AKTUALITY ŠUMAVSKÉHO VÝZKUMU II str. 49 55 Srní 4. 7. října 2004 Změny teplotně-vlhkostních parametrů krajinného krytu jako důsledek rozpadu horských smrčin Changes in land cover temperature and humidity parameters resulting from spruce forests decay Martin Hais 1, * & Jan Pokorný 2 1 Laboratoř aplikované ekologie, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Zemědělská fakulta, Studentská 1, CZ-7005 České Budějovice, Česká republika 2 ENKI, o.p.s. Dukelská 145, CZ-7901 Třeboň, Česká republika *martin.hais@seznam.cz Abstract The objective of the paper is to study the impact of Bohemian Forest mountainous spruce forest decay on changes in the land cover temperature and humidity. To assess temperature and humidity parameters, the Landsat 5 TM and Landsat 7 ETM+ data were analysed. The satellite scenes were taken on July 11, 1987 and July 28, 2002. To calculate the land cover temperature the 6 th thermal channel TM and ETM+ was used. The assessment of humidity was based on the land cover wetness index calculated by the Tasseled Cup method. For comparability reasons, values were transformed into relative categories. In this case, the equiareal method was used. Temporal comparison of relative data (temperature, the wetness index) was performed on the basis of a matrix analysis. The study confirms the assumption that decay of mountain spruce forests in the central Bohemian Forest leads to changes in land cover relative temperatures, specifically to a significant warming. Such changes are supported by the fact that the relative seven-grade temperature scale mostly showed shifts from the first (the coldest) class to the seventh class (the warmest) in the bark beetle calamity areas. The wetness index values declined significantly also during the bark beetle calamity in the Březník area. Increase in land cover relative temperature and decrease in the wetness index values in the central Bohemian Forest imply significant environmental changes that may lead to changes in the energy-substance balance of the area, or to formation of hydrological runoff in the river basin. Key words: temperature changes, moisture changes, remote sensing, Landsat ÚVOD Povrchy základních strukturních složek v krajině mají svůj typický teplotně-vlhkostní projev. Pro teplejší část roku, zejména v létě (bez výrazných srážek či extrémních výkyvů teplot) se v našich zeměpisných šířkách během dne uspořádá charakteristická distribuce teplot a vlhkostí. Vodní a lesní ekosystémy mají v letních měsících relativně nejnižší teploty a nejvyšší vlhkost, naopak holé půdy, zástavba a zemědělské plochy vykazují relativně nejvyšší teploty a nejnižší vlhkosti. Příčin změn teplot a vlhkostí krajinného krytu může být celá řada. Ve fyzikálním principu jde ovšem o změnu poměru mezi odrazem slunečního záření, evapotranspirací a pociťovým teplem (POKORNÝ 2001). Uhynutí stromů na velkých plochách je provázeno snížením transpirace, tedy posunem tepla od skupenského k teplu zjevnému. Zvýšení podílu zjevného tepla a snížení skupenského bylo prokázáno v rozpadlé horské smrčině pozemním měřením (HOJDOVÁ 200). V této studii je středem zájmu vliv rozpadu hor- 49
ských smrčin na Šumavě na změnu teplot a vlhkostí krajinného krytu a následná změna krajinných funkcí. Změna distribuce teplot a vlhkostí krajinného krytu může mít na jedné straně důsledky pro změny mikroklimatu a energetické bilance daného území (RIPL 1992, RIPL et al. 1996) na straně druhé pro režim odtoku vody, který odráží retenční schopnost krajiny a mikroklimatické podmínky. Dálkový průzkum Země představuje výborný nástroj pro hodnocení teplotně-vlhkostních změn krajinného krytu, výhodou je samotná plošná povaha dat, která na rozdíl od bodových měření přináší lepší představu o rozložení hodnot v krajině. Druhou výhodou je u starších družicových systémů (například Landsat 4 a 5) využití i scén pořízených až před dvaceti lety. Díky tomu je možné hodnotit scény z období před nástupem kůrovcové kalamity a srovnat tyto výsledky s aktuálním stavem. Cílem této studie bylo identifikovat případné změny teplotně-vlhkostních parametrů krajinného krytu v důsledku rozpadu horských smrčin v oblasti centrální Šumavy prostřednictvím srovnání analýz multispektrálních družicových scén z let 1987 a 2002. Cíl práce vychází z několika základních domněnek a hypotéz. Faktická hypotéza je založena na předpokladu, že rozpad horských smrčin vlivem lýkožrouta smrkového způsobí, že smrkové porosty přestanou plnit funkci vegetace. To se projeví snížením akumulace vody, evaporace a následně změnou Bowenova poměru ve prospěch pociťového tepla. K ověření této hypotézy byla využita analýza scén družice Landsat. Zájmovou lokalitu snímá tato družice vždy v 9:8 hodin místního času (tj. 10:8 letního času), kdy se v letním období již začínají povrchy krajinného krytu diferencovat dle teplot a vlhkostí. Velikost nejmenšího segmentu obrazu pixelu se pohybuje dle typu scanneru (TM, ETM+) a spektrálního kanálu od 0 0 m (všechny kanály kromě 6. termálního), 60 60 m (6. kanál ETM+), 120 120 m (6. kanál TM). Tím lze postihnout i rozdíly hodnot u krajinných struktur: živého lesa, mrtvého lesa a holin. LOKALITA Zájmovým územím této studie je oblast centrální Šumavy, přičemž hlavní pozornost je věnována oblasti s významným rozpadem horských smrčin v důsledku kůrovcové kalamity (ZATLOUKAL et al. 2001, SKUHRAVÝ 2002). V tomto užším vymezení se tedy jedná o území, které je na východě ohraničené Velkou a Malou Mokrůvkou, na západě zasahuje až k Roklanu. Severní hranici tvoří přibližně linie Medvědí Studená hora a na jihu je studovaná oblast vymezena státní hranicí s mírným přesahem do Německa asi 0,5 1 km. Nadmořská výška se zde pohybuje v průměru okolo 1100 1200 m n.m, nejvyšší vrcholy na české straně představuje Velká Mokrůvka 170 m n.m a Špičník 151 m n.m., na německé straně pak dominuje vrchol Luzného 17 m n.m. a Roklan 145 m n.m. Hlavním krajinným prvkem jsou zde horské smrčiny, dále připadá významný podíl na rašeliniště (Rokytská, Rybárenská, Roklanská slať a další) a primární čí sekundární bezlesí. METODIKA Pro hodnocení teplotně-vlhkostních parametrů byla využita analýza multispektrálních distančních dat. V tomto případě byly zpracovány scény družicového systému Landsat 5 TM a Landsat 7 ETM+. Výřezy družicových scén z 11. 7. 1987 a 28. 7. 2002 byly geometricky a souřadnicově transformovány do souřadnicového systému JTSK podle orthorektifikované Družicové mapy ČR 2002 ARCDATA PRAHA, s.r.o. Převzorkování dat bylo provedeno metodou nearest neighbour z důvodu zachování původních radiometrických hodnot pro následné zpracování dat. Na družicových scénách byly provedeny atmosferické korekce s využitím modulu ATCOR pro odstranění nežádoucích vlivů vodních par v atmosféře. 50
Tabulka 1. Schéma matrixové analýzy. Table 1. Scheme of matrix analysis. COINCIDENCE MATRIX: 1 2 4 5 6 7 channel A 1 1 2 4 5 6 7 0 2 8 9 10 11 12 1 14 0 15 16 17 18 19 20 21 0 4 22 2 24 25 26 27 28 0 5 29 0 1 2 4 5 0 6 6 7 8 9 40 41 42 0 7 4 44 45 46 47 48 49 0 channel B 0 0 0 0 0 0 0 0 Pro výpočet teplot krajinného povrchu byl využit 6. termální kanál TM a ETM+, obsahující záznam v intervalu elektromagnetického záření 10.4 12.5 µm (CAMPBELL 2002). Převedení DN hodnot na teplotu byl proveden pomocí modulu ATCORT 2 (GEOMATICA ALGORI- THM REFERENCE 200). Při hodnocení vlhkosti metodami DPZ není možné využít přímo některé ze spektrálních pásem družice Landsat. Pro určení obsahu vody v půdě (ŠÚRI et al. 1994) případně při vyjádření relativních hodnot vlhkosti krajinného krytu je možné využít spektrálních indexů. Obr. 1. Mapa zájmové oblasti. Fig. 1. Map of interest area. 1 2 51
1 2 Zm ny relativních teplot 1 2 wetness Zm ny relativních teplot wetness beze zm n Obr. 2. Mapa teplotních změn. 1Fig. 2. Map 2 of temperature Zm ny changes. relativních teplot beze Nejčastěji je používán index wetness, který je třetí komponentou lineární transformace Tasseled Cup. Transformace Tasseled Cup zpracovává zm n v případě dat z družice Landsat TM nebo ETM+ 6 spektrálních pásem (1 5 a 7 kanál). V případě teplot i indexu wetness byly i hodnoty z důvodu vzájemné porovnatelnosti převedeny do relativních tříd. V tomto případě byla data rozdělena do sedmi ekviareálních wetness tříd. Podstatou je rozčlenění histogramu družicové scény tak, aby jednotlivé intervaly obsahovaly v ideálním případě stejný počet hodnot. Pro temporální srovnání relativních hodnot (teplot, indexu wetness) byla využita matrixová analýza (GEOMATICA ALGORITHM REFERENCE 200). Výsledkem je obrazový záznam, kde hodnota pixelu vyjadřuje kombinaci překryvu polohově si odpovídajících si tříd podle schématu v Tab. 1. Výsledek matrixové analýzy v případě teplot i vlhkostí byl dále klasifikován do pěti tříd. Nulová změna a posun o jednu třídu byly klasifikovány jako třída beze změn (tučně zvýrazněná čísla v Tab. 1). Posun o 5 až 7 tříd byl zařazen do tříd nejvyšších změn (podtržená čísla v Tab. 1). Ostatní hodnoty náležejí třídám malá změna. Data byla dále převedena do vektorové podoby pro potřeby dalších srovnávacích analýz. VÝSLEDKY Detailní srovnání teplotně vlhkostních parametrů výřezů scén z let 1987 a 2002 je uvedeno v HAIS (2004). V tomto příspěvku je věnována hlavní pozornost výsledkům matrixové analýzy. Obr. 1 je představuje mapku zájmové oblasti modravských slatí. Hodnocení změn rela- 52
tivních teplot krajinného krytu je znázorněno na Obr. 2. Zvýšení teplot o 5 7 relativních tříd odpovídá oblasti rozpadu horských smrčin a v této souvislosti i vzniklých holin. Jedná se zejména o oblast Velké a Malé Mokrůvky až k Luznému, dále směrem přes Špičník až k Roklanu. Takto vymezené území je dále doplněno třídou zvýšení teplot o 4 relativní třídy. Naopak bez teplotních změn krajinného povrchu zůstávají horské louky a mokřady v Luzenském údolí, okolí Modravy, Filipovy Hutě, Kvildy a Horské Kvildy. V některých lokalitách jako je například Nová slať došlo naopak ke změně z nejvyšší teplotní třídy do nejnižší. Výsledek porovnání hodnot indexu wetness pomocí matrixové analýzy ukazuje Obr.. Podobně jako je tomu v případě teplot i u tříd tohoto indexu dochází k posunu tříd v oblasti rozpadu horských smrčin a vzniklých holin. Pokles hodnot indexu zde znamená relativní snížení vlhkosti krajinného povrchu, v tomto případě však nedochází většinou ke změně z tříd s nejvyššími hodnotami na nejnižší, ale od přibližně středních hodnot k nejnižším. DISKUSE Tato studie podle našeho názoru potvrzuje předpoklad, že rozpad horských smrčin v oblasti centrální Šumavy se projevil na změně relativních teplot krajinného krytu a to směrem k výraznému oteplení. O průkaznosti této změny navíc hovoří fakt, že u relativní sedmistupňové škály teplot došlo v oblasti kůrovcové kalamity častou ke změně z první (nejchladnější) třídy na sedmou (nejteplejší). Souvislost mezi kůrovcovou kalamitou a změnami teplot krajinného krytu uvádí ALDRICH (1979), který však průměrné rozdíly teplot měřené na kontrolních stromech udává okolo 1 C. Naproti tomu výsledky srovnávacího měření mikroklimatu 1 2 Zm rel tep wetness 1 2 Zm ny relativních teplot wetness Obr.. Mapa změn hodnot indexu wetness. Fig.. Map of changes of wetness index walues. 5
mrtvého a živého lesa přímo v oblasti Luzenského údolí a v okolí Novohuťských močálů dokládají statisticky významně vyšší teploty rozpadlých horských smrčin (HOJDOVÁ 200). Dalším hodnoceným parametrem byl index vlhkosti krajinného krytu wetnes vypočítaný metodou Tasseled Cup. Přímou souvislost mezi zvýšením teploty v smrkových porostech napadených kůrovcem a snížením půdní vlhkosti uvádí SWIFT et al. (2002). Také v případě kůrovcové kalamity v okolí Březníku došlo k významnému snížení hodnot indexu wetness. Zvýšení relativní teploty krajinného krytu a snížení hodnot indexu wetness prokázané v oblasti centrální Šumavy indikuje významnou změnu v přírodním prostředí, která se může odrazit v energeticko-látkové bilanci tohoto území, případně se projevit ve formování hydrologického odtoku v příslušném povodí. Právě možný vliv rozpadu horských smrčin na odtokové poměry dokládají KŘOVÁK & KUŘÍK (2001) na základě výzkumu ze tří experimentálních povodí v oblasti centrální Šumavy. Z hlediska použitých metod byla situace nejjednodušší u výpočtu teplot krajinného krytu ze šestého termálního kanálu družic Landsat 5 TM a 7 ETM+. Jak je již popsáno v metodice, byly tyto hodnoty vypočteny standardním způsobem pomocí modulu ATCORT2_T. Jisté omezení zde však způsobuje fakt, že velikost pixelu je v případě 6. kanálu Landsat TM 120 120 m a u ETM+ 60 60 m. To znamená, že strukturní jednotky (lesní celky, holiny apod.) v této velikostní kategorii (a menší) nemohou být na družicové scéně rozlišeny. V tomto ohledu je situace příznivější u výpočtu indexu wetness, kde vstupní i výstupní velikost pixelu je 0 0 m. U indexu wetness se však vyskytují některá omezení daná přímo metodou výpočtu a interpretace hodnot. Jednak hodnoty indexu wetness vyjadřují korelaci s relativní vlhkostí krajinného krytu, nikoliv však veličinu samotnou. Pro zjištění případných odchylek by bylo zapotřebí terénních kalibračních měření. Druhým omezením může být již samotná metoda Tasseled Cup, která je založena na lineární transformaci, principielně odpovídající analýze hlavních komponent. Index wetness zde představuje třetí komponentu, což se projeví jako snížené množství radiometrické informace získané z distančních dat. Rozdělení hodnot teplot i indexu wetness bylo provedeno rozčleněním intervalu do tzv. ekviareálních tříd. Takové rozdělení použil Šíma při porovnání změn teplot krajinného krytu na podkrušnohorských výsypkách (POKORNÝ et al. 2002). Jisté omezení této metody je dáno tím, že při gausovském rozložení v histogramu hodnot dochází ke skrývání krajních extrémů tím více, čím je menší množství relativních tříd. Na druhé straně podává ekviareální rozložení tříd snadnější přehled o distribuci teplot v krajině oproti například ekvidistantnímu rozdělení. LITERATURA ALDRICH R.C., 1979: Remote sensing of wildland resources: A state-of-the-art review. Ms., Rocky Mt. For. and Range Exp. Stn., Fort Collins, Colo.USDA For. Serv. Gen. Tech. Rep. RM-71, 56 pp. CAMPBELL J.B., 2002: Introduction to Remote Sensing. The Guildford Press, New York, pp. 267 271. GEOMATICA ALGORITHM REFERENCE, 2000: PCI Geomatics. 50 West Wilmot Street, Richmond Hill, Ontario, Canada, L4B 1M5. HAIS M., 2004: Changes in land cover temperature and humidity parameters resulting from spruce forests decay in the centre of the Šumava National Park. Acta Universitatis Carolinae, Geographica, in press. HOJDOVÁ M., 200: Mikroklima horské smrčiny v různém stádiu rozpadu. Ms., Diplomová práce. Přírodovědecká fakulta, UK Praha, 54 pp. (knihovna PřF UK Praha) KŘOVÁK F. & KUŘÍK P., 2000: Vliv lesních ekosystémů na odtokové poměry krajiny. In: Aktuality šumavského výzkumu, MÁNEK J. (ed.) sborník z konference: 75 79. POKORNÝ J., 2001: Dissipation of solar energy in landscape-controlled by management of water and vegetation. Renewable energy, 24: 641 645. POKORNÝ J., PECHAROVÁ E., SIXTA J. & ŠÍMA M., 2002: Obnova a funkce krajiny narušené povrchovou těžbou. Část: Mostecká pánev. Program: Biosféra SE. Projekt VaV 640//00. DÚ 04, Diagnóza krajiny, pp. 98 15. RIPL W., 1992: Management of water cycle and energy flow for ecosystem control the Energy Transport Reaction (ETR) model. Ecological Modelling, 78: 61 76. 54
RIPL W., POKORNÝ J., EISELTOVÁ M. & RIDGILL S., 1996: Holistický přístup ke struktuře a funkci mokřadů a jejich degradaci. In: Obnova jezerních ekosystémů holistický přístup, EISELTOVÁ M. (ed.) Wetlands International Publication č.2: 16 5. SKUHRAVÝ V., 2002: Lýkožrout smrkový (Ips typographus L.) a jeho kalamity. Der Buchdrucker und seine Kalamitäten. Agrospoj, Praha. 196 pp., 125 obr. ŠÚRI M., FERANEC J. & CEBECAUER T., 1994: Determination of soil water content using spectral indices computed from Landsat TM data. Geografický Časopis, 46(): 247 265, 11 figs, tabs, 22 refs. SWIFT C.E., JACOBI W.R., SCHOMAKER M. & LEATHERMAN D.A., 2002: Environmental disorders of woody plants. Colorado State University Cooperative Extension. ZATLOUKAL V., KADERA J., ČERNÁ J. & PŘÍLEPKOVÁ S., 2001: Předběžné vyhodnocení stavu a vývoje přirozené obnovy v NP Šumava v prostoru Mokrůvka Špičník Březnická hájenka. In: Aktuality šumavského výzkumu, MÁNEK J. (ed.) sborník z konference: 110 115. posl 55