Vyhodnocení změn v krajině prostředky GIT s využitím leteckých

Transkript

1 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Provozně ekonomická fakulta Vyhodnocení změn v krajině prostředky GIT s využitím leteckých snímků Bakalářská práce Vedoucí práce: Mgr. Jitka Machalová, Ph.D. Radim Kotoulek Brno 2008

2 Rád bych na tomto místě poděkoval vedoucí mé bakalářské práce paní Mgr. Jitce Machalové, Ph.D. za její cenné rady a připomínky. Dále bych rád poděkoval panu Ladislavu Komináckému za poskytnutí zázemí a odbornou pomoc při práci na tomto tématu.

3 Prohlašuji, že jsem tuto bakalářskou práci vyřešil samostatně s použitím literatury, kterou uvádím v seznamu. V Brně dne

4 4 Abstract Radim Kotoulek. Interpretation of changes in landscape by GIT means using air photos. Brno, The bachelor thesis observes changes in landscape during last sixty years period. Black and white air photos from 1950 s and 1990 s make the base of this research. Individual changes are processed and interpreted by GIT. The air photos are ranged, digitalized and georeferenced by this way. Next the new map layers are created. Individual changes are caught by GIT on the base of these layers. Abstrakt Radim Kotoulek. Vyhodnocení změn v krajině prostředky GIT s využitím leteckých snímků. Brno, Tato bakalářská práce se zabývá sledováním změn v krajině v období posledních šedesáti let. Podkladem pro dané zkoumáni jsou černobílé letecké snímky z padesátých a devadesátých let. Jednotlivé změny jsou zpracovány a vyhodnoceny pomocí GIT. Zvoleným postupem jsou letecké snímky řazeny, digitalizovány a georeferencovány. Následně jsou vytvořeny nové mapové vrstvy. Na základě těchto vrstev jsou pomocí GIT zachyceny jednotlivé změny.

5 OBSAH 5 Obsah 1 Úvod a cíl práce Úvod Cíl Teoretická východiska Dálkový průzkum země Konvenční (fotografické) metody získávání materiálu v DPZ Vlastnosti fotografických materiálů Černobílé fotografické materiály a jejich použití v DPZ Interpretační metody Polní metoda Kancelářská metoda Kombinovaná metoda Aerovizuální interpretace Zpracování snímků a záznamů Fotografické metody zpracování obrazových materiálů Digitální zpracování vizuálních informací Geografické informační technologie Pojem GIS Různé úrovně chápání pojmu GIS GIS jako software GIS jako konkrétní aplikace GIS jako informační technologie Geoinformatika a geoinformační technologie Vývoj GIT Oblasti využití GIT Data, prostorová data, geodata Program ArcGis Metodika práce Sledované území Sběr a analýza dat Zabaged Letecké snímky Práce se snímky Kartografická data Vektorová data Rastrová data Katastrální mapa Katastr nemovitostí Třídění typů pozemků dle KN

6 OBSAH Klasifikace U.S. Geological Survey Eroze půdy Druhy eroze Vlastní práce Řazení snímků Značení snímků Digitalizace snímků Georeferencování snímků Volba primárních klíčů Vytváření nových vrstev Porovnání změn Rok Rok Rok Diskuse 37 6 Závěr 38 7 Literatura 39 Přílohy 40 A Mapa 1: Komunikace a lesní porosty r B Mapa 2: Komunikace a lesní porosty r C Mapa 3: Komunikace a lesní porosty r D Mapa 4: Změny v komunikacích 44 E Mapa 5: Změny v lesních porostech 45

7 1 ÚVOD A CÍL PRÁCE 7 1 Úvod a cíl práce 1.1 Úvod Veškerá krajina kolem nás je v posledních stoletích pod trvalým vlivem člověka, jež ji soustavně přeměňuje podle svých potřeb. Tyto potřeby mohou být různého původu. Ať již pramení z potřeby přežití, tj. obživy, nebo se jedná o pouhou potřebu využívání krajiny za účelem zisku apod. Změny v krajině mohou mít vliv na zlepšení života pro lidskou společnost, ale současně také mohou mít negativní vliv na přírodní komplexy, kdy při nevhodných zásazích do přírody může dojít až k jejich rozvrácení. Ačkoli výše uvedená slova směřují k historii krajiny, jde spíše o využití historických informací pro studium krajiny současné. Nevhodné zásahy do krajiny mohou ovlivnit i schopnost krajiny hospodařit s vodou. Lokální záplavy, eroze půdy, vysychání půdy, to jsou jen některé z projevů. Tato práce se především zaměří na pozorování změn z pohledu posledních šedesáti let v oblasti Kyjovska, konkrétně na toku Moštěnka. Geografické informační technologie jsou vhodným nástrojem pro zaznamenání a vyhodnocení změn v krajině. 1.2 Cíl Cílem této práce je s využitím geografických informačních technologií vyhovujícím způsobem seřadit, zinventarizovat a co nejefektivnějším způsobem georeferencovat do souřadného systému historické snímky sledovaného území. Následně pozorovat a zaznamenat změny v krajině ohrožené erozí půdy a na závěr veškeré poznatky vyhodnotit. Práce je součástí rozsáhlého projektu mající za cíl zjistit, vyhodnotit a navrhnout řešení k omezení lokálních záplav, které se ve sledovaném území v posledních desetiletích začaly vyskytovat.

8 2 TEORETICKÁ VÝCHODISKA 8 2 Teoretická východiska 2.1 Dálkový průzkum země V posledních letech došlo při získávání informací o objektech a jevech na zemském povrchu a v určitých vrstvách pod i nad ním k obrovskému rozvoji. Kromě klasických černobílých a barevných fotografických snímků se začaly používat další fotografické i nefotografické záznamy. Jsou to infračervené, termální, radarové snímky, respektive záznamy, které poskytují množství kvantitativních, ale ne příliš kvalitativních informací. Postupně tak vznikl nový vědní obor Dálkový průzkum země (DPZ). Pojem DPZ se začal více využívat v souvislosti s využíváním informací získaných ze záznamů z družic (Žihlavnik, Scheer, 2001). Na počátku tohoto vědního oboru se jeho definice interpretovala jako jakékoliv bezkontaktní získávání, zaznamenávání a vyhodnocování informací o různých objektech a jevech na zemském povrchu a v povrchových vrstvách (Žihlavnik, Scheer, 2001). Mezinárodní společnost pro fotogrammetrii a dálkový průzkum země (International Society for Photogrammetry and Repote Sensing ISPRS) na svém 15. kongresu v roce 1984 v Rio de Janeiro přijala definici fotogrammetrie i DPZ. 1. Fotogrammetrie je věda a technika o získávání informací zaznamenáváním, zpracováním a interpretací fotografických snímků. 2. DPZ je věda a technika o získávání informací zaznamenáváním, zpracováním a interpretací nefotografických záznamů v libovolné části spektra (Žihlavnik, Scheer, 2001). Tyto definice však vyvolaly širokou polemiku. Skutečnost je taková, že v DPZ se využívají fotografické snímky, naopak do fotogrammetrie v posledních letech stále více pronikají i jiné druhy záznamů. Podle slovníku terminologie, je fotogrammetrie nauka, která se zabývá rekonstrukcí tvaru, velikosti a polohy předmětu zobrazených na snímcích. Ve fotogrammetrii, ať už je záznam uskutečněn fotograficky, či jinou cestou, jde především o určení rozměrů a polohy objektů na zemském povrchu, tj. o jejich geometrickou přesnost zobrazení. Fotogrammetrie se nezaobírá rozlišením kvality zobrazovaných objektů. Les se například zobrazí jako určitá plocha, bez sledování jeho zdravotního stavu. Naopak v DPZ je v popředí zájmu vyjádření kvality sledovaného objektu, teprve potom geometrická přesnost jeho zobrazení. Větší význam má v DPZ radiometrická přesnost, tj. schopnost správně registrovat množství odraženého nebo emitovaného záření, které charakterizuje kvalitu sledovaného objektu (Žihlavnik, Scheer, 2001).

9 2.2 Konvenční (fotografické) metody získávání materiálu v DPZ 9 Určit výraznou hranici mezi fotogrammetrií a DPZ je prakticky nemožné, protože se až příliš prolínají a tato skutečnost se promítla i do nové definice, která byla přijata na 16. kongresu ISPRS v roce 1988 v Kyote v Japonsku. Fotogrammetrie a dálkový průzkum Země je umění, věda a technologie na získávání spolehlivých informací o fyzikálních objektech a jejich okolí pomocí záznamů, měření a interpretace snímků, případně digitálních záznamů, které se získávají pomocí nekontaktních snímacích systémů (Žihlavnik, Scheer, 2001). 2.2 Konvenční (fotografické) metody získávání materiálu v DPZ Fotografické snímky povrchu Země, především z letadla, jsou důležitou a velmi rozšířenou oblastí DPZ. Při zobrazování zemského povrchu jde o zachycení elektromagnetického záření odraženého od předmětů, nebo jimi vyzařovaného, na citlivé fotografické materiály použitím fotografické komory. Po příslušném fotochemickém laboratorním zpracování vzniká fotografický snímek. Citlivý fotografický materiál vznikne nanesením tenké vrstvy (asi do 0,025 mm) fotografické emulze na vhodný podklad. Jak dopadá světlo na tuto emulzní vrstvu dochází k rozkladu halogenidů stříbra, vzniká kovové stříbro. Toto se děje na negativním fotografickém materiálu vloženém do obrazové roviny objektivu fotografického přístroje po tzv. dobu svitu. Vytvoří se neviditelná chemická stopa tzv. latentní obraz. Účinkem vyvolávací koupele je možné z latentního obrazu získat obraz negativní, který je ještě citlivý na světlo, proto je ještě potřeba ho ustálit v ustalovací koupeli, potom ještě máčet ve studené vodě a nakonec usušit. Z negativů je možné kontaktním kopírováním nebo optickou redukcí a dalším fotochemickým postupem vyhotovit na citlivém fotografickém materiálu kontaktní, nebo redukované pozitivy. V případě průsvitného materiálu se označují za diapozitivy, které jsou určené k přímému pozorování (Šmidrkal, 1992) Vlastnosti fotografických materiálů Fotografické materiály všech druhů je možné charakterizovat určitými ukazateli (vlastnostmi): gradací emulze, citlivostí na světlo, zrnitostí, rozlišovací schopností a citlivostí emulze na barvu. 1. Gradace emulze (určena gradační křivkou, křivkou zčernání). Pod pojmem gradace emulze se rozumí stupeň kontrastu vyvolaného obrazu, tj. schopnost emulze reprodukovat odstupňování mezi nejsvětlejšími a nejtmavšími místy v obraze. Fotografická emulze reaguje na osvětlení zčernáním. Gradační křivka vyjadřuje závislost mezi osvětlením a následným zčernáním. 2. Citlivost emulze na světlo je daná stupněm zčernání způsobeným určitým množstvím světla. Vyjadřuje se převrácenou hodnotou osvětlení, které vyvolá zčer-

10 2.2 Konvenční (fotografické) metody získávání materiálu v DPZ 10 nání fotografické vrstvy. Závisí to na složení a zrnitosti emulze. Méně citlivý materiál je jemnozrnný (používá se při pozemní fotogrammetrii), velmi citlivý je hrubozrnný (používá se při fotografování z pohybujícího se letadla, kde jsou krátké expoziční časy). Citlivost na světlo se udává ve stupních DIN (Deutsche Industrie Normen), ASA (American Standard Association), ISO (International Organization for Standardization) a GOST (Gosudarstvennyj Obščeojeznyj Standard). 3. Zrnitost, mikroskopická zrnka halogenidu stříbrného v emulzi mají hrubost od 0,1 do 10 µm. Čím jsou tato zrnka menší, tím podrobnější a ostřejší obraz se vytvoří. Velikost těchto zrnek v emulzi a také velikost kolísání ve velikosti dělení se měří mikrodenzitometrem (přístroj na měření optické hustoty zpracovaných fotografických záznamů). 4. Rozlišovací schopnost filmu je schopnost rozlišit a reprodukovat detaily obrazu objektu, souvisí se zrnitostí a s citlivostí filmové emulze na světlo. Může se rozlišit hustotou čárek, které se ještě na obraze jeví odděleně. Při pozemní fotogrammetrii se používají méně citlivé, ale velmi jemnozrnné emulze, u kterých se rozlišovací schopnost pohybuje okolo 0,015 mm. Negativy pro leteckou fotogrammetrii musí být vysoce světlocitlivé, takže jsou méně jemnozrnné a mají rozlišovací schopnost okolo 0,02 až 0,03 mm. Pozitivní emulze mohou být také méně citlivé, proto mají vysokou rozlišovací schopnost, která je u diapozitivů 0,01 mm. Nejčastěji se rozlišovací schopnost udává nejvyšším počtem čar připadajících na délku 1 mm. Většina fotografických filmů pro letecké snímkování dosahuje maximální rozlišovací schopnost v oblasti mezi 50 až 200 čárek/mm. Speciální filmy umožňují reprodukovat až do 600 čárek/mm. 5. Citlivost na barvu udává citlivost na různé vlnové délky spektra. Křivka zčernání o tomto druhu citlivosti filmu nepodává žádné informace. Čisté stříbrné emulze jsou citlivé jen na ultrafialovou, modrou a modrozelenou část spektra. Označuje se jako nesenzibilovaná filmová emulze. Pomocí vhodných senzibilátorů je možné rozsah citlivosti emulze rozšířit do oblasti spektra s delšími vlnovými délkami. Senzibilátory jsou chemické látky, které mají schopnost vzbudit citlivost filmové emulze na světlo (Šmidrkal, 1992) Černobílé fotografické materiály a jejich použití v DPZ Černobílé fotografické materiály zachytávají fotografovaný objekt v barvě černé, bílé a jejich odstínech. Podle toho jaké spektrální pásmo zachytávají, rozdělujeme je na ortochromatické, panchromatické, infračervené a multispektrální snímky. 1. Ortochromatické materiály zachytávají ze spektra paprsky ultrafialové, modré, zelené a žluté, do vlnové délky 600 nm. Tyto materiály se v DPZ používají málo.

11 2.3 Interpretační metody 11 Jejich hlavní předností je, že se dají zpracovávat při červeném světle. Největší uplatnění mají v reprodukční fotografii. 2. Panchromatické materiály zachytávají paprsky z celého viditelného spektra. Jsou zatím nejrozšířenější při běžném leteckém snímkování. 3. Infračervené materiály zachytávají paprsky z celého viditelného spektra i paprsky v oblasti blízkého infračerveného záření, jež jsou lidským okem nepostřehnutelné. Mají velký význam v DPZ. Je možno je použít i při snímkování za horších meteorologických podmínek (hustá mlha aj.). Výhody na infračervených pozitivních snímcích mají jednotlivé objekty specificky tónované podání. Modré plochy (obloha a vodstvo) nepatrně odrážejí infračervené paprsky, a proto se jeví velmi tmavé, zelené plochy (louky, lesy) infračervené paprsky silně odrážejí, a proto se jeví na snímcích světlé. 4. Multispektrální materiály (snímky) vznikají tak, že daný objekt se vyfotografuje současně ve více úzce vymezených spektrálních pásech. Fotografuje se na černobílý panchromatický, případně infračervený film pomocí speciálních multispektrálních komor. Multispektrální materiály poskytují možnost zkoumání jednotlivých multispektrálních snímků, jako snímky černobílé, tj. obdobnými vizuálními a jinými metodami. Je možné je také použít na tvorbu tzv. barevných syntéz. Syntézu je možné volit tak, aby vynikly určité prvky terénu, které by za jiných podmínek nebylo možné identifikovat. Syntézy mohou být v přirozených i nepravých barvách (Šmidrkal, 1992). 2.3 Interpretační metody Při vizuální a částečně automatizované interpretaci se používají tyto metody: polní (terénní), kancelářská, kombinovaná a aerovizuální interpretace Polní metoda Spočívá v tom, že se snímky porovnají se skutečností a přesně se identifikují objekty podle interpretačních prvků. Polní práce slouží hlavně k sestavení interpretačních klíčů. Vlastní terénní interpretace spočívá v porovnání snímků s terénem. Může se však stát i to, že některé objekty na snímku se neztotožňují se skutečnými objekty v přírodě, skutečné objekty na snímku chybějí. Příčinou mohou být tyto důvody: jde o sezónní jev, objekty z nějakých důvodů zanikly, objekty byly velmi malé, aby se v daném měřítku zobrazily, jde o kazy na snímcích (doporučuje se prohlédnout dané místo na překrytém sousedním snímku).

12 2.4 Zpracování snímků a záznamů Kancelářská metoda Vykonává se v kanceláři. Jejím cílem je interpretovat požadované objekty, nebo jevy na snímcích. Používají se při tom interpretační klíče, mapy a různé materiály ze zájmové oblasti. Výhodou kancelářské metody je její rychlost a nízké náklady. Výsledky však nejsou zcela spolehlivé, protože chybí jejich ověření v terénu. To nejvíce platí pro snímky, které nebyly získané speciálním snímkovacím letem pro daný účel interpretace, nebo jsou již zastaralé (Pavelka, 1999) Kombinovaná metoda Je to metoda, která spojuje výhody polní a kancelářské interpretace. Proto je také nejvíce rozšířená. Pracuje pomocí vzorků, které se stanoví v terénu na vybraných polohách a vztahují se na celé území. Potom se provede kancelářská interpretace a sporné případy se vyšetří znovu polní interpretací. Závěrečná kancelářská interpretace zahrnuje interpretaci a opravu podle nově získaných terénních údajů (Pavelka, 1999) Aerovizuální interpretace V podstatě je speciálním případem terénní interpretace. Místo terénních pochůzek se používá k pozorování terénu a jeho porovnání se snímky letadlo nebo helikoptéra. Používá se především v rozsáhlých a v těžko přístupných terénech. Postup aerovizuální interpretace je obdobný jako u polní interpretace. K dispozici je sada snímků a vykonává se pozorování z nízko letícího letadla nebo helikoptéry (Pavelka, 1999). 2.4 Zpracování snímků a záznamů Zpracování snímků a záznamů může být samostatnou etapou v DPZ, nebo je možné ho v některých případech pokládat za přípravnou fázi interpretace. Za zpracování je možné v širším slova smyslu pokládat i vyvolání a další fáze zpracování exponovaných filmů. Pod vlastním zpracováním se rozumí úprava původních snímků a záznamů tak, aby se zlepšily jejich geometrické a optické vlastnosti, příp. získání údajů, které se využívají při jejich interpretaci. Optické vlastnosti fotografických i nekonvenčních snímků je možné opravovat a zlepšovat různými způsoby. Pomocí fotografické, elektronické a digitální techniky se dá měnit především tónová stupnice snímků, vyrovnávat velké kontrasty snímků, nebo naopak odlišovat od sebe plochy různých optických hustot (Pavelka, 1999).

13 2.5 Geografické informační technologie Fotografické metody zpracování obrazových materiálů Fotografie jako forma trvalé registrace obrazu má v DPZ nezastupitelné místo. Při konvenčních metodách záznamu obrazové informace je primárním obrazem většinou série černobílých spektrálních negativů multispektrálního záběru. Z těchto originálních snímků se zhotovují další fotografické odvozeniny. Reprodukovatelné rozmnoženiny multispektrálních snímků představují první článek v procesu jejich dalšího zpracování. Na fotografický přenos obrazu mohou být přitom kladeny různé požadavky, které lze rozdělit do těchto dvou skupin: zhotovení fotografických odvozenin s minimální ztrátou obrazové informace a minimální degradací stupnice optických hustot, tvorba obrazu se změněnou vypovídajících schopností (obraz obsahuje jen informace určité kvality) Digitální zpracování vizuálních informací Impulz k rozvoji digitálních metod v DPZ byl daný rozvojem výzkumu vesmíru a Země z kosmu v šedesátých letech, po vyřešení problému snímání a přenosu obrazu z družicového nosiče na Zem v číselné podobě. Nasazení digitálních metod v DPZ umožnilo prudký rozvoj výpočetní techniky, především speciálních zařízení pro vstup a výstup digitálního obrazu. Při zpracování digitálních obrazových údajů v DPZ jsou však zpracované soubory údajů mnohonásobně větší, než v ostatních aplikacích těchto metod. Soubory také obsahují větší množství potřebných informací, a proto výběr potřebných metod zpracování digitální obrazové informace v DPZ je podřízený tomuto faktu. Digitální forma obrazu má celou řadu výhod. Jednak umožňuje dálkový přenos údajů a obrazu, dá se využít vyšší citlivost snímacích zařízení a zvýraznění vybraných informací na snímcích umožňuje geometrické a radiometrické transformace, potlačení šumu, detekci hran obrazu apod. Analogovými metodami jsou tyto operace řešitelné jen velmi obtížně a některé jsou téměř neřešitelné. Digitální metody také umožňují klasifikaci obsahu snímku. Digitalizace může být primární, nebo sekundární. V případě, že jsou snímky digitalizovány přímo na nosiči snímače (letadla, družice), jde o primární digitalizaci, když se digitalizují fotografické předlohy, jde o sekundární digitalizaci (Pavelka, 1999). 2.5 Geografické informační technologie Pojem GIS Pojem geografický informační systém (zkr. GIS; angl. Geographical Information System) je běžně používán pro označení počítačových systémů orientovaných na zpraco-

14 2.5 Geografické informační technologie 14 vání geografických dat, prezentovaných především v podobě různých map (Rapant, 2002). Výhodou GIS ve srovnání s analogovými mapami je, že důsledně oddělují obě funkce map. Jednak ukládání geografických dat a jejich prezentaci, ale také přidávají ještě další možnosti, jaké jsou například prostorové analýzy dat. Stejná data pak mohou být snadno aktualizována, analyzována a prezentována různými způsoby. Lze tak uspokojit odlišné požadavky uživatelů při mnohem menší potřebě kompromisů. GIS proto dosáhly od svého vzniku značného rozšíření, jen za období se celosvětový trh s GIS odhadoval na 12 miliard USD (Rapant, 2002) Různé úrovně chápání pojmu GIS Doposud nebyla vytvořena jednotná definice pojmu GIS. Většina definic, které byly doposud vytvořeny, je silně poznamenaná prostředím, z něhož autor pochází. Jednou z příčin této situace může být i skutečnost, že různí autoři těchto definic vnímají tento pojem na různých úrovních. V zásadě lze rozlišit tři úrovně tohoto pojmu: GIS jako software, GIS jako aplikace, GIS jako informační technologie GIS jako software Na této (nejnižší) úrovni je GIS stavěn naroveň programovým produktům pro budování GIS. Používání pojmu GIS v této souvislosti je zcela nesprávné. O jakémkoliv programovém produktu lze přinejmenším prohlásit, zda je nebo není vhodný pro budování GIS. Nicméně je skutečností, že ani ten nejlepší programový produkt pro budování GIS nezaručuje, že s jeho pomocí vytvořenou aplikaci bude možné označit jako GIS (Rapant, 2002) GIS jako konkrétní aplikace Používání pojmu GIS v této rovině uvažování je zcela oprávněné. Pojem GIS je zde možné poměrně snadno definovat. Stačí se podívat do odborné literatury a nalezneme hned mnoho desítek různých definic. Většina z nich je však ovlivněna subjektivním přístupem autorů. GIS je výkonný soubor nástrojů pro sběr, ukládání, výběr na požádání, transformaci a zobrazování prostorových dat z reálného světa pro jednotlivé účely (Rapant, 2002).

15 2.5 Geografické informační technologie GIS jako informační technologie Jedná se o nejobecnější rovinu chápání pojmu GIS, v níž je také nejtěžší tento pojem vymezit. V podstatě by se mělo jednat o celkové prostředí, v němž vznikají aplikace GIS. Složkami tohoto prostředí by mohly být: nezávislá národní organizace zaměřená na problematiku GIS, systém přípravy odborníků, systém standardů, národní digitální data, soustava konferencí a seminářů pokrývající všechny stránky a oblasti aplikací atd., pravidelný výzkum, rozumná státní politika Geoinformatika a geoinformační technologie Geoinformatika je vědecký a technický interdisciplinární obor, zabývající se získáváním, ukládáním, integrací, analýzou, interpretací, distribucí, vizualizací a užíváním geodat a geoinfomací pro potřeby rozhodování, plánování a správy zdrojů (Tuček, 1998). Geoinformační technologie jsou specifické informační technologie určené pro získávání, ukládání, integraci, analýzu, interpretaci, distribuci, užívání a vizualizaci geodat a geoinformací (Tuček, 1998). Příkladem mohou být geografické informační systémy, digitální modely terénu, dálkový průzkum Země, prostorové databáze, fotogrammetrie, družicové polohové systémy, prostorové značkovací jazyky, geoweb a další. Mobilní geoinformační technologie lze definovat jako prostředky vzniklé integrací geoinformačních technologií a telematiky a určené pro získávání geodat a geoinformací a jejich zprostředkovávání mobilním uživatelům (Tuček, 1998). Pojem geomatika (angl. geomatics) byl původně zaveden před mnoha lety v Kanadě pro označení rychle se měnícího a expandujícího světa správy informací o území skládajícího se z měřičství, mapování, fotogrammetrie, počítačových systémů, dálkového průzkumu Země apod. (Tuček, 1998) Vývoj GIT Po nástupu osobních počítačů v 80. letech se GIT dostává k širšímu okruhu uživatelů. Objevují se první programy pro tvorbu aplikací GIT a dále se rychle vyvíjí. S nástupem internetu jsou data sdílena na geoiformačních serverech široké veřejnosti a nutně dochází k dalšímu rozvoji, především v oblasti DPZ, který zahrnuje snímání

16 2.5 Geografické informační technologie 16 terénu a jeho následnou digitalizaci a tvorbu prostorových datových struktur. Dále se stále zdokonalují data a služby poskytované geoinformačními servery (GeoWeby) a budují se nové družicové systémy (např. Galileo) nebo se zdokonalují stávající (Voženílek, 1998). V posledních letech se techniky GIT stále více uplatňují v běžném životě díky jejich masovému rozšíření do různých elektronických zařízení. Především se využívají v GPS navigacích, ale i v mobilních telefonech, PDA, fotoaparátech atd. (Voženílek, 1998) Oblasti využití GIT V počátcích vývoje geografických informačních systémů byly tyto systémy využívány pro evidenci nemovitostí. Dále byly rozšířeny pro potřeby monitorování chráněných krajinných oblastí, živočišných a rostlinných druhů, plánování a kalkulace staveb, inženýrských sítí, důlních prací. S nástroji GIT můžeme pozorovat změny v krajině a demonstrovat modelové situace, což je velmi důležitá pomoc při prevenci devastace krajiny (Tuček, 1998). Další uplatnění nalezly GIT v oblasti vojenského resortu a policie, protože dobré znalosti o pozici a zbraních nepřítele jsou často rozhodující. Bohužel právě tyto možnosti mohou být zneužity a mohou se stát nástrojem teroristických, nebo extrémistických skupin. Dnes se však využívají i jako podpůrný prostředek při řešení krizových situací v neválečných konfliktech, především pokud se jedná o humanitární pomoc (Tuček, 1998) Data, prostorová data, geodata Data, informace Při zabývání se prostorovými daty je vhodné vyjasnit si rozdíl mezi pojmy data a informace. Hned na úvod je třeba zdůraznit, že hranice mezi těmito pojmy není jednoznačně daná. To, co je považováno za data, může být příště vydáváno za informace a naopak. Obecně to, co vkládáme do databází GIS a co pomocí GIS zpracováváme, bude označováno pojmem data. Výsledky zpracování těchto dat GIS budeme označovat pojmem informace. Přitom je nutné si uvědomit, že to, co jednou získáme jako nové informace, může být ihned použito jako vstupní data pro další analýzu (viz. Obrázek č. 1, str. 17). V souvislosti s daty se často používá i pojem metadata. Definice tohoto pojmu není nějak složitá.

17 2.5 Geografické informační technologie 17 Obr. 1: Data, informace, znalosti Metadata jsou data, popisující obsah, reprezentaci, rozsah (prostorový i časový), prostorový referenční systém, kvalitu a administrativní, případně i obchodní aspekty využití digitálních dat (Rapant, 2002). Stejně jako se dnes hojně diskutuje o pojmu metadata, je jen otázkou času, kdy se začne diskutovat i o pojmech metainformace a metaznalosti. Tak jako metadata upřesňují použití dat a tím i okruh a kvalitu informací, které mohou být z dat získány, tak metainformace budou blíže popisovat vlastní informace a umožní uživateli usoudit na možné znalosti o modelovaném prostředí, které může využitím těchto informací získat (Rapant, 2002). Prostorová data Jak již bylo zmíněno v definici GIS, geografické informační systémy pracují se zvláštním typem dat, a to s daty prostorovými. Definic pojmu prostorová data existuje celá řada. V dalším textu se budeme držet následující definice. Prostorová data (angl. spatial data) jsou data, která se vztahují k určitým místům v prostoru, a pro která jsou na určité úrovni rozlišení známé lokalizace těchto míst (Rapant, 2002). Ostatní data, nespadající do této skupiny, tedy data, pro která není definovaná, nebo alespoň není na potřebné úrovni rozlišení známá lokalizace v prostoru, označujeme jako neprostorová data. Hranice mezi prostorovými a neprostorovými daty není jednoznačná, je závislá nejen na přítomnosti údajů o prostorové lokalizaci, ale i na jejich úrovni rozlišení a požadavcích konkrétní aplikace. Údaj, který zajišťuje vazbu dat na konkrétní místo v prostoru se nazývá georeference. V ideálním případě touto georeferencí jsou přímo souřadnice na mapě, ale většinou se jedná o údaj, který zprostředkovává prostorovou lokalizaci nepřímo, jako je např. adresa, číslo parcely, název státu, okresu, města, městské části apod. (Rapant, 2002). Geografická data Pojem geografická data popisuje následující definice.

18 2.5 Geografické informační technologie 18 Geografická data jsou data, která mohou být vztažena k místům (definovaným v rámci termínů bod, plocha, objem) na Zemi, především data o přírodních jevech, kulturních a lidských zdrojích (Rapant, 2002). Ze studií na tohle téma vyplývá, že % dat zpracovaných státní správou je geografické povahy. Dále z těchto průzkumů vyplývá, že hlavní uživatelé geografických dat, jako je stavitelství, veřejná správa, zemědělství, lesnictví a další správci přírodních zdrojů, vynakládají % svých rozpočtových prostředků na geografická data. Geografická data mohou být rozděleny do dvou základních skupin. Tou první jsou základní data, která jsou nezbytná pro většinu aplikací GIS. Druhou skupinu tvoří aplikačně závislá data, která jsou specifická pro konkrétní aplikaci. Pokrývají všechny ostatní oblasti geografických dat, která mohou být použita v ostatních aplikacích (Rapant, 2002) Program ArcGis ArcGis v dnešní době představuje přední software GIS firmy ESRI. Pomocí Arc- Gis lze tvořit libovolnou komplexní práci, počínaje realizací analytického projektu analýzy, až po rozsáhlé, víceuživatelské celopodnikové implementace. Dnes GIS používají tisíce různých organizací i statisíce jednotlivců, protože jim umožňuje přístup k široce různorodým souborům geograficky významných informací. S těmito soubory mohou dále nakládat a spravovat je. Pomocí ArcGis: daňový úřad připravuje pozemkové mapy pro odhadce a projektanty, vodárny vyhledávají uzavírací kohouty, aby izolovaly prasklé vodovodní kohouty, společnosti zabývající se budováním plynovodů hledají nejlevnější trasy pro nové plynovody, hydrologové monitorují kvalitu vody, biologové zkoumají dopady projekčních plánů na povodí atd. Aplikace ArcGis Ať už se jedná o používání GIS ve víceuživatelském nebo jednouživatelském prostředí, lze pracovat se třemi základními aplikacemi: 1. ArcCatalog prostřednictvím aplikace ArcCatalog lze vyhledávat, prohlížet, evidovat a organizovat geografická data a vytvářet komplexní geodatabáze, v nichž budou data uložena. ArcCatalog nabízí základní rámec pro ukládání velkého a různorodého množství GIS dat. 2. ArcMap prostřednictvím aplikace ArcMap lze vytvářet mapy a interaktivně s nimi pracovat, nebo prohlížet, editovat a analyzovat geografická data (viz. Obrázek č. 2, str. 19).

19 2.5 Geografické informační technologie ArcToolbox jedná se o jednoduchou aplikaci obsahující velké množství GIS nástrojů používaných na zpracování geodat (geoprocessing). Obr. 2: Pracovní prostředí programu ArcMap

20 3 METODIKA PRÁCE 20 3 Metodika práce 3.1 Sledované území Sledované území, na kterém se budeme zabývat sledováním změn od roku 1950 přes rok 1990 až do současnosti, se rozkládá na jižní Moravě, spíše severněji od města Kyjov, které je do sledování také zahrnuto. Toto území by jsme velice jednoduše mohli popsat jako plochu, jejíž velikost jedné strany je rovna cca 12 km. Počet snímků který je třeba k zmapování tohoto území se pohybuje mezi při použití měřítka 1 : Poloha sledovaného území jasně naznačuje, že se jedná o hospodářsky hojně obdělávanou oblast. Území je na severu chráněno vrchovinami před chladnými větry a v minulosti také před nájezdy nepřátelských vojsk. Naopak k jihu je tato krajina otevřená. Je tedy jasné, že zemědělská produkce je s tímto územím odedávna spjatá. Ovšem lesní porosty také nelze zcela vyloučit, zejména v severní části sledovaného území, kde se vyskytují souvislé plochy lesů. Bude proto velice zajímavé pozorovat, jak značným změnám bylo toto území během posledních šedesáti let vystaveno, a jaký vliv mají dané změny na erozi půdy (viz. Obrázek č. 3). Obr. 3: Ukázka sledovaného území

21 3.2 Sběr a analýza dat Sběr a analýza dat Jedním ze základních kroků pro kvalitní zpracování zadaného tématu bakalářské práce je výběr a analýza dat vhodných pro výzkum dané oblasti. Pro výzkum vývoje krajiny lze využít písemných, grafických a v neposlední řadě snímkových podkladů. Pro zaznamenání změn krajiny převážně poloviny 20. století lze použít digitální katastrální mapu, která tvoří základy dnešního novodobého katastru. 3.3 Zabaged Data, která lze pro tento výzkum využít jsou Základní báze geografických dat (ZABAGED), poskytovaná Českým úřadem zeměměřičským a katastrálním. ZA- BAGED je digitální topografický model odvozený z mapového obrazu základní mapy České republiky 1 : (ZM10) v souřadnicovém systému JTSK a výškovém systému baltském. Po vyrovnání, má charakter GIS integrujícího prostorovou složku prostorové grafiky s topografickými relacemi objektů a složkou atributovou obsahující popisy a další informace o objektech. Obsah modelu je definován katalogem 102 typů objektů strukturovaných v databázi do 63 tématických vrstev. Doplňkové informace resp. identifikátory některých typů objektů (vodstvo, komunikace) jsou přebírány z databází jejich odborných správců. (Šulc, 2004). 3.4 Letecké snímky Pro porovnání změn v krajině bude použito leteckých snímků poskytovaných Vojenským topografickým ústavem v Dobrušce, který v České republice disponuje archivem přibližně 800 tisíc negativů leteckých měřičských snímků. Tyto snímky jsou pro nás primárním zdrojem informací o srovnávaném území. Snímky byly pořizovány vojenským letectvem postupně od roku 1936, nejprve pro různé účely v malém rozsahu, později se snímkování stalo podkladem pro tvorbu map celého území republiky. Jedná se o snímky pořízené pro účely tvorby topografické mapy fotogrammetrickou metodou. Tyto snímky byly pořízeny v letech 1953 a 1990 v měřítku 1 : Na těchto panchromatických snímcích můžeme vidět plochy využívané k zemědělské činnosti, plochy pokryté lesními společenstvy, plochy travních porostů se stromy, dále v nich lze bez problémů rozlišit také plochy zastavěné (viz. Obrázek č. 4, str. 22). 3.5 Práce se snímky Se snímky, které se používají k fotointerpretaci, je potřeba se naučit zacházet. Mnohé úlohy pro černobílé letecké snímky jsou známé z předmětu geodézie a fotogrammetrie (určení měřítka, severu, přenášení obsahu snímků do mapy, vyhodnocení snímků

22 3.5 Práce se snímky Obr. 4: Ukázka letecké fotografie, r Obr. 5: Ukázka letecké fotografie, r

23 3.6 Kartografická data 23 atd.), je možné je často aplikovat při interpretaci i na další druhy snímků a v dalších budou uvedeny jen některé pracovní zásady, které ulehčují pracovní postup interpretace. Velmi důležité je správné osvětlení snímků pro vizuální interpretaci pohledem. Nejlepší je pozorovat snímky při denním světle položené tak, aby objekty na snímcích směřovaly k pozorovateli, nebo zleva doprava. Lepší je rozptýlené světlo, lépe se odráží od povrchu snímku a snímky se lesknou. Podložka, na které snímky leží, má být světlá, ale zároveň taky matná. Čtení snímků se dá při dostatečné velikosti provádět očima, ale mnohem častěji se používají lupy, které obraz několikrát zvětšují. Když se vyhodnocují objekty, které jsou v přírodě vertikálně rozčleněny (stromy, terénní útvary, stavby, atd.), je možné využít stereoskopického pozorování. Při nejasnostech na kopiích se použije negativ, který má větší rozlišovací schopnosti (Rapant, 2002). Při interpretaci pro některé účely se identifikované předměty zakreslují obvykle přímo do snímku nebo na průhlednou fólii z umělé hmoty. Pauzovací papír není vhodný kvůli jeho průhlednosti a křehkosti. Fólie musí být dobře připevněná, aby nemohlo dojít k vzájemnému posunutí. Je potřeba na ni vyznačit alespoň tři body ze snímku a jejich polohu, aby bylo možné během práce polohu kontrolovat. Na kreslení jsou nejvhodnější snímky nebo fólie s matným povrchem, na který se dá kreslit barvami, tuší, nebo fixem. Na lesklé snímky se kreslí hůře, barvy na povrch nepřilnou a tuš dělá čmouhy (Rapant, 2002). 3.6 Kartografická data Pokud se podíváme na kartografická data můžeme najít základní dva formáty, rastrová a vektorová data. Nejdříve je třeba rozlišit jakým způsobem data vznikají. Původní data jsou dnes prakticky výhradně tvořena ve vektorových formátech. Rastrová data pak vznikají buď neskenováním starších map, nebo přerastrováním dat vektorových (většinou při předtiskové přípravě map)(sborník semináře, 2005) Vektorová data Většina dnešních map je tvořena ve formě vektorů. Samotných vektorových formátů je velké množství a prakticky každý software disponuje vlastním vektorovým formátem. Mezi softwarovými produkty, pomocí kterých lze vytvářet mapy, jsou velké rozdíly. Lze je rozdělit do čtyř základních skupin: grafické programy (Adobe Illustrator, Corel DRAW), CAD systémy (AutoCAD, MicroStation), specializovaný kartografický software (OACD), GIS (ArcGis, GeoMedia, MapInfo).

24 3.6 Kartografická data 24 GIS systémy nabízejí nejpokročilejší možnosti správy vektorových dat. Na rozdíl od ostatních nepracují pouze s kresbou, ale i s atributovými tabulkami, pomocí kterých jsou pak data vizualizovaná (převedena podle značkového klíče). Data zde také mohou být transformována mezi různými kartografickými zobrazeními. Velikou výhodou je možnost databázového ukládání dat, protože to představuje nejlepší možnost jejich udržování. GIS také disponují velikou šíří nástrojů pro kontroly kresby nebo topologie. Jak již bylo uvedeno, prakticky každý software disponuje svým vlastním vektorovým formátem. Jen namátkou: AI (Adobe Illustrator), CDR (Corel DRAW), SHP (ArcGis). Převody mezi jednotlivými formáty nejsou jednoduché, a proto je snaha vytvořit nějaký standardizovaný formát pro vektorová data. Vytvoření takového formátu pro desktop aplikace není dnes reálné, avšak data začínají být zobrazována na internetu, kde již k určité standardizaci dochází. Slibným standardem je formát SVG (scalable vector graphics), který bohužel zatím nemá velkou podporu v internetových prohlížečích. Tento formát je založen na značkovacím jazyce XML, který je dnes používán k přenosu informací mezi různými systémy. Pokud chceme mapu vytisknout, dochází v závěrečné fázi tvorby její převedení do vektorových formátů vhodných pro tisk (většinou PDF nebo PS) (Cajthaml, 2005) Rastrová data Ačkoliv jsou mapy tvořeny ve vektorových formátech, jejich publikace v digitální podobě je většinou prezentována rastrovým obrazem. Tvůrce mapy tak dává najevo, že si nepřeje, aby někdo měnil symbologii, případně editoval jím vytvořená data. Vektorová data jsou tedy před svým publikováním většinou přerastrována. Formátů rastrových dat je také velké množství, na rozdíl od vektorových jsou však tyto formáty otevřenější. Nejpoužívanější formáty jsou: TIFF, buď bez komprese, nebo velice často s kompresí LZW, JPEG, obraz se ztrátovou kompresí, ideální pro fotografie, GIF, dříve prakticky standard pro obrázky na internetu, PNG, dnes prakticky nejlepší pro publikaci obrázků na internetu. Rastrová data jsou dále používána při prezentaci starých mapových děl, která existují pouze v analogové formě (na papíru). Staré mapy jsou naskenovány (většinou do formátu TIFF) a případně převedeny do jiného formátu (Cajthaml, 2005).

25 3.7 Katastrální mapa Katastrální mapa Slovo katastr je odvozeno z latiny a pod jeho významem můžeme chápat význam slova soupis. Obecně býval tímto slovem označován přehledný a soustavný popis zvláštních vlastností, osob, věcí nebo práv, zejména pak soupis pozemků nebo i výtěžků z obchodů a živností. První záznamy byly pořizovány k účelům daňovým. Snaha o jednotnou daňovou politiku byla patrná již v roce 1022, kdy český kníže Oldřich z rodu Přemyslovců zavedl vybírání daně z lánu. Soukromá práva na majetek si pak začala šlechta počátkem 14. století zajišťovat zápisem v zemských deskách, tehdy hlavně pro účely soudních sporů (Šulc, 2004). V současnosti má v popisu práce správu katastru nemovitostí ČR resort Českého úřadu zeměměřického a katastrálního. Byl zřízen 1. ledna 1993 zákonem České národní rady číslo 359/1992 Sb., o zeměměřických a katastrálních orgánech a má sídlo v Praze. V čele úřadu je předseda, kterého jmenuje a odvolává vláda České republiky. Úřad má vlastní kapitolu ve státním rozpočtu ČR. 3.8 Katastr nemovitostí Katastr nemovitostí ČR (dále jen KN) vznikl ke dni na základě zákona číslo 344/92 Sb., o katastru nemovitostí České republiky (katastrální zákon). Jedná se o soubor údajů o nemovitostech v Čechách, na Moravě a ve Slezsku zahrnující jejich popis, soupis, geometrické a polohové určení. Jeho součástí je evidence vlastnických a jiných věcných práv a dalších, zákonem stanovených práv k těmto nemovitostem. KN je zdrojem informací, které slouží k ochraně práv k nemovitostem, pro daňové a poplatkové účely, k ochraně životního prostředí, zemědělského a lesního půdního fondu, nerostného bohatství, kulturních památek, pro rozvoj území, k oceňování nemovitostí, pro účely vědecké, hospodářské a statistické a pro tvorbu dalších informačních systémů. Je veden jako informační systém o území České republiky (Wikipedia, 2008) Třídění typů pozemků dle KN Katastr nemovitostí eviduje pozemky, budovy, rozestavěné byty a nebytové prostory, nové byty a nebytové prostory a také stavby stanovené vlastním předpisem. Pro rozdělení jednotlivých typů pozemků existuje 11 druhů (viz. Tabulka č. 1 str. 26). 3.9 Klasifikace U.S. Geological Survey Při řešení problematiky mapování prostorové struktury krajiny a forem využití půdy je nutné stanovit schéma, jehož smyslem je rozčlenit krajinnou sféru do hierarchického systému, který najde vyjádření v legendě mapy. Znamená to vytvořit třídící po-

26 3.10 Eroze půdy 26 řádek s několika klasifikačními hladinami, které odpovídají různé rozlišovací úrovni. Existuje celá řada klasifikačních systémů využití půdy, které jsou si v členění na typologické jednotky velmi podobné. Lze konstatovat, že všechny klasifikace využívající data DPZ, v podstatě vycházejí z klasifikačního systému U.S. Geological Survey (viz. Tabulka č. 2 str. 27), (Šulc, 2004). Tab. 1: Třídění typů pozemků dle KN Hladina 1 Hladina 2 1. Pozemky 1. orná půda 2. chmelnice 3. vinice 4. zahrady 5. ovocné sady 6. louky 7. pastviny 8. lesní pozemky 9. vodní plochy 10. zastavěné plochy a nádvoří 11. ostatní plochy 3.10 Eroze půdy Slovo eroze je latinského původu a je odvozené od slova erodere (rozhlodávat). V současné době se eroze definuje jako komplexní proces, zahrnující rozrušování původního povrchu, transport a sedimentaci uvolněných původních částic působením erozních činitelů (Janeček, 2005). Zemský povrch se působením eroze na jedné straně snižuje degraduje, na druhé straně hromaděním usazených hmot vyvyšuje agraduje. Výsledkem je zarovnávaní povrchu planace. Podmínkou planačního procesu je, aby hmoty vyvýšených částí zemského povrchu byly rozpojitelné, což zajišťuje zvětrávání hornin. Tento proces může probíhat tím intenzivněji, čím kypřejší je zvětralinový plášť (Janeček, 2005). Eroze půdy připravuje zemědělskou půdu o ornici, což je nejúrodnější část. Zmenšuje mocnost původního profilu, zhoršuje fyzikální i chemické vlastnosti, zvyšuje štěrkovitost, snižuje obsah živin a humusu, poškozuje plodiny a kultury, znesnadňuje pohyb strojů po pozemcích a způsobuje ztráty osiv, sadby, hnojiv a přípravků na ochranu rostlin. Transportované půdní částice a na nich vázané látky znečisťují vodní zdroje, zanášejí akumulační prostory nádrží, snižují průtočnou ka-

27 3.10 Eroze půdy 27 Tab. 2: Systém klasifikace land use podle USGS Hladina 1 Hladina 2 1. Zastavěné plochy 11. obytné 12. obchod a služby 13. výrobní 14. dopravní 15. smíšené 2. Zemědělské plochy 21. orná půda a pastviny 22. sady, zahrady, plantáže 3. Stepy 31. bylinné 32. křovinné 33. smíšené 4. Lesy 41. listnaté 42. jehličnaté 43. smíšené 5. Vodní plochy 51. řeky a kanály 52. jezera 53. nádrže 6. Mokřiny 61. zalesněné 62. nezalesněné 7. Pustiny 71. solné pláně 72. písečné pláně 73. písčiny 74. skály a bradla 75. doly, lomy, těžní jámy 8. Tundra 81. křovitá 82. bylinná 9. Věčný led a sníh 91. sněžníky 92. ledovce

28 3.10 Eroze půdy 28 pacitu toků, vyvolávají zakalení povrchových vod, zhoršují prostředí pro vodní organismy, zvyšují náklady na úpravu vody a těžbu usazenin a velké povodňové průtoky poškozují budovy, komunikace a koryta vodních toků (Janeček, 2005) Druhy eroze Podle erozních činitelů je možné erozi třídit na erozi: vodní (akvatickou), větrnou (eolickou), ledovcovou (glaciální), sněhovou. Při plošné erozi je půda erodována téměř rovnoměrně po celé ploše pozemku nebo určité části svahu. Čím je plocha svahu rovnější, tím jsou podmínky pro soustřeďování vody menší. Avšak ani dokonale urovnaný povrch nemůže zabránit soustřeďování vody na svahu do rýh, a proto se dá plošná eroze těžko oddělit od rýhovité. Při větším soustřeďování vody a postupném prohlubování stružek vznikají erozní rýhy různé velikosti a tvaru (viz. Obrázek č. 6). Obr. 6: Následek působení vodní eroze

29 4 VLASTNí PRÁCE 29 4 Vlastní práce K vyhodnocení změn v krajině jsem si celý proces musel rozdělit na jednotlivé kroky, které se skládaly od základního rozdělení snímků přes digitalizaci až po závěrečné vyhodnocení změn a jejich grafické zobrazení. Od fáze digitalizace snímků jsem již využíval pro práci pouze program ArcGis, přičemž jednotlivé kroky budou podrobněji rozepsány v dalších podkapitolách. 4.1 Řazení snímků Celé území, jehož změny jsem porovnával, bylo zaznamenáno v podobě tištěných leteckých fotografií. Tyto fotografie neměly žádný systém řazení, proto bylo velice problematické porovnat jednotlivé fotografie tak, aby na sebe navazovaly a věrohodně popisovaly dané území. U leteckých snímků ze současnosti už tyto problémy odpadají, jelikož jsou snímky dostupné v digitální podobě a obsahují své referenční body pro přesné umístění. Tyto snímky již jsou řazeny automaticky. Tento systém řazení jsem použil pro snímky z roku 1950 a Jelikož jsem toto území příliš neznal, bylo nutné se nejdříve s tímto územím alespoň částečně seznámit, abych byl schopen fotografie seřadit a popsat. K dispozici jsem měl katastrální mapu území a zobrazení kladu leteckých snímků. Pomocí kladu leteckých snímků bylo možné určit přibližnou polohu a dále už jsem jednotlivé snímky rovnal vedle sebe, aby co nejvíce navazovaly a popisovaly celé území. Překrývání snímků v některých případech dosahovalo vysokých hodnot, které se někde pohybovaly až kolem 30 %. Nejčastější hodnoty se však pohybovaly v rozmezí %. Seskládání snímků celého území již při prvním pohledu poukázalo na některé nedostatky těchto fotografií. Tím největším bylo, že některé snímky chyběly, což jsem vyřešil použitím snímků z jiné série. Tyto snímky se však příliš nesměly lišit časem pořízení, aby zachycení změn mohlo být co nejvíce věrohodné. Nejvíce se snímky od sebe lišily obdobím tří let. V letech 1950 jsem použil 2 snímky z let Druhým významným problémem se také ukázala částečná nečitelnost některých snímků, jež byla způsobená např. povětrnostními podmínkami, kde část území byla překryta mračny. Tento problém se však vyskytoval pouze na malé části území a na výstup celé práce nemá příliš velký dopad (viz. Obrázek č. 7 str. 30). 4.2 Značení snímků V závěrečné části etapy řazení snímků bylo třeba jednotlivé snímky popsat takovým způsobem, aby jejich jakékoli další seřazení bylo přehledné a snímky tak byly nachystány pro skenování. Každý snímek dostal své označení, jež představuje zařazení

30 4.3 Digitalizace snímků 30 v dvojrozměrné matici, např. B5. Tato matice byla zaznamenána na samostatném listu a přiřazena k sérii fotografií. Při skenování bylo poté možno vybrat jenom snímky potřebného území a tyto snímky přehledně popsat pro další práci. Obr. 7: Zachycené značení a řazení snímků 4.3 Digitalizace snímků Letecké fotografie byly digitalizovány přímo na Městském úřadě v Kyjově dle vyznačeného území, jež jsem popsal v řadících listech. Digitalizovány byly snímky z let 1950 a Digitalizovány také byly snímky z let 1953 chybějící v sérii z roku Provedení této části v Kyjově bylo nutné hned ze dvou důvodu. Tím prvním jsou

31 4.4 Georeferencování snímků 31 technické požadavky na scanner a tím druhým byly možné komplikace se zapůjčením snímků. Snímky by bylo možné také digitalizovat přímo na Mendelově zemědělské a lesnické univerzitě, ale jako daleko schůdnější řešení se jevilo vše provést přímo v Kyjově, také díky ochotě tamějších pracovníků. Jednotlivé snímky byly digitalizovány do datového formátu TIFF (Tagged Image File Format), který je typickým představitelem bitmapového formátu, tj. grafická informace je v něm vyjádřena formou matice obrazových bodů (pixelů), přičemž u každého pixelu je udána informace o jeho barvě. Největší výhodou uvedeného typu formátů je schopnost věrné reprezentace přirozeného obrazu (sejmutého například skenerem či digitálním fotoaparátem). Následovalo popsání snímků dle daného řazení tak, aby bylo možno pokračovat v porovnávání krajiny již výhradně za použití programu ArcGis. 4.4 Georeferencování snímků Letecké snímky nyní měly digitální podobu, ale neměly v sobě zanesenou přesnou polohu. Proces, při kterém se přiřazují rastrovým datům souřadnice, se nazývá georeferencování. K tomu se využívá funkce Georeferencing v programu ArcMap. Pro přesné určení polohy rastrového podkladu bylo nutno najít takové body, u kterých mezi porovnávanými roky neprobíhaly žádné změny. Mezi takové body nejvíce patří významné křižovatky v obcích, nebo místa, kde se protínají vodní toky apod. Jako podklad pro georeferencování jsem použil digitální katastrální mapu, kde bylo vždy nutné najít minimálně osm bodů, aby bylo dosaženo co největší přesnosti. Je nutné také vzít v úvahu možnou nepřesnost katastrální mapy, která také vždy nemusí úplně přesně odpovídat realitě. V tomto případě jsem volil určité kompromisy tak, aby určení polohy snímků bylo co nejpřesnější. Z důvodu datové náročnosti jsem georeferencoval každý snímek samostatně. Body byly označeny příkazem Add Contol Points. Následně byly tyto nové body uloženy pomocí tlačítka Save tak, aby je bylo možno použít kdykoli při další potřebě. Při další potřebě lze body znovu získat pomocí tlačítka Load (viz. Obrázek č. 8 str. 32). Georeferencování je jeden z nejdůležitějších kroků. Všechny následující operace jsou prováděny na takto georeferencovaných snímcích, proto je velice důležitá přesnost volby jednotlivých bodů tak, aby jednotlivé snímky na sebe přesně navazovaly a vytvářely ucelené území. V případě nepřesnosti již v této fázi by se mohly zdánlivě malé problémy při závěrečné fázi srovnání jevit jako fatální (viz. Obrázek č. 9 str. 33).

32 4.5 Volba primárních klíčů 32 Obr. 8: Georeferencovaný snímek dle digitální katastrální mapy 4.5 Volba primárních klíčů Pro hodnocení změn a vývoje krajiny je nutné vytvořit takovou klasifikaci, která se dá aplikovat na všechny mapové podklady vstupující do výzkumu zabývajícího se pozorováním změn v krajině. Proto je třeba vytvořit jednotnou klasifikaci, která je schopna charakterizovat všechna území ve všech časových horizontech stejnými klasifikačními třídami. Pro potřeby této bakalářské práce jsem z hodnocení USGS podle tab. č. 2 využil jen některé klasifikační třídy. Klasifikační třídy jsem vymezoval dle převládajícího typu porostu nebo pokryvu. Kategorie zastavěné plochy se skládá z obytných ploch. Pastviny a louky byly sloučeny pod jednu kategorii s názvem travní porosty, jehličnaté a listnaté plochy jsem sloučil pod označení lesní porosty. Vodní nádrže včetně vodních toků byly sloučeny jako vodní plochy. Klasifikační třídy jednotlivých typů ploch jsou uvedeny v tab. č. 3, přičemž tato práce je primárně zaměřena na porovnání změn komunikací a lesních porostů. Tab. 3: Klasifikace pro hodnocení změn v krajině Číslo Charakteristika Zástavba Komunikace Lesní porosty Vodní plochy

33 4.6 Vytváření nových vrstev 33 Obr. 9: Návaznost georeferencovaných snímků 4.6 Vytváření nových vrstev Jakmile jsem umístil všechny snímky příslušného roku do souřadnicového systému, došlo na samotné vytváření nových vrstev. Nyní jsem již pracoval pouze s leteckými snímky a nad nimi jsem vytvořil nové vrstvy komunikací a lesních porostů. Změny v krajině byly zaznamenány pomocí programu ArcMap. Pomocí tohoto programu bylo možné jednotlivé změny graficky přehledně znázornit. Program Arc- Map umožňuje vytvořit nové mapové vrstvy dle stávajících vrstev a na těchto nových vrstvách provádět různé množinové operce jako je např. průnik, rozdíl. Nové vrstvy lze vytvářet v programu ArcCatalog pomocí funkce New Shapefile. Zde jsem zadal název nové vrstvy a určil, zda se jedná o vrstvu polygonů, linií apod. Při popisování lesních porostů se jedná o polygonovou vrstvu a komunikace jsou tvořeny vrstvou liniovou. Takto vytvořenou vrstvu otevřeme v programu ArcMap a můžeme pomocí funkce Start Editing na tlačítku Editor začít tvořit jednotlivé prvky nové vrstvy. Pro orientaci je důležité zvolit si vhodnou legendu dané vrstvy. Např. při vytváření vrstvy silnic je nutné si zvolit vhodné zvětšení leteckých snímků tak, aby bylo dobře viditelné, zda se jedná o komunikaci, nebo o vodní tok atd. Při vytváření těchto vrstev jsem v částečném, omezeném rozsahu využíval katastrální mapu jako podporu v místech, kde díky zhoršené viditelnosti nešlo přesně určit přesnou polohu komunikace apod. Tímto postupem jsem vytvořil pro všechny srovnávané roky vrstvu komunikací a také vrstvu lesních ploch. Tvorba vrstvy komunikací byla nejvíce problematická v letech Důvodem byla snížená viditelnost způsobená horší kvalitou snímků

34 4.7 Porovnání změn 34 a také horší čitelností průběhu komunikací způsobenou jejich velikostí. Při vytváření liniové vrstvy komunikací jsem začal nejprve hlavními cestami spojujícími jednotlivé obce sledované oblasti. V dalším postupu jsem postupně zacházel do větších detailů. Z černobílých snímků bylo mnohdy obtížné posoudit, zda příslušná linie představuje cestu, řeku nebo se jedná pouze o rozmanitost terénu, způsobenou například nezalesněným pásem v rámci lesa. Vytváření polygonové vrstvy lesů mělo také svá úskalí. Určení, zda tvoří příslušnou oblast les, křoviny nebo pole s vysokým porostem, nebylo hned jasné. Zejména při výskytu jinak barevného útvaru uvnitř lesa nastaly otázky, jde-li pouze o stromy jiného druhu, nebo daná oblast již není jeho součástí. Bylo zde třeba zaměřit se především na strukturu příslušné oblasti (viz. Obrázek č. 10). Obr. 10: Vytváření nové vrstvy komunikací pro r.1950 v programu ArcMap 4.7 Porovnání změn Oblast povodí řeky Moštěnky je charakteristická vysokou zemědělskou výrobou. Díky zemědělské produkci tvoří její velkou část orná půda. Souvislé lesní porosty jsou více zastoupeny pouze v severní části území. Porovnání všech změn jsem prováděl na základě nově vzniklých vrstev a také z poznatků získaných při tvorbě těchto vrstev. Jednotlivé hlavní změny, jež jsou na první pohled patrné, jsem se pokusil

35 4.7 Porovnání změn 35 v této práci částečně popsat, ale jako hlavní a nejvíce přehledné hodnocení slouží pohled na grafické srovnání jednotlivých vrstev. Umožní pozorovateli zaměřit se na jakoukoliv požadovanou část území a je tak nejvíce přínosná. Je nutné zdůraznit, že jednotlivé změny nelze slovně popsat, grafický výčet je úplný a pro orientaci maximálně přehledný. Má pozornost směřovala nejvíce ke změnám, jež mají za následek erozi půdy. Jsou to změny týkající se především lesních porostů a také změny v zemědělské krajině, tj. např. změna velikosti obdělávaných ploch a jednotlivých hranic mezi nimi Rok 1950 Na snímcích z padesátých let je jasně patrná drobná držba malých polí a luk. Mezi těmito malými plochami se velice často vyskytují pásy vegetace tvořící hranice jednotlivých území. Tyto vegetační pásy byly důležitým prvkem udržujícím vodu v systému, neboť obsahovaly různé meze bránicí rychlému odtoku vody při nárazových bouřkách. Dále pak zadržovaly vlhkost a tvořily zásobárny vody. Dalo by se říct, že síť komunikací téměř rovnoměrně pokrývá celé sledované území, pouze v obcích je jejich hustota nepatrně vyšší. V severní části území, které můžeme prozkoumat, zaujímají velkou část rozsáhlé lesní porosty. Tyto porosty pokrývají území obcí Mouchnice a Moravany, dále severní část území Kyjova, Čeložnic, Vřesovic, Osvětiman a jižní část Koryčan Rok 1990 Snímky z devadesátých let ukazují, že došlo ke znatelné změně drobných políček na obrovské lány obdělávané zemědělskou technikou. Důvodem byl vznik zemědělských družstev a sjednocení území, při kterém došlo ke spojení všech vegetačních pásů na orné plochy a vznikly tak obrovské lány. S nástupem této ucelené držby také ubylo cest mezi jednotlivými políčky. Ze snímků je patrný také nárůst zastavěného území a s tím souvisí i rozvoj komunikací v těchto oblastech. Velmi znatelný je rozvoj a zdokonalení komunikací jako takových, zejména jde o jejich viditelné rozšíření. Díky rozvoji zastavěného území, komunikací a také snaze využívat více půdy k zemědělským účelům dochází k úbytku lesních porostů. Můžeme si všimnout, že souvislé lesní plochy značně prořídly a některé ostrůvky lesa zanikly úplně. Při pozorování snímků jako takových jsou zřejmé rozdíly vývoje techniky poskytující data. Snímky z 90. let jsou citelně kvalitnější oproti těm z let 50., přičemž největší čitelnost a možnost pozorování změn daleko citlivěji je možná na snímcích ze současnosti.

36 4.7 Porovnání změn Rok 2006 Snímky z roku 2006 se již na první pohled liší od těch předchozích vysokou kvalitou, která je dosažena díky rozvíjejícím se technologiím v DPZ a fotogrammetrii. Tyto snímky jsou daleko lépe čitelné než v obou předchozích případech a lze říci, že pro vytváření nových vrstev jsou nejlepším podkladem. Díky velké čitelnosti těchto snímků bylo možné vytvořit nové vrstvy s daleko větší přesností než v předchozích případech. Práce s těmito snímky byla také daleko jednodušší a přesnější hlavně díky dvěma důvodům. Tím prvním je, že snímky jsou již v digitální podobě a není nutné jejich skenování, což jistě ušetří spoustu času. Tím druhým a významnějším důvodem je, že snímky již obsahují své referenční body a už není nutné snímky georeferencovat. Tento důvod jednak ušetří spoustu času, ale mnohem důležitější je, že snímky tvoří souvislou mapu s nulovými přesahy. Tyto důvody umožňují dosažení daleko přesnějšího výsledku, než v obou předchozích případech. Snímky z roku 2006, které jsem měl k dispozici, nepopisují celé území, jež je popsáno předchozími sériemi. Ovšem rozdíly v komunikacích a lesních porostech mezi roky 1990 a 2006 nezaznamenaly dramatických změn, proto jsem je zachytil hlavně v období

37 5 DISKUSE 37 5 Diskuse Postup vlastní práce byl rozdělen do jednotlivých elementárních kroků, které na sebe průběžně navazovaly. Tyto kroky byly prováděny v předem určeném pořadí. Postup byl volen tak, aby co nejefektivněji obsáhl všechny úkoly, které jsou vymezeny v cíli této práce. Provedením jednotlivých úkolů, lze dospět k poměrně jasným závěrům, ovšem je naprosto nutné dodržení určitých kritérií přesnosti. Jedním z nejdůležitějších a zároveň poměrně náročným úkolem je samotné georeferencování. Od určení přesné polohy snímků se dále provádí veškerá další práce. Velice záleží na podkladovém materiálu, který se používá pro určení společných georeferenčních bodů. Pro potřebu této bakalářské práce byla využita digitální katastrální mapa, což se jistě dá vyhodnotit jako dostačující, ovšem díky jisté nepřesnosti této mapy se samotná práce jevila jako komplikovanější vzhledem k náročnosti určování georeferenčích bodů. Při jisté trpělivosti se i tento nedostatek dá z větší části odstranit. Při provádění georeferencování je hned několik možností jakým způsobem postupovat při tvorbě mapy z jednotlivých snímků. Nabízí se možnost georeferencovat každý snímek jednotlivě, nebo vytvořit ze všech snímků průběžně navazující mapu. V této fázi jsem se rozhodl pro první řešení z důvodu datové náročnosti, ale také lepší další využitelnosti. Tento postup se nakonec ukázal jako oprávněný, program ArcMap s takovým řešením neměl téměř žádné komplikace v rychlosti provádění jednotlivých úloh. Dalším důležitým krokem byla volba primárních klíčů, dle kterých jsou porovnávány jednotlivé změny v krajině. V této fázi je velice důležité zohlednit kvalitu porovnávaných snímků a pečlivě si rozmyslet, až do jakého detailu je možné zajít. Nejedná se jenom o samotnou kvalitu snímků, ale také o samotný obsah snímků. V případech, kdy je obsah snímku tvořen především lesními porosty, je velice problematické v takovémto území vyznačovat komunikace, železnice, vodní toky apod. Tento problém se dá částečně řešit například pomocí katastrální mapy, ale v tomto případě může tato mapa sloužit pouze orientačně. V dalším postupu vytváření jednotlivých vrstev dle stanovených klíčů je velice důležité dodržování určité přesnosti. Při vytváření jednotlivých vrstev je důležité předem si stanovit, až do jakých detailů bude území popsáno. Je samozřejmé, že čím větší území se budeme snažit popsat, tím nejspíše budeme dosahovat menších detailů. Je logické, že při popisování území s rozsahem několika obcí, přičemž nás zajímají změny v krajině a jejich dopad na erozi půdy, není příliš nutné popisovat komunikace v obcích až do elementárních detailů, ale spíše nás budou zajímat změny v lesních porostech a zemědělské krajině. Zkoumání detailů jednotlivých obcí se tak může stát předmětem jiného úkolu.

38 6 ZÁVĚR 38 6 Závěr Pozorovnání změn v krajině je vhodným doplněkm pro zaznamenání vývoje využívání země a o dopadech tohoto využívání pro krajinu jako ekologický systém. Ačkoli si to člověk v minulosti příliš neuvědomoval, každý zásah do krajiny sebou dříve či později přinese nějakou odezvu. Eroze půdy už je jenom jeden z následků necitlivého zásahu člověka do krajinného systému. Změny v krajině mezi rokem 1950 a rokem 1990 lze popsat jako naprosto fatální. Tyto rozdíly jsou okamžitě viditelné již při prvním pohledu na mapu snímků. Je naprosto jasné, že tyto zásadní změny v povodí řeky Moštěnky lze dát do přímé souvislosti se společenským trendem, který v té době převládal. Jelikož se na tomto území jedná převážně o zemědělsky obdělávanou půdu, je ve změnách v krajině jasně zaznamenán přechod k jednotným zemědělským družstvům. Malá políčka, na něž je krajina členěna v padesátých letech, dokonale kopírují vrstevnice svahů a jsou oddělena častými mezemi a valy, což jsou jedny z nejdokonalejších protierozních opatření. Zpomalovaly rychlý odtok vody z krajiny a velkým způsobem zmírňovaly dopad náhlých dešťových srážek. Tyto dokonalé bariéry byly nástupem mechanizace téměř odstraněny a z políček vznikly obrovské lány, kde orná dráha již málokdy kopíruje vrstevnice, a tak umožňuje ničím nerušený odtok dešťové vody z krajiny související s erozí půdy. Sledovaná oblast není příliš pokryta lesními plochami, ale i přesto je možné zejména v severní části území pozorovat částečný úbytek lesních ploch. Je také znatelné jisté prořídnutí tohoto lesa. Daleko jasnější výstup je možné pozorovat na grafickém zobrazení v příloze této práce. V této práci se podařilo dosáhnout všech vytyčených cílů. K dosažení těchto cílů byl zvolen jasný postup popsaný v části vlastní práce. Tento postup se ukázal být efektivním a vedoucím k naplnění jednotlivých úkolů. Jednotlivé snímky byly seřazeny a digitalizovány. Na jejich základě byly tvořeny nové mapové vrstvy a pozorovány změny v krajině. Všechny vypozorované změny byly popsány a graficky znázorněny. K vypozorovaným změnám byly popsány i možné a nejpravděpodobnější příčiny těchto poznatků. V průběhu řešení jednotlivých úkolů se vyskytlo hned několik problémů, které se ovšem podařilo vyřešit a jsou naznačeny v řešení práce. Sledování jednotlivých změn by se dále dalo rozšířit o další primární klíče pozorovaného území. Rozsah volby primárních klíčů ke splnění zadání této práce lze považovat za dostatečný.

39 7 LITERATURA 39 7 Literatura Cajthaml, J. Využití webových mapových serverů. 1. vyd. Brno: Ediční středisko ČVUT, s. ISBN Janeček, M. Ochrana zemědělské půdy před erozí. 2. vyd. Praha: Computer Press, s. ISBN Machalová, J. Prostorově orientované systémy pro podporu manažerského rozhodování. 1. vyd. Praha: C.H. Beck, s Pavelka, K. Zpracování obrazových záznamů DPZ. 1. vyd. Praha: Ediční středisko ČVUT, s. ISBN Rapant, P. Úvod do geografických informačních systémů [on-line]. [cit ]. PDF dokument, Ostrava, Dostupné na internetu: < Sborník semináře Aktuální problémy fotogrammetrie a DPZ. 1. vyd. Praha: Katedra mapování a kartografie fakulty stavební ČVUT, s. ISBN 80-O Šmidrkal, J. Fotogrammetrie a DPZ II. 2. přeprac. vyd. Praha: Ediční středisko ČVUT, s. ISBN Šulc, Z. Model krajiny v 19. století a srovnání se současností [on-line] [cit ]. PDF dokument, Plzeň, Dostupné na internetu: < Sulc.pdf>. Tuček, J. Geografické informační systémy. 1. vyd. Praha: Computer Press, s. ISBN: X. Viženílek, V. Geografické informační systémy I. 1. vyd. Olomouc: Vydavatelství Univerzity Palackého, s. ISBN: X. Wikipedia Otevřená encyklopedie: Katastr nemovitostí [online]. c 2006 [cit ]. Dostupné na internetu: < nemovitost%c3%ad>. Žihlavník, Š., Scheer, L. Dial kový prieskum Zeme v lesníctve. 1. vyd. Zvolen: Technická univerzita vo Zvolene, s. ISBN

40 Přílohy

41 A MAPA 1: KOMUNIKACE A LESNí POROSTY R A Mapa 1: Komunikace a lesní porosty r. 1950

42 B MAPA 2: KOMUNIKACE A LESNí POROSTY R B Mapa 2: Komunikace a lesní porosty r. 1990

43 C MAPA 3: KOMUNIKACE A LESNí POROSTY R C Mapa 3: Komunikace a lesní porosty r. 2006

44 D MAPA 4: ZMĚNY V KOMUNIKACíCH 44 D Mapa 4: Změny v komunikacích