MODULARIZACE VÝUKY EVOLUČNÍ A EKOLOGICKÉ BIOLOGIE
CZ.1.07/2.2.00/15.0204
Bi9000
GIS v botanice a zoologii
Dálkový průzkum Země - DPZ
• Je metoda i umění, která umožňuje získávat a zpracovávat data
naměřená bezkontaktním způsobem většinou o zemském
povrchu. Pro měření je využíváno elektromagnetické záření
různých vybraných vlnových délek
Halounová podle Lillesanda a Kiefera
• Dálkový průzkum Země je nejdražší způsob, jak vytvořit obrázek
Andrew Bashfield, INTERGRAPH
• Land-use
• Změny klimatu
• Zdroje nerostných surovin
• Mořské proudy
• Mapování vegetace
• …….
Metody snímání zemského
povrchu :
• konvenční (výsledkem je fotografie)
• nekonvenční (obrazový záznam (složený z pixelů) – snímek)
• přímé (odražené záření)
• nepřímé (vyzařované – termovize)
• pasivní (spoléhám na přírodní zdroj záření)
• aktivní (nepoužívám přírodní zdroj záření, ale vysílám
paprsek záření sám (radar))
Fyzikální podstata DPZ
• médium je elektromagnetické záření
• složeno z elektrické a magnetické vlny, vzájemně jsou pootočeny
o 90°.
• popis pomocí vlnové délky λ (a frekvence)
• všechny vlnové délky tvoří dohromady elektromagnetické
spektrum
• od 10-12 cm (kosmické záření) do 104 cm (televizní a rádiové vlny)
Elektromagnetické spektrum
• Elektromagnetické záření (spektrum)
• Interakce s atmosférou
• Rozptyl (Rayleighův rozptyl, aerosolový rozptyl, neselektivní
rozptyl)
• Absorpce (ozón, CO2, vodní pára)
• …Atmosférická okna
• Interakce s povrchem – odraz + pohlcení +propouštění
• Objekt je charakterizován: Spektrometrickou křivkou
DPZ – základní principy
Propouštění, odraz, rozptyl,
absorbce
Spektrum a propustnost atmosféry
DPZ
Rozlišení digitálního snímku
• Radiometrické rozlišení (barevná hloubka)
• Spektrální rozlišení (počet a šířka intervalů vlnových délek)
• Prostorové rozlišení
• METEOSAT 7 2,5-5 km
• NOAA 17 1,1 km
• QuickBird 2 0,65 m
• LANDSAT 7 15 m
• SPOT 5 2,5 m
• Časové rozlišení
(frekvence snímání stejného území)
• METEOSAT 7 30 minut
• NOAA 17 12 hodin
• QuickBird 2 2-4 dny
• LANDSAT 7 18 dnů
• SPOT 5 26 dnů
Vlnové délky využívané v DPZ
• Ultrafialové záření 0,030 - 0,380 μm
• Výrazně pohlcováno atmosférou
• Využívá se především v
geologických aplikacích pro detekci
složení zemského povrchu, hornin a
minerálů
• Viditelné záření 0,380–0,720 μm
• Lze zaznamenat pouze v denních
hodinách, neprochází oblačností a
mlhou
• značně rozptylováno a pohlcováno
Červená: 0,620–0,720 mm
Oranžová: 0,592–0,620 mm
Žlutá: 0,578–0,592 mm
Zelená: 0,500–0,578 mm
Modrá: 0,446–0,500 mm
Fialová: 0,380–0,446 mm
Vlnové délky využívané v DPZ
Vlnové délky využívané v DPZ
• Infračervené záření
•tepelné 8 mm – 14 mm
(povrchová teplota oceánů,
znečištění řek a jezer, lesní požáry)
•daleké 4 mm –25 mm
•střední 1.3 mm – 4 mm
(geologie, sníh a led, oblačnost,
zdravotní stav vegetace,
identifikace minerálů)
•blízké 0.72 mm – 1.3 mm
(studium vegetace)
Vlnové délky využívané v DPZ
• Mikrovlnné záření 0.1-100 cm
• Nejméně závislé na počasí
• Aktivní systémy – radar
• Meteorologie – srážkové
oblasti a intenzita srážek
• Předzpracování obrazu
• odstranění náhodných a systematických chyb
• Geometrické korekce (zakřivení země, nadmořská výška,
změny výšky a rychlosti nosiče)
• Zvýraznění obrazu
• transformace obrazu do lépe interpretovatelné formy
• Radiometrické korekce (jas, kontrast, úpravy histogramu)
• Filtrace
• Klasifikace a analýza obrazu
• extrahování informace a její analýza
• Neřízená klasifikace
• Řízená klasifikace
• Objektová klasifikace
Digitální zpracování obrazu
Klasifikace
Automatické vytvoření
skupin pixelů clustrováním
Výběr ploch s předem
známým zařazením trénovací
množiny
Případné sloučení clustrů
do skupin
Výpočet statistických
charakteristik trénovacích
množin
Pojmenování skupin
(voda, les, zástavba,
nezařaditelné ....)
Klasifikace dat podle
statistických charakter.
Neřízená - Unsupervised Řízená - Supervised
Jsem spokojen?
Jsem spokojen?
KONEC
ANO
ANO
KONEC
NE
NE
Spektrometrické křivky
Spektrometrické křivky
Studium vodních objektů metodami DPZ
• specifické spektrální chování vody
• snadná identifikace
• v intervalu viditelného elektromagnetického záření voda odráží pouze
jeho malou část
• v oblasti infračervených vlnových délek se voda chová téměř jako
absolutně černé těleso a pohlcuje téměř všechno dopadající záření a
na snímcích se vyznačuje nejtmavšími tóny
LANDSAT 5
TM4TM1
Studium vodních objektů metodami DPZ
• Výrazně odlišný tón vodních objektů se na snímcích v infračervené části
spektra projevuje v charakteristickém tvaru histogramu obrazového
záznamu.
• Vyskytuje-li se na snímku jedna či více vodních ploch, potom se
histogram vyznačuje dvěma vrcholy, jak je patrné z uvedeného příkladu.
Vrchol vlevo tvoří pixely vodní plochy, hlavní vrchol histogramu vpravo
tvoří pixely všech ostatních povrchů na snímku.
• Metodou tzv. prahování lze vodní plochy ze snímku extrahovat.
Spektrální projev vegetace
•Chlorofyl pohlcuje 70% až 90% dopadajícího záření v modré a
červené části spektra.
•Mezi těmito absorpčními pásy se nachází lokální maximum
odrazivosti v zelené části spektra
•To je příčinou zelené barvy rostlin ve vegetačním období.
• Různá odrazivosti vegetace v
různých intervalech
elektromagnetického spektra výrazný
nárůst odrazivosti v
blízké infračervené části spektra
(ve viditelné části spektra odráží
plocha s vegetací 20% záření, v
blízké IR je to kolem 60%
Spektrální chování vegetace
• V infračervené části spektra (0,7 – 1,3 μm) je narůstající odrazivost
formována především uspořádáním buněk těch částí rostlin, které
jsou nejvíce vystaveny dopadajícímu slunečnímu záření – tedy
odrazivostí listů. Lze například poměrně snadno odlišit porosty
listnatého a jehličnatého lesa
• V intervalu spektra 1,3 – 3 μm je odrazivost vegetace formována
především přítomností vody v orgánech rostlin. Vyšší obsah vody
snižuje odrazivost rostlin.
Studium zdravotního stavu lesů
• Pokud je rostlinný kryt vystaven určitému druhu stresu například
když dochází k usychání nadzemních částí rostlin na
konci vegetačního období nebo k usychání listů či jehličí v
důsledku jejich poškození znečišťujícími látkami v ovzduší projeví
se tato skutečnost nejprve ve snížené odrazivosti v
blízké infračervené části spektra (a teprve později ve viditelné
části spektra)
• Je možné studovat rozsah a stupeň poškození vegetačního
krytu dříve, než jsou tyto procesy usychání rostlin
pozorovatelné v přírodě
1984 1986 1991
Jizerské hory
• Normalizovaný vegetační index
(NDVI)
• Světlejší plochy na snímku se
vyznačují vyšší hodnotou indexu a
představují části snímku s nejbohatší
vegetací
• Nejvyšší hodnoty NDVI vykazují
pole, na nichž převládá odrazivost
vzrostlé vegetace - především
vzrostlé ozimé obiloviny
• Vyšší hodnoty NDVI vykazují také
lesní porosty. V rámci nich lze
odlišit světlejší tóny ploch listnatého
lesa od tmavších ploch jehličnanů s
nižšími hodnotami vegetačního
indexu (jihozápadně od Brněnské
přehrady)
Mapování vegetace s využitím DPZ
Normalizovaný vegetační index (NDVI)
• Mapy NDVI mohou být vhodným nástrojem ke studiu
zdravotního stavu vegetace, časových změn a průběhu
fenofází, odhadům výnosů zemědělských plodin, odhadům
vodního stresu rostlin
• NDVI = (TM4 - TM3) / (TM4 + TM3)
• Hodnoty teoreticky v intervalu [-1; +1], prakticky [-0,1; +0,6]
• Následující čtyři snímky jsou příkladem změn v hodnotách
NDVI v průběhu vegetačního období v Evropě, v severní
Africe a v oblasti Sahelu.
31.12 31.3 30.6 30.9
NDVI - Nárůst množství zelené hmoty ve srovnání s počátkem
80. let. Oblast S od 30. rovnoběžky
Další indexy:
EVI – Enhanced Vegetation Index
SAVI – Soil Adjusted Vegetation Index
ARVI – Atmospherically Resistant Vegetation Index
SR – Simple Ratio
II – Infrared Index
MSI – Moisture Stress Index
….
Tematické mapování krajinného
pokryvu
• Snímek vlevo byl vytvořen z pásem TM321 (RGB), která zaznamenávají
viditelnou část spektra
• Snímek vpravo byl sestaven jako barevná syntéza pásem TM432
• Rozdíl mezi listnatými (Bílé Karpaty, Chřiby) a jehličnatými (Bzenec borovice
na vátých píscích) lesy je na snímku ve viditelné části spektra
málo patrný
• V syntéze s blízkým IČ pásmem je rozdíl jasný
Tematické mapování krajinného pokryvu
 NP Podyjí - odlišný
charakter využívání
zemědělské půdy v
Rakousku a u nás
Tematické mapování krajinného pokryvu
 NP Šumava -
odlišný
charakter
využívání
zemědělské
půdy v
Německu a u
nás
Kouř lesních požárů může bránit vzniku dešťových kapek v
mracích.
Drobné částice sazí obsažené v kouři tvoří kondenzační
jádra malých vodních kapiček, neschopných vytvořit větší
srážkové kapky, které by vypadávaly v podobě deště.
http://landsat.gsfc.nasa.gov/conf/search_images.html
Příklad z webu Landsat
Aplikace DPZ v oblastech s vegetací
• Zemědělství
• Lesnictví
• Krajinná ekologie
• Aplikace:
• Prostorová struktura krajiny (landcover)
• Kvantitativní charakteristiky vegetace - rozlohy lesa,
zemědělských kultur
• Kvalitativní stav vegetace - zdravotní stav lesa
• Časové změny vegetace – mapování odlesnění
• Mapování zemědělských plodin, odhady výnosů
Aplikace DPZ v hydrologii
• Oceánografie
• Kontinentální hydrologie
• Aplikace:
• rozloha vodních objektů
• znečištění vodních objektů
• teplotní charakteristiky vodních objektů
• výskyt planktonu
• vlhkostní charakteristiky krajiny
• rozloha sněhové pokrývky
• analýza vodní hodnoty sněhu
• dynamika ledovců
• povodně
Aplikace DPZ v urbanizovaných
oblastech
• Územní plánování
• Krajinná ekologie
• Aplikace:
• změna struktury území
• územní rozvoj
• teplotních charakteristiky urbanizované krajiny
• analýza industrializovaných oblastí
• změny krajiny v oblastech těžby
Aplikace DPZ v geomorfologii
• Geomorfologie
• Pedologie
• Geologie
• Aplikace:
• analýza minerálů
• pedologie – půdní druhy, půdní vláha
• geomorfologie – základní strukturní tvary a formy reliéfu (zlomy
aj.)
• změny reliéfu (zemětřesení, vulkanologie)
• generování 3D DMT ze stereo družic (SPOT)
• Průzkum nalezišť nerostných surovin
Geostacionární družice
• Rovníková oběžná dráha
• Družice obíhá kolem Země v rovině rovníku od západu k
východu
• Výška 36 000 km (doba oběhu rotace = doba rotace Země
kolem vlastní osy)
• Malé prostorové rozlišení, krátké časové intervaly
• Meteorologie
Družice s polární drahou
• Subpolární oběžná dráha
• Pohyb přibližně
v poledníkovém směru
• S rovinou rovníku úhel 80–100°
• Ve výškách
700–1000 km
• Doba oběhu – 2 h
• Synchronní se Sluncem
• Nad daným místem vždy ve stejnou dobu
místního času
• http://www.eduspace.esa.int/subdocument/default.asp?document=
320
Zdroje dat DPZ
• IRS – Indická družice, data vhodná pro generování digitálního modelu terénu
http://www.nrsc.gov.in
• SPOT – Systém francouzských družic, vhodné k mapování vegetace a vodních
ploch. http://spot4.cnes.fr/spot4_gb/index.htm
• SPOT- VEGETATION – Určeno pro mapování vegetace a tvorbu vegetačních
indexů. http://www.spot-vegetation.com/
• LANDSAT – Systém družic NASA, nejpoužívanější k tématickému mapování.
http://landsat.gsfc.nasa.gov/
• TERRA - Systém družic NASA, určeno pro monitorování klimatu.
http://terra.nasa.gov/
• NOAA – Systém amerických meteorologických družic s polární drahou.
http://www.noaa.gov/satellites.html
• METEOSAT – Západoevropská meteorologická družice, provozuje ji EUMETSAT
http://www.eumetsat.de/
• ………