Klasifikace krajiny - data, metody a přístupy

Transkript

1 Klasifikace krajiny - data, metody a přístupy Tvorba o ochrana krajiny Dušan Romportl Katedra fyzické geografie a geoekologie PřF UK dusan@natur.cuni.cz

2 Klasifikace krajiny hl. přístupy Definice: klasifikace krajiny vymezení prostorových krajinných jednotek dle předem stanovených kritérií za účelem generalizace reality (množství jednotl. případů) Přístupy ke klasifikaci: Typologický definuje opakovatelné jednotky, maximálně homogenní dle použitých kritérií Příklady: morfogenetické typy reliéfu, klasifikace klimatu, výškové vegetační stupně atd. Regionalizační výstupem jsou unikátní (individuální) geografické regiony, vyzdvihující specifické rysy dané prostorové jednotky, teritoriální integritu a diverzitu odlišnou od okolí (typ. znak individuální terminologie) příklady: geomorfologické členění reliéfu, biogeografické a vegetační regiony atd. Funkcionální vymezení vnitřně heterogenních, ale funkčně propojených / uzavřených prostorových jednotek spojitý systém toků materiálu a energie, často hierarchicky nebo fraktálně organizovaný Příklady: povodí v hierarchických řádech

3 1. Typologie krajiny důvody a cíle Definice: typologie krajiny vymezení opakovatelných krajinných jednotek homogenních dle použitých kritérií Důvody zpracování typologie krajiny: typologie umožňuje lepší orientaci v množství jednotlivých případů, poskytuje přehled o prostorovém rozložení, četnosti, příp. o míře ohrožení a naléhavosti ochrany krajinných jednotek (např. Lipský 1998, Mücher et al. 2003) výstupy typologie představují přínosný podklad pro územní plánování a management krajiny (např. Lipský & Romportl 2007, Pedroli et al. 2006) stanovení prostorových rámců pro monitoring přírodních i kulturních procesů, stratifikovaný výběr samplovacích ploch (např. Bunce at al. 1996, Metzger et al. 2005) naplnění závazků Evropské úmluvy o krajině (Florence 2000, ČR - ratifikace 2004) Obecný cíl: navržení a aplikace univerzální typologie současné krajiny, která využívá opakovatelných postupů moderních geografických a statistických metod

4 2. Metodické přístupy v typologii krajiny 1. Holistické typologie založené na percepci krajiny jako celku jedincem, zájmovou skupinou nebo reprezentativním vzorkem populace čistě empirické, nepřenosné a neopakovatelné např. Meuss 1995, Palang et al. 2000, Spiegler 1998; Hynek et al Expertní typologie založené na expertním posouzení a syntéze dílčích objektivních dat o krajině syntéza vstupních dat a vymezení typologických jednotek zatíženo subjektem zpracovatele např. Meynen et al. 1962, Demek et al. 1997, Culek et al. 2005, Löw et al Kvantitativní typologie využívají kvantitativní metody zpracování vstupních dat, zejm. klastrové analýzy a OBIA minimalizace subjektivního faktoru při syntéze dat a vymezení hranic typ. jednotek např. Bunce et al. 1996, Metzger at al. 2005, Van Eetvelde et al. 2009

5 3. Prostorové úrovně klasifikace krajiny Globální úroveň Bailey et al Ellis et al Václavík et al Metzger et al. 2013

6 3. Prostorové úrovně klasifikace krajiny Kontinentální úroveň Hobbs & McIntyre 2005 Metzger et al Mücher et al McMahon et al. 2001

7 3. Prostorové úrovně typologie krajiny Nadregionální úroveň Shohami & Romportl in press. Fňukalová & Romportl, 2014

8 3. Prostorové úrovně klasifikace krajiny Národní úroveň VanEetvelde & Antrop 2009 GFANC 2005 Bunce et al Wrbka et al Magyar Tudomanyos Ak Olmo et al. 2003

9 3. Prostorové úrovně klasifikace krajiny Regionální úroveň Černý & Romportl 2012 Kolejka et al. 2011

10 4. Metodické přístupy v typologii krajiny 1. Typologie založené na klastrové analýze (kategoriálních) dat zájmové území překryto pravidelnou sítí (čtvercovou, hexagonální atd.) pole pravidelné sítě naplněny relevantními informacemi o prostředí dle cíle klasifikace následně je provedena klastrová analýza (divizivní X aglomerativní metoda) 2. Typologie založené na syntéze a segmentaci kvantitativních dat kvantitativní data sloučeny / dekorelovány (PCA) segmentace syntetizované vrstvy do polygonů homogenních prost. jednotek naplnění polygonů informacemi o prostředí klasifikace (ISOdata, clustering, OBIA)

11 4. Metodické přístupy v typologii krajiny Typologie s využitím klastrové analýzy

12 4. Metodické přístupy v typologii krajiny Typologie s využitím objektově orientované analýzy obrazu

13 4. Metodické přístupy v typologii krajiny Typologie s využitím objektově orientované analýzy obrazu

14 3. Klasifikace krajiny v ČR Historie dlouhá tradice 1. typologie a regionalizace geografické sféry v pracích Dědiny (1927), Krále (1930) či Korčáka Soubor map fyzickogeografické regionalizace Geografického ústavu ČSAV (monotematické klasifikace - Quitt et al. 1971; Balatka et al. 1973, 1975; komplexní FG klasifikace - Demek et al.1977) 1977 Krajinářské hodnocení TERPLANu (Muranský et al. 1977, Naumann et al. 1977) 1982 Klasifikace krajiny E. Hadače (ÚKE ČSAV) vychází z geobot. a fytogeografických principů 1992 Atlas životního prostředí a zdraví obyvatel ČSFR mapy Typy přírodních krajin (Kolejka 1992) a Využití ploch (Kolejka & Lipský 1992) projekt GAČR zaměřený na typologii krajiny (Lipský et al. 1997, Kolejka & Lipský 1999) Recentní stav v ČR: řada expertních typologií 2005 Biogeografické členění ČR - Biochory (Culek 2005) VaV Typologie české krajiny (Löw & Míchal 2003, 2005) Atlas krajiny mapy Typy přírodní krajiny, Typy současné krajiny, Specifické typy venkovské krajiny atp. (Kolejka, Lipský & Romportl) typologie založené na kvantitativní analýze projekt GAAV (Lipský & Romportl 2007, Romportl & Chuman 2008, Chuman & Romportl 2010)

15 3. Klasifikace krajiny v ČR

16 3. Klasifikace krajiny v ČR

17 3. Klasifikace krajiny v ČR

18 3. Klasifikace krajiny v ČR

19 3. Klasifikace krajiny v ČR

20 3. Klasifikace krajiny v ČR Klasifikace krajiny s využitím divizivní klastrové krajiny území ČR bylo rozčleněno pravidelnou sítí 2x2 km každý čtverec sítě byl naplněn daty z jednotlivých tematických vrstev: 1. Klima průměrné roční srážky a průměrná roční teplota (Atlas podnebí Česka ČHMÚ 2007 Tolasz ed. 2007) 2. Půdotvorný substrát poměry odvozeny z databáze GEO ČR 500 v měřítku 1: (ČGS Zoubek et al. 2003) a Půdní mapy ČR 1: (Němeček & Kozák 2003) 3. Reliéf charakterizován nadmořskou výškou, sklonitostí a orientací terénu o velikosti pixelu 200 m odvozeno z digitálního modelu reliéfu SRTM Geobotanická mapa ČR 1: (Mikyška et al. 1969) 5. Krajinný pokryv odvozen z CORINE land cover : čtverce nesoucí uvedené informace byly pomocí divizivní klastrové analýzy provedené v programu TWINSPAN (Hill & Šmilauer 2005) rozděleny na hierarchicky uspořádané skupiny, tvořící typy krajin, definované na základě odlišných vlastností klastrovou analýzou bylo v pěti hierarchických úrovních vyčleněno 32 krajinných jednotek

21 3. Klasifikace krajiny v ČR Klasifikace krajiny s využitím divizivní klastrové krajiny (Chuman & Romportl, 2010)

22 3. Klasifikace krajiny v ČR Klasifikace krajiny s využitím divizivní klastrové krajiny (Chuman & Romportl, 2010)

23 3. Klasifikace krajiny v ČR Klasifikace krajiny s využitím divizivní klastrové krajiny (Chuman & Romportl, 2010)

24 4. Metodický postup typologie krajiny Klasifikace krajiny s využitím OBIA (Romportl, Chuman & Lipský 2011) 1. Výběr a předzpracování vstupních dat generalizace, standardizace vstupních dat 2. Analýza hlavních komponent snížení dimenze vstupních informací, dekorelace 3. Objektově orientovaná analýza obrazu segmentace rastrů prvních komponent PCA klasifikace objektů do Rámcových typů přírodní krajiny porovnání výsledků s tradičními pixelovými metodami klasifikace 4. Vymezení typů přírodních krajin segmentace rámcových typů přír. krajiny dle geologických poměrů 5. Vymezení typů současné krajiny třídění typů přírodních krajin dle charakteru jejich využití člověkem

25 4. Metodický postup typologie krajiny Výběr a předzpracování vstupních dat výchozí krok každé typologie - odráží účel zpracování a autorovo zaměření nelze postihnout všechny faktory ovlivňující charakter krajiny - nutné rozlišit prvky klíčové, zástupné a nepodstatné Klima/Geologické p. Geomorfologické p. Hydrologické p. Prvky Abiotické Půdy Vegetace Fauna Vzrůstající závislost Land-use Krajinná mozaika Biotické Kulturní Krajinný typ dle Müchera et al. (2003)

26 4. Metodický postup typologie krajiny Výběr a předzpracování vstupních dat Charakter současné krajiny výsledek působení přírodních i antropogenních procesů obě skupiny vlivů se v prostoru a čase prolínají a vzájemně ovlivňují Přírodní podmínky klima, geol. a půdní poměry, reliéf, potenciální přir. vegetace Typy přírodní krajiny Antropogenní ovlivnění způsob využití krajiny, struktura krajiny Funkční typy krajiny Typy současné krajiny

27 4. Metodický postup typologie krajiny Výběr a předzpracování vstupních dat Klima základní faktor, ovlivňuje většinu ostatních přírodních procesů - neopominutelná informace při vytváření typologie přírodní krajiny ( v závislosti na prostorovém měřítku) různé možnosti datového vyjádření (kategoriální X kontiniuální data) Průměrná roční teplota (MŽP & ČHMÚ 2007)

28 4. Metodický postup typologie krajiny Výběr a předzpracování vstupních dat Geologické poměry ovlivňují svými fyzikálními a chemickými vlastnostmi ostatní přírodní prvky (charakter reliéfu, půdní poměry, potenciální vegetaci) Atlas GEO ČR 500 (Zoubek et al. 2003)

29 4. Metodický postup typologie krajiny Výběr a předzpracování vstupních dat Geologické poměry původních 19 kategorií hornin bylo sloučeno do 6 tříd Atlas GEO ČR 500 (Zoubek et al. 2003)

30 4. Metodický postup typologie krajiny Výběr a předzpracování vstupních dat Reliéf zásadní podíl na fyziognomii a fungování krajiny, významně ovlivňuje další krajinné prvky a procesy neopominutelný podklad každé komplexní typologie - řada možností vyjádření Nadmořská výška (DEM 100x100 m, SRTM)

31 4. Metodický postup typologie krajiny Výběr a předzpracování vstupních dat Reliéf zásadní podíl na fyziognomii a fungování krajiny, významně ovlivňuje další krajinné prvky a procesy neopominutelný podklad každé komplexní typologie - řada možností vyjádření Sklonitost reliéfu (DEM 100x100 m, SRTM)

32 4. Metodický postup typologie krajiny Výběr a předzpracování vstupních dat Půdní poměry významný faktor podmiňující způsob a intenzitu využití krajiny obtížněji dostupná data - zařazeny jako charakteristika vymezených typů přírodní krajiny Půdní mapa 1: (Němeček & Kozák 2003, CENIA)

33 4. Metodický postup typologie krajiny Výběr a předzpracování vstupních dat Potenciální přirozená vegetace významný informační zdroj o kvalitě biotopu regionální a lokální úroveň - nahrazuje informace o klimatických a substrátových poměrech Mapa potenciální přirozené vegetace 1: (Neuhäuslová et. al. 2001)

34 4. Metodický postup typologie krajiny Výběr a předzpracování vstupních dat Krajinný pokryv vyjadřuje rozložení lidských aktivit v krajině, vypovídá o míře antrop. ovlivnění původních 29 tříd CLC - generalizováno do 13 tříd CORINE Land Cover 2006 (CENIA 2009)

35 4. Metodický postup typologie krajiny Analýza hlavních komponent (PCA) snížení velkého počtu popisovaných proměnných a jejich nahrazení redukovaným počtem nových komponent, které shrnují informaci o původních proměnných při minimální ztrátě informace v případě geogr. dat rastrové reprezentace se jedná o nahrazení více vstupních rastrů novým vícepásmovým rastrem, jehož jednotlivé kanály jsou tvořeny komponenty standardizace a centrování vstupních dat Prům. roční teplota Nadmořská výška Sklonitost reliéfu

36 4. Metodický postup typologie krajiny Analýza hlavních komponent (PCA) vícepásmový rastr obsahuje transformovaná data, nikoli hodnoty pův. vstupních dat EIGENVALUES Number of Input Layers: 3 Number of Principal Component Layers: 3 PCA Layer Eigenvalues 1, , , ,9 % 24,4 % 1,7% první komponenta vysvětluje 73,9 % variability dat. souboru, druhá 24,4%, třetí již pouze 1,7% - pro segmentaci bylo využito rastrů prvních 2 komponent

37 4. Metodický postup typologie krajiny Objektově orientovaná analýza obrazu (OBIA) 1. Segmentace rozčlenění spojitého datového prostoru do objektů relativně homogenních dle vstupních proměnných nejúspěšnější metoda - Region Growing Segmentation - postupné spojování sousedních objektů začínající na úrovni pixelů při minimalizaci nárůstu heterogenity výsledného objektu využit algoritmus Multiresolution Segmentation (Definiens Developer) umožňuje nastavení váhy vstupních dat a uživatelsky definovat podíl spektrální a tvarové heterogenity výsledných objektů Segmentace 1.a 2. komponenty PCA 1. c PCA - váha 74% 2. c PCA - váha 24%

38 4. Metodický postup typologie krajiny Objektově orientovaná analýza obrazu (OBIA) 1. Segmentace

39 4. Metodický postup typologie krajiny Objektově orientovaná analýza obrazu (OBIA) 2. Klasifikace zařazení výsledných objektů do uživatelsky definovaných tříd využita metoda Nearest Neighbor - zjištění polohy klasifikovaného objektu ve vícerozměrném příznakovém prostoru - určení vzdálenosti od vzorku trénovací množiny - objekty definované uživatelem Postup 1. zjištění celkové heterogenity datového souboru - stanovení 6 tříd 2. stanovení základních charakteristik vstupních dat v rámci jednotlivých objektů 3. výběr 30 trénovacích objektů 4. vlastní klasifikace Třída 1 Průměrná roční teplota Nadmořská výška Sklonitost ID MIN MAX RANGE MEAN STD MIN MAX RANGE MEAN STD MIN MAX RANGE MEAN STD 124 8,00 8,44 0,44 8,19 0, , ,54 8,54 0,75 0, ,06 8,51 0,45 8,38 0, , ,33 12,33 1,04 0, ,10 9,14 1,04 8,83 0, , ,12 12,12 2,31 1, ,78 9,07 1,28 8,74 0, , ,19 14,19 0,95 0, ,91 9,61 0,70 9,36 0, , ,51 9,51 1,21 1,13

40 4. Metodický postup typologie krajiny Objektově orientovaná analýza obrazu (OBIA) 3. Porovnání s tradičními pixelovými klasifikačními metodami Metoda řízené klasifikace (Leica Image Analyst) - trénovací množiny - náhodně vygenerované polygony (10% v rámci každé třídy) Metoda Maximum Likelihood Classification - ISODATA clustering (Spatial Analyst) - nevhodná

41 4. Metodický postup typologie krajiny Vymezení typologických jednotek Vymezení rámcových typů přírodních krajin (RPTK) výstup objektově orientované analýzy spojitých dat průměrná roční teplota, nadmořská výška a sklonitost reliéfu Vymezení typů přírodních krajin (TPK) segmentace rámcových typů přír. krajiny dle geologických poměrů Vymezení funkčních typů krajin (FTK) vyjmutí urbánních ploch větších než 5km 2 z vrstvy typů přírodních krajin stanovení podílů tříd krajinného pokryvu v rámci jednotlivých polygonů přírodních krajin rozčlenění zjištěných kombinací tříd krajinného pokryvu shlukovou analýzou (K-means clustering) Vymezení typů současných krajin (TSK) sloučení informace o příslušnosti k Typům přírodní krajiny a Funkčním typům krajiny za jednotlivé polygony

42 5. Výsledky Vymezení rámcových typů přírodních krajin 1. Teplé krajiny nížin 2. Mírně teplé krajiny pánví a pahorkatin 3. Mírně chladné krajiny pahorkatin a vrchovin 4. Chladné krajiny vrchovin 5. Mírně studené krajiny hornatin 6. Studené krajiny hornatin

43 5. Výsledky Vymezení typů přírodních krajin

44 5. Výsledky Vymezení typů přírodních krajin kombinace 6 RTPK x 6 GEO - teoreticky 36 typů celkem 988 polygonů, velikost od 5 km 2 po 4859 km 2 charakteristika typů - reálně vymezeno pouze 29 typů přírodních krajin - pomocí vstupních dat - prům. roční teplota, nadmořská výška, sklonitost reliéfu - podle zastoupení referenčních tříd půd (Půdní mapa ČR 1: , Němeček & Kozák 2003) - zastoupení tříd potenciální přirozené vegetace (Neuhäuslová et al. 2001)

45 5. Výsledky Vymezení typů přírodních krajin 1. Teplé krajiny nížin 1S 1Z 1B 1M teplé krajiny nížin na nezpevněných sedimentech teplé krajiny nížin na zpevněných sedimentech teplé krajiny nížin na sedimentech paleozoika teplé krajiny nížin na metamorfitech

46 5. Výsledky Vymezení typů přírodních krajin 2. Mírně teplé krajiny pánví a pahorkatin 2Z mírně teplé krajiny pánví a pahorkatin na nezpevněných sedimentech mírně teplé krajiny pánví a pahorkatin na zpevněných sedimentech 2B teplé krajiny rovinatých nížin na sedimentech paleozoika 2M mírně teplé krajiny pánví a pahorkatin na metamorfitech 2P mírně teplé krajiny pánví a pahorkatin na plutonitech 2V mírně teplé krajiny pánví a pahorkatin na vulkanitech 2S

47 5. Výsledky Vymezení typů přírodních krajin mírně chladné krajiny pahorkatin a vrchovin na 3. Mírně chladné krajiny pahorkatin a vrchovin 3S nezpevněných sedimentech 3Z 3B 3M 3P 3V mírně chladné krajiny pahorkatin a vrchovin na zpevněných sedimentech mírně chladné krajiny pahorkatin a vrchovin na sedimentech paleozoika mírně chladné krajiny pahorkatin a vrchovin na metamorfitech mírně chladné krajiny pahorkatin a vrchovin na plutonitech mírně chladné krajiny pahorkatin a vrchovin na vulkanitech

48 5. Výsledky Vymezení typů přírodních krajin 4. Chladné krajiny vrchovin 4S chladné krajiny vrchovin na nezpevněných sedimentech 4Z chladné krajiny vrchovin na zpevněných sedimentech 4B 4M 4P 4V chladné krajiny vrchovin na sedimentech paleozoika chladné krajiny vrchovin na metamorfitech chladné krajiny vrchovin na plutonitech chladné krajiny vrchovin na vulkanitech

49 5. Výsledky Vymezení typů přírodních krajin 5. Mírně studené krajiny hornatin 5Z mírně studené krajiny hornatin na zpevněných sedimentech 5B 5M 5P 5V mírně studené krajiny hornatin na sedimentech paleozoika mírně studené krajiny hornatin na metamorfitech mírně studené krajiny hornatin na plutonitech mírně studené krajiny hornatin na vulkanitech

50 5. Výsledky Vymezení typů přírodních krajin 5. Studené krajiny hornatin 6M studené krajiny hornatin na metamorfitech 6P studené krajiny hornatin na plutonitech

51 5. Výsledky Vymezení funkčních typů krajin Funkční typy reprezentují reálné kombinace typů krajinného pokryvu v rámci jednotlivých polygonů typů přírodních krajin 1. krajiny polní 2. krajiny polní s lesy a heterogenními zemědělskými oblastmi 3. krajiny listnatých a smíšených lesů 4. krajiny lesně-polní 5. krajiny lučně-lesní s heterogenními zemědělskými oblastmi 6. krajiny jehličnatých lesů

52 5. Výsledky Vymezení typů současné krajiny

53 5. Výsledky Vymezení typů současné krajiny kombinace 6 RTPK x 6 GEO x 6 FTK - teoreticky 216 typů - reálně vymezeno pouze 79 typů současné krajiny charakteristika typů - pomocí vstupních dat - RPTK, GEO, FTK - heterogenita krajiny (Num P - počet plošek, DIV - počet tříd) kódové označení typů současné krajiny

54 6. Diskuze metod a výsledků Klíčové fáze typologie, zatížené subjektivním faktorem 1. výběr vstupních dat omezený dostupností a formátem požadovaných dat (absence či nedostupnost vhodných klimatických a půdních databází) odpovídá zvolené metodě typologie - spojité proměnné vyjádřeny kontinuálně generalizace vstupních dat (geologické poměry, krajinný pokryv - subjektivní faktor 2. objektově orientovaná analýza obrazu nutnost nastavení řady parametrů - nelze jasně stanovit předem běžná praxe - empiricky dle variant výsledků (Hájek 2008, Hay et al. 2005) - snadné při analýze leteckých a satelitních snímků - obtížné v případě spojitých dat při segmentaci typologických jednotek absence obdobných studií (Mücher et al chybně) - výsledky nelze diskutovat a porovnávat klasifikace objektů - odráží dva uživatelsky stanovené faktory 1. definice počtu tříd 2. volba trénovacích objektů

55 6. Diskuze metod a výsledků Klíčové fáze typologie, zatížené subjektivním faktorem 3. Vymezení typů přírodních krajin rozčlenění rámcových typů přírodní krajiny podle vrstvy geologických poměrů - nutnost generalizace stanoveni minimální velikosti polygonu (5 km 2 ) a minimální rozlohy krajinného typu jako celku (100km 2 ) - dáno měřítkem výsledných výstupů 1: Vymezení typů současné krajiny kombinací TPK a FTK vzniklo relativně vysoké množství krajinných typů (52 z celkových 131), které nesplňovaly kritérium minimální celkové rozlohy 100km 2 otázka, zda je nezbytné množství těchto unikátních kombinací uměle redukovat za cenu ztráty informace o výskytu specifické kombinace přírodních a kulturních podmínek

56 6. Diskuze metod a výsledků Teoretické otázky aneb o smyslu stále podrobnějších typologií všeobecná poptávka po detailních a aktuálních klasifikacích krajiny snaha využívat co nejpodrobnějších vstupních dat o krajině stále detailnější analýzy neschopnost transformace nových syntetizovaných informací ve skutečné znalosti o stavu a dynamice krajiny paralysis by analysis (Pedroli et al. 2006, Groom et al. 2006, Jongman et al. 2006)

57 6. Shrnutí & aplikace výstupů Metodický výstup návrh metody opakovatelné metody typologie krajiny, založené na práci s objektivními daty Praktický výsledek vymezení krajinných typů na třech hierarchických úrovních: 1. Rámcové typy přírodních krajin 2. Typy přírodních krajin & Funkční typy krajiny 3. Typy současné krajiny Stanovené cíle práce - splněny (řada metodických i praktických otázek) Využití typologie: MŽP; VÚKOZ, vvi; využita jako podklad pro stratifikovaný výběr samplovacích ploch pro sledování změn biodiverzity následkem procesů změn LC

58 děkuji za pozornost