Zastosowanie komputerowej analizy scen satelitarnych w detekcji niekorzystnych zmian środowiska

Zastosowanie komputerowej analizy scen satelitarnych

w detekcji niekorzystnych zmian œrodowiska

Tomasz Gliwicz*

An application of the computer satellite image processing in detection of inconvenient environmental changes. Prz. Geol., 49: 1126–1128.

S u m m a r y. Estimate and monitoring of environmental conditions is the most important problem to the contemporary world. Modern technologies extend possibilities and methods to estimate a condition of the environment. The computer satellite image processing is one of the newest methods making possible detection of inconvenient environmental changes. In order to confirm this potential possi-bility, the analyses of selected areas from 6 satellite scenes was performed. Five of them were from 7 spectral bands satellite LANDSAT 5TM with resolution of 6 spectral bands 30 x 30 m and a infrared band with resolution 120 x 120 m, and one of them was from 8 spectral bands satellite LANDSAT 7ETM+ with resolution 6 spectral bands 30 x 30 m, a infrared band with resolution 60 x 60 m and a panchro-matic band with resolution 15 x 15 m. The analyses was done with ERMAPPER 5.0.

Key words: satellite image processing, oil derivative substances, environment, airforce bases, landsat, ermapper

Komputerowa analiza scen satelitarnych jest metod¹ powszechnie wykorzystywan¹, m.in. w geologii, we wstêpnym rozpoznaniu obszaru badañ, w planowaniu przestrzennym przy ustalaniu rodzaju u¿ytkowania terenu, jak równie¿ w badaniu zmian i oceny stanu œrodo-wiska przyrodniczego. Podejmowane s¹ te¿ próby wykorzystania tej metody do wstêpnego oszacowania stopnia degradacji œrodowiska przez ró¿ne substancje chemiczne — w tym pro-dukty ropopochodne.

W Pañstwowym Instytucie Geologicznym komputerowa analiza scen satelitarnych zosta³a zastosowana w trakcie realizacji dwóch tema-tów — w 1998 r. do badania zasiêgu ska¿eñ pro-duktami ropopochodnymi lotnisk wojskowych w Powidzu i Krzywej (Gliwicz & Na³êcz, 1998), i w 2000 r. w celu oszacowania zmian zanie-czyszczenia produktami ropopochodnymi obiektu wojskowego w Kluczewie (Gliwicz, 2000). W ramach tych opracowañ podjêto pró-bê oceny niekorzystnego wp³ywu produktów ropopochodnych na œrodowisko, analizuj¹c dane pochodz¹ce z 6 scen satelitarnych, obej-muj¹cych tereny wymienionych wojskowych baz lotniczych (ryc. 1). Wykorzystano 5 scen

1126

Przegl¹d Geologiczny, vol. 49, nr 12, 2001

*Pañstwowy Instytut Geologiczny, ul. Rako-wiecka 4, 00-975 Warszawa

Obszary wybrane do analizy: Investigated areas: A

B C

–rejon wojskowej bazy lotniczej w Kluczewie –rejon wojskowej bazy lotniczej w Powidzu –rejon by³ej wojskowej bazy lotniczej w Krzywej

airforce base at Kluczewo airforce base at Powidz ex-airforce base at Kluczewo Sceny satelitarne: (1986 r.) Satellite scenes: (1986 r.) (1995 r.) (1987 r., 1991 r., 1999 r.) A B 18°° 14°° 12°° 51°° 50°° 49°° 48°° 52°° 53°° 54°° 55°° 56°° 19°° 15°° 13°° 16°° 17°° 20°° 21°° 22°° 23°° 24°° C

Obszary wybrane do analizy: Investigated areas: A

B C

–rejon wojskowej bazy lotniczej w Kluczewie –rejon wojskowej bazy lotniczej w Powidzu –rejon by³ej wojskowej bazy lotniczej w Krzywej

airforce base at Kluczewo airforce base at Powidz ex-airforce base at Kluczewo Sceny satelitarne: (1986 r.) Satellite scenes: (1986 r.) (1995 r.) (1987 r., 1991 r., 1999 r.) A B 18°° 14°° 12°° 51°° 50°° 49°° 48°° 52°° 53°° 54°° 55°° 56°° 19°° 15°° 13°° 16°° 17°° 20°° 21°° 22°° 23°° 24°° C

Obszary wybrane do analizy: Investigated areas: A

B C

–rejon wojskowej bazy lotniczej w Kluczewie –rejon wojskowej bazy lotniczej w Powidzu –rejon by³ej wojskowej bazy lotniczej w Krzywej

airforce base at Kluczewo airforce base at Powidz ex-airforce base at Kluczewo Sceny satelitarne: (1986 r.) Satellite scenes: (1986 r.) (1995 r.) (1987 r., 1991 r., 1999 r.) A B 18°° 14°° 12°° 51°° 50°° 49°° 48°° 52°° 53°° 54°° 55°° 56°° 19°° 15°° 13°° 16°° 17°° 20°° 21°° 22°° 23°° 24°° C

Obszary wybrane do analizy: Investigated areas: A

B C

–rejon wojskowej bazy lotniczej w Kluczewie –rejon wojskowej bazy lotniczej w Powidzu –rejon by³ej wojskowej bazy lotniczej w Krzywej

airforce base at Kluczewo airforce base at Powidz ex-airforce base at Kluczewo Sceny satelitarne: (1986 r.) Satellite scenes: (1986 r.) (1995 r.) (1987 r., 1991 r., 1999 r.) A B 18°° 14°° 12°° 51°° 50°° 49°° 48°° 52°° 53°° 54°° 55°° 56°° 19°° 15°° 13°° 16°° 17°° 20°° 21°° 22°° 23°° 24°° C

Obszary wybrane do analizy: Investigated areas: A

B C

–rejon wojskowej bazy lotniczej w Kluczewie –rejon wojskowej bazy lotniczej w Powidzu –rejon by³ej wojskowej bazy lotniczej w Krzywej

airforce base at Kluczewo airforce base at Powidz ex-airforce base at Kluczewo Sceny satelitarne: (1986 r.) Satellite scenes: (1986 r.) (1995 r.) (1987 r., 1991 r., 1999 r.) A B 18°° 14°° 12°° 51°° 50°° 49°° 48°° 52°° 53°° 54°° 55°° 56°° 19°° 15°° 13°° 16°° 17°° 20°° 21°° 22°° 23°° 24°° C

Obszary wybrane do analizy: Investigated areas: A

B C

–rejon wojskowej bazy lotniczej w Kluczewie –rejon wojskowej bazy lotniczej w Powidzu –rejon by³ej wojskowej bazy lotniczej w Krzywej

airforce base at Kluczewo airforce base at Powidz ex-airforce base at Kluczewo Sceny satelitarne: (1986 r.) Satellite scenes: (1986 r.) (1995 r.) (1987 r., 1991 r., 1999 r.) A B 18°° 14°° 12°° 51°° 50°° 49°° 48°° 52°° 53°° 54°° 55°° 56°° 19°° 15°° 13°° 16°° 17°° 20°° 21°° 22°° 23°° 24°° C

Obszary wybrane do analizy: Investigated areas: A

B C

–rejon wojskowej bazy lotniczej w Kluczewie –rejon wojskowej bazy lotniczej w Powidzu –rejon by³ej wojskowej bazy lotniczej w Krzywej

airforce base at Kluczewo airforce base at Powidz ex-airforce base at Kluczewo Sceny satelitarne: (1986 r.) Satellite scenes: (1986 r.) (1995 r.) (1987 r., 1991 r., 1999 r.) A B 18°° 14°° 12°° 51°° 50°° 49°° 48°° 52°° 53°° 54°° 55°° 56°° 19°° 15°° 13°° 16°° 17°° 20°° 21°° 22°° 23°° 24°° C

Obszary wybrane do analizy: Investigated areas: A

B C

–rejon wojskowej bazy lotniczej w Kluczewie –rejon wojskowej bazy lotniczej w Powidzu –rejon by³ej wojskowej bazy lotniczej w Krzywej

airforce base at Kluczewo airforce base at Powidz ex-airforce base at Kluczewo Sceny satelitarne: (1986 r.) Satellite scenes: (1986 r.) (1995 r.) (1987 r., 1991 r., 1999 r.) A B 18°° 14°° 12°° 51°° 50°° 49°° 48°° 52°° 53°° 54°° 55°° 56°° 19°° 15°° 13°° 16°° 17°° 20°° 21°° 22°° 23°° 24°° C

Ryc. 1. Wykorzystane sceny satelitarne i badane obszary Fig. 1. Satellite scenes and investigated area

baza lotnicza airforce base Gniezno Witkowo Powidz S³upca Konin Wrzeœnia Stargard Szczeciñski Kluczewo

A

B

®

Ryc. 2. Tereny zabudowane i ci¹gi komunikacyjne: A — scena z 1986 r., rejon bazy lotniczej w Powidzu; B — scena z 1991 r., rejon bazy lotniczej w Kluczewie Fig. 2. Urban area and comunication lines: A — satellite scene 1986, area of airforce base at Powidz; B — satellite scene 1991, area of airforce base at Klu-czewo

1127 Przegl¹d Geologiczny, vol. 49, nr 12, 2001

Ryc. 4. Baza lotnicza w Powidzu (1986 r.). Tereny najbardziej podejrzane o zanieczyszczenia substancjami ropopochodnymi oznaczono kolorami od jasnoniebieskiego do czerwonego Fig. 4. Airforce base at Powidz (1986). The most suspected areas of pollution by oil derivative substances are coloured from light blue to red 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ₁₀ 11 12 13 14 15 16 18 17 19 22 23 24 20 21 27 28 26 25 29 31 30 32 33 34 35 36 37 38 39a 39b baza lotnicza airforce base

punkty wyselekcjonowane do weryfikacji w terenie

points selected for field verification 20

Ryc. 3. Punkty wyselekcjonowane do weryfikacji w terenie (obszar wokó³ bazy lotniczej w Powidzu jak na ryc. 2)

Fig. 3. Points selected to field verification (area around the airfor -ce base at Powidz; for location see fig. 2)

Obszary zdegradowane ze scen z 1987 r., 1991 r. i 1999 r. na³o¿one przez algorytm RGB Degraded areas from the satelite

scenes (1987, 1991, 1999) overlay using algorythm RGB R – scena z 1987 r. – R scene 1987 G – scena z 1991 r. – G scene 1991 B – scena z 1999 r. – B scene 1999

granica obiektu Kluczewo”„

boundary of object „Kluczewo”

Obszary zdegradowane oznaczone s¹ kolorami:

Degraded areas marked in colours:

1987 r. 1991 r. 1999 r.

1987 r. i 1991 r. 1987 r. i 1999 r. 1991 r. i 1999 r. 1987 r., 1991 r. i 1999 r.

czerwony

red zielonygreen niebieskiblue

¿ó³ty

yellow ró¿owypink turkusowyturquoise bia³ywhite

algorytm RGB

algorythm RGB

Najbardziej prawdopodobne miejsca degradacji to te, w których wystêpuje skupienie wymienionych kolorów.

The most suspected places are those with concentration of the colours mentioned.

Ryc. 5. Obszary zdegradowane na terenie bazy lotniczej w Kluczewie Fig. 5. Degraded areas in the airforce base area at Kluczewo

1999 r. Je zio ro Mi ed wie 1991 r. J ez ior oMi e d wie 1987 r. Je zio ro Mi ed wie

mieszalnia pasz zlikwidowana w 1998 i kana³ ³¹cz¹cy jezioro Miedwie i jezioro Bêdogoszcz

fodder processing plant closed in 1998 and canal connecting Lake Miedwie with Lake Bêdogoszcz

Ryc. 6. Sceny z 1987, 1991 i 1999 r. Rozk³ad zanieczyszczeñ w wodach jeziora Miedwie i Bêdogoszcz

pochodz¹cych z siedmiokana³owego satelity LANDSAT 5TM (rozdzielczoœæ 6 kana³ów spektralnych 30 x 30 m, kana³ podczerwony 120 x 120 m) i jedn¹ z oœmiokana³owe-go LANDSAT 7ETM+ (rozdzielczoœæ 6 kana³ów spektral-nych 30 x 30 m, kana³ podczerwony 60 x 60 m, kana³ panchromatyczny 15 x 15 m); analizê wykonano za pomoc¹ programu ERMAPPER 5.0.

W wyniku przetworzenia danych, pochodz¹cych ze scen satelitarnych, w procesie klasyfikacji nienadzorowa-nej*, a nastêpnie klasyfikacji nadzorowanej**, otrzymano obrazy z uwidocznionymi obszarami, które okreœlono jako przekszta³cone antropogenicznie — to jest takie, na których zaznaczy³a siê dzia³alnoœæ cz³owieka, wyraŸnie odró¿niaj¹ca te tereny od nie zmienionych obszarów przyrody oraz tere-nów rolniczych. Do obiektów nie zmienionych antropo-genicznie zaliczono lasy iglaste i liœciaste, pola uprawne (z ró¿nego rodzaju uprawami i pola zaorane), ³¹ki i zbiorni-ki wodne. Do obiektów przekszta³conych antropogenicz-nie zaliczono m.in. miasta i skupiska zabudowy (w tym obiekty przemys³owe i wojskowe), drogi, tory kolejowe oraz obszary pozosta³e, wymagaj¹ce dalszej, dok³adniej-szej identyfikacji (ryc. 2).

Po klasyfikacji obszaru badañ przeprowadzono, przy zastosowaniu odpowiednich algorytmów, proces rozdzie-lenia wytypowanych terenów przekszta³conych antropoge-nicznie. Nastêpnie dokonano identyfikacji obiektów na tych obszarach. W wyniku tych dzia³añ ustalono, ¿e w obrêbie obszarów przekszta³conych antropogenicznie, poza tak oczywistymi obiektami, jak miasta, drogi i bazy wojskowe (w tym bazy transportowe, lotniska i poli-gony), wystêpuj¹ równie¿ odkrywki, zrekultywowane i czynne ha³dy, obiekty przemys³owe, dawne PGR-y, bazy SKR oraz polany leœne, na których mieœci³y siê sk³adowi-ska drewna opryskiwanego ró¿nego rodzaju preparatami konserwuj¹co-impregnuj¹cymi (ryc. 3). Stwierdzono, ¿e nawet przy danych pochodz¹cych ze sceny o rozdzielczo-œci 30 x 30 m mo¿na wyró¿niæ i analizowaæ dosyæ szcze-gó³owe obiekty.

Porównanie granic obszarów okreœlonych na podstawie analizy scen satelitarnych (ryc. 4 i 5) jako zdegradowane i prawdopodobnie zanieczyszczone produktami ropopo-chodnymi z zasiêgiem obszarów uznanych za zanieczysz-czone w œwietle wczeœniej prowadzonych, tradycyjnych badañ geochemicznych (W³ostowski i in., 1997; Nowicki, 1999) wykaza³o du¿¹ zbie¿noœæ wyników obu metod. Pozytywne rezultaty porównañ wskazuj¹, ¿e przy wielko-obszarowych opracowaniach geochemicznych warto pos³u¿yæ siê analiz¹ danych satelitarnych w celu uszcze-gó³owienia obszaru i zakresu badañ i tym samym zreduko-wania kosztów, zwi¹zanych np. z prospekcj¹ terenow¹.

Zmiany obrazu obszarów zdegradowanych na terenie bazy lotniczej w Kluczewie, rejestrowane na scenach wykonanych w odstêpach kilku lat, pozwalaj¹ okreœliæ ten-dencjê zmian i oszacowaæ ich tempo (ryc. 5). Przyk³ad ten wskazuje, jak przydatne s¹ zdjêcia satelitarne do monito-ringu i badania zmian œrodowiskowych zachodz¹cych w czasie.

Sceny satelitarne s¹ doskona³ym Ÿród³em informacji o stanie czystoœci zbiorników wodnych, szczególnie wód stoj¹cych, o czym œwiadczy przyk³ad analizy z obszaru jeziora Miedwie i Bêdogoszcz (ryc. 6). Dziêki uzyskanym obrazom mo¿na bardzo szybko stwierdziæ wystêpowanie obcych substancji i dok³adnie zlokalizowaæ ognisko zanie-czyszczenia.

Opracowanie obu tematów przyczyni³o siê do potwier-dzenia przydatnoœci komputerowej analizy scen satelitar-nych w badaniach stanu œrodowiska przyrodniczego. Mo¿e ona byæ szczególnie przydatna jako uzupe³niaj¹ca lub wspomagaj¹ca w stosunku do metod tradycyjnych, stoso-wanych przy przeszukiwaniu znacznych obszarów w celu wykrycia nawet niewielkich obiektów, bêd¹cych Ÿród³em groŸnych dla œrodowiska emisji zanieczyszczeñ.

Maj¹c oczywiœcie na uwadze pewne ograniczenia metody, zwi¹zane g³ównie z kosztami zakupu najbardziej aktualnych scen oraz trudnoœci¹ nabycia scen wolnych od zachmurzenia, wydaje siê, ¿e warto by³oby kontynuowaæ tego rodzaju prace lub uwzglêdniaæ wykorzystanie scen satelitarnych przy planowaniu wiêkszych tematów realizo-wanych metodami tradycyjnymi, a dotycz¹cych szeroko rozumianych badañ œrodowiska przyrodniczego. Pewnym ograniczeniem omawianej metody jest równie¿ to, ¿e algo-rytmy utworzone i zastosowane z pozytywnym wynikiem w ramach jednego opracowania nie daj¹ podobnych, ocze-kiwanych rezultatów w kolejnym opracowaniu. Wynika to z faktu, ¿e sceny wykonane wydawa³oby siê w tych samych warunkach atmosferycznych (pora roku, stan zachmurze-nia itp.) ró¿ni¹ siê mimo to na tyle, ¿e algorytmy daj¹ zupe³nie odmienne wyniki. Dlatego wa¿nym czynnikiem, wp³ywaj¹cym na otrzymanie porównywalnych rezultatów, jest praktyka i doœwiadczenie wykonuj¹cego komputerow¹ analizê scen satelitarnych.

Literatura

ER Mapper 5.5, 1997, Applications ER Mapper 5.5, 1997, Reference

GLIWICZ T. 2000 — Oszacowanie na podstawie scen satelitarnych zmiany stopnia zanieczyszczenia produktami ropopochodnymi obiektu wojskowego „Kluczewo” (woj. zachodniopomorskie) w wyniku pro-wadzenia prac rekultywacyjnych. CAG Pañstw. Inst. Geol., nr arch. 127/2001.

GLIWICZ T. & NA£ÊCZ T. 1998 — Badanie zasiêgu ska¿eñ produk-tami ropopochodnymi baz lotniczych na podstawie analizy scen sateli-tarnych — na przyk³adzie lotnisk wojskowych w Powidzu i Krzywej. CAG Pañstw. Inst. Geol., nr arch. 23/2000.

NOWICKI Z. 1999 — Ekspertyza dotycz¹ca zasadnoœci, zakresu, kosztów i technologii prowadzenia dalszych prac rekultywacyjnych na terenie lotniska Kluczewo w okresie 1999–2001. CAG Pañstw. Inst. Geol.

W£OSTOWSKI J., KONIECZYÑSKA M. & NOWICKI T. 1997 — Ocena oddzia³ywania na œrodowisko gruntowo-wodne lotniska Powidz pod wzglêdem ska¿enia produktami ropopochodnymi. Województwo koniñskie. Arch. Urzêdu Woj. w Koninie.

1128

Przegl¹d Geologiczny, vol. 49, nr 12, 2001

*program ERMAPPER samoistnie klasyfikuje powierzchniê sceny wed³ug zadanej liczby wydzieleñ i ustalonych parametrów statystycznych

**u¿ytkownik oznacza znane wczeœniej wydzielenia powierz-chniowe (tzw. pola testowe) na scenie, a nastêpnie program ERMAPPER klasyfikuje pozosta³¹ czêœæ sceny i przyporz¹dkowuje wybrane obszary do wyznaczonych wydzieleñ