Správné fungování ekosystémů je nedílnou součástí udržení přírody v rovnováze. Mezi ekosystémy probíhají interakce, které jsou zásahem člověka narušeny, či změněny. Zmíněnými interakcemi mezi ekosystémy jsou ekosystémové funkce. Následek této změny ekosystémových funkcí má dopad pro každodenní život. Typickým příkladem je odlesňování a vznik zemědělsky využívané půdy. Nejčastěji se jedná o tropické lesy v Jižní Americe nebo v Asii. Pokud dojde ke změně daného ekosystému, změní se nebo zanikne i jeho funkce. Mezi hlavní ekologické funkce lesa podle Vyskot a kol. (2003), se řadí stabilizační (udržení rovnováhy), vodohospodářské (retence, akumulace nebo infiltrace vody), půdoochranné (ochrana proti erozi, deflaci či sesuvu) a klimaticko-vzduchoochranné (filtrace vody a vzduchu). V neposlední řadě slouží les jako přirozené krytí pro spoustu živočichů a je důležitý pro udržení biodiverzity druhů.
K rozsáhlejších území za časově se opakující období je nejvhodnějším způsobem dálkový průzkum Země (DPZ). Rozvíjející se technické možnosti dovolují vyslat na oběžnou dráhu větší množství družic. Nyní se v kosmickém prostoru nachází řada družic s multispektrálními, hyperspektrálními či radarovými senzory, sloužící pro monitoring změn pokryvu Země. Díky použití spektrálních pásem a jejich kombinací při výpočtech zpracování obsahu vznikají vegetační indexy. Ty mohou sloužit jako kvantifikátor pro stanovení ekosystémové funkce. Pro zpřesnění multispektrálních dat bývají použita radarová nebo bioklimatická data. V diplomové práci jsou zpracovány data z družic Sentinel-1 a Sentinel-2. Tedy k multispektrálním datům jsou pro zpřesnění použity data radarová. Díky svým vlastnostem jsou družicová data efektivním způsobem pro monitoring velkých nebo odlehlých míst, kde by bylo obtížné provádět pozemní měření.
Velkým problémem dnešního světa je prudký nárust imisí skleníkových plynů. Skleníkové plyny zesilují skleníkový efekt a sním spojené globální oteplování. Jeden z hlavních skleníkových plynů v atmosféře je oxid uhličitý (CO2). Jedná se o sloučeninu uhlíku a kyslíku a díky fotosyntéze dochází k přeměně na kyslík, vodu a uložení uhlíku ve vegetaci. Aby bylo docíleno snížení imisí v atmosféře, je kromě redukcí emisí také nutné zachovat lesní porosty. První zmíněnou ekosystémovou funkcí v práci bude právě sekvestrace uhlíku. Další ekosystémovou funkcí je ochrana půdy před vodní erozí, tu zajišťuje vegetační kryt. Nejméně náchylné k vodní erozi jsou půdy chráněné lesními porosty, nejvíce pak půdy bez vegetačního krytu. Vegetační kryt zajišťuje mnoho dalších funkcí, které jsou v diplomové práci řešeny, jako retence vody v krajině nebo disipace sluneční energie. Problematika sucha je dalším globálním fenoménem, který má vztah na již zmíněné globální oteplování. Esenciální pro retenci vody je opět vegetační kryt, který je zásahem člověka výrazně formován již dlouhá léta. Vegetace je jeden z klíčových faktorů ke správnému fungování jak biosféry, tak i ostatních zemských systémů.
Cílem práce je nalézt a aplikovat vhodné algoritmy k analýze obrazových dat z družice Sentinel-1 a Sentinel-2 za účelem kvantifikace vybraných ekosystémových funkcí. Analýzy budou prováděny na dílčích studijních plochách v ČR v závislosti na probíhajícím pozemním měření. Důraz bude kladen na množství a strukturu biomasy, zásoby uhlíku v nadzemní biomase, vlhkost aktivního povrchu, vlhkost půdy a podíl fotosyntetické aktivní složky vegetace. Dosažené výsledky z analýzy satelitních dat budou konfrontovány s výsledky z pozemních měření a budou statisticky vyhodnoceny. Součástí práce bude testování shody výsledků mezi různými přístupy k datům Sentinel (Sentinel Playground x SNAP x AGOL).
Bylo použito obecných metod využívajících se v oblasti DPZ, jako je:
Pro stanovení biomasy/uhlíku bylo testováno 5 algoritmů. Výsledky algoritmů byly konfrontovány s daty pozemního měření a na základě srovnání byl vybrán vhodný algoritmus pro kvanitfikaci ekosystémové funkce.
TESTOVANÉ ALGORTIMY K URČENÍ UHLÍKUU C-faktoru bylo taktéž testováno 5 algoritmů. Algoritmy vycházely z indexu NDVI
GRAF HODNOT PRO SMÍŠENÉ LESYPro FAPAR byly testovány 4 algoritmy, z čehož 3 vycházely z indexu NDVI a jeden byl počítán nástrojem Biophysical Processor ze softwaru SNAP.
GRAF HODNOT PRO SMÍŠENÉ LESYDalšími kvantifikátory byly: Index listové plochy (LAI), vlhkostní index (NDMI), Wetness-Biomass index.
GRAF HODNOT INDEXU LISTOVÉ PLOCHYPoužitá data Sentinel-1 pro výpočet biomasy podle Norovsuren a kol. (2019) nebyla testována přes celé časové období, pouze za měsíc květen. Bylo tak testováno, zdali vykazují data Sentinel-1 korelaci k odhadované biomase podle Goodenough a kol. (2005). Co se týče Soil Moisture a Land Surface, tak data byla opět stažena za jeden měsíc (září 2018). Soil Moisture bylo zařazeno do kvantifikační tabulky, nicméně nevstupovalo do výsledné vrstvy potenciálu ekosystémových funkcí
KORELACE MEZI DATY S1 A S2Celkem bylo otestováno 18 algoritmů, které mají potenciál identifikovat a kvantifikovat 7 ekosystémových funkcí. Testování probíhalo v období od března 2018 do prosince 2018 se zhruba měsíčním krokem mezi snímky. Kromě absolutní hodnoty v jednom časovém okamžiku byla zohledněna i křivka vývoje hodnoty. Na základě provedeného hodnocení byly pro každou z vybraných ekosystémových funkcí určeny nejvhodnější algoritmy pro její kvantifikaci. Podle vybraných algoritmů byly kvantifikovány ekosystémové funkce, podle tříd Corine Land Cover 2018 v měsíci září 2018
VHODNÉ ALGORITMY K URČENÍ EFHodnoty indikátorů byly znázorněny i na mapách:
C-FAKTORVšechny indikátory (kromě SM, LST) byly zařazeno do souhrnného potenciálu ekosystémových funkcí
SOUHRNNÝ POTENCIÁL EFCílem práce bylo vybrat vhodné algoritmy ke stanovení ekosystémových funkcí s použitím dat Sentinel-2 a Sentinel-1. Vybrané algoritmy byly srovnány s daty pozemního měření za účelem selekce nejvhodnějšího algoritmu pro zájmové území. Dalším dílčím cílem bylo srovnání přístupu k datům Sentinel-2 pomocí různých webových portálů jako Sentinel Playground, Sentinel Explorer a Copernicus Open Acces Hub.
V diplomové práci byly vybrány algoritmy zaměřující se na množství nadzemní biomasy, množství uhlíku v nadzemní biomase, vegetační ochranu půdy před vodní erozí (C-faktor), podíl fotosynteticky aktivní složky vegetace (FAPAR), index listové plochy (LAI), vlhkost vegetace (NDMI), disipaci sluneční energie a vlhkost půdy. Algoritmy pro stanovení biomasy, uhlíku, ochrany půdy před erozí a FAPAR byly zvlášť testovány ve vybraných biotopech zájmového území povodí řeky Dřevnice. Vybranými biotopy byly hospodářské smíšené lesy, vysoké mezofilní a xerofilní křoviny a hospodářské louky. Za vybrané biotopy byla dostupná data z pozemního měření uhlíku a byla konfrontována s testovanýma. Při testování byly vybrány vhodné algoritmy pro dané zájmové území k určení ekosystémových funkcí. Vhodnými algoritmy byly pro stanovení množství biomasy a uhlíku (Goodenough a kol., 2005), Ochranu půdy před vodní erozí (Knijjf a kol. 1999), podíl fotosynteticky aktivní složky vegetace (Biophysical Processor ze softwaru SNAP). Dále bylo potvrzeno, že použité algoritmy pro stanovení biomasy a uhlíku jsou použitelné jen pro lesní porosty. Dalšími daty pozemního měření byla data z výzkumné stanice Bílý Kříž, která obsahovala údaje o biomase. Testované algoritmy pro stanovení biomasy tak byly konfrontovány s dalšími daty pozemního měření. Další algoritmy již nebyly testovány a byly použity ke kvantifikaci ekosystémových funkcí.
Celkově tak bylo stanoveno sedm ekosystémových funkcí, které byly určeny přímo nebo nepřímo pomocí bezrozměrného vegetačního indexu. Kvantifikátory byly určeny pro zájmové území lesů v povodí řeky Dřevnice podle tříd CLC 311, 312, 313. První ekosystémovou funkcí byla produkční funkce zásoba nadzemní biomasy (t.ha-1), která úzce souvisí s další funkcí, kterou je zásoba (sekvestrace) uhlíku (t.ha-1). Dále byla určena ochrana půdy před vodní erozí, kterou zajišťuje vegetační kryt (protierozní funkce). Tahle funkce byla určena podle výsledku indexu C-faktor. Index listové plochy určuje strukturu biomasy (evapotranspirační funkce) a lze z něj stanovit regulační funkci, zachycení prachových částic PM10 pomocí vegetace (kg.ha-1). Další je podíl fotosynteticky aktivní složky vegetace, která je určena pomocí indexu FAPAR (produkční funkce, fotosyntéza). Co se týče vlhkostních indexů, byl použit index NDMI pro určení vlhkosti aktivního povrchu vegetace, který může indikovat vodní stres rostlin a tím pádem do jisté míry i retenci vody v krajině (vodoretenční funkce). Podobným indexem je i wetness-biomass, který dokáže odhalit zelenou biomasu a vlhkost povrchu vegetace. Je tak druhým vegetačním indexem, který určuje retenci vody v krajině a také podporu malého vodního cyklu (kondenzační funkce). Wetness-biomass měl být původně určen ke krosklasifikační analýze při výpočtu solarní disipace. Jak již bylo zmíněno, Sentinel-2 nesnímá v termálním spektru a od výpočtu bylo upuštěno. Bylo upuštěno také od stanovení vlhkosti půdy z dat Sentinel-1, jelikož rozlišení 1 kilometr je v konfrontaci s 20 metry nevhodný k použití. Data Surface Soil Moisture byla zařazena pouze do tabulkového přehledu kvantifikátorů pro třídy CLC. Kromě toho i další data vycházející ze Sentinel-1 nebyla dále použita, a to k určení zásoby nadzemní biomasy. Výsledná data nedisponovala žádnou korelací k metodě pro výpočet biomasy, které byla finálně určena.
Z celkově osmi kvantifikátorů tak bylo nakonec určena potenciální hodnota ekosystémové funkce pro lesní porost v zájmovém území. Hodnoty předešlých kvantifikátorů byly nejprve reklasifikovány a poté sečteny do výsledného rastru. Nízké hodnoty indikovaly malý potenciál k tvorbě či udržení ekosystémové funkce. Vysoké hodnoty indikovaly zdravé lesní porosty s vysokým potenciálem ekosystémových funkcí a správné funkci lesa.
Main aim of diploma thesis is finding suitable algorithms for processing remote sensing data of Sentinel-2 and Sentinel-1 satellites. The Results of the algorithms are used as indicators for final quantification of ecosystem functions. The algorithms are focused on estimation and structure of biomass, carbon estimation in above ground biomass, moisture of active surface, soil moisture and proportion of photosynthetically active part of vegetation. Algorithms are tested in area of interest in basin of river Dřevnice. Satellite images were downloaded for each month in the period from March 2018 to December 2018. The values of biomass and carbon estimation are confronted with the results of ground measurements from research station Bílý Kříž and from average values of carbon in selected biotopes. Thesis is focused on finding out if the satellite data from Sentinel-2 are suitable for determining ecosystem functions. An important chapter in this thesis is discussion, where is discussed about usability or unusability Sentinels data for determination of ecosystem functions. Another partial result of thesis is comparison of data access between Sentinel Playground, Sentinel Explorer and Copernicus Open Access Hub.
