Zpracování archivních leteckých snímků pro identifikaci změn rozšíření agrárních valů během 20. století

Transkript

1 Severočes. Přír., Litoměřice, 39: 17-24, 2008 Zpracování archivních leteckých snímků pro identifikaci změn rozšíření agrárních valů během 20. století Archive aerial photograph processing for identification of the spread changes of hedgerows during 20. Century Jitka E l z n i c o v á 1 1 Fakulta životního prostředí UJEP, Ústí n. L., jitka.elznicova@ujep.cz Abstract: One of the goals of the project MZE QH Establishment of landscape, hydrological and productional harmonization of hedgerows and terraces for diversification of activities in countryside is the comparative analysis of archive and actual aerial photographs and maps utilizing remote sensing and GIS method. Main interest of this paper is the processing of aerial photographs, their vectorisation and interpretation of hedgerows. The comparative analyse of archive and actual orthophotographs allows the evaluation of hedgerow changes. Keywords: archive aerial photographs, orthorectification, vectorisation, data analysis Úvod Floristické údaje ze současnosti jsou často porovnávány s nálezy z 1. poloviny 20. století. Botanici často ale nemají k tomuto šetření praktickou představu o charakteru tehdejší krajiny. Archivní letecké snímky mohou být zdrojem potřebných informací, neboť zobrazují reálnou krajinu určité doby. Protože však zpracování archivních snímků vyžaduje speciální software a zkušenosti, klade si článek kromě jiného za cíl prezentovat zpracování těchto archivních snímků. O projektu V současné době se na FŽP UJEP řeší projekt MZE (QH 82126) "Zajištění harmonizace krajinotvorné, hydrologické a produkční funkce valů a teras pro diverzifikaci aktivit na venkově", jehož cílem je stanovení rozšíření valů a jejich současný význam v krajině. V rámci výzkumu se provádí též komparační analýza historických a současných leteckých snímků a mapových podkladů s využitím DPZ a GIS technologie. Pro řešení projektu byla vybrána modelová území severozápadních Čech, kde se vyskytují agrární valy. Jednalo se o stěžejní lokality: okolí vrchu Oblík a část Verneřického středohoří, kde již řadu let probíhá botanický průzkum a nově lokality u Libouchec a Adolfova v Krušných horách viz. obr. č.1. 17

2 Obr.1 Administrativní vymezení modelových území v rámci Ústeckého kraje (vytvořeno z ArcČR500) Zpracování snímků Zdroje dat Pro určení historického stavu agrárních valů byly zakoupeny panchromatické měřické letecké snímky z archivu VGHMÚř v Dobrušce v podobě negativů leteckých měřických snímků s 20 % podélným překrytem (tab. 1). Pro zájmová území: Oblík, Vernečicko a Libouchec se jednalo o letecké snímky z roku 1938, u zájmové oblasti Adolfov o snímky z roku Snímky byly naskenovány s rozlišením 1016 DPI. Pro zpracování těchto snímků (vyhledání vlícovacích bodů a tvorbu digitálního modelu reliéfu) byla dále koupena z Českého zeměměřického úřadu v Praze geografická databáze ZABAGED (polohopis a výškopis). Současný stav krajiny odráží ortofota z roku 2002, pořízené od firmy GEODIS BRNO, spol. s r. o. Oblast Rok snímkování Počet snímků Adolfov Libouchec Oblík Verneřicko Tab. 1: Přehled zakoupených snímků pro modelové oblasti včetně jednotlivých roků. 18

3 Ortorektifikace snímků Aby bylo možné historické letecké snímky porovnat se současnými ortofoty, bylo nutné snímky nejprve zpracovat, tzv. ortorektifikovat. Letecké fotografie (ani jejich digitální reprezentace) nemohou být totiž použity pro měřické účely přímo kvůli zkreslení, způsobenému centrální projekcí a různou výškou snímaných objektů. Vědní obor, který se zabývá úlohou rekonstrukce tvaru, velikosti a polohy předmětů z leteckých fotografických snímků, se nazývá fotogrammetrie. Základem fotogrammetrie jako měřické a mapovací techniky je skutečnost, že fotografický snímek je exaktním perspektivním zobrazením (centrální projekcí) fotografovaného předmětu. Centrální projekce fotografického snímku se převádí na ortogonální projekci mapy (obr. 2). Obr. 2 Projekce snímku (centrální) a mapy (ortogonální) Pro ortorektifikaci leteckých snímků je nutné mít k dispozici hodnoty z kalibračního protokolu (ohniskovou vzdálenost, souřadnice rámových značek a radiální zkreslení objektivu) a výšku letu. Ne všechny tyto hodnoty bylo možné zpětně dohledat. Především archivní letecké snímky nemají všechny tyto údaje k dispozici. Snímky byly zpracovávány v programu Leica Photogrammetry Suite 8.7 (dále jen LPS), který umí pracovat s obecným geometrickým modelem senzoru (typ senzoru neměřická komora), čímž umožňuje relativně přesné zpracování archivních leteckých snímků, a to i těch, ke kterým nejsou k dispozici kompletní údaje o fotokomoře. Postup zpracování snímků v programu LPS lze shrnout do těchto následujících kroků: 1. Definování vlastností použitého senzoru 2. Vyhledání vlícovacích bodů (tzv. Ground control points) a určení jejich polohy (x,y,z) 3. Vyhledání či automatické generování spojovacích bodů (tzv. Tie points) na překrývajících se částech snímků 4. Triangulace snímků 5. Ortorektifikace snímků 6. Tvorba mozaiky z ortofotosnímků Pokud je možné k leteckým snímkům zjistit údaje z kalibračního protokolu, použije se pro zpracování snímků nastavení pro měřickou komoru (tzv. Frame camera), v opačném případě se použije nastavení pro neměřickou komoru (tzv. Non metric camera). Snímky jednotlivých oblastí se zpracovávaly společně v tzv. bloku fotografií, jenž umožňuje spojit snímky z různých drah letů (viz. obr. 3). 19

4 Obr. 3 Blok leteckých snímků (Dobrovolný upraveno) Při zpracování měřických snímků je nutno znát a obnovit prvky vnitřní a vnější orientace. Vnitřní orientace slouží k navázání vztahu mezi pixelovými souřadnicemi naskenovaného snímku a snímkovými souřadnicemi definovanými rámovými značkami. Při použití neměřické komory se pro definování vnitřní orientace snímků zadala velikost pixelu. Vnější orientace slouží k nalezení vztahu mezi snímkovými souřadnicemi a souřadnicemi geodetickými. V současnosti je možné získat informace o poloze kamery a orientaci kamery vůči terénu ke každému snímku. Pokud se zpracovávají historické snímky, kde tyto informace chybí, je nutné určit snímkové souřadnice pomocí vlícovacích bodů, u nichž je přesně definována jejich geografická poloha a nadmořská výška. Při blokovém zpracování snímků program pracuje s vlícovacími body a dále se spojovacími body, pomocí nichž se zaznamenává dobře identifikovatelný bod či objekt na dvou sousedních snímcích. Pokud je potřeba propojit 2 snímky mezi sebou, je zapotřebí určit buď 3 vlícovací body nebo 6 spojovacích bodů. Poté je program schopen automaticky generovat další spojovací body. Vzhledem k velké změně historické krajiny a malé možnosti nalézt na každém snímků minimálně 3 vlícovací body, bylo výhodnější nejprve propojit všechny zpracovávané snímky každé oblasti pomocí spojovacích bodů a poté určit několik vlícovacích bodů. Geografická poloha vlícovacích bodů byla určena pomocí ortofota z roku Pro zjištění nadmořské výšky byl použit digitální model reliéfu vytvořený z vektorového souboru vrstevnic z geografické databáze ZABAGED v programu ArcGIS 8.1 (3D Analyst), s prostorovým rozlišením modelu 10 m. Po nalezení dostatečného počtu vlícovacích a spojovacích bodů lze provézt blokovou triangulaci. Jde o proces, jehož výsledkem je nalezení všech prvků vnitřní a vnější orientace snímků neboli ustanovení matematického vztahu mezi snímky obsaženými v projektu, použitou komorou a povrchem Země. Zpracovávané snímky vytvoří schéma boku tak, jak byly pořizovány při letu. Technika blokové triangulace je použita pro transformaci všech snímků v bloku a jejich připojených vlícovacích bodů do homogenního souřadnicového systému. To umožňuje ušetřit čas při zpracování většího objemu dat. Ortorektifikační proces vytváří ze surového digitálního snímku, aplikovaného digitálního modelu reliéfu a výsledků triangulace ortorektifikovaný snímek (ortofoto). Na základě výsledků blokové triangulace a digitálního modelu reliéfu (dále jen DTM), je 20

5 možné snímky překreslit tak, aby reprezentovaly dané území jako pravoúhlý průmět do roviny, jak je naznačeno na obr. č. 3. Obr. 3 Ukázka snímků před ortorektifikací a po provedené ortorektifikaci. Na snímcích je patrný vliv modelu terénu Z jednotlivých ortorektifikovaných snímků je možné vytvořit mozaiku, čímž vznikne bezešvé ortofoto sledované oblasti Při tvorbě mozaiky je možné odstranit část snímku, definovat způsob spojení snímků (tzv. liniové řezy) a určit typ barevného vyrovnání mozaiky (obr. 4). Obr. 4 Liniový řez mezi snímky roku 1938 (vyznačen bíle) Výsledná mozaika snímků roku 1938 Ukázka detailu liniového řezu a výsledku tvorby mozaiky z oblasti Verneřicka Podrobný postup ortorektifikace historických snímků včetně teoretického výkladů je možné nalézt v práci Prchalová (2006). Výsledky zpracování V rámci projektu bylo zpracováno celkem 32 archivních snímků s ca 20 % překrytem snímků v měřítku ca 1: Ohnisková vzdálenost použité kamery byla 211,3 mm. K těmto snímkům nebyl k dispozici kalibrační protokol. Z tohoto důvodu mohl být použit pouze typ senzoru neměřická komora. Přehled schémat snímků pro jednotlivá území po provedené blokové aerotriangulaci je uveden na obrázku č

6 Adolfov Verneřičko Libouchec Oblík Obr. 5 Schémata snímků po provedené blokové triangulaci Přes absenci doplňujících údajů o snímkování bylo dosaženo poměrně přesného spojení snímků. Celková RMSE chyba při triangulaci činila v průměru 2,5 pixelu na snímků (tj. v průměru okolo 1 metru). Přesnost zpracování byla též ověřena pomocí geografická databáze ZABAGED. Identifikace agrárních valů Na základě zpracovaných snímků je možné identifikovat agrární valy. Valy jsou obkreslovány dle podkladu z obrazovky (ruční vektorizace) v programu ArcGIS 9.1, čímž vznikají polygonové vrstvy jednotlivých let (obr. 6). Obr. 6 Zakreslené agrární valy na leteckém snímku z roku 2002 (bílé polygony) Při vektorizaci byla zvolena metoda zpětné digitalizace, což znamená, že nejprve jsou identifikovány agrární valy ze současnosti (obr. 6), poté je tato vrstva zobrazena na historické snímky a polygony jsou upravovány dle tohoto snímku. Současně se vytváří databáze, kde se 22

7 pomocí kódu zaznamenává, zda se tyto valy zachovaly do současnosti, případně se rozšířily, či zanikly (obr. 7). Data se ověřují jak za pomocí odborného dohledu při samotném zpracování, tak porovnáním s historickými mapami (minulost) a terénním průzkumem (současnost). Obr. 7 Úprava polygonové vrstvy agrárních valů dle roku 1938 a tvorba tabulky s kódovým označením valu Ze vzniklých dat je možné znázornit vývoj agrárních valů během 20. století (obr. 8). Pomocí nástrojů GIS je možné nejen zobrazovat tyto změny, ale též identifikovat velikosti jednotlivých pozemků agrárních valů a zjišťovat poměrné zastoupení jednotlivých kategorií. Obr. 8 Klasifikace agrárních valů podle jejich výskytu v minulosti a v současnosti V rámci hodnocení bude provedena nejen analýza vývoje agrárních valů (prostorové změny i procentuální změny), ale budou též hodnoceny faktory, které ovlivňují vlastnosti a funkce valů, jako např. vliv sklonitosti území na výskyt valů, jejich rozměry, porosty a další. Závěr Současné programové prostředky umožňují rychle a s velmi dobrou přesností zpracovávat archivní letecké snímky rozsáhlého území. Výhodou leteckých snímků je zachycení aktuálního stavu krajiny určité doby, což u klasických mapových podkladů neplatí. Program Leica Photogrammetry Suite umožňuje provést ortorektifikaci i těch archivních leteckých snímků, ke kterým nejsou k dispozici kompletní údaje. Na základě zpracovaných snímků je možné provést ruční vektorizaci jednotlivých let. 23

8 Hodnocení změn agrárních valů se provádí pomocí nástrojů GIS porovnáním historických snímků (rok 1938) se současnými ortofoty (rok 2002). Valy byly obkreslovány dle podkladu z obrazovky, čímž vznikly polygonové vrstvy jednotlivých let. Nejdříve byly identifikovány agrární valy ze současnosti a pak z minulosti (metoda zpětné digitalizace). Pomocí GIS nástrojů je možné interpretované snímky kvantitativně i kvalitativně analyzovat. Využití překryvných analýz či statistických a výpočetních operací lze zjišťovat nejen vývoj sledovaného krajinného prvku, ale i jeho změny a změny velikosti jednotlivých ploch. Provedené analýzy umožní vyhodnocení změn agrárních valů z relativně velkých území. Poděkování Článek vznikl s podporou ministerstva zemědělství v rámci podpory udržitelného rozvoje venkova (venkovského prostoru): projekt č. QH (Zajištění harmonizace krajinotvorné, hydrologické a produkční funkce agrárních valů a teras pro diverzifikaci aktivit na venkově). Literatura DOBROVOLNÝ, P. [online]: Konvenční (fotografické) metody snímání zemského povrchu. Učební texty, stránky MU, Brno, poslední revize [cit ]. Dostupné z: < DPZ_05_konvencni_2.pdf>. GÁL, P. (1965): Fotogrammetria, Bratislava, Slovenské vydavateľstvo technickej literatúry, 600 s. LEICA GEOSYSTEMS GIS & MAPPING (2001): Referenční příručka programu IMAGINE OrthoBASE. ERDAS, Atlanta, Georgia, s. 548 PRCHALOVÁ, J. (2006): Použití metod GIS pro analýzu vývoje krajiny -využití archivních leteckých snímků.[disertační práce], Institut geoinformatiky, VŠB TU Ostrava, Ostrava. 104 s. 24