Monitoring satelitarny Gór Izerskich wylesionych w wyniku antropopresji przemysłowej

Transkrypt

1 Monitoring satelitarny Gór Izerskich wylesionych w wyniku antropopresji przemysłowej WOJCIECH BARTNIK, ANDRZEJ STRUŻYŃSKI Katedra Inżynierii Wodnej, Akademia Rolnicza w Krakowie Streszczenie Ciągłe zmiany jakim podlega przyroda oprócz badań naziemnych wymagają również obserwacji lotniczych lub satelitarnych prowadzonych przez pewien okres czasu. W wykonywanym projekcie wykorzystano zdjęcia satelitarne wykonane przez satelitę SPOT nad obszarem Polski południowo-zachodniej. Informacja zawarta w trzech widmach w których wykonywane są zdjęcia wykorzystana została w programie Idrisi 2.0 for Windows do monitoringu obszarów leśnych na obszarze Sudetów. Na obszarze tym wystąpiło zjawisko wylesienia znacznej powierzchni lasu. W projekcie stworzono model wysokości terenu, model spadków i określono powierzchnie objęte zagrożeniem erozją powierzchniową. Określono również powierzchnie wylesione w poszczególnych obrębach leśnych. Wykonane zostały również mapy cyfrowe pozwalające na dokładną lokalizację szczegółów terenowych w interpretacji manualnej. Badania obejmują okres w którym to zmiany warunków siedliskowych lasu na tym obszarze były szczególnie wyraźne. WSTĘP Zdjęcia satelitarne Ziemi są zapisywane i przesyłane do ośrodków naziemnych głównie w postaci cyfrowej. Jakość elektronicznych wizyjnych przetworników analogowo-cyfrowych stała się na tyle doskonała, że obrazy o powierzchni rzędu dziesiątek lub setek kilometrów mogą mieć rozdzielczość mierzoną w terenie od kilku- do kilkudziesięciu metrów. Dane przesyłane przez satelity meteorologiczne i topograficzne przedstawiają zwykle poszczególne miejsca na Ziemi w ściśle określonych odstępach czasu (Wójcik, 1989), dzięki temu można określić parametry obróbki obrazów. Zdjęcia przesyłane przez satelitę SPOT są dla obszaru Polski wykonywane pomiędzy godziną 11:00 a 11:30 czasu słonecznego. Ponieważ rozdzielczość dla zdjęć panchromatycznych wynosi 10 m, a kolorowych 20 m, możliwe jest więc szersze, poza meteorologicznym, ich zastosowanie. W pracy wykorzystano zdjęcia archiwalne, które wykonane zostały przez satelitę SPOT w paśmie zieleni, czerwieni i

2 podczerwieni bliskiej obejmujące rejon Wielkiej Kopy i pasmo Szrenicy w Górach Izerskich. Tereny te były w ostatnim okresie szczególnie narażone na emisję zanieczyszczeń przemysłowych z Niemiec, Czech i Polski (Bartnik, Niemtur i inni 1998, Niemtur, 1997). Według przeprowadzonych badań zmianom uległy cechy chemiczne gleb i wód gruntowych (Bartnik i inni,1997). Było to jedną z wielu przyczyn, które spowodowały wylesienie znacznych obszarów. Przy pomocy programu Idrisi v.2.0 (1) określono zmiany powierzchni zalesienia na badanym obszarze. Wykonano także mapę wysokości terenu i spadków, a na ich podstawie wykonane zostały mapy obrazujące stopień zagrożenia erozją i wylesienia. METODYKA BADAWCZA I OBRÓBKA ZDJĘĆ SATELITARNYCH Dane techniczne zdjęć satelitarnych Kompilacji poddano dwa zdjęcia satelitarne. Są to pełne sceny z lat 1986 i 1992 otrzymane z satelity SPOT. Powierzchnia sceny wynosi 60x60 km. Punkt centralny sceny posiada współrzędne W15 o 21 07, Pn50 o Orientacja sceny względem kierunku Północy 15.6 o, kąt nachylenia sceny 12.4 o. Obrazy wielospektralne wykonane są w paśmie barwy zielonej, czerwonej i w podczerwieni. Charakteryzują się rozdzielczością terenu w granicach m (rozmiary punktu 20x20 m). Każde spektrum jest odzwierciedlone poprzez 256 odcieni szarości. Nałożenie ich więc (w barwach sztucznych) daje paletę 16,7 miliona kolorów dostępnych przy interpretacji wizualnej. Obraz o wzmocnionym kontraście przedstawiony został na rysunku (Rys. 1). Zamówione zdjęcia archiwalne poddane zostały korekcji obrazu przez Ośrodek Lotów Kosmicznych w Tuluzie (Francja). Stopień obróbki obrazu 1B zapewnia korekcję błędów układu optycznego kamery satelity i jego ruchu po orbicie. Oryginalnie dostarczone pliki zostały zapisane w formacie BIL (Band Interlieved by Line). W trakcie pracy dokonano ich konwersji do formatu Idrisi. Przygotowanie wektorowej mapy numerycznej wysokości terenu w skali 1:25000 Mapa zdrowotnego stanu lasu z roku 1984 opracowana na podstawie spektrostrefowych zdjęć lotniczych (3) została m.in. wykorzystana do sporządzenia wektorowej mapy wysokości badanego obszaru. Pikiety wysokości z tej mapy przeniesione zostały przy użyciu programu TOSCA znajdującego się w pakiecie IDRISI. Powstała mapa pokrywa obszar badań

3 Rys. 1. Pełna scena nałożonych wszystkich trzech widm dla roku 1992 przedstawiony na zdjęciach satelitarnych. Ponieważ mapa została zapisana w formacie wektorowym, nie może być więc bezpośrednio zastosowana do określania wysokości dowolnego obszaru. Poza tym w programie IDRISI nie ma możliwości wykonywania interpretacji danych zapisanych w tym formacie i porównywanie jej ze zdjęciami satelitarnymi. Mapa ta wymagała więc przeprowadzenia konwersji do formatu rastrowego. Kalibracja zdjęć do formatu mapy 1: Zdjęcia satelitarne przedstawiały obszar większy od obszaru badań. Dla przeprowadzenia dalszej interpretacji konieczne stało się zmniejszenie rozmiarów scen, usunięcie wpływu kąta rejestracji obrazu przez satelitę dla danego obszaru i korekcja położenia szczegółów terenowych na obu obrazach satelitarnych we wszystkich widmach, oraz na wykonanej mapie wektorowej.

4 Przygotowanie numerycznej mapy wysokości terenu Następnym krokiem było wykonanie modelu wysokości terenu (DEM) na podstawie mapy wektorowej i parametrów utworzonych scen satelitarnych. Model wysokości został wykonany metodą interpolacji wysokości na podstawie sześciu sąsiadujących punktów. Po zastosowaniu procedury dostępnej w programie IDRISI, model ten wymagał użycia dodatkowo filtra uśredniającego o rozmiarach 6x6 punktu. Błędy interpolacji zostały w ten sposób zmniejszone i filtra uśredniającego dane wysokości mapy elektronicznej zostały rozłożone na obszary o wymiarach ok. 100x100m. Procedura ta spowodowała wyrównanie terenu (np. rzędna szczytu Szrenicy została zmieniona o kilka metrów). Ze względu jednak na przeznaczenie modelu jego przydatność do badań warunków powstawania wylesień na badanym obszarze w wyniku przeprowadzonych operacji nie została zmniejszona (Rys. 2) (Bartnik, Niemtur i inni, 1998). Rys. 2. Mapa wysokości badanego obszaru Utworzenie modelu spadków i klasyfikacja spadków terenu Na podstawie modelu wysokości terenu (DEM) można było wykonać pochodne służące do interpretacji przestrzennej zjawiska erozji na badanym terenie (Bartnik, Strużyński, 1998). Jedną z map powstałych z DEM jest model spadków terenu przedstawiający nachylenia terenu podane w stopniach. Gleby zagrożone erozją powierzchniową w podobnym stopniu zostały pogrupowane według pięciostopniowej skali zaproponowanej przez Siutę (Korelewski, 1983). Podział pomiędzy IV a V stopniem (tab.1) [1,2] zagrożenia erozją został ustalony w oparciu o badania terenowe na 13 0 w miejscach nie zalesionych.

5 Konwersja danych z formatu ArcInfo do formatu ArcView Jednym z zagadnień podjętych w projekcie był problem lokalizacji strat w drzewostanie w poszczególnych obrębach leśnych. W tym celu wykorzystano mapę rozmieszczenia obrębów leśnych (stan z roku 1984) sporządzoną przez IBL w Warszawie w skali 1: Mapa ta przygotowana w programie ArcInfo i przekonwertowana do formatu IDRISI. Tabela 1. Zagrożenie erozją wodną poszczególnych grup gleb wg Siuty (Korelewski 1983) Nachylenie terenu w stopniach Grupy gleb do powyżej 15 Stopnie zagrożenia erozją (erozja potencjalna) (+) (+) (+) 3-5 (+) Erozje liniową zaznaczono krzyżykiem: (+) - przemiana żłobin w większe formy wklęsłe jest raczej mało spodziewana, + - sygnalizuje łatwość pogłębiania się żłobin i rozczłonkowanie się reliefu (doliny suche). Uwzględnienie sum rocznych opadów: - w rejonach o opadach poniżej 600 mm przyjmujemy stopień niższy, a powyżej 600 mm - wyższy (dotyczy stopni podanych alternatywnie) - przy opadach: poniżej 600 mm - stopień 3, mm stopień 4, powyżej 800 mm - stopień 5 (dotyczy przypadku określenia erozji w granicach 3-5 stopni). Sprawdzono również zgodność położenia szczegółów terenowych powstałej mapy ze szczegółami zlokalizowanymi na przeglądach satelitarnych.

6 Rys.3. Badany obszar widziany w paśmie barwy zielonej po wzmocnieniu kontrastu Kompilacja zdjęć satelitarnych Na różnych etapach tworzenia projektu wymagane były dodatkowe obrazy opracowane ze zdjęć satelitarnych przy lokalizacji szczegółów terenowych, w których wykonywane były badania. Wykonane zostały obrazy dla lat 1986 i 1992 o zwiększonym kontraście. Zabiegom poddano zdjęcia wykonane w paśmie barwy zielonej i kompilacyjne: zielone/czerwone i zielone/podczerwień (Rys. 3). Uzyskano w ten sposób obrazy pozwalające na odszukanie ścieżek i dróg śródleśnych, terenów miejskich i wiejskich, wyodrębnienie szczegółów rzeźby terenu, rozróżnienie terenów leśnych i pól uprawnych oraz wstępną ocenę stanu drzewostanów i obszarów porośniętych roślinnością trawiastą. WYNIKI BADAŃ Interpretacja obrazów i zdjęć satelitarnych określiła powierzchnię wylesień (Kozak, 1996), zagrożenie erozją powierzchni zalesionych i bez drzewostanu, wylesienie w poszczególnych obrębach leśnych (Bartnik i inni,1998). Wykonane wizje lokalne w latach 1996 i 1997 w celu pobrania próbek gleb w miejscach erozji i akumulacji były bardzo owocne dla określenia jakości środowiska glebowego i rozmieszczenia gatunkowego roślinności drzewiastej i traw. Pomiary geodezyjne wykonane w rejonie Wielkiej Kopy pozwoliły na rozgraniczenie 4 i 5 stopnia zagrożenia erozją liniową obszarów wylesionych (Rys. 4).

7 Spadek [ o ] Wysokość [m n.p.m.] 16,00 14,00 12, , , ,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00-11,70 0,00 5,30 17,30 32,90 47,10 63,70 81,90 99,40 116,90 132,00 152,80 174,30 194,00 219,10 243,00 271,00 294,60 314,60 333,60 355,10 379,70 399,70 420,20 Odległości [m] 1080, , , , , , ,00 Rys.4. Profil podłużny Wielka Kopa - Złote Jamy. Na zaznaczonych częściach profilu występuje zjawisko wzmożonej erozji liniowej W wyniku monitoringu opartego na zdjęciach satelitarnych określono, że powierzchnie niezagrożone erozją na danym terenie zajmowały około 27 km 2, a tereny zakwalifikowane jako IV i V stopień zagrożenia erozją powierzchniową - 23 km 2 dla całego terenu objętego monitoringiem (280 km 2 ). Udział powierzchni wylesień w okresie objętym monitoringiem zmienił się z 42 do 46 %. Największe straty w drzewostanie miały miejsce na stokach o dużym nachyleniu. Ilość erodowanego materiału obliczono w roku 1986 na [x10 4 ton ha -1 rok -1 ], w o oparciu badania terenowe i wielkość powierzchni wylesionej w grupie V stopnia zagrożenia erozją. WNIOSKI 1. Obróbka komputerowa zdjęć satelitarnych pozwala na wieloaspektowe określenie zjawisk przyrodniczych (Bartnik i inni,1998). 2. Przeprowadzona interpretacja zdjęć satelitarnych Gór Izerskich za pomocą GIS u pozwoliła na określenie miejsc zagrożenia erozją powierzchniową oraz przebiegu procesu wylesienia. 3. Konieczne jest jednak odniesienie zmian zachodzących na danym terenie do przeglądów aktualnych, które są tzw. przeglądami zamawianymi. One decydować będą w znacznym stopniu o koszcie badań.

8 4. Obrazy satelitarne pozwalają na wyodrębnienie szczegółów rzeźby terenu, określenie typu i rodzaju gospodarki prowadzonej na danym obszarze. Umożliwiają one również prowadzenie monitoringu rozpatrywanych obszarów w sposób ciągły z zachowaniem powtarzalności pomiarów. LITERATURA Bartnik i inni (1998) - An assessment of surface erosion in the Izerskie Mountains with the use of complex methods of investigation, Forest and Water, Cracow University of Technology, Kraków Bartnik i inni (1997) - Rejony Intensywnej Erozji Powierzchniowej Na Terenie Sudetów, AR Kraków, maszynopis Bartnik W., Strużyński A. (1998) - Interpretacja zdjęć sat elitarnych za pomocą systemów GIS na przykładzie zmian krajobrazowych powstałych po wylesieniach w Górach Izerskich, maszynopis Bartnik W.,Strużyński A., Michalik A., Niemtur S. (1998) - The deforestation process in the Izerskie Mountains on the basis of satellite images, Forest and Water, Cracow University of Technology, Kraków Korelewski K. (1983) - Przyrodnicze podstawy użytkowania rolniczej przestrzeni produkcyjnej, AR Kraków, Skrypt Kozak J. (1996) - Przestrzenny Model Degradacji Lasów Beskidu Śląskiego, Nowa Generacja w Badaniach Gospodarki Przestrzennej pod redakcją Ryszrda Domańskiego, Biuletyn PAN, Warszawa

9 Niemtur St. (1997) - Effects Of Air Pollution On Mountain Forests In Polish Part of Carpathians, International Congress of Acid Snow and Rain, 6 8 October 1997 Faculty of Engineering, Niigata University, JAPAN Wójcik St. (1989) - Zdjęcia lotnicze, PPWK Warszawa-Wrocław Strony internetowe (1) IDRISI, (2) SPOT, Inne materiały (3) Mapa opracowana przez Ośrodek Przetwarzania Obrazów Lotniczych i Satelitarnych Instytutu Geodezji i Kartografii w Warszawie, Warszawa - Białystok Abstract Permanent change of nature can be described not only by on earth investigations but also by use of aeroplane or satellite images. This should be made in the exact time. In the design images taken over territory South West part of Poland done by SPOT were used. The information put in three band images was developed by use of Idrisi 2.0 for Windows to monitoring forest basins in Sudety Mountains. On this territory forest degradation had appeared. In this design elevation model, slope model and map of forest districts were prepared. The maps shown deforested areas and erosion danger of deforested areas maps were also made. For terrain events manual localisation digital maps were made before. The investigations treat the area of Sudety Mountains from 1984 to 1997 when seat conditions varied very explicit.