STRUKTURA I FUNKCJONOWANIE SYSTEMÓW KRAJOBRAZOWYCH: META-ANALIZY, MODELE, TEORIE I ICH ZASTOSOWANIA Janów Lubelski 18 21 czerwca 2008 Tomasz Giętkowski 1 Maria Zachwatowicz 2 Klasyfikacja rzeźby w oparciu o pochodne Numerycznego Modelu Wysokości i jej potencjalne zastosowania w badaniach krajobrazowych Landform classification based on derivates of Digital Elevation Model and its prospective application in landscape research 1) Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, Instytut Geografii, Zakład Geografii Zrównoważonego Rozwoju, ul. Mińska 15, 85?428 Bydgoszcz, e-mail: tomgie@ukw.edu.pl 2) Uniwersytet Warszawski, Wydział Geografii i Studiów Regionalnych, Instytut Geografii Fizycznej, Zakład Geoekologii, ul. Krakowskie Przedmieście 30, 00?927 Warszawa, e-mail: m.zachwatowicz@uw.edu.pl PLAN REFERATU Co wiemy o klasyfikacji rzeźby w oparciu o NMW? Obszar badań Zastosowane metody Wyniki klasyfikacji dla obszaru Chojnice Wyniki klasyfikacji dla obszaru Pińczów Kierunki wykorzystania w badaniach krajobrazowych Wnioski 1
Dlaczego geokompleksy przestały być modne?......... brak cyfrowych danych,......... GEOMORFOMETRIA jest nauką, której celem jest ilościowy opis ukształtowania powierzchni terenu, który dokonywany jest w różnych skalach, z wykorzystaniem metod matematycznych, statystycznych i technik przetwarzania obrazów korzenie w klasycznej geomorfologii, rozwija się dziś przede wszystkim w obrębie geomatyki, badania geometrii powierzchni terenu opierają się o dane pochodzące z Numerycznych Modeli Wysokości (NMW). 2
PUNKTY KRYTYCZNE procedury delimitacji jednostek dane wysokościowe pochodne NMW algorytmy klasyfikacji DANE WYSOKOŚCIOWE model rastrowy zaleta: łatwe i szybkie przetwarzanie powszechna dostępność jednolitych danych (LPIS, 1:10k) wada: zależność pomiędzy parametrami modelu (rozdzielczość, metoda interpolacji), a wartościami jego pochodnych (Burdziej i Kunz 2006, Oksanen i Sarjakoski 2005) wartość wskaźników terenu jest mniej funkcją absolutnej dokładności danych wysokościowych, a bardziej tego jak dobrze i jak gładko cechy powierzchni są modelowane (MacMillan 2000, s. 44). 3
POCHODNE NMW - wskaźniki topograficzne ilościowe atrybuty ukształtowania powierzchni terenu pierwotne, obliczane bezpośredni z NMW: spadek, ekspozycja, krzywizna planarna i wertykalna wtórne, generowane są w oparciu o dwie lub więcej pochodnych pierwotnych, TWU (WTI) POCHODNE NMW - wskaźniki topograficzne cechy wskaźników: geneza w szerokim spektrum teorii, od geometrii powierzchni Gaussa do zmiennych regionalnych Matherona, u podstaw konstrukcji wielu z nich, leżą rozważania o prawidłowościach procesów zachodzących na powierzchni terenu, mogących służyć do wyjaśniania i modelowania procesów przyrodniczych (np. spływu powierzchniowego czy reżimu termalnego stoków Czy istnieje uniwersalny zestaw wskaźników? 4
ALGORYTMY KLASYFIKACJI zbiór danych wieloczynnikowych algorytmy analizy skupień nadzorowane nienadzorowane ISODATA KLASYFIKACJA NIENADZOROWANA algorytm dąży do odnalezienia skupisk obiektów - w tym przypadku pikseli, które charakteryzują się najbardziej zbliżonymi wartościami wszystkich analizowanych pochodnych NMW wybór pochodnych NMW wybór metody klasyfikacji określenie parametrów sterujących algorytmem rewizja wyników wykonanie klasyfikacji ewentualna ponowna klasyfikacja ostateczna identyfikacja obiektów 5
ISODATA prowadzi do podziału zbioru danych na zadaną z góry liczbę skupień (klastrów) różniących się od siebie w możliwie największym stopniu dokonuje się tego poprzez przenoszenie obiektów między skupieniami w czasie kolejnych iteracji, co doprowadza do minimalizacji zmienności wartości analizowanych danych (w tym przypadku pochodnych NMW) wewnątrz skupień przy jednoczesnej maksymalizacji ich zmienności pomiędzy skupieniami. ZASTOSOWANIA obejmowały różnej wielkości obszary do terytoriów państw włącznie (Etzelmüller, i in. 2007) przeprowadzane były między innymi w zakresie: - geomorfologii (Etzelmüller i Sulebak 2000, Dupéret i Deffontaines 2004) - geologii (Jordan i in. 2005) szczególnym zainteresowaniem cieszą się wśród gleboznawców (Irvin i in. 1997, Hengl i Rossiter 2003) badania złożoności warunków glebowych (ujawniającej się w relacjach między topografią terenu, warunkami hydrologicznymi i pokrywą roślinną), prowadzone są tu w obrębie homogenicznych jednostek przyrodniczych identyfikacja i nazewnictwo jednostek 6
OBSZAR BADAŃ obszar Chojnice powierzchnia 996 km 2, w przeważającej części położony jest na północno-wschodnim skraju Pojezierza Krajeńskiego (Kondracki 2001) w obrębie wysoczyzny morenowej, użytkowanej rolniczo, o dość silnie urozmaiconej rzeźbie. wschodni fragment, porośnięty głównie borem sosnowym, wyraźnie rozcięty jest przez terasy sandru i doliny Brdy. OBSZAR BADAŃ obszar Pińczów powierzchnia 400 km 2, położony jest w synklinorium Nidy i stanowi fragment Ponidzia Pińczowskiego, obszar cechuje wybitnie poligenetyczny charakter rzeźby, urozmaiconej morfologicznie, o znacznych deniwelacjach lokalnych i dużej zgodności z litologią i tektoniką (Tsermegas i. in. 2000), zróżnicowanie warunków abiotycznych wpłynęło na wykształcenie bogactwa siedlisk przyrodniczych i przetrwanie tradycyjnie rolniczego, mozaikowego krajobrazu kulturowego, 7
METODY Dane wysokościowe pochodzenie: podstawę analiz stanowiły dane wysokościowe (przygotowane metodą fotogrametryczną ze zdjęć lotniczych w ramach kampanii LPIS) pozyskane z CODGiK w formacie ASCII i cięciu arkuszowym odpowiadającym skorowidzowi map 1:10 000 w układzie PUWG 1992 interpolacja arkuszy mozaikowanie filtracja efektu krawędziowego oraz lineamentów rozdzielnie na dwa podzbiory wygładzanie filtrem uśredniającym płaskie - 5x5 piksele faliste - 3x3 piksele mozaikowanie ze spawaniem filtr 3x3 piksele 8
NMW POCHODNE W oparciu o tak przygotowany NMW obliczono zestaw wskaźników w którego skład poza wysokością (NMW), wchodziły: spadek (SP), deniwelacja lokalna (DL), krzywizna planarna (KP), stopień zmienności ekspozycji wzdłuż kierunku przebiegu izohipsy KP KW krzywizna wertykalna (KW) stopień zmienności spadku wzdłuż linii spływu grawitacyjnego topograficzny wskaźnik uwilgotnienia (TWU), ukazuje tendencję do akumulacji wody na danym obszarze, poprzez wskazanie zależności pomiędzy wielkością powierzchni, z której następuje do niego spływ, a wartością jego spadku TWI (Hengl i Rossiter 2003) OBSZAR CHOJNICE w przypadku obszaru Chojnice, przygotowane przez ISODATA 12 typów jednostek, poddano łączeniu w oparciu o statystyki wskaźników oraz wzrokową analizę relacji przestrzennych pomiędzy jednostkami. W ten sposób uzyskano ostatecznie 7 rozróżnialnych klas 9
OBSZAR CHOJNICE OBSZAR CHOJNICE 10
OBSZAR CHOJNICE OBSZAR CHOJNICE 11
OBSZAR CHOJNICE OBSZAR CHOJNICE 12
OBSZAR CHOJNICE OBSZAR CHOJNICE TYPY MORFOMETRYCZNE RZEŹBY NMW 3D 13
OBSZAR PIŃCZÓW w klasyfikacji automatycznej wyróżniono tu 12 rodzajów jednostek, które następnie poddano dalszemu łączeniu w oparciu o wizualną analizę relacji przestrzennych oraz statystyki wskaźników, uzyskując 5 typów rzeźby OBSZAR PIŃCZÓW 14
OBSZAR PIŃCZÓW OBSZAR PIŃCZÓW 15
OBSZAR PIŃCZÓW OBSZAR PIŃCZÓW 16
OBSZAR PIŃCZÓW NMW 3D TYPY MORFOMETRYCZNE RZEŹBY 3D KIERUNKI ZASTOSOWAŃ W BADANIACH KRAJOBRAZOWYCH Materiał bazowy w kartowaniu geoekologicznym, teledetekcyjnej interpretacji obrazów, w badaniach inwentaryzacyjnych, etc. Czynnik przewodni w analizach związków między cechami metrycznymi rzeźby i innymi komponentami środowiska. Podstawa konstruowania kompleksowych jednostek przyrodniczych różnej rangi, będących punktem wyjścia dla analiz struktury i funkcjonowania krajobrazu. 17
1 KIERUNKI ZASTOSOWAŃ W BADANIACH KRAJOBRAZOWYCH typy morf. rzeźby litologia pokr. terenu K O M P O Z Y C J A K O N F IG U R A C J A p o w i e r z. [ h a ] u d z ia ł w p o w. lic z b a ś r e d. p o w. g e o k o m. [ % ] g e o k o m p l. [ h a ] w y m ia r f r a k t a ln y w s k a ź n ik k s z t a łt u w s k a ź n ik a g r e g a c ji [ % ] o d l e g ło ś ć n a jb liż. s ą s i e d z t w a. [ m ] ł ą c z n i e 9 0 0 0 0-1 8 7 1 4 8, 1 1, 0 8 7 1, 7 9 9 3, 2 - t y p 6 1 2 3 0 4 1 3, 7 6 4 1 9 2, 2 1, 0 9 3 2, 0 3 9 5, 9 4 6 9 KIERUNKI ZASTOSOWAŃ W BADANIACH KRAJOBRAZOWYCH TRANSEKT 14 13 średnia ilość punktów 12 11 10 9 8 7 6 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171 sektor WARIANCJA TRANSFORMACJI FALKĄ 18
KIERUNKI ZASTOSOWAŃ W BADANIACH KRAJOBRAZOWYCH Potencjał dla modelowania i prognozowania procesów ekologicznych, w których kluczowe znaczenie ma informacja o topografii terenu. W ujęciu utylitarnym, możliwe wykorzystanie m.in. w konstruowaniu wskaźników jakości środowiska i ocenach jego zagrożeń, w opracowaniach fizjograficznych, w systemie monitoringu środowiska. WNIOSKI Zalety przedstawionej procedury Zautomatyzowanie procedury tworzenia map typów morfometrycznych rzeźby w oparciu o pochodne NMT pozwala osiągnąć wysoką powtarzalność wyników, umożliwiając odtworzenie sposobu działania algorytmu. Wobec dostępności jednolitych danych wysokościowych dla obszaru całego kraju, wyniki uzyskiwane dla różnych terenów badań cechuje spójność metodyczna. 19
WNIOSKI Zalety przedstawionej procedury W porównaniu z metodami tradycyjnymi, obserwujemy znaczną oszczędność czasu przeznaczanego na wykonanie wstępnej klasyfikacji morfometrycznej rzeźby. Dostępne dane NMT stwarzają szansę skonstruowania spójnej bazy map morfometrycznych, umożliwiających ujednolicenie metod wydzielania jednostek krajobrazowych w skali kraju. WNIOSKI Zagadnienia wymagające rozstrzygnięcia Jakość wejściowych danych wysokościowych nie pozwala na bezpośrednie wykorzystanie. Problematyczna kwestia ostatniego, ręcznego etapu klasyfikacji - subiektywizm decyzji interpretacyjnych. W jakim zakresie stopień zróżnicowania rzeźby w obrębie terenu badań wpływa na trafność interpretacji obrazu i jednoznaczność ręcznie wydzielanych klas? Czy możliwe jest opracowanie metody pozwalającej na uwzględnienie relacji przestrzennych między wydzieleniami, co pomoże naśladować klasyczne jednostki? 20
WNIOSKI Zagadnienia wymagające rozstrzygnięcia Brak wzorców walidacji uzyskiwanych map morfometrycznych. Czy korzystać z reguł tradycyjnej geomorfometrii, czy też od podstaw budować nową klasyfikację? Czy istnieją zestawy pochodnych NMT i odpowiednie dla nich metody klasyfikacji, które pozwolą uzyskać wydzielenia tożsame z tradycyjnie definiowanymi jednostkami morfometrycznymi? Brak nomenklatury uwzględniającej ściśle morfometryczny charakter jednostek. STRUKTURA I FUNKCJONOWANIE SYSTEMÓW KRAJOBRAZOWYCH: META-ANALIZY, MODELE, TEORIE I ICH ZASTOSOWANIA Janów Lubelski 18 21 czerwca 2008 DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ Tomasz Giętkowski 1 Maria Zachwatowicz 2 1) Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, Instytut Geografii, Zakład Geografii Zrównoważonego Rozwoju, ul. Mińska 15, 85?428 Bydgoszcz, e-mail: tomgie@ukw.edu.pl 2) Uniwersytet Warszawski, Wydział Geografii i Studiów Regionalnych, Instytut Geografii Fizycznej, Zakład Geoekologii, ul. Krakowskie Przedmieście 30, 00?927 Warszawa, e-mail: m.zachwatowicz@uw.edu.pl 21