a červené – rostlinu vidíme jako žlutou

Parametry ovlivňující odrazivost vegetace Obsah vody v rostlině - pokles obsahu vody - změna ve vnitřní struktuře objektů - je-li vlhkost menší než 55 % - ztráta chlorofylu - větší odrazivost na vlnové délce 0.66 m a vyšší odrazivost i v IR oblasti správný obsah minerálů v rostlině – nedostatek Fe, Mg – snížené množství chlorofylu

Odrazivost zelené vegetace pro různou vlhkost

Voda Voda má maximální odrazivost na vlnové délce 0,48μm a trvale klesá s vlnovou délkou až do oblasti tepelného infračerveného záření

Voda v mikrovlnném pásmu Dobrý odražeč - voda odrážena směrem od přijímacího přístroje odraz se zvětšuje s hladkostí povrchu - dobré pro odlišení vod s ropnými látkami pomocí radarových dat jsou měřeny výšky vln na mořské hladině - měření v šikmém směru pohledu radaru

Sníh a led Sníh i led - vysoké hodnoty odrazivosti ve VI a IR pásmu stejně vysoká odrazivost je u horních vrstev mraků, kde jsou krystalky ledů ALE spektrální odrazivost sněhu má hluboká minima u  = 1.55 až 1.75 a v absorpčních pásmech vody Zvýšená nečistota sněhu - snížení odrazivosti čím větší sněhové částice - tím menší odrazivost se stářím sněhu klesá odrazivost, protože starší sníh má vyšší vodní hodnotu sněhu - mírné tání - velké snížení intenzity odraž. záření

Povrch bez vegetace

Půdy K hlavním parametrům ovlivňujícím spektrální projev půdního povrchu patří: vlhkost obsah humusu mineralogické složení mechanické vlastnosti půdy struktura povrchu půdy stupeň erozních procesů

Systém pořizování dat A,D zdroj záření Dopadající záření C měřená oblast D přijímač odraženého/emitov. záření E Přenos záznamu do přijímací stanice F Předzpracování G zpracování dat DPZ

Způsoby pořizování dat Konvenční (analogový) - analogový záznam - fotografie, filmový záznam Nekonvenční (digitální) - data měřená přímo v digitální podobě - skenerová data, radarová, ...

Konvenční metody Princip fotografie Fotografie vzniká najednou, tzv. centrální projekcí poměrně úzký interval vlnový ch délek (0,3 – 0,9 mm) – oblast viditelného a části infračerveného (blízkého) záření

Nekonvenční metody systémy rozkladových snímacích zařízení digitální fotografie odlišná technika vytváření obrazu - ne v jednom okamžiku, ale postupně – po jednotlivých pixelech (kromě dig.fot.) velké spektrální rozliš ení (0,3 - 14mm)

Rozlišující schopnosti snímacích systémů spektrální (spektrální pásma) radiometrická (citlivost detektorů) prostorová (velikost pixelu) časová (jak často)

Prostorová rozlišovací schopnost Velikost území tvořící plochu 1 pixelu, z něhož je zaznamenána jedna hodnota odrazivosti v jednom spektrálním pásmu (udává se jako délkový rozměr stran pixelu) řádově desítky cm až kilometry

Časová rozlišovací schopnost Doba, která uplyne od pořízení dvou měření obrazových dat stejného území ze stejného přístroje rozsah desítky minut až desítky dní

Příklady družic Landsat MSS (Multispectral Scanner) 79x79m, 6 bitů, snímek 185x185 km Landsat TM (Thematic Mapper) 30x30m, 8 bitů SPOT 1,2,3 2 HRV (High Resolution Visible) systémy - rozlišení 10m v panchromatickém režimu (tzn. černobíle) nebo 20m v multispektrálním režimu (barevný + infračervený mód). záběr 117x117km

Multispektrální x hyperspektrální Skenery snímající v určitých vymezených pásmech – LANDSAT – MSS, TM - multispektrální Skenery snímající v širším pásmu po určitém kroku – 0,01m – hyperspektrální (AIS – Airborne Imaging Spectrometer – 128 spektrálních pásem, šířka 9,8 nm, vlnové délky 1,2-2,4 m, výška 4200m, prostorové rozlišení 8m; CASI – komerčně přístupná data, 228 pásem, 0,4-0,9 m)  spektrální kostka

Druhy snímků Černobílé normální Černobílé infračervené Barevné normální Barevné infračervené

Černobílé normální (panchromatické) film vnímá stejně jako naše oko (stejný rozsah) nízká cena nelze použít pro rozlišení vegetace – odstíny zelené jsou nahrazeny tmavými odstíny většinou nejde rozlišit způsob využití půdy zachycují pouze viditelné světlo s krátkovlnnou délkou vzdálenější předměty jsou nezřetelné nebo mlhavé

Černobílé snímky infračervené (spektrozonální) výhoda – paprsky pronikají aerosoly a kouřem, možnost snímkování při špatném počasí používá se velmi tmavý filtr pro zachycení viditelného záření pořízení je dražší než u panchromatických snímků vzdálenější předměty jsou stejně výrazné jako nejbližší malý rozptyl – ostré přechody mezi stínem a osvětlenými částmi , jsou výraznější než černobílé normální vodní plochy pohlcují, negativ je světlý a pozitiv tmavý pro odlišení různých druhů porostů – jehličnatý les pohlcuje a je tmavý, listnatý je světlejší

Barevné snímky přirozených barvách vyžadují přímé osvětlení krajiny sluncem obsahují více informací než čb interpretace je rychlejší a přesnější vhodné pro zachycení detailů např. vegetace možnost detekovat i detaily ve stínech nebo pod vodou dobře čitelné využití půdy nižší rozlišovací schopnost jsou více ovlivňovány kouřem špatně se na nich stanovuje rozhraní vody a souše

Barevné snímky infračervené (spektrozonální) objeveno v době 2. sv. války odlišení mrtvé vegetace, která je světle zelená nebo tmavá od živé vegetace terén je zobrazen neskutečnými nepřirozenými barvami jsou jasné a kontrastní zobrazují místa i ve stínech ideální ke zjišťování stavu vegetace vegetace bez chlorofylu se jeví žlutá

Ukázky mapových produktů – satelitní ortofoto