Polskie Towarzystwo Ochrony Pierwotnej Przyrody
- monitorujemy i chronimy ojczystą przyrodę
17-200 Hajnówka, ul. Białowieska 5A, tel. 516 5656 81 KRS 0000165666 NIP 5432038839 REGON 052209722
Instytut Teledetekcji, "Mapa Puszczy Białowieskiej" - satelitarny opis lasów
Początki prac z materiałami satelitarnymi
Badania wykorzystujące zobrazowania satelitarne praktycznie zaczęły się w drugiej dekadzie naszego stulecia, po wynalazku fotografii cyfrowej.
Za czasów fotografii analogowej, satelity zrzucały na spadochronach pojemniki z filmami, które były przechwytywane w locie przez samoloty bojowe (USA) - skomplikowane?
Dzisiaj zobrazowania docierają do nas z różnych stref układu słonecznego. Ponad 2 tys. satelit zbiera różna materiały (w tym szpiegowskie). Tu wykorzystujemy też materiały dostępne w internecie, chociaż odpowiednio zdygitalizowane do naszych potrzeb, w tym artykule dot. Puszczy Białowieskiej. A jak to wygląda w kosmosie?
"Nasz satelita" co kilka dni wykonuje nad podlasiem pas zobrazowań o szerokości 295 km. I z tego źródła czerpiemy nasze edukacyjne dane. Natomiast komercyjne, zastrzeżone dane, dotyczą już innych projektów.
W latach 80-tych ubiegłego wieku prof. Janusz Faliński (Białowieska Stacja Geobotaniczna UW) organizował seminaria dotyczące teledetekcji zdjęć lotniczych w badaniach botanicznych, w których uczestniczyliśmy. W tym czsie "terminowaliśmy" u polskich autorytetów (prof. Adrzej Ciołkosz - Uniwersytet Warszawski).
Wówczas teledetekcja satelitarna była w powijakach, pracowaliśmy na zdjęciach lotniczych. Pierwsze zobrazowania satelitarne o dość przyzwoitej rozdzielczości pochodziły z lat 90-tych i to czarno-białe,jeszcze na kliszach analogowych. Już wówczas na zakresach podczerwieni można było diagnozować stan roślinności oraz rozkład wilgotności w lasach i na polach.
Dopiero pierwsze zobrazowania udostępnione z satelit szpiegowskich wykonanych w technice fotografii cyfrowej były przełomem w badaniach.
Na poniższym zdjęciu, uzyskanym 29 kwietnia 2002 r. przez instrument ASTER satelity Terra, można dostrzec wiele cech. Stare tereny pałacowe są dość widoczne, podobnie jak zręby w Puszczy Białowieskiej poza parkiem, której granice wyznacza częściowo rzeka Leśna i międzynarodowa granica z Białorusią. Granica międzynarodowa pojawia się jako linia w prawym górnym rogu tego zdjęcia, gdzie las został wycięty wzdłuż granicy. Ten obraz został stworzony przez połączenie fal czerwonych, bliskiej podczerwieni i zielonych (pasma ASTER VNIR 2 3 i 1).
Obraz utworzony na podstawie danych zebranych przez NASA/GSFC/MITI/ERSDAC/JAROS oraz US/Japonia ASTER Science Team
Dane przetwarzane przez Biuletyny Naukowe Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej.
Powyższe zobrazowanie nie jest fotografią panchromatyczną, lecz w zakresach ukazujących określone stany środowiska przyrodniczego. Ale o tym niżej.
O zastosowaniach interpretacji zobrazowań satelitarnych możemy dużo, dużo pisać i mówić. Tu ograniczamy się na podstawowych i dotyczących Puszczy Białowieskiej.
A zastosowania praktyczne? A jakże są, tylko należy zastosować odpowiednie skrypty/filtry zobrazowań satelitarnych. Przykładowo - jedziemy na wodne ptaki na Biebrzę (ujście Biebrzy do Narwi). Korzystamy z 295-cio kilometrowego pasa sfotografowanego przez satelitę, po digitalizacji (napisanie odpowiedniego skryptu), gdzie mają się znajdować wody o powierzchni ponad 10x10m.
Tu można wybierać z dużego obszaru, ale nas interesuje ujście Biebrzy do Narwi. Oto zobrazowanie panchromatyczne, z którego nie wiemy jak właściwie wylała Biebrza.
Interpretacja i weryfikacja danych
To jest najważniejszy aspekt. Od niego zależy ocena rzeczywistego stany przyrody. Aby uniknąć zafałszowań w dniu wykonania zdjęcia satelitarnego, jedziemy w teren i wykonujemy dziesiątki zdjęć fotograficznych celem kalibracji obrazu z satelity.
Dopiero po przypisaniu danego spektrum (barwy) obiektu w terenie i przełożenie go na zdjęcie satelitarne tworzy się tzw. klucz fotointerpretacyjny określający konkretne obiekty. Mogą to być np. wody, obiekty urbanizacyjne, gatunki drzew czy zjawiska - hydrologiczne, fenologiczne, dynamiczne drzewostanów. Po zinterpretowaniu danego zjawiska w terenie i przeniesienie go na zdjęcie satelitarne możemy te zjawisko określić na powierzchni tysięcy kilometrów!
Na rysunku pokazano w jakich zakresach spektrum pracują kamery satelity Sentinel-2. Począwszy od ultrafioletu do głębokiej podczerwieni. Z każdego kanału uzyskujemy różne informacje, a mieszając je dostosowujemy do wybranych celów.
Chociaż często przyjmujemy rośliny i drzewa wokół nas za pewnik, prawie każdy aspekt naszego życia zależy od nich. Karmią nas, ubierają, pochłaniają dwutlenek węgla, dostarczają nam tlenu, dają nam materiały budowlane i leki. Gdy w otaczającej nas roślinności zachodzą drastyczne zmiany, wpływa to na nasze zdrowie, gospodarkę i środowisko. Na przykład dwadzieścia pięć lat temu tysiące ludzi głodowało, gdy roślinność w regionie Sahel w Afryce wyschła podczas przedłużającej się suszy. W ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat wylesianie w Ameryce Południowej pozostawiło tysiące akrów odłogiem i zniszczyło wiele gatunków roślin i zwierząt, w tym potencjalnie cenne leki.
Aby monitorować duże fluktuacje roślinności i zrozumieć, jak wpływają one na środowisko, 20 lat temu naukowcy zajmujący się Ziemią zaczęli używać zdalnych czujników satelitarnych do pomiaru i mapowania gęstości zielonej roślinności na Ziemi. Korzystając z zaawansowanego radiometru o bardzo wysokiej rozdzielczości NOAA (AVHRR), naukowcy zbierali obrazy powierzchni naszej planety. Starannie mierząc długości fal i intensywność światła widzialnego i bliskiej podczerwieni odbijanego przez powierzchnię lądu z powrotem w przestrzeń kosmiczną, naukowcy używają algorytmu zwanego "Indeksem Roślinności", aby określić ilościowo koncentrację roślinności zielonych liści na całym świecie. Następnie łącząc dzienne Wskaźniki Wegetacji w 8-, 16- lub 30-dniowe kompozyty,
Aby określić gęstość zieleni na skrawku ziemi, naukowcy muszą obserwować różne kolory (długości fal) światła widzialnego i bliskiej podczerwieni odbijanego przez rośliny. Jak widać przez pryzmat, widmo światła słonecznego składa się z wielu różnych długości fal. Kiedy światło słoneczne pada na obiekty, niektóre długości fal tego widma są pochłaniane, a inne fale są odbijane. Barwnik w liściach roślin, chlorofil, silnie pochłania światło widzialne (od 0,4 do 0,7 µm) do wykorzystania w fotosyntezie. Natomiast struktura komórkowa liści silnie odbija światło bliskiej podczerwieni (od 0,7 do 1,1 µm). Im więcej liści ma roślina, tym większy wpływ na te długości fal światła.
Materiały z Puszczy Białowieskiej
Instrument NOAA AVHRR ma pięć detektorów, z których dwa są czułe na długości fal światła w zakresie od 0,55-0,70 i 0,73-1,0 mikrometrów. Dzięki detektorom AVHRR naukowcy mogą mierzyć intensywność światła wychodzącego z Ziemi w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni oraz określać ilościowo zdolność fotosyntezy roślinności w danym pikselu (piksel AVHRR to 1 km kwadratowy) powierzchni lądu. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli promieniowanie odbite w zakresie bliskiej podczerwieni jest znacznie większe niż w zakresie widzialnym, wówczas roślinność w tym pikselu prawdopodobnie będzie gęsta i może zawierać jakiś rodzaj lasu. Jeśli różnica w intensywności odbitych fal widzialnych i bliskiej podczerwieni jest bardzo niewielka, wówczas roślinność jest prawdopodobnie nieliczna i może składać się z łąk, tundry lub pustyni. To tyle z teorii. Niżej przedstawimy kilka zdigitalizowanych obrazów Puszczy Białowieskiej na bazie zobrazowań z dnia 15 marca 2022 r.
Zdjęcie w barwach rzeczywistych
Po opracowaniu obrazu zdjęcia małoskalowego (pixel 10x10 m), naniesiono siatkę oddziałów celem dokładniejszej analizy wybranego fragmentu lasów. Z drugiej strony jest to odniesienie do pozostałych zobrazowań. Oczywiście takie analizy można też wykonać na zobrazowaniach o wielkości pixela 0,5 m z innych satelitów, które stosujemy dla wybranych fragmentów Puszczy Białowieskiej.
tu zdjęcie w oryginale
Ciemo-zielony kor oznacza zwarty drzewostan świerkowy, zielonkawy - rozproszone świerki, zaś szare to drzewostan liściasty oraz zamarłe drzewostany świerkowe. Wyodrębnienie tylko zamarłych świerków jest możliwe na zobrazowaniach w szczycie wegetacji w podczerwieni.
Wilgotność lasów - index NDMI
Te zobrazowanie ukazuje uproszczony stopień wilgotności lasów. Jak widać największa wilgotność występuje w zwartych drzewostanach świerkowych, mniejsza w drzewostanach liściastych (brak wegetacji).Mozaika zróżnicowania wilgotności występuje na polach - czym ciemniejszy zielony, tym większa wilgotność. Ciemnozielone obszary, to drzewostany iglaste. Na dalszych zdjęciach - inny zakres indexu NDMI.
tu zdjęcie w oryginale
Kondycja drzewostanów w podczerwieni
Jest tu wyrażona głęboką czerwienią. Jest to efekt zobrazowania zagęszczenia chlorofilu, czyli żywotności roślin. Czym mniej czerwonego, tym mniej rosnących roślin.
Najbardziej ekscytująca w fotografii jest możliwość poznania zupełnie innego punktu widzenia. To także światy niedostępne gołym okiem – od zdumiewających szczegółów drobin piasku do najodleglejszych galaktyk. Jednym z takich wymiarów wymykających się ludzkiej percepcji jest świat oglądany w świetle podczerwonym. Jego magia sprawia, że wszystko eksploduje feerią innych barw i nic nie wygląda tak samo.
Fotografia w bliskiej podczerwieni jest to więc rejestrowanie takiego spektrum promieniowania elektromagnetycznego, które normalnie pozostaje poza ludzkim polem percepcji. Wprowadza ona niezwykle interesujący zmiany w widzianym dookoła świecie. Zieleń roślin zaczyna wyglądać jakby była pokryta cerwonym całunem, jasne niebo staje się ciemne a całość dostaje ciekawych ciepłych kolorów. Niezwykle pociągająca jest myśl, że fotografia pozwala na obcowanie z tak odmienną, niedostępną na co dzień rzeczywistością.
tu zdjęcie w oryginale
Wegetacja roślinności
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.
Dla potrzeb Puszczy Białowieskiej zmodyfikowano spektrum widma określające obszary z wegetacja (zielony)i obszary bez wegetacji (żółty), bez obszarów pośrednich. Taka zgeneralizowana modyfikacji jest stosowane na dużych obszarach rzędy gmin, a nawet województw.
tu zdjęcie w oryginale
Stosunki wodne - index NDMI
Na poniższym zobrazowaniu zastosowano pełny index HDMI obrazujący rzeczywistą różnice pomiędzy poszczególnymi obszarami lasów i pól.
Aplikacje wykorzystujące dane dotyczące opadów, temperatury, wilgotności gleby, stopnia nawożenia itd. już dziś wspomagają np. rolników w zarządzaniu uprawami. Dzięki nim można zmniejszyć zużycie pestycydów i innych nawozów, zaplanować optymalne nawadnianie czy wykrywać choroby roślin. Świetnym przykładem możliwości, jakie dają informacje satelitarne, jest obserwacja aktywności pszczół. Aktualne dane z satelitów pozwalają zaplanować opryski tak, aby nie zaszkodzić owadom. Sytuacji, w których można wykorzystać potencjał obserwacji z kosmosu jest nieskończenie wiele.
Monitorowanie kondycji upraw, stanu i właściwości gleby oraz mapowanie działań związanych z uprawą mają kluczowe znaczenie w przewidywaniu zbiorów. Dane satelitarne mogą być także wykorzystywane w monitorowaniu zmian wydajności rolnictwa i produkcji roślin powodowanych suszą. Co więcej, satelity umożliwiają monitorowanie trendów degradacji gleby i spadku produktywności ziemi w wyniku nadmiernego wypasu, niewłaściwego nawadniania czy uprawiania terenów rolniczych.
tu zdjęcie w oryginale
Prace w roku 2022 i latach następnych
Planujemy kontynuować prace nad "Mapą Satelitarną Puszczy Białowieskiej". Ten rok będzie poświęcony m.in. nad opracowaniem przestrzennym zamierania świerków na przestrzeni ostatnich 10 lat w puszczach Białowieskiej, Knyszyńskiej, Augustowskiej i Romnickiej oraz określenia zależności stosunków wód do zamieranie świerka.
Prawa niezastrzeżone - cytujcie autorów i naszą stronę www.bialowieza.org 
Polskie Towarzystwo Ochrony Pierwotnej Przyrody 1997-2025