POLSKIE Teledetekcyjne TOWARZYSTWO etody INFORMACJI rejestracji krajobrazu PRZESTRZENNEJ ROCZNIKI GEOMATYKI 2007 TOM V ZESZYT 8 67 Nie istnieje nic oprócz atoówi pustej przestrzeni wszystko poza ty jest opini¹ Deokryt z Abdery 1 (ok. 460 370 p.n.e.) Relacje przestrzenne s¹ daleko wa niejsze ni wspó³rzêdne TELEDETEKCYJNE METODY REJESTRACJI KRAJOBRAZU 3 REMOTE SENSING METHODS OF LANDSCAPE RECORDING Michael F. Goodchild 2 (styczeñ 2003) Stanis³aw Mularz, Wojciech Drzewiecki, Toasz Pirowski Wydzia³ Geodezji Górniczej i In ynierii Œrodowiska, Akadeia Górniczo-Hutnicza S³owa kluczowe: teledetekcja, architektura krajobrazu, ekologia krajobrazu Keywords: reote sensing, landscape architecture, landscape ecology Wprowadzenie Krajobraz jest pojêcie, które o na definiowaæ, ale tak e rozuieæ i odczuwaæ, w ró ny sposób. Od potocznie u ywanego, zw³aszcza w dziedzinie sztuki, okreœlenia pejza, poprzez foru³y encyklopedyczne a do specjalistycznych definicji geograficznych i ekologicznych, w których krajobraz bywa niekiedy traktowany jako synoni œrodowiska przyrodniczego, czyli najogólniej ówi¹c jako przestrzeñ przenikania siê litosfery, atosfery, hydrosfery, biosfery i najczêœciej te antroposfery. W tzw. klasyczny, a tak e foralno-prawny ujêciu krajobraz definiowany jest jako: 1 Deokryt z Abdery filozof grecki twórca teoriopoznawczej koncepcji tzw. idoli tj. obrazów for, rzeczy przenikaj¹cych do narz¹dów zys³owych i uo liwiaj¹cych poznanie [Encyklopedia Powszechna PWN] 2 Michael F. Goodchild- Prof. of Geography at the University of California, Santa Barbara USA, Director of the Center for Spatially Integrated Social Sciences of the US National Center for Geographic Inforation and Analysis [GIM International The Worldwide Magazine for Geoatics, March 2003] 3 Praca naukowa finansowana ze œrodków na naukê w latach 2007 2009 jako projekt badawczy Badanie zian przestrzennych struktury u ytkowania i funkcji krajobrazu w oparciu o wieloczasowe obrazy teledetekcyjne jako wsparcie dla planowania krajobrazu (N526 029 32/2621)
68 Stanis³aw Mularz, Wojciech Drzewiecki, Toasz Pirowski przestrzeñ powierzchni Ziei widziana z pewnego punktu; widok okolicy (S³ownik Jêzyka Polskiego. PWN, 1978); fizjonoia powierzchni Ziei lub jej czêœci, bêd¹ca syntez¹ wszystkich eleentów przyrodniczych (g³ównie rzeÿby terenu, wód, warunków kliatycznych, œwiata roœlinnego i zwierzêcego) i dzia³alnoœci ludzkiej pozostaj¹cych we wzajeny stosunku i oddzia³ywaniu (Encyklopedia Powszechna PWN, 1974); dowolnej wielkoœci syste powi¹zanych funkcjonalnie koponentów abiotycznych i biotycznych oraz tworzonych przez nie realnie istniej¹cych jednostek przestrzennych równie powi¹zanych funkcjonalnie, wraz z efektai wp³ywu na niego dzia³alnoœci cz³owieka (PrzewoŸniak, 1987); krajobraz znaczy obszar, postrzegany przez ludzi, którego charakter jest wynikie dzia³ania i interakcji czynników przyrodniczych i/lub ludzkich (Europejska Konwencja Krajobrazowa, sporz¹dzona we Florencji dnia 20 paÿdziernika 2000 r.). W definiowaniu krajobrazu nie sposób poin¹æ tak e warstwy eocjonalnej, uczuciowej, która towarzyszy jego percepcji i waloryzacji a stanowi zaraze swoiste przenikanie oraz dope³nienie tworz¹cych go aterialnych koponentów abiotycznych i biotycznych. Niezwykle trafnie uj¹³ te okolicznoœci Marek Styczyñski autor poni szego cytatu: Pojêcie krajobraz jest tak oczywiste, jak trudne do zdefiniowania. Intuicyjnie wiey, e ay do czynienia ze z³o ony wprawdzie, lecz postrzegany jako osobna ca³oœæ obraze. Obraze, na który sk³ada siê nie tylko rzeÿba terenu, ywa przyroda, œlady ludzkiego bytowania, ale i zapach, oœwietlenie, wsponienia lub ich brak, które to eleenty wp³ywaj¹ na towarzysz¹ce obserwacji krajobrazu uczucie swojskoœci lub obcoœci. Mówi siê przecie o rodzinnej ziei, swojski krajobrazie, czy szerzej ojczyÿnie (Styczyñski, 2001). Powy szy, z koniecznoœci krótki przegl¹d definicji pozwala zauwa yæ, i pojêcie krajobrazu jest w swojej istocie pojêcie holistyczny. Krajobraz, chocia z³o ony z powi¹zanych ze sob¹ i wzajenie na siebie oddzia³uj¹cych eleentów, jest ca³oœci¹. Rejestracja krajobrazu oznacza zate kopleksow¹ rejestracjê jego koponentów i istniej¹cych poiêdzy nii relacji, zw³aszcza przestrzennych. Wydaje siê rzecz¹ bezsporn¹, i tego rodzaju zapis krajobrazu uo - liwiaj¹ zdalne etody obrazowania, w ty zw³aszcza teledetekcja lotnicza i satelitarna. Ocenê potencja³u oraz o liwoœci wykorzystania teledetekcji jako uniwersalnej etody dokuentowania zarówno przyrodniczych jak równie antropogenicznych koponentów krajobrazu przedstawiæ o na w oparciu o tzw. ideê ulti (ang. ulti concept) powszechnie wykorzystywan¹, przede wszystki w badaniach i ró norodnych aplikacjach zdalnych etod obrazowych. W odniesieniu do o liwoœci rejestracji z³o onej przestrzeni krajobrazowej techniki teledetekcyjne charakteryzuje wielostopniowy odel pozyskiwania danych: rejestracja z wielu platfor i ró nych pu³apów (ang. uliplatfor, ultilevel); rejestracja wielospektralna (ang. ultispectral); o liwoœæ wykorzystania wielu ró nych urz¹dzeñ obrazuj¹cych (ang. ultisensor) i wybór trybu rejestracji: analogowy (kaery fotograficzne) lub cyfrowy (skanery); rejestracja obrazów o ró nej rozdzielczoœci przestrzennej (ang. ultiresolution); o liwoœæ przeprowadzenia wielorozdzielczej segentacji zarejestrowanego obrazu (ang. ultiscale segentation, ultiresolution segentation); rejestracja obrazów wieloczasowych (ang. ultiteporal).
Teledetekcyjne etody rejestracji krajobrazu 69 Rejestracja z wielu platfor i ró nych pu³apów Mo liwoœæ rejestracji przy u yciu sensorów uieszczonych na ró nych platforach i pu- ³apach pozwala na dobór zasiêgu obszarowego i charakteru obrazowania o ró ny stopniu generalizacji warunków krajobrazu: od skali globalnej poprzez regionaln¹ i sub-regionaln¹ (z wykorzystanie teledetekcji lotniczej i satelitarnej, któr¹ cechuje z regu³y kopleksowy charakter geoetryzacji i uogólnione relacje przestrzenne ró nych koponentów krajobrazu), a do skali lokalnej (gdzie z kolei teledetekcja bliskiego zasiêgu uo liwia odwzorowanie szczegó³owych relacji przestrzennych w krajobrazie, w ty nawet pojedynczych obiektów) (por. rys. 2 i rys. 3, str. 72). Mo na zate dostosowaæ charakter zobrazowania do celu prowadzonych analiz krajobrazowych rejestruj¹c obraz krajobrazu w odpowiedniej skali. Z drugiej strony wielopozioowy zestaw danych teledetekcyjnych stanowiæ o e doskona³e Ÿród³o inforacji w badaniach struktury krajobrazu, uo liwiaj¹c uchwycenie jej hierarchicznego charakteru. Olêdzki (1992) opisuj¹c szczegó³owo przyk³ady wykorzystania zdjêæ lotniczych i obrazów satelitarnych w badaniach struktury œrodowiska geograficznego, zwraca uwagê na fakt, i tego rodzaju zastosowania zapocz¹tkowa³a teoretyczna praca Sauera (1925). Autor ten uwa a³, i krajobraz jest efekte powi¹zanych ze sob¹ for przyrodniczych i kulturowych, a wyró niane w krajobrazie jednostki stanowi¹ orfologiczny wyraz relacji czasu i przestrzeni. Pochodz¹ce z ró nych platfor teledetekcyjnych obrazy og¹ byæ poocne w wydzielaniu jednostek krajobrazowych zarówno etodai kopleksowej geografii fizycznej i ekologii krajobrazu (jednostki ró nej rangi od regionów fizycznogeograficznych do facji), jak i architektury krajobrazu (np. wnêtrza architektoniczno-krajobrazowe). Na ich podstawie o na równie dokonaæ wydzielenia na drodze fotointerpretacji tzw. jednostek fotoorficznych, czyli widocznych na obrazie obszarów charakteryzuj¹cych siê okreœlonyi cechai fototonalno-teksturalnyi odró niaj¹cyi dan¹ jednostkê od jednostek s¹siednich. Wed³ug Olêdzkiego (2001) jednostka fotoorficzna stanowi suaryczny, kopleksowy obraz terenu, bêd¹cy efekte wspó³wystêpowania w przestrzeni okreœlonych cech przyrodniczych i kulturowych. W zale noœci od platfory u ytej do rejestracji obrazu jednostki fotoorficzne odpowiadaæ og¹ jednostko krajobrazowy ró nej rangi (por. Olêdzki, 2001). Rejestracja wielospektralna Kaery i skanery uieszczane na poszczególnych platforach teledetekcyjnych uo liwiaj¹ dokuentowanie cech krajobrazu w ró nych zakresach spektru elektroagnetycznego od ultrafioletu, poprzez region widzialny, blisk¹ i œrodkow¹ podczerwieñ, d³ugofalow¹ podczerwieñ teraln¹ a do pasa ikrofal, które wykorzystywane jest w aktywnych systeach radarowych. Na rysunku 1 przedstawiaj¹cy tendencje rozwojowe teledetekcji satelitarnej widoczny jest wzrost liczby kana³ów spektralnych w jakich pozyskiwane s¹ obrazy. Nale y podkreœliæ, i konsekwencj¹ nastêpuj¹cego wzrostu rozdzielczoœci spektralnej jest równie wykorzystywanie coraz wê szych pas spektralnych. Mo liwoœci wspó³czesnych sensorów satelitarnych w aspekcie rozdzielczoœci spektralnej rozpoœcieraj¹ siê od
70 Stanis³aw Mularz, Wojciech Drzewiecki, Toasz Pirowski Rys. 1. Tendencje rozwoju teledetekcji satelitarnej wybrane sensory optyczne
Teledetekcyjne etody rejestracji krajobrazu 71 pojedynczych obrazów rejestrowanych w stosunkowo szeroki paœie panchroatyczny (np. EROS) po 220 dziesiêcionanoetrowych kana³ów spektralnych Hyperiona, uo - liwiaj¹c dobór charakteru obrazowania odpowiedniego do przewidywanej aplikacji. Wielospektralny charakter obrazów teledetekcyjnych stanowi jedn¹ z g³ównych zalet tego sposobu rejestracji krajobrazu. Kopozycje barwne tworzone z ró nych (w ty pozawidzialnych) kana³ów spektralnych, daj¹c obraz krajobrazu zupe³nie odienny od tego do jakiego jesteœy przyzwyczajeni, pozwalaj¹ jednoczeœnie dostrzec cechy zarejestrowanych obiektów niewidoczne go³y okie. W ty iejscu wyieniæ o na typowe zastosowanie zdjêæ spektrostrefowych (czy odpowiadaj¹cych i kopozycji barwnych) do oceny kondycji roœlinnoœci, a zw³aszcza stanu zdrowotnego drzewostanu. Na obrazach tych widoczne s¹ ziany roœlinnoœci niedostrzegalne w widzialny zakresie spektru elektroagnetycznego, a wiêc nieo liwe do stwierdzenia poprzez bezpoœredni¹ obserwacjê. Wykorzystywany jest w ty przypadku fakt poch³aniania przez chlorofil u ytecznego dla fotosyntezy proieniowania w zakresie czerwony i silnego odbijania przez struktury zdrowego liœcia proieniowania w zakresie bliskiej podczerwieni (które nie jest wykorzystywane fotosyntetycznie a poch³oniête w nadiarze spowodowa³oby przegrzanie roœliny) (por. Jensen, 2000). Opisana w³aœciwoœæ zielonej bioasy wykorzystywana jest równie w konstrukcji tzw. indeksów wegetacji, czyli przekszta³ceñ obrazów wielospektralnych dedykowanych interpretacji roœlinnoœci. W teledetekcji u ywanych jest ponad dwadzieœcia posiadaj¹cych ró n¹ postaæ tego rodzaju indeksów wykorzystywanych jako indykatory stanu i funkcjonowania roœlinnoœci. Po przeprowadzeniu kalibracji dla konkretnych warunków fizycznogeograficznych stanowiæ og¹ one podstawê szacowania istotnych z punktu widzenia funkcjonowania krajobrazu wskaÿników, takich jak np. zawartoœæ chlorofilu, wielkoœæ zielonej bioasy, indeks powierzchni liœcia (LAI Leaf Area Index) czy zaabsorbowane proieniowanie u yteczne dla fotosyntezy (APAR absorbed photosynthetically active radiation) (por. Jensen, 2000). Podobnie jak roœlinnoœæ tak e i pozosta³e obiekty na powierzchni Ziei posiadaj¹ specyficzn¹ charakterystykê spektraln¹ (czyli w swoisty sposób odbijaj¹ proieniowanie w poszczególnych zakresach spektru elektroagnetycznego). Wykorzystanie tej w³aœciwoœci pozwala nie tylko na konstruowanie ró norakich przekszta³ceñ obrazu dedykowanych interpretacji poszczególnych koponentów krajobrazu (np. lodu i œniegu czy inera³ów skalnych), ale tak e na zautoatyzowanie procedur pozyskiwania inforacji o pokryciu i u ytkowaniu powierzchni terenu na drodze klasyfikacji nadzorowanej lub nienadzorowanej. Czyni to z wielospektralnych obrazów teledetekcyjnych niezast¹pione Ÿród³o szybkiego pozyskiwania inforacji o pokryciu i u ytkowaniu powierzchni terenu. Obrazowania hiperspektralne, czyli takie kiedy nastêpuje równoczesna rejestracja obrazów w kilkudziesiêciu czy ponad stu w¹skich kana³ach spektralnych (jak w przypadku wsponianego ju Hyperiona czy hiperspektralnych skanerów lotniczych), uo liwiaj¹ dok³adniejsze odwzorowanie krzywych spektralnych zarejestrowanych obiektów. Ich porównanie ze znanyi krzywyi wzorcowyi uo liwia bardzo subtelne analizy, a do okreœlania zawartoœci poszczególnych substancji w œrodowisku. Przyk³ad tego typu zastosowañ w odniesieniu do zdegradowanego krajobrazu kopalni otworowej siarki przedstawia Hejanowska i G³owienka (2004).
72 Stanis³aw Mularz, Wojciech Drzewiecki, Toasz Pirowski Wykorzystanie ró nych urz¹dzeñ obrazuj¹cych Wspó³czesna teledetekcja daje o liwoœæ pozyskiwania obrazów przy u yciu wielu ró - nych urz¹dzeñ obrazuj¹cych, zarówno analogowych (jak kaery fotograetryczne) jak i cyfrowych (np. skanery, kaery cyfrowe). Nierzadko ró nego typu sensory uieszczane s¹ na jednej platforie. Rozwi¹zania takie stosowane s¹ od dawna (za przyk³ad s³u yæ og¹ chocia by pierwsze satelity serii Landsat, na pok³adzie których oprócz wielospektralnego skanera MSS znajdowa³y siê trzy kaery telewizyjne RBV), a rozwój teledetekcyjnych etod pozyskiwania obrazów i ich zastosowañ sprawi³, e obecnie staj¹ siê coraz czêstsze (np. zestawianie na pok³adzie saolotu lidaru czy kaery teralnej wraz z kaer¹ fotograetryczn¹ (fotograficzn¹) czy uieszczony niedawno na orbicie satelita ALOS wyposa ony w sensory optyczne i radarowe). Jednoczesne wykorzystanie obrazów pochodz¹cych z ró nych urz¹dzeñ obrazuj¹cych (sensorów) powodowane jest przede wszystki kopleentarny charaktere inforacji jakiej og¹ one dostarczyæ. Ma to zate iejsce przede wszystki w sytuacjach, gdy rejestruj¹ one proieniowanie o ró ny charakterze (optyczne, teralne, ikrofalowe). Nie bez znaczenia jednak w ty kontekœcie jest to, i niektóre z sensorów teledetekcyjnych uo liwiaj¹ pozyskanie obrazów stanowi¹cych noœnik inforacji przestrzennej. Zdjêcia fotograetryczne, obrazy z niektórych optycznych sensorów satelitarnych, obrazy radarowe czy wykorzystanie lidaru uo liwiaj¹ rejestracjê krajobrazu pozwalaj¹c¹ na odtworzenie trójwyiarowych przestrzennych relacji jego eleentów. Mog¹ zate zostaæ wykorzystane zarówno do tworzenia trójwyiarowych odeli krajobrazu dla celów wizualizacji, jak i poszerzenia zakresu prowadzonych analiz. Nale y w ty iejscu zwróciæ uwagê na to, e zw³aszcza w przypadku zdjêæ fotograetrycznych (zarówno lotniczych jak i nazienych) dziêki obserwacji stereoskopowej istnieje o noœæ analizowania prawdziwie trójwyiarowego odelu przestrzennego zarejestrowanego krajobrazu. Rejestracja obrazów o ró nej rozdzielczoœci przestrzennej Aktualnie dostêpne satelitarne sensory teledetekcyjne pozwalaj¹ na rejestrowanie obrazów, gdzie wielkoœæ eleentu obrazowego (piksela) waha siê od kiloetra do kilkudziesiêciu centyetrów (por. rys. 1). W przypadku innych platfor o ey ieæ do czynienia z jeszcze wiêksz¹ rozdzielczoœci¹ przestrzenn¹. Rysunek 1 ilustruje rozwój optycznych sensorów satelitarnych. Jak o na zauwa yæ, obrazy o wy szej rozdzielczoœci spektralnej posiadaj¹ ni sz¹ ni obrazy panchroatyczne rozdzielczoœæ przestrzenn¹. Nierzadko ay jednoczeœnie obecnie do czynienia z sytuacj¹, w której przy u yciu jednego sensora satelitarnego otrzyaæ o ey zarejestrowanie syultanicznie obrazy wielospektralne i posiadaj¹cy wy sz¹ rozdzielczoœæ przestrzenn¹ obraz panchroatyczny (por. QuickBird, Ikonos, IRS, Landsat 7 ETM+, SPOT). Dysponuj¹c tego rodzaju obrazai (og¹ to byæ równie obrazy o zbli onych terinach rejestracji pochodz¹ce z ró nych sensorów) dokonaæ o na ich integracji (fuzji, ergingu), której efekte jest uzyskanie nowego, syntetycznego zestawu danych ultispektralnych o podwy szonej w stosunku do danych wejœciowych rozdzielczoœci przestrzennej (zazwyczaj rozdzielczoœci obrazu panchroatycznego) (rys. 4). Operacjê tego rodzaju przeprowadza siê zazwyczaj w
Teledetekcyjne etody rejestracji krajobrazu 73 celu zwiêkszenia walorów fotointerpretacyjnych, a zw³aszcza uwypuklenia pewnych cech obrazu (wzocnienie przestrzenne, wyostrzenie). Kluczowy eleente wp³ywaj¹cy na przydatnoœæ uzyskiwanych nowych danych ultispektralnych jest wybór odpowiedniego algorytu ³¹czenia obrazów. Musi on rozwi¹zywaæ g³ówny proble integracji danych, jaki jest wprowadzanie inforacji panchroatycznej (z zakresu widzialnego) do kana³ów podczerwonych, co powoduje zak³ócenie w wiêkszy b¹dÿ niejszy stopniu oryginalnej inforacji spektralnej. Opracowano ró norodne algoryty fuzji danych obrazowych, jednak adnej z propozycji nie o na uznaæ za uniwersaln¹. Do najczêœciej stosowanych nale y etoda wykorzystuj¹c¹ transforacjê IHS (Chavez i in., 1991), która zdoby³a sobie popularnoœæ ze wzglêdu na swoj¹ prostotê, dostêpnoœæ procedur transforacyjnych w wiêkszoœci pakietów GIS i w prograach graficznych oraz uzyskiwane relatywnie dobre wyniki pod wzglêde walorów interpretacyjnych. Na uwagê zas³uguj¹ etody oparte o w³aœciwoœci teksturalne obrazów (etoda podana przez Pradines, 1986) i filtracjê górnoprzepustow¹ (etoda HPF podana przez Schowengerdt i in., 1984). Rozwój ocy obliczeniowych sprawia, e coraz wiêksze znaczenie nabieraj¹ etody oparte o analizy wielorozdzielcze (segentacja obrazów, piraidy obrazów, etody falkowe Aiazzi i in., 1999; Ranchin i Wald, 2000) lub lokalne operacje na obrazach np. etoda lokalnej korelacji (Hill i in., 1999) b¹dÿ lokalnej œredniej i wariancji (Béthune i in., 1998). Wielorozdzielcza segentacja Jak podaje Olêdzki (1992) ju w roku 1981 Niko³ajew przedstawia³ tezê, i obrazy satelitarne nale y traktowaæ jako wielopozioowe, hierarchiczne odele struktury krajobrazu. Podobny pogl¹d prezentuj¹ Burnett i Blaschke (2003) proponuj¹c etodologiê wykorzystania w badaniach krajobrazowych wielorozdzielczej segentacji obrazu. Punkt wyjœcia dla ich rozwa añ stanowi³a teoria dynaiki hierarchicznych p³atów (Hierarchical Patch Dynaics HPD) (por. Wu i Loucks, 1999), której g³ówne za³o enia przedstawiaj¹ siê nastêpuj¹co (Blaschke i in., 2005): systey ekologiczne o na traktowaæ jako przestrzennie powi¹zane hierarchiczne uk³ady p³atów, w których wiêksze p³aty zbudowane s¹ z niejszych funkcjonuj¹cych p³atów; dynaika systeu ekologicznego o e byæ oceniana na podstawie dynaiki oddzia- ³uj¹cych na siebie wzajenie p³atów znajduj¹cych siê na s¹siednich pozioach hierarchii; uk³ad przestrzenny i zachodz¹ce w systeie procesy s¹ ze sob¹ wzajenie powi¹zane, przy czy zarówno uk³ad przestrzenny i proces jak i relacja iêdzy nii zieniaj¹ siê wraz ze skal¹. Próby stosowania w analizie obrazów teledetekcyjnych etod segentacji obrazu podejowano od lat siededziesi¹tych dwudziestego wieku. Wci¹ jednak podejœcie to stosowane jest stosunkowo rzadko. Segentacja polega na podziale obrazu na regiony traktowane nastêpnie jak posiadaj¹ce swoje znaczenie obiekty. Segentacja przeprowadzona na wielu pozioach rozdzielczoœci obrazu daje w efekcie hierarchiczn¹ sieæ obiektów obiekty uzyskane w wyniku segentacji na obrazie o wy szej rozdzielczoœci stanowi¹ subobiekty wiêkszych struktur uzyskiwanych w wyniku segentacji prowadzonej przy u yciu ni szej roz-
74 Stanis³aw Mularz, Wojciech Drzewiecki, Toasz Pirowski Rys. 5. Zapis krajobrazu w postaci hierarchicznej bazy danych obiektów obrazowych na trzech pozioach skali (Burnett i Blaschke 2003, zodyfikowany) dzielczoœci. Rozwi¹zanie takie pozwala na tworzenie swego rodzaju seantyki obrazu. Burnett i Blaschke (2003) zauwa aj¹, i przeprowadzona na ró nych pozioach rozdzielczoœci segentacja obrazu teledetekcyjnego dostarcza niejako autoatycznie hierarchicznej bazy danych obiektów obrazowych, odpowiadaj¹cej hierarchiczneu uk³adowi p³atów (rys. 5). Segentacja obrazu stanowiæ o e równie pierwszy etap klasyfikacji przeprowadzanej etod¹ obiektow¹. W etodzie tej przynale noœæ do poszczególnych wydzielanych klas okreœlana jest nie dla pikseli obrazu (jak w etodach klasycznych), ale dla obiektów obrazowych wydzielonych poprzez segentacjê. W efekcie poszerza siê znacznie o liwoœæ wykorzystania w procesie klasyfikacji inforacji kontekstowej, a zw³aszcza uwzglêdnienia przestrzennych zale noœci iêdzy obiektai, ich kszta³tu i s¹siedztwa. Równie cechy spektralne i teksturalne okreœlane s¹ w odniesieniu do obiektów. Obiektowe podejœcie do klasyfikacji pozwala na istotne z punktu widzenia badania krajobrazu poszerzenie o liwoœci autoatycznej interpretacji treœci obrazów teledetekcyjnych. Mo liwe bowie staje siê autoatyczne rozpoznanie nie tylko cech pokrycia terenu (wody, lasy, ³¹ki, itp.), ale równie okreœlenie sposobu u ytkowania (wody p³yn¹ce, zbiorniki wodne, parki iejskie, boiska sportowe, itd.).
Teledetekcyjne etody rejestracji krajobrazu 75 Rejestracja obrazów wieloczasowych Zdalne obrazowanie tego saego fragentu terenu o e byæ powtarzane w ró nych odstêpach czasowych. W niektórych przypadkach jesteœy ograniczeni tzw. rozdzielczoœci¹ czasow¹ systeu teledetekcyjnego (np. satelita Landsat o e dostarczaæ obrazów ze skanera TM w cyklu 16-dniowy), w innych (np. kaera teralna) rejestracja przebiegaæ o e w sposób nieal ci¹g³y. Rejestracja obrazów wieloczasowych daje o liwoœæ wykrywania i dokuentowania zian zachodz¹cych w krajobrazie w okreœlonych interwa³ach czasu (zarówno krótkich zwi¹zanych np. z katastrofai, jak i d³u szych np. œledzenie zian sposobu u ytkowania), nierzadko dostarczaj¹c inforacji pozwalaj¹cych na wskazanie ich genezy. W procesie detekcji zian stosowane s¹ zarówno podejœcia fotointerpretacyjne jak i czêœciowo zautoatyzowane oparte. in. o etody ró nicowe i ilorazowe, analizê wektora zian czy analizê sk³adowych g³ównych (PCA Principal Coponents Analysis). Istotnego znaczenia nabiera w ty kontekœcie probleatyka usuwania ró nic obrazów wywo³ywanych przez czynniki takie jak wp³yw atosfery, iluinacja terenu, ró nice w kalibracji lub charakterystyce sensorów (Jakoulska i Sobczak, 2001; Fitzhugh i Heo, 2000). Badanie zian u ytkowania terenu i struktury krajobrazu w oparciu o wieloczasowe obrazy teledetekcyjne (zw³aszcza zdjêcia lotnicze) jest powszechny podejœcie w badaniach krajobrazu, zarówno za granic¹ jak w Polsce. Liczne przyk³ady tego rodzaju studiów podaj¹ np. Hietel i in. (2004). W wielu krajach badania tego rodzaju przybra³y postaæ narodowych prograów onitoringu krajobrazu. Przyk³ade tego rodzaju dzia³añ o e byæ norweski narodowy progra onitoringu krajobrazu rolniczego 3Q (Drastad i in., 2002). Cele prograu jest dokuentowanie stanu krajobrazów rolniczych i zachodz¹cych w nich zian, zarówno w aspekcie koponentów krajobrazu jak i ich struktury przestrzennej. W raach prograu wydzielono cztery obszary zainteresowañ: strukturê przestrzenn¹ krajobrazu, bioró norodnoœæ, dziedzictwo kulturowe oraz dostêpnoœæ. Monitoring prowadzony jest w obrêbie powierzchni testowych w postaci kwadratów o roziarach 1x1 k rozieszczonych na obszarze Norwegii w sposób odzwierciedlaj¹cy intensywnoœæ rolniczego wykorzystania krajobrazu. Podstaw¹ kartowania powierzchni testowych s¹ kolorowe zdjêcia lotnicze w skali 1:12500. Na ich podstawie wydzielane s¹ rodzaje u ytkowania terenu wed³ug trójstopniowej hierarchicznej klasyfikacji (8 klas, 24 typy, 102 podtypy). Dodatkowo kartowane s¹ eleenty o charakterze liniowy i punktowy. Opracowywane w ten sposób apy stanowi¹ podstawê dla oceny krajobrazu i zachodz¹cych w ni zian przy u yciu ró norodnych wskaÿników (indykatorów). Monitoring prowadzony jest w cyklu piêcioletni. W kontekœcie analiz zian pokrycia i u ytkowania terenu wsponieæ nale y równie o prograach europejskich CORINE Land Cover (Cio³kosz i Bielecka, 2005) i MOLAND (Barredo i in. 2003). W prograie CORINE opracowanie bazy danych pokrycia terenu prowadzone by³o z dok³adnoœci¹ odpowiadaj¹c¹ apie w skali 1:100 000 (wydzielano obszary o wielkoœci in. 25 ha). Pierwsza taka apa powsta³a w Polsce w latach 90. XX wieku na drodze wizualnej interpretacji pokrycia terenu na fotoapach utworzonych z trzech kana³ów obrazu ze skanera Landsat TM. Po dziesiêciu latach dane te zaktualizowano na drodze interpretacji wizualnej zdjêæ ze skanera Landsat ETM+. Porównanie tych produktów uo liwi³o okreœlenie zian pokrycia terenu na obszarze Polski w latach 1990 2000 (por. Cio³kosz, Bielecka, 2005).
76 Stanis³aw Mularz, Wojciech Drzewiecki, Toasz Pirowski W raach realizowanego przez Centru Badañ Wspólnotowych UE prograu MOLAND (Monitoring Land Cover /Land Use Dynaics) dla wybranych iast i regionów Europy opracowywane s¹ aktualne apy u ytkowania pokrycia terenu oraz apy historyczne (zwykle trzy stany poiêdzy rokie 1948 a 1990) (Barredo i in. 2003). Dok³adnoœæ opracowywanych ap odpowiada skali 1:25 000 inialny wydzielany obszar wynosi 1 ha dla obszarów antropogenicznych i 3 ha dla naturalnych. Dla celów tego prograu uszczegó³owiono wydzielenia stosowane w prograie CORINE Land Use, przy czy wydzielenia u ywane w prograie MOLAND zawieraj¹ nie tylko klasy pokrycia terenu, ale równie klasy u ytkowania. Aktualna apa u ytkowania opracowywana jest na drodze interpretacji obrazów satelitarnych (IRS, SPOT lub IKONOS). Mapy dla stanów wczeœniejszych powstaj¹ zwykle na drodze interpretacji zdjêæ lotniczych lub zdjêæ pochodz¹cych z satelitów wojskowych. Analiza opracowywanych w raach projektu ap u ytkowania a na celu okreœlenie trajektorii zian, a w dalszej kolejnoœci uo liwienie syulowania zian zachodz¹cych w przysz³oœci w zale noœci od przyjêtych scenariuszy rozwoju przestrzennego. Zebrane w raach projektu dane wykorzystywane s¹ równie do okreœlenia ró nego rodzaju wskaÿników opisuj¹cych ziany krajobrazu. Podsuowanie Reasuuj¹c o na stwierdziæ, e techniki teledetekcyjne poprzez wielopozioow¹ rejestracjê uo liwiaj¹ uzyskanie obrazu przestrzeni ogólnogeograficznej o zró nicowany stopniu szczegó³owoœci od ujêcia regionalnego po szczegó³y dotycz¹ce pojedynczych obiektów. Teledetekcja zapewnia ponadto uzyskanie obiektywnej dokuentacji, du ¹ szybkoœæ pozyskiwania danych, ró norodnoœæ trybów rejestracji, w ty równie w pozawidzialnych zakresach spektru elektroagnetycznego. Skala, rozdzielczoœæ i charakter obrazowania dostosowane byæ og¹ do specyfiki realizowanego zadania. Teledetekcyjna rejestracja (zapis) krajobrazu pozwala na uzyskanie w efekcie koñcowy opracowañ o charakterze etryczny, tzn. pozyskiwanie inforacji iloœciowej dotycz¹cej poszczególnych eleentów krajobrazu, a w konsekwencji opracowanie ap teatycznych dokuentuj¹cych ró ne aspekty np. u ytkowania i pokrycia terenu, które to inforacje s¹ niezbêdne.in. dla potrzeb planowania i racjonalnego zarz¹dzania zasobai krajobrazu. Dane te posiadaj¹ równoczeœnie charakter dokuentacji og¹cej podlegaæ interpretacji w ró nych aspektach, tak e i takich, które nie by³y planowane w trakcie ich pozyskania (reinterpretacja). Jedn¹ z zalet etod teledetekcyjnych jest o liwoœæ pozyskiwania danych wieloczasowych uo liwiaj¹cych rejestracjê zjawisk i procesów dynaicznych (np. przeieszczanie siê fali powodziowej, propagacja zanieczyszczeñ py³owych w atosferze, przebieg i skutki erupcji wulkanicznych itp.) oraz detekcjê i œledzenie niekorzystnych przekszta³ceñ (np. degradacja szaty roœlinnej czy oznaki nie³adu urbanistyczno-architektonicznego). Literatura Aiazzi B., Alparone L., Argenti F., Baronti S., 1999: Wavelet and pyraid techniques for ultisensor data fusion: a perforance coparison varying with scale ratios. The EOS/SPIE Syposiu on Reote Sensing, Genua. Barredo J.I., Lavalle C., Deicheli L., Kasanko M., McCorick N., 2003: Sustainable urban and regional planning: The MOLAND activities on urban scenario odelling and forecast. European Coision, Joint
Teledetekcyjne etody rejestracji krajobrazu 77 Reseach Centre, Institute for Environent and Sustainability. Office for Official Publications of the European Counities, Luxebourg. Béthune S., Muller F., Donnay J.P., 1998: Fusion of ultispectral and panchroatic iages by local ean and variance atching filtering techniques. Fusion of Earth Data, Sophia Antipolis. Blaschke T., Lang S. Möller M., 2005: Object-based analysis of Reote sensing data for landscape onitoring: recent developents. Anais XII Sipósio Brasileiro de Sesoriaento Reoto, Goiânia, Brasil, 16-21 abril 2005, INPE. Burnett C., Blaschke T., 2003: A ulti-scale segentation / object relationship odeling ethodology for landscape analysis. Ecological Modelling, 168 (3). Chavez P.S., Jr., S.C. Sides, J.A. Anderson, 1991: Coparison of three different ethods to erge ultiresolution and ultispectral data: Landsat TM and SPOT panchroatic. Photograetric Engineering and Reote Sensing, Vol. 57, No. 3 Cio³kosz A., Bielecka E., 2005: Pokrycie terenu w Polsce. Bazy danych CORINE Land Cover. Biblioteka Monitoringu Œrodowiska, Warszawa. Drastad W.E., Fjellstad W.J., Strand G.-H., Mathiesen H.F., Engan G., Stokland J.N., 2002: Developent and ipleentation of the Norwegian onitoring prograe for agricultural landscapes. Journal of Environental Manageent, Vol. 64, 1. Fitzhugh T., Heo J., 2000: A standarized radioetric noralization ethod for change detection using reotely sensed iagery. Photograetric Engineering and Reote Sensing, Vol. 66, No. 2. Hejanowska B., G³owienka E., 2004: Wstêpne wyniki poiarów spektroetrycznych i klasyfikacji obrazów hiperspektralnych rekultywowanego obszaru Tarnobrzeskiego Zag³êbia Siarkowego. Geoinforatica Polonica, T. 6. Hietel E., Waldhardt R., Otte A., 2004: Analysing land-cover changes in relation to environental variables in Hesse, Gerany. Landscape Ecology, 19. Hill J., Dieer C., Stöver O., Udelhoven Th., 1999: A local correlation approach for the fusion of reote sensing data with different spatial resolutions in forestry applications. International Archives of Photograetry and Reote Sensing, Vol. 32. Jakoulska A., Sobczak M., 2001: Korekcja radioetryczna obrazów satelitarnych etodyka i przyk³ady. Teledetekcja Œrodowiska, Vol. 32. Jensen J., 2000: Reote Sensing of the Environent: An Earth Resource Perspective. Prentice Hall: Saddle River, N.J. Niko³ajew W.A., 1981: Kosiczeskije sniki odieli regionalnoj ³andszaftnoj struktury. Issledowanije Zieli iz Kososa, 1. Olêdzki J.R., 1992: Geograficzne uwarunkowania zró nicowania obrazu satelitarnego Polski i jego podzia³u na jednostki fotoorficzne. Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego. Olêdzki J.R., 2001: Regiony fotoorficzne Polski. Klub Teledetekcji Œrodowiska Polskiego Towarzystwa Geograficznego. Warszawa. Pradines D., 1986: Iproving SPOT iages size and ultispectral resolution, Proceedings of the S.P.I.E. Earth Reote Sensing using Landsat Theatic Mapper and SPOT Systes, Vol. 660. PrzewoŸniak M., 1987: Podstawy geografii fizycznej kopleksowej. Uniwersytet Gdañski. Ranchin T., Wald L., 2000: Fusion of high spatial and spectral resolution iages: the ARSIS concept and its ipleentation. Photograetric Engineering and Reote Sensing, Vol. 66. Sauer C.O., 1925: The orphology of landscape. University of California Publications in Geography, Vol. 2, 2. Schowengerdt R.A., Park S., Gray R., 1984: Topics in Two-Diensional Sapling and Reconstructions of Iages. International Journal of Reote Sensing, Vol. 5, No. 2. Styczyñski M.,2001: Popradzki Park Krajobrazowy. http://www.nsi.pl/alanach/art-iejsca/popradzki_park_krajobrazowy.ht Wu J., Loucks O.L., 1999: Fro the balance-of-nature to hierarchical patch dynaics: a theoretical shift in ecology. Quarterly Review of Biology, 70.
78 Stanis³aw Mularz, Wojciech Drzewiecki, Toasz Pirowski Suary The paper presents reote sensing (RS) ethods as a tool for landscape recording. The ulti concept has been used to show the universality of RS techniques. They can be characterized as: ultilevel and ultiplatfor, ultispectral, ultisensor, ultiresolution, ultiscale and ultiteporal. One can choose the best level or platfor to acquire iages with spatial extend and level of detail atching the application fro recording large areas (regions) to single objects (e.g. buildings). The landscape iages ay be acquired in any spectral bands ranging fro ultraviolet, through visible, short- and iddle-wave infra-red, theral infra-red to icrowave. This ultispectral character of RS iages can be seen as the ain advantage of this technique. One can choose fro a wide range of sensors (both analogue and digital) to benefit fro the acquired copleentary inforation. Merging of ultispectral and high-resolution panchroatic iages can be entioned as an exaple. Satellite iages can be treated as ultiscale, ultilevel, hierarchical odels of landscape structure. Multiscale (ultiresolution) iage segentation ay be used to recognise the landscape structure. Moreover, ultiteporal iages ake it possible to detect its changes. They ay also be used in dynaic processes studies. It should be stressed that reote sensing ethods of landscape recording enable us to obtain objective data (etric if needed) in short tie. Once gathered, the data ay be used any ties, even for purposes different than the original ones (reinterpretation). All presented features ake reote sensing an ideal tool for recording landscape coponents and relations between the. dr hab. in. Stanis³aw Mularz, prof. n. AGH ularz@agh.edu.pl tel. (012) 617 22 88 dr in. Wojciech Drzewiecki drzewiec@agh.edu.pl tel. (012) 617 39 93 dr in. Toasz Pirowski pirowski@agh.edu.pl tel. (012) 617 39 93
Teledetekcyjne etody rejestracji krajobrazu 79 a b c d e Rys. 2. Rynek w Krakowie: sekwencja obrazów: a Landsat MSS, b Landsat TM, c Ikonos, d zdjêcie lotnicze w skali 1:8000, e rozwiniêcie panoray nazienej a b Rys. 3. Krajobraz Krakowa i okolic sekwencja obrazów; kopozycje barwne: a Landsat MSS (piksel 79 ), b Landsat TM (30 ), c Ikonos (4 ) c
Rys. 4. Wzocnienie przestrzenne w wyniku integracji obrazu wielospektralnego i obrazu panchroatycznego o wy szej rozdzielczoœci przestrzennej 80 Stanis³aw Mularz, Wojciech Drzewiecki, Toasz Pirowski