GIS pro krajinné ekology

Dálkový průzkum Země

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 datHistorie 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 satelitKonec 60. let – programy Geminy a Apollo1972 - 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.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. zářeníProchází atmosférou Je zachyceno okemInformace předána mozkuKterý je zaznamenáváA tvoří z nich informaci

Fyzikální podstata

c

Elektromagnetické záření

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

Elektromagnetické spektrum

Elektromagnetické záření vzniká při zrychleném nebo zpomaleném pohybu nabité částice

Wiennův zákon posuvu

T

cmax

Průchod atmosférouRozptyl

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 délkyPohlcení

atmosférická okna

Hlavní atmosférická okna

Vlnové délky využívané v DPZUltrafialové záření 300 Å cca do 3800 Å Viditelné záření 380 nm – 720 nmInfračervené 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 částV DPZ se využívá v podobě tzv. UV laseruMůže 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 Zářivé vlastnosti krajinných objektůobjektů

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 charakteristikyObecný průběh spektrální odrazivosti vody (1), vegetace (2),

suché půdy (3) a vlhké půdy (4).

Rozdělení do skupin dle spektrálních vlastnostíPevný povrch bez vegetaceVegetační povrchVodaPlynné látky

Vegetační povrch – spektrální projevutváří homogenní plochy - listnatý les,

obilné lány vytváří také heterogenní plochy - každá

rostlina má odlišné odrazové vlastnostiodrazivost ovlivňuje – vnější uspořádání

listů, vnitřní struktura jednotlivých částí rostlin, vodní obsah, zdravotní stav vegetace,k vlastnosti substrátu

Spektrální odrazivost3 hlavní oblasti odrazivosti

oblast pigmentační abs0.4 - 0.7moblast vysoké odrazivobuněčné struktury 0.7 -

1.3 moblast 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 vegetaceObsah 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 oblastisprávný obsah minerálů v rostlině –

nedostatek Fe, Mg – snížené množství chlorofylu

Odrazivost zelené vegetace pro různou vlhkost

VodaVoda má maximální odrazivost na vlnové délce

0,48μm a trvale klesá s vlnovou délkou až do oblasti tepelného infračerveného záření

Povrch bez vegetace

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

Systém pořizování datA,D zdroj zářeníDopadající zářeníC měřená oblastD přijímač odraženého/emitov.zářeníE Přenos záznamudo přijímací staniceF PředzpracováníG zpracování dat DPZ

Způsoby pořizování datKonvenční (analogový) - analogový záznam

- fotografie, filmový záznam

Nekonvenční (digitální) - data měřená přímo v digitální podobě - skenerová data, radarová, ...

Konvenční metodyPrincip fotografieFotografie vzniká najednou, tzv. centrální

projekcípoměrně úzký interval vlnový ch délek (0,3

– 0,9 mm) – oblast viditelného a části infračerveného (blízkého) záření

Nekonvenční metodysystémy rozkladových snímacích zařízenídigitální fotografieodlišná 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 systémůspektrální (spektrální pásma) radiometrická (citlivost detektorů) prostorová (velikost pixelu) časová (jak často)

Prostorová rozlišovací schopnostVelikost 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 schopnostDoba, která uplyne od pořízení dvou

měření obrazových dat stejného území ze stejného přístroje

rozsah desítky minut až desítky dní

Příklady družicLandsat MSS (Multispectral Scanner)79x79m, 6 bitů, snímek 185x185 kmLandsat TM (Thematic Mapper)30x30m, 8 bitůSPOT 1,2,32 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 – 0,01m – 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 snímkůČernobílé normálníČernobílé infračervenéBarevné normálníBarevné infračervené

Černobílé normální (panchromatické)

film vnímá stejně jako naše oko (stejný rozsah) nízká cenanelze použít pro rozlišení vegetace – odstíny

zelené jsou nahrazeny tmavými odstínyvětšinou nejde rozlišit způsob využití půdyzachycují 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 snímkůvzdálenější 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 sluncemobsahují více informací než čbinterpretace je rychlejší a přesnějšívhodné pro zachycení detailů např.

vegetacemožnost detekovat i detaily ve stínech

nebo pod vodou dobře čitelné využití půdynižší rozlišovací schopnost jsou více ovlivňovány kouřem špatně se na nich stanovuje rozhraní

vody a souše

Barevné snímky infračervené (spektrozonální) objeveno v době 2. sv. válkyodlišení mrtvé vegetace, která je světle zelená

nebo tmavá od živé vegetaceterén je zobrazen neskutečnými nepřirozenými

barvamijsou jasné a kontrastní

zobrazují místa i ve stínechideální ke zjišťování stavu vegetacevegetace bez chlorofylu se jeví žlutá

Ukázky mapových produktů – satelitní ortofotoUkázky mapových produktů – satelitní ortofoto