Interpretacja zdjęć satelitarnych za pomocą systemów GIS na przykładzie zmian krajobrazowych powstałych po wylesieniach w Górach Izerskich

Transkrypt

1 Interpretacja zdjęć satelitarnych za pomocą systemów GIS na przykładzie zmian krajobrazowych powstałych po wylesieniach w Górach Izerskich Wojciech Bartnik, Andrzej Strużyński Akademia Rolnicza w Krakowie Katedra Inżynierii Wodnej adresy rmbartni@cyf-kr.edu.pl w. 223 al. Mickiewicza 24/ Kraków rmstruzy@cyf-kr.edu.pl Streszczenie W artykule przedstawiono interpretację dwóch zdjęć wykonanych przez satelitę SPOT w latach 1986 i 1992 z przelotów nad obszarem Gór Izerskich w miesiącach letnich. Na podstawie ich stworzone zostały mapy numeryczne pozwalające na określenie zmian obszarów zajętych przez drzewostany świerka i obszarów zagrożonych erozją powierzchniową. Wyniki prac przedstawione zostały w programach Idrisi, AutoCad i Excel. Słowa kluczowe zdjęcia satelitarne, GIS, wylesienie, erozja, model wysokości Wstęp Zdjęcia przedstawiające dowolny obszar widziany z kosmosu charakteryzują się różnym stopniem kontrastu, jasnością, rozdzielczością i szerokością spektrum rejestracji. W zależności od warunków ich wykonania i aparatury fotograficznej charakteryzują się zniekształceniami kontrastu i barwy. Pojawiają się również zniekształcenia związane z odzwierciedleniem przestrzeni kulistej na płaszczyźnie i czasem rejestracji obrazu wobec ruchu satelity [8]. Zdjęcia satelitarne poddane interpretacji pozbawione zostały błędów optycznych i związanych z ruchem satelity (stopień korekcji obrazu 1B). Satelita SPOT przelatuje nad obszarem Sudetów pomiędzy godziną 11:00 a 11:30 czasu słonecznego [8, 11]. Powoduje to iż występują zbliżone warunki oświetlenia w różnych porach roku. Jedynym problemem wobec dużych odstępów między przelotami (26 dni) jest zachmurzenie. W związku ze zmiennością warunków pogodowych do zdjęć dołączane są histogramy przedstawiające rozkład jasności punktów obrazu w poszczególnych widmach. Zdjęcia zostały zakupione w widmach: zielonym, czerwonym i podczerwonym < rys 1 >. Rys. 1. Histogram przedstawiający jasność punktów w wybranej scenie satelity SPOT. Model wysokości powstał w wyniku przeniesienia pikiet z mapy wysokości za pomocą pulpitu cyfrowego w formacie wektorowym, który następnie został zmieniony w programie Idrisi na rastrowy [4]. Model ten stanowił podstawę interpretacji wysokości terenu n.p.m. i spadków jako czynnika mającego wpływ na procesy erozyjne na zagrożonym obszarze. Na podstawie map powstałych w programie Idrisi stworzone zostały trójwymiarowe modele charakteryzujące zjawisko.

2 Obszar badań Jedna scena fotografowana przez satelitę obejmuje obszar 3600 km*km. W pracy wykorzystane zostały fragmenty obejmujące rejon Wielkiej Kopy i pasmo Szrenicy w Górach Izerskich koło Szklarskiej Poręby. Badania obejmują obszar o powierzchni 280 km*km. Zawarty jest on w granicach W14[st.]47[min.], Pn50[st.]30[min.] - W15[st.]55[min.], Pn 51[st.]10[min.]. Był on w ostatnim okresie szczególnie narażony na emisję pyłów z Niemiec, b. Czechosłowacji i Polski. < zdj. 1 i 2 >. Zdj. 1. i 2. Obszar klęski żywiołowej (Wielka Kopa). Pasmo Szrenicy znajduje się średnio na wysokości 1500 m n.p.m., Wielka Kopa na ok m n.p.m.. Roczne przyrosty tamtejszego świerka malały systematycznie w zależności od położenia siedliska do roku od 4 mm do 1 mm na rok. Następnie zaobserwowano stabilizację przyrostów i od około 1992 roku tendencja jest rosnąca [Niemtur]. Oznacza to poprawę warunków siedliskowych tzn. zmniejszenie erozji i akumulacji składników pokarmowych w glebie [2]. Obecnie badany teren pokryty jest roślinnością trawiastą, w dużym stopniu ograniczającą procesy erozji. Drogi transportu ściętych drzew (ryzy) są silnie zerodowane, co przejawia się w wymyciu materiału i osadzaniu go w miejscach załamania spadku. Tereny w których prowadzone są uprawy leśne, a które zostały rozplantowane przez zbyt ciężki sprzęt stanową ogniska erozji. Kolejnym źródłem lokalnych jej przejawów są również tereny zrywki uschniętych drzew. Zjawiska erozji występują także w łożyskach potoków i w terenach do nich przyległych. Szczególnie duże straty zaistniały w rejonie Wielkiej Kopy, gdzie nastąpiły masowe wylesienia i wzmożone procesy erozyjne. Fakt ten stał się to przyczynkiem do wszczęcia niniejszych badań [1, 3]. Zakres prac przygotowawczych W pierwszym etapie prac wszystkie przeglądy zostały obrócone i kadrowane w celu ujednolicenia sceny i zgodności z kierunkiem północnym. W celu zwiększenia czytelności przy manualnej interpretacji przeprowadzono wzmocnienie kontrastu wybranych scen. Stworzono również mapę pomocniczą służącą do usuwania obszarów nie będących przedmiotem badań < rys. 2 >. Format plików przedstawiających rozmieszczenie obrębów leśnych uzyskany od IBL w Warszawie został zmieniony na IDRISI. Plan w skali 1:25000 przedstawiający degradajcę lasów w roku 1984 wykorzystany został do stworzenia modelu wysokości. Umożliwił on również zwiększenie dokładności wyników uzyskanych drogą komputerową dla następnych lat. Model wysokości uzyskany na podstawie pikiet wysokości poddany został działaniu filtra uśredniającego, co spowodowało zwiększenie podobieństwa zmian nachyleń do warunków naturalnych.

3 jasność punktów Rys. 2. Zdjęcie satelitarne wykonane w paśmie 2 z roku 1986 (barwy sztuczne). Dla dokładności badań zabieg ten okazał się wystarczający. Model ten posłużył do utworzenia planu przedstawiającego zmienność nachyleń na badanym terenie < rys 3 >. spadki [stopnie] > 15 Rys. 3. Model spadków. Pomocniczo wykonany został również obraz przedstawiający relief i obszary pokryte roślinnością. Powstał on przez nałożenie zdjęcia wykonanego w barwie zielonej i podczerwieni < rys. 4 >. Rys. 4. Obraz powstały jako wynik dzielenia punktów obrazu barwy zielonej przez podczerwień.

4 Było to możliwe ponieważ filtry zielony i czerwony poprawiają widoczność różnych gatunków roślin oraz ich stan zdrowia, wykonanie zaś zdjęcia w podczerwieni daje plastyczny obraz, pozwalający na łatwą lokalizację szczegółów terenowych, zbiorników wodnych i obszarów podmokłych. Interpretacja zdjęć satelitarnych została przeprowadzona w programie Idrisi for Windows. Prowadziła ona do określenia zmian powierzchni leśnych w latach od 1986 do Małe urozmaicenie gatunkowe lasów tego obszaru pozwoliło na potraktowanie wylesień jako szkód w drzewostanie świerka. Do określenia powierzchni lasów zastosowano metodę pól testowych z algorytmem wyszukującym obszary punktów o podobnym rozkładzie przestrzennym i podobnym stopniu jasności w rozpatrywanych widmach [6]. W opisanej czynności klasyfikowano 100% punktów obrazu [4, 10]. Dla zaklasyfikowania grup spadków o podobnym charakterze zastosowano klasyfikację zagrożenia erozją zaproponowaną przez Siutę [5]. Na podstawie obserwacji terenowych rozgraniczenie pomiędzy IV a V klasą zagrożenia erozją oceniono na 13 stopni w miejscach odkrytych [2]. Jako efekt końcowy stworzono mapy powierzchni leśnych w poszczególnych obrębach leśnych oraz określono powierzchnie wylesień najbardziej zagrożonych na występowanie erozji powierzchniowej. Dyskusja wyników interpretacji zdjęć Przejrzyste przedstawienie efektów pracy jest zadaniem trudnym. Proces degradacji lasu przebiegał inaczej w różnych miejscach. Obszary zasłonięte przed wiatrami niosącymi zanieczyszczenia nie odniosły tak wielkich strat, jak inne, o lokalizacji otwartej, narażone również na niedostatki wody i większe zakwaszenie gleb. Ubytki drzewostanu rozpoczęły się na wysokościach powyżej 1100 m n.p.m. i zwiększały się w miejscach szczególnie narażonych na erozję. Przy pomocy programu AutoCad [9], do którego przeniesiono mapy rastrowe z programu Idrisi można przedstawić miejsca w których zjawiska erozyjne mogą następować najłatwiej. Możliwe jest obracanie modelu i powiększanie dowolnych jego fragmentów. Możliwe jest również oświetlenie modelu światłem słonecznym o dowolnej godzinie dowolnej pory roku. Daje to możliwość uchwycenia warunków oświetlenia poszczególnych fragmentów obszaru badań < rys. 5 >. wysokość [m n.p.m.] Rys. 5. Model wysokości w barwach kartograficznych widziany pod kątem do płaszczyzny: XY- 16,7 [st.], YZ- 11,3 [st.], oświetlony światłem słonecznym dnia 24 VI o godz. 17:00.

5 W celu określenia powierzchni zalesionych przydatne jest naniesienie drzewostanów na model trójwymiarowy. Na rysunku tym widać iż obszary wylesień pokrywają się z najwyższymi punktami na tym terenie < rys. 6 >. Rys. 6. Model wysokości pokryty powierzchniami lasu w roku Powierzchnie lasów znikają bardzo szybko z terenów o dużym stopniu zagrożenia erozją. Rysunek <rys. 7> przedstawiają do jakiej kategorii erozji przejść mogą tereny po usunięciu roślin. stopień zagrożenia brak Rys. 7. Góry Izerskie i Karkonosze (fragment w okolicy Szklarskiej Poręby) powierzchnie lasu na poszczególnych klasach zagrożenia erozją. Powierzchnie wylesień w poszczególnych obrębach leśnych mają rozkład bardzo nierównomierny. Ma to uzasadnienie w warunkach siedliskowych < rys. 8 >. Ponieważ drzewostan chroni glebę, zagrożenie terenów porośniętych nie przekracza trzeciego stopnia zagrożenia < tab. 1 >. Wypad drzewostanu może spowodować zwiększenie podatności gleby na erozję o jeden lub dwa stopnie. Zagrożenie erozją badanych obszarów przedstawione dla poszczególnych obrębów zostało przedstawione poniżej < tab. 2 > [1].

6 Lasy w obrębach: Szklarska Poręba Świeradów Piechowice KPN Śnieżka Rys. 8. Rozmieszczenie wylesień w poszczególnych obrębach na terenie badań. Stopień zagrożenia Powierzchnia lasu [ha] nie ma I II III Tab. 1. Stopień zagrożenia erozją powierzchni lasów. Stopień zagrożenia Zagrożenie erozją w obrębach [ha] Szklarska P. Świeradów Piechowice KPN Śnieżka nie ma I II III IV V Tab. 2. Stopnie zagrożenia erozją powierzchni w badanych obrębach leśnych.

7 Wnioski Zdjęcia przesyłane przez satelitę SPOT i inne satelity stwarzają wiele możliwości przestrzennego opisu zjawisk zachodzących w przyrodzie. Wykonywane zdjęcia wielospektralne ułatwiają ocenę wizualną procesów zachodzących w przyrodzie i zwiększają dokładność obliczeń automatycznych. Komputerowa obróbka danych pozwala na określanie związków zachodzących pomiędzy przyrodą ożywioną i nieożywioną i może być pomocna w określaniu zagrożenia środowiska. Metody komputerowe obróbki obrazu pozwalają na dokładną ocenę powierzchni zalesionej i wylesionej. Zagrożenie erozją staje się zjawiskiem możliwym do interpretacji na całym badanym terenie. Łatwa staje się symulacja i prognozowanie sytuacji zagrożenia. Możliwe jest określenie maksymalnej ilości erodowanego materiału po nastąpieniu masowych wylesień w poszczególnych klasach zagrożenia erozją powierzchniową. Na podstawie wykonanych badań łatwo wskazać miejsca od których należy rozpocząć zabezpieczenie terenów zagrożonych degradacją lasu i nasileniem procesów erozyjnych. Piśmiennictwo [1] 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 [2] Bartnik i inni, 1997, Rejony Intensywnej Erozji Powierzchniowej Na Terenie Sudetów, AR Kraków, maszynopis [3] 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 [4] Chirisman N., 1997, Exploring Geographic Information Systems, John Wiley & Sons Inc.,USA Eastman J.R., 1997, Idrisi for Windows User s Guide, Clark University USA [5] Korelewski K., 1983, Przyrodnicze podstawy użytkowania rolniczej przestrzeni produkcyjnej, AR Kraków, Skrypt [6] Kozak J., 1996, Przestrzenny Model Degradacji Lasów Beskidu Śląskiego, Nowa Generacja w Badaniach Gospodarki Przestrzennej pod redakcją Ryszrda domańskiego, Biuletyn PAN, Warszawa [7] 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 [8] Wójcik St, 1989, Zdjęcia lotnicze, PPWK Warszawa-Wrocław [9] Autodesk, [10] IDRISI, [11] SPOT, Strony internetowe Numery licencji: Idrisi AutoCad Office Pro