Wykorzystanie satelitarnych danych spektralnych do monitoringu stanu i kondycji siedlisk łęgowych

Rozwój społeczeństwa to także rozwój urządzeń, narzędzi, i danych. Na samym przodzie tego rozwoju jest teledetekcja satelitarna, na czele z NASA i ESA (Europejska Agencja Kosmiczna). To dzięki stałemu rozwojowi tych agencji oraz wdrażaniu przez nie nowych projektów, mamy dziś dostęp do satelitarnych danych spektralnych. To dzięki misjom satelitarnym Landsat (NASA) i Sentinel (ESA) możemy w sposób nieograniczony korzystać z tych danych.

Landsat misji 5-8 i Sentinel-2 to satelity wyposażone w sensor wielospektralny, co kwalifikuje je jako narzędzia teledetekcji pasywnej. Teledetekcja pasywna to metoda zdalnego, bezkontaktowego pozyskiwania danych wykorzystująca obcy emiter sygnału, w przypadku satelit spektralnych tym źródłem sygnału jest Słońce, a sensor rejestruje wartość odbicia promieni świetlnych w poszczególnych zakresach.

Zadaniem satelit spektralnych jest lub było uzyskiwanie obrazów Ziemi w zakresie światła widzialnego, bliskiej i średniej podczerwieni, co odpowiada zakresowi długości fal świetlnych od ok. 400 do ok. 2300 nm. Są szczególnie wykorzystywane do oceny stanu wegetacji w rolnictwie, ale z powodzeniem można je wykorzystywać także do monitoringu lasów, klęsk żywiołowych, pożarów, klasyfikacji pokrycia terenu i wielu innych. Najnowszymi satelitami spektralnymi poruszającymi się po orbicie ziemskiej jest Sentinel-2 oraz Landsat 8, z przeważającą rozdzielczością przestrzenną odpowiednio 10 i 30 metrów.

Monitorowanie i ocena stanu i kondycji roślin, czyli stanu wegetacji, odbywa się przeważnie poprzez wskaźniki spektralne, czyli odpowiednio wyznaczone poprzez właściwe formuły parametry, bazujące na wartości odbicia światła w konkretnych zakresach długości fali świetlnej. Najpopularniejszym wskaźnikiem spektralnym wykorzystywanym w ocenie stanu wegetacji jest NDVI (ang. Normalized Difference Vegetation Index) bazujący na wartościach odbicia światła w paśmie czerwonym i podczerwonym, a wykorzystujący zdolność chlorofilu do absorpcji światła czerwonego w warunkach normalnej wegetacji, która się zmniejsza wraz z pogorszeniem się stanu roślin. Przyjmuje wartości od 0 do 1, przy czym wegetacja roślin występuje w zakresie od 0,4, a najwyższy stan wegetacji notowany jest w zakresie od 0,8.

Innymi wskaźnikami możliwymi do wyznaczenia z danych wielospektralnych Sentinel-2 i Landsat 8 są np. EVI, NBR, NDWI, i wiele innych. Każdy ze wskaźników wyznacza się poprzez przetworzenie danych rastrowych wielokanałowych w celu wyznaczenia odpowiedniej formuły rozkładu przestrzennego właściwego wskaźnika. Przykładowo NDWI (ang. Normalized Difference Water Index) stosuje się do oceny zasobności wody, w tym także w roślinach, a EVI (ang. Enhanced Vegetation Index) do ogólnej oceny stanu wegetacji. Dane spektralne mogą być także wykorzystywane w procesie analiz przestrzennych w formie oceny wartości odbicia światła w poszczególnych kanałach spektralnych. Wszystkie sceny satelitarne udostępniane są jako zbiór rastrów odpowiadających poszczególnym zakresom długości fal, lub jako raster wielokanałowy.

W ramach zadania monitorowania siedlisk łęgowych w dolinie Odry podjęliśmy się zadania opracowania metodyki oraz przeprowadzenia zasadniczych analiz oceny stanu i kondycji łęgów z wykorzystaniem wielospektralnych danych satelitarnych misji Sentinel-2 oraz Landsat 5. W naszych działaniach postawiliśmy sobie tezę, że zmiana reżimy hydrologicznego Odry na skutek zmian klimatu i regulacji cieku, wpływa na stan łęgów, niestety degradująco. Dzięki danym z Sentinel-2 możemy w wysokiej rozdzielczości przestrzennej (10 m) ocenić stan i kondycję siedlisk łęgowych od 2016 r., natomiast dane (rozdzielczość przestrzenna 30 m) z Landsat 5 pozwalają na analizę przeszłych zjawisk, dla lat ok. 1980-2010.

To zadanie realizujemy wspólnie z Uniwersytetem Przyrodniczym we Wrocławiu, w ramach Miejskiego Programu Wsparcia Partnerstwa Szkolnictwa Wyższego i Nauki oraz Sektora Aktywności Gospodarczej.

Autorzy:

dr inż Paweł Dąbek (Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Katedra Kształtowania i Ochrony Środowiska)

Michał Jaśkiewicz (Ansee Consulting)