Ústav pro hospodářskou úpravu lesů Brandýs nad Labem

Fotogrammetrické šetření NIL

Kombinace dat terénního šetření a dálkového průzkumu Země (DPZ) se stala standardním metodickým přístupem NIL mnoha zemí. Fotogrammetrická (FTGM) interpretace digitálních leteckých měřičských snímků (LMS) v zahuštěné inventarizační síti snižuje náklady pozemního šetření a zpřesňuje odhady důležitých cílových parametrů NIL. Na výsledky FTGM interpretace navazují automatizované postupy tvorby digitálních mapových vrstev s využitím leteckých či satelitních snímků.

Proč fotogrammetrie?

V rámci druhého cyklu Národní inventarizace lesů (NIL2) byla provedena fotogrammetrická (FTGM) interpretace inventarizačních bodů ve čtvercové síti 0,5 × 0,5 km (inventarizační síť NIL2, jeden bod ve čtverci) a nezávisle též v síti 2 × 2 km (inventarizační síť NIL1, dva body ve čtverci). Na území ČR tak bylo interpretováno více než 350 tis. inventarizačních bodů, z nichž mnohé byly z kontrolních důvodů hodnoceny opakovaně (revize FTGM interpretací).

Hlavní přínosy FTGM interpretace pro NIL lze shrnout takto:

  • Snížení rozsahu venkovních prací o zhruba 60 % – vyloučením inventarizačních bodů nacházejících se zjevně mimo cílové kategorie pozemků (např. les, OWL) z terénního šetření.
  • Zpřesnění informací poskytovaných NIL – kombinací relativně malého množství správné, ale nákladné informace z terénního šetření s velkým množstvím méně přesné, ale řádově levnější informace z FTGM vede u mnoha důležitých cílových parametrů NIL ke zpřesnění jejich odhadu. To má význam pro poskytování výstupů NIL na úrovni podoblastí ČR a pro vyhodnocení za období kratší než celý inventarizační cyklus.
  • Nákladově efektivní odhad krajinných charakteristik – tj. bez potřeby pozemního šetření, které by při požadavku na tyto výstupy bez možnosti použití FTGM muselo probíhat po celém území nehledě na kategorie pozemků. Pro tento účel byla do šetření NIL2 zařazena FTGM intepretace transektu o délce 500 m (náhodná orientace).
  • Trénovací data pro řízenou klasifikaci obrazu – velké množství interpretovaných inventarizačních bodů rovnoměrně pokrývajících celé území ČR slouží k automatizované produkci celorepublikových digitálních mapových vrstev (např. mapy kategorie pozemků les, růstových fází a dřevinné skladby lesních porostů, dřevinné vegetace mimo kategorii les apod.).

Šetření na inventarizačních bodech se provádí na podkladě digitálních leteckých měřičských snímků (LMS), které umožňují provoz plně digitální zpracovatelské linky se všemi výhodami. Digitální obraz je pořízen kamerou současně ve čtyřech kanálech, z nichž tři jsou citlivé ve viditelné části elektromagnetického spektra (tj. v pravých barvách RGB) a jeden v blízkém infračerveném pásmu (NIR). Přítomnost NIR kanálu výrazně rozšiřuje možnosti hodnocení stavu vegetace.

Ucelenější přehled o využití fotogrammetrie – zejména leteckých měřičských snímků – v rámci projektu NIL2 nabízí prezentace Ing. Filipa Hájka, Ph.D. (vedoucí specializovaného pracoviště fotogrammetrie a DPZ).

Technologické a personální zajištění

Fotogrammetrická interpretace probíhá současně na šesti operátorských stanicích vybavených aplikací FONIL (ÚHÚL ve spolupráci s Topol Software, s. r. o.). Tato aplikace poskytuje GUI (grafické uživatelské rozhraní), které provádí operátory jednotlivými kroky postupu. Řízení celého procesu FTGM interpretace zajišťuje funkcionalita databáze PostgreSQL, kterou navrhli a vyvinuli specialisté ÚHÚL. Plán práce v rámci celého cyklu NIL, postup šetření na konkrétním inventarizačním bodě, kontrolní mechanizmy, uložení výsledků, automatizovaná příprava podkladů pozemního šetření – to vše je implementováno na straně databáze PostgreSQL. Tímto je dosaženo propojení na všechny další činnosti prováděné v rámci každého cyklu NIL. Veškerá projektová logika, kontroly a data jsou spravovány na jednom místě – v databázi PostgreSQL.

Interpretace inventarizačních bodů

Prvním krokem celého postupu je interpretace bodového pole uvnitř tzv. interpretačního čtverce 51 × 51 metrů. Ve čtverci je rovnoměrně rozmístěno 16 bodů, na nichž je zjišťována nadmořská výška a zaznamenán typ povrchu (strom jehličnatý, strom listnatý, keř, povrch terénu a ostatní). V rámci NIL2 bylo na celém území ČR tímto způsobem zhodnoceno přibližně 5,7 miliónů bodů.

Další postup směřuje k zařazení inventarizačního bodu do kategorie pozemků podle FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) FRA (Global Forest Resource Assessment). Pro zařazení do kategorie pozemku dle NIL jsou použity dvě skupiny kritérií:

  • Porostní kritéria – výskyt a vlastnosti porostu dřevin, tj. výška, zápoj, plocha a šířka porostu.
  • Skutečné a aktuální využití pozemku – posouzení spočívá v zjištění, zda v okamžiku šetření převažuje zemědělské nebo městské využití. Pokud žádné z uvedených využití nepřevažuje nad jakýmkoli jiným, není aktuální využití v rozporu se zařazením pozemku do kategorie les, případně OWL.

Definice kategorií pozemků vychází z pravidel FAO FRA, upravených pro evropské poměry sdružením ENFIN (European National Forestry Inventory Network). Rozlišujeme celkem pět kategorií FAO FRA: les (Forest), nelesní porosty dřevin (OWL, tj. Other Wooded Land), ostatní pozemky pokryté stromy (OLwTC, tj. Other Land with Tree Cover), ostatní pozemky (Other Land) a vodní plochy (Water Bodies). Inventarizační bod je zařazen do některé z uvažovaných kategorií podle charakteru porostu a využití zjištěných v době šetření, a to nezávisle na stavu katastru nemovitostí, na údajích lesních hospodářských plánů, mapových podkladech apod.

Fotogrammetrická klasifikace inventarizačních bodů do kategorií FAO FRA probíhá principiálně podle stejného rozhodovacího schématu jako v případě pozemního šetření [1, s. 649-657]. Rozdíl je pouze v tom, že operátoři mohou zařadit daný inventarizační bod do kategorie „neklasifikovatelné“ (velmi vzácné případy nekvalitního leteckého snímku, případně výskytu oblačnosti) nebo nemusí jednoznačně rozhodnout o převažujícím zemědělském nebo městském využití. Kritérium skutečného využití někdy nebývá na leteckých snímcích zcela zřejmé. V takových případech je inventarizační bod zařazen do zvláštní kategorie utvořené kombinací kategorií FAO FRA, které v dané části rozhodovacího systému přicházejí v úvahu.

Na inventarizačních bodech zařazených do kategorie les se pokračuje šetřením dalších charakteristik [4, s. 42]. Všechny zaznamenávané parametry jsou vztažené na konkrétní porostní segment, v němž je umístěn inventarizační bod. Zde se hodnotí:

  • druh pozemku – porostní půda, bezlesí, jiné pozemky
  • plošná poškození porostu – větrem či sněhem, požárem
  • růstová fáze porostu – holina, kultura-nárost-mlazina (do výšky 2,5 m), tyčkovina (do výšky 8 m), tyčovina (do výšky 20 m), kmenovina (nad 20 m výšky), smíšené fáze (výběrný les)
  • dřevinná skladba – porost převážně jehličnatý, porost převážně listnatý, druhově smíšený porost, porost do 8 m výšky (dřevinnou skladbu nelze ve všech případech spolehlivě rozpoznat)
  • typ zápoje – normální, mezernatý, stísněný
  • způsob smíšení dřevin – nesmíšený porost, jednotlivé smíšení, řadové nebo pruhové smíšení, hloučkovité nebo skupinovité smíšení

Kromě klasifikace podle FAO FRA jsou inventarizační body zařazovány do kategorií pozemků podle LULUCF (pro potřeby emisních inventur; Land Use, Land-Use Change and Forestry) [5, kap. 2.2]. V tomto případě jsou rozlišovány následující kategorie: les (se stejnou definicí jako podle FAO FRA), kultivované pozemky, travní porosty, vodní plochy a mokřady, sídla, ostatní.

Interpretace krajinných transektů

Kromě inventarizačních bodů jsou fotogrammetricky interpretovány také krajinné transekty – linie s náhodnou orientací a délkou 500 m. Každý krajinný transekt má stejnou orientaci s jemu odpovídajícím transektem pozemního šetření (délka 300 m). Střed každého transektu se kryje s inventarizačním bodem, který náleží do inventarizační podsítě 1 × 1 km. Metodicky je šetření krajinných transektů pojato dvěma způsoby:

  • Line intersect sampling (LIS) – tento způsob je použit k odhadům celkových délek a hustot liniových objektů; celkových délek, plochy, hustoty a plošného zastoupení pásových objektů; celkové plochy, plošného zastoupení a průměrné velikosti plošných objektů [2], [3, s. 279-325].
  • Pásová plocha pevného tvaru a velikosti – geometricky jde o pás s šířkou 100 m a délkou 500 m, jehož osou probíhá linie transektu. Slouží k šetření a následnému odhadu počtu a plošné hustoty vybraných bodových objektů v krajině.

Hlavním cílem šetření na krajinném transektu je zaznamenat rozptýlenou vegetaci, která nespadá do některé z vybraných kategorií pozemků NIL (les, OWL, OLwTC, požadavky na minimální šířku 20 m a plochu porostu 0,5 ha). Typicky jde o aleje, břehové porosty (šířka do 20 m), solitérní stromy a malé skupinky stromů (plocha pod 0,04 ha), malé plošné porosty dřevin (plocha pod 0,5 ha) apod.

Fotogrammetrická interpretace krajinných transektů byla zahájena se zpožděním v roce 2014 (interpretace inventarizačních bodů byla zahájena již v roce 2009). Z kapacitních důvodů a s ohledem na předpokládanou nižší dynamiku rozptýlené vegetace v krajině bylo rozhodnuto prodloužit délku cyklu fotogrammetrické interpretace krajinných transektů z pěti na deset let. Každoročně je tak interpretována jedna desetina všech krajinných transektů (v síti 1 × 1 km).

Literatura

[1] Adolt, R., Kučera, M., Zapadlo, J., Andrlík, M., Čech, Z., Coufal, J. (2013): Pracovní postupy pozemního šetření NIL2. Brandýs nad Labem: Ústav pro hospodářskou úpravu lesů Brandýs nad Labem (ÚHÚL), 657 s., ISBN 978-80-905423-2-7.

[2] Barabesi, L., Marcheselli, M. (2008): Improved strategies for coverage estimation by using replicated line-intercept sampling. Environ Ecol Stat 15:215-239, DOI 10.1007/s10651-007-0048-6.

[3] Gregoire, T. G., & Valentine, H. T. (2008): Sampling strategies for natural resources and the environment. Chapman and Hall/CRC (kapitola 9), 474 s.

[4] Hájek, F., Adolt, R., Tomančák, O., Kantorová, M., Kučera, M. & Čech, Z. (2016): Metodika a pracovní postupy fotogrammetrického šetření NIL2. Brandýs nad Labem: Ústav pro hospodářskou úpravu lesů Brandýs nad Labem (ÚHÚL), 161 s., ISBN 978-80-905995-8-1.

[5] Penman, J. a kol. (2003): Good Practice Guidance for Land Use, Land-Use Change and Forestry. Institute for Global Environmental Strategies (IGES) for Intergovernmental Panel on Climate Change (IPPC), 590 s., ISBN 4-88788-003-0.