O kurze
Požadovaný semester štúdia: 1. semester (1. rok magisterského stupňa)
Počet kreditov: 3
Vyučujúci:
doc. Mgr. Michal GALLAY, PhD. Mgr. Katarína ONAČILLOVÁ, PhD.
Podmienky absolvovania kurzu:
Podmienkou absolvovania predmetu je priebežné hodnotenie na cvičeniach a záverečné hodnotenie na konci semestra. Priebežné hodnotenie pozostáva z 3 zadaní a semestrálneho skupinového projektu, pričom každé je hodnotené v škále 0-100 bodov. Na úspešné absolvovanie predmetu musí študent získať aspoň 50 bodov z každej časti hodnotenia. Výsledná známka je určená aritmetickým priemerom bodov z 3 úloh a semestrálneho projektu. Systém hodnotenia je nasledovný: A (100-90 bodov), B (80-89 bodov), C (70-79 bodov), D (60-69 bodov), E (50-59 bodov), FX (0 -49 bodov).
Prednášky
1. Radarový diaľkový prieskum Zeme (DPZ) a jeho vývoj – misie súčasnej a budúcej generácie, prístup a zdroje údajov ESA DPZ a ich aplikácie
Táto prednáška ponúka prehľad radarového diaľkového prieskum Zeme, jeho vývoja a ďalšej generácie misií, pričom zdôrazňuje úlohu ESA v tomto odvetví. Objasňuje kľúčové princípy radarového snímania a vesmírne misie, diskutuje o špecifikách satelitu Sentinelu-1 a pripravovaných iniciatívach na poli radarového snímania. Účastníci sa dozvedia o prístupe a využívaní údajov ESA DPZ, vrátane misií tretích strán. Prednáška tiež skúma rôzne aplikácie radarových údajov, ako je mapovanie krajinnej pokrývky, monitorovanie katastrof a klimatické štúdie. Účastníci pochopia, ako radarový diaľkový prieskum Zeme v priebehu rokov pokročil a aký je jeho aplikačný potenciál v rôznych vedeckých a praktických aplikáciách.
2. SAR diaľkový prieskum Zeme pre krajinné aplikácie 1 – Základy SAR
Prednáška predstaví základné informácie o radare so syntetickou apertúrou (SAR) pre mapovanie krajiny a terénu. Účastníci pochopia základy radarového zobrazovania vrátane pojmov ako spätný rozptyl, polarizácia a rozlíšenie. Prednáška podrobne popíše, ako možno údaje zo SAR, najmä z misií ESA, ako je Sentinel-1, využiť na vytvorenie presných a podrobných máp krajinnej pokrývky. Vysvetlí výhody SAR, ako sú možnosti snímania za každého počasia, vo dne a v noci. Praktické príklady a prípadové štúdie demonštrujú využitie údajov SAR v aplikáciách, ako je topografické mapovanie, zmena krajinnej pokrývky a urbanistické plánovanie, pričom zdôraznia ich hodnotu v manažmente pôdy a environmentálnych štúdiách.
3. SAR diaľkový prieskum Zeme pre krajinné aplikácie 2 – Úvod do inetrferometrického SAR
Prednáška poskytuje úvod do interferometrického radaru so syntetickou apertúrou (InSAR) pre krajinné aplikácie. Účastníci si osvoja základné princípy InSAR, vrátane fázového rozdielu, koherencie a interferogramov. Prednáška vysvetlí, ako sa InSAR používa na odvodenie digitálnych modelov povrchu a terénu s vysokým rozlíšením a monitorovanie deformačných javov v krajine ako je pokles a zdvih. V prednáške sa bude diskutovať aj o dôležitosti misie Sentinel-1 ESA pri poskytovaní konzistentných a spoľahlivých údajov InSAR. Praktické príklady demonštrujú použitie InSAR v oblastiach ako je monitorovanie zemetrasení, detekcia zosuvov pôdy a hodnotenie stability infraštruktúry, pričom zdôrazní jeho kľúčovú úlohu v geovedách a manažmente rizík.
4. SAR diaľkový prieskum Zeme v lesníctve
Prednáška sa zameriava na využitie údajov z radaru so syntetickou apertúrou (SAR), najmä zo satelitov Sentinel-1, pri monitoringu lesov, využívajúc koncepty ako spätný rozptyl, polarizácia a interferometria. Účastníci sa naučia, ako môžu údaje SAR preniknúť cez oblačnosť a vegetačný porast a poskytnúť tak informácie o štruktúre lesa a biomase. V prednáške sa bude diskutovať aj o dôležitosti časového rozlíšenia pri monitorovaní vývoja lesa a zisťovaní zmien v dôsledku odlesňovania alebo prírodných katastrof. Prípadové štúdie z reálneho sveta ilustrujú dôležitú úlohu SAR pri ochrane lesov, štúdiách klimatických zmien a trvalo udržateľnom manažmente zdrojov.
5. SAR a optický diaľkový prieskum Zeme pre precízne poľnohospodárstvo 1
Sledovanie rastu plodín je kľúčové pre hodnotenie produkcie potravín, maximálne využitie pôdy a formovanie poľnohospodárskej politiky. Techniky diaľkového prieskumu Zeme využívajúce optické a/alebo radarové senzory sa stali dôležitými nástrojmi na získavanie informácií o plodinách. Informácie z optických údajov odrážajú chemické vlastnosti vegetácie, zatiaľ čo radarové údaje poskytujú informácie o štruktúre vegetácie a obsahu vlhkosti. Nespornou výhodou radaru je jeho schopnosť zachytiť zemský povrch takmer za každých poveternostných podmienok. Táto prednáška sa zameriava na využitie údajov Sentinel-1 (S1), a Sentinel-2 (S2) na klasifikáciu plodín. Účastníci sa naučia, ako skombinovať údaje z radaru a optického diaľkového prieskumu Zeme na presnú identifikáciu rôznych druhov plodín. Dôraz sa bude klásť na špecifické výhody údajov S1 a S2 - ako napríklad prevádzkyschopnosť za každého počasia a rôzne spektrálne informácie - pre poľnohospodárske aplikácie. Prednáška sa bude venovať aj metódam a výzvam súvisiacim s integráciou údajov a presnosťou klasifikácie.
6. SAR a optický diaľkový prieskum Zeme pre precízne poľnohospodárstvo 2
Táto prednáška ozrejmí možnosti inovatívneho využitia radaru so syntetickou apertúrou (SAR) v kombinácii so snímkami z bezpilotných leteckých zariadení (UAV) na efektívnu klasifikáciu plodín. Skúma, ako fúzia týchto technológií ponúka údaje s vysokým priestorovým a časovým rozlíšením pre presné poľnohospodárstvo. Účastníci sa dozvedia, ako možnosti snímania SAR za každého počasia, resp. vodne a v noci dopĺňajú flexibilitu a podrobný záznam z UAV, čím poskytujú lepšie informácie o typoch plodín. Prednáška bude tiež diskutovať o aplikáciách v reálnom svete, procese integrácie technológií a výzvach a potenciálnych riešeniach spojených s týmto prístupom.
7. SAR a optický diaľkový prieskum Zeme pre mapovanie lesných požiarov
Táto prednáška poskytne pohľad na to, ako radar so syntetickou apertúrou (SAR) a optické senzory pomáhajú pri detekcii a monitorovaní požiarov a hodnotení škôd po požiaroch v reálnom čase. Účastníci pochopia, ako snímanie so SAR (nezávislým od počasia) a optickými senzormi s vysokým rozlíšením poskytujú základné údaje na sledovanie dynamiky požiarov. Praktické prípady použitia z misií ESA budú ďalej ilustrovať príspevok týchto technológií k manažmentu lesných požiarov a plánom obnovy po požiari.
8. SAR a optický diaľkový prieskum Zeme pre mapovanie snehovej pokrývky
Táto prednáška vysvetľuje aplikáciu radaru so syntetickou apertúrou (SAR) a multispektrálneho diaľkového prieskumu Zeme pri mapovaní snehu pomocou misií Európskej vesmírnej agentúry (ESA). Účastníci sa dozvedia, ako tieto technológie poskytujú podrobné údaje o snehovej pokrývke vrátane hrúbky, hustoty a ekvivalentu snehovej vody. V rámci diskusie bude zdôraznené, ako zber údajov pomocou SAR dopĺňa spektrálne informácie multispektrálnych senzorov pre komplexné pochopenie dynamiky snehu, ktorá je dôležitá pre meteorológiu, hydrológiu a klimatické štúdie.
9. SAR a optický diaľkový prieskum Zeme pre mapovanie ľadu
Prednáška je zameraná na mapovanie a monitorovanie ľadu pomocou SAR a multispektrálneho diaľkového prieskumu Zeme v rámci misií ESA. Účastníci získajú prehľad o tom, ako fúzia týchto technológií ponúka cenné údaje o hrúbke, štruktúre a pohybe ľadu. Diskusia sa bude zaoberať tým, ako sa schopnosť SAR zachytiť povrchové deformácie spája s detekciou vlastností ľadového povrchu pomocou multispektrálnych senzorov, aby prispela k štúdiu ľadovcov, polárneho ľadu a dôsledkov pre zmenu klímy a stúpanie hladiny morí.
10. SAR a optický diaľkový prieskum Zeme pre mapovanie povodní
Prvá prednáška na túto tému skúma využitie radaru so syntetickou apertúrou (SAR) a multispektrálnych techník diaľkového prieskumu Zeme pri identifikácii rozsahu záplav prostredníctvom misií Európskej vesmírnej agentúry (ESA). Účastníci sa dozvedia, ako tieto technológie so svojimi doplnkovými funkciami poskytujú podrobné a aktuálne informácie o dynamike povodní. Schopnosť SAR preniknúť cez oblačnosť v kombinácii so schopnosťami multispektrálnych senzorov zachytiť rôzne časti elektromagnetického spektra umožňuje presné vymedzenie hraníc záplav, ktoré je nevyhnutné pre včasnú reakciu v reálnom čase s cieľom zmiernenia ich dopadu.
11. SAR a optický diaľkový prieskum Zeme pre hodnotenie škôd a obnovu územia po povodni
Druhá prednáška na túto tému objasňuje možnosti využitia údajov SAR a multispektrálneho diaľkového prieskumu Zeme pri hodnotení škôd a obnove územia po povodniach. Diskusia sa bude týkať toho, ako tieto technológie dokážu odhaliť zmeny na pôde a vodných útvaroch, čím pomôžu kvantifikovať povodňové škody a naplánovať proces obnovy krajiny. Účastníci sa dozvedia, ako detekciou zmien terénu z údajov SAR a identifikáciou zdravotného stavu vegetácie z multispektrálnych senzorov možno prispieť ku komplexnému manažmentu krajiny po katastrofe a plánovaniu jej budúcej odolnosti.
12. SAR pre identifikáciu poklesávania územia
Táto prednáška sa zaoberá úlohou radaru so syntetickou apertúrou (SAR) a multispektrálneho diaľkového prieskumu Zeme pri zisťovaní a mapovaní poklesávania územia pomocou misií Európskej vesmírnej agentúry (ESA). Účastníci sa dozvedia, ako tieto technológie poskytujú dôkladné informácie pre pochopenie vzniku terénnych deformácií. Dôraz sa bude klásť na citlivosť SAR na menšie zmeny terénu a schopnosť multispektrálnych senzorov rozlíšiť geologické a vegetačné prvky, čo ponúka komplexný pohľad na dynamiku poklesávania.
13. SAR pre monitoring zemetrasení
Prednáška sa zameriava na to, ako SAR a multispektrálny diaľkový prieskum Zeme pomáhajú pri monitorovaní a mapovaní zemetrasení v rámci misií ESA. Diskusia sa bude zaoberať tým, ako tieto technológie pomáhajú odhaliť seizmické aktivity a výsledné povrchové deformácie. Citlivosť SAR pri zisťovaní nepatrných pohybov povrchu v kombinácii so schopnosťou multispektrálnych senzorov identifikovať zmeny v krajinnej pokrývke významne prispievajú k včasnej detekcii zemetrasení, odhadu škôd a plánovaniu obnovy po udalosti.
Cvičenia
1. Radarový diaľkový prieskum Zeme – ESA prístup k údajom diaľkového prieskumu Zeme, zdroje, aplikácie, Copernicus open-access Hub
Na konci tohto praktického cvičenia študenti budú vedieť pristupovať a získavať bezplatné a otvorené ESA dáta radarového prieskumu Zeme. Budú ukázané základné kroky ako spracovať a vizualizovať radarové dáta. Účastníci tiež preskúmajú rôzne aplikácie radarových dát, ako je napr. mapovanie krajinnej pokrývky, monitorovanie katastrof a aplikácie pre monitorovanie klímy. Účastníci porozumejú kľúčovým princípom predbežného spracovania dát radarového diaľkového prieskumu Zeme a kroky spracovania dát pre generovanie výstupov, ktoré majú potenciál v rôznych vedeckých a praktických aplikáciách.
2. SAR pre krajinné aplikácie 1 – Základy SAR pre monitorovanie krajiny pomocou softvéru SNAP
Cvičenie zahŕňa základy práce s radarom so syntetickou apertúrou (SAR) pre mapovanie krajiny a terénu. Poukáže na využitie údajov SAR, najmä z misií ESA, ako je Sentinel-1, pri monitorovaní krajinnej pokrývky a jej dynamiky. Na konci tohto praktického cvičenia budú účastníci schopní porozumieť základom radarového zobrazovania a spracovania a vytvoriť mapu krajinnej pokrývky z dát SAR. Budú ilustrované a vysvetlené výhody SAR oproti optickým systémom na mapovanie krajinnej pokrývky a zmien využívania krajiny, bude tiež vysvetlený informačný obsah snímok SAR relevantný pre charakteristiky krajinnej pokrývky a limitácie SAR pri mapovaní krajinnej pokrývky.
3. SAR pre krajinné aplikácie 2 – spracovanie dát z interferometrického SAR pomocou SNAP softvéru
Praktikum poskytuje úvod do spracovania interferometrických radarov so syntetickou apertúrou (InSAR) pre pozemné aplikácie. Na konci tohto praktického cvičenia budú účastníci schopní vykonávať interferometrické spracovanie pomocou produktov Sentinel-1 IW a používať InSAR na generovanie digitálnych výškových modelov s vysokým rozlíšením a monitorovanie javov deformácie krajiny, ako je pokles a zdvih. Praktické príklady tiež poukážu na použitie InSAR v oblastiach, akým je monitorovanie zemetrasení a sopečnej činnosti, detekciu zosuvov pôdy a hodnotenie stability infraštruktúry, pričom zdôrazní jeho kľúčovú úlohu pri monitorovaní rizík a využitie v geovedách.
4. Lesníctvo so Sentinel-1: Analýza jedno-scénových dát a časových radov na zistenie zmien lesa pomocou softvéru SNAP
Cieľom tohto cvičenia je vytvoriť snímky RTK (rádiometricky korigované o terén) z produktov Sentinel-1 GRD na monitorovanie rozsahu, štruktúry a biomasy lesa. Účastníci spracujú údaje SAR pomocou SNAP softvéru s použitím jedno- a viac-časového spracovania a vygenerujú snímky RTK a analýzy časových radov z multitemporálnych datasetov. Štatistické analýzy sa budú vykonávať pomocou bodových grafov, analýzy histogramu, profilového grafu atď. Cieľom cvičenia je poukázať na kritickú úlohu SAR v trvalo udržateľnom manažmente zdrojov a pri ochrane lesov.
5. Klasifikácia polí pomocou S1 a S2 dát použitím SNAP softvéru
Cieľom tohto praktického cvičenia je použiť radarové (Sentinel-1) a optické (Sentinel-2) dáta kombinovane alebo oddelene na klasifikáciu rôznych druhov plodín na vybranom záujmovom území. V prvom kroku sa vykoná predbežné spracovanie údajov, a potom sa odhadnú typy plodín klasifikáciou údajov na základe algoritmu Random Forest. V prvej časti spracovania dát sú údaje spracované tak, aby boli vhodné na použitie ako vstup pre klasifikačný algoritmus. Druhá časť je venovaná obrazovej klasifikácii skúmanej oblasti.
6. Klasifikácia polí pomocou S1 dát použitím SNAP softvéru
Toto praktikum objasní inovatívne použitie radaru so syntetickou apertúrou (SAR) pre efektívnu klasifikáciu plodín a pôdy. V rácmi cvičenia budeme skúmať, ako fúzia týchto technológií poskytuje lepšie pochopenie typov plodín pre precízne poľnohospodárstvo. Účastníci na konci tohto praktického cvičenia budú schopní pochopiť, ako konfigurácie SAR ovplyvňujú odozvu z plodín a pôdy, aké sú optimálne parametre senzorov pre poľnohospodárske aplikácie, ako získať, predspracovať a spracovať údaje SAR na aplikácie pre klasifikáciu plodín a odhad pôdnej vlhkosti.
7. Mapovanie požiarov so Sentinel-1 & Sentinel-2 použitím SNAP softvéru
Toto praktické cvičenie poskytne prehľad mapovania postupu lesných požiarov pomocou údajov Sentinel-2 a Sentinel-1. Kompozície Sentinel-2 s využitím krátkovlnnej infračevenej časti spektra (SWIR) nám umožnia vyvodiť závery o obsahu vody v pôde a rastlinách, nakoľko vodné plochy podstatne odrážajú SWIR. Sentinel-1 SAR bude tieto data dopĺňať o svoju schopnosť prenikať cez oblačnosť a zaznamenaným spätným rozptylom poskytujúcim informácie o vegetácii a úrovni vlhkosti pôdy. Účastníci porozumejú tomu, ako sa kombináciou údajov z dvoch rôznych satelitných senzorov dá predísť chýbajúcim dátam v údajoch a zmonitorujú rôzne štádiá vývoja lesného požiaru, a to aj počas veľmi nekonzistentných poveternostných podmienok.
8. Sentinel-1 & Sentinel-2 pre monitorovanie snehu a ľadu použitím SNAP softvéru
Existuje viacero metodík určených na sledovanie snehovej a ľadovej pokrývky pomocou optických satelitov a satelitov SAR. Prvá časť tohto segmentu sa sústredí na spracovanie údajov Sentinel-1 dát pomocou súboru nástrojov SNAP pre účely vytvorenia máp hrúbky a toku ľadovej pokrývky. Tieto presné informácie o ľade sú kľúčové pre pochopenie a sledovanie globálnych klimatických zmien a zmien v životnom prostredí.
9. Sentinel-1, Sentinel-2 pre monitorovanie snehu a ľadu použitím SNAP softvéru
Druhá časť praktického cvičenia pre monitoring snehu a ľadu sa sústredí na vyhľadávanie typov morského ľadu pomocou textúrnych analýz vo forme šedých matíc súčasného výskytu (angl. Gray-Level Co-occurrence Matrices, skr. GLCM) a riadenej klasifikácie pomocou trénovacích dát z existujúcich údajov z mapy ľadu a pomocou softvéru SNAP. Tieto presné informácie o ľade sú tiež kľúčové pre pochopenie a sledovanie zmien v životnom prostredí a globálnych klimatických zmien. Okrem toho zmenšovanie rozlohy ľadu vytvára možnosti pre nové námorné trasy a prieskum prírodných zdrojov.
10. Monitorovanie záplav pomocou Sentinel-1 & Sentinel-2 použitím SNAP softvéru
Prvá časť praktika je zameraná na detekciu zaplavených oblastí pomocou syntetických apertúrnych radarov (SAR) Sentinel-1 dát. Účastníci sa naučia vyhľadávať, sťahovať a spracovávať údaje a vykonávať analýzu obrazu, vytvárať masku vody, aby vedeli poskytnúť podrobné a včasné informácie o dynamike záplav. Schopnosť SAR preniknúť cez oblačnosť umožňuje presné vymedzenie hraníc záplav, ktoré je nevyhnutné pre včasnú reakciu na záplavy a zmiernenie ich následkov v reálnom čase.
11. Monitorovanie záplav pomocou Sentinel-1, Sentinel-2 dát použitím SNAP softvéru
Druhá časť praktika pre monitorovanie záplav sa sústredí na využitie SAR a multispektrálneho diaľkového prieskumu pri hodnotení škôd a obnove po záplavách. Praktická časť sa bude zaoberať tým, ako môže fúzia týchto technológií odhaliť zmeny v pôde a vodných útvaroch, čím pomôže kvantifikovať povodňové škody a vyhodnotiť správny proces obnovy. Účastníci sa dozvedia, ako integrácia SAR s multispektrálnymi senzormi prispieva ku komplexnému manažmentu po katastrofe a k plánovaniu budúcej odolnosti.
12. Mapovanie poklesov pomocou SAR interferometrie (InSAR) použitím SNAP softvéru
V rámci tohto cvičenia účastníci preskúmajú úlohu radaru so syntetickou apertúrou (SAR) pri zisťovaní a mapovaní poklesu pôdy pomocou údajov Sentinel-1. Účastníci pochopia, ako spracovať údaje SAR pre získanie informácií a pochopenie povrchových deformácií. Dôraz bude kladený na citlivosť SAR na malé povrchové zmeny a poskytne komplexný pohľad na dynamiku poklesu. Účastníci sa tiež naučia, ako detegovať posun pomocou matematických výrazov a vizualizujú výsledky posunu prostredníctvom Google Earth platformy.
13. Monitorovanie deformácií zemetrasením pomocou Sentinel-1 použitím SNAP softvéru
V rámci tohto cvičenia budú študenti analyzovať zemetrasenia pomocou snímacej technológie - interferometrického radaru so syntetickou apertúrou (InSAR), ktorý sa stal základom pre štúdium rozmerov a priestorovej zložitosti zemetrasení. Produkty Sentinel-1 SLC budú použité na odvodenie spôsobenej deformácie a jej prepojenie s geologickými údajmi. Účastníci využijú schopnosti Sentinel-1 SAR na pochopenie monitorovania deformácií a tvorbu dátových produktov s pridanou hodnotou na podporu monitorovania katastrof spôsobených zemetraseniami a globálnej núdzovej reakcie na zemetrasenia.
Zdroje
Lillesand, T., Kiefer, R. W., & Chipman, J. (2014). Remote Sensing and Image Interpretation. Wiley.
Maselli, F. (2018). Remote Sensing for Land Use Management. CRC Press.
Pukanská, K., Bartoš, K., Kseňak, Ľ (2022). Earth Observation with ESA missions (in Slovak). https://eo-esa.fberg.tuke.sk/en/university-textbook/
Jensen, J. R. (2007). Remote Sensing of the Environment: An Earth Resource Perspective. Pearson Prentice Hall.
Campbell, J. B., & Wynne, R. H. (2011). Introduction to Remote Sensing. Guilford Press.
Aschbacher, J. (2017). The European Space Agency's Earth Observation Programme. In The European Conference on Lasers and Electro-Optics. European Physical Society.
Websites:
COPERNICUS Programme (https://www.copernicus.eu/en)
Exploring ESA Sentinel Data: (https://www.sentinel-hub.com/)
European Space Agency's Earth Observation Portal (https://eoportal.org/)
NASA Earth Observatory (https://earthobservatory.nasa.gov/)
USGS Earth Explorer (https://earthexplorer.usgs.gov/)
