Mat. Symp. str. 207 219 Zygmunt MIATKOWSKI*, Wanda KOWALIK**, Stanisław LEWIŃSKI**, Adam SOŁTYSIK*, Janusz TURBIAK* *Instytut Melioracji i Użytków Zielonych w Falentach, Wielkopolsko-Pomorski Ośrodek Badawczy, Bydgoszcz ** Instytut Geodezji i Kartografii, Warszawa Ocena możliwości zastosowania teledetekcji satelitarnej do identyfikacji przeobrażeń siedlisk hydrogenicznych pod wpływem głębokiego odwodnienia terenu w rejonie KWB Bełchatów S.A. Streszczenie Eksploatacji złóż surowców mineralnych oraz zasobów wód gruntowych zawsze towarzyszy zmiana warunków hydrologicznych w otoczeniu, polegająca najczęściej na głębokim i rozległym odwodnieniu terenu. Najbardziej wrażliwe na zmiany warunków wodnych są siedliska hydrogeniczne, które ukształtowały się pod dominującym wpływem wody. Głębokie i długotrwałe odwodnienie tych siedlisk wywołuje procesy przeobrażeń prowadzące do ich degradacji. Identyfikacja przeobrażeń tych siedlisk i ich monitorowanie, jeśli występują one na dużych powierzchniach, są trudne, a czasami mało efektywne metodami tradycyjnymi. Ponieważ skład gatunkowy zbiorowisk, kondycja roślin oraz produkcja biomasy są zewnętrznym syntetycznym wskaźnikiem warunków wodnych i troficzności siedliska oraz poziomu pratotechniki, a te elementy wywierają wpływ na intensywność odbicia spektralnego, podjęto próbę identyfikacji zasięgu i dynamiki przeobrażeń trwałych użytków zielonych pod wpływem rozległego odwodnienia spowodowanego przez Kopalnię Węgla Brunatnego Bełchatów S.A. metodą teledetekcji satelitarnej. 1. Wstęp Eksploatacji złóż surowców mineralnych oraz zasobów wód głębinowych zawsze towarzyszy zmiana warunków hydrologicznych w otoczeniu, polegająca najczęściej na głębokim i rozległym odwodnieniu terenu. Głębokość i zasięg odwodnienia zależą od skali eksploatacji i warunków hydrogeologicznych na obszarze przyległym. Najbardziej wrażliwe na zmiany warunków wodnych są siedliska hydrogeniczne mokradła silnie uwodnione ekosystemy, które ukształtowały się pod dominującym wpływem wody. W tych siedliskach występują gleby hydrogeniczne, semihydrogeniczne lub napływowe oraz charakterystyczne zespoły roślin hydrofilnych, a na obszarach użytkowanych rolniczo zbiorowiska roślinności łąkowej. Siedliska hydrogeniczne występują naturalnie najczęściej w dolinach rzek i cieków oraz w śródpolnych obniżeniach w warunkach okresowego lub stałego dopływu wody podziemnej lub powierzchniowej spoza siedliska. Te siedliska, które uległy głębokiemu odwodnieniu podlegają procesom przeobrażeń prowadzącym do ich degradacji. Zakres i szybkość przekształceń tych siedlisk pod wpływem odwodnienia zależą głównie od pierwotnych warunków wodnych i rodzaju gleb, a także od przebiegu warunków meteorologicznych w pierwszych latach po odwodnieniu. Najbardziej podatne na degradację są siedliska z glebami 207
Z. MIATKOWSKI i in. Ocena możliwości zastosowania teledetekcji satelitarnej... organicznymi i mineralno-organicznymi. Bardziej odporne na odwodnienie są siedliska z glebami mineralnymi. W rezultacie zmian warunków wodnych i właściwości gleb zbiorowiska roślinne podlegają przemianom w kierunku zespołów bardziej odpornych na niedobór wody. Na ogół pogarsza się zadarnienie, kondycja roślin i zmniejsza się produkcja biomasy. Przykładem rozległych przeobrażeń siedlisk hydrogenicznych w wyniku zmian warunków wodnych spowodowanych odwadnianiem jest rejon KWB Bełchatów S.A. Identyfikacja i monitorowanie przeobrażeń tych siedlisk, jeśli występują one na dużych powierzchniach, są trudne, a czasami mało efektywne, metodami tradycyjnymi. Składa się na to między innymi duża dynamika zachodzących pod wpływem odwodnienia przeobrażeń, przybierających czasami nawet charakter katastrofalny (pożary masy organicznej), oraz rozproszenie powierzchni siedlisk hydrogenicznych w kompleksach innych gruntów. Teledetekcja satelitarna stanowi istotne źródło informacji o użytkowaniu i pokryciu terenu. Znajduje coraz szersze zastosowanie w monitoringu przekształceń i ochronie środowiska. Zdjęcia wykonane z wysokości kilkuset kilometrów pozwalają na identyfikację, inwentaryzację i monitorowanie przeobrażeń zachodzących w środowisku w dużej skali w wyniku procesów naturalnych i pod wpływem przekształceń antropogenicznych (Dąbrowska-Zielińska 1995; Lewiński, Popławski 2003; Kozłowska i in. 2000; Maurel, Vidal 1995; Vidal i in. 1995; Vincent i in. 1995). Ponieważ skład gatunkowy zbiorowisk, kondycja roślin oraz wielkość produkcji biomasy są zewnętrznym syntetycznym wskaźnikiem warunków wodnych i troficzności siedliska oraz poziomu pratotechniki, a te elementy wywierają wpływ na intensywność odbicia spektralnego z zakresu widzialnego i bliskiej podczerwieni, podjęto próbę zastosowania teledetekcji satelitarnej do identyfikacji zasięgu i dynamiki przeobrażeń trwałych użytków zielonych pod wpływem rozległego, długotrwałego i głębokiego odwodnienia. Celem badań była ocena możliwości wykorzystania zdjęć satelitarnych do identyfikacji i monitoringu przeobrażeń siedlisk hydrogenicznych, wywołanych zmianami warunków wodnych na skutek odkrywkowej eksploatacji kopalin, oraz do zobrazowania przekształceń siedlisk hydrogenicznych. W dalszym etapie podjęto próbę integracji informacji zawartych w obrazie wielospektralnym na zdjęciu satelitarnym z informacjami o rozmieszczeniu i charakterystyce siedlisk hydrogenicznych, uzyskanymi metodami tradycyjnymi w toku bezpośrednich badań terenowych. 2. Hipotezy, zakres badań i materiały 2.1. Hipotezy Zastosowanie teledetekcji do określania zmian zachodzących w środowisku opiera się na założeniu, że naturalne lub indukowane zmiany pokrycia terenu powodują znaczące zmiany odpowiedzi spektralnej pochodzącej z obserwowanej powierzchni. Oczekiwano wiec, że głębokie przemiany, jakim podlegają siedliska hydrogeniczne wraz z występującymi w nich glebami i zbiorowiskami roślinnymi po zaniku zasilania gruntowego, znajdą swoje odzwierciedlenie na wielospektralnych zdjęciach satelitarnych i w wybranych wskaźnikach gleboworoślinnych, co pozwoli na identyfikację i monitorowanie tych siedlisk w oparciu o materiały teledetekcyjne weryfikowane uzupełniającymi pracami terenowymi. W okresach suszy atmosferycznej kondycja roślin i wielkość biomasy w siedliskach łąkowych zależna jest głównie od warunków zasilania wodą gruntową. Tylko w siedliskach o względnie stałym zasilaniu gruntowym nie obserwuje się wyraźnego zahamowania rozwoju roślinności łąkowej w okresach letniej suszy atmosferycznej. W siedliskach, w których 208
w okresach letniej suszy zasilanie gruntowe zanika, a także w siedliskach pozbawionych zasilania gruntowego z powodu odwodnienia dochodzi w okresie długotrwałej suszy nawet do zamierania roślinności łąkowej. Dlatego założono, że najbardziej kontrastowe różnice odbicia spektralnego między poszczególnymi rodzajami siedlisk wilgotnościowych wystąpią w okresach długotrwałej suszy atmosferycznej. W związku z tym do analizy wybrano zdjęcia satelitarne wykonane w tych okresach. Przyjęto także, że w siedliskach o ustabilizowanych warunkach wodnych i mało zmiennym poziomie pratotechniki liczba wilgotnościowa siedliska jest parametrem stabilnym na przestrzeni lat, ponieważ zmiany składu florystycznego zbiorowisk roślinnych tych siedlisk, wywołane np. zmianą poziomu nawożenia lub sposobu użytkowania, zachodzą głównie w obrębie gatunków o podobnych wymaganiach wodnych. Przyjęcie takiego założenia dało podstawę dla porównywania archiwalnego obrazu spektralnego siedliska ze współczesną wartością jego liczby wilgotnościowej. Założenie takie przyjęto dla siedlisk o znanej historii warunków wodnych. 2.2. Zakres badań Realizacja celu badań obejmowała 3 etapy: terenowe prace badawcze łąkarskie, gleboznawcze i warunków wodnych, przetworzenie wielospektralnych zdjęć satelitarnych oraz porównanie informacji uzyskanej w toku bezpośrednich prac badawczych w terenie z informacją teledetekcyjną. Obszar badań obejmował Kotlinę Szczercowską zaliczaną do Niziny Wielkopolskiej. W terenie wytyczono 27 powierzchni testowych, jednorodnych pod względem warunków glebowo-wodnych i składu florystycznego, obejmujących różne typy siedlisk ze względu na kryteria fizjograficzno-siedliskowe: - siedliska łąkowe o naturalnych warunkach wodnych, poza zasięgiem odwodnienia 11 powierzchni, - siedliska łąkowe o naturalnych warunkach wodnych, zadrzewione i zakrzewione, poza zasięgiem odwodnienia 1 powierzchnia, - siedliska na granicy zasięgu odwodnienia, okresowo zalewane lub podtapiane 1 powierzchnia, - siedliska łąkowe dawno odwodnione, zdegradowane w różnym stopniu 9 powierzchni, grunty orne 1 powierzchnia. Dla weryfikacji poprawności metody wizualnej identyfikacji siedlisk odwodnionych na kompozycjach barwnych wyodrębniono 9 dodatkowych powierzchni (4 w siedlisku o naturalnych warunkach wodnych i 5 w siedliskach długotrwale odwodnionych, zdegradowanych), a następnie wyznaczono je w terenie i wykonano na nich badania glebowo-wodne i florystyczne. Te same powierzchnie testowe wyodrębniono na obrazach satelitarnych. Analiza porównawcza informacji zawartych na zdjęciach satelitarnych i informacji o rozmieszczeniu i charakterystyce siedlisk hydrogenicznych, uzyskanych metodami konwencjonalnymi została przeprowadzona dla aktualnego rozmieszczenia i stanu tych siedlisk, a w niektórych siedliskach także dla zmieniającego się ich stanu na przestrzeni lat od początku budowy kopalni do chwili obecnej. Taka analiza obejmowała: - porównanie zgodności wyników identyfikacji siedlisk łąkowych odwodnionych i zdegradowanych na obrazach satelitarnych i mapach tematycznych wykonanych na podstawie badań terenowych, - analizę korelacji i regresji średniej wartości liczby wilgotnościowej siedlisk i średniej wartości wskaźnika zieleni NDVI w poszczególnych latach, 209
Z. MIATKOWSKI i in. Ocena możliwości zastosowania teledetekcji satelitarnej... - porównanie oceny zasięgu granicy ujemnego wpływu odwodnienia na użytki zielone na podstawie badań terenowych i materiałów teledetekcyjnych. 2.3. Materiały teledetekcyjne Informacje teledetekcyjne wykorzystane w opracowaniu pochodzą ze zdjęć wykonanych przez satelity Landsat. Do analizy wybrano zdjęcia z okresu letniego z lat i okresów suchych. W projekcie badawczym wykorzystano sześć zdjęć satelitarnych Landsat TM (tab. 2.1). Pięć pierwszych zdjęć z lat 1987 1995 zostało wykonanych skanerem TM (Thematic Mapper) z pokładu satelity Landsat 5 natomiast ostatnie zdjęcie z roku 1999 pochodzi z satelity Landsat 7 i jest wykonane skanerem ETM+ (Enhanced Thematic Mapper +). Dane satelitarne Satellite data Lp Data rejestracji Satelita Skaner 1 01.09.1987 Landsat 5 TM 2 21.08.1989 Landsat 5 TM 3 29.08.1992 Landsat 5 TM 4 31.07.1993 Landsat 5 TM 5 21.07.1995 Landsat 5 TM 6 10.09.1999 Landsat 7 ETM+ Tabela 2.1. Table 2.1. Skanery TM oraz ETM+ rejestrują obraz powierzchni ziemi w siedmiu zakresach spektralnych. Kanały spektralne charakteryzują się rozdzielczością terenową (wielkością piksela) wynoszącą 30 m. Wyjątkiem jest jedynie kanał oznaczony numerem 6 (podczerwień termalna), którego rozdzielczość terenowa wynosi 120 m w przypadku skanera TM oraz 60 m dla skanera ETM+. Dodatkową zaletą skanera ETM+ jest rejestrowanie obrazów w zakresie panchromatycznym z rozdzielczością 15 m. 2.4. Ocena warunków wilgotnościowych siedlisk hydrogenicznych na podstawie pokrywy roślinnej Warunki wodne większości siedlisk łąkowych są bardzo zmienne w czasie. Składa się na to zmienność sezonowa jak i zmienność w poszczególnych latach. Zmienność warunków wilgotnościowych tych siedlisk spowodowana jest nierównomiernym rozkładem opadów i ewapotranspiracji oraz zmiennością sezonową zasilania gruntowego i powierzchniowego. Zjawiska hydrologiczne oddziałując na siedlisko nadają mu pewien zespół indywidualnych cech możliwych do zidentyfikowania. Warunki wodne siedliska można więc rozpoznać na podstawie zespołu cech fizjograficznych, stratygrafii, pokrywy glebowej i roślinnej. Współcześnie, związek między warunkami wodnymi siedlisk a ww. cechami jest na ogół w różnym stopniu zmodyfikowany antropopresją. Odzwierciedleniem warunków wodnych w glebie określonego siedliska jest występujące tam zbiorowisko roślinne. Analiza charakterystyki zbiorowiska jest więc źródłem informacji o przeciętnych, wypadkowych warunkach wodnych siedliska na przestrzeni kilku lat poprzedzających ocenę. Dla celów realizacji niniejszych badań ocenę warunków wodnych siedlisk wykonano w oparciu o jedną z metod fitoindykacji polegającej na wyliczeniu średniej liczby wilgotno- 210
ściowej zbiorowiska roślinnego (Oświt 1992). Zaletą tej metody jest możliwość liczbowego wyrażenia warunków wilgotnościowych w formie średniej liczby wilgotnościowej zbiorowiska. Umożliwiło to poszukiwanie związków ilościowych między innymi cechami siedlisk, jak na przykład parametrami odbicia spektralnego. Podstawą metody fitoindykacji jest znajomość wymagań wilgotnościowych poszczególnych gatunków roślin łąkowych tworzących dane zbiorowisko. Wymagania te określane są w różnych skalach. Podstawą metody fitoindykacji warunków wilgotnościowych, opracowanej przez Oświta (1992) jest 10-stopniowa skala Klappa, w której liczba 1 oznacza, że dany gatunek wykazuje najniższe wymagania odnośnie uwilgotnienia, a 10 najwyższe. Określając amplitudę wilgotnościową poszczególnych roślin łąkowych i opracowując na tej podstawie szeregi rozdzielcze gatunków wskaźnikowych Oświt (1992) stworzył florystyczne podstawy podziału łąkowych siedlisk wilgotnościowych na 15 jednostek z ogólnym podziałem tych siedlisk na: A suche (przedział średnich liczb wilgotnościowych 3,1 4,0); B suche okresowo nawilżane (przedział 4,0 5,3); C świeże i wilgotne (przedział 5,3 6,6); D silnie wilgotne i mokre (przedział 6,6 7,9); E bagienne (przedział 7,9 9,1). 3. Wyniki badań i dyskusja 3.1. Zmiany warunków hydrologicznych w otoczeniu odkrywki, wywołane odwodnieniem Odwodnienie terenu pod budowę odkrywki Bełchatów rozpoczęto jesienią w 1975 r. Pierwsze wyraźne zmiany warunków wodnych stwierdzono już wiosną 1976 r. po półrocznym okresie odwadniania. Wyraźne niekorzystne przekształcenia siedlisk na większych powierzchniach, polegające na degradacji gleb i zbiorowisk roślinnych, stwierdzono na początku lat osiemdziesiątych. Siedliskami, w których zaszły największe zmiany pod wpływem odwodnienia były, jak oczekiwano, siedliska hydrogeniczne. Odwadnianie odkrywki w warunkach przepuszczalnego podłoża, jakie występuje na tym obszarze, spowodowało powstanie rozległego leja depresji wód gruntowych. Powierzchnia objęta odwodnieniem wynosiła około 50 km 2 w końcu 1978 r., 250 km 2 w 1980 r., 293 km 2 w końcu września 1982 r. W połowie lat osiemdziesiątych obszar objęty odwodnieniem wynosił około 450 km 2 i osiągnął powierzchnię około 580 km 2 na początku lat dziewięćdziesiątych. W następnym dziesięcioleciu nastąpiły już stosunkowe małe zmiany zasięgu odwodnienia obszar objęty odwodnieniem wynosił około 580 630 km 2. W końcu lat dziewięćdziesiątych obszar objęty odwodnieniem zmniejszył się (w wyniku przesunięcia wkopu na zachód) do około 500 550 km 2. Dalsze zwiększanie powierzchni leja depresji stwierdzono od 2002 r. po rozpoczęciu odwadniania terenu pod odkrywkę Szczerców w 2001 r. Aktualnie powierzchnia objęta odwodnieniem wynosi około 700 km 2. Powierzchnia leja depresji wody gruntowej ma kształt wydłużony wzdłuż osi W-E, tak jak rów tektoniczny, w którym eksploatowany jest węgiel brunatny. Ma on nieregularną granicę, związaną ze zróżnicowanymi warunkami hydrogeologicznymi podłoża gruntowego. Granica zasięgu ujemnego wpływu leja depresji wód gruntowych na użytki zielone nie pokrywa się z granicą zasięgu hydrologicznego leja depresji, ograniczoną izolinią depresji zwierciadła wody 1m. Powierzchnia objęta ujemnym wpływem leja depresji jest mniejsza w porównaniu z powierzchnią hydrologicznego leja depresji i wymaga każdego roku 211
Z. MIATKOWSKI i in. Ocena możliwości zastosowania teledetekcji satelitarnej... weryfikacji wzdłuż granicy o aktualnej długości około 100 km. Tak duża powierzchnia, na której nieregularnie rozmieszczone są kompleksy użytków zielonych oraz duża długość i nieregularność granicy zasięgu odwodnienia są powodem znacznego nakładu pracy terenowej potrzebnej na monitorowanie jej zasięgu. 3.2. Użytki zielone w rejonie leja depresji Według Grzyba (1990) wszystkie trwałe użytki występujące na obszarze leja depresji kwalifikowały się do typu łąk niżowych dolinowych występujących wyłącznie w naturalnych obniżeniach będących pod wpływem zasilania gruntowego, a często także wodami powierzchniowymi. Charakteryzowały się one dużym zróżnicowaniem warunków wodno-glebowych i zbiorowisk roślinnych podstawowych cech decydujących o potencjale produkcyjnym. Przed odwodnieniem oceniano, że około 43% gleb siedlisk hydrogenicznych cechowało optymalne uwilgotnienie, ponad 34% gleb zaliczono do gleb wolno obsychających wiosną, a około 10% gleb było stale podmokłych. Jedynie 12% gleb wykazywało cechy okresowego przesuszania, a tylko 0,4% gleb było trwale podmokłych (Kozłowska, Frąckowiak 1995; Okruszko i in. 1991). Zanik zasilania gruntowego i powierzchniowego spowodował przejście z gospodarki gruntowo-wodnej gleb na gospodarkę opadowo-retencyjną. W tym typie zasilania potrzeby wodne roślin pokrywane są tylko z opadów atmosferycznych i retencji glebowej. W wyniku trwałego odwodnienia siedlisk użytków zielonych zwiększyły się niedobory wodne łąk. Brak wody stał się głównym czynnikiem ograniczającym wykorzystanie potencjalnych możliwości produkcyjnych siedlisk, zapewnianych przez warunki termiczno-energetyczne i antropogeniczne. Plonowanie użytków zielonych w tych siedliskach uzależnione zostało głównie od ilości i rozkładu opadów w poszczególnych latach. Głębokie odwodnienie siedlisk hydrogenicznych wyzwala w glebach tych siedlisk przyspieszone procesy mineralizacji i fizycznej degradacji masy organicznej. Na takich obszarach obserwuje się drastyczne skutki przesuszenia: zanik roślinności łąkowej, rozpylanie powierzchniowej warstwy i erozję wietrzną, wysokie tempo mineralizacji i zaniku masy organicznej, głębokie spękania i szczeliny, a także trudne do ugaszenia pożary powodujące częściowe lub całkowite wypalenie masy organicznej (Frąckowiak 1990, 1991; Frąckowiak, Feliński 1994; Gawlik 1994; Grzyb i in. 1988). Skutkiem tych zjawisk są straty dużych ilości węgla organicznego, emisja CO 2, zanik złóż torfowych i eliminacja ekosystemów z nimi związanych. W rezultacie zmniejsza się wartość tych siedlisk, ponieważ zakłóceniu i ograniczeniu ulegają ich złożone funkcje przyrodnicze i gospodarcze. 3.3. Charakterystyka odbicia spektralnego powierzchni testowych Charakterystyka wielospektralnego obrazu użytków zielonych jest wypadkową szeregu zmiennych w czasie i przestrzeni cech ich pokrywy roślinnej, takich jak faza rozwojowa i żywotność roślin, zagęszczenie i wielkość biomasy, własności optyczne, układ i rozkład liści i innych. Te cechy zbiorowisk roślinności łąkowej są silnie modyfikowane przez okresowy lub trwały niedobór wody, ponieważ roślinność łąkowa wymaga stałego, odpowiednio wysokiego uwilgotnienia gleby. W siedliskach trwale pozbawionych zasilania gruntowego prawdopodobieństwo wystąpienia niedoboru wody oraz jego wartość w okresach niedoborów opadów są większe. Częste i długotrwałe okresy suszy glebowej, jakie występują w tych siedliskach, znajdują swoje odzwierciedlenie w charakterystyce zbiorowisk roślinnych, ich kondycji i biomasie, a także w obrazie fotograficznym i na wielospektralnym zdjęciu satelitarnym. Na 212
zmiany obrazu siedlisk łąkowych długotrwale odwodnionych w okresie suszy składają się przede wszystkim: - wyraźne zmniejszenie plonu ogólnego biomasy, a szczególnie drastyczne zmniejszenie produkcji biomasy w drugim odroście oraz zasychanie, a nawet zamieranie roślinności łąkowej, - rozluźnienie darni i zmniejszenie się procentu zadarnienia, co zwiększa udział pustych miejsc z odkrytą powierzchnią gleby. Dotyczy to szczególnie siedlisk pobagiennych z glebami organicznymi, na których udział pustych miejsc w ogólnej powierzchni może dochodzić nawet do kilkudziesięciu procent, - zmiana składu botanicznego, a w szczególności zanik traw wysokich i zwiększenie udziału roślinności zielnej głęboko korzeniącej się, a w siedliskach pobagiennych z silnie zdegradowanymi glebami organicznymi sukcesja odpornych na suszę gatunków mchów, które częściowo pokrywają pozbawione roślinności łąkowej puste miejsca. Analiza charakterystyki odbicia spektralnego siedlisk łąkowych w siedmiu kanałach spektralnych skanera satelity Landsat TM wykazała, że największe różnice w średnich wartościach odbicia spektralnego powierzchni testowych, w zależności od rodzaju użytku i warunków wodnych, wystąpiły w kanałach o numerach 3, 4, 5 i 7, a więc w zakresie odpowiadającym barwie czerwonej i podczerwieni. Wartość średnia odbicia spektralnego powierzchni testowych odwodnionych była większa w kanałach 3 (R), 5 (MIR) i 7 (MIR) oraz mniejsza w kanale 4 (NIR). Natomiast odbicie spektralne w kanałach 1 i 2, a więc w zakresie odpowiadającym barwie niebieskiej i zielonej było na ogół mało zróżnicowane w zależności od warunków wodnych siedlisk łąkowych. Bardzo wyraźnie zróżnicowana w zależności od rodzaju użytku i warunków wodnych była także wartość znormalizowanego wskaźnika zieleni NDVI. Wskaźnik NDVI charakteryzuje stosunek odbicia promieniowania w bliskiej podczerwieni do promieniowania w czerwonym zakresie widma. Jest on powszechnie stosowany do analizy zmienności pokrywy roślinnej, wielkości biomasy oraz wartości fotosyntezy. Rośliny z zielonymi liśćmi mają dużą wartość NDVI, natomiast rośliny suche, pożółkłe oraz prześwitująca spod pokrywy roślinnej gleba małą. Począwszy od 1989 r. wartości NDVI powierzchni testowych o naturalnych warunkach wodnych były wyraźnie większe od wartości tego wskaźnika powierzchni odwodnionych (tab. 3.1 ). Jest to potwierdzeniem faktu, że na powierzchniach testowych znajdujących się poza wpływem leja depresji kondycja roślin była lepsza, a plon biomasy większy niż w siedliskach odwodnionych. Tabela 3.1. Średnia wartość wskaźnika NDVI powierzchni testowych Table 3.1. Mean NDVI index value on the test polygons Siedliska 01.09.1987 21.08.1989 29.08.1992 31.07.1993 21.07.1995 10.09.1999 1989-99 hydrogeniczne x SD x SD x SD x SD x SD x SD x o naturalnych 194.7 14.5 151.5 14.0 151.4 10.0 191.8 6.21 201.6 13.9 148.0 18.6 168.9 warunkach wodnych odwodnione, zdegradowane 196.8 6.49 130.7 10.6 105.1 14.8 170.6 9.34 152.4 17.9 87.30 23.6 129.2 Wyjątkiem był rok 1987, w którym stopień przeobrażenia siedlisk pod wpływem odwodnienia był jeszcze stosunkowo nieduży. W tym roku nie stwierdzono jeszcze wyraźnego zróżnicowania odbicia spektralnego w zależności od warunków wodnych powierzchni testowych. 213
Z. MIATKOWSKI i in. Ocena możliwości zastosowania teledetekcji satelitarnej... Analiza korelacji między wartościami NDVI powierzchni testowych, niezależnie od ich położenia w stosunku do leja depresji, wykazała, że we wszystkich latach, z wyjątkiem 1987 r., w którym degradacja zbiorowisk siedlisk łąkowych nie była jeszcze mocno zaawansowana, średnie wartości NDVI poszczególnych powierzchni testowych były ze sobą istotnie skorelowane (tab. 3.2). Istotne wartości współczynnika korelacji między wartościami NDVI w poszczególnych latach są dowodem, że między rokiem 1988 a 1989 nastąpiło trwałe zróżnicowanie wartości NDVI między powierzchniami testowymi znajdującymi się na obszarze odwodnionym i na obszarze poza zasięgiem odwodnienia. Ta prawidłowość dotyczyła okresów posusznych w miesiącach lipiec-wrzesień, niezależnie od terminu wykonania zdjęcia. Istotne i bardzo wysokie wartości współczynnika korelacji w poszczególnych latach potwierdzają ponadto, że wartości NDVI powierzchni testowych położonych w obrębie leja depresji były w okresach suszy zawsze proporcjonalnie mniejsze niż NDVI powierzchni testowych położonych w naturalnych warunkach wodnych, niezależnie od terminu wykonania zdjęcia i fazy rozwojowej roślin. Rok Tabela 3.2. Współczynniki korelacji między wartościami NDVI powierzchni testowych w latach, niezależnie od ich warunków wodnych Table 3.2. Corelation coefficents between NDVI values of the test polygons in the years, regardless of their water regime Rok 1987 1989 1992 1993 1995 1999 1987-0,214-0,067-0,202-0,127-0,154 1989 - - 0,929* 0,782* 0,845* 0,856* 1992 - - - 0,866* 0,980* 0,963* 1993 - - - - 0,898* 0,880* 1995 - - - - - 0,961* *- Istotny na poziomie α = 0,05 W celu zobrazowania zmian w zbiorowiskach roślinnych siedlisk łąkowych na przestrzeni lat badań porównano zdjęcia ilustrujące rozkład przestrzenny wskaźnika NDVI metodą opisaną przez Wehde (1995), zwaną Percentile Rank Order Differentiation (PROD). Metoda ta pozwala na porównanie dwóch obrazów w oparciu o kontekst sceny i wychwycenie różnic między zdjęciami wykonanymi w dwóch różnych terminach, poprzez ich odjęcie. W związku z tym, że wynikowe wartości zostały scentrowane wokół liczby 127, na otrzymanych 8-bitowych obrazach kolor szary reprezentuje obszary, na których wartość NDVI nie uległa zmianie. Obszary o jaśniejszym zabarwieniu przedstawiają tereny, na których wartość wskaźnika zieleni wzrosła, a obszary ciemne odpowiadają postępującej w czasie degradacji pokrywy roślinnej (im ciemniejszy odcień tym większy stopień degradacji). Ilustracją zmian wskaźnika NDVI w okresie od 1989 do 1993 i od 1989 do 1999 są obrazy zmian wartości tego wskaźnika przedstawione na fotografiach 3.1 i 3.2. Obszary, na których nastąpiło zmniejszenie NDVI z powodu degradacji pokrywy roślinnej mają odcień ciemnoszary i czarny. Dla uwypuklenia tych obszarów na obrazie wzmocniono obszary ciemne. Analiza treści obrazu zmian NDVI na fotografii 3.1 wykazała, że w stosunku do 1989 r. wyraźnemu pogorszeniu w roku 1993 uległ NDVI na obszarach leśnych, głównie na przedpolu odkrywki (wycinka lasów) oraz na powierzchniach, na których zdjęto nadkład. 214
Fot. 3.1. Obraz zmian wartości wskaźnika NDVI w okresie 1989 1993. Obszary, na których nastąpiło zmniejszenie NDVI mają odcień ciemnoszary i czarny. Przybliżona skala 1:280 000 Fot. 3.1. Image of NDVI index values changes in the period 1989 1993. Areas in which NDVI decreased have dark grey and black shades. Approximate scale 1:280 000 Fot. 3.2. Obraz zmian wartości wskaźnika NDVI w okresie 1989 1999. Przybliżona skala 1:280 000 Fot. 3.2. Image of NDVI index values changes in the period 1989 1999. Approximate scale 1:280 000 215
Z. MIATKOWSKI i in. Ocena możliwości zastosowania teledetekcji satelitarnej... Natomiast porównanie obrazów z 1989 r. i 1999 r. (fot. 3.2) ujawnia już wyraźne pogorszenie wartości NDVI na wszystkich większych kompleksach użytków zielonych wokół odkrywki w dolinach Krasówki, Jeziorki, Kamionki, w kompleksie Stanisławów-Osiny- Trząs i innych. Powierzchnie obszarów, które w dziesięcioleciu 1989 1999 uległy degradacji pokrywają się dokładnie (biorąc pod uwagę skalę zdjęcia) z obszarami zdegradowanymi w tych latach, wyodrębnionymi podczas badań terenowych. Na obydwóch obrazach nie ujawniło się pogorszenie stanu siedlisk łąkowych położonych w bezpośrednim sąsiedztwie odkrywki, ponieważ w 1989 r. były one już silnie zdegradowane. Te siedliska zostały odwodnione już w okresie do 1980 r. i uległy silnej degradacji w latach 1982 1983. Na tym obrazie jasnym odcieniem wyróżnia się powierzchnia zwałowiska zewnętrznego, co jest dowodem wyraźnego zwiększenia wartości NDVI wskutek zabudowy biologicznej zwałowiska. 3.4. Analiza porównawcza oceny warunków wodnych metodą fitoindykacji i teledetekcji W celu powiązania ilościowego treści obrazów satelitarnych, dotyczącej siedlisk łąkowych, z oceną warunków wodnych tych siedlisk, wykonaną bezpośrednio w terenie, porównano archiwalne wartości znormalizowanego wskaźnika zieleni NDVI powierzchni testowych ze współczesnymi wartościami liczby wilgotnościowej tych siedlisk. Zbiorowiska roślinne na powierzchniach testowych w siedliskach odwodnionych charakteryzowały się wyraźnie mniejszą liczbą wilgotnościową (tab. 3.3) w porównaniu ze zbiorowiskami w siedliskach o naturalnych warunkach wodnych. Ocena warunków wodnych powierzchni testowych na podstawie liczby wilgotnościowej wykazała, że większość siedlisk łąkowych odwodnionych należała wg podziału Oświta (1992) do siedlisk suchych okresowo nawilżanych, a większość siedlisk o naturalnych warunkach wodnych do siedlisk świeżych i wilgotnych (tab. 3.3). Tabela 3.3. Średnia wartość wskaźnika NDVI i liczby wilgotnościowej zbiorowisk roślinnych powierzchni testowych Table 3.3. Mean NDVI index value and humidity value of plant communites of the test polygons Siedliska hydrogeniczne NDVI (1989-1999) Liczba wilgotnościowa (1999-2003) x SD 1) min.-max. 1) x SD 2) min.-max. 2) o naturalnych warunkach 168.9 25,69 148,0-201,0 6,14 0,33 5,47-6,63 wodnych odwodnione, zdegradowane 129.2 39,88 87,3-170,6 5,25 0,23 4,8-5,57 grunty orne 94,01 25,91 59,0-121,6 - - - 1) zmienność wartości średniej w poszczególnych latach, 2) zmienność wartości średniej poszczególnych powierzchni testowych. Tabela 3.4. Współczynniki korelacji między średnią liczbą wilgotnościową zbiorowisk roślinnych powierzchni testowych a wartością NDVI tych powierzchni, niezależnie od ich warunków wodnych Table 3.4. Corelation coefficents between mean humidity value of test poligons plant communites and NDVI index of these poligons, regardless of their water regime NDVI w latach 1987 1989 1992 1993 1995 1999 Liczba 0,180 0,690* 0,793* 0,713* 0,826* 0,868* wilgotnościowa *- Istotny na poziomie α = 0,05 216
Porównania wartości wskaźnika odbicia spektralnego i wskaźnika roślinnego wykonano analizą korelacji i regresji. Taką analizę wykonano dla wszystkich powierzchni testowych o znanej historii warunków wodnych od początku budowy kopalni. W roku 1987 wskaźnik NDVI i liczba wilgotnościowa nie były jeszcze ze sobą skorelowane (tab. 3.4). Jest to potwierdzeniem faktu, że do 1987 r. na większości powierzchni testowych degradacja zbiorowisk roślinnych w wyniku odwodnienia nie była jeszcze mocno zaawansowana. Graficzną ilustracją zależności między wskaźnikiem NDVI a liczbą wilgotnościową powierzchni testowych jest rysunek 3.1. Z tego rysunku wynika, że między wskaźnikiem odbicia spektralnego (NDVI) a roślinnym (liczba wilgotnościowa) występuje prosty, liniowy związek, niezależnie od warunków wodnych siedliska. Odnosi się to do wszystkich zdjęć wykonanych od 1989 r., niezależnie od terminu ich wykonania. 200 180 29.05.1999 r. 160 140 NDVI 120 100 80 60 y = -210,1 + 58,09x r = 0,868 * 40 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 Liczba wilgotnościowa Rys. 3.1. Zależność między średnią wartością NDVI powierzchni testowych w 1999 r. a średnią liczbą wilgotnościową zbiorowisk roślinnych, określoną w latach 1999 2003 Fig. 3.1. Relationship between test polygons mean NDVI value in the year 1999 and mean humidity value of plant communites, determined in the years 1999 2003 4. Wnioski 1. Analiza informacji zawartej na wielospektralnych zdjęciach satelitarnych, uzupełniona i zweryfikowana wynikami bezpośrednich badań terenowych, jest efektywną metodą identyfikacji i monitoringu przekształceń siedlisk hydrogenicznych na dużych obszarach, wywołanych ich odwodnieniem. Porównanie informacji zawartych na zdjęciach satelitarnych i informacji uzyskanych metodami konwencjonalnymi, w toku bezpośrednich badań terenowych, wykazało zadowalającą zgodność identyfikacji siedlisk łąkowych zdegradowanych w wyniku odwodnienia oraz oceny zasięgu ujemnego wpływu leja depresji wód gruntowych KWB Bełchatów. 2. Analiza wizualna kompozycji barwnych utworzonych z kanałów 3, 5 i 4 oraz 3, 7 i 4 skanera satelity Landsat TM umożliwia identyfikację i monitorowanie przeobrażeń siedlisk łąkowych w wyniku długotrwałego odwodnienia. Umożliwia wyodrębnienie siedlisk łąkowych suchych i zdegradowanych, wilgotnych z okresowym zasilaniem gruntowym oraz trwale wilgotnych i mokrych z dokładnością odpowiadającą skali mapy około 1:50 000. Analiza wizualna tych kompozycji umożliwia także weryfikację i uzupełnienie danych historycznych 217
Z. MIATKOWSKI i in. Ocena możliwości zastosowania teledetekcji satelitarnej... o warunkach wodnych siedlisk łąkowych przed odwodnieniem. Jest również dobrym narzędziem do identyfikacji i monitorowania występowania zakrzewień i zadrzewień na użytkach zielonych wyłączonych z rolniczego użytkowania. 3. Średnie wartości NDVI powierzchni testowych położonych w obrębie leja depresji były w okresach suchych zawsze proporcjonalnie mniejsze niż powierzchni testowych położonych w naturalnych warunkach wodnych, niezależnie od terminu wykonania zdjęcia i fazy rozwojowej roślin. 4. Ocena warunków wodnych siedlisk łąkowych na obszarze oddziaływania leja depresji KWB Bełchatów, dokonana na podstawie analizy znormalizowanego wskaźnika zieleni (NDVI) i metodą fitoindykacji na podstawie analizy składu gatunkowego zbiorowisk roślinnych, dała podobne rezultaty. Między znormalizowanym wskaźnikiem zieleni (NDVI) a wskaźnikiem roślinnym (liczba wilgotnościowa) występował prosty, liniowy związek, niezależnie od warunków wodnych siedlisk i terminu wykonania zdjęcia. 5. Mapy rozkładu wskaźnika NDVI oraz jego zmiany w czasie dobrze korespondowały z rezultatami badań terenowych zasięgu wpływu odwodnienia i stanu siedlisk łąkowych. Analiza zmian wskaźnika NDVI metodą PROD w okresach 1989 1993 i 1989 1999 wykazała, że powierzchnie obszarów, na których pokrywa roślinna uległa degradacji pokrywają się dokładnie (biorąc pod uwagę skalę zdjęcia) z obszarami łąkowymi zdegradowanymi w tych latach, wyodrębnionymi podczas badań terenowych. Praca została zrealizowana w ramach projektu KBN 8 T12 E 02821 Literatura [1] Dąbrowska-Zielińska K. 1995: Szacowanie ewapotranspiracji, wilgotności gleb, i masy zielonej łąk na podstawie zdjęć satelitarnych NOAA. PAN, Prace Geograf. 165, 81. [2] Frąckowiak H. 1990: Przeobrażenia właściwości biologicznych i chemicznych w glebach torfowomurszowych i mineralno-murszowych w warunkach ekstremalnie posusznych. Konfererencja Naukowo-Techniczna Intensyfikacja użytków zielonych a ochrona środowiska przyrodniczego NOT, SITWM, Warszawa, 80 95. [3] Frąckowiak H. 1991: Wpływ głębokiego odwodnienia łąkowych gleb organicznych na wielkość mineralizacji masy organicznej i związków azotowych. Fragm. Agronomica, Z. specj., 1, 118 127. [4] Frąckowiak H., Feliński T. 1994: Obniżanie się powierzchni łąkowych gleb organicznych w warunkach intensywnego przesuszenia. Wiad. IMUZ t.18, 2, 9 29. [5] Gawlik J. 1994: Wpływ głębokiego i długotrwałego odwodnienia gleb hydrogenicznych na ich fizyczno-wodne właściwości. Wiad. IMUZ, XVIII, z. 2, 9 28. [6] Grzyb S. 1990: Użytki zielone przed i po powstaniu leja depresyjnego KWB Bełchatów. W: Możliwości i sposoby przywrócenia użyteczności produkcyjnej użytków zielonych oraz zasady gospodarowania w leju depresyjnym KWB Bełchatów. Maszynopis, Sp. z o.o. Ekoterra, Warszawa-Kielce. [7] Grzyb S., Frąckowiak H., Kozłowska T. 1988: Effect of depression funnel of the brown coal strip mine Bełchatów on organic soils and their agricultural productivity. Proceedings VIII International Peat Congress, Leningrad, 177 183. [8] Kozłowska T., Dąbrowska-Zielińska K., Ostrowski J., Ciołkosz A., Stankiewicz K., Bochenek Z. 2000: Szacowanie plonów z użytków zielonych w skali regionalnej z zastosowaniem teledetekcji satelitarnej. Bibl. Wiad. IMUZ, 95, 107s. [9] Kozłowska T., Frąckowiak H. 1995: Degradacja siedlisk i zbiorowisk łąkowych na glebach organicznych w wyniku wzrastającego uprzemysłowienia. Mat. Sesji Nauk. Torfoznawstwo w badaniach Naukowych i Praktyce. Falenty 6-7.11.1995, Wyd. IMUZ, 201 207. [10] Lewiński S., Popławski Z. 2003: Możliwości zasilania systemów informacji przestrzennej danymi satelitarnymi. Człowiek i Środowisko 27 (1-2), Wyd. Instytut Gospodarki Przestrzennej i Mieszkalnictwa, 165 174. 218
[11] Maurel P., Vidal A. 1995: Principles of remote sensing and its integration into geographic information systems. W: Remote sensing and geographic information systems in irrigation and drainage. ICID New Delhi, 2 38. [12] Okruszko H., Gawlik J., Zawadzki S. 1991: Charakterystyka i ocena rolnicza gleb hydrogenicznych na terenie leja depresyjnego Bełchatowskiego Okręgu Przemysłowego. Wiad. IMUZ, T XVI z. 3, 19 35. [13] Oświt J. 1992. Identyfikacja warunków wilgotnościowych w siedliskach łąkowych za pomocą wskaźników roślinnych (metoda fitoindykacji). Bibliot. Wiad. IMUZ, 79, 39 68. [14] Vidal A., Baqri A., Ormvag K. 1995: Management of large irrigation systems in Morocco. W: Remote sensing and geographic information systems in irrigation and drainage. ICID New Delhi, 72 78. [15] Vincent B., Frejefond E., Vidal A., Baqri A., Ormvag K. 1995: Drainage performances assessment by use of remote sensing in the Gharb plain, Morocco. W: Remote sensing and geographic information systems in irrigation and drainage. ICID New Delhi, 90 99. [16] Wehde M. E. 1995: Digital image comparison by subtracting contextual transformations: Percentile rank order differentiation. Photogrammetric engineering & remote sensing, vol.61 (10), 1273 1278. Assessment of possibilities of satellite remote sensing use for the identification of hydrogenic habitats transformations under the influence of deep drainage in the region of the Bełchatów brown coal mine Exploitation of minerals deposits and ground water resources is always accompanied by a change in hydrologic conditions in the surrounding areas, most often consisting in deep and extensive terrain drainage. Hydrogenic habitats, which were formed under a prevailing influence of water, are the most sensitive to changes in water conditions. Deep and long-lasting drainage of these sites causes transformation processes leading to their degradation. Identification of these sites transformations and their moniotoring, if they occur in large areas, are difficult and sometimes low-effective by traditional methods. As species composition of the communities, plant form as well as biomass production are an external synthetic indicator of water conditions and site trophicity as well as pratotechnics level, and these elements exert an influence on intensity of spectral reflection, an attempt to identify the range and dynamics of permanent grasslands transformations under the influence of deep drainage caused by the Bełchatów brown coal mine has been made by the method of satellite remote sensing. Przekazano: 22 marca 2004 r. 219