2 Metody a postupy zpracování
2.1 Použité metody
Níže je uveden stručný přehled použitých metod v této bakalářské práci. Podrobný popis jednotlivých metod obsahuje kapitola 5. Metodika.
Měření polohy horní hranice stromu
Informace o poloze horní hranice stromu (HHS), byla získána vlastním terénním průzkumem a zaznamenána pomocí geodetické GPS Trimble R4. Během měření byly využívány RTCM korekce GPS souřadnic v reálném čase pomocí služby VRS3 – iMAX-GG.
Letecké snímkování
Za účelem identifikace plošného výskytu korun stromu bylo 8. března 2020 provedeno letecké snímkování, ze kterého byla vytvořena ortofotomapa a mračno bodů.
Ruční vektorizace
Automatizovanými metodami nebylo možné oddělit koruny stromů od borovice kleče, proto bylo přistoupeno k ruční vektorizaci výskytu borovice kleče.
Klasifikace mračna bodů
Data o výskytu korun stromů v roce 2020 byla získána z mračna bodů vzniklého při leteckém snímkování 2020. Toto mračno bodů bylo klasifikováno v programu CloudCompare do dvou tříd označených zem/nezem.
Analýza a vizualizace dat
Ze vstupních dat byla zpracována data o aktuální poloze vegetace v prostředí programů ArcMap 10.4, QGIS a CloudCompare. K porovnání historického a aktuální výskytu vegetace byl použit program ArcMap 10.4. V tomto programu byly rovněž tvořeny výstupy – mapy, tabulky, které byly dotvořeny pomocí grafického programu Inkscape a programu Excel z kancelářského balíku Microsoft Office.
2.2 Použitá data
V této podkapitole jsou podrobně popsána data použitá v této bakalářské práci.
Archivní ortofoto ČR
V osmi výdejních jednotkách produktu Archivní Ortofoto ČR z roku 2003, které bylo zapůjčeno od ČÚZK, je zaznamenáno území o celkových rozměrech 5 × 8 km. Každá výdejní jednotka představuje klad listu SM 5, tj. území 2,5 × 2 km s množstvím 5 000 × 4 000 pixelů. Prostorové rozlišení jednoho pixelu je 0,5 m a spektrální rozlišení činí 8 bitů, snímek je zachycen ve viditelném spektru. Snímky jsou distribuovány ve formátu JPG a souřadnicovém systému S-JTSK. Data z roku 2003 byla vybrána z důvodu návaznosti na problematiku stanovení AHL řešenou autory Banaš a kol. (2001) a Treml, Banaš (2005).
Ortofoto ČR
V osmi výdejních jednotkách produktu Ortofoto ČR z roku 2018, které bylo zapůjčeno od ČÚZK (v době vypracování práce se jednalo o nejaktuálnější dostupnou verzi), je zaznamenáno území o celkových rozměrech 5 × 8 km. Každá výdejní jednotka představuje klad listu SM 5, tj. území 2,5 × 2 km s množstvím 12 500 × 10 000 pixelů. Prostorové rozlišení jednoho pixelu je 0,2 m a spektrální rozlišení činí 8 bitů, snímek je zachycen ve viditelném spektru. Snímky jsou distribuovány ve formátu JPG a souřadnicovém systému S-JTSK (k dispozici i v souřadnicovém systému UTM). „Polohová přesnost charakterizovaná střední souřadnicovou chybou v rovinatém terénu je 0,25 m, ve členitých terénech dosahuje hodnoty 0,5 m.“ (ČÚZK, 2019)
Data z práce Tremla, Banaše (2005)
Jedná se o liniovou vrstvu reprezentující polohu AHL Hrubého Jeseníku a Králického Sněžníku v roce 2005. Tato data byla zapůjčena od Mgr. Jindřicha Chlapka ze Správy CHKO Jeseníky.
Data z práce Hoška a kol. (2005)
Data pochází z projektu VaV SM/6/70/05 - Vliv výsadeb borovice kleče (Pinus mugo) na biotopovou a druhovou diverzitu arkto-alpinské tundry ve Východních Sudetech (CHKO Jeseníky, NPR Králický Sněžník). Návrh managementu těchto porostů. Jedná se o rastrovou datovou sadu (pixel 0,4 m) výskytu borovice kleče v roce 2003 v Hrubém Jeseníku a na Králickém Sněžníku. Tato data byla zapůjčena od Mgr. Jindřicha Chlapka ze Správy CHKO Jeseníky.
Hošek a kol. (2005) použili k vylišení borovice kleče řízenou klasifikaci Maximum Likelihood. „Na snímcích byly vytvořeny trénovací množiny pro 4 třídy: 1) kleč, 2) okolní travinná vegetace, 3) smrky a 4) smrky vržené stíny. Do nulté třídy byly klasifikovány pixely s nízkou pravděpodobností příslušnosti do jedné z předdefinovaných tříd.“ (Hošek a kol., 2005, s. 42) „Použitá metoda klasifikace se ukázala jako vyhovující pouze v oblastech výlučného výskytu kleče. V oblastech, kde se společně s klečí vyskytují jedinci či skupinky smrků, je jejich vzájemné odlišení touto metodou problematické.“ (Hošek a kol., 2005, s. 43)
Data z práce Šenfeldra a kol. (2012)
Data jsou součástí publikace Atlas rozšíření a kategorizace klečových porostů nad horní hranicí lesa v Hrubém Jeseníku (Šenfeldr a kol., 2012) z projektu Geobiocenózy horní hranice lesa a vliv porostů borovice kleče na horskou krajinu v Hrubém Jeseníku a rizika spojená s jejich odstraněním (Maděra a kol., 2011). Jedná se o rastrovou datovou sadu (pixel 0,5 m) výskytu borovice kleče v roce 2009 v Hrubém Jeseníku.
Autoři publikace popisují podrobně vznik dat o rozsahu borovice kleče v Hrubém Jeseníku: „V prvním kroku extrakce kleče byly pečlivě prohlédnuty všechny ortofotomapy a zaznamenány oblasti s výskytem kleče. Na základě toho byly zdigitalizovány přibližné hranice oblastí výskytu kleče a zamezeno tak nesprávné identifikaci kleče v ostatních oblastech. V rámci oblastí výskytu kleče byla provedena identifikace kleče založená na metodě porovnání s liniovým vzorem dané informační či spektrální třídy. Principem je porovnání liniové posloupnosti pixelů (s RGB hodnotami) vzoru s posloupností stejného množství pixelů obrazu, a to postupně v celém obrazu. Vzor lze získat běžnými dotazovacími nástroji GIS, kterými lze vytvořit např. podélný profil hodnot v obrazu. Vzor je porovnáván s obrazem po řádcích i po sloupcích, a to v obou směrech. Kritériem pro vyjádření shody, resp. neshody sekvence pixelů v obrazu se sekvencí pixelů vzoru je průměrná odchylka (rozdíl) vypočtená z odchylek hodnot mezi vzorovou sekvencí a obrazovou sekvencí. Kompromis mezi délkou sekvence (čím delší tím lépe vystihuje danou třídu) s prostorovým detailem výsledku vedl k využití sekvence o délce 3 pixelů o prostorovém rozlišení 0,5 m. Případné neuspokojivé výsledky této analýzy byly dále ručně upravovány editorem obrazových dat GIMP na základě vizuální interpretace leteckého snímku, zejména tam, kde identifikace kleče byla ztížena přítomností spektrálně podobných tříd v okolí kleče.“ (Maděra a kol., 2011, s. 3-4)
Testovací data
Jedná se o orfotomapu vrcholové partie Keprníku o rozměrech přibližně 1 200 × 750 m a prostorovém rozlišení 4,5 cm, mapované území je vymezeno čtyřmi body (Obr. 1, Tab. 1). Prostorové rozlišení jednoho pixelu je 4,5 cm a spektrální rozlišení činí 8 bitů, lokalita je zachycena ve viditelném spektru. Ortofotomapa byla poskytnuta ve formátu TIFF a souřadnicovém systému S-JTSK. Z téhož leteckého snímkování bylo vytvořeno mračno bodů, které bylo poskytnuto ve formátu LAS. Data sloužila k prvotnímu testování. Byla poskytnuta vedoucím práce RNDr. Jakubem Miřijovským, Ph.D., který data vytvořil leteckým snímkováním v roce 2016.
Obr.1 Orfotomapa vrcholové partie Keprníku (zdroj: autor).
Tab. 1 Souřadnice bodů ohraničující mapované území v systému S-JTSK (EPSG: 5514)
Horní hranice stromu
Data o aktuální poloze HHS byla získána vlastním terénním průzkumem přímo v daných lokalitách pomocí geodetické GPS Trimble R4 (Obr. 2). Během měření byly využívány RTCM korekce GPS souřadnic v reálném čase pomocí služby VRS3 – iMAX - GG. Body z terénního mapování byly následně v prostředí programu ArcMap 10.4 spojeny do linie, tak aby na dané spádnici a jejím nejbližším okolí byly spojeny pouze nejvýše ležící body. Tím se vytvořila liniová vrstva reprezentující HHS ve sledovaných lokalitách. Podrobná metodika měření je popsána v podkapitole 5.1 Horní hranice stromu.
Obr. 2 Terénní mapování HHS (zdroj: autor).
Letecké snímkování 2020
Po dohodě s vedoucím práce RNDr. Jakubem Miřijovským, Ph.D. bylo rozhodnuto o vytvoření vlastní aktuální ortofotomapy a mračna bodů. Letecké snímkování proběhlo 8. března 2020 při relativně slunečném počasí. Snímky na tvorbu ortofotomapy a mračna bodů byly získány leteckou kamerou IGI DigiCam z letadla Cessna 172 (podrobnosti leteckého snímkování viz Tab. 2). V zájmových lokalitách byl přibližně 1 m sněhu, a tak byla většina kleče kryta sněhovou pokrývkou.
Autor této práce v dopoledních hodinách rozmístil a zaměřil geodetickou GPS Trimble R4 na snímkovaném území celkem 11 vlícovacích bodů. Vedoucí práce RNDr. Jakub Miřijovský, Ph.D. poté provedl letecké snímkování, autor práce následně všechny vlícovací body z přírody odstranil.
Tab. 2 Informace o leteckém snímkování
Výškopisná data
Výškopisná data pro zjištění průměrné, minimální a maximální nadmořské výšky HHS a AHL byla získána pomocí WMS služby DMR 5G od ČÚZK. Pro výpočet statistických údajů byly použity všechny pixely DMR 5G (rozměr 2 × 2 m), které linii AHL protínají.
2.3 Použité přístroje a pomůcky
V této podkapitole jsou uvedeny použité přístroje a pomůcky, které sloužili k tvorbě bakalářské práce.
Letecká kamera IGI DigiCam
Letecké snímkování 2020 bylo provedeno letadlem Cessna 172, které bylo vybaveno leteckou kamerou IGI DigiCam.
Geodetická GPS Trimble R4
Pro přesné měření pozice HHS a vlícovacích bodů pro letecké snímkování 2020 byla použita geodetická GPS Trimble R4. Během měření byly využívány RTCM korekce GPS souřadnic v reálném čase pomocí služby VRS3 – iMAX - GG. Geodetická GPS s veškerým příslušenstvím (mapper Trimble T41 X, teleskopická tyč) byla zapůjčena Katedrou geoinformatiky Univerzity Palackého v Olomouci.
Mobilní telefon Xiaomi Mi A2 Lite
Vzhledem k použití metody VRS byl zapotřebí vlastní mobilní telefon Xiaomi Mi A2 Lite s datovým připojením. Mobilní telefon s aplikací Locus Map Free – Outdoor GPS navigace s WMS službou Ortofoto ČR od ČÚZK sloužil také k lepší orientaci a zjišťování prostupnosti borovice kleče při terénním mapování.
Sportovní hodinky Garmin Fénix 3
K záznamu absolvované trasy a k lepší orientaci v terénu sloužily vlastní sportovní hodinky Garmin Fénix 3 se zabudovaným GPS modulem.
Vlícovací body pro letecké snímkování 2020
Pro tvorbu vlícovacích bodů byly využity pevné černé igelitové pytle založené do rozměru čtverce o straně 70 cm, v terénu byl každý čtverec ukotven čtyřmi železnými hřeby o délce 20 cm s podložkami.
Ostatní
Pro měření výšky stromů byl využíván laserový dálkoměr Leica Disto X310 a školní pravoúhlý rovnoramenný trojúhelník. Pro zpracování dat i celé bakalářské práce byl použit vlastní notebook Xiaomi Mi Notebook Air 13,3.
2.4 Použité programy
V této podkapitole jsou uvedeny všechny použité programy a aplikace, které umožnili tvorbu a zpracování podkladů i výstupů této bakalářské práce.
ArcMap10.4.1
Pro tvorbu a práci s daty, tvorbu klasifikací, analýz i mapových výstupů byl použit produkt firmy ESRI ArcMap 10.4.1 z programové sady ArcGIS for Desktop.
QGIS Desktop 3.6.0 Noosa
Pro dílčí operaci s vytvořenými daty byl použit QGIS Desktop 3.6.0 Noosa. Jednalo se o funkci vyplnění mezer v polygonech stromů získaných z mračna bodů.
ImageJ 1.52h
Program ImageJ verze 1.52h určený pro zpracování a analýzu obrazu byl použit pro převod leteckých snímků do barevných modelů CIELAB a HSV s cílem lepšího odlišení stromů a borovice kleče.
CloudCompare 2.10.3
Pro práci s mračny bodů, získaných z leteckých snímkování, sloužil program CloudCompare verze 2.10.3. V jeho prostředí došlo pomocí funkce CSF Filter k rozlišení bodů do dvou tříd označených zem/nezem.
Inkscape verze 0.92.4
K úpravě mapových výstupů a posteru sloužil grafický program Inkscape verze 0.92.4.
Locus Map Free – Outdoor GPS navigace a mapy – verze 3.44.2
Mobilní aplikace Locus Map Free – Outdoor GPS navigace s WMS službou Ortofoto ČR sloužila k lepší orientaci a zjišťování prostupnosti borovice kleče během terénního mapování.
Microsoft Office – Excel, PowerPoint, Word
Pro zpracování výsledků, sepsání a obhajobu této bakalářské práce sloužil kancelářský balík Microsoft Office, a to zejména produkty Excel, PowerPoint a Word.
2.5 Postup zpracování
Celý postup zpracování bakalářské práce je znázorněn na Obr. 3.
Obr. 3 Postup zpracování (zdroj: autor).