Metodika. Hodnocení funkčních parametrů povrchu krajiny na územích zasažených povrchovou těžbou pomocí metod dálkového průzkumu Země

Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Zemědělská fakulta Metodika Hodnocení funkčních parametrů povrchu krajiny na územích zasažených povrchovou těžbou pomocí metod dálkového průzkumu Země Jan Procházka Jakub Brom Václav Nedbal Jakub Šťastný Kateřina Novotná Libor Pechar 2014 1

V roce 2014 vydala Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích v nakladatelství a vydavatelství Lesnická práce, s. r. o. Náklad: 300 ks Vydání: první Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Zemědělská fakulta, 2014 Lesnická práce, s. r. o., 2014 ISBN 978-80-7458-052-9 2

Hodnocení funkčních parametrů povrchu krajiny na územích zasažených povrchovou těžbou pomocí metod dálkového průzkumu Země Certifikovaná metodika Autoři Ing. Jan Procházka, Ph.D. Ing. Jakub Brom, Ph.D. Ing. Václav Nedbal Ing. Jakub Šťastný Ing. Kateřina Novotná, Ph.D. doc. RNDr. Libor Pechar, CSc. Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Zemědělská fakulta, Katedra krajinného managementu, sekce Laboratoř aplikované ekologie, Studentská 13, 370 05 České Budějovice, prochaz@zf.jcu.cz Recenzenti doc. RNDr. Jan Pokorný, CSc., ENKI, o.p.s. RNDr. Jan Plesník, CSc., AOPK ČR Obrázek na zadní straně obálky byl vytvořen s využitím podkladové ortofotomapy z portálu CENIA, 2011. 3

Poděkování Tato metodika vznikla na základě řešení výzkumných projektů: NAZV QH 82106 Rekultivace jako nástroj obnovy funkce vodního režimu krajiny po povrchové těžbě hnědého uhlí; MSM 6007665806 Trvale udržitelné způsoby zemědělského hospodaření v podhorských a horských oblastech, zaměřené na vytváření souladu mezi jejich produkčním a mimoprodukčním uplatněním; NPV II 2B 08006 Nové přístupy umožňující výzkum efektivních postupů pro rekultivaci a asanaci devastovaných oblastí. Metodika byla schválena pro využití v praxi Ministerstvem zemědělství ČR, Sekcí vodního hospodářství, osvědčením č. 83964/2013MZe14130. Smlouva o uplatnění metodiky byla uzavřena mezi poskytovatelem metodiky, Zemědělskou fakultou JU v Českých Budějovicích a uživatelem metodiky, společností Severočeské doly a.s. Metodika je uložena u obou zúčastněných subjektů. Doporučená citace Procházka, J., Brom, J., Nedbal, V., Šťastný, J., Novotná, K., Pechar, L. (2014): Hodnocení funkčních parametrů povrchu krajiny na územích zasažených povrchovou těžbou pomocí metod dálkového průzkumu Země. Certifikovaná metodika. Kostelec nad Černými lesy: Lesnická práce, s. r. o., 82 p., ISBN 978-80-7458-052-9. 4

Obsah 1 Cíl metodiky... 6 2 Vlastní popis metodiky... 7 2.1 Úvod... 7 2.2 Výzkum a různé přístupy k hodnocení krajiny ovlivněné povrchovou těžbou... 8 2.3 Hodnocení funkce a struktury krajiny... 13 2.3.1 Ekologické funkce krajiny... 13 2.3.2 Struktura krajiny... 16 2.4 Možnosti využití dat DPZ pro hodnocení funkčních a strukturních vlastností krajiny a jejich změn... 17 2.4.1 Dostupná družicová data... 17 2.4.2 Dostupnost satelitních dat LANDSAT v rámci ČR... 20 2.4.3 Předzpracování satelitních snímků LANDSAT TM a ETM+... 21 2.4.4 Hodnocení funkce krajiny s využitím dat DPZ... 27 2.4.5 Hodnocení struktury krajiny s využitím dat DPZ... 32 2.4.6 Hodnocení časových změn... 37 2.4.7 Podmínky zpracování časových změn pomocí DPZ... 41 2.4.8 Predikce vývoje krajinného krytu a jeho vlastností... 41 2.5 Hodnocení časového vývoje funkčních parametrů na příkladu modelových lokalit... 42 2.5.1 Vymezení a popis zájmových lokalit... 42 2.5.2 Metodika zpracování a použitá data... 45 2.5.3 Vyhodnocení vývoje funkčních parametrů od roku 1988 do roku 2009... 45 2.5.4 Predikce vývoje funkčních parametrů od roku 2009 do roku 2059... 50 2.6 Souhrn... 56 2.6.1 Výběr zájmového území a pořízení družicových dat... 56 2.6.2 Předzpracování družicových dat LANDSAT TM a ETM+... 56 2.6.3 Výpočet funkčních parametrů a hodnocení dosavadního vývoje... 57 2.6.4 Výpočet funkčních parametrů a predikce vývoje... 57 3 Srovnání novosti postupů... 59 4 Popis uplatnění metodiky... 60 5 Ekonomické aspekty... 61 6 Seznam použité literatury... 62 7 Seznam publikací, které metodice předcházely... 79 5

1 Cíl metodiky V této práci předkládáme metody a metodické postupy, které jsou vhodné pro analýzu prostorových a funkčních charakteristik území narušených povrchovou těžbou nerostných surovin a pro analýzu změn těchto území v čase. Zaměřili jsme se na možnosti využití nejmodernějších metod dálkového průzkumu Země (DPZ) a digitální analýzy obrazu v kombinaci s pozemními daty. V příkladové studii demonstrujeme možnosti využití družicových dat a zvolených přístupů pro hodnocení krajiny ovlivněné povrchovou těžbou nerostů z hlediska funkčních parametrů a jejich změn. 6

2 Vlastní popis metodiky 2.1 Úvod Člověk již odpradávna využíval krajinu za účelem získávání potravy, později s rozvojem průmyslu i pro získávání nerostných surovin, jako je například uhlí. Těžba hnědého uhlí probíhala nejprve hlubinným způsobem, až v polovině 20. století se začalo těžit povrchovým způsobem. Povrchová těžba vedla k úplné přeměně krajiny, narušení litosféry, hydrosféry, pedosféry a biosféry, technické infrastruktury i sociálního prostředí. Plocha povrchových hnědouhelných dolů a na ně vázaných staveb, jako jsou výsypky odtěženého materiálu, zabírá desítky až stovky kilometrů čtverečních (Starý et al., 2010). Pouze Velká podkrušnohorská výsypka u Sokolova se rozprostírá na ploše přes 20 km 2. Krajina zasažená povrchovou těžbou hnědého uhlí je často označována jako krajina devastovaná (Löw et Míchal, 2003). Po vytěžení uhlí je nutné pro takto dotčenou krajinu najít další využití, je potřeba ji rekultivovat (obnovit). Rekultivace dotčených území začínají již při otvírce dolu a vlastní těžbě; tzv. důlně technická etapa rekultivací. Během této etapy dochází především k nasypávání a tvarování výsypky, kterou později nelze měnit. Primárně je nutné řešit problémy technického rázu, které nastávají při likvidaci a sanaci důlních děl, např. zajištění stability výsypek (Slivka, 2002; Prokop, 2002). Po ukončení sypání se provádějí rekultivace biologické, zahrnující úpravu fyzikálních a chemických vlastností půd, dále rekultivace lesnické, zemědělské a vodohospodářské. Část rekultivovaných území se ponechává spontánní sukcesi; tzv. přírodě blízké rekultivace. V letech 1958 1959 byl zpracován generel rekultivací koncernu SHD (Severočeské hnědouhelné doly, s.p.). Shrnuje počátky rekultivačních prací a jejich vývoj v severozápadních Čechách. Generel byl několikrát upravován a obsahoval výhled až do roku 1980. V rámci úprav generelu se postupně zvyšoval podíl zemědělských rekultivací, snížil se podíl rekultivací lesnických a přibyly plochy rekultivací vodohospodářských. Postupný nárůst zemědělských rekultivací svědčí o úsilí zamezit úbytku zemědělské půdy v této oblasti (Štýs et Helešicová, 1992). Rekultivace se netýkají jen obnovy půdy a vegetace, ale také ostatních způsobů využívání území. Nově vytvářená krajina je zapojována do okolní krajiny, vznikají nová biocentra a nové biokoridory (Sklenička et Charvátová, 2003). 7

Rychlý návrat vegetačního krytu na území devastovaná povrchovou těžbou nerostných surovin by měl být prvořadým cílem rekultivačních opatření a dalších aktivit, vedoucích k nápravě přírodních podmínek. Součástí nápravných opatření by měl být důsledný monitoring dotčených území. Výsledkem monitoringu je souhrn informací o časových a prostorových změnách území a o přírodních procesech, které zde probíhají. Tyto informace je možné využít k hodnocení jednotlivých postupů, k predikci vývoje území a k plánování efektivních opatření sanace ploch dotčených povrchovou těžbou nerostných surovin. Vhodnými nástroji pro sledování a hodnocení krajinných struktur a přírodních procesů jsou prostředky dálkového průzkumu Země (DPZ). Snímání dat DPZ umožňuje nezávislým způsobem hodnotit tzv. funkční parametry území, kterými jsou množství a stav vegetačního krytu, teplotní a vlhkostní charakteristiky povrchu a vývoj těchto parametrů v čase (Procházka et al., 2011c). Data DPZ je navíc možné využít k okamžitému hodnocení rozsáhlých území, resp. k opakovanému hodnocení velkých ploch v určitém časovém úseku. Tato hodnocení lze provádět i zpětně. Ke spolehlivé interpretaci družicových dat je často důležité mít i odpovídající pozemní sledování a mapové či databázové podklady. S pomocí podkladů typu územně plánovací dokumentace nebo rekultivačních plánů je možné data DPZ využít pro predikci vývoje funkčních parametrů hodnoceného území. Pokud víme, jak by měla krajina vypadat v horizontu několika let a za předpokladu, že se nebudou výrazně měnit podmínky prostředí, můžeme pomocí analýzy satelitních snímků předpovědět, jaké budou funkční projevy povrchu krajiny do budoucna. 2.2 Výzkum a různé přístupy k hodnocení krajiny ovlivněné povrchovou těžbou Krajina zasažená povrchovou těžbou je jedinečným prostorem pro vědecký výzkum. Přestože výzkum na rekultivovaných plochách probíhal již v minulosti (Štýs, 1961; Štýs, 1966; Dimitrovský, 1976; Dimitrovský, 1979; Prach, 1987), znatelný nárůst výzkumných aktivit začal v 90. letech 20. století Plochy dolů a výsypek, se všemi aspekty souvisejícími s rekultivacemi a obnovou krajiny, se staly objektem zkoumání při realizaci projektů státních i soukromých orga- 8

nizací. Výsypky jsou otevřeným prostorem, na kterém vznikají nové biotopy. Jejich vznik je podmíněn lidskou činností (lesnická, zemědělská a vodní rekultivace) nebo probíhá přirozeně (osídlení flórou a faunou z blízkého okolí). Různá sukcesní stádia, která se zde vytvoří, jsou vhodným prostředím pro ohrožené druhy rostlin (Hodačová et Prach, 2003; Prach, 2003) i živočichů (Vojar et al., 2012; Hendrychová et al., 2009). Z těchto důvodů je přírodě blízká rekultivace (spontánní sukcese) ekology kladně hodnocena a doporučována jako alternativní forma ke klasickým rekultivacím (Frouz et al., 2008; Prach et al., 2009; Řehounek et al., 2010). Rychlý vývoj vegetace podporuje rychlejší stabilizaci nově vznikajících krajinných struktur, brání přehřívání povrchu a přispívá k obnovení krátkého vodního cyklu (Ripl, 1995; Pokorný et Rejšková, 2008; Pokorný, 2009; Pokorný et Hesslerová, 2011; Ripl et Eiseltová, 2009; Kravčík et al., 2007). Vodní cyklus je důležitý z hlediska tvorby místního klimatu a podmínek pro další využívání krajiny. Po ukončení všech rekultivačních prací a s tím spojených činností budou dotčená území předávána do správy obcím k běžnému využívání. Z tohoto důvodu je při plánování a hodnocení rekultivací kladen důraz na vznik infrastruktury a na využití krajiny z hlediska rekreace, sportu apod. (Pecharová et al., 2011b; Pecharová et al., 2011c). Propojení krajiny za účelem prostupnosti pro organismy, nápravy fragmentace krajiny a návaznost na krajinu okolní se řeší s využitím Územních systémů ekologické stability (ÚSES), (Buček et Lacina, 1993). Ve vztahu k ÚSES a související legislativě (zákon č. 114/1992 Sb., o ochraně přírody a krajiny) by měl pro zjišťování funkčnosti prvků navrhovaných ekologických sítí sloužit především terénní výzkum a jeho výstupy. Návrh ekologických sítí může být podložen zjištěním nejcennějších krajinných struktur na základě historických dat o land use, tedy o tom, jak krajina vypadala před těžbou (Sklenička et Charvátová, 2003). Při výzkumu oblastí dotčených povrchovou těžbou jsou uplatňovány různé metody a přístupy. Jednou z efektivních metod výzkumu vzhledem k technickému rozvoji a rostoucím možnostem zpracování dat a jejich využití je DPZ (Halounová et al., 2005; Pokorný et al., 2007; Brom et al., 2012; Kopačková et Rambousek, 2006; Procházka et al., 2012a; Procházka et al., 2012b). Bezkontaktní metody výzkumu krajiny (DPZ) a jejich možnost propojení s daty o krajině v geografických informačních systémech (GIS) jsou výhodné proto, že hodnotitel 9

zpravidla nepotřebuje provádět technicky, finančně a časově náročný terénní průzkum. Na rozdíl od metod DPZ, které pracují s distančně získanými daty, jsou při terénním výzkumu získávána reálná data in situ. Po zpracování dat je teprve možné přistoupit k jejich vyhodnocování a interpretaci. Terénní průzkum je časově relativně náročnější, ale ve vztahu k mnoha zkoumaným objektům je mnohdy nenahraditelný. Často slouží i jako doplněk k DPZ či jako synergický nástroj pro hodnocení sledovaných parametrů. Většina výzkumných aktivit na výsypkách vychází ze sledování podmínek půdního prostředí, které jsou v prvních fázích vývoje nově utvářené krajiny nejvíce limitující. Na výsypkách se po nasypání materiálu nevyskytují běžné půdy. Takové půdy nazýváme antropozemě. Jsou to substráty vzniklé nakupením či smísením materiálů získaných během těžby z různých hloubek a různého stáří, což se odráží v jejich složení a vlastnostech. Antropozemě jsou velmi chudé a nestrukturní. Jejich následný vývoj může odrážet interakci mezi vývojem vegetace a rozvojem půdní fauny i s ohledem na reliéf terénu (Frouz et al., 2008). Důležitým předmětem výzkumu se z hlediska vývoje půdních substrátů na rekultivovaných výsypkách stává hodnocení mikrobiální aktivity (Helingerová et al., 2010), oživení půd mikro a makrofaunou a jejich vlivu na vlastnosti půd (Frouz et al., 2007a; Frouz, 2008), rychlosti zvětrávání fosilní organické hmoty (Kříbek et Hilgard, 1997), změn základních chemicko-fyzikálních parametrů (Šourková et al., 2005; Bodlák et al., 2012a; Bodlák et al., 2012b; Borůvka et al., 2012). Propojením pozemního průzkumu a DPZ vzhledem k výzkumu antropozemí se zabývá specializované pracoviště DPZ České geologické služby v rámci projektu HypSo (Česká geologická služba, 2013). Cílem tohoto projektu je vyvinout nové metody pro interdisciplinární posouzení dopadů těžby s využitím vzdušných hyperspektrálních dat jakožto alternativy ke konvenčním metodám měření v terénu. Využívání distančně získaných dat je propojeno s pozemním měřením, při kterém se ověřují např. možnosti stanovení potenciálně rizikových posttěžebních ploch (Chevrel et al., 2008; Kopačková et al., 2012). V první fázi obnovy posttěžebních ploch antropozemě zpravidla určují i vývoj nově vznikajících biotopů a jejich druhové složení. Zde je prostor pro výzkum celé řady skupin rostlin a živočichů, např. 10

mravenců (Holec et Frouz, 2005), drobných zemních savců (Slábová et al., 2008; Cudlín et al., 2010), dravců (Šálek et al., 2010), obojživelníků (Doležalová et al., 2012) nebo členovců a cévnatých rostlin (Tropek et al., 2012). V rámci studií byla hodnocena diverzita společenstev, ale i denzita a dynamika jednotlivých populací či možnosti jejich dalšího šíření do regenerujícího se okolí. Do popředí zájmu, a to nejen z hlediska výzkumu, se stále více dostávají nově vznikající vodní plochy, vodoteče či mokřady. Nejvíce je zmiňována problematika zahlazení zbytkových jam dolů formou jejich řízeného zatápění (Havel et Přikryl, 2001; Svoboda et Horáček, 1994; Svoboda, 2000; Svoboda et al., 2008). U některých rekultivací prováděných tímto způsobem již bylo napouštění úspěšně ukončeno, např. napouštění zbytkové jámy Chabařovice v roce 2010 (Havel et al., 2010). S ohledem na účel využití takto vzniklých nádrží a zajištění stability jejich břehů je před započetím napouštění soustředěn terénní výzkum především do oblasti geomorfologických, hydrogeologických, geomechanických a hydrochemických mechanizmů (Halíř et Žižka, 2008; Svoboda, 2008; Svoboda, 1996). Mnohé z takto vzniklých nádrží budou po dokončení napouštění patřit svými parametry (plocha, hloubka, objem) k největším vodním nádržím v České republice. Během tohoto procesu, který trvá řádově desítky let, je nutné včas podchytit nebezpečí eroze měnících se břehů plánované vodní plochy (Svoboda et al., 2008). Při samotné realizaci zatápění bývalých těžebních jam jsou dlouhodobě sledovány změny chemismu a stratifikace vod budoucích jezer (Vrzal et al., 2011). Vliv na tyto parametry mají především charakteristiky vod, jimiž je bývalý důl zaplavován (říční, dešťová a podzemní důlní voda, tzv. stařinová), (Přikryl, 2006; Přikryl, 2010; Svoboda, 1996; Svoboda, 1998). Složení vod se odráží v hydrochemických parametrech a ovlivňuje počáteční vývoj zooplanktonu a zoobentosu v nově vznikající nádrži (Kosík et al., 2011). Problematice obnovy vodního cyklu na výsypkách a zřizování vodních nádrží na místech bývalých povrchových dolů se komplexně věnují Pecharová et al. (2011c). Pro monitoring kvality vody, napouštění a změny plošného zastoupení (výměry) vodních ploch vznikajících v rámci hydrických rekultivací lze s úspěchem použít metody DPZ (Vinciková, 2012). Metody DPZ z leteckých nebo družicových prostředků s vysokým rozlišením lze využít k monitoringu menších nádrží, pramenišť a mokřadů. Ty na výsypkách zastávají významnou funkčně ekologickou roli nejen po stránce biotopové, 11

ale i pro své retenční a mikroklimatické schopnosti (Pecharová et al., 2001; Pecharová et al., 2004). Z nadložního materiálu často odtéká voda, která v některých parametrech (ph, vodivost, koncentrace iontů manganu, železa a síranů) výrazně překračuje limity pro povrchové vody. Vhodnými úpravami toku (vytvořené nebo samovolně vzniklé mokřady) je možné výrazně zlepšit její kvalitu (Hezina et al., 1999; Pecharová et al., 2001). Chemické vlastnosti výsypkových vod následně ovlivňují i jejich oživení vodními mikroorganismy (Broumová et Pecharová, 2004; Šímová et al., 2012). Ve vztahu ke krajinným funkcím obnovovaných ploch probíhají i průzkumy zaměřené na estetickou stránku těchto změn (Sklenička et Kašparová, 2008) a na vnímání těchto změn jednotlivými sociodemografickými skupinami obyvatelstva (Svobodová et al., 2012). Důležitost obnovy krajinného rázu zmiňují i autoři studie na Sokolovsku (Frouz et al., 2007b), podle nichž hrají probíhající rekultivace klíčovou roli ve formování krajinné mozaiky při tvorbě nové krajiny blízké tradiční krajině českých zemí. Hlavními prvky krajiny Sokolovska jsou fragmenty původně souvislých lesních formací, doplněné o elementy spjaté s činností člověka a rozložené v matrix zemědělsky využívané půdy. Jednou z důležitých funkcí krajiny je schopnost vypořádat se s nevyrovnaným příkonem přicházející sluneční energie, tedy schopnost ovlivňovat toky energie. Pro hodnocení rekultivovaných ploch, ve vztahu k disipaci sluneční energie, je možné využít pozemní monitoring vegetace a měření teplot a vlhkostí, čímž je možné charakterizovat jednotlivé typy rekultivací (Procházka et al., 2010; Procházka et al., 2011c; Pecharová et al., 2011a). Žádná pozemní měření nemohou na velkých plochách postihnout každou její část, proto jsou z hlediska teplotního a vlhkostního chování povrchu data DPZ nezastupitelná. Porovnání dat DPZ s pozemním měřením teplot bylo využito ve studii na Velké podkrušnohorské výsypce (Procházka et al., 2011c). Hodnocením družicových snímků byla z hlediska disipace sluneční energie krajina v severozápadních Čechách klasifikována do tzv. disipačních tříd (Hesslerová et Pokorný, 2010). Toto hodnocení bylo využito i pro oceňování ekosystémových služeb krajiny v podmínkách ČR (Seják et al., 2010). Terénní sledování umožňuje vyhodnocování aktuálního stavu zkoumaného prostředí. Při víceletém provádění nabízí terénní šetření možnost porovnání vývoje změn v čase a případnou predikci dalšího vývoje. Při dlouhodobém monitoringu je kladen důraz 12

na zvolení vhodných metodických postupů a na personální, logistické a materiální zabezpečení. Při hodnocení sledovaných parametrů v širší časové řadě, tj. i do minulosti, nastává problém z hlediska disponibility dat a použitých metod. Družicové snímání povrchu umožňuje hodnotit časový vývoj krajiny jak z hlediska její struktury, tak z hlediska funkčních ukazatelů (Halounová et al., 2005; Brom et al., 2012). Od 70. let 20. století jsou k dispozici družicová multispektrální data s vysokým prostorovým rozlišením (družice LANDSAT). Další výhodou družicových dat je jejich prakticky neomezené prostorové snímání. To bylo využito při mapování krajinného pokryvu metodikou CORINE LC v celosvětovém měřítku (Bossard et al., 2000) i v měřítku ČR (CENIA, 2013). Další výhody těchto metod při výzkumu krajiny, možnosti a postupy zpracování dat, přehledy dostupných dat, senzorů a jejich parametrů jsou shrnuty v komplexních dílech o dálkovém průzkumu Země (Jensen, 2000; Campbell, 2002; Lillesand et al., 2008). 2.3 Hodnocení funkce a struktury krajiny 2.3.1 Ekologické funkce krajiny Ekologické funkce krajiny jsou zpravidla definovány toky energie, vody a látek. Přicházející množství solární energie je disipováno (rozptýleno, transformováno) do dílčích energetických toků. Část záření je po dopadu odražena (cca 20 %) a část je vyzářena ve formě dlouhovlnného záření (cca 15 %). Zbylé množství energie je rozděleno do tzv. tepelných toků, tedy do toku zjevného (pocitového) tepla (cca 40 %), toku latentního tepla výparu, využitého na výpar vody (cca 50 %) a toku tepla do půdy (0 10 %). Zbytek energie je spotřebován při fotosyntéze (1 %) a pro ohřev povrchů (1 2 %). Uvedené hodnoty odpovídají běžné krajině s dostatkem vody a vegetace. Pro fungování krajiny je významný poměr toků zjevného tepla a latentního tepla výparu. Disipace energie v krajině přímo souvisí s dostupností vody pro výpar a s utvářením vodního cyklu. Pro funkční (zdravou) krajinu je charakteristický uzavřený (krátký) koloběh vody (Ripl, 1995; Ripl, 2003; Pokorný, 2001; Pokorný et al., 2010; Eiseltová et al., 2012). Předpokladem pro uzavření vodního koloběhu je dostatečné zásobení vodou a přítomnost funkčních porostů s vysokou schopností evapotranspirace, jako jsou lesy 13

a mokřadní vegetace. Za optimálních podmínek se na evapotranspiraci spotřebuje i více než 75 % dopadající sluneční energie (Pokorný et Rejšková, 2008; Pokorný et al., 2010). Vodní pára na chladnějších místech nebo po nočním ochlazení kondenzuje a tvoří se místní srážky či rosa. Energie uložená ve formě skupenského tepla se po kondenzaci uvolňuje a přispívá k vyrovnávání teplotních rozdílů jednak mezi místy, jednak mezi dnem a nocí. Voda cirkuluje v malých množstvích na krátké vzdálenosti. Obecně jsou místní srážky častější a pravidelnější, pomáhají udržovat půdní vlhkost a stabilnější hladinu podzemní vody (Kravčík et al., 2007). Dojde-li v důsledku lidské činnosti k rozsáhlému narušení přirozeného vegetačního pokryvu (městská a průmyslová zástavba, nekonečné lány orné půdy, krajina narušená povrchovou těžbou), jsou s touto cílenou činností zpravidla spojena opatření vedoucí k odvodnění dotčené krajiny a vodní cyklus se otevírá. V důsledku odvodnění a absence vegetace většina vody z krajiny odtéká a cirkuluje převážně v otevřeném (dlouhém) koloběhu. Sluneční energie se na těchto plochách přeměňuje především na zjevné teplo, evapotranspirace je vzhledem k nedostatku vegetace a vody nízká. Na těchto místech dochází k výrazným výkyvům teploty v průběhu dne. Ohřátý vzduch stoupá vzhůru, je unášen na velké vzdálenosti a vodní pára obsažená ve vzduchu kondenzuje nad vzdálenými chladnějšími místy (moře, pohoří). Srážky v otevřeném vodním cyklu zpravidla přicházejí od moře, jsou méně časté ale intenzivnější (Kravčík et al., 2007). Hladina podzemní vody se v důsledku odvodnění a nepravidelných srážek snižuje a více kolísá, půda se přehřívá a vysušuje a snižuje se její schopnost zadržovat vodu a látky (Ripl, 2003; Kulhavý et al., 2011). V suché prohřáté půdě probíhá oxidativní rozklad organické hmoty rychleji než v půdě nasycené vodou (Sierra, 1997; De Neve et Hofman, 2002; Kladivko et Keeney, 1987). Krajina se stává z tohoto pohledu narušenou, zhoršují se její ekologické funkce. Pochopení úlohy energetických toků v krajině a jejich role v utváření vodního cyklu je významným předpokladem pro rozumné využívání krajiny. Funkčnost krajiny můžeme efektivně posoudit na základě ukazatelů stavu vegetačního krytu, distribuce teplot a vlhkostních ukazatelů v krajině. Pro tento účel jsou vhodné techniky DPZ, které umožňují zachytit a analyzovat funkční charakteristiky v rámci rozsáhlých území. Jak ukazujeme v několika studiích z oblasti severozápadních Čech (Procházka et al., 2010; Procházka et al., 2011a; Procházka et al., 2011b; Procházka et al., 2011c; Bodlák et al., 2012a; 14

Bodlák et al., 2012b; Brom et al., 2012) a ze Šumavy (Procházka et al., 2001; Procházka et al., 2008; Procházka et al., 2009; Brom et al., 2009), je vhodné pro hodnocení funkčního projevu krajiny a krajinného krytu využít informace o stavu a množství vegetačního krytu, o teplotní distribuci a o vlhkosti povrchu v zájmovém území. Bodlák et al. (2012b) hodnotili funkční vlastnosti krajinného krytu na základě součtu standardizovaných hodnot indexů NDVI (normalizovaný diferenční vegetační index), TCWI (vlhkostní index, transformace Tasseled Cap) a teploty povrchu. Do výpočtu zahrnuli i informaci o plošné distribuci hodnot elektrické vodivosti povrchových vod získaných bodovým měřením v dané oblasti. Podobný přístup hodnocení funkčního projevu krajiny, založený na lineární kombinaci variability vstupních dat metodou analýzy hlavních komponent, používají Procházka et al. (2011b) a je detailněji popsán v předkládané metodice. Hesslerová et Pokorný (2010) navrhli podobný přístup hodnocení funkcí krajiny, tzv. disipační schopnosti krajiny, pomocí družicových dat z LANDSAT TM. Do hodnocení zahrnuli kromě teploty povrchu i výpočet indexu wetnes-biomas (kombinace indexů vlhkosti a množství vegetace), který umožňuje detekovat stavové parametry krajinného pokryvu v závislosti na jeho fotosyntetické aktivitě (korelace NDVI s množstvím chlorofylu) a obsahu vody. Index má vypovídací schopnost o množství zelené biomasy v dané lokalitě a zároveň ho lze použít i jako indikátor případného vodního stresu vegetace. Výslednou klasifikací autoři vytvořili kategorizaci krajiny do tříd podle schopnosti disipace sluneční energie. Hodnocení teplotních projevů krajiny a ekosystémů, vzhledem k jejich funkci, dávají do souvislosti s vegetačními charakteristikami, vlhkostí a vodním cyklem Ripl (1995), Ripl (2003), Saunders et al. (1998) a Melesse (2004). Seják et al. (2010) se pokoušejí hodnotit krajinu a její funkce v širokém spektru vlastností z hlediska plnění ekosystémových služeb. S ohledem na jejich plnění klasifikují jednotlivé biotopy na funkční skupiny, kdy přihlížejí k parametrům hodnocení, jako je evapotranspirace, produkce biomasy, biodiverzita nebo disipační schopnost. Stejným kategoriím potom z hlediska funkce přisuzuje i peněžní hodnotu v Kč.m -2.rok -1. Ve své práci se také zamýšlejí nad rozdílem v pojmech funkce a služby krajiny (ekosystému). Zatímco funkce ekosystémů jsou nejčastěji spojovány s vlastnostmi a procesy ekosystémů, pojem služby ekosystémů souvisí s jejich přímými či nepřímými užitky pro lidskou populaci. 15

V podmínkách České republiky jsou tyto poznatky o oceňování služeb a funkcí krajiny uplatňovány i na základě světové syntézy Ekosystémy a lidský blahobyt (MEA, 2005), ve které je uvedena existenční závislost lidské společnosti a její ekonomiky na ekosystémech a na jejich životodárných funkcích a službách. DPZ umožňuje, v kombinaci s meteorologickým měřením, také přímé hodnocení funkčních procesů probíhajících na zemském povrchu. Mezi hodnocené složky patří energetické bilance povrchu, respektive radiační a tepelné toky v krajině. Jedná se zejména o hodnocení albeda povrchu, toků latentního tepla výparu, zjevného (pocitového) tepla, toku tepla do půdy a intenzity evapotranspirace (Bastiaanssen et al., 1998; Bastiaanssen, 2000; Gao et al., 2011; Kalma et al., 2008). Tyto charakteristiky jsou přímými ukazateli energetických procesů v krajině a tedy ukazateli funkce krajiny. Hodnotit lze i další ukazatele, které se týkají vodního provozu a vodního stresu vegetačního krytu. Přehled výpočetních postupů pro hodnocení energetických ukazatelů pomocí DPZ uvádí Brom (2012), Duffková et al. (2012), Bastiaanssen et al. (1998). 2.3.2 Struktura krajiny Strukturu krajiny definuje Zonneveld (1995) jednoduše jako to, co z krajiny vidí oči ptáka ve směru kolmém nebo šikmém k povrchu zemskému. Struktura krajiny hraje významnou roli v řadě procesů, které v krajině probíhají. Často studovanými problematikami, spojenými se strukturou krajiny, jsou otázky biodiverzity, migrace rostlin a živočichů, populační ekologie (problematika metapopulací) apod. Struktura krajiny hraje též významnou roli v otázce utváření místního klimatu a ve výměně sluneční energie na povrchu (Guo et Schuepp, 1994). Krajina sestává ze skladebných částí neboli krajinných prvků, které jsou představovány ploškami (enklávy), koridory a krajinnou matricí (matrix). Krajinná matrice má tu vlastnost, že enklávy a koridory obklopuje (Forman et Godron, 1993). V závislosti na počtu, velikosti, tvaru a uspořádání prvků krajiny můžeme hodnotit celou řadu ukazatelů struktury krajiny, jako např. heterogenitu, fragmentaci, konektivitu a sdělnost prvků, zrnitost, mozaikovitost a kontrast (Sklenička, 2003; Forman, 1995). 16

Při hodnocení krajinné struktury je potřeba brát v úvahu též měřítko, ve kterém daný prostor hodnotíme (Farina, 1998), časové změny, prostorový rozsah zájmového území a možnosti zobrazovací přístrojové techniky, kterou pro hodnocení krajinné struktury využíváme. 2.4 Možnosti využití dat DPZ pro hodnocení funkčních a strukturních vlastností krajiny a jejich změn Dálkový průzkum Země hraje významnou roli při analýze krajiny, její funkce, struktury a změn, které v krajině probíhají. V územích zasažených povrchovou těžbou nerostů je tato role umocněna jejich dynamickým vývojem. Význam DPZ pro hodnocení funkce a struktury krajiny a změn, které v ní probíhají, spočívá v získání poznatků i v jejich využití pro plánování dalšího vývoje krajiny. V úvahu je brán ekonomický přínos a další ukazatele, jako jsou např. environmentální a rekreační funkce. 2.4.1 Dostupná družicová data Povrch Země snímají senzory družic s širokým rozsahem prostorového i spektrálního rozlišení. Přehled aktuálně dostupných dat komerčních družic uvádí např. Gisat (GISAT, 2013). Ke snímání povrchu Země pro účely posouzení jeho funkcí v regionálním a subregionálním měřítku jsou vhodné senzory s vysokým až velmi vysokým prostorovým rozlišením (desítky metrů až metry). Pro hodnocení krajinného krytu, krajinné struktury a funkčních ukazatelů krajiny jsou vhodná data se spektrálním rozsahem ve viditelné části elektromagnetického záření a v oblasti blízkého a středního infračerveného záření. Speciální klimatologické úlohy vyžadují též data v termální části elektromagnetického spektra. Vedle prostorového (velikost pixelu) a spektrálního rozlišení je významná též velikost scény pořizovaná družicí. Pro regionální studie na krajinné úrovni by snímaný pás území měl mít šíři v desítkách až stovkách kilometrů. Tyto požadavky dobře splňuje program družic LANDSAT, který je projektem amerického Národního úřadu pro letectví a vesmír (National Aeronautics and Space Administration NASA). Program probíhá od roku 1972. Jeho cílem je sledování Země v různých spektrech elektromagnetického vlnění k získání širokého rozsahu informací o povrchu Země. Po dobu trvání programu LANDSAT bylo postupně vypuš- 17

těno několik družic. Tyto družice mají subpolární dráhu letu a jsou vybaveny senzory, které v pravidelných intervalech snímají povrch Země ve viditelné a infračervené oblasti spektra. Na družicích se v průběhu jednotlivých misí používá několik typů senzorů: RBV (Return Beam Vidicon) MSS (Multispectral Scanner) TM (Thematic Mapper) ETM (Enhanced Thematic Mapper) ETM+ (Enhanced Thematic Mapper plus) OLI (Operational Land Imager) TIRS (Thermal Infrared Sensor) Předkládaná metodika pracuje s daty družicových senzorů LANDSAT 4 TM, LANDSAT 5 TM a LANDSAT 7 ETM+. Tyto senzory disponují srovnatelným a dostatečně velkým prostorovým rozlišením a vhodnou kompozicí snímaných rozsahů viditelného i infračerveného spektra. V únoru 2013 se podařilo vynést na oběžnou dráhu další družici programu LANDSAT, která nese senzory OLI a TIRS. Ty svými parametry dobře korespondují se senzory TM a ETM+. Již v průběhu roku 2013 družice začala pořizovat data a je zaručena kontinuita dat a konzistence s daty předchozími. Senzory TM a ETM+ snímají povrch Země v pravidelných 16denních cyklech a dané místo na povrchu Země je snímáno vždy přibližně ve stejnou denní dobu. V případě ČR je snímání provedeno v úzkém časovém úseku několika desítek sekund v intervalu přibližně 9.00 a 10.00 světového času (10.00 a 11.00 středoevropského času, resp. 11.00 a 12.00 středoevropského letního času). Znalost přesného času přeletu družice (času pořízení satelitního snímku) je důležitá pro správné provedení radiometrických korekcí. Časové rozmezí pořízení satelitního snímku je zaznamenáno v jeho metadatech. Družicový senzor LANDSAT 4 TM pracoval od července 1982 do roku 1993 a snímal elektromagnetické záření v 7 spektrálních kanálech (Tab. 1). Na přelomu 80. a 90. let 20. st. družice snímkovala území ČR v cca 8.58 světového času. Družicový senzor LANDSAT 5 TM pracoval od března 1984 do listopadu 2011. Poskytuje dlouhou řadu satelitních snímků, spolu se snímky senzoru LANDSAT 4 TM, vhodných pro sledování časových změn povrchu Země. Senzor TM družice LANDSAT 5 snímal elektromagnetické záření v 7 spektrálních kanálech, stejně jako 18

v případě družice LANDSAT 4 (Tab. 2). Denní doba přeletu nad ČR se v průběhu provozu družice značně měnila, v první polovině osmdesátých let se pohybovala kolem 9.30 světového času, na konci své životnosti kolem roku 2010 se doba přeletu pohybovala mezi 9.40 a 9.50 světového času. Družice LANDSAT 7 ETM+ pracuje od dubna 1999. V květnu 2003 došlo k neodstranitelné závadě, kvůli které družice dodává neúplná data (vynechané řádky ve snímcích). Senzor ETM+ snímá elektromagnetické záření v 8 spektrálních kanálech (Tab. 3). Na počátku své mise přelétala družice území ČR cca v 9.40 světového času, v roce 2012 kolem 9.45 světového času (v letním období v 11.45 SELČ). V tuto dobu je již slunce dostatečně vysoko, nevytváří dlouhé stíny a jsou zřejmé výraznější projevy povrchů krajiny. Zároveň se před polednem za jasných dní zpravidla ještě nevytváří kupovitá oblačnost, která brání snímání. Tab. 1. Charakteristika senzoru TM družice LANDSAT 4. Kanál č. Spektrální Střed spektrálního Prostorové rozsah rozsahu rozlišení [μm] [µm] [m] 1 0,452 0,518 0,485 30 2 0,529 0,609 0,569 30 3 0,624 0,693 0,659 30 4 0,776 0,905 0,841 30 5 1,568 1,784 1,676 30 6 10,42 11,66 11,040 120 7 2,097 2,347 2,222 30 Tab. 2. Charakteristika senzoru TM družice LANDSAT 5. Kanál č. Spektrální Střed spektrálního Prostorové rozsah rozsahu rozlišení [μm] [µm] [m] 1 0,452 0,518 0,485 30 2 0,528 0,609 0,569 30 3 0,626 0,693 0,660 30 4 0,776 0,904 0,840 30 5 1,567 1,784 1,676 30 6 10,45 12,42 11,435 120 7 2,097 2,349 2,223 30 19

Tab. 3. Charakteristika senzoru ETM+ družice LANDSAT 7 (low gain verze, viz metadata konkrétního satelitního snímku). Kanál č. Spektrální Střed spektrálního Prostorové rozsah rozsahu rozlišení [μm] [µm] [m] 1 0,452 0,514 0,483 30 2 0,519 0,601 0,560 30 3 0,631 0,692 0,662 30 4 0,772 0,898 0,835 30 5 1,547 1,748 1,648 30 6 10,31 12,36 11,335 60 7 2,065 2,346 2,206 30 8 0,515 0,896 0,706 15 2.4.2 Dostupnost satelitních dat LANDSAT v rámci ČR Satelitní snímky LANDSAT TM a ETM+, včetně jejich metadat, lze získat volným stažením z internetových stránek oficiálního poskytovatele, společnosti Geologický průzkum USA (United States Geological Survey USGS). Snímky jsou poskytovány v rastrových formátech GEO- TIFF a jsou převzorkovány metodou kubické konvoluce, proto je nutné počítat s tím, že radiometrická informace je u nich oproti skutečnosti mírně posunuta. Snímky je možné prohlížet nebo stáhnout na stránkách: USGS GloVis (http://glovis.usgs.gov/) USGS Earth Explorer (http://earthexplorer.usgs.gov/) USGS LANDSATlook, webová prohlížečka dostupných dat Eurimage (http://landsatlook.usgs.gov/) GISAT Archiv družicových dat pro ČR a SR (http://vhrcatalog.gisat.cz/) V případě, že je pro konkrétní účely (analýza malých území, statistické výpočty) žádoucí získat přesná data s radiometrickou informací, která není žádným procesem posunuta, je možné zakoupit satelitní snímky vzorkované metodou nearest neighbour. V Evropě má k družicovým datům LANDSAT práva Evropská kosmická agentura (European Space Agency ESA) a jejich distributorem je společnost Eurimage S.p.A. V České republice lze zmíněná data pořídit přes distributorské společnosti, jako jsou GISAT s.r.o. nebo ARC- DATA Praha s.r.o. Data LANDSAT je možné objednat v různých výměnných formátech (FAST, CEOS, NLAPS, HDF či GEO-TIFF) podle používaného softwaru. 20

2.4.3 Předzpracování satelitních snímků LANDSAT TM a ETM+ Satelitní snímky lze zpracovávat v různých softwarových prostředích k tomu určených. Tato metodika pracuje s programy IDRISI Taiga (Clark Labs) a Geomatica (PCI Geomatics), nicméně zpracovatelské postupy jsou obdobné i v dalších často používaných programech (ENVI, ecognition, ERDAS IMAGINE apod.). Zpracování satelitních snímků probíhá v několika navazujících krocích (Obr. 1): 1. Radiometrické a atmosférické korekce korekce vlivu parametrů snímacího senzoru, vlivu pozice Země a Slunce a vlivu atmosféry na radiometrickou informaci v satelitním snímku. 2. Geometrické korekce registrace a rektifikace uvedení satelitního snímku do požadovaného souřadného systému a jeho polohování v souladu s již registrovanými daty. 3. Výpočet požadovaných veličin výpočet požadovaných parametrů povrchu Země zaznamenaného na satelitním snímku matematickými a logickými algoritmy z hodnot pixelů rastru satelitního snímku. Georeference (uvedení do souřadného systému); Výřez hodnoceného zájmového území; Radiometrické korekce (vyloučení rušivých vlivů, např. atmosféry, na radiometrickou informaci z povrchu Země) Prvotní satelitní snímek Landsat 5 TM Georeferencovaný oříznutý snímek po radiometrických a atmosférických korekcích Analýza hlavních komponent Výpočet parametrů povrchu Rastr Funkčního indexu Rastr NDVI Statistické zpracování Rastr indexu Wetness Rastr teploty povrchu Prvotní satelitní snímek: ESA, distr. EURIMAGE Obr. 1. Schéma zpracování družicového snímku na příkladu LANDSAT 5 TM. 21

Radiometrické korekce Radiometrické korekce lze provést pomocí různě sofistikovaných přístupů. V první fázi je na základě přístrojových koeficientů (offset a gain) satelitního senzoru přepočítána bezrozměrná DN (Digital Number) hodnota pixelů v hrubém satelitním snímku na hodnotu spektrální radiance. Spektrální radiance je hodnota energie záření dopadajícího na satelitní senzor. Přepočet se provádí podle vztahu (Chander et al., 2009): kde je L λ spektrální radiance záření dopadajícího na satelitní senzor [W.m -2.sr -1.μm -1 ], DN bezrozměrná hodnota konkrétního pixelu v hrubém satelitním snímku, gain zesilovací faktor satelitního senzoru [W.m -2.sr -1.μm -1.DN -1 ], offset hodnota energetické báze satelitního senzoru [W.m -2.sr -1.μm -1 ]. Pro provedení přepočtu je nutné znát hodnoty koeficientů offset a gain charakteristické pro každý typ satelitního senzoru. Předletové (předprovozní) kalibrační hodnoty těchto koeficientů pro senzory LANDSAT 4 TM a LANDSAT 5 TM a provozní hodnoty, vypočítané z hodnot spektrální radiance pro senzor LANDSAT 7 ETM+ uvádí Schowengerdt (2007). Vzhledem ke stárnutí a souvisejícím materiálovým degradacím senzorů se v průběhu letu satelitů hodnoty offset a gain s časem mění. Tento efekt je patrný z měnících se odvozených hodnot offset a gain v průběhu času u senzoru LANDSAT 5 TM (Chander et Markham, 2003). Proto byly po opakovaných různých typech kalibrací stanoveny hodnoty, které jsou doporučeny k použití pro celá období provozu satelitních senzorů (Chander et al., 2009). Přepočet DN hodnoty na spektrální radianci lze alternativně provést přiřazením minimální a maximální hodnoty spektrální radiance k minimálním a maximálním DN hodnotám pixelů v hrubém satelitním snímku. Při znalosti minimální a maximální spektrální radiance lze vypočítat hodnoty offset a gain užitím vztahů (Chander et al., 2009): 22

kde je Lmin λ minimální spektrální radiance (odpovídající nejnižšímu DN) [W.m -2.sr -1.μm -1 ], Lmax λ maximální spektrální radiance (odpovídající nejvyššímu DN) [W.m -2.sr -1.μm -1 ], DN min bezrozměrná minimální hodnota DN v hrubém satelitním snímku odpovídající nejnižší spektrální radianci, DN max bezrozměrná maximální hodnota DN v hrubém satelitním snímku odpovídající nejvyšší spektrální radianci. Atmosférické korekce Nejjednodušší metodou je metoda substrakce nejtmavšího pixelu Dark Object Substraction (Schowengerdt, 2007). Tato metoda odečítá DN hodnotu nejtmavšího pixelu v družicové scéně od DN hodnoty všech pixelů ve scéně s cílem odstranit hodnotu šumu způsobeného atmosférou. Vliv atmosféry se odstraňuje využitím jednoduchého postupu, při kterém je zjištěna DN hodnota odraženého záření od povrchů, které by se měly jevit jako absolutně černé (např. čistá hluboká jezera). Teoreticky by se měla hodnota energie odraženého záření u takových povrchů blížit nule. Tato DN hodnota se odečte od DN hodnoty záření každého pixelu v celém snímku, neboť je považována za odraz, způsobený právě sloupcem atmosféry (DN haze). Metoda substrakce nejtmavšího pixelu, metody lineární kombinace analýzy hlavních komponent a odvozené metody nepočítají s úpravou a standardizací geometrie dopadajícího a odraženého záření. Tyto metody rozdělují variabilitu dat do jednotlivých komponent podle jejich ortogonality (Lepš et Šmilauer, 2000). Čtvrtá komponenta představuje tzv. šum, který je odstraněn při zpětném rozkladu variability mezi jednotlivá spektrální pásma. Čtvrtá komponenta není do výpočtu zahrnuta, je odstraněna. Možné je též využití Fourierovské spektrální analýzy (Menenti et al., 1995). Do atmosférických transformací je možné zahrnout též úpravu a standardizaci geometrie záření. Zde jsou využívány různé sofistikované metody obsažené v modelech, jako je COST nebo ATCOR. Model COST je používán v softwaru IDRISI (modul AT- MOSC) a model ATCOR v softwarech PCI GEOMATICA, ERDAS IMAGINE MODTRAN, FLAASH, 6S apod. Porovnání různých pří- 23

stupů uvádějí Mahiny et Turner (2007), Norjamäki et Tokola (2007) a Hadley et al. (2005). Metoda COST dosahuje dobrých výsledků z důvodu snadné dosažitelnosti potřebných dat pro korekci. Tuto metodu popisuje Chavez (1996). Jedná se o rozšířenou metodu nejtmavšího pixelu (Schowengerdt, 2007). Navíc zavádí korekci množství odraženého slunečního záření od Zemského povrchu, které se mění s úhlem záření dopadajícího na povrch Země. Tento vliv je vypočítán podle vztahu: kde kde je T vliv úhlu dopadajícího slunečního záření na jeho energii [bezrozměrná hodnota], θ úhel odchylky Slunce od zenitu ( solar zenith angle ) [ ], α výška Slunce nad obzorem ( solar elevation ) [ ]. Metoda COST s použitím údaje o výšce Slunce nad obzorem zavádí korekci absorpce záření atmosférickými plyny a korekci Rayleighova rozptylu. Korekce pomocí metody COST se v modulu ATMOSC softwaru IDRISI provádí pro každý kanál satelitního snímku zvlášť. Pro správné provedení radiometrických korekcí je třeba zadat do protokolu modulu ATMOSC některá známá data: Střední hodnotu spektrálního rozsahu kanálu, ve kterém byl snímek pořízen. Tuto hodnotu lze určit z rozsahu vlnových délek kanálu satelitního snímku. Rozsahy vlnových délek a střední hodnoty spektrálních rozsahů jednotlivých kanálů pro senzory TM a ETM+ jsou uvedeny v Tab. 1, Tab. 2 a Tab. 3. Přesné datum a přesný čas nasnímání satelitního snímku. Tyto údaje jsou standardně obsaženy v metadatech každého satelitního snímku. Úhel sklonu roviny snímání senzoru. Pro LANDSAT 4, LANDSAT 5 i LANDSAT 7 je tento úhel 8,2 (Satellite viewing angle). 24

Tab. 4. Spektrální rozsahy, rozsahy spektrálních radiancí a hodnoty gain a offset a solární irradiance pro satelitní senzory TM družic LANDSAT 4 a LANDSAT 5. Zdroj: Chander et al. (2009), upraveno. TM Senzory (Q calmin = 1 a Q calmax = 255) Pásmo Spektrální rozsah [μm] Střed spektrálního rozsahu [μm] Lmin λ [W.m -2.sr -1.μm -1 ] Lmax λ [W.m -2.sr -1.μm -1 ] Gain [W.m -2.sr -1.μm -1. DN -1 ] Offset [W.m -2.sr -1.μm -1 ] ESUN λ [W.m -2.μm -1 ] L4 TM (NLAPS) 1 0,452 0,518 0,485 1,52 152,10 0,602431 1,52 1983 2 0,529 0,609 0,569 2,84 296,81 1,175098 2,84 1795 3 0,624 0,693 0,659 1,17 204,30 0,805765 1,17 1539 4 0,776 0,905 0,841 1,51 206,20 0,814549 1,51 1028 5 1,568 1,784 1,676 0,37 27,19 0,108078 0,37 219,8 6 10,42 11,66 11,040 1,2378 15,3032 0,055158 1,2378 N/A 7 2,097 2,347 2,222 0,15 14,38 0,056980 0,15 83,49 L4 TM (LPGS) 1 0,452 0,518 0,485 1,52 163 0,647717 2,17 1983 1,52 171 0,679213 2,20 2 0,529 0,609 0,569 2,84 336 1,334016 4,17 1795 3 0,624 0,693 0,659 1,17 254 1,004606 2,17 1539 4 0,776 0,905 0,841 1,51 221 0,876024 2,39 1028 5 1,568 1,784 1,676 0,37 31,4 0,125079 0,50 219,8 6 10,42 11,66 11,040 1,2378 15,3032 0,055376 1,2378 N/A 7 2,097 2,347 2,222 0,15 16,6 0,065945 0,22 83,49 L5 TM (LPGS) 1 0,452 0,518 0,485 1,52 169 0,671339 2,19 1983 1,52 193 0,765827 2,29 2 0,528 0,609 0,569 2,84 333 1,322205 4,16 1796 2,84 365 1,448189 4,29 3 0,626 0,693 0,660 1,17 264 1,043976 2,21 1536 4 0,776 0,904 0,840 1,51 221 0,876024 2,39 1031 5 1,567 1,784 1,676 0,37 30,2 0,120354 0,49 220,0 6 10,45 12,42 11,435 1,2378 15,3032 0,055376 1,18 N/A 7 2,097 2,349 2,223 0,15 16,5 0,065551 0,22 83,44 Pozn. 1: Pro data ve formátu NLAPS je hodnota Q calmin = 0. Pro data ve formátu LPGS je hodnota Q calmin = 1. Pozn. 2: Hodnota Lmin λ je typicky malé záporné číslo, proto se projeví jako malá kladná hodnota DN, a to i v případě šumu senzoru (typicky má hodnotu 1 DN nebo méně [1 sigma]). Tato hodnota se obvykle v průběhu mise satelitu nemění. Pozn. 3: V polovině roku 2009 byl změněn formát dat z NLAPS na LPGS, který používá IC kalibraci. Data LANDSAT 4 TM ve formátu LPGS jsou radiometricky kalibrována novým dlouhodobým modelem s revidovanými kalibračními parametry. Pro tato data použijte parametry z metadat, která obdržíte spolu s daty, nikoliv zde zmíněné hodnoty. Šedě vyznačené hodnoty jsou revidované (Lmax λ = 163) kalibrační rozsahy pro data LANDSAT 4 TM kanálu 1, pořízená mezi 16.7.1982 (start) a 23.8.1986. Pozn. 4: Radiometrické škálující koeficienty pro data LANDSAT 5 TM, kanály 1 a 2 pro přibližně prvních 8 let (1984 1991) mise byly změněny, aby byl optimalizován jejich dynamický rozsah a aby lépe odpovídaly citlivosti dat v prvních letech mise. Šedě vyznačené hodnoty jsou revidované (Lmax λ = 169,333) postkalibrační dynamické rozsahy pro data LANDSAT 5 TM kanálů 1 a 2, pořízená mezi 1.3.1984 (start) a 31.12.1991 (Chander et al., 2007). 25

Hodnotu nejtmavšího pixelu. Výšku Slunce nad horizontem v okamžiku snímání. Tento údaj je standardně obsažen v metadatech každého satelitního snímku (Sun elevation). Hodnoty přístrojových koeficientů offset, gain, minimální a maximální spektrální radiance na satelitním snímku. Tyto hodnoty pro satelitní senzory TM i ETM+ uvádí Chander et al. (2009), (Tab. 4 a Tab. 5). Do protokolu modulu ATMOSC se hodnoty offset, gain, Lmin λ a Lmax λ zadávají v jednotkách [mw.cm -2.sr -1.μm -1 ], resp. [mw.cm -2.sr -1.μm -1.DN -1 ]. Hodnoty, které jsou uvedené v Tab. 4 a Tab. 5, je pro účely zadání do protokolu ATMOSC nutné dělit koeficientem 10, protože jsou vyjádřené v jednotkách [W.m -2.sr -1.μm -1 ], resp. [W.m -2.sr -1.μm -1.DN -1 ]. Tab. 5. Spektrální rozsahy, rozsahy spektrálních radiancí a hodnoty gain a offset a solární irradiance pro satelitní senzor ETM+ družice LANDSAT 7. Zdroj: Chander et al. (2009), upraveno. L7 ETM+ Senzor (Q calmin = 1 a Q calmax = 255) Pásmo Spektrální rozsah [μm] Střed spektrálního rozsahu [μm] Lmin λ [W.m -2.sr -1.μm -1 ] Lmax λ [W.m -2.sr -1.μm -1 ] Gain [W.m -2.sr -1.μm -1. DN -1 ] Offset [W.m -2.sr -1.μm -1 ] ESUN λ [W.m -2.μm -1 ] Low gain (LPGS) 1 0,452 0,514 0,483 6,2 293,7 1,180709 7,38 1997 2 0,519 0,601 0,560 6,4 300,9 1,209843 7,61 1812 3 0,631 0,692 0,662 5,0 234,4 0,942520 5,94 1533 4 0,772 0,898 0,835 5,1 241,1 0,969291 6,07 1039 5 1,547 1,784 1,648 1,0 47,57 0,191220 1,19 230,8 6 10,31 12,36 11,335 0,0 17,04 0,067087 0,07 N/A 7 2,065 2,346 2,206 0,35 16,54 0,066496 0,42 84,90 PAN 0,515 0,896 0,706 4,7 243,1 0,975591 5,68 1362 High gain (LPGS) 1 0,452 0,514 0,483 6,2 191,6 0,778740 6,98 1997 2 0,519 0,601 0,560 6,4 196,5 0,798819 7,20 1812 3 0,631 0,692 0,662 5,0 152,9 0,621654 5,62 1533 4 0,772 0,898 0,835 5,1 157,4 0,639764 5,74 1039 5 1,547 1,748 1,648 1,0 31,06 0,126220 1,13 230,8 6 10,31 12,36 11,335 3,2 12,65 0,037205 3,16 N/A 7 2,065 2,346 2,206 0,35 10,80 0,043898 0,39 84,90 PAN 0,515 0,896 0,706 4,7 158,3 0,641732 5,34 1362 26

Geometrické korekce registrace a rektifikace Geometrické korekce slouží k prostorové úpravě snímku tak, aby prostorová data odpovídala skutečnosti. Registrace umožňuje usazení satelitního snímku do souřadného systému (v ČR je doposud nejrozšířenější S-JTSK, často se používají také S-42 nebo WGS84). Rektifikace neboli prostorová transformace umožňuje polohování v souladu s již registrovanými a rektifikovanými daty. Registrace a rektifikace jsou prováděny standardní metodou polynomické regrese (Schowengerdt, 2007). Metoda spočívá v určení shodných (vlícovacích) bodů ve zpracovávaném rastru s body v již registrovaném a rektifikovaném rastru. Na základě těchto vlícovacích bodů je zpracovávaný rastr pomocí regresních polynomických rovnic polohován v souladu se svým podkladem. Registraci a rektifikaci lze nejlépe provést v modulu Ortho Engine programu Geomatica metodou sběru vlícovacích bodů ( GCP collection ), (PCI Geomatics, 2003). Na stejném principu lze provést registraci a rektifikaci pomocí modulu Resample v programu IDRISI. 2.4.4 Hodnocení funkce krajiny s využitím dat DPZ Funkční aspekty krajiny můžeme hodnotit ve dvou rovinách na základě: 1. popisu funkčních procesů (spektrální a odvozené empirické indexy a jejich kombinace), 2. modelování biofyzikálních vlastností povrchu a dynamických veličin ve fyzikálním rozměru. První skupina metod představuje využití podílových nebo ortogonálních indexů pro relativní odhady vegetačních charakteristik, vlhkosti povrchu, drsnosti povrchu, stresu vegetačního krytu a vlastností půdy (Dobrovolný, 1998). Tyto indexy zpravidla korelují s některou sledovanou proměnnou a po kalibraci je lze v některých případech použít jako kvantitativní ukazatele. Druhá skupina metod je představována modelováním vlastností a funkcí povrchu ve fyzikálním rozměru. Jedná se zpravidla o složky radiační a tepelné bilance povrchu, odvozených ukazatelů a dalších indexů. Součástí zpracování družicových dat, za účelem výpočtu složek radiační a tepelné bilance, jsou terénní měření 27