Czy kompozycja barwna RGB Agriculture z satelity Sentinel-2 pomaga monitorować stany upraw i stopień wykorzystania ziem w Polsce? dr Elżbieta Kuligowska, mgr Bartosz Wieczorek, Zakład Teledetekcji Satelitarnej, IMGW-PIB
Nowoczesne obserwacje satelitarne dają nam niespotykane dotąd możliwości w zakresie zarówno lokalnego (regionalnego), jak i globalnego monitorowania rolnictwa, umożliwiając oglądanie Ziemi w rozdzielczości przestrzennej od 10 do 20 metrów, z częstotliwością czasową (okresem, jaki mija średnio od poprzednich do ponownych „odwiedzin” tego samego wycinka Ziemi przez satelitę) rzędu 1-2 dni. Dziś taki monitoring satelitarny prowadzi przede wszystkim Sentinel-2, ale zbierane przez niego informacje stanowią kontynuację poprzednich systemów satelitarnych wykorzystywanych na potrzeby rolnictwa, takich jak Landsat.
Dane z satelity Sentinel-2 umożliwiają badania właściwości gleb i uwarunkowań w
zakresie upraw rolnych, wraz z mapowaniem aktualnego stanu rolniczych czynności
uprawowych. Wszystko to
pomaga
badaczom oraz samym rolnikom w ocenie użyteczności gruntów, przewidywaniu
ilości i jakości zbiorów w danym okresie, monitorowaniu zmian sezonowych i
wprowadzaniu krajowych czy regionalnych systemów pomocy we wdrażaniu polityk
zrównoważonego rozwoju. Obrazy z Sentinel-2 można również wykorzystać do
szacowania zmian w produkcji rolnej i produktywności pastwisk – między innymi
wywołanych suszą, a także monitorowania spadku produktywności ziemi i
degradacji gleby w wyniku nadmiernej uprawy, wypasu lub niewłaściwego
nawadniania. Mapy rolnicze pozwalają na niezależne i obiektywne szacowanie
zasięgu upraw w danym kraju lub czasu trwania w nim sezonu wegetacyjnego, co
może posłużyć do wsparcia działań na rzecz zapewnienia bezpieczeństwa
żywnościowego na obszarach szczególnie pod tym względem wrażliwych.
Przykładem użytecznego dla tego typu analiz produktu jest kompozycja barwna RGB Agriculture tworzona z wykorzystaniem kanałów spektralnych czujnika MSI (Multispectral Instrument) znajdującego się na satelitach Sentinel-2.
Warto na początek zaznaczyć, że mamy tu do czynienia z kompozycją barwną typu False Color. Od bardziej „naturalnych” kompozycji True Color (w przybliżeniu zgodnych z barwami, jakie widzą ludzkie oczy, zapewniającymi intuicyjne rozpoznawanie obiektów widocznych na obrazach) różni się ona tym, że tworzone tą metodą obrazy są złożeniem realizowanym z użyciem tej samej idei koncepcji barwnej, ale przy dopasowaniu poszczególnym odbieranym przez satelitę kanałom spektralnym innych barw docelowych – niekoniecznie skorelowanym z tym, co widzi człowiek. Ze względu na fakt, że na kompozycjach w barwach „prawdziwych” liczne detale są często trudne do rozróżnienia, kontrasty bywają niskie, a różne rodzaje roślinności są słabo odróżnialne, w kompozycjach False Color wykorzystuje się zamiast pasm światła widzialnego także bliskiej i średniej podczerwieni. Zwiększa to docelowo kontrasty (separację widmową pozyskanego obrazu) i może ułatwić interpretację danych. Kompozycja barwna RGB Agriculture bazuje właśnie na takiej kombinacji poszczególnych pasm spektralnych, w których szaty roślinne są dobrze wyróżnione: pola uprawne mają kolor wyraźnie zielony, goła ziemia – purpurowy, a roślinność nieuprawna ma bardziej stonowane odcienie zieleni. Wybór podczerwieni jako dodatkowo różnicującego pasma spektralnego nie jest tu przypadkowy, bowiem liście mają zazwyczaj niski współczynnik odbicia w widzialnym zakresie spektralnym ze względu na silną absorpcję przez chlorofil, a jednocześnie wysoki współczynnik odbicia w bliskiej podczerwieni ze względu na wewnętrzne rozpraszanie i słabą absorpcję tego zakresu promieniowania w tkance liścia. Nic więc dziwnego, że obrazach w tej kompozycji barwnej np. wczesną wiosną pola uprawne przyjmują jaśniejszy ton zieleni, ponieważ charakteryzują się wyższym współczynnikiem odbicia promieniowania podczerwieni bliskiej niż prezentowane w odcieniach brązu lasy liściaste, na których jeszcze nie rozwinęły się liście. Ten wyraźny kontrast zanika z biegiem czasu i postępującego okresu wegetacyjnego, kiedy różne rodzaje roślinności liściastej są w pełni rozwinięte i przyjmują jasnozieloną barwę. Natomiast lasy iglaste przez cały rok pozostają w kolorze ciemno zielonym. Kompozycja ta pokazuje także wyraźnie różnice między pustymi polami uprawnymi a polami w zaawansowanym stadium uprawy. Ponadto wspomagając się dodatkowymi kanałami spektralnymi (w przypadku Sentinel 2 posiłkując się dodatkowymi kanałami pośrednimi 5/6/7 znajdującymi się między pasmem widzialnym i podczerwienią bliską), prawie każdy typ uprawy można scharakteryzować określoną sygnaturą odbicia spektralnego, w praktyce umożliwiającą rozróżnienie gatunków roślin. W kompozycji Agriculture dobrze wyróżnione są też sztuczne elementy obszarów miejskich czy ciągów komunikacyjnych, które mają niski współczynnik odbicia promieniowania, dzięki czemu widoczne są w barwach fioletu lub szarości.
Jako przykład posłużą nam zdjęcia z satelity Sentinel-2 zebrane w latach 2019-2020 i opracowywane przez naukowców z IMGW-PIB w ramach projektu Sat4Envi.
W prezentowanym poniżej przykładzie zastosowania kompozycji barwnej RGB Agriculture (kanały 2/8a/11) dokonano porównania uzyskanych obrazów dla trzech wybranych dat, dla których możemy spodziewać się największego zróżnicowania szaty roślinnej oraz widoczności stanu terenów rolniczych w funkcji czasu oraz cyklu wegetacji i upraw. Takimi skrajnymi przypadkami o różnej widoczności tych samych obszarów leśno-rolnych są: zima (w tym przypadku jest to grudzień 2019 r.), wczesna wiosna (kwiecień 2020 r.) i koniec sezonu letniego (sierpień 2020 r. – okres, gdy spodziewać możemy się, że na większości terenów rolnych będzie już po żniwach).
Na zdjęciu z 6 grudnia 2019 r. widzimy bardzo dobrze zasięg śniegu w Tatrach oraz na polach uprawnych (odcienie cyjanu i ciemnoniebieskie, w zależności od kąta oświetlenia obszarów) – samo Zakopane ma tu, zgodnie ze wcześniejszym opisem, barwę szarą. W miarę przesuwania się z południa na północ pokazanego obszaru Polski śnieg zaczyna ustępować jednak miejsca obszarom leśnym (kolor ciemnozielony dla lasów iglastych, brązowy dla liściastych – ciężki wizualnie do odróżnienia w tej porze roku od wilgotnego niezarośniętego gruntu w tle; lasy mieszane posiadają różne proporcje tych dwóch kolorów w zależności od składu gatunkowego). Kompozycjabarwna RGB Agriculture wyraźnie pokazuje też zasięg naturalnych i sztucznych zbiorników wodnych – na przykład Jeziora Dobczyckiego (kolor ciemnogranatowy). Duże miasta – w tym Kraków – są głównie szare i fioletowe, nie widać tu zbyt wiele śniegu, pojawia się on natomiast na wyżynach, na polach uprawnych na północ do Krakowa (w okolicach Skały i Słomnik, jak również w okolicy pasów startowych lotniska w Balicach (na wschód od Krakowa). Mimo zaawansowanej zimy widoczna jest także trawiasta płyta lotniska (kolor jasnozielony, roślinność), od której wyraźnie odcinają się pasy startowe (obszary zurbanizowane, kolor fioletowy). Podobną, choć nieco bardziej intensywną barwę zieleni przyjmują też krakowskie Błonia – wielka, trójkątna łąka leżąca w pobliżu centrum miasta. W samym Krakowie widoczne są też popularne kąpieliska – Bagry, Zalew Kryspinowski i Zalew Budzyński. Dzięki wykorzystaniu specyficznych właściwości odbicia promieniowania w różnych pasmach spektralnych uzyskujemy możliwość „wydobycia” szczególnego elementów obrazu jakim są chmury na tle śniegu. W paśmie widzialnego zakresu światła zarówno chmury jak i śnieg bardzo dobrze odbijają promieniowanie słoneczne o tym samym zakresie fali i często dla interpretatora nie znającego dobrze topografii terenu (np. rozmieszczenie pasm górskich) mogą być to elementy nie do odróżnienia (chmura i śnieg zlewa się w biały obszar). Wykorzystując kombinacje kolorów RGB takie jak np. „Agricluture” jesteśmy w stanie odróżnić „biel” chmury wodnej od „bieli” śniegu widzianego w zakresie widzialnym światła poprzez zastosowanie kanału podczerwieni średniej (kanał 11 dla MSI Sentinel 2). W zakresie podczerwieni średniej śnieg i lód bardzo silnie absorbują promieniowanie elektromagnetyczne, natomiast chmura wodna odbija je jednakowo dobrze jak w przypadku światła widzialnego – ta specyficzna właściwość pozwala nam w łatwy sposób odróżnić nisko zalegającą chmurę/mgłę w kotlinach górskich na pograniczu Polski i Słowacji w południowo-wschodniej części charakteryzowanego obszaru od miejsc wolnych od zachmurzenia, ale z zalegającym śniegiem.
Kolejne zdjęcie pochodzi z 9 kwietnia 2020 r. Najbardziej rzuca się tu w oczy brak śniegu – występuje on tylko w wyższych partiach górskich, tatrzańskie piętra roślinne – regle, są teraz w dużej mierze odsłonione (kolor ciemnozielony). Podobne barwy odpowiadają lasom wokół Zakopanego i Nowego Targu – miasta te są teraz wyraźnie fioletowawe, podobnie jak mniejsze miasta w okolicy. Śnieg zalega jeszcze silnie pomiędzy Nowym Targiem a Mszaną Dolną, w Gorczańskim Parku Narodowym (ciemna zieleń lasów plus odpowiadający połaciom śniegu cyjan). Widać go m. in. na masywie Turbacza. Nie ma go natomiast w Puszczy Niepołomickiej (barwa zgniłozielona), zniknął też zupełnie z okolic Krakowa. Wokół Krakowa i Proszowic widzimy natomiast zarówno tereny silnie zabudowane (fiolet/szarość) jak i „puste” obszary rolne (odcienie brązu i różu). To prawdopodobnie ziemia zalegająca na polach. Pojawiają się już jednak dużo liczniej niż w grudniu obszary z początkiem wegetacji roślinnej – w barwach jasnozielonych. Na samym obszarze Krakowa na uwagę zasługuje obszar Parku Jordana – mały zielony kwadrat położony na północ od Błoń. Widać w nim wyraźnie między częścią silnie zadrzewioną parku (zachodnią) a bardziej trawiastą (wschodnią). Krakowski Las Wolski, podobnie jak Puszcza Niepołomicka, dopiero budzi się do życia – ma kolor zieleni zmieszanej z brązem. Pod tym względem znacznie różni się od wyraźnie ciemnozielonych lasów iglastych, co dowodzi, że zdjęcia Agriculture znakomicie podkreślają różnice pomiędzy poszczególnymi gatunkami roślin – w tym przypadku drzew – dominujących na danym obszarze.
Ostatnia kompozycja barwna została utworzona z danych zarejestrowanych 2 sierpnia 2020 r. To niemal środek lata – widzimy, że śniegu w Tatrach praktycznie już nie ma. Dobrze widać za to poszczególnie piętra roślinne wysokich gór, a także pojedyncze, rzucające długie i ciemne cienie, białe chmury cumulus nad Tatrami. Na najwyższych szczytach gór w Tatrach uwidacznia się odsłonięta „naga” skała, która w tej kompozycji barwnej również przybiera swój charakterystyczny kolor – magenta. Wokół Zakopanego jest zielono – znajdują się tu pastwiska, brak natomiast dużej ilości pól uprawnych. Szaro fioletowe „żyły” śledzą obszary zabudowane i miejskie, które zdają się koncentrować w okolicy dolin rzecznych. Chmury pojawiają się także nad Gorcami oraz wokół Tarnowa. Podobnie jak przy opisie obrazu dot. okresu zimowego, tak i tu możemy scharakteryzować rodzaj widocznego zachmurzenia poprzez jego kolor. Chmury wodne pietra niskiego takie jak niewielkie cumulusy widoczne nad Tatrami, Gorcami i innymi wyższymi partiami gór, widoczne są w białym kolorze. Chmury piętra wysokiego jak obłoki widoczne w okolicach Tarnowa zbudowane z drobnych kryształków lodu przyjmują kolor cyjanowy. Puszcza Niepołomicka i Las Wolski przybrały już dojrzalsze, bardziej intensywne barwy zieleni – drzewa są tam pokryte liśćmi. Najwyraźniej okolice Krakowa i nie tylko dotknęła susza – trawa na terenie lotniska w Balicach, a nawet w części Parku Jordana i Błoń jest silnie po brązowiona. Uwagę zwraca również bardzo duża ilość brązowych i różowych pól uprawnych, w szczególności położonych na północ od Krakowa. To miejsca, w których plony zostały już zebrane. Dużo jest również obszarów z gołą ziemią (jasny fiolet) – tam także jest już po żniwach. Wciąż rosnących roślin uprawnych jest zatem o tej porze roku mało, ale i te pola nietrudno znaleźć – na zdjęciu są one pokazane w barwach jasnozielonych.
