Lotnicze i satelitarne rozpoznawanie i analiza funkcjonowania struktur przyrodniczych na przykładzie obszarów Polski północno-wschodniej i Pomorza

Prezentacja ta jest zapewne jednym z pierwszych przypadków elektronicznego współudziału "on line" w polskiej konferencji naukowej poświeconej środowisku przyrodniczemu. Polega bowiem nie tylko przedstawieniu materiałów wraz z komentarzem jako odpowiednika referatu na stronie internetowej równolegle z trwaniem sesji referatowej, ale autor proponuje również dyskusję e-mailową lub bezpośredni czat w czasie rzeczywistym.

Wystąpienie internetowe zawiera z konieczności skrót materiału, który w pełnej postaci cyfrowej ma podnad 800 Mb i w całości nie jest możliwy do prezentacji drogą elektroniczną. Ale dzięki zastosowanemu ograniczeniu staje się on dostępny dla uczestników konferencji-odbiorców internetu.

Materiał przedstawiony poniżej (zajrzyj też na sąsiednie strony) jest jednocześnie prezentacją przykładów z przygotowywanego kilkutomowego opracowania. Jest ono poświęcone interpretacji zdjęć lotniczych pod kątem analizy środowiska przyrodniczego Polski ze szczególnym uwzględnieniem obszarów chronionych. Jest to zarazem przykład jak cyfrowe zobrazowania parków narodowych i ich analiza dają nie tylko nowe spojrzenie, ale co za tym idzie, ukierunkowują rozwój nauk przyrodniczych. Rola parków narodowych nie ogranicza się w tym przypadku tylko do nauk typowo biologicznych, ale ma charakter inspirujący i wyznaczający całkowicie nowe kierunki badawcze i metodyczne - przy tradycyjnym pojmowaniu przyrody jeszcze nie dostrzegane.

Przedstawiam tylko kilka wybranych przykładów, ale mam nadzieję, że stanowić one będą obraz potencjalnych możliwości, jakie dają zobrazowania lotnicze.

Niezbędne jest jednak zaznaczenie, że autor traktuje zobrazowania lotnicze i satelitarne nie tylko jako techniki pozyskiwania informacji, ale przede wszystkim jako sposób myślenia. Analiza obrazów odbywa się więc nie tylko w kategoriach analizy instrumentalnej, ale przede wszystkim w kategoriach analizy mentalnej, której problemy techniczne są podporządkowane i stanowią pomocne narzędzie.

Wielowymiarowa rzeczywista przestrzeń zapisana jest w postaci najczęściej dwuwymiarowego obrazu. Dodatkowe informacje są zakodowane w postaci zarejestrowanego rozkładu natężenia promieniowania e-m przyjmując formę analogowych lub cyfrowych wyciągów spektralnych. Informację o przestrzeni uzyskujemy analizując zmiany położenia poszczególnych elementów obserwowanych z dwóch punktów obserwacji. Analiza stereoskopowa wymaga więc dwóch zdjęć wykonanych z przesunięciem z różnych punktów widzenia.

Obraz lotniczy i satelitarny w momencie wykonania staje się źródłem informacji do dalszych interdyscyplinarnych analiz matematycznych i logicznych.

To pierwsza w historii animacja zmian dokonujących się w krajobrazie na przestrzeni pół wieku, której bazą są pionowe zdjęcia lotnicze. Zdjęcia pochodzą z lat 1951-1998 (w prezentowanej animacji udostępniono tylko wybrane czarno-białe zdjęcia do 1984 r.).

Tu należy wspomnieć o dwóch dużych programach realizowanych przez autora. Pierwszy z nich doprowadził do powstania cyfrowej fotomapy - pierwszej polskiej barwnej fotomapy cyfrowej wykonanej na przykładzie Słowińskiego Parku Narodowego. Jest to niewątpliwy udział parku narodowego we wdrażaniu do praktyki nowoczesnych metod analizy środowiska przyrodniczego i tworzenia podstaw pod teledetekcyjną (lotniczą i satelitarną) analizę i zarządzanie dobrami środowiskowymi.

Cyfrowa ortofotomapa (patrz też strona o SPN) została wykonana na bazie barwnych autorskich zdjęć z 1993 r. wykonanych kamerą niemetryczną (Ostrowski M., Preuss R, Kurczyński Z. we współpracy z WOGiT. "Tworzenie cyfrowej ortofotomapy w barwach rzeczywistych na podstawie zdjęć wykonanych kamerami niemetrycznymi". Kraków 1994). Było to osiagnięcie na tyle duże, że warto jeszcze podkreślić, iz w tamtym okresie dyski w komputerach miały zaledwie po kilkadziesiąt Mb pojemności. Cała fotomapa zajmuje natomiast około 1 Gb przy zachowaniu rozdzielczości odpowiadającej w terenie około 40 cm.

Treść mapy jest analizowana nie tylko we wzajemnych relacjach przestrzennych, ale również czasowych. W tym ostatnim przypadku autor stosuje dwie metody analizy: przez porównywanie zmian widocznych na statycznym zdjęciu (np. w strukturze lasu odzwierciedlającego historyczne fazy i kształty przemieszczających się wydmowych barchanów). Ta analiza pozwala dostrzec związki zbiorowiskowo-siedliskowe sięgające ostatnich dwóch wieków. Drugi typ analizy związany jest z porównywaniem źródłowych lotniczych materiałów archiwalnych, które obejmują okres ostatnich pięćdziesięciu lat.

Załączona animacja jest zobrazowaniem zmian dokonujących się w strefie przewiewanych wydm na Mierzei Łebskiej. Ze względu na możliwości programowe animacja przebiega z wybraną, ale tą samą częstotliwością dla wszystkich etapów. Prawidłowe jest jednak odzwierciedlenie zróżnicowanej częstotliwości zgodnej z rzeczywistym zróżnicowaniem okresów wykonania zdjęć (do zaprezentowania u autora w Pracowni)

To pierwsze, i zarazem najstarsze, zdjęcie w podczerwieni zarejestrowane na filmie spektrostrefowym w historii parków narodowych w Polsce. Wykonane zostało na przełomie 70/80-tych lat XX wieku przez autora niniejszego opracowania. Były to jedne z pierwszych prób wykorzystania tej techniki rejestracji w podczerwieni do zobrazowań środowiska, oceny szaty roślinnej oraz zanieczyszczenia wód powierzchniowych.

Chlorofil charakteryzuje się silnym odbiciem promieniowania podczerwonego. W przeciwieństwie do niego woda odwrotnie - ma cechę silnego pochłaniania tego zakresu promieniowania. Zarejestrowanie na filmie odbicia w podczerwnieni pozwala nam określić niewidoczną gołym okiem nie tylko występowanie, ale przedewszystkim kondycję roślin, zróżnicowanie zbiorowisk pod względem produktywności. Istotne jest nie tylko ilościowe określenie wartości odbicia, ale jednocześnie jego rozkład przestrzenny. Na obrazie dobrze widoczne są obszary pokryte roślinnością, związki między zbiorowiskami a podłożem i lokalizacją.

W przeciwieństwie do chlorofilu woda silnie pochłaniania ten zakres promieniowania. Dzięki temu doskonale widoczne są zbiorniki z linią lustra wody, jak również wszelkie tereny podmokłe. Analiza zdjęcia w podczerwieni pozwala dostrzec nowe własności fizyczne zarówno podłoża, jak i stopnia pokrycia roślinnością, co na zdjęciu klasycznym byłoby niemożliwe.

Zdjęcia lotnicze, tak jak obserwacje naukowe, muszą być wykonane nie tylko w określonych warunkach, które pozwalają wiarygodnie interepretować treść zdjęć, ale również w odpowiednim czasie. Przykładem może być unikalne zdjęcie jednej z zatok jeziornych w Wigierskim Parku Narodowym. Wykonane zostało w takim momencie, w którym lód nie sciął jeszcze całej powierzchni jednolitą warstwą lodu. W rzeczywistości taka jednolita powłoka ma lokalnie różną grubość. Na obrazie widoczne są miejsca o różnej intensywności lokalnych prądów pochodzących z dna widoczne w postaci odpowiadającym im obszarom późniejszego zamarzania. Na tej podstawie obliczono ilość podwodnych strumieni/bijących źródlisk oraz ich intensywność/wielkość mierzoną średnicą naturalnej przerębli oraz tempem jej zamarzania. Cała zatoka jakby gotuje się, czego nie jesteśmy świadomi. Tak subtelnych różnic normalnie nie jesteśmy w stanie ani dostrzec, ani pomierzyc metodami fizycznymi, a zaobserwowanie zjawiska i lokalizacja możliwe stają się wyłącznie dzięki fotografii lotniczej.

Przedstawiony obraz uświadamiający nam istnienie "lasu kominów" lokalnych turbulencji wody związany jest z istnieniem wewnętrznych źródlisk. Jednocześnie na obrazach termalnych nie zaobserwowano różnic w temperaturze wody, a więc zjawisko ma charakter wyłącznie mechaniczny.

Lotniczy obraz powierzchni wody odtwarza jednocześnie nieznane dotąd zróżnicowanie w toni zbiornika mające swoje odzwierciedlenie, jak się można domyślać, w strukturze i zachowaniach flory i fauny.

Inne zdjęcia zapisane w dużych plikach cyfrowych, które mogą być prezentowane jednynie podczas bezpośredniego referatu, ukazują strumień rzeki przepływającej przez inne z jezior na terenie tego samego parku narodowego. Strumień ten nie przepływa jednak przez jezioro w linii prostej łączącej miejsce wpływu i wypływu, ale podlega oddziaływaniom siły Coriolisa. Strumień wody o innym składzie chemicznym i natlenieniu w charakterystyczny sposób również zmienia lokalną strukturę środowiska wodnego i relacje ekologiczne.

Jezioro Warnołty znajduje sie na obszarze Mazurskiego Parku Krajobrazowego i jest typem jeziora zarastającego zwłaszcza w strefie zatok w północnej części zbiornika. Zamieszczony obraz to przykład analizy spektralnej pozwalającej wydzielić ze zdjęcia metodami numerycznymi zbiorowiska roślinne i dokonać ich klasyfikacji. Każdemu kolorowi przypisane jest określone zbiorowisko charakteryzujące sie określonym składem gatunkowym lub strukturą fizyczną (zróżnicowanie ze względu na gęstość pokrycia, kierunek nachylenia roślin spowodowany np. czynnikami atmosferycznymi, zmianami fizjologicznymi (usychanie, przebarwienia). W ten sposób tworzy się mapy rozkładu określonych struktur i przyczyn, które je spowodowały. Zasoby przyrodnicze parków narodowych, jak i wielu innych obszarów cennych przyrodniczo, są jednym z czynników pełniących istotna rolę w rozwoju narzędzi poznawczych i współewoluujących wraz z nimi nauk przyrodniczych.

Na szczególną uwagę zasługuje wykonana przez M. Ostrowskiego cyfrowa fotomapa lotnicza dna morskiego w Zatoce Gdańskiej. Jest to pierwsze i jedyne w kraju wykonane opracowanie fotogrametryczne dna zbiornika na podstawie zdjęć lotniczych. Rzeczywista rozdzielczość fotomapy wynosi 15 cm. Jej inspiracją było planowane na tym obszarze utworzenie podwodnego Parku Krajobrazowego. Zdjęcia lotnicze do opracowania wykonano w marcu, gdy kwitnięcie wody jeszcze nie miało miejsca, a przezroczystość po zejściu lodów była stosunkowo wysoka sięgająca 10 m. O trudności wykonania zdjęć do tego opracowania może świadczyć konieczność jednoczesnego wystąpienia wielu dodatkowych czynników: słonecznej bezchmurnej pogody przy określonym położeniu Słońca nad horyzontem oraz jednoczesnego utrzymywania się kierunku wiatru od lądu, co przy klifowym ukształtowaniu brzegu minimalizowało falowanie i odblaski słońca na wodzie.

Fotomapa była dodatkowo uczytelniana w terenie podczas badań podwodnych zarówno pod względem skali, rozpoznania obiektów (w tym głazów narzutowych znajdujących się na dnie), zasięgu i składu roślinności, jak i interpretacji innych dostrzeżonych obiektów.

Wykorzystanie zdjęć lotniczych i skorelowanych z nimi analiz naziemnych można podsumować ostatnim z przykładów - modelem rozkładu makrofitów w toni wodnej. Jest to jeden z kilkudziesięciu wykresów wykonany w ramach prac (m.in pracy magisterskiej Pawła Szpygla) pod kierunkiem autora niniejszego opracowania. W ten sposób łącząc badania lotnicze, naziemne, podwodne i laboratoryjne, a od strony merytorycznej: teledetekcyjne, hydrobiologiczne, numeryczne, chemiczne i fitosocjologiczne powstaje przestrzenny model funkcjonowania delty ujścia rzeki Krutyni do jeziora Gardyńskiego. Przedstawiony obok wykres prezentuje strukturę przestrzenną makrofitów, ale powiązany jest ze strukturą gatunkową, dynamiczną zmiennością i odkładaniem się osadów, zależnościami od składu chemicznego podłoża i mechanicznego oddziaływania przepływającej wody. Poznanie tych zjawisk jako całości pozwoli zrozumieć funkcjonowanie ekosystemu.