Téma: Dálkový průzkum Země Časová dotace: 3 hodiny Pracovní listy s komponentou ICT Cíl: Pochopení principu dálkového průzkumu Země, práce se snímkem v prostředí programu MultiSpec, zobrazování snímku v jednotlivých kanálech a interpretace snímku. Pomůcky: počítač, program MultiSpec, snímek Starého Města (snímek dálkového průzkumu Země), snímek části Washingtonu DC. Teoretická východiska: Dálkovým průzkumem Země (DPZ; angl. remote sensing) označujeme získávání a interpretaci informací o objektech a jevech reálného světa bez přímého kontaktu s nimi. Dálkový průzkum Země je tedy soubor metod a technických postupů zabývajících se pozorováním a měřením objektů, jevů a procesů na zemském povrchu a ve styčných nadpovrchových a podpovrchových vrstvách bez přímého kontaktu s nimi. DPZ se zabývá zpracováním takto získaných geodat za účelem získání informací o geometrických, tematických a temporálních vlastnostech těchto objektů, jevů a procesů. Při metodách dálkového průzkumu Země se používají různé snímače, které jsou umístěné na nosičích. Nosiči jsou zpravidla letadla nebo umělé družice Země. Tyto snímače jsou citlivé na elektromagnetickou energii z různých částí kmitočtového spektra. Nejčastěji tyto snímače pracují s viditelným světelným zářením, tepelným (infračerveným) zářením a mikrovlnným zářením. Zdrojem elektromagnetického záření může být Slunce (pak měříme energii záření odraženého od povrchu Země a objektů na něm se nacházejících) nebo Země (která aktivně vyzařuje především v infračervené části spektra). V těchto případech mluvíme o pasivních snímačích. Nicméně zdrojem záření může být i samotné průzkumné zařízení, které aktivně vysílá elektromagnetické záření směrem k Zemi a registruje jeho odraženou část. Pak mluvíme o tzv. aktivních snímačích. Na obrázku 1 je schematicky znázorněn celý proces dálkového průzkumu Země. Celý proces je složen ze sedmi složek, resp. kroků: 1. Zdroj energie nebo osvětlení (A): dálkovým průzkum Země vyžaduje, aby byl k dispozici energetický zdroj ozařující nebo poskytující elektromagnetickou energii studovanému objektu. Zdrojem může být Slunce nebo nosič. 2. Záření a atmosféra (B): při šíření elektromagnetického záření ze zdroje ke studovanému objektu a následně ke snímači je toto záření ovlivňováno atmosférou, kterou prochází. 1
3. Interakce se studovaným objektem (C): jakmile záření projde atmosférou a dopadne na studovaný objekt, dojde k jejich vzájemné interakci, jejíž výsledek závisí jednak na vlastnostech dopadajícího záření a jednak na vlastnostech studovaného objektu. 4. Záznam odražené energie snímačem (D): záření odražené (nebo emitované) studovaným objektem je po průchodu atmosféru zachyceno vzdáleným sensorem, který zaznamenává energii tohoto záření. 5. Přenos, příjem a zpracování (E): zaznamenaná energie dopadajícícho záření musí být přenesena (zpravidla elektronicky, méně často v podobě exponovaného filmového materiálu) na přijímající a zpracovávající stanici, kde jsou z přijatých dat sestavovány obrazy (ať už v analogové nebo digitální podobě). 6. Analýza a interpretace (F): sestavený obraz je analyzován a interpretován (ať už vizuálně nebo elektronicky/digitálně), abychom získali požadované informace o studovaném objektu. 7. Aplikace (G): a konečně posledním krokem dálkového průzkumu Země je aplikace informací o studovaném objektu získaných z obrazu při řešení konkrétního úkolu, studiu vlastností daného objektu apod. Obrázek 1: Schematické znázornění jednotlivých fází procesu dálkového průzkumu Země Pro pochopení výsledného snímku musíme znát spektrální charakteristiky materiálů. Tyto charakteristiky jsou závislé na výsledku selektivní absorpce slunečního záření těmito materiály. Jsou tedy závislé na vlnové délce dopadajícího záření, jsou klíčem k rozpoznávání různých materiálů nacházejících se na povrchu Země. Například odrazivost suchých půd v pásmu od viditelné části spektra směrem k blízké infračervené části postupně narůstá, s vrcholem v oblasti střední infračervené části spektra. Lokální poklesy odrazivosti jsou dány vlastnostmi (pohltivostí) jílových minerálů. Spektrální charakteristika vegetace je výrazně odlišná. Ve viditelné části spektra je odrazivost relativně malá, s menším vrcholem v oblasti zelené barvy. Díky tomu vidíme vegetaci 2
zeleně. Nízká odrazivost je dána pohlcování světelného záření chlorofylem. Hluboká čistá voda dobře pohlcuje všechny vlnové délky mimo viditelnou část spektra. Výsledkem je téměř nulová odrazivost v oblasti infračervené části spektra. Díky tomu lze na infračervených snímcích identifikovat vodní plochy poměrně snadno podle jejich černé barvy (obr. 2). Obrázek 2: Křivky spektrální odrazivost suché půdy a vegetace. Postup: 1. Z Internetu si stáhněte program MultiSpec. Program MultiSpec je volně šiřitelný program, který slouží především k testování algoritmů klasifikace multispektrálního obrazu. Program je neustále vyvíjen v nových verzích a průběžně aktualizován. Můžete jej najít na následující adrese: https://engineering.purdue.edu/~biehl/multispec/download_win.html. S pomocí programu lze především vizualizovat digitální obrazová data v obecném formátu IMG, BIL nebo LAN. Soubory s koncovkou.lan jsou obecně vícepásmové, soubory s koncovou.gis jsou jednopásmové zobrazují se s legendou a obsahují například výsledky klasifikace obrazu či trénovací data. Úkol 1: Stáhněte si program MultiSpec. 2. Celý program je tvořen jediným souborem, který stačí po stažení z Internetu rozbalit do příslušné složky. Po poklepání na ikonku programu se otevře hlavní okno programu, které uvnitř sebe obsahuje okno s názvem Text Output. Do tohoto okna jsou směřovány veškeré textové výstupy z jednotlivých operací zpracování a lze je uložit do textového souboru posloupnosti příkazu (File Save Text Output As). Plocha hlavního okna obsahuje na pracovní liště ikony, které slouží k otvírání souboru, k práci se schránkou a zoomování. Veškeré funkce programu jsou ukryty pod osmi položkami hlavní nabídky. File slouží k otvírání a ukládání veškerých datových souborů. Edit je nástroj určený především pro práci 3
se schránkou. Project umožní zakládání nových projektů, práci s projekty již existujícími, přidávání obrazových souborů do projektu apod. Processor je nejdůležitější položka, protože obsahuje analytické nástroje programu. Umožňuje provádět řízenou či neřízenou klasifikaci obrazu, transformovat snímek metodou hlavním komponent, měnit parametry zobrazení snímků atd. Nabídka Option slouží pro operace s paletami barev, Window umožňuje základní operace s okny a nabídka Help obsahuje informace o používané verzi programu. Úkol 2: Spusťte si program MultiSpec. 3. Snímky DPZ si zobrazíme pomocí volby File Open Image. Otevře se nám standardní okno pro výběr souboru. V příslušném adresáři vyberte soubor typu LAN. Následující panel s názvem Set Display Specifications umožňuje nastavit parametry ovlivňující způsob následného zobrazení zvoleného snímku. Veškerá nastavení obsahují úvodní hodnoty a tedy není nutné je měnit. Význam hlavních parametrů je následující: Area to Display umožní zobrazit celý obrazový soubor nebo jeho část. Display zobrazí jedno pásmo obrazu ve stupních šedi nebo všechna pásma obrazu vedle sebe (Side by Side) nebo vytvoří barevnou syntézu ze dvou či tří pásem obrazu. Parametr Magnification nastavuje úvodní zvětšení snímku. Enhancement představuje úvodní způsob úpravy kontrastu snímku. Snímek může být vizualizován s hloubkou obrazu 8 či 24 bitů (True Color). Chanels: v případě barevné syntézy se volí dvě či tři pásma, která budou ve výsledné barevné syntéze představovat její červenou, zelenou resp. modrou složku. Úkol 3: Otevřete si soubor s příponou.lan Úkol 4: Vytvořte syntézu snímku v přirozených barvách TM321 (RGB). Úkol 5: Vytvořte syntézu snímku v nepravých barvách TM431 a napište, co je na snímku znázorněno červenou, zelenou a modrou barvou. 4
Obrázek 3: Zobrazení snímku v TM321. Obrázek 4: Zobrazení snímku v TM431. 5
Úkol 6: Co vyjadřují barvy při znázornění TM741? Pro snadnější analýzu snímku použij následující tabulku, která znázorňuje spektrální pásma multispektrálního skeneru Landsat TM. Úkol 7: Jaké další volby chanels jsou vhodné pro analýzu tohoto družicového snímku? Pásmo Vlnová délka (µm) Název pásma 1 0.45-0.52 modré 2 0.52-0.60 zelené 3 0.63-0.69 červené 4 0.76-0.90 blízké infračervené 5 1.55-1.75 střední infračervené 6 10.4-12.5 termální infračervené 7 2.08-2.37 střední infračervené Základní aplikace Hodnocení pronikání vodními tělesy. Mapování pobřežních vod. Odlišování půdy a vegetace. Mapování lesních porostů. Identifikace kulturních objektů. Měření odraznosti vegetace pro odlišení a ohodnocení stupně vývoje. Identifikace kulturních objektů. Vzhledem k citlivosti v chlorofylové oblasti vhodné pro rozlišování rostlinných druhů. Identifikace kulturních objektů. Určování vegetačních typů a jejich vitality a množství biomasy. Okonturování vodních těles. Rozlišování půdní vlhkosti. Indikace rostlinné a půdní vlhkosti. Aplikace termálního mapování. Analýza postižení vegetace. Odlišování půdní vhkosti. Aplikace termálního mapování. Odlišování nerostů a hornin. Stanovování rostlinné vlhkosti. Obrázek 5: Spektrální pásma multispektrálního skeneru Landsat TM. Použitá literatura a prameny: https://engineering.purdue.edu/~biehl/multispec/hyperspectral.html https://engineering.purdue.edu/~biehl/multispec/ http://www.ccrs.nrcan.gc.ca/resource/tutor/fundam/images/rsprocess.gif http://geologie.vsb.cz/geoinformatika/img/0816.gif http://www.geogr.muni.cz/archiv/vyuka/dpz_cviceni/texty/dzo_cvic_09.html RAPANT, Petr. Geoinformatika a geoinformační technologie. Ostrava : Institut geoinformatiky, VŠB-TU Ostrava, 2006. 513 s. ISBN 80-248-1264-9. 6