W^zyk P. -,, Wykorzystanie technik geomatycznych vv badaniachprzyrodniczych... "

W^zyk P. -,, Wykorzystanie technik geomatycznych vv badaniachprzyrodniczych... " Piotr W?zyk Wykorzystanie technik geomatycznych w badaniach przyrodniczych na przykladzie monitoringu drzewostanow bukowych w Ojcowskim Parku Narodowym oraz Lesnym Zakladzie Doswiadczalnym w Krynicy. Geomatic techniques in environmental research on the example of the monitoring of beech stands in the Ojcow National Park and Forest Experimental Station in Krynica Streszczenie: Nowoczesne technologie pozyskiwania informacji przestrzennej o terenie i obiektach oraz jej przetwarzania i prezentacji okresla si? mianem geomatyki. Posfuguja_c si? tego typu technikami dla obszaru badari zbudowano system GIS (Arc/Info, ArcView ESRI) tj. bazy gcometryczne oraz atrybutowe. W procesie tworzenia map numerycznych oparto si? na analogowych informacjach (archiwalne mapy papierowe) oraz technikach fotogrametrii cyfrowej (opracowania zdj?c lotniczych). Mapy przetwarzano w procesie digitalizacji dokonuja^c transformacji na punktach o wspolrz?dnych okreslanych na podstawie pomiaru roznicowego DGPS. Uzycie odbiomikow GPS pozwolifo na precyzyjne ulokowanie na mapach numerycznych poszczegolnych obiektow takich jak; korony drzew, urzajdzenia badawcze czy tez obszary powierzchni monitoringowych. Pomiar DGPS zapewnil poprawnosc wynikow analiz GIS. Dla wybranych analiz przestrzennych niezb^dne okazalo si? wygenerowanie Cyfrowego Modelu Terenu (DTM). Proces tworzenia modelu oparto na procedurze generowania siatki nieregulamych trojkajow (TIN) a nast?pnie konwersji do postaci rastrowej (grid). Na podstawie DTM uzyskano informacje o spadku (Slope) i ekspozycji (Aspect) obszaru badari. 1. Wstgp Geomatyka jest dziedzina^ nauki i techniki, ktora systemowo integruje metody pozyskiwania informacji przestrzennej o terenie i obiektach, przetwarzanie tej informacji, prezentowanie jej w postaci map oraz zarza_dzanie informacj^ przestrzenna^. Jest to wspolczesny termin naukowy odnosza^cy si? do zintegrowanego podejscia do (Internet 1999): S pomiarow geodezyjnych (tradycyjnych naziemnych, fotogrametrycznych, GPS); S analiz przestrzennych (np. z wykorzystaniem Cyfrowego Modelu Terenu); ^ zarza^dzania informacja_przestrzenna^(np. teledetekcja, monitoring zanieczyszczeri); S przechowywania i prezentacji (serwery WWW); S danych przestrzennych geodanych), tj. ich atrybutow i lokalizacji. Dane o obiektach moga^ bye pozyskiwane z wielu zrodel, takich jak: satelity ziemi (LANDSAT, NAVSTAR), statki powietrzne (zdj^cia lotnicze, radarowe zobrazowania), powietrzne lub morskie stanowiska pomiarowe lub urza^dzenia naziemhe stacje geodezyjne (fotogrametria naziemna). Proces ich przetwarzania odbywa si? z wykorzystaniem wysoko rozwini^tej technologii przy uzyciu specjalistycznych programow i stacji roboczych. Z informacji uzyskanych dzi^ki tym technikom, korzystaj% dyscypliny zalezne od informacji przestrzennej takie jak np.: studia srodowiskowe, planowanie i inzynieria przestrzenna, nawigacja, geologia i geofizyka, oceanografia, rolnictwo, lesnictwo, turystyka itp. Z tej przyczyny wspolczesnie definiowana geomatyka, wydaje si? bye niezb^dna dla nauk o ziemi zwia^zanych z uzyciem danych przestrzennych i im podobnych. Wykorzystanie opracowah fotogrametrycznych dla celow lesnictwa i ochrony przyrody, opartych na pomiarach punktow nawiq.zania metody DGPS, wcia^z wzrasta (Puuamalainen J., Holm M. 1999; W?zyk 1998a, 1998b). Jednoczesnie zainteresowanie informacjami zarejestrowanymi na zdj^ciach lotniczych towarzyszy gwaitowny rozwqj systemow GIS i zwi?kszaja_ce si? zapotrzebowanie na dost?p do danych (FeiBt G., de Kok R. 1999, W?zyk 1998d) o charakterze przestrzennym. Juz od szeregu lat fotogrametria analityczna dostarczata danych cyfrowych, ktore bez wi?kszych problemow implementowano dla potrzeb systemow GIS (HaB 1994; Kaczyriski 1995; Kappas, Grunwald 1993, W?zyk 1998b). Obecnie fotogrametria cyfrowa umozliwia pozyskiwanie danych cyfrowych dla tworzenia numerycznych map tematycznych oraz generowanie ortofotomap cyfrowych (W?zyk, Mansberger 1997). Globalny System Pozycjonowania (GPS-NAVSTAR) tworzy konstelacja 26 wojskowych satelitow oraz naziemne stacje monitoruja^ce. Procedura pomiaru roznicowego DGPS polega na.

Monitorowanie procesow zachodzqcych w drzewostanach bukowych... ". Grant KBN - 5 P06M007 11 wyeliminowaniu bl?du (szumu), wprowadzanego do depeszy satelitarnej, a odbieranej przez odbiornik GPS. Blad kodu S/A dochodzic moze do ± 100 metrow (MagnuszewskJ 1999). Uzycie odbiornikow DGPS podczas nalotu fotogrametrycznego pozwala w praktyce wykonac zdj?cia lotnicze zadanych obiektow lub seryjne zdj?cia celowane. Po wprowadzeniu wspolrz?dnych stanowisk naswietlenia kolejnych zdj?c lotniczych komputerowy system pokiadowy nawiguje samolotem i wyzwala migawk? kamery pomiarowej. Nowoczesne techniki GPS przyczyniaja^ si? do zwi?kszenia poprawnosci wynikow badari oraz umozliwiaj% szybszq. ich weryfikacj? w terenie (Kuliesis A. i in 1990). Kartuj^c zbiorowiska roslinne w pracach terenowych oraz wykonuja^c opisy i pomiary miejsc oprobowania, bez wi^kszych przeszkod mozemy pozyskac lokalizacj? obiektu w przestrzeni trojwymiarowej 3-D i przypisac mu caly szereg atrybutow (W?zyk 1998c). W wi?kszosci systemow GIS relacje przestrzenne pomie_dzy obiektami sa^ wyrazane w ukladzie wspolrz?dnych plaskich XY. Tak zorganizowana baza danych (najcz?sciej skladaj^ca si? z wielu warstw) jest fachowo okreslana jako baza typu 2D (dwuwymiarowa). Podstawowym zrodlem danych o uksztaltowaniu terenu sa^ najcz?sciej mapy topograficzne, choc coraz czesciej mamy do czynienia z pozyskiwaniem danych w przestrzeni 3-wymiarowej przy wykorzystaniu technik cyfrowej fotogrametrii. Cyfrowy Model Terenu (CMT) czyli zbior odpowiednio dobranych punktow powierzchni o okreslonych wspojrz^dnych X,Y i Z oraz algorytmow interpolacyjnych umozliwiaja^cych odtworzenie jej ksztajtu, moze stanowic odr?bn% warstw? informatyczna^ w systemach GIS (Korpetta i in. 1994; Gorski 1999). Najwyzsza_ doktadnosc pozyskiwanych danych geometrycznych dla baz danych gwarantuja^ geodezyjne pomiary bezposrednie oraz stereoskopowe opracowania fotogrametryczne. W ostatnich latach obserwujemy tendencj? do coraz szerszego wykorzystywania numerycznych metod fotogrametrycznych do zasilania systemow GIS. Melody te, dzi^ki wykorzystaniu rozwia^zan analitycznych, gwarantujq. szybkie pozyskiwanie aktualnych danych z wymagana^ precyzja^ geometryczna_(orliriska, Preuss 1994). Wedlug defmicji Burrough (1986) Geograficzny System Informacyjny (GIS) to zorganizowany system wszechstronnych narz?dzi, skladaj^cy si? z: komputera, oprogramowania, danych w postaci cyfrowej oraz operatora, zaprojektowany w celu efektywnego zbierania, gromadzenia, przechowywania, przetwarzania, analizowania i wyswietlania danych przestrzennych swiata realnego na ekranie monitora lub w postaci map (hardcopy) zapisanych na roznych nosnikach informacji. Celem pracy bylo zaprezentowanie wybranych technik geomatycznych jakie zostaly wykorzystane podczas realizacji grantu "Monitorowanie procesow zachodzqcych w drzewostanach bukowych w zmieniaja^cych si? warunkach srodowiska przyrodniczego na przykladzie Ojcowskiego Parku Narodowego i Lesnego Zakladu Doswiadczalnego w Krynicy" ( nr grantu KBN 5P06M007 11). 2. Material i metoda W toku prac zwi^zanych z omawianym grantem wykorzystywano informacje zawarte i zarejestrowane na: zdj?ciach lotniczych oraz mapach tematycznych i topograficznych wykonanych w roznych skalach i ukladach wspoirz?dnych. Ze wzgl?du na specyfik? lesnych map gospodarczych dla opracowaii przyj?to paristwowy uktad wspolrz?dnych 1965 (strefa I). Wykorzystano nasl^pu/qce materialy kartograficzne: ^ mapy topograficzne w skalach: 1:5 000, 1:10 000 oraz 1:25 000; S lesne mapy gospodarcze w skali 1:5 000; S lesne mapy gospodarczo-przeglajdowe w skali 1:10 000; ^ podklady geodezyjne dla powierzchni monitoringowej w Ojcowskim PN w skali 1: 1000; S inne mapy tematyczne jak np. rzutow koron drzew, wyst?powania drewna martwego, itp. Do opracowania map numerycznych i analiz przestrzennych nzyfo nastej)ujqcego oprogramowania i oprzyrzqdowania z zakresu GIS: S Digitizera ALTEK 32 (format AO); ^ PC Arc/Info 3.5.2 (ESRI); ^ Arc/Info UNIX ver. 7.1.2 oraz ArcView 3.1 (ESRI). 162

WqzykP. Wykorzystanie technikgeomatycznych w badaniachprzyrodniczych... " W opracowaniach fotogrametrycznych (cyjrowych) zostafy wykorzystane nastqpujqce instrumenty i oprogramowanie: ^ stereoskop zwierciadlany; S cyfrowa stacja fotogrametryczna VSD-AGH; S specjalistyczny skaner PhotoScan TD (Zeiss-Intergraph). Wpomiarach terenowych DGPS i transformacjach ukladow wspolrz^dnych uzyto: ^ odbiomiki firmy Corvalis MicroTechnoIogy (CMT-Leica): PCL-9400 (12 - kanalowy) oraz MC- GPS (6 - kanalowy) oraz dalmierz laserowy Atlanta; S stacje bazowa^ WinBase (CMT) na Uniwersytecie Jagielloriskim; S przenosnego komputera do archiwizacji danych w terenie; ^ oprogramowania Geo-Trans firmy Geo-System. Kompozycje mapowe drukowano na: S ploterze HP DesignJet 750C oraz drukarce Canon BJC 620. 3. Wyniki i dyskusja 3.1. Cyfrowy Model Terenu W prezentowanych badaniach cyfrowy model terenu (CMT) sporzajizony zostal za pomoca, pakietu Arc/Info ver. 7.1.2. (ESRI) zainstalowanego na stacji roboczej DEC Alpha 235 firmy Digital. Digitalizacji poddano 19 arkuszy map geodezyjnych (paristwowy iiklad wspolrz^dnych,,1965") obejmuj^cych teren Jurajskich Parkow Krajobrazowych oraz Popradzkiego Parku Krajobrazowego. Wykonane one byry w skalach 1:5 000 oraz 1:10 000 (Ryc.l i 2). La^cznie dfa potrzeb wygenerowania cyfrowego modelu terenu zdigitalizowano obszar o wymiarach 9,5 km x 12,0 km (114,0 km2) dla rejonu Ojcowskiego Parku Narodowego oraz 5,0 km x 6,0 km (30,0 km3) dla Lesnego Zakladu Doswiadczalnego w Krynicy. Zalozono, ze dla celow projektu wystarczaja^ce b?dzie zdigitalizowanie linii warstwicowych w cieciu 10 metrowym, choc czasami ze wzgledu na bardzo urozmaicona^ rzezb? terenu pozyskiwano warstwice nawet w 5-cio metrowym cie^ciu. W celu przeprowadzenia poprawniejszych interpolacji i unikni^cia zbyt duzej liczby terenow plaskich (tzw. Flat triangle) na powstaj^cym CMT, w miejscach wierzchowin lub na szczytach wzniesieri 0 bardzo lagodnych kulminacjach wprowadzano r^cznie niewielka^ lini? warstwicowq_ ba^dz punkt wysokosciowy. Uzyta opcja, uwzgledniaja^ca wprowadzone linie nieci^glosci (Hard line/break lines) i dodatkowe pikiety wysokosciowe (Mass points), ograniczala powstawanie bl^dow interpolacji. Na czas generowania CMT wprowadzono jako linie niecia^glosci przebiegi licznych jarow i ciekow wodnych, nadaja^c im atrybut wysokosci (-9999). Zasada dziatania modutu Triangulated Irregular Network (TIN) polega na budowie sieci nieregularnych trqjk^tow (poligony Thiessena), la^cza^cych punkty zalamania (vertex) linii warsrwicowych. Kazdy z wierzcholkow powstaja^cego trqjkaja opisany jest trzema wspolrz^dnymi: X, Y i Z. Model TIN zawiera informacje o topologii tych trqjka_tow. Dla kazdego z nich wyliczona zostaje wartosc ekspozycji (w stopniach od 0-360 ) oraz spadku ( w stopniach badz procentach). Dzi^ki zastosowaniu tabeli,,tlumaczaj:ej" LUT (Look_Up_Table) wartosci te, uzytkownik moze sklasyfikowac, a poszczegolnym klasom przypisac odpowiedni^barw? (np. klasy spadkow terenu). W tekscie zamieszczono kompozycje mapowe (Rye. 6 i 7) prezentuja^ce mapy spadkow 1 ekspozycji zboczy w Ojcowskim PN i LZD w Krynicy oraz terenow je otaczaja^cych. W ten sposob wygenerowane nowe informacje moga^ si^ okazac w przyszlosci wprost niezb^dne w celu testowania hipotez o wprywie wybranych czynnikow srodowiskowych na procesy depozycji zanieczyszczen przemyslowych. Dzi^ki wygenerowaniu CMT uzyskano takze mozliwosc wizualizacji poprzez rozne dost^pne techniki, jak np. generowania map cieniowania i oswietlania zboczy (ang. Hillshade - mozliwosc dowolnego ustawiania punktu oswietlenia tj. slonca, poprzez zadanie wartosci azymutu i kata nachylenia). W ten sposob poprzez kolejne proby mozna eksponowac pewne formy terenu odpowiednio je oswietlaja^c ba^dz ocieniaja^c. Najlepsze efekty wizualne, uzyte w pozniejszych pracach do kompozycji mapowych dawalo oswietlanie terenu badaii z kierunku 315 stopni azymutu oraz 55 stopni nad horyzontem. 163

Monitorowanieprocesow zachodzqcych w drzewostanach bukowych... ". Grant KBN- 5 P06M007 II Cyfrowy model terenu wykorzystywany byl w prezentowanym projekcie w wielu postaciach. W zaleznosci od uzywanych modulow stosowano wektorowy model TIN, badz model rastrowy. Ten ostatni wykonano po konwersji modelu TIN do postaci GRID (rastra) o oczku 10 x 10 metrow. W niektorych analizach przestrzennych Dla powierzchni monitoringowej "30a" w OPN oraz oddzialu 56 wielkosc rastra przyj^to na poziomie 5,0 metrow. 3.2. Lesna numeryczna mapa gospodarcza dla Ojcowskiego Parku Narodowego i Lesnictwa Jaworzyna w Lesnym Zaktadzie Doswiadczalnym w Krynicy Materialami oraz danymi jakich uzyto do sporza^dzenia lesnej numerycznej mapy gospodarczej dla obszarow OPN i LZD byly nast?puja^ce mapy i opracowania: v' analogowe (papierowe odbitki) lesne mapy gospodarcze w skalach 1: 5000 i 1:10 000; v^ mapy topograficzne w skali 1: 5 000 (uklad wspolrz^dnych 1965); *^ pomiary DGPS wybranych punktow nawiazania. Lesne mapy gospodarcze nie byly, do niedawna jeszcze, wykreslane przez Biura Urza^dzania Lasu i Geodezji Lesnej (BULiGL) z zaznaczonym na ramce mapy ukladem wspolrz?dnych 1965. Nie latwo wi?c dokonac transformacji analogowych (papierowych) arkuszy tych map, aczkolwiek powstawaly one glownie w oparciu o ww. uklad wspolrz^dnych. Przyczyn braku ramki ze wspotrz^dnymi oraz aktualizacji ze zdje_c lotniczych (w tym ortofotografii) bylo bardzo wiele i miaty one w przeszlosci charakter glownie polityczny (We_grzyn 1995). Niestety nie udato si? pozyskac wystarczaja^cej ilosci wspolrz?dnych kamieni granicznych (tzw. granicznikow) dla terenu badan, od odpowiednich osrodkow dokumentacji geodezyjnej w Krakowie i Nowym Sa^czu, ze wzgl?du na powazne braki w dokumentacji dla terenow lesnych. Wlasnie tego typu punkty najlepiej wykorzystuje si? do przeprowadzenia transformacji. Posiadaja^c wspolrz?dne tych punktow w ukladzie wspoh-z^dnych przyj^tym w systemic GIS (pahstwowy uklad wspoh-z^dnych,,1965") - dokonac mozna transformacji tych map, otrzymuja^c informacj? o srednim bfe_dzie kwadratowym tego procesu (RMS - Root Mean Square error). Udoste_pnione mapy gospodarcze Ojcowskiego Parku Narodowego, wkreslone byty (nietypowe mapy jak na wykonane w BULiGL) na podktady map topograflcznych w ci^ciu arkuszy przyj^tym dla map w skalach 1:5 000. Umozliwilo to sprawna^ transformacje dzi^ki obliczeniu wspolrz^dnych naroznikow arkuszy i przyj^cia ich jako punktow nawiazania. Sredni bla^d kwadratowy (RMS) nie przekroczyl dla wie.kszosci arkuszy wielkosci okolo 1,5-2,0 metra. Aby dokonac wpasowania (transformacji) arkuszy lesnictwa Jaworzyna (LZD) w przyj^ty w systemic GIS (uklad,,1965" przyj^to jako uklad kartezjanski) nalezalo wykorzystac informacje z innych, istnieja^cych juz opracowan (np. mapy topograficzne, pomiary DGPS w ukladzie wspolrz?dnych WGS84), celem zdobycia odpowiedniej liczby punktow dostosowania. Bla^d transformacji arkuszy lesnictwa Jaworzyna wahat si$ w granicach od 3,0 do 7,0 metra i wynikal prawdopodobnie z wielu czynnikow. Pomiary DGPS obarczone byly bl^dem okolo 1.5 metra dla wspolrze.dnej X i Y oraz 3,5 dla wspolrz^dnej Z. Prawdopodobnie podczas wykreslania mapy ba^dz jej kopiowania nastajiic musialy znieksztalcenia geometryczne. Dodatkowo sama transformacja z ukladu wspolrz?dnych WGS84 na panstwowy uklad 1965 obarczona jest bte,dem blisko 0,5 metra. Dla potrzeb zwia^zanych z projektem Wa_d RMS nie mial wi^kszego znaczenia, gdyz dla skali mapy 1:10 000 jaka^poshiguja^ si? lesnicy, mozna go porownac do grubosci linii oddzialowej na mapie. Podzial powierzchniowy w Ojcowskim PN oraz LZD w Krynicy, pod kaj:em gospodarczym wykorzystuje w glownej mierze drogi i naturalny przebieg linii terenowych (jary, wawozy, potoki). Sta^d pomocnym stalo si? dopasowanie przebiegu linii oddzialowych do form terenowych i obiektow liniowych (drog) wykreslanych poprawnie na mapach geodezyjnych. Podczas digitalizacji wyswietlano w tie pozyskane wczesniej do systemu linie warstwicowe (z map topograficznych). Przerysowanie niektorych linii, jak np. sciezek lesnych przebiegaja^cych pod okapem drzewostanu, bylo mozliwe tylko z mapy gospodarczej, poniewaz ani na mapach geodezyjnych nie byly one wykreslone, ani tez na zdj?ciach lotniczych mozliwe do interpretacji. Digitalizacj? mapy przeprowadzono uzywaja^c do tego celu oprogramowania Arc/Info (ESRI) tj. modulu PC Arcedit oraz digitizera ALTEK32. Zaprojektowano w tym celu rowniez odpowiednie MENU uzytkownika zbudowane z makropolecen (*.aml) ulatwiaja^cych i przyspieszaja^cych znacznie digitalizacj?. 164

Wqzyk P. Wykorzystanie technik geomatycznych w badaniach przyrodniczych... " Kazda linia o okreslonym znaczeniu {np. linia oddzialowa maj^ca fimkcj? drogi lesnej nieutwardzonej) otrzymala podczas digitalizacji swoj kod liczbowy (np. user-id = 34). Dzi?ki zakodowaniu linii, bardzo sprawnie dokonywano selekcji zdigitalizowanych obiektow liniowych poprzez ich atrybuty (w tym wypadku kod) i kopiowano je do nowych warstw edycyjnych. Powstaly w ten sposob mapy (warstwy - ang. coverages): S wlasnosci - obejmuj^ce tylko linie fycz^ce punkty graniczne; S jednostek kontrolnych (oddzialow); S faz rozwojowych drzewostanu (wydzieleri); S komunikacji (sciezki, drogi lesne, szlaki zrywkowe, drogi publiczne i inne). Dalsze prace w module Arcedit polegaly na topologicznym zakodowaniu poszczegomych warstw w zaleznosci od ich charakteru. I tak mapy granic administracyjnych (wlasnosci), oddzialow i wydzielen otrzymaty identyfikatory (label's) wewnatrz poligonow. Dzi?ki nim wlasnie mozliwe b?dzie w przyszlosci dokonanie pofyczenia bazy geometrycznej z opisowq. (relacyjn^ baza^ danych) oraz identyfikacji poszczegolnych obiektow przez uzytkownika. Specjalnie zaprojektowany do tego celu,,klucz kodowania" powierzchni pozwolil na szybkie tworzenie zapytan do systemu i relacji z innymi bazami. KIucz ten skfadajacy si? z 7 cyfr umozliwil unikatowe zakodowanie kazdego obiektu (wydzielenia, powierzchni nielesnych np. parking skladnica drewna itp.) Dzi?ki temu podstawowemu kluczowi b?dzie mozna utworzyc relacj? z tabela atrybutow poligonu (cover_name.pat) poprzez kolumn? (KOD-ID). Dzie.ki zmudnym pracom edycyjnym wygenerowano numerycznq_ map^ gospodarcza^ dla obszaru calego Ojcowskiego PN oraz Lesnictwa Jaworzyna w LZD w Krynicy (Rye. 3). Spelnia ona rol? bazy geometrycznej, tj. zawiera informacje o powierzchni i obwodzie poszczegolnych obiektow, jak rowniez definiuje ich wlasciwosci lopologiczne. Przewiduje si? w niedalekiej przyszlosci zastosowanie przygotowanych map numerycznych w badaniach monitoringowych obejmuja^cych swym zasi^giem caly teren OPN i LZD. 3.3.Pomiary DGPS wybranych punktow dostosowania Procedura wykorzystania globalnego systemu pozycjonowania (GPS) w trybie pomiaru roznicowego (DGPS), polega na wyeliminowaniu bl^du wprowadzanego do depeszy satelitarnej odbieranej przez odbiornik GPS-NAVSTAR. Bla^d kodu S/A dochodzic moze do 100-150 metrow. Posiuguja^c si? dwoma odbiornikami w tym samym czasie, b-ta^d rejestruje si? na obu odbiornikach jednoczesnie (Fra^czyk i in. 1996). Podczas misji pomiarowych w LZD w Krynicy jeden z odbiornikow (12 kanalowy Leica- Corvallis MicroTechnology) umieszczano na punkcie z osnowy wysokosciowej o znanych wspolrze_dnych (szczyt Jaworzyny Krynickiej) i traktowany go jako stacj? bazowa^. Horyzont wokoj stacji bazowej nie by! zaslaniany przez duze obiekty, sta^d odbior sygnalu nie nastr?czal trudnosci. Wspolrz?dne X, Y oraz Z (stacji bazowej) z uktadu wsp6trz?dnych 1965 przeliczono programem "Geo- Trans" na system WGS84. Pomiary punktow nawia^zania (narozniki powierzchni monitoringowych w OPN oraz liczne skrzyzowania sciezek i mosty na potokach w LZD), odbywaly si? drugim odbiomikiem tej samej firmy, tj. Corvalis MicroTechnology (MC-GPS, 6 kanalowy, 5 MB RAM, rejestrator z klawiatura^ alfanumerycznaj i trwaly zwykle okolo 45-60 minut (sesje 2700- i 3600- pomiarowe, interwal 1 sek.). Ze wzgl^du na nieduzq. odlegtosc Ojcowskiego PN od Krakowa, podczas pomiarow na powierzchniach monitoringowych OPN2 i OPN5 korzystano ze stacji bazowej WinBase (CMT) zainstalowanej na Uniwersytecie Jagielloriskim. Pliki korekcyjne do obliczen w trybie post-proccesing sciqgano za posrednictwem Internetu. Blaji wspolrz^dnych "X,T' po dokonaniu korekcji roznicowej i transformacji do ukladu "1965" (program Geo-Trans) okreslono na okolo 1,5 m, natomiast wspolrz?dna "Z" obarczona byla cz?sto bl?dem 1,5-3 krotnie wi?kszym. Blad ten oszacowano na podstawie kilkukrotnych pomiarow punktow osnowy wysokosciowej o znanych wspolrze.dnych. Nalezy dodac, iz cz?ste byly przypadki zanikania sygnalu pod okapem drzewostanu, sta^d pomiary prowadzono zwykle w okresie jesiennowiosennym. Obecnosc aparatu asymilacyjnego na drzewach powoduje w pewnym stopniu pogorszenie odbioru, co uwidacznia si? wspolczynnikiem tzw. DOP (Dilution of Precision). Porownujac 165

,Monitorowanieprocesow zachodzqcych w drzewostanach bukowych... ". Grant KBN- 5 P06M007 11 wspofrzedne punktu mierzonego pod drzewostanem w fazie bezlistnej i z pemi wyksztalconym aparatem asymilacyjnym, maksymalne roznice pomiarow osiaj^aly 6,0-8,0 metrow dla wszystkich trzech wspolrz?dnych (W?zyk, 1998c ). Polnocna ekspozycja stokow i duzy ich spadek na powierzchniach monitoringowych, przyczyniaty si? do ograniczania warunkow odbioru sygnatu GPS. Nieodzownym okazato si? bardzo szczegolowe planowanie misji pomiarowych w programie PC-GPS i terminowe ich przeprowadzenie w terenie. Dzi?ki mozliwosc podla^czenia przez port RS-323 do rejestratora GPS urza^dzen elektronicznych wykonuja_cych pomiary tj. dalmierza laserowego, dokonano pomiaru wspoirz?dnych pni drzew na powierzchniach monitoringowych. Dalmierz laserowy ATLANTA mierzy odleglosc od obiektu, kat nachylenia oraz kat azymutalny. Antena odbiornika GPS umieszczana byla w tym celu na kazdym z naroznikow powierzchni monitoringowych OPN2, OPN5 i LZD1, i z tych miejsc prowadzono pomiary poszczegolnych pni, wykonuj^c przy tym tzw. funkcje OFFSET (przesuni?cia). Dodatkowo nalezalo wprowadzic tylko numer drzewa i gatunek oraz wartosc pomiaru piersnic. System automatycznie dokonywat poprawki przesuni?cia pozycji o podany wektor przestrzenny. Mozliwosc zbierania i archiwizacji atrybutow obiektow w terenie jest rzeczq. niezmiernie wazn^gdyz nie trzeba powtarzac tych czynnosci przy eksportowaniu danych do systemu GIS. Program PC-GPS posiada mozliwosc eksportu danych wraz z ich atrybutami do programu Arc/Info i ArcView, w ktorym wykonywano wi^kszosc analiz z zakresu GIS. 3.4.Techniki fotogrametryczne W pracach zamierzano wykorzystac informacje zawarta^ na zdj^ciach lotniczych w celu zasilenia baz danych systemu GIS pod kaj:em prowadzenia analiz przestrzennych. Jak si? jednak okazalo dla terenu LZD w Krynicy brak jest do tej chwili aktualnych zdje_c lotniczych wykonanych w ramach programu PHARE. Zamiast opracowania zdj?c lotniczych informacje o zasi?gu obszarow lesnych pozyskano poprzez digitalizacj? map topograficznych w skali 1:25 000, poprawiaja^c je o wjasne obserwacje i podklady geodezyjne wykonywane dla potrzeb budowy kolei gondolowej na szczyt Jaworzyny Krynickiej. Dla terenu Ojcowskiego PN udost^pnione zostaly barwne zdj?cia spektrostrefowe w skali 1:6 000 z nalotu fotogrametrycznego z roku 1994. Szczegolowe ich wykorzystanie opisano w artykule p.t.,,qpracowania fotogrametryczne zdj^c lotniczych z roku 1994, rejonu Chelmowej Gory, w Ojcowskim Parkit Narodowym", ktory zamieszczono w niniejszym opracowaniu zbiorczym. Zdj?cia archiwalne (panchromatyczne) jakie byry w posiadaniu Ojcowskiego PN, nie miaty pokrycia stereoskopowego co uniemozliwiafo ich fotogrametryczne opracowanie. Dodatkowo spraw? komplikowal fakt, iz rejon badan (ekspozycja N, duze spadki, gl?boka Dolina Sa^spowska) znajduje si? prze wi^kszosc dnia w cieniu Gory Chehnowej, przez co znacznie ograniczona zostala mozliwosc fotointerpretacji. 3.5. Wybrane analizy przestrzenne GIS Mapy koron drzew Na przykladzie warstwy informacyjnej "CANOPY" zaprezentowane zostana^ krotko wybrane polecenia z zakresu analiz przestrzennych programu GIS Arc/Info 7.1.2. jakich uzywano podczas prac kameralnych. Mapy koron drzew na powierzchniach monitoringowych OPN2, OPN5 i LZD1 tworzono w terenie dzi?ki pomiarom DGPS pni drzew oraz domiarom rzutow pionowych koron na powierzchni? poziom%. Kartowanie ze zdj?c lotniczych cz?sci koron okazato si? niemozliwe ze wzgl?du na wyst?powanie zroznicowania w budowie pi?trowej (cz?sto wi?cej niz dwa pi?tra) i znaczne wypetnienie przestrzeni koron aparatem asymilacyjnym (boczne przenikanie si? koron). Pierwszym krokiem do digitalizacji szkicow rzutow koron byia ich transformacja oparta na punktach nawia^zania, ktorymi byly narozniki powierzchni monitoringowych, domierzane kilkakrotnie przy zastosowaniu DGPS. Po transformacji mapek nast?powala manualna digitalizacja obrysow koron 1 nadawanie liniom identyfikatorow zgodnych z numerem poszczegolnych drzew. Kolejne czynnosci sprowadzaly si? do napisania i uruchomienia makropolecenia "korony.amr, zadaniem ktorego bylo selekcjonowanie (SELECT LOGICAL) poszczegolnych koron 166

T'J~"V^i ^ / ^^4 ' 1*2.242.4 1*3.13 1.3 163.13 1.4 162.244.2 / «''$ R*& 163.133.1 ^^C" - t? 163.133^ i, r V > 162.244.4 «3.183^, J 163.133.4 162.422.2. \1 'i i 163.311.2 fe 162.422.4 163.311.3 16331 1.4 1000 0 1000 2000 3000 4000 SOOO hm*r* 1000 1000 2000 htetws Rye. 1. Goctta arkuszy map tqxjgraficznycii dla terenu OPN Fig. 1. Sheets of the topographic maps of the Ojc6w National Park Rye. 2. GocUa arkuszy map topograficznych dla ta-aiu T.7D w Krynicy Fig. 2. Sheets the topographic maps of the Forest Experimental Station in Krynica

250 00 750 Ryc.S.Fragmenty lefinej numerycznej mapy gospodarczej obszaru badan w OPN i LZD. F/g. 5. Fragments of the digital forest management map of the research area in the Ojcdw National Park and Forest Experimental Station in Krynica

LZD x 10 0 10 20 30 40 Meters Rye. 4. Rzuty koron drzew (biogrupy) na poszczegdlnych powierzchniach monitoringowych w Ojcowskim PN i LZD w Krynicy. Fig. 4. Views of tree crowns (biogroups) at each monitoring plot in the Ojcdw National Park and Forest Experimental Station in Krynica.

OPN1 UPDATE 3D MM*r* Rye.5. Schemat analiz przestrzennych wykonywanych w celu wygenerowania mapy biogrup koron na powierzchniach monitoringowych Fig. 5. The schema of spatial analyses made in order to generate the map ofbiogroups of tree crowns at monitoring plots

Wezyk P. - Wykorzystanie technik geomatycznych w badaniach przyrodrticzych... " Powierzchnia biogrup {m2) 1600 1400 1200 1469.24 m2 1000 eoo 600 400 1073.75 942,06 200 0 OPN2 OPN5 LZD1 Wykres.l. Zestawienie Ia,cznej powierzchni biogrup na powierzchniach monitoringowych w Ojcovvskim PN i LZD w Krynicy. Graph I. The juxtaposition of the joint area ofbiogroups at monitoring plots in the Ojcow National Park and the Forest Experimental Station Krynica Powierzchnia sredniej biogrupy(m ) 1600 1400 1200 1469,24 m 1000 800 600 400 200 0 LZD1 Wykres.2. Zestawienie powierzchni sredniej biogrupy dla poszczegolnych powierzchni monitoringowych w Ojcowskim PN i LZD w Krynicy. Graph 2. The juxtaposition of the joint area of an average biogroup for respective monitoring plots in the Ojcow National Park and the Forest Experimental Station in n Krynica

..Monitorowanieprocesow zachodzqcych w drzewostanach bukowych... ". Grant KBN- 5 P06M007 11 Liczebnosc biogrup (szt.) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 OPN2 OPN 5 LZD1 Wykres.3. Zestawienie Hczebnosci biogrup na poszczegolnych powierzchniach monitoringowych w Ojcowskim PN i LZD w Krynicy. Graph 3. The juxtaposition of the number ofbiogroups at respective monitoring plots in the Ojcow National Park and the Forest Experimental Station in Krynica Zwarcie koron (%) OPN 2 OPN 5 LZD1 Wykres. 4. Zestawienie wspolczynnika zwarcia koron drzew na poszczegolnych powierzchniach monitoringowych w Ojcowskim PN i LZD w Krynicy. Graph 4. The juxtaposition of the tree crown density coefficient at respective monitoring plots in the Ojcow National Park and the Forest Experimental Station in Krynica 172

Wejyk P. - Wykorzystanie technik geomatycznych w badaniach przyrodniczych... " Klasy ekspozycj zboczy w LZD 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 N NE SE SW W NW DObszarCMT 0Wydzielenie 56a Wykres.5. Procentowy udzia} poszczeg61nych klas ekspozycji zboczy dla calego obszaru CMT oraz powierzchni wydzielenia 56a w LZD w Krynicy. Graph 5. The percentage of respective classes of aspect for the whole area ofdtmandthe 56a compartment in the Forest Experimental Station in Krynica Klasy ekspozycji zboczy dla OPN N NE SW W NW iobszarcmt dw-tesnoscopn SPow.dosw. 30a Wykres.6. Procentowy udzia} poszczegolnych klas ekspozycji zboczy dla caiego obszaru CMT, wlasnosci Ojcowskiego PN oraz wydzielenia 30a (pow. Doswiadczalna). Graph 6, The percentage of respective classes of aspect for the whole area ofdtm, the property of the Ojcow National Park and the 30a compartment. 173

,,Monitorowanie procesow zachodzqcych w drzewostanach bukowych... ". Grant KBN - 5 P06M007 11 Klasy spadkow zboczy w LZD o s- X o O OlObszarCMT Dwydzielenie 56a Wykres 7. Procentowy udzial zboc2y w poszczegolnych klasach spadku dla calego obszaru CMT oraz wydzielenia 56a w LZD w Krynicy Graph 7. The percentage of slopes in respective classes of slope for the whole area ofdtm, the property of the Forest Experimental Station in Krynica and the 56a compartment. Klasy spadkow zboczy w OPN o o o DObszarCMTHlWtesnoscOPN 0Pow.dosw.30a Wykres 8. Procentowy udzial zboczy w poszczegdlnych klasach spadku dla catego obszaru CMT, wlasnosci OPN oraz wydzielenia 30a (pow. doswiadczalna). Graph 8. The percentage of slopes in respective classes of slope for the whole area ofdtm, the property of the Ojcow National Park and the 30a compartment. 174

Ekspozycja (azymut) I I Teren pfaski N E SE NW Aspect Spadek(stopnie) HO 5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 1 30-90 Slope Ryc.6. Kompozycje mapowe CMT w klasach ekspozycji i spadku dla obszaru Ojcowskiego Parku Narodowego Fig. 6. Map compositions ofdtm in classes of aspect and slope for the area of the Ojcow National Park

Ehspozycja (azymut) Teren ptaski I INE E SE S sw w NW Spadek(stopnie) Ma *- 10 10-15 16-20 20-25 1 125-30! 130-90 '*.«* >' * W. Rye.7. Kompozycje mapowe CMT w klasach ekspozycji i spadku dla obszaru LZD w Krynicy (gruba linia: obszar L-ctwa Jaworzyna) Fig. 7. Map compositions ofdtm in classes of aspect and slope for the area of the Forest Experimental Station in Krynica (the thick line is the area ofjaworzyna forest district}

Wqzyk P. - Wykorzystanie technikgeomatycznych w badaniachprzyrodniczych... " ze wspolnej warstwy, kopiowanie ich do oddzielnej (PUT KORONA_ID) i nadawanie identyfikatora (Label's ID_drzewa) w obrebie korony zgodnego z numerem drzewa. Po wygenerowaniu topologii (BUILD POLY) dla kazdej z koron, program wykonywal polecenie la^czenia (UPDATE) poszczegolnych poligonow koron z jednoczesnym usuwaniem niepotrzebnych granic pomi?dzy pola^czonymi poligonami (o atrybucie,,korona"). W ten sposob powstala warstwa poligonowa obrazuja^ca powierzchnie biogrup drzew na wlasciwie rzutow ich koron (Rye. 4). Odpowiednio przygotowana maska powierzchni monitorlngowych posluzyla do "przyci^cia" (polecenie CUT) koron do granic wewnetrznych powierzchni monitoringowych (Rye. 5). W bazie danych dokonano zapytania SQL o poligony z atrybutem "korona" tj, o ich powierzchnia l%czn% i liczebnosc. Odpowiednimi poleceniami dokonano zestawienia podstawowych statystyk dla powierzchni biogrup la^cznie i sredniej biogrupy oraz liczebnosci biogrup i dla wspolczynnika zwarcia koron. Zostal on wyliczony jako stosunek powierzchni calkowitej biogrup do powierzchni monitoringowej (160 m~) i wyrazony w procentach (Wykresy 1-4).Podobne dzialania wykonywano dla generowania wyst$puj%cego na powierzchniach monitoringowych drewna martwego i podrostu. Mapy spadkow J ekspozycji zboczy. Dane wejsciowe uzyskano z przeksztalcenia CMT w postaci TIN na obraz regularnych pikseli (raster - GRID). Shazy do tego odpowiednie polecenie w programie Arc/Info, tj. TIN to Lattice, ktore po wprowadzeniu parametrow charakteryzujqpych wielkosc powstaja^cej komorki rastra (grida) dokonuje interpolacji z zastosowaniem specjalnych algorytmow. Rastrowa postac CMT (grid) pozwala na szybsze analizy przestrzenne z zakresu MAP CALCULATION czy RECALULATION, czyli wszelkiego rodzaju dzialania arytmetyczne i logiczne na macierzach. Uzywane w tego rodzaju dzialaniach inne warstwy o charakterze topologii poligonowej (maska lasow, wlasnosc OPN lub LZD itp.) zostaly przeksztaicone do postaci rastrowej (grid) o identycznym wymiarze rastra jak CMT. Odpowiednimi dzialaniami arytmetycznymi dokonano kolejnego wymaskowania cyfrowego modelu terenu do: obszaru wtasnosci Ojcowskiego PN, powierzchni doswiadczalnej na CheJmowej Gorze ("'SOa") czy tez wydzielenia 56a w L-ctwie Jaworzyna w LZD. Ponizej prezentowane sa^ charakterystyki terenu badan pod kaj:em cz^stosci wyst^powania ekspozycji (Wykres 5 oraz Wykres 6) oraz spadkow zboczy w zadanych klasach (Wykres 7 i 8). 4. Wnioski plynqce ze stosowania technik geomatycznych Poslugiwanie si? komputerowymi systemami GIS, wspomagaj^cymi badanie srodowiska na szerok% skal^ i w pelniejszy sposob umozliwiaja^cymi: prob? jego opisania a takze wyjasnienia zachodza^cych wokol nas zlozonych procesow, stwarza szans? tworzenia poprawnych modeli rzeczywistosci. Przy realizacji grantu "Monitorowanie procesow zachodza^cych w drzewostanach bukowych w zmieniaja^cych si? warunkach srodowiska przyrodniczego na przykladzie Ojcowskiego Parku Narodowego i Lesnego Zakladu Doswiadczalnego w Krynicy" ( nr grantu KBN 5P06M007111) stwierdzono jednoznacznie przydatnosc nast^puja^cych technik geomatycznych do nastepujacych zadan: sysleniqw _GIS_dQ\^ zbierania informacji na wszystkich etapach prac badawczych (opis drzewostan w terenie, operat urza^dzeniowy wpisany do bazy danych, wyniki analiz chemicznych itp.); / przechowywania pozyskanych informacji w bazach: opisowej (relacyjne bazy dla atrybutow obiektow - np. mapy koron drzew na powierzchniach monitoringowych) i geometrycznej (lesna numeryczna mapa gospodarcza OPN i L-ctwa Jaworzyna LZD); ^ nadzorowania zgromadzonych danych poprzez system zarza^dzania baza^ (DBMS - integracja z innymi bazami, np. Access, w analizach prowadzonych w programie Arc View PC); S zapytan SQL, w celu uzyskania odpowiedzi w postaci tekstu ba^dz grafiki (np. wszelkiego typu selekcje wielopoziomowe, prowadzone np. w kierunku okreslenia wielkosci luki w d-stanie na stokach o wybranej ekspozycji i ka^cie nachylenia zbocza); 177

,,Monitorowanieprocesow zachodzqcych w drzewostanach bukowych... ". Grant KBN- 5 P06M007 II / S S analiz przestrzennych: 2- i 3-D; generowania map tematycznych na ekranie monitora, ba^dz w postaci wydrukow (np. mapa lokalizacji terenu badari itp.); wizualizacji w postaci map wirtualnych, obrazow video, VRML, MPEG i innych (pliki *.mpeg wykorzystuja^ce CMT dla OPN i LZD, wygenerowane za pomoca_ narze_dzi dost?pnych w MapTools/ Productivity tools/ Animation w programie Arc/Info Unix); technik Globalnego Systemu Pozycionowania (GPS) do: ^ zwi^kszenia poprawnosci wynikow badari oraz szybkiej ich weryfikacji w terenie; S kartowania drzewostanu w pracach terenowych oraz wykonywania opisow i pomiarow miejsc oprobowania; S okreslenia wspofrz^dnych powierzchni monitoringowych, punktow dostosowania dla orientacji stereogramow, punktow nawia^zania do transformacji map, przebiegu obiektow o charakterze Kniowym (sciezki) i powierzchniowym (biotopy). S Komfort pracy w trybie nawigacji GPS, do wczesniej pomierzonych ba^dz pozyskanych w inny sposob (geodezyjnie) wsp6jrze_dnych w trybie RTCM (w czasie rzeczywistym) niedlugo b^dzie standardem. Dzi^ki poslugiwaniu si? odbiornikiem GPS weryfikacja terenowa dowolnie wybranych obszarow badari nie b^dzie juz nastre_czala wie_kszych problemow. Ponadto sformulowano wnioski dotyczqce oceny zastosowanych technik GIS i GPS. ^ Wykazano ponad wszelka^ wajpliwosc przydatnosc Geograficznych Systemow Informacyjnych oraz innych nowoczesnych narz^dzi jakie oferuj% fotogrametria cyfrowa oraz system NAVSTAR- GPS, w badaniach nad monitoringiem drzewostanow bukowych. S Archiwalne i aktualne zdj^cia lotnicze oraz cyfrowe techniki fotogrametryczne umozliwiaja^ prowadzenie w dowolnym czasie fotointerpretacji i kartowania drzewostanow przy odpowiedni wykonanych kluczach interpretacyjnych. S Zastosowanie Cyfrowego Modelu Terenu w analizach przestrzennych oraz dla celow S / S pozyskiwania nowych informacji okazalo si? bardzo skuteczne. Pomiar DGPS punktow monitoringowych pod okapem drzewostanu lisciastego o pehiym zwarciu jest mozliwy do przeprowadzenia w okresie wegetacji, choc stawia pewne ograniczenia. Wskazany byiby w podobnych pracach tryb nawigacji RTK. Cyfrowa postac baz danych (opisy z prac terenowych, analizy chemiczne, pomiary GPS itp.) oraz obrazow generowanych dzie_ki GIS i fotogrametrii cyfrowej jest latwa do pofyczenia w jednolitym ukladzie wspolrz^dnych. Integracja ww. technik komputerowych w tego typu projektach badawczych utatwia przeprowadzanie dokladniejszych i szybszych analiz skomplikowanych zjawisk przestrzennych i czasowych zachodzqcych w srodowisku naturalnym. Summary Modern techniques of acquisition of spatial information on terrain and objects as well as techniques of its transformation and presentation are known as geomatics. Techniques of this type were used to build the GIS system (Arc/Info, ArcView ESRI), i.e. geometric and attribute bases. The process of digital map formation was based on analogue information (archival paper maps) and techniques of digital photogrammetry. The maps were transformed in the process of digitalization; transformations were made at the points (GCP) whose coordinates were determined on the basis of the measurement of the differential GPS (DGPS). The use of GPS receivers allowed for precise location of objects such as tree crowns, research equipment or areas of monitoring plots on digital maps. The DGPS measurement ensured that the results of GIS analyses were correct. The generating of the Digital Terrain Model (DTM) turned out to be necessary for selected spatial analyses. The process of the model formation was based on the procedure oj generating of the Triangular Irregular Netw>ork (TIN) and, next, conversion into the raster images (grid). The DTM provided information on the Slope and Aspect of the area of research. Recenzowal: Prof, drhab. inz, Jozef Jachimski 178