Marta Szostak

Transkrypt

1 6 Marta Szostak Zakład Urządzania Lasu, Geomatyki i Ekonomiki Leśnictwa, Instytut Zarządzania Zasobami Leśnymi, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, al. 29 Lis topada 46, Kraków, m.szostak@ur.krakow.pl, p.wezyk@ur.krakow.pl 2 Zakład Ekologii Lasu i Rekultywacji, Instytut Ekologii i Hodowli Lasu, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, al. 29 Listopada 46, Kraków, rlpajak@cyf-kr.edu.pl Abstrakt. Badania zostały przeprowadzone na zwałowisku odpadów popłuczkowych rud cynku i ołowiu kopalni,,fryderyk w Tarnowskich Górach, położonym na północnym skraju Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego. Przeprowadzono analizy czasowo-przestrzennych zmian pokrycia terenu hałdy w latach Podstawowymi materiałami wykorzystanymi w opracowaniu były zdjęcia i ortofotomapy lotnicze z lat: 1947, 1998, 2003, 2009, 2011 oraz dane z lotniczego skanowania laserowego z 2011 roku. Analizy wykazały stopniową ekspansję roślinności na powierzchni hałdy. W 1947 roku 84% powierzchni terenu badań pokryta była przez roślinność niską, natomiast w roku 2011 roślinność wysoka zajmowała około 50% obszaru zwałowiska. Słowa kluczowe: meryczny model terenu! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:23

2 Wprowadzenie Dostępność danych przestrzennych pozyskiwanych technikami fotogrametrii i teledetekcji zapewnia dziś powszechną możliwość otrzymania obiektywnych informacji o otaczającym nas środowisku. Mnogość badań przyrodniczych dowiodła o właściwości wykorzystania geodanych dla określania wskaźników dotyczących struktury przestrzennej roślinności. Jest to m.in. aspekt wykrywania zmian w pokryciu (użytkowaniu) terenu, w tym sukcesji leśnej zachodzącej na terenach poprzemysłowych czy gruntach, na których zaprzestano działalności rolniczej [Bergen i Dronova 2007, Szostak i in. 2014]. Zmiany te są identyfikowane na podstawie interpretacji manualnej zdjęć i ortofotomap lotniczych, zobrazowań satelitarnych czy też danych z lotniczego skanowania. Ponadto zintegrowanie geodanych w środowisku GIS (ang. Geographic Information System) daje możliwość przeprowadzenia różnorakich analiz przestrzennych. Jako cel niniejszego opracowania przyjęto określenie zmian zachodzących w zakresie pokrycia i użytkowania terenu poprzemysłowego, w tym monitorowanie zjawiska sukcesji leśnej. Ocenie podlegała zmiana struktury przestrzennej roślinności na zwałowisku kopalni Fryderyk w Tarnowskich Górach. W tym aspekcie przeprowadzono analizę czasowo-przestrzennych zmian pokrycia terenu hałdy w latach , wykorzystując dostępne zdjęcia i ortofotomapy cyfrowe z tego okresu oraz dane z lotniczego skanowania laserowego. Wykorzystanie chmur punktów 3D ze skanerów laserowych, szczególnie pod względem ich integracji z informacją wielospektralną pochodzącą z kamer cyfrowych, daje znaczące wsparcie procesu interpretacji obrazu i zmniejsza subiektywność operatora [Bork i Su 2007, Wężyk i in. 2012, Drzewiecki i in. 2014]. Hałda popłuczkowa kopalni Fryderyk (ryc. 1a, b) znajduje się w województwie śląskim w powiecie tarnogórskim, w granicach administracyjnych miasta Tarnowskie Góry, 4 km na południe od centrum. Obszar badań zajmuje powierzchnię 6,64 ha. Znaczną część hałdy stanowi stosunkowo równa wierzchowina w jej centralnej i zachodniej części. W najwyższym miejscu zwałowisko wznosi się ponad otaczający teren na wysokość ok. 23 m. Najniższe partie to południowo-wschodnia część, gdzie wysokość względna od podnóża dochodzi do m. Teren ma tu jednak bardziej urozmaiconą rzeźbę. Charakterystycznym elementem hałdy są strome zbocza w jej północnej części o nachyleniu sięgającym 40 45, a także skarpy otaczające wierzchowinę zwałowiska i wyznaczające jego granice. Granice obszaru badań ustalono na podstawie danych katastralnych pochodzących z Systemu Identyfikacji Działek Rolnych LPIS oraz z Centralnego Ośrodka Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej (CODGiK) i GEOPORTALU (geopor-! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:23

3 a) b) Ryc. 1. Położenie obszaru badań! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:23

4 120 tal.gov.pl). Wyboru działek ewidencyjnych, stanowiących teren badań, dokonano z uwzględnieniem rzeźby zwałowiska m.in. skarp zewnętrznych, które wraz z otaczającymi hałdę drogami i polami wyraźnie wizualnie zaznaczają obszar analiz. Przyjęty przebieg granic terenu badań, wraz ze strukturą własności działek ewidencyjnych, przedstawia rycina 2. Legenda Granica obszaru badań Działki Skarbu Państwa Działki Gminy Tarnowskie Góry Działki prywatne PUWG 1982 Ryc. 2. Struktura własności działek ewidencyjnych w obszarze badań W analizie zmian pokrywy roślinnej (2D) w ciągu kilkudziesięciu lat, w tym głównie przebiegu sukcesji roślinności na hałdzie, wykorzystano zdjęcie lotnicze z roku 1947 oraz ortofotomapy lotnicze z lat: 1998, 2003, 2009, 2011 (tab. 1). Wektoryzację ekranową i analizy przestrzenne wykonano w oprogramowaniu ArcGIS (Esri). Finalnym efektem procesu wektoryzacji było sporządzenie kompozycji mapowych obrazujących przestrzenny rozkład klas pokrycia terenu w poszczególnych latach i porównanie procentowego udziału powierzchni zajmowanych przez wyróżnione klasy w rejonie zwałowiska w latach ! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:23

5 121 Kolejnym źródłem informacji na temat obszaru badań były numeryczne dane wysokościowe w postaci sklasyfikowanej chmury punktów lotniczego skanowania laserowego (ang. airborne laser scanning, ALS) z roku 2011 (format LAS, gęstość chmury 12 pkt/m 2, źródło: Centralny Ośrodek Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej). Opracowanie chmury punktów ALS rozpoczęto od redukcji (przycięcia) pliku wyjściowego do granic badanego obszaru, a następnie utworzenia Numerycznego Modelu Terenu (NMT), Numerycznego Modelu Pokrycia Terenu (NMPT) i znormalizowanego NMPT (znmpt), dla którego wyznaczona zostaje wysokość względna jako różnica wysokości bezwzględnej danego punktu i miejsca znajdującego się dokładnie pod nim, na powierzchni NMT. Dzięki informacji z NMPT uszczegółowiono proces wektoryzacji ekranowej ortofotomapy. Klasyfikację pokrycia terenu dla roku 2011 przeprowadzono na zintegrowanych danych: ALS i ortofotomapie lotniczej. W ramach opracowania danych ALS wykorzystano oprogramowania: FugroViewer (Fugro Geospatial Services); FUSION [McGaughey 2012] i pakiet narzędzi LAStools (Rapidlasso GmbH). Tabela 1. Zestawienie wykorzystanych w opracowaniu materiałów Rodzaj Godło Rozmiar piksela [m] Kompozycja Zdjęcie lotnicze wydziału aerofoto PLL LOT 1947 M B&W Ortofotomapa RGB Ortofotomapa B&W M D-c-2-2 Ortofotomapa RGB Ortofotomapa RGB Źrodło: CODGiK i dokumentacja kopalni Fryderyk W opracowaniu wyróżniono następujące klasy pokrycia terenu: wany obszar, niecharakteryzujące się zwartym zasięgiem, zaliczano również gruntowe drogi i ścieżki występujące na obszarze badań. Wykorzystane w procesie wektoryzacji ortofotomapy z 2011 roku oraz dane wysokościowe ze skaningu laserowego umożliwiły wytypowanie dodatkowej klasy z zakresu roślinności roślinność średnią. Zaliczono do niej drzewa o wysokości do 7 m.! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:23

6 122 Oprócz wyodrębnienia dodatkowej klasy dane z ALS ułatwiały proces fotointerpretacji i klasyfikację obszarów wątpliwych, do których najczęściej należały ocienione miejsca na granicy klas. Przetworzone chmury punktów ALS przedstawiono w formie warstwy rastrowej klas pokrycia terenu zwałowiska (2011). Klasyfikację obrazu przeprowadzono na podstawie informacji o wysokości każdego piksela, zgodnie z przyjętymi przedziałami wysokościowymi. Klasy roślinność niska rozproszona i zwarta roślinność niska, ze względu na brak różnic w wysokości (obie grupy znajdują się w przedziale poniżej 1 m wysokości), zostały zgrupowane w ogólną klasę roślinności niskiej. Natomiast bardziej dokładnie przedstawione zostały granice między roślinnością niską i klasą piaski, dla których występowała trudność rozróżnienia w procesie wektoryzacji ekranowej. Wynikiem opracowania są mapy klas pokrycia terenu hałdy z lat (ryc. 3a f). Wielkości obszarów zajętych przez poszczególne klasy pokrycia terenu przedstawiono w tabeli 2. Analiza zasięgu przestrzennego roślinności na zwałowisku (proces sukcesji) pozwala stwierdzić, że w 1947 roku większość hałdy pokryta była przez zwartą roślinność niską, porastającą głównie wschodnią część zwałowiska i centralną wierzchowinę. Roślinność niska rozproszona występowała przede wszystkim przy dolnych częściach skarp i miała trudności z utrzymaniem się w ich górnych fragmentach, gdzie dominowały odsłonięte płaty gruntu i wyraźne wcięcia erozyjne. Na mapie można dostrzec również sporadycznie pojawiającą się roślinność wysoką. Tabela 2. Powierzchnia poszczególnych klas pokrycia terenu wyróżnionych dla obszaru kopalni Fryderyk ( ) Klasa Powierzchnia wg poszczególnych opracowanych materiałów [ha] ALS Piaski 0,9 0,68 0,23 1,03 1,33 1,5 Roślinność niska rozproszona 2,51 2,05 0,78 0,48 0,55 Roślinność niska zwarta 3,09 2,83 3,87 2,33 1,63 Roślinność średnia 0,48 1,62 Roślinność wysoka 0,14 1,08 1,76 2,8 2,65 1,94 1,6 Interpretując wyniki wektoryzacji ortofotomapy z 1998 roku, można zauważyć, że większa część hałdy została opanowana przez roślinność niską z dalej utrzymują-! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:24

7 a) 1947 Legenda Granica obszaru badań Piaski Roślinność niska rozproszona Zwarta roślinność niska Roślinność wysoka Ryc. 3. Mapy klas pokrycia terenu obszaru kopalni Fryderyk ( )! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:24

8 124 b) 1998 Legenda Granica obszaru badań Piaski Roślinność niska rozproszona Zwarta roślinność niska Roślinność wysoka Ryc. 3. cd.! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:24

9 c) 2003 Legenda Granica obszaru badań Piaski Roślinność niska rozproszona Zwarta roślinność niska Roślinność wysoka Ryc. 3. cd.! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:24

10 126 d) 2009 Legenda Granica obszaru badań Piaski Roślinność niska rozproszona Zwarta roślinność niska Roślinność wysoka Ryc. 3. cd.! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:24

11 127 e) 2011 Legenda Granica obszaru badań Piaski Roślinność niska rozproszona Zwarta roślinność niska Roślinność średnia Roślinność wysoka Ryc. 3. cd.! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:25

12 128 f) 2011 ALS Legenda Granica obszaru badań Piaski Roślinność niska Roślinność średnia Roślinność wysoka Ryc. 3. cd.! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:25

13 cym się strefowym podziałem na roślinność zwartą zajmującą wierzchowinę, i rozproszoną utrzymującą się na skarpach. Powierzchnie odsłonięte zajmowały górną granicę skarp i stanowiły niewielki odsetek powierzchni hałdy (13,6%). Zaznacza się ekspansja roślinności wysokiej, która przebiega w kierunku północno-zachodnim i zachodnim. Kierunek ten jest zgodny z rozkładem przestrzennym skażenia gleby analizowanego obszaru. Najbardziej rozwinięta roślinność występuje we wschodniej (najmniej skażonej) części zwałowiska. Największy płat zwartej roślinności wysokiej zajmuje powierzchnię 0,25 ha. Na ortofotomapie można dostrzec wpływy antropogeniczne w postaci wydeptanych ścieżek i miejsc nielegalnego poboru piasku. W roku 2003 zaznacza się coraz większa powierzchnia zajmowana przez roślinność drzewiastą. Przyrost powierzchni zajmowanej przez tę klasę w stosunku do roku 1998 wyniósł 0,68 ha (10,3% powierzchni terenu badań). Istniejące ośrodki drzew powiększały zajmowaną przez siebie powierzchnię i jednocześnie powstawały nowe grupy. Największym problemem podczas wektoryzacji ortofotomapy z 2003 roku, wynikającym z czarno-białej kompozycji, było ustalenie wyraźnych granic pomiędzy klasą roślinności niskiej rozproszonej a klasą piaski. Po wnikliwej analizie zobrazowania ustalono, że druga z tych klas zajmuje większy obszar jedynie w północnowschodniej części, stanowiący 3,4% całkowitej powierzchni zwałowiska. W latach nastąpiła wyraźna ekspansja drzew, która przebiegała kosztem roślinności niskiej. Przez 6 lat powierzchnia klasy roślinność wysoka zwiększyła się aż o 1 ha. Bardzo interesującym zjawiskiem jest wzrost powierzchniowego udziału klasy grunt w stosunku do roku Fakt ten można tłumaczyć intensywnymi procesami erozyjnymi zachodzącymi na skarpach zwałowiska, nasilanymi przez wpływy antropogeniczne swobodną penetrację terenu (wybieranie materiału, wysypywanie śmieci czy też jazdę na quadach, motocyklach i rowerach). Do roku 2011 ciągle postępowały procesy erozyjne na skarpach zwałowiska. Wzrost powierzchni klasy piaski w stosunku do roku 2009 wynosił 0,33 ha. W ciągu 2 lat ( ) zaobserwowano również niewielki przyrost powierzchniowy roślinności drzewiastej (o 4,9% powierzchni terenu badań), która gęsto porasta już centralną część zwałowiska. Dobre wyobrażenie co do zróżnicowania wysokości roślin na hałdzie przedstawia opracowanie w formie mapy rastrowej (ryc. 3f) danych wysokościowych z ALS (2011). W tabeli 3 przedstawiono porównanie uzyskanej powierzchni klas pokrycia terenu dla przetworzonych danych ze skanowania laserowego (w tabeli jako ALS) oraz wyniki wektoryzacji ekranowej ortofotomapy (wspomaganej wykorzystaniem znmt z chmur puntów ALS, w tabeli jako ORTO+ALS). Dane z lotniczego skanowania laserowego są doskonałym narzędziem do analizowania zachodzących zmian w czasie i znacznie wspomagają proces fotointerpretacji lotniczych ortofotografii generowanych standardowo w oparciu o NMT, co najczęściej prowadzi do problemów z geometrią wysokich obiektów (koron drzew). Subiektywizm interpretatora materiałów fotolotniczych (2D) zostaje znacznie ograniczony w sytuacji wsparcia go moż-! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:25

14 liwościami wizualizacji chmury punktów ALS lub produktami ich przetwarzania, jak np. znmpt. Tabela 3. Powierzchnia klas pokrycia terenu zwałowiska opracowana według przetworzonych danych z ALS oraz w wyniku wektoryzacji ekranowej ortofotomapy (wspomaganej znmt) Klasy pokrycia terenu (klasy wysokościowe) Powierzchnia [ha] ORTO + ALS ALS różnica Piaski 1,33 1,50 0,17 Roślinność niska 2,19 1,60 0,59 Roślinność średnia 0,48 1,62 1,14 Roślinność wysoka 2,64 1,94 0,70 Wielokierunkowa analiza zebranych materiałów wykazała znaczne zróżnicowanie struktury przestrzennej roślinności na zwałowisku kopalni Fryderyk w Tarnowskich Górach. Wyróżnione płaty roślinności nie tworzą wyraźnych granic i są nierównomiernie rozłożone na obszarze całego zwałowiska. Taki rozkład wysokości roślinności na hałdzie może świadczyć o długotrwałym i naturalnym przebiegu procesu sukcesji. Dynamikę zachodzących zmian, a także kierunek ekspansji roślinności dobrze obrazują analizy przestrzenno-czasowe zdjęć i ortofotomap lotniczych. Zintegrowanie danych pochodzących z lotniczego skanowania laserowego oraz ortofotomap lotniczych w procesie wektoryzacji ekranowej umożliwiło szersze i bardziej precyzyjne określenie struktury przestrzennej roślinności niż w przypadku opracowania samych ortofotomap. Cechy określone na podstawie dostępnych materiałów mogą świadczyć o dużym zróżnicowaniu mikrosiedliskowym i znacznych wpływach antropogenicznych na strukturę przestrzenną i rozwój roślinności na hałdzie. Wykorzystanie technologii geoinformatycznych ułatwiło określenie zasięgu przestrzennego sukcesji leśnej na zwałowisku i może być stosowane dla prowadzenia dalszego cyklicznego monitoringu zmian zachodzących na tym obiekcie. Chmury punktów z lotniczego skanowania laserowego mogą zostać wykorzystane także dla określenia wielu wskaźników charakteryzujących roślinność porastającą hałdę, takich jak wysokość i grubość drzew, stopień zwarcia i długość korony drzew, liczba drzew na jednostkę powierzchni [Wężyk i in. 2008, Ewijk i in. 2009, Falkowski i in. 2009, Mücke i in. 2010, Wężyk i in. 2012, 2013]. Dzięki wykorzystaniu danych z ALS możliwa jest obiektywna i dokładna ocena cech biometrycznych roślinności, związanych z przestrzennym rozkładem chmury punktów.! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:25

15 Sukcesja zbiorowisk roślinnych o charakterze leśnym na gruntach poprzemysłowych ma charakter powszechny, a technologie geoinformatyczne mogą dostarczać precyzyjnych informacji o dynamice tego procesu i znacząco przyspieszyć wykrywanie oraz ocenę poszczególnych faz sukcesji roślinności o charakterze leśnym. Dane ALS oraz analizy GIS mogą przyczynić się do rozwoju badań nad rozmieszczeniem, określeniem wielkości i dynamiką biomasy. W związku ze zwiększającą się dostępnością do danych ALS, np. dzięki realizacji projektu ISOK (Informatyczny System Osłony Kraju przed nadzwyczajnymi zagrożeniami), stopniowo poprawia się jakość modeli i decyzji środowiskowych. Daje to szerokie możliwości analiz przestrzennych GIS i automatyzacji w zakresie wyznaczania granic klas pokrycia i użytkowania terenu. Technologie geoinformatyczne stanowią duży potencjał dla prowadzenia wielkoobszarowych badań struktury przestrzennej roślinności. Bergen K.M., Dronova, I Observing succession on aspen-dominated landscapes using a remote sensing-ecosystem approach. Landsc. Ecol., 22, Bork E.W., Su J.G Integrating LIDAR data and multispectral imagery for enhanced classification of rangeland vegetation: a meta-analysis. Rem. Sens. Environ., 111, 1, Drzewiecki W., Wężyk P., Pierzchalski M., Szafrańska B Quantitative and Qualitative Assessment of Soil Erosion Risk in Małopolska (Poland), Supported by an Object-Based Analysis of High-Resolution Satellite Images. Pure Appl. Geophys., 171, 6, Ewijk K.Y., Treitz P.M., Scott N.A Characterizing forest structure using a lidar derived complexity index. [W:] S. Popescu, R. Nelson, K. Zhao, A. Neuenschwander (red.), Silvilaser, College Station, Texas, USA. Falkowski M.J., Jeffrey S., Evans J.S., Martinuzzi S., Gessler P.E, Hudak A.T Characterizing forest succession with lidar data: An evaluation for the Inland Northwest, USA. Remote Sens. Environ., 113, 5, McGaughey R.J. 2012: FUSION/ldv: Software for lidar data analysis and visualization. Software manual. USDA Forest Service. Pacific Northwest Research Station. Mücke W., Hollaus M., Prinz M Derivation of 3D landscape metrics from airborne laser scanning data. Silvilaser, Freiburg, Germany. Szostak M., Wężyk P., Tompalski P Aerial orthophoto and airborne laser scanning as monitoring tools for land cover dynamics: A case study from the Milicz Forest District (Poland). Pure Appl. Geophys., 171, 6, Wężyk P., Mlost J., Pierzchalski M., Wójtowicz-Nowakowska A., Szwed P Wzmocnienie procesu klasyfikacji obiektowej wielospektralnych ortofotomap lotniczych danymi z lotniczego skanowania laserowego. Arch. Fotogram., Kart. Teledet., 23, ! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:25

16 Wężyk P., Szostak M., Tompalski P Use of airborne laser scanning data for a revision and update of a digital forest map and its descriptive database: A case study from the Tatra National Park. [W:] The Carpathians: Integrating nature and society towards sustainability, IV, , Springer Berlin Heidelberg. Wężyk P., Tompalski P., Szostak M., Glista M., Pierzchalski M Describing the selected canopy layer parameters of the Scots pine stands using ALS data. 8th International Conference on LiDAR Applications in Forest Assessment and Inventory. SilviLaser Sept , Edinburgh, UK, data Summary. The purpose of this study was to determine the temporal and spatial changes of plants coverage on the Fryderyk spoil heap (area approx. 5 ha) in Tarnowskie Góry. Tested area was located in the Upper Silesian Industrial Region (a large industrial region in Poland). It was a unique refuge habitat Natura2000; PLH The main aspect of this elaboration was to investigate the possible use of geotechniques and generally available geodata for mapping LULC changes on reclaimed areas. Presented study focus on the analysis of spatial structure of vegetation on the research area. This exploration was based on aerial images and orthophotomaps from 1947, 1998, 2003, 2009, 2011 and airborne laser scanning data (2011). Forest succession changes that occurred between 1947 and 2011 were presented. The selected features of vegetation overgrowing spoil heap Fryderyk was also determined. The results demonstrated gradual succession of greenery on soil heap. In 1947 the 84% of this area was covered by low vegetation. Trees expansion was proceeding in the west and northwest direction. In 2011 this canopy layer covered almost 50% of research area. There has been progressive erosion process on the heap since Parameters, such as height of vegetation, were calculated by an airborne laser scanning data. These analyses indicated significant diversity in vertical and horizontal structure of vegetation. The study presents some capacities to use airborne laser scanning for impartial evaluation of the structure of vegetation. Key words: -! Problemy leśnictwa w górach (2015).indd :28:25