8. Dálkový průzkum Země

8.1 Vymezení dálkového průzkumu Země

Anglický termín „remote sensing”, který se překládá jako „dálkový průzkum Země”, zavedla v polovině padesátých let minulého století geografka a oceánografka Evelyn Pruittová z U.S. Office of Naval Research jako reakci na skutečnost, že do té doby používaný termín „letecká fotografie” už nepostihoval reálný stav používaných technologií.

Dálkový průzkum Země vychází ze skutečnosti, že každý fyzikální objekt jistým způsobem ovlivňuje okolní fyzikální pole a vlnění přirozeného nebo umělého původu. Sledováním jejich charakteristik je možné zjistit údaje o objektu bez přímého kontaktu s ním. Tento princip je dlouhodobě známý a využívaný. Vždyť každý z nás získává poznatky o svém okolí dálkově svým zrakem, sluchem a čichem.

Existuje mnoho definic dálkového průzkumu Země. Podle Lillesanda a Kiefera (2000) je „dálkový průzkum věda a umění získání informace o objektu, oblasti nebo jevu analýzou dat získaných zařízením, které není v kontaktu se zkoumaným objektem, oblastí nebo jevem”. Pravděpodobně nejobecnější definici uvádí Charles Elachi v knize Introduction to the Physics a Techniques of Remote Sensing: „dálkový průzkum je definován jako získávání informace o objektu bez fyzického kontaktu s ním.”

V širokém smyslu zahrnují techniky dálkového průzkumu založené na využití přirozeného a emitovaného vlnění (elektromagnetického záření a mechanického vlnění) a techniky, které sledují parametry zemských fyzikálních polí (gravitačního, magnetického, termického a radionuklidového).

Zpravidla se ale prosazuje užší pojetí dálkového průzkumu, např. ve smyslu definice obsažené v rezolucích Všeobecného shromáždění OSN a mezinárodních smluv o mírovém využití Vesmíru: „termín dálkový průzkum znamená snímání zemského povrchu z prostoru využitím vlastností elektromagnetických vln emitovaných, odrážených nebo lomených snímanými objekty, pro účely zlepšení využívání zemských zdrojů, území a ochrany prostředí.”

Každý systém dálkového průzkumu se skládá ze čtyř základních složek (obr. 8.1). Prvou z nich je pozorovaná scéna (krajina, mořské dno, zkoumaný objekt) včetně přilehlého prostředí (atmosféry, hydrosféry) a jim odpovídající fyzikální charakteristiky.

Obr. 8.1: Schéma hlavních částí systému dálkového průzkumu (upraveno podle Koláře, 1990)

Druhou složku tvoří energetické zdroje, tj. fyzikální pole Země a zdroje elektromagnetických a mechanických vln, které jsou základem používaných metod dálkového průzkumu.

Třetí složku představuje měřicí aparatura, umístěná na vhodném nosiči (letadle, družici, plavidle). Její hlavní součást představují detektory různého typu. Jak už bylo řečeno, záznamy dálkového průzkumu vznikají pomocí zařízení, které nejsou ve fyzickém nebo intimním kontaktu se studovaným objektem. Mohou to být kamery, radiometry, lasery, radiofrekvenční přijímače, radarové systémy, sonary, seismografy, gravimetry, magnetometry, scintilační počítače apod. (obr. 8.2).

Konečně čtvrtou součástí je zpracovatelský systém, do kterého náleží složka předzpracování dat na palubě nosiče a uživatelská složka předzpracování a zpracování dat, jejímiž výstupy jsou podkladové materiály pro popis sledovaných objektů a jevů a pro podporu rozhodování.

Detektory (senzory) lze rozdělit do dvou tříd podle toho, zda sledují charakteristiky přirozených fyzikálních polí (pasivní senzory), nebo charakteristiky uměle buzených polí (aktivní senzory). Mohou být dále členěny na senzory nezobrazující (měří celkovou charakteristiku zkoumaného objektu) a senzory zobrazující (vytvářejí obraz objektu).

Obr. 8.2: Přehled detektorů fyzikálních polí

Detektory poskytují v zásadě tři skupiny informací: informace prostorové, spektrální a informace o intenzitě pole, jak je znázorněno na obr. 8.3.

V takovémto pojetí ovšem dochází k jisté kolizi s vědním oborem geofyzika, kam jsou geomagnetická, gravimetrická, seismická, akustická a radiometrická měření obvykle řazena, ač mají - alespoň v případě leteckého, družicového a mořského průzkumu - nepochybně charakter dálkového snímání.

Obr. 8.3: Dělení detektorů podle typů informací

Nosiče detektorů zahrnují letadla, helikoptéry, satelity, raketoplány a kosmické stanice a v případě průzkumu moře povrchová a podvodní plavidla.

Při leteckém průzkumu se využívají letadla nebo helikoptéry v závislosti na charakteru terénu. Důležitým krokem je volba výšky letu a vzdálenosti a orientace letových tras (obr. 8.4). Při výběru se vychází z charakteru terénu, tj. z geologicko-strukturního vývoje a stavby, charakteru a rozvoje rostlinného pokryvu, stupně a typu antropogenizace atd. Na obr. 8.5 je uveden příklad možné závislosti vzdálenosti linií a výšky letu pro případ leteckého geomagnetického průzkumu.

Obr. 8.4: Schéma tras leteckého dálkového průzkumu

Obr. 8.5: Optimální vzálenost linií a výška letu pro letecký geomagnetický průzkum (Short, 2003)

Výhodným a v posledních desetiletích hojně využívaným typem nosičů jsou satelity a raketoplány. Satelity s velkým sklonem dráhy vzhledem k rovině rovníku se pohybují obvykle v menších výškách s krátkou dobou oběhu. Mohou tedy svými senzory pokrýt celý povrch Země. Satelity s malým sklonem dráhy létají buď v malých výškách (např. při sledování tropů), nebo na geostacionární dráze. Schéma pohybu družice Landsat s téměř synchronní drahou uvádí obr. 8.6.

Obr. 8.6: Pohyb družice Landsat s téměř synchronní dráhou letu (Short 2003)

K výzkumu a průzkumu mořských pánví se používají speciální lodě, výzkumné ponorky včetně speciálních podmořských plavidel (např. ALVIN) a dálkově řízená podmořská zařízení, která mohou v závislosti na cílech prací nést různé přístroje a detektory, které jsou dále uvedeny, včetně přístrojů na odběr kapalných a pevných vzorků.

8.2 Dálkový průzkum fyzikálních polí Země

Výběr fyzikálního pole, které je předmětem sledování, závisí na řešeném problému, na způsobu a velikosti ovlivnění charakteristik daného pole zkoumanými objekty nebo jevy a v neposlední řadě na intenzitě informačních ztrát při přenosu údajů mezi zkoumaným objektem a detektorem.

Vedle celkového obrazu fyzikálních polí se prakticky sleduje určitý anomální charakter polí, který např. může být využit k nálezu akumulací užitkových surovin, k analýze charakteru hydrosféry a biosféry, k posouzení antropogenních aktivit atd. Odchylky od normálních hodnot přirozených nebo umělých geofyzikálních polí se nazývají geofyzikální anomálie. Pro praktické účely (např. vyhledávání a průzkumu ložisek nerostných surovin) mají význam především lokální anomálie, spjaté s ložiskovými tělesy a případně určitými strukturními prvky ovlivňujícími jejich postavení, s akumulacemi podzemních vod či dalších sledovaných objektů. Charakter lokálních anomálií závisí na řadě faktorů, zejména:

1. na velikosti rozdílu fyzikálních vlastností daného objektu a okolního prostředí (tab.8.1);
2. na morfologii, rozměrech, úložních poměrech, geologických charakteristikách objektu a okolního prostředí, hydrogeologických poměrech atd.

Musíme si být vědomi skutečnosti, že každá geofyzikální metoda (resp. její varianta) má vymezenou informační schopnost v závislosti na geologicko-strukturních poměrech, stupni zakrytí terénu (mocnosti a složení pokryvu včetně jeho stratifikace), geneticko-morfologickém a surovinovém typu ložiska, fyzikálních charakteristikách hornin a užitkových nerostů (resp. rozdílu mezi nimi), texturně-strukturních vlastnostech hornin a ložiskové výplně, hydrogeologických poměrech atd. Dále je nutno mít na zřeteli, že geofyzikální metody mají zpravidla charakter metod nepřímých. To znamená, že poskytují informace o charakteru fyzikálních polí, způsobených přírodními objekty. Proto je nutno výsledkům geofyzikálních měření, znázorněných obvykle mapami profilů či izolinií, přisoudit geologický smysl, tedy z primárních geofyzikálních map odvodit mapy geofyzikálních indikací.

Prudký nárůst využití geofyzikálních metod byl podmíněn jak rozvojem teoretických základů a modelů, rozpracováním nových metod a jejich variant, zdokonalením a automatizací přístrojové techniky a interpretačních postupů.

Družicová a letecká geofyzikální měření v kombinaci s družicovou navigací jsou velmi efektivním a rychlým prostředkem pro hodnocení potenciálu zemských zdrojů. Proto se v současnosti staly standardním nástrojem metodiky výzkumných a průzkumných prací prakticky ve všech oborech lidské činnosti, které se dotýkají Země.

Tab. 8.1: Fyzikální vlastnosti vybraných hornin a nerostů (modifikováno podle Kellyho a Mareše, 1993)

Dálkový geomagnetický průzkum, tj. měření celkové intenzity geomagnetického pole a vertikálního magnetického gradientu, kterým se v rámci globálních výzkumů studuje magnetické pole Země a jeho variace, přinesl významné poznatky o stavbě a vývoji zemské kůry a o mechanismu deskové tektoniky. V rámci regionálního průzkumu se studuje geologicko-strukturní stavba pro účely geologického mapování a stavba sedimentárních pánví a mineralizovaných oblastí pro účely ložiskového průzkumu. Detailní geomagnetický průzkum v komplexu s dalšími metodami je orientován jednak na přímé sledování akumulací feromagnetických nerostů (pyrhotinu, titanomagnetitu, maghemitu), těles ultrabazik, kimberlitů apod., jednak na nepřímou prospekci vhodných tektonických struktur. Měření jsou zpracovávána do map izoliniových, barevných a stínových, či map profilů. Jde o nejčastějším typ dálkového průzkumu zdrojů nerostných surovin, který je s ohledem na vysokou citlivost současných přístrojů vhodný pro téměř všechny geologické terény (obr. 8.7).

Obr. 8.7: Porovnání výsledků aeromagnetického průzkumu ze 70. let (A) s novým měřením (B) v oblasti Lake Lefroy v západní Australii (Bullock a Isles, 1994)

Geomagnetická měření patřila mezi prvé výzkumy fyzikálních polí, realizovaných americkými satelity Explorer, Pioneer I-V, IMP-I, OGO a ruskými Luniky. Velký pokrok studia geomagnetických anomálií přinesl satelit Magsat a další.

Měření tíhového pole Země je zaměřeno na jeho popis a na vymezení a studium hustotních nehomogenit globálního, regionálního a lokálních typu. Gravitační pole je charakterizováno intenzitou a tíhovým zrychlením. Pole lze jednoduše popsat tíhovým potenciálem. Ekvipotenciální plochy tvoří geoid, který se odchyluje od referenčního zemského elipsoidu od +70 do –100 metrů. Odchylky tíhového zrychlení od normálních hodnot jsou tíhové anomálie. Jsou projevem hustotních nehomogenit. Pro praktické cíle se pak využívají lokální anomálie (reziduální, druhé derivace tíže).

Dosud nejpřesnější měření tíhového pole Země byla získána v roce 2002 dvojicí satelitů GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment). Na jejich základě byla zpracována světová gravitační mapa, která je desetkrát přesnější, než předcházející mapa geoidu WGS-84 (obr. 8.8).

Obr. 8.8: Geoid WGS-84 a mapa gravitačních anomálií z roku 2003 (Short, 2003)

Dálková elektromagnetická měření jsou zaměřena na rychlé a relativně málo nákladné vyhledávání vodivých zón tvořených např. sulfidickými tělesy různé geneze, akumulacemi grafitu, tektonickými zónami apod. (obr. 8.9). Vyhledávané anomálie jsou charakterizovány hodnotou a rozložením měřených veličin přirozených a umělých polí (obr. 8.10), jejichž charakter je podmíněn chemicko-mineralogickým složením a stavbou, dále uložením horninových těles a nerostných akumulací s rozdílnými elektrickými vlastnostmi.

Obr. 8.9: Schéma systému aeroelektromagnetického měření

Dálkový radiometrický průzkum je zaměřen na stanovení úhrnné intenzity gama záření a na určení absolutního či relativního množství uranu, thoria a draslíku v horninách a půdách. Věcná interpretace výsledků měření je dosti složitá, neboť je třeba brát v úvahu topografii terénu, výšku detektoru nad terénem, rychlost letu, meteorologické podmínky, vlivy kosmického záření atd. Získané poznatky umožňují charakterizovat litologické poměry, indikovat mineralizační nebo metamorfní procesy, popisovat supergenní alterace, detekovat akumulace uranu atd. (obr. 8.11).

Obr. 8.10: Mapa profilů leteckého elektromagnetického průzkumu v oblasti sulfidických ložisek (Urquhart 2002)

Obr. 8.11: Aeroradiometrická mapa úhrnné gama aktivity jedné oblasti JAR (Aero Surveys Inc., 2002)

Studium tepelného pole Země využívá toho, že materiály s rozdílnou vnitřní teplotou v připovrchové zóně Země, v mořích a atmosféře vydávají tepelné infračervené a mikrovlnné záření. Ta lze sledovat infračervenými tepelnými snímači a mikrovlnnými systémy, které měří jasovou teplotu materiálů. Uvedená měření jsou velmi efektivní pro detekci půdní vlhkosti a teploty, pro studium mělké geologické stavby, určování teploty moří a teploty tání sněhu apod. Lze je rovněž použít pro kategorizaci rozsáhlých území. Obraz teplotního pole se liší v horkém a chladném období a v průběhu dne (obr. 8.12).

Obr. 8.12: Letecký teplotní obraz hornatého území v jižní části Kalifornie před svítáním a za dne (Short, 2003)

Je třeba připomenout, že měření emitovaného tepelného záření má svá omezení, neboť je velmi nákladné, možnosti využití jsou limitované, interpretace obrazů je obtížná atd. Běžně využívané jsou speciální termální detektory ve spojení s optickými systémy, které umožňují noční vidění.

V souhrnu lze konstatovat, že letecké geofyzikální komplexy založené na výzkumu fyzikálních polí zahrnují obvykle geomagnetické, elektromagnetické a gama-spektrometrické metody. Družicové systémy sledují kontinuálně tíhové, magnetické a teplotní pole Země. Mořské geofyzikální komplexy se skládají z metod gravimetrických, magnetických, geotermických, seismických a seismologických.

8.3 Dálkový průzkum založený na elektromagnetickém záření

Do této skupiny náleží obrazové a trasovací metody využívající elektromagnetické záření o vlnové délce 1×10⁰ až 3×10^-7 m (tj. frekvenci 3×10⁸ až 1×10⁵ Hz), které se dělí na ultrafialové, viditelné, infračervené a mikrovlnné (obr. 8.13).

Obr. 8.13: Spektrum elektromagnetického záření

Při průchodu atmosférou dochází interakcemi s molekulami plynů, vodních par a různých aerosolů k ovlivnění záření v důsledku procesů absorbce, rozptylu a odrazu. Míra ovlivnění závisí také pochopitelně ně vzdálenosti průchodu atmosférou a na vlnové délce záření (obr. 8.14).

Obr. 8.14: Vliv atmosféry a hydrosféry na elektromagnetické záření

Ne všechna pásma tohoto souvislého elektromagnetického spektra procházejí atmosférou bez degradace.

Atmosférická okna (vlnová pásma procházející atmosférou relativně „snadno”) určují hlavní prostředky, používané pro měření, které se dělí na pasivní (černobílá, barevná a infračervená fotografie, multispektrální termální až ultrafialové snímání) a aktivní (radarové a laserové mapování).

Zhruba od 30. let dvacátého století byla jediným typem prostředků dálkového průzkumu letecká fotografie, nejprve černobílá a později i barevná. V současnosti se používá barevná, infračervená a multispektrální fotografie s vysokým rozlišením, zpracovávaná digitálními systémy. Základní principy interpretace jsou shodné s postupy obecně platnými i pro další obrazy dálkového snímání, jako je satelitová fotografie. Právě pokroky družicové technologie přinesly nové možnosti. Z počátku to byly klasické černobílé a barevné fotografie pořizované v průběhu letů nespecializovaných družic (Mercury, Gemini, Apollo atd.). Po zahájení programů specializovaných satelitů (Landsat, SPOT) se přešlo na multispektrálním snímání ve více pásmech (MSS - Multispectral scanner, TM – Thematic Mapper apod.).

Tab. 8.2: Příklady moderních zdrojů spektrometrických dat

Příklad uspořádání multispektrálního skeneru je uveden na obr. 8.15. Jde o schéma skeneru MSS, který byl vyvinut pro satelity Landsat. Zobrazoval pásma 4 (0.5-0.6 µm) - zelené, 5 (0.6-0.7 µm) - červené, 6 (0.7-0.8 µm) - infračervené a 7 (0.8-1.1 µm) - blízké infračervené.

Obr. 8.15: Multispektrální skener (Short, 2003)

Předzpracování fotografických a skenerových leteckých a družicových obrazů zahrnuje jak geometrické, tak radiometrické korekce, jejichž principy jsou uvedeny v kapitole 6.

Následná interpretace leteckých a satelitových snímků různého typu v sobě zahrnuje topografické a tématické zpracování. Její náplň se odlišuje podle typu podkladů, zaměření a cílů výzkumných a průzkumných prací.

Topografické zpracování leteckých a družicových snímků využívá metod analogové a digitální fotogrammetrie. Výsledkem je polohopisná a výškopisná mapa, vrstevnicová mapa nebo digitální model terénu v závislosti na požadavcích řešitele.

Tab. 8.3: Spektrální pásma multispektrálního skeneru Landsat TM (Lillesand a Kiefer, 2000)

Věcné zpracování analogových obrazů vychází ze studia černobílého nebo barevného fototónu, velikosti, tvaru a textury zobrazených objektů, jejich prostorového uspořádání a vzájemných vztahů vizuálně nebo pomocí optických, mechanických a opticko-mechanických zařízení. Tématické zpracování digitálních spektrozonálních obrazů využívá celou řadu analytických metod. Základní postupy obrazové analýzy obsahuje kapitola 8.6. Vedle obvyklých barevných obrazů pásem viditelného spektra (modré, zelené a červené) se při využití infračerveného pásma používá zobrazení v nepravých barvách (obvykle infračervené pásmo v červené, červené pásmo v zelené a zelené pásmo v modré barvě). Velmi časté barevné syntézy se vytvářejí skládáním barev původních dat, přičemž kombinace pásem se volí podle zkušeností se spektrálním projevem objektů na zemském povrchu. Pro zvýšení objektivnosti syntéz se doporučuje volit nejméně korelovaná pásma. Při větším počtu pásem je užitečná analýza hlavních komponent a kanonická analýza. Zvláštním typem vícepásmových analýz jsou poměrové indexy, tj. lineární kombinace zvolených pásem.

Spektrální křivky odraznosti anorganického a organického materiálu se výrazně odlišují (obr. 8.16).

Obr. 8.16: Typická spektra odrazivosti vegetace a půdy (upraveno podle Hoffer, 1978)

Méně výrazné odlišnosti se projevují uvnitř těchto skupin. Například jednotlivé rostlinné rody a druhy vykazují specifické odlišnosti spekter. Ta jsou dále ovlivňována růstovým stádiem a zdravotním stavem. Podobné rozdíly lze rovněž pozorovat u minerálních a horninových typů. Jejich spektra jsou měněna zvětrávacími a hydrotermálními přeměnami, obsahem vody apod. Tyto skutečnosti umožňují zejména v případě hyperspektrálního skenování s vysokou rozlišitelností provádět velmi detailní věcné interpretace, např. sestavovat detailní mapy rostlinných společenstev, mineralogického složení půd a hornin atd. (obr. 8.17).

Obr. 8.17: Geologická mapa spektra odrazivosti hornin a ložiskových gossanů v oblasti Wadi Bidah v Saudské Arábii (Volesky et al., 2001)

Radarové mapování

Radarové mapování je typem aktivního systému, který umožňuje rychle a nezávisle na počasí, denní a roční době získat přesnější údaje o geomorfologii a geologické stavbě, než např. při leteckém snímkování. Tyto systémy vysílají mikrovlnný signál a měří charakteristiky signálu odraženého od zemského povrchu (tab.4). Nejčastěji se využívají vlnové délky Ka-pásma (0.8-1.1 cm), X-pásma (2.2-3.8 cm), C-pásma (3.8-7.5 cm) a L-pásma (15-30 cm). Čím delší je vlnová délka, tím hlouběji pronikají mikrovlny pod zemský povrch.

Podle uspořádání se rozlišuje stranový radar s reálnou aperturou s 5 – 6 metrů dlouhou anténou, radar se syntetickou aperturou (SAR), který integrací měřených signálů simuluje efektivní anténu o délce 100 i více metrů a tím získává mimořádně vysokou rozlišovací schopnost (řádově v metrech) a inverzní SAR s dvakrát vyšším rozlišením.

Tab. 8.4: Charakteristiky vybraných prostorových radarových systémů

Charakter odraženého signálu závisí jednak na vlastnostech radarového systému, jednak na vlastnostech terénu (polarizace, dielektrická konstanta, morfologie a hrubost povrchu, úhel dopadu). Na základě toho lze vytvářet digitální model terénu, studovat vegetační pokryv a horninové typy. Základní aplikací je studium morfologie zemského povrchu (obr. 8.18).

Obr. 8.18: Radarový obraz 300 km širokého pásma přes Andy v Bolivii získaný systémem SIR-A z raketoplánu (NASA 1982)

Využití laserových měření

Laserová měření se při dálkovém průzkumu využívají pro mapování morfologie terénu a dna vodních pánví (oceánů, moří, jezer) a jejich charakteristik, pro zjišťování pohybu objektů a pro studium koncentrace některých složek atmosféry.

Přístroje, označované jako lidary (Light Detection And Ranging), emitují krátkodobé laserové impulsy (v řádu nanosekund) a měří dobu příchodu odražených vln, jejich rozptyl atd. Podle způsobu činnosti se rozlišují tři typy lidarů a to:

• laserové dálkoměry (výškoměry, hloubkoměry) a skenery,
• diferenciální absorbční lidary, kterými lze určovat koncentraci ozónu, vodních par a polutantů v atmosféře,
• dopplerovské lidary pro měření rychlosti pohybu pevných a atmosférických objektů.

Nutnou podmínkou spolehlivého stanovení vzdálenosti, resp. výšky nad terénem, je znalost polohy nosiče (letadla, helikoptéry, družice). K tomu se využívá velmi přesný globální polohovací systém. Výsledkem je určení souřadnic každého datového bodu jako základu pro určení topografické mapy či digitálního modelu povrchové plochy (obr. 8.19). Předností lidarových měření je rychlost, podrobnost, nízké náklady a vysoká přesnost, která v horizontálním směru dosahuje 30 až 75 cm v závislosti na morfologii terénu a ve vertikálním směru 10 až 15 cm v případě pevného povrchu a do 25 cm v případě povrchu pokrytého vegetací. Další zpřesnění přináší spojení s digitální leteckou fotografií.

Obr. 8.19: Schéma leteckého lidarového skenování

8.4 Dálkový průzkum založený na mechanickém vlnění

Do této skupiny náleží metody dálkového průzkumu Země, které využívají akustické a seismické vlnění.

8.4.1 Akustické metody

Mají zásadní význam při výzkumu a průzkumu vodních pánví, tj. jezer, moří a oceánů. Využívají speciální aparatury (sonary neboli echoloty), které vysílají krátké zvukové impulsy o vysoké frekvenci 10 až 200 kHz z generátorů výzkumných a průzkumných zařízení. Odražené vlny se registrují a po vyhodnocení doby odrazu, síly a frekvenční charakteristiky se sestavují podrobné batymetrické, topografické a geologické mapy a profily sedimentů až do hloubky 100 m.

Současné aparatury používají stranový sonar (side-scan sonar) pro topografické mapování a litologickou analýzu a kolmý sonar pro profilování a sondování. V případě potřeby se toto mapování doplňuje podmořským fotografováním a televizní technikou. Stále více se využívají multifrekvenční sonary (multi-beam) především pro konstrukci přesných batymetrických map.

Tyto metody mají vedle geofyzikálních pozorování rozhodující význam při výzkumu mořského dna a při vyhledávání roponosných struktur, výzkumu akumulací manganových konkrecí, akumulací těžkých nerostů atd.

8.4.2 Seismické metody

V mořských pánvích se používá seismické reflexní profilování k získávání informací o plošném výskytu pevných hornin a pánví s nezpevněnými sedimenty, o výskytu ropo a plynonosných struktur, tektonických prvků apod. Rozlišovací schopnost a hloubka proniknutí seismických vln závisí na jejich frekvenci. Vlny jsou buzeny s ohledem na přírodní prostředí nejčastěji pneumaticky. Ke kontinuální registraci odražených vln se používají systémy hydrofonů (piezoelektrických geofonů) se 120 až tisíci i více kanály. Tak lze odhalit stratifikaci sedimentů dna až do hloubek několika set metrů.

Obr. 8.20: Část seismoakustického profilu mořského dna (Pařízek, 2001)

Možný systém průzkumu morfologie, stavby a složení mořského dna je znázorněn na obr. 8.21. Zahrnuje refrakční seismické profilování, sonarové sondování a mapování povrchových sedimentů dna a batymetrické mapování. Pro určení polohy výzkumného plavidla se používá diferenciální globální polohovací systém s přesností ±5 metrů.

Obr. 8.21: Schéma systému průzkumu mořského dna (Short, 2003)

8.5 Analýza a klasifikace výsledků dálkového průzkumu

Cílem analýzy obrazů dálkového průzkumu je identifikace znaků, vymezení kvazihomogenních obrazců a jejich klasifikace. Jde o klíčovou operaci zpracování dat.

Základem každé klasifikace je prostor atributů, kterými lze popsat danou množinu objektů. Z hlediska obecnosti řešení a také z praktických důvodů má klasifikace vycházet z podstatných atributů, které dostatečně charakterizují objekty a rozdíly mezi nimi a které odpovídají teoretickým předpokladům. Takto lze definovat přirozené klasifikace. Vedle toho existují klasifikace umělé, jejichž cílem je pouze systemizace objektů. Tyto klasifikace jsou založeny na formálních znacích, které nemusí být pro tříděné objekty podstatné, ale které jsou pro daný účel vhodné. Umělé klasifikace nemusí pokrývat celý možný prostor objektů a vytvářet jejich přirozenou, např. hierarchickou strukturu. V podstatě tedy mají subjektivní povahu. Velmi častým případem jsou klasifikace smíšené, ve kterých se vedle atributů objektů uplatňují i hlediska formální.

Klasifikační schéma můžeme formulovat následovně. Mějme množinu objektů O={O_i}, i=1...n, které mohou být na základě množiny klasifikačních znaků A={a_k}, k=1...h přiřazeny do některé z klasifikačních tříd O_j, j=1...m podle určitých klasifikačních pravidel V={v_t}, t=1...z, tj. pravidel zobrazení [oO→V(o)]. Klasifikační konstrukce {O:A,V} má různou povahu. Principem klasifikace může být:

1. taxonomie, kdy jsou objekty podle podobnosti přiřazovány k určitým apriorně stanoveným typům (typologický přístup),
2. sdružování založené na vytváření shluků objektů podle podobnosti, aniž by tyto shluky byly definovány předem,
3. třídění do struktury předem definovaných tříd (jde o klasifikaci s.s), které musí plně pokrývat prostor objektů.

Uvedené přístupy lze realizovat jak expertizním způsobem, tak podle rigorózních rozhodovacích pravidel formálními matematickými procedurami. U prvých dvou případů je základem stanovení podobnosti a to v případě ad a) objektu a typu a v případě ad b) dvou objektů nebo objektu a shluku objektů. Označíme-li objekt o a typ či shluk G, pak lze obecně definovat jejich podobnost

tj. jako poměr mohutnosti jejich průniku a sjednocení. Stanovíme-li určitý práh podobnosti q₀, pak lze při q(o,G)≥q₀ objekt přiřadit k typu (taxonu) nebo definovat shluk. Označíme-li p_ji pravděpodobnost, že objekt o_i náleží do třídy O_j. pak při p_ji=1 bude mít klasifikace povahu deterministickou, tj. Klasifikační třídy O_j, které netvoří prázdné podmnožiny, se vzájemně nepřekrývají a pokrývají celý prostor množiny O, což dovoluje jednoznačné začlenění objektů. V případě, že pravděpodobnost p_ji<1, jde o klasifikaci pravděpodobnostního typu, ve které se klasifikační třídy částečně překrývají, tj. Množina V klasifikačních pravidel v takovém případě zahrnuje pravděpodobnostní míru p(v_t) klasifikačních atributů a_k. Pravděpodobnost příslušnosti objektu o_i k třídě O_j bude V případě geověd mají jednotlivé třídy objektů v reálných klasifikacích více či méně neostré hranice, což odpovídá pojetí fuzzy množin. V podstatě tedy řešíme otázku, do jaké míry objekt o_i náleží ke třídě O_j. To vyjadřuje funkce příslušnosti μ_mBj(o), která nabývá hodnot v intervalu <0,1>. Třída O_j obsahuje objekty s různou mírou příslušnosti a představuje fuzzy množinu. Její hranice tvoří body prostoru U, ve kterých μ_Bj(u) = 0.5.

Obecně používané metody lze začlenit do skupin neřízené a řízené klasifikace (obr. 8.22). Postupy analýzy dat při zpracování záznamů dálkového průzkumu Země využívají různé principy, např. diskriminační analýzu, shlukovou analýzu založenou na různých mírách příbuznosti, metody matematické morfologie apod. Pro řešení klasifikačních problémů byly a jsou vyvíjeny různé modely a na nich pracující programové systémy, jako např. podle Kai-Yi Huanga (2002) interaktivní samoorganizační technika ISODATA, technika automatického shlukování SYNERACT apod.

Obr. 8.22: Schéma neřízené a řízené klasifikace

Analýza výsledků studia fyzikálních polí se opírá jednak o speciální postupy zpracování vyvinuté v rámci teoretické a užité geofyziky, jednak o postupy, které se využívají při analogovém či digitálním zpracování, jak jsou uvedeny v části o GIS a kapitole 3.

8.6 Závěr

Metody dálkového průzkumu představují v současnosti standardní prostředek výzkumných, vyhledávacích a průzkumných prací v globálním, regionálním i lokálním měřítku a to zejména v méně prozkoumaných a obtížně přístupných oblastech. Je třeba zdůraznit, že dálkový průzkum se zaměřuje především na sémantickou stránku obrazových dat, tj. na stanovení vlastností sledovaných objektů (Žídek, 2003).

Možnosti využití poznatků z dálkového průzkumu Země jsou velice rozsáhlé (tab. 8.5).

Tab. 8.5: Příklady prostředků dálkového průzkumu, typů dat a aplikací.

Důležitou oblastí je výzkum zemských zdrojů, zejména akumulací nerostných surovin, který je založen na litologických nebo litostratigrafických kritériích, strukturních kritériích, geomorfologických kritériích a indiciích a dalších indikačních jevech, jako je zbarvení hornin, anomálie v rostlinném pokryvu, stopy starých báňských prací apod. Efektivní využití obrovského množství dat, které jsou získávány ve všech oborech lidské činnosti z několika stovek satelitů a množství prováděných leteckých a námořních výzkumů a průzkumů, vyžaduje systémový přístup, jehož možnou strukturu znázorňuje obr. 8.23.

Obr. 8.23: Schéma systému zpracování dat dálkového průzkumu (podle Huntingtona 1998)