Mapování vegetace s využitím družicových snímků

Hlavní rysy spektrálního chování vegetace

Vyjma polárních oblastí a oblastí pouští se vegetace nachází téměř všech družicových snímcích. K jejímu mapování se využívá poznatků o různé odrazivosti vegetace v různých intervalech elektromagnetického spektra. Tzv. spektrální chování vegetace se vyznačuje především výrazným nárůstem odrazivosti v blízké infračervené části spektra. Jestliže na snímcích ve viditelné části spektra odráží povrchy pokryté vegetací v průměru kolem 20 % dopadajícího záření, v blízké infračervené části spektra je to v průměru kolem 60 %.
Záření ve viditelné části spektra je výrazně pohlcováno především zeleným barvivem – chlorofylem. V důsledku toho jsou povrchy pokryté vegetací na černobílých snímcích poměrně tmavé. Protože pohlcování záření chlorofylem je nejintenzivnější v modré a červené části viditelného záření a méně intenzivní v zelené části kolem 550 nm, jeví se nám vegetace jako zelená.
V oblasti kolem 700 - 800 nm dochází k výraznému nárůstu odrazivosti a v blízké infračervené části spektra (700 – 1300 nm) je tato odrazivost formována především uspořádáním buněk těch částí rostlin, které jsou nejvíce vystaveny dopadajícímu slunečnímu záření – tedy odrazivostí listů. Protože buněčná struktura různých druhů rostlin je odlišná, také jejich odrazivost se liší a toho lze využít pro rozpoznávání druhů rostlin. Na infračervených snímcích lze například poměrně snadno odlišit porosty listnatého a jehličnatého lesa. Porosty listnatého lesa jsou na snímcích podstatně světlejší.
V intervalu spektra 1300 – 3000 nm je odrazivost vegetace formována především přítomností vody v orgánech rostlin. Vyšší obsah vody snižuje odrazivost rostlin.
Povrchy s vegetací lze identifikovat i na snímcích v mikrovlnné části spektra – na radarových snímcích. Odraz mikrovlnného záření od vegetace je však poměrně komplikovaný, protože k němu nedochází pouze na povrchu listů , ale většinou se jedná o několikanásobný odraz v celé vrstvě vegetačního krytu. Na radarových snímcích způsobuje vegetace ve většině případů tzv. difúzní odraz mikrovlnného záření. spektrální chování

Na obrázku je spektrální křivka odrazivosti listu, která se v oblasti viditelného a blízkého infračerveného záření dělí do tří hlavních částí, které odpovídají faktorům určujícím velikost spektrální odrazivosti.
A) oblast pigmentační absorpce (400-700 nm)
B) oblast buněčné struktury (700-1300 nm)
C) oblast vodní absorpce (1300-3000 nm)

Naznačené obecné rysy spektrálního chování vegetační složky krajiny bývají modifikovány v průběhu vegetačního období a mění se také v důsledku stresů, kterým může být porost vystaven. Obecně u rostlin poškozených např. mrazem, usychajících na konci vegetačního období či u rostlin poškozených chemickými látkami dochází k poklesu odrazivosti v blízké infračervené části spektra a k vzrůstu v části červené. Protože se změna projeví nejdříve v infračervené části spektra, je možné na snímcích zaznamenat změnu v kondici vegetačního krytu dříve něž se projeví v přírodě např. změnou barvy listů.

Vzhled povrchů pokrytých vegetací je na družicových snímcích ovlivňován především těmito faktory:

Vnější uspořádání vegetačního krytu
Vnitřní struktura jednotlivých částí rostlin
Vodní obsah
Zdravotní stav
Vlastnosti půdního substrátu

Vegetační indexy

Pro mapování vegetace se používá především tzv. vegetačních indexů, kterých lze za určitých předpokladů využít i k určování kvantitativních ukazatelů, jako je množství (hmotnost) biomasy v ploše pixelu.
Vegetační indexy vyjadřují vztah mezi odrazivostí v intervalu červené viditelné části spektra (600 – 700 nm - dále RED) a v blízké infračervené části spektra (přibližně 700 – 900 nm - dále (NIR)
Existuje velké množství algoritmů pro výpočet vegetačních indexů, ve většině případů jsou však funkčně ekvivalentní. Indexy lze rozdělit do dvou velkých skupin:

poměrové indexy
ortogonální indexy

Poměrové indexy

Poměrové indexy dávají do vztahu jednoduchým nebo normalizovaným poměrem odrazivost povrchů v červené viditelné a blízké infračervené části spektra. Mezi nejčastěji používané poměrové indexy patří například:

Jednoduchý poměrový vegetační index (RVI - Ratio Vegetation Index):

Normalizovaný diferenční vegetační index (NDVI - Normalized Difference Vegetation Index):

ndvi

Transformovaný vegetační index (TVI - Transformed Vegetation Index):

Ortogonální indexy

Ortogonální indexy jsou lineární kombinací původních pásem multispektrálního obrazu.. Zástupcem této skupiny indexů je index PVI (perpendicular vegetation index), pomocí kterého lze do značné míry odlišit odrazivost vegetace a půdního substrátu. Princip výpočtu PVI je znázorněn na následujícím obrázku (RED - odrazivost v červené viditelné části spektra, NIR - odrazivost v blízké infračervené části spektra. A,C,E - linie půdy, B,D - pixely s různým zastoupením vegetace. Vzdálenost od linie půdy určuje hodnotu PVI). PVI principle

Ze spektrálního chování půdy nepokryté vegetací plyne, že její odrazivost v červené viditelné a blízké infračervené části spektra vykazuje kladnou korelaci a hodnoty pro různé vzorky holé půdy vynesené do dvourozměrného grafu mají tendenci vytvářet přímku - tzv. linii půd (soil line). Pixel A tak může reprezentovat vlhkou, pixel E naopak suchou půdu. Rovnice přímky reprezentující linii půd lze sestavit například metodou nejmenších čtverců ze vztahu:

kde NIRP - odrazivost půdy v blízké infračervené části spektra, REDP - odrazivost půdy v červené viditelné části spektra, a, b - koeficienty rovnice přímky

V případě spektrálního chování vegetace je však odrazivost vysoká v blízkém infračerveném pásmu a naopak daleko nižší v pásmu viditelném. Pixely, na jejichž odrazivosti se v různé míře podílí vegetace, se budou v grafu umísťovat nad uvedenou linii půd. Kolmá vzdálenost daného pixelu od linie půd je potom definována jako tzv. PVI (Perpendicular Vegetation Index):

kde

NIRP - odrazivost půdy v blízké infračervené části spektra
REDP - odrazivost půdy v červené viditelné části spektra
NIRV - odrazivost vegetace v blízké infračervené části spektra
REDV - odrazivost vegetace v červené viditelné části spektra

Na hodnoty uvedeného indexu mají velký vliv takové vlastnosti půdního substrátu jako vlhkost půdy či drsnost povrchu. Koeficienty rovnice linie půdy i hodnoty indexu PVI mají tedy časově i místně omezenou platnost.

Druhým příkladem ortogonálního vegetačního indexu je transformace původních pásem multispektrálního obrazu označovaná jako TASSELED CAP . Podobně jako v případě tzv. analýzy hlavních komponent jsou z původních pásem multispektrálního obrazu vypočtena lineární kombinací pásma nová, která zvýrazňují určité vlastnosti povrchů. Koeficienty transformace byly odvozeny empiricky a jejím výsledkem jsou tři nová pásma - indexy.
Hodnoty koeficientů TC1, TC2 a TC3 pro skener TM družice LANDSAT 5 mají následující tvar (LILLESAND a KIEFER 1994):

Pásmo TC1 je orientováno ve směru maximálního rozptylu hodnot odrazivosti půdy a označuje se jako index „Brightness“, druhé pásmo (TC2) je kolmé k ose první a je orientováno ve směru největšího kontrastu mezi viditelnou a blízkou infračervenou částí spektra. Je tedy ukazatelem množství zelené hmoty - (index „Greenness“). Třetí pásmo (TC3) je označováno jako index „Wetness“ a koreluje s vlhkostí půdy a vegetace Tasseled Cap

Jak je zřejmé z uvedeného obrázku, hodnoty odpovídajících si pixelů z prvních dvou transformovaných pásem vynesené do dvourozměrného grafu vytvářejí charakteristický obrazec, podle kterého celá transformace dostala název (Tasseled Cap - čepice Santa Clause). Na obrázku jsou zaznamenány změny hodnoty indexů „Brightness“ (TC1) a „Greenness“ (TC2) získané z transformace TASSELED CAP. 1,2,3 značí tzv. etapy vegetačního cyklu. Jak uvádí např. JENSEN (1986), vegetační složka prodělává v rovině definované indexy Brightness a Greenness typické časové změny v cyklu naznačeném na obr. 12.3. Na počátku vegetačního období dominuje odrazivost holé půdy (1). S postupným rozvojem vegetace se zvyšují hodnoty indexu Greenness (2) až do stádia zralosti. Poté vegetace postupně odumírá a hodnoty indexu Greenness klesají na úkor hodnot indexu Brightness (3), což indikuje nárůst podílu půdního substrátu na odrazivosti.

Příklady mapování vegetace na družicových snímcích

NDVI

Snímek SZ části Brněnské aglomerace ukazuje hodnoty tzv. normalizovaného vegetačního indexu (NDVI). Světlejší plochy na snímku se vyznačují vyšší hodnotou indexu a představují části snímku s nejbohatší vegetací. Původní snímek byl vytvořen na počátku května a nejvyšší hodnoty NDVI vykazují pole, na nichž převládá odrazivost vzrostlé vegetace – především vzrostlé ozimé obiloviny. Plochy polí u kterých se na odrazivosti podílí různou měrou také půdní substrát, mají nižší hodnoty NDVI. Vyšší hodnoty NDVI vykazují také lesní porosty. V rámci nich lze odlišit světlejší tóny ploch listnatého lesa od tmavších ploch jehličnanů s nižšími hodnotami vegetačního indexu (jihozápadně od Brněnské přehrady). Voda se jeví téměř jako černá, podobně jako větší zastavěné plochy. Protože však městská zástavba je ve většině případů prezentována smíšenými pixely, je nesnadné ji na takovémto snímku interpretovat.

Tasseled Cap

Následující série tří obrázků ukazuje výsledek transformace Tasseled Cap. Na prvním obrázku odpovídají stupně šedi indexu odrazivosti půdy (brigthness) – tedy obrazové prvky, na jejichž odrazivosti se podílí především holá půda jsou nejsvětlejší, plochy pokryté vegetací a vodní plochy mají hodnotu indexu nízkou a jsou podány tmavými odstíny. Vysoké hodnoty indexu má také areál Velké ceny při spodním okraji snímku a plochy se zástavbou.
Druhý obrázek prezentuje index Greenness a je tedy vegetačním indexem – Nejvyšší hodnoty a nejsvětlejší tóny patří částem obrázku s rozvinutým vegetačním krytem. Snímek je velmi podobný snímku s hodnotami indexu NDVI.
Třetí ze série obrázků mapuje vodní obsah - vodní plochy a povrchy s vysokým obsahem vody mají nejvyšší hodnoty indexu a jsou tudíž světlé, naopak nízké hodnoty a tmavé tóny mají části obrazu s převládající odrazivostí holé půdy a sporé vegetace. Odstíny šedi jednotlivých základních druhů povrchů jsou a tomto snímku téměř opačné ve srovnání se snímkem prezentujícím odrazivost půdy.

Mapování vegetace v globálním a regionálním měřítku.

Vegetační indexy lze sestavovat například z obrazových dat pořízených družicemi SPOT, LANDSAT či NOAA. Právě hodnot indexu NDVI vypočtených z 1. a 2. pásma skeneru AVHRR umístěného na družicích NOAA se používá pro mapování vegetace v globálním měřítku. I když družice NOAA jsou určeny pro meteorologické aplikace, snímky z těchto družic hrají významnou roli i při tématickém mapování zemského povrchu v globálním měřítku. Typické hodnoty NDVI pro data z družice NOAA uvádí následující tabulka (převzato z práce WILLIAMSE, 1995)

Druh povrchu	Hodnota NDVI
Velmi hustá vegetace	0,500
Středně hustá vegetace	0,140
Řídká vegetace	0,090
Holá půda	0,025
Oblačnost	0,002
Sníh a led	-0,046
Voda	-0,257

Hodnoty NDVI se mohou pohybovat v intervalu (-1,+1) a korelují především s obsahem zelené hmoty v ploše pixelu. Hodnoty NDVI pro určité povrchy prodělávají i typické změny v průběhu roku čehož lze využít v celé řadě zejména zemědělských a lesnických aplikací.
Z hodnot NDVI jsou sestavovány přehledové mapy stavu vegetace. Mapy jsou sestavovány většinou jako tzv. 10 denní kompozice maxim NDVI, kdy výsledná mapa vznikne superpozicí map indexu NDVI z 10 předcházejících dnů. Do výsledné mapy je vždy zaznamenána maximální hodnota každého pixelu. Vychází se z předpokladu, že v periodě 10 dní se v ploše každého pixelu alespoň jednou neobjeví oblačnost a tudíž zaznamenaná hodnota je hodnotou NDVI pro zemský povrch. Tímto způsobem je z výsledné mapy odfiltrována oblačnost.
Ukázky takto sestavených map indexu NDVI lze nalézt na Internetu na těchto adresách:

http://edcwww.cr.usgs.gov/landdaac
http://earthobservatory.nasa.gov/Observatory/Datasets/ndvi.fasir.html
http://homepage.interaccess.com/~pitpro/spaceveg.html

Mapy NDVI mohou být vhodným nástrojem ke studiu zdravotního stavu vegetace, časových změn a průběhu fenofází, odhadům výnosů zemědělských plodin, odhadům vodního stresu rostlin atd.V globálním měřítku však mohou sloužit i jako indikátor kolísání a změn klimatu. V současné době jsou k dispozici více jak 20-ti leté časové řady měsíčních hodnot NDVI v globálním měřítku. Studiem těchto časových řad bylo zjištěno, že například severně od 40 stupně s.z.š. dochází k postupnému nárůstu hodnot vegetačního indexu a také k pozvolnému prodlužování délky vegetačního období, které od počátku 80. let 20. století činí již několik dní. Navíc k výraznějšímu růstu hodnot vegetačního indexu dochází v oblasti Euroasie, k pozvolnějšímu v oblasti Severní Ameriky. Nárůst hodnot indexu NDVI souvisí především s růstem hustoty vegetačního krytu ( s nárůstem váhy biomasy), prozatím nedochází k patrnému plošnému nárůstu. Tato skutečnost může souviset s postupným zesilováním skleníkového efektu a vzrůstem globálních teplot. Snímek ukazuje oblast severně 30 rovnoběžky severní polokoule a barevná škála indikuje nárůst množství zelené hmoty ve srovnání s počátkem 80. let.

Mapování vegetace v globálním měřítku je věnována velká pozornost i v rámci projektu EOS (Earth Observing Systém). http://terra.nasa.gov/
Na družici TERRA, která je vedle družice LANDSAT 7 v současné době nejvýznamnější částí celého projektu jsou umístěny přístroje, které umožňují monitorování vegetace v globálním měřítku. Na obrázku je mapa vegetačního indexu EVI sestaveného ze snímků skeneru MODIS.

Ke stejným účelům lze využít i snímků ze speciálního skeneru s názvem Vegetation umístěného na družici SPOT 4. Snímky z tohoto skeneru mají přibližně podobné parametry jako snímky z družice NOAA. Následující snímky ukazují barevné kompozice vytvořené z původních obrazových dat skeneru Vegetation. http://vegetation.cnes.fr/

Na následujícím snímku je tzv. globální 10-ti denní syntéza z období 21/03/1999 - 31/03/1999. Tyto produkty můžete získat na adrese http://free.vgt.vito.be/
Pokud máte na Vašem počítači nainstalovánu aplikaci Windows Media Player, potom po kliknutí na obrázek se Vám přehraje animace snímků, která ukazuje rozvoj vegetace v globálním měřítku v období od 1.března 1999 do 11. května 1999. Na obou uvedených syntézách se liší barevné podání vegetace, která je prezentována v odstínech červené barvy, tak jak je běžné na infračervených barevných snímcích.

Následující čtyři snímky jsou příkladem změn v hodnotách NDVI v průběhu vegetačního období v Evropě, v severní Africea v oblasti Sahelu. První snímek je z počátku roku, kdy vegetace je zaznamenána pouze v nejjižnějších částech Evropy. Druhý snímek ukazuje nástup jara na konci měsíce března a postupný nástup rozvoje vegetace ve střední Evropě. Třetí ze série snímků zachycuje rozvoj vegetace na konci června. Poslední snímek zachycuje situaci z konce září s postupným ústupem vegetace patrným především v severní a východní Evropě.

Návrat na hlavní stránku

Návrat na hlavní stránku tématu

Nahoru