O dálkovém průzkumu Země
Dálkový průzkum Země (anglicky remote sensing) představuje vědecko-technickou disciplínu zabývající se pořizováním a zpracováním dat o zemském povrchu bez přímého kontaktu prostřednictvím elektromagnetického záření různých vlnových délek a původu. V každém případě však dochází při kontaktu elektromagnetického záření s povrchem Země ke specifické interakci, kterou lze následně chápat jako jakýsi „otisk“ vlastností zemského povrchu.
Typickým příkladem tohoto jevu je barva jednotlivých předmětů vnímaná lidským okem. Bezbarvé sluneční záření (světlo) dopadající na zemský povrch je ve skutečnosti složeno ze záření různých vlnových délek (v rozsahu přibližně 450 – 700 nm), kterým odpovídá různá barva od modré (v případě záření nejkratších vlnových délek) až po červenou (v případě záření s nejdelší vlnovou délkou). O tom, že tomu tak skutečně je, se můžeme snadno přesvědčit například při pozorování duhy. Díky specifickým vlastnostem různých druhů povrchu dochází k situaci, kdy jsou některé vlnové délky z dopadajícího slunečního záření odráženy zpět s mnohem větší intenzitou, než jiné. Kupříkladu vegetace odráží nejvíce záření o vlnové délce kolem 550 nm, díky čemuž ji vnímáme jako zelenou, zatímco voda odráží nejvíce záření v oblasti nejkratších vlnových délek, a proto ji vnímáme jako modrou. Jinými slovy je pak možné říci, že analýzou elektromagnetického záření interagujícího se zemským povrchem jsme schopni určit a popsat celou škálu fyzikálních, chemických (a dalších) parametrů povrchu. Kromě kvalitativních charakteristik (např. z jakého materiálu se daný povrch skládá) je možné určit i nejrůznější kvantitativní parametry (vlhkost, teplota, obsah nejrůznějších chemických látek apod.)
V případě dálkového průzkumu Země jsou uvažovány nejrůznější druhy elektromagnetického záření lišící se svou vlnovou délkou a tím i svými vlastnostmi. První velkou skupinu představuje záření tzv. optické domény zahrnující jak viditelné záření (označované zkratkou VIS a pokrývající rozsah vlnových délek cca. 450 – 700 nm), tak již pro lidské oko neviditelné blízké (near infrared – NIR, 700 – 1200 nm) a krátkovlnné (short wave infrared – SWIR, 1200 – 2500 nm) záření. Ve všech těchto případech se pak jedná o sluneční záření, které se odráží od povrchu Země. Z toho pak logicky vyplývá, že optická data je možné pořizovat jen ve dne.
princip dálkového průzkumu Země: optická doména
princip dálkového průzkumu Země: termální doména
princip dálkového průzkumu Země: radarová doména
Na delších vlnových délkách již intenzita vyzařování Slunce klesá a od přibližně 3900 nm (3.9 µm) postupně začíná dominovat vlastní záření Země. Na optickou část spektra tak navazuje oblast známá jako střední infračervené záření (middle infrared – MIR) o vlnových délkách v rozmezí 3 – 8 µm. Zemská atmosféra je pro začnou část tohoto rozsahu pro elektromagnetické záření prakticky neprůhledná (díky silní absorpci záření vodní párou). Proto tuto oblast nelze využít pro snímkování zemského povrchu. Současně je však velmi důležitá v případě pořizování dat pro meteorologické účely. Vyzařování Země dosahuje maxima v rozmezí vlnových délek mezi 8000 – 15 000 nm (8 – 15 µm). Tato oblast spektra je pak známa jako termální doména (thermal infrated – TIR). Záření tohoto druhu je sice pro lidské oko neviditelné, avšak dokážeme jej vnímat kůží jako teplo. Vzhledem k mechanismu svého vzniku je možné zemský povrch v oblasti tepelného záření snímat nejen ve dne, ale i v noci.
Třetím typem elektromagnetického záření, které je v rámci dálkového průzkumu široce využíváno, představuje mikrovlnné záření. V porovnání s optickým i tepelným zářením je jeho vlnová délka ještě o mnoho delší a pohybuje se nejčastěji v rozsahu 3.75 – 7.50 cm (C-band), i když využívána jsou i jiná pásma (např. X-band o rozsahu vlnových délek 2.50 – 3.75 cm nebo L-band o rozsahu 15 – 30 cm). Intenzita vyzařování jak Slunce, tak i Země je na takto dlouhých vlnových délkách prakticky nulová. Proto je tento druh záření generován uměle pomocí zařízené známého jako radar. Svazek vygenerovaného záření je tedy nejprve vyslán k Zemi, od jejíhož povrchu se odrazí a následně putuje zpět ke svému zdroji, kde je opět přijat. Celý tento proces si je možné představit tak, jako když je někde tma a my si posvítíme umělým zdrojem světla (například žárovkou). Z tohoto pohledu je pak zřejmé, že snímání povrchu Země je pomocí radaru možné realizovat bez ohledu na denní dobu (tj. ve dne i v noci). Ve srovnání se zářením v optické a termální doméně má však mikrovlnné záření ještě jednu pozoruhodnou vlastnost, a sice že dokáže pronikat oblačností. Z družic na oběžné dráze Země tak povrch Země vidíme bez ohledu na to, zda zrovna panuje zatažená či jasná obloha.
Zemský povrch je v případě dálkového průzkumu Země zpravidla snímán současně na více vlnových délkách. Data pořízená na určité vlnové délce (respektive v určitém více či méně širokém rozsahu vlnových délek) jsou označována jako tzv. spektrální pásmo. Pro snadnější pochopení se můžeme opět odkázat na analogii s digitální fotografií, kde se snímky skládají ze tří složek (tedy jakýchsi spektrálních pásem) odpovídajících viditelnému záření červené, zelené a modré barvy. V případě dálkového průzkumu pak zpravidla nejsme omezeni jen viditelným zářením, ale stejně tak můžeme pracovat se spektrálními pásmy pokrývajícími oblast blízkého, středního či termálního infračerveného záření. Data skládající se z více spektrálních pásem jsou pak souhrnně označována jako multispektrální. Šířka intervalu vlnových délek, která je daným typem dat pokryta v kombinaci s počtem spektrálních pásem definuje tzv. spektrální rozlišení dat (v tomto případě se jedná především o data v optické a termální doméně).
Vznik barevných syntéz kombinací různých spektrálních pásem
Ačkoliv mohou mít data dálkového průzkumu Země různou podobu, nejčastěji mluvíme o tzv. obrazových datech – tedy datech, která lze převést do podoby obrazu. Laickým pohledem máme tendenci vnímat družicová data především jako „obrázky“, avšak tato představa není úplně správná. Ve skutečnosti totiž musíme družicová data vnímat jako matici naprosto exaktních fyzikálních měření, neboť každá dílčí jednotka obrazu (pixel) ve skutečnosti představuje určitou číselnou hodnotu reprezentující množství elektromagnetického záření odraženého či vyzářeného povrchem Země a zaznamenaného příslušným senzorem. Velikost plochy na zemském povrchu, která je v obrazových datech dálkového průzkumu Země reprezentována jedním pixelem pak definuje tzv. prostorové rozlišení. Z hlediska prostorového rozlišení lze data dálkového průzkumu rozdělit do čtyř základních kategorií. V případě dat nízkého rozlišení představuje jeden pixel plochu o velikosti 1 x 1 km (nebo i větší). Tato data jsou typická zejména pro tzv. meteorologické družice na polární (např. NOAA, MetOP) nebo geostacionární (např. Meteosat, GOES) dráze, v jejichž případě je potřeba zachytit najednou rozsáhlé území, byť za cenu nižšího prostorového rozlišení. Hodí se tedy pro analýzy na globální či kontinentální úrovni. Data středního rozlišení mají velikost pixelu v řádu stovek metrů (typicky mezi 250 – 500 m). Využívajíc se proto pro analýzy na kontinentální nebo regionální úrovni. Příkladem dat středního rozlišení mohou být například snímky pořizované družicemi Terra a Aqua (MODIS) nebo Sentinel-3. Další kategorii představují data vysokého rozlišení, v jejichž případě odpovídá jeden pixel obrazu ploše o velikosti v řádu desítek metrů (cca 10 – 60 m). Na zemském povrchu je v takovém případě možné rozlišit již mnohé detaily, a proto jsou tato data využívána především pro analýzy na lokální a regionální úrovni (což ovšem rozhodně neznamená, že by se pomocí nich nedala vyvíjet služba například na celoevropské úrovni!). Typickými příklady dat vysokého rozlišení jsou snímky pořizované družicemi Landsat nebo Sentinel-2. Jakousi královskou ligu pak představují data velmi vysokého rozlišení, v jejichž případě je velikost odpovídající jednomu pixelu v řádu jednotek metrů nebo i desítek centimetrů. Díky tomu umožňují podrobné analýzy na lokální úrovni. Na rozdíl od všech předchozích případů jsou družice pořizující data velmi vysokého prostorového rozlišení většinou provozovány soukromými komerčními subjekty. Příkladem takových družic mohou být například Pléiades (prostorové rozlišení 2m/0.50 m) či WorldView-3 (prostorové rozlišení 1.24/0.31 m).
Dalším důležitým parametrem v rámci pořizování dat dálkového průzkumu Země je tzv. časové rozlišení udávající časovou periodu s jakou lze pořizovat data pro dané území. Časové rozlišení do značné míry souvisí s rozlišením prostorovým, neboť čím vyšší je prostorové rozlišení, tím menší oblast je možné na snímku najednou zachytit, a tím déle pak trvá, než se k této oblasti můžeme opět vrátit (a snímkování opakovat). Bezkonkurenčně nejvyšší časové rozlišení poskytují družice na geostacionární dráze, které zachycují najednou vždy celou zemskou polokouli. Data jsou v tomto případě pořizována v řádu desítek minut (v případě družic MSG například jednou za 15 minut). Meteorologické družice na nižší polární dráze (např. typu NOAA) jsou schopny zajistit nasnímání daného území několikrát za den. V případě dat středního rozlišení se lze nejčastěji setkat s případem, kdy jsou data pořizována jednou (např. Sentinel-3) nebo i dvakrát (MODIS) za den. Data vysokého rozlišení jsou pořizována zpravidla s periodou několika dní (např. Sentinel-2 při použití jedné družice 10 dní, při použití dvou družic 5 dní, Landsat-8 16 dní apod.). V tomto ohledu je ale potřeba zmínit skutečnost, že pásy nasnímaného území se mohou částečně překrývat, díky čemuž může být skutečné prostorové rozlišení poloviční. V případě všech výše uvedených kategorií jsou data pořizována kontinuálně. Specifickým případem jsou pak data velmi vysokého rozlišení, která jsou pořizována na základě objednávky (tj. bez jakéhokoliv pravidelného cyklu).