Dálkový průzkum Země

Rozbalit box

Obsah boxu

Dálkový průzkum Země (zkráceně DPZ, anglicky Remote Sensing) je vědní a technický obor, který se zabývá získáváním informací o objektech, oblastech nebo jevech na zemském povrchu, v atmosféře a v oceánech bez přímého fyzického kontaktu. Využívá k tomu data pořízená senzory umístěnými na různých platformách, nejčastěji na umělých družicích a letadlech, ale také na dronech nebo pozemních stanicích.

Základním principem je měření a analýza elektromagnetického záření, které je sledovaným objektem odraženo nebo vyzářeno. DPZ umožňuje monitorovat rozsáhlá a těžko dostupná území v pravidelných intervalech, což z něj činí nepostradatelný nástroj pro sledování životního prostředí, zemědělství, lesnictví, předpovědi počasí, řízení přírodních katastrof a mnoho dalších oblastí lidské činnosti.

📜 Historie

Kořeny dálkového průzkumu sahají do 19. století s vynálezem fotografie. První snímky zemského povrchu z výšky byly pořízeny z balónů.

🎈 Počátky a letecká fotografie

1858: Francouzský fotograf a balonista Gaspard-Félix Tournachon, známý jako Nadar, pořídil první známou leteckou fotografii Paříže z horkovzdušného balónu.
Začátek 20. století: Pro pořizování snímků byly experimentálně využívány i poštovní holubi a draci.
První světová válka: Došlo k masivnímu rozvoji letecké fotografie pro vojenské účely, zejména pro průzkum nepřátelských pozic a mapování. Letadla se stala hlavní platformou pro snímkování.
Druhá světová válka: Technologie se dále zdokonalovala. Byly vyvinuty nové typy filmů (včetně infračervených) a kamer, které umožnily lepší interpretaci snímků, například pro odhalování kamufláže.

🛰️ Éra družic

Skutečný rozmach DPZ nastal s počátkem kosmické éry. Možnost umístit senzory na oběžnou dráhu Země otevřela zcela nové možnosti globálního a opakovaného monitoringu.

1957: Vypuštění první umělé družice Sputnik 1 Sovětským svazem.
1960: Spojené státy vypustily první meteorologickou družici TIROS-1, která poskytla první televizní snímky oblačnosti z vesmíru.
60. léta 20. století: Během studené války probíhal intenzivní vývoj špionážních družic (např. americký program Corona), které pořizovaly detailní snímky pro vojenské zpravodajství. Technologie vyvinuté pro vojenské účely byly později využity v civilním sektoru.
1972: Start družice ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite), později přejmenované na Landsat 1. Tento americký program je považován za milník v civilním DPZ. Program Landsat funguje nepřetržitě dodnes a poskytuje nejdelší souvislou časovou řadu dat o zemském povrchu.
80. a 90. léta: Vznikají další národní a mezinárodní programy, jako například francouzský SPOT, evropský ERS nebo kanadský Radarsat. Rozvíjí se také komerční sektor poskytující data s velmi vysokým rozlišením.
21. století: Nástup programů s politikou volně dostupných dat, především evropského programu Copernicus se sérií družic Sentinel. To vedlo k masivnímu rozšíření využití dat DPZ v komerční i akademické sféře. Zároveň se stávají běžnou platformou pro sběr dat drony (UAV).

⚙️ Základní principy

Dálkový průzkum Země je založen na analýze elektromagnetického spektra. Každý objekt na zemském povrchu interaguje s elektromagnetickým zářením jedinečným způsobem – část záření pohltí, část propustí a část odrazí. Právě odražené nebo vyzářené (emitované) záření je zaznamenáváno senzory.

Pasivní a aktivní DPZ

Systémy DPZ se dělí na dvě hlavní kategorie:

Pasivní systémy: Zaznamenávají přirozené záření, které je odraženo od zemského povrchu (typicky sluneční světlo) nebo které je zemským povrchem vyzařováno (tepelné záření). Většina optických a termálních senzorů je pasivních. Jejich nevýhodou je závislost na slunečním svitu (optické senzory) a neschopnost "vidět" skrze oblačnost.
Aktivní systémy: Samy vysílají signál (např. mikrovlnný nebo laserový paprsek) a následně zaznamenávají jeho odraz od povrchu. Mezi aktivní systémy patří radar a lidar. Jejich hlavní výhodou je nezávislost na denní době a schopnost pronikat oblačností, mlhou či kouřem (v případě radaru).

Spektrální podpis

Různé materiály a povrchy (voda, vegetace, půda, horniny, umělé povrchy) odrážejí záření o různých vlnových délkách odlišně. Tato charakteristická křivka odrazivosti v závislosti na vlnové délce se nazývá spektrální podpis (nebo spektrální signatura). Například zdravá zelená vegetace silně odráží v blízké infračervené oblasti spektra a pohlcuje v červené oblasti, což umožňuje její snadné odlišení od jiných povrchů. Analýza spektrálních podpisů je základem pro klasifikaci družicových snímků.

Typy rozlišení

Kvalita a využitelnost dat z DPZ je definována čtyřmi základními typy rozlišení:

1. Prostorové rozlišení: Udává velikost nejmenšího rozlišitelného objektu na zemském povrchu. Vyjadřuje se jako velikost jednoho pixelu v terénu (např. 30 metrů, 1 metr, 10 cm). 2. Spektrální rozlišení: Popisuje schopnost senzoru rozlišit záření v různých částech elektromagnetického spektra. Udává počet a šířku spektrálních pásem, která senzor zaznamenává.

   *   Panchromatické senzory: Jeden široký kanál (černobílý obraz).
   *   Multispektrální senzory: Několik (3-15) spektrálních kanálů.
   *   Hyperspektrální senzory: Stovky úzkých, souvislých spektrálních kanálů.

3. Časové (temporální) rozlišení: Udává, jak často senzor snímá stejné místo na Zemi. Například družice Landsat má časové rozlišení 16 dní. Meteorologické družice na geostacionární dráze snímají stejné místo každých 15 minut. 4. Radiometrické rozlišení: Popisuje citlivost senzoru na rozdíly v intenzitě záření. Udává se v bitech a určuje, kolik úrovní šedi (nebo jasu) je senzor schopen rozlišit (např. 8 bitů = 256 úrovní, 12 bitů = 4096 úrovní).

🛰️ Metody a technologie

DPZ využívá širokou škálu platforem a senzorů přizpůsobených konkrétním úkolům.

Platformy

Družice: Nejčastější platforma pro globální a regionální monitoring. Pohybují se po různých oběžných drahách:

   *   Nízká oběžná dráha (LEO): Výška stovek kilometrů. Většina družic pro DPZ.
   *   Heliosynchronní dráha: Speciální typ LEO dráhy, kdy družice přelétá nad daným místem vždy ve stejný místní sluneční čas, což zajišťuje konzistentní světelné podmínky.
   *   Geostacionární dráha (GEO): Výška cca 36 000 km. Družice "visí" stále nad stejným bodem rovníku. Ideální pro kontinuální monitoring počasí (např. družice Meteosat).

Letadla: Používají se pro pořizování velmi detailních snímků menších území, například pro fotogrammetrické mapování, letecké laserové skenování nebo specifické vědecké kampaně.
Bezpilotní letadla (drony/UAV): V posledních letech zažívají obrovský rozmach. Umožňují flexibilní a levné pořízení dat s extrémně vysokým prostorovým rozlišením (v řádu centimetrů) pro lokální aplikace, jako je přesné zemědělství nebo inspekce infrastruktury.

Typy senzorů

Optické senzory: Pracují ve viditelné a infračervené části spektra. Jsou to v podstatě digitální fotoaparáty a skenery. Příkladem jsou senzory na družicích Landsat, Sentinel-2 nebo SPOT.
Termální senzory: Zaznamenávají tepelné infračervené záření emitované povrchem. Umožňují měřit povrchovou teplotu a využívají se pro monitorování sopečné činnosti, lesních požárů, tepelných ztrát budov nebo vodního stresu vegetace.
Radarové systémy (SAR): Aktivní systémy pracující v mikrovlnné části spektra. Radar se syntetickou aperturou (SAR) umožňuje dosáhnout vysokého prostorového rozlišení. Jeho hlavní výhodou je schopnost snímkovat nezávisle na počasí a denní době. Využívá se pro sledování deformací povrchu (interferometrie), mapování záplav, monitorování mořského ledu a měření vlhkosti půdy. Příkladem je senzor na družici Sentinel-1.
Lidar (Light Detection and Ranging): Aktivní systém využívající laserový paprsek. Přesným měřením doby návratu odraženého paprsku vytváří velmi podrobné trojrozměrné modely terénu a objektů na něm (tzv. mračno bodů). Používá se pro tvorbu digitálních modelů terénu, mapování lesní biomasy nebo monitorování pobřežních linií.

🌍 Aplikace

Dálkový průzkum Země má mimořádně široké uplatnění v mnoha oborech.

Meteorologie a klimatologie: Předpověď počasí, sledování hurikánů, monitorování koncentrace skleníkových plynů, tání ledovců a změn mořské hladiny.
Zemědělství: Monitorování stavu plodin, odhad výnosů, identifikace oblastí postižených suchem nebo škůdci, řízení zavlažování a hnojení (přesné zemědělství).
Lesnictví: Mapování a monitorování odlesňování (zejména v tropických pralesích), detekce nelegální těžby, hodnocení zdravotního stavu lesů a mapování lesních požárů.
Hydrologie: Monitorování vodních zdrojů, mapování sněhové pokrývky, sledování kvality vody (např. přítomnost sinic), mapování a predikce záplav.
Geologie a hornictví: Mapování geologických struktur, vyhledávání ložisek nerostných surovin, monitorování sopečné činnosti a sesuvů půdy.
Oceánografie: Měření teploty a výšky mořské hladiny, sledování mořských proudů, monitorování znečištění (ropné skvrny) a mapování mořského ledu.
Řízení katastrof: Rychlé mapování zasažených oblastí po zemětřesení, povodních, tsunami nebo průmyslových haváriích pro efektivní koordinaci záchranných prací.
Urbanismus a územní plánování: Sledování růstu měst (urban sprawl), analýza dopravní infrastruktury, mapování zeleně ve městech a monitorování tzv. městských tepelných ostrovů.
Archeologie: Objevování zaniklých sídel a struktur, které nejsou na povrchu patrné, ale projevují se změnami ve vegetaci nebo půdní vlhkosti.
Obrana a bezpečnost: Průzkum, monitorování hranic, sledování vojenských aktivit.

🚀 Významné programy a družice

Landsat: Společný program NASA a USGS. Nejstarší civilní program (od 1972), poskytuje klíčová data pro dlouhodobé sledování změn krajiny. Data jsou volně dostupná.
Copernicus: Ambiciózní program Evropské unie a ESA. Jeho páteří je flotila družic Sentinel, které poskytují komplexní data (optická, radarová, atmosférická) pro celou planetu. Všechna data jsou volně a zdarma dostupná.
SPOT: Francouzský program (od 1986), původně komerční, nyní s volně dostupnými archivy. Známý svou schopností pořizovat stereoskopické snímky.
MODIS: Senzor na družicích Terra a Aqua (NASA). Poskytuje denní globální pokrytí s nižším prostorovým rozlišením, ideální pro monitorování dynamických jevů (vegetace, požáry, oblačnost).
Komerční družice s vysokým rozlišením: Společnosti jako Maxar Technologies (dříve DigitalGlobe) nebo Airbus Defence and Space provozují družice (např. WorldView, Pleiades), které poskytují snímky s prostorovým rozlišením pod 1 metr. Tato data jsou placená.

👨‍🏫 Dálkový průzkum Země pro laiky

Představte si, že chcete zjistit, jak se za posledních 30 let změnil les za vaším městem, ale nemáte žádné staré fotky. Dálkový průzkum Země je jako mít přístup k obrovskému fotoalbu celé planety, které je neustále doplňováno novými snímky.

Speciální foťáky ve vesmíru: Družice jsou jako fotoaparáty na oběžné dráze. Nefotí ale jen to, co vidí lidské oko. Umí "vidět" i teplo (termální snímky) nebo používat vlastní "blesk" v podobě radaru, který pronikne i mraky.
Více než jen obrázek: Každý snímek z družice je plný dat. Počítačové programy umí z těchto dat vyčíst, kde je zdravý les, kde pole se zralou pšenicí, kde je znečištěná voda v řece nebo kde se staví nová dálnice. Dělá to tak, že analyzuje "barvy", které lidské oko nevidí (například v infračervené části spektra). Zdravá rostlina vypadá v infračerveném světle úplně jinak než usychající.
Stroj času: Protože družice jako Landsat obíhají Zemi už od 70. let, můžeme se podívat zpět v čase. Můžeme porovnat snímek lesa z roku 1985 se snímkem z dneška a přesně vidět, kde stromy zmizely, kde vyrostly nové a jak se změnila krajina.
Od předpovědi počasí po záchranu životů: Když vidíte v televizi satelitní snímky mraků, díváte se na výsledek dálkového průzkumu. Když dojde k povodni, záchranáři díky aktuálním družicovým snímkům rychle zjistí, které oblasti jsou pod vodou a kam poslat pomoc.

Stručně řečeno, DPZ je technologie, která nám dává "nadhled" a umožňuje nám lépe chápat a chránit naši planetu.

Šablona:Aktualizováno