O kurze
Požadovaný semester štúdia: 5. semester (3. rok bakalárskeho stupňa)
Počet kreditov: 3
Vyučujúci:
prof. Mgr. Jaroslav HOFIERKA, 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).
Výsledky vzdelávania:
Teoretické a metodologické vedomosti: Pochopenie teoretických a metodologických aspektov diaľkového prieskumu Zeme a prieskum praktických aplikácií týchto techník.
Zručnosti v oblasti spracovania a analýzy dát: Rozvíjanie praktických zručnosti v spracovaní, analýze a vizualizácii digitálnych údajov získaných z platforiem diaľkového prieskumu Zeme (DPZ) v prostredí geografického informačného systému (GIS) a iného relevantného softvéru.
Hodnotenie metód diaľkového prieskumu Zeme: Získanie schopnosti kriticky zhodnotiť silné a slabé stránky rôznych metód DPZ a nosičov senzorov pre rôzne aplikácie v DPZ.
Spolupráca a samostatná práca: Zlepšenie schopností tímovej práce efektívnou spoluprácou v skupinovom prostredí, ako aj rozvíjanie samostatnosti vo výskume a prezentácii výsledkov práce.
Prednášky
1. Úvod do ESA diaľkového prieskumu Zeme a jeho vývoj – súčasné a budúce generácie misií
Prednáška poskytne úvod do programu ESA zameraného na diaľkový prieskum Zeme, jeho vývoja a budúceho smerovania. Účastníci sa dozvedia o histórii misií vrátane významných míľnikov, ktoré túto oblasť formovali. Diskusia sa bude týkať aj súčasných misií, skúmania ich cieľov, technológií a príspevkov k vedeckému poznaniu. Pohľad do budúcnosti bude skúmať misie novej generácie, ich technologický pokrok a predpokladané vplyvy na oblasti, ako sú klimatické zmeny, manažment katastrof a trvalo udržateľný rozvoj. Účastníci získajú prehľad o technologickom a vedeckom vývoji diaľkového prieskumu Zeme a o jeho kľúčovej úlohe pri formovaní nášho chápania planéty.
2. Prístup k údajom a zdrojom ESA DPZ vrátane misií tretích strán, aplikácie údajov z DPZ programu Copernicus
Prednáška objasňuje postupy ESA pre prístup k údajom z diaľkového prieskumu Zeme (DPZ), podrobne popisuje zdroje dostupné pre priame misie aj misie tretích strán. Ozrejmuje, ako získať, interpretovať a použiť tieto údaje v kontexte reálneho sveta. Vysvetľuje význam DPZ programu EÚ - Copernicus a zdôrazňuje jeho úlohu pri monitorovaní životného prostredia, sledovaní klimatických zmien a zvládaní katastrof. Prístup založený na prípadových štúdiách bude použitý na ilustrovanie rôznych aplikácií, ako je obhospodarovanie lesov, monitorovanie hladiny morí a štúdium atmosféry. Cieľom prednášky je vybaviť účastníkov potrebnými zručnosťami na efektívnu navigáciu a prístup k týmto dôležitým údajovým súborom.
3. Kľúčové pojmy a fyzikálne princípy metód diaľkového prieskumu Zeme: elektromagnetická energia, jej vlastnosti, spektrálne správanie a interakcia s prostredím
Táto prednáška upriami pozornosť na základné koncepty metód diaľkového prieskumu Zeme, počnúc úlohou elektromagnetickej energie a jej vlastností. Účastníci získajú komplexné informácie o spektrálnom pásmach, vrátane viditeľných, infračervených a mikrovlnných spektier. Stretnutie ďalej objasní, ako elektromagnetické vlny interagujú s rôznymi environmentálnymi prvkami, čo ovplyvňuje ich detekciu a meranie. Detailné skúmanie princípov odrazu, absorpcie a emisie elektromagnetického žiarenia pomôže účastníkom pochopiť komplexnú interakciu medzi elektromagnetickou energiou a prostredím.
4. Optický diaľkový prieskum Zeme pomocou údajov ESA Copernicus: senzory a platformy, obrazové metadáta, rozlíšenie obrazu (spektrálne, priestorové, časové a rádiometrické rozlíšenie)
Táto prednáška ponúka základné informácie o optickom diaľkovom prieskume Zeme pomocou údajov z programu ESA Copernicus. Kľúčové oblasti záujmu zahŕňajú typy používaných senzorov a platforiem, od multispektrálnych až po hyperspektrálne prístroje a úlohu satelitov, lietadiel a bezpilotných lietadiel. Skúma sa význam obrazových metadát pri interpretácii a spracovaní obrazového záznamu. Účastníci tiež pochopia koncepty rozlíšenia obrazu vrátane spektrálneho, priestorového, časového a rádiometrického rozlíšenia a ako tieto aspekty ovplyvňujú kvalitu a použiteľnosť údajov. Praktické príklady používania údajov programu Copernicus na monitorovanie a riadenie životného prostredia poskytnú týmto technickým konceptom kontext v reálnom svete.
5. Základy radarového diaľkového prieskumu Zeme – princípy a aplikácie
Táto prednáška sa bude zaoberať základnými princípmi, ako radarové systémy využívajú mikrovlny na zachytávanie informácií o vzdialených objektoch alebo oblastiach, pričom objasní témy ako spätný rozptyl, polarizácia, interferometria a Dopplerov efekt. Účastníci sa dozvedia o rôznych typoch radarového snímania, ako je napríklad radar so syntetickou apertúrou (SAR), a ich odlišných charakteristikách. Prednáška bude tiež diskutovať o aplikácii radarových údajov v oblastiach, ako je topografické mapovanie, manažment katastrof a analýza vegetácie. Počas celej prednášky budú zahrnuté prípadové štúdie a praktické príklady pre názornú interpretáciu teoretických poznatkov.
6. Aplikácia multispektrálnych údajov v precíznom poľnohospodárstve
V prednáške sa bude diskutovať o využití multispektrálnych údajov programu Copernicus pri optimalizácii poľnohospodárstva. Vysvetlí, ako satelity programu, ako napríklad Sentinel-2, zachytávajú údaje vo viacerých spektrálnych pásmach na monitorovanie zdravotného stavu rastlín a pôdnych podmienok. Účastníci sa naučia interpretovať tieto údaje pomocou ukazovateľov, ako je normalizovaný vegetačný index (NDVI). Prednáška ukáže, ako tieto poznatky pomáhajú pri prijímaní optimálnych rozhodnutí o zavlažovaní, hnojení a ochrane proti škodcom, čo vedie k zlepšeniu výnosov plodín a zníženiu vplyvu na životné prostredie. Zdôrazní tiež budúci potenciál takýchto technológií pri podpore udržateľných poľnohospodárskych postupov podľa scenárov klimatických zmien.
7. Časopriestorové mapovanie odlesňovania pomocou multispektrálnych údajov
Táto prednáška bude skúmať proces interpretácie snímok zo satelitov ako Sentinel-2 s cieľom zistiť zmeny v lesnom poraste v čase a priestore. Bude diskutovaný význam špecifických spektrálnych pásiem pre analýzu vegetácie a indexov ako NDVI. Prednáška sa bude zaoberať aj významom časového rozlíšenia pri monitorovaní sezónnych zmien a zisťovaní dlhodobých trendov odlesňovania. Účastníci pochopia potenciál technológií diaľkového prieskumu Zeme pri monitorovaní a zmierňovaní environmentálnych problémov prostredníctvom praktických príkladov stratégií ochrany a obhospodarovania lesov.
8. Mapovanie požiarov a spálenísk pomocou multispektrálnych údajov
Táto prednáška sa ponorí do procesu interpretácie multispektrálnych údajov Copernicus zo satelitov ako Sentinel-1 a Sentinel-2 na detekciu aktívnych požiarov a poškodených území po požiaroch. Bude sa diskutovať o úlohe spektrálnych indexov, ako je normalizovaný index spálenia povrchu (NBR) pri hodnotení závažnosti spálenia povrchu. Účastníci pochopia, ako časové rozlíšenie senzorov prispieva k monitorovaniu progresu požiaru a obnove krajiny. Praktické prípadové štúdie ukážu potenciál údajov DPZ pri podpore manažmentu lesných požiarov, od včasnej detekcie a monitorovania až po plánovanie obnovy po požiari.
9. Monitorovanie kvality ovzdušia pomocou údajov Sentinel-5
Prednáška poskytuje hĺbkový pohľad do monitorovania kvality ovzdušia pomocou údajov Sentinel-5 programu ESA Copernicus. Zameriava sa na to, ako využívať satelitné údaje na monitorovanie látok znečisťujúcich ovzdušie, ako je oxid dusičitý, oxid uhoľnatý a metán v globálnom meradle. Prednáška vysvetľuje fungovanie prístroja na monitorovanie troposféry (TROPOMI) na Sentinel-5P, ktorý umožňuje tieto pozorovania. Účastníci sa naučia interpretovať a aplikovať tieto údaje pre analýzy v oblasti životného prostredia a verejného zdravia. Prípadové štúdie ponúknu praktickú perspektívu a ukážu využitia údajov Sentinel-5 pri sledovaní zdrojov znečistenia, monitorovaní trendov kvality ovzdušia a prijímaní politických rozhodnutí.
10. Mapovanie teploty povrchu Zeme/mapovanie mestských tepelných ostrovov pomocou DPZ údajov ESA
Táto prednáška skúma, ako možno údaje DPZ z Európskej vesmírnej agentúry (ESA) použiť na mapovanie teploty povrchu Zeme a monitorovanie efektu mestských tepelných ostrovov. Účastníci sa naučia, ako interpretovať tepelné infračervené údaje zo satelitov, ako je Sentinel-3, na mapovanie distribúcie teploty. Prednáška bude diskutovať o význame priestorového a časového rozlíšenia pri zachytávaní jemných variácií a časových trendov. Vysvetlí tiež, ako sú tieto údaje rozhodujúce pre štúdium mestských tepelných ostrovov, pomáhajú pri plánovaní miest a v oblasti verejného zdravia. Prípadové štúdie ukážu praktickú aplikáciu týchto techník pri zmierňovaní účinkov tepla v mestách.
11. Mapovanie snehovej a ľadovej pokrývky pomocou údajov ESA Sentinel-1 a Sentinel-2
Táto prednáška skúma, ako sa údaje radaru so syntetickou apertúrou (SAR) zo Sentinel-1 a multispektrálne údaje zo Sentinel-2 používajú na detekciu, monitorovanie a meranie rozsahu a hrúbky snehu a ľadu. Účastníci sa dozvedia o jedinečných spektrálnych charakteristikách snehu a ľadu a o tom, ako ovplyvňujú interpretáciu údajov diaľkového prieskumu Zeme. Prednáška pojednáva aj o význame takýchto štúdií pre pochopenie dopadov klimatických zmien, manažmentu vodných zdrojov a bezpečnosti plavby. Reálne príklady ilustrujú aplikáciu týchto techník vo výskume kryosféry.
12. Odvodenie digitálneho výškového modelu (DEM) z DPZ údajov ESA a jeho porovnanie s výstupmi z LiDAR-u
Táto prednáška sa venuje odvodeniu digitálnych výškových modelov konkrétne z údajov SAR (Synthetic Aperture Radar) Sentinelu 1 a porovnáva ich s DEM odvodenými z údajov leteckého LiDAR-u. Účastníci sa dozvedia, ako tieto metódy zachytávajú topografické údaje, ich výhody a obmedzenia. Prednáška skúma úlohu SAR pri vytváraní DEM za rôznych podmienok. Bude sa týkať aj využívania údajov z LiDAR-u s vysokým rozlíšením na generovanie DEM. Stretnutie pomôže účastníkom pochopiť výber vhodných metód na základe faktorov, ako je typ terénu, požiadavky na presnosť a dostupnosť zdrojov.
13. Morské aplikácie: pobrežná batymetria, monitorovanie hladiny mora
Táto prednáška vysvetľuje, ako sa satelitné údaje programu Copernicus z misií ako Sentinel-1, Sentinel-2 a Sentinel-3 používajú na získavanie batymetrických informácií, detekciu pobrežných a morských prvkov a monitorovanie parametrov morského povrchu, ako je teplota, vlnová dĺžka alebo nadmorská výška. V prednáške sa bude diskutovať aj o využití rôznych spektrálnych pásiem a indexov v oceánskom diaľkovom prieskume zeme. Prípadové štúdie z reálneho sveta, vrátane manažmentu pobrežných zón a monitorovania znečistenia morí, ukážu praktický význam aplikácií údajov DPZ.
Cvičenia
1. Úvod do ESA diaľkového prieskumu Zeme a jeho vývoj – ESA DPZ údaje na webe
Toto cvičenie je úvodom do ESA diaľkového prieskumu Zeme (DPZ), jeho vývoja a vízie do budúcnosti. Účastníci získajú prehľad o pilieroch, základných konceptoch a témach ESA a o tom, ako ESA tieto koncepty a témy aplikuje na riešenie problémov v reálnom svete pomocou údajov DPZ. Účastníci sa dozvedia o misiách ESA a údajoch venovaných prieskumu a využívaniu vesmíru v prospech ľudstva, o rozvoji vesmírnych kapacít Európy a o krokoch, ktoré zabezpečia, aby investície do vesmíru naďalej prinášali výhody občanom Európy a sveta.
2. Prístup k údajom ESA DPZ a ich výber, aplikácie údajov z DPZ programu Copernicus
Na konci tohto praktického cvičenia budú študenti schopní získať voľne prístupné dáta z ESA DPZ a misií tretích strán. V rámci cvičenia bude vysvetlený postup na nastavenie prístupu k účtu ESA Copernicus Data Space Ecosystem a prehliadaču údajov DPZ. Študenti sa naučia vyberať vhodné scény, vizualizovať dáta, ako aj vytvárať Timelapse. Ukážeme základné kroky, ako nainštalovať softvér Sentinel Application Platform (SNAP), importovať a spracovať dáta zo všetkých satelitov Copernicus, ako aj iných komerčných satelitov.
3. Kľúčové koncepty spracovania údajov z diaľkového prieskumu Zeme, prevod hodnôt DN na vyžarovanie a odrazivosť pomocou softvéru SNAP
Toto praktické cvičenie predstaví základné kroky prevodu nespracovaných údajov z optického diaľkového prieskumu Zeme – digitálnych hodnôt Landsat 8 (DN) na fyzikálne jednotky – spektrálne vyžarovanie a odrazivosť. Účastníci pochopia rovnice a škálovacie faktory obsiahnuté v súboroch metadát, ktoré sa používajú na konverziu hodnôt DN na odrazivosť a vyžarovanie vrchnej časti atmosféry (TOA). Údaje TIRS sa tiež skonvertujú zo spektrálneho žiarenia na jasovú teplotu hornej časti atmosféry.
4. Optický diaľkový prieskum Zeme pomocou údajov ESA Copernicus: metadáta obrazu, rozlíšenie obrazu (spektrálne, priestorové, časové a rádiometrické rozlíšenie), farebné kompozície a spektrálne indexy, pomocou softvéru SNAP
Tento praktický kurz ponúka základné informácie o údajoch z optického diaľkového prieskumu Zeme programu ESA Copernicus a o ich spracovaní. Na konci cvičenia budú študenti schopní interpretovať obrazové metadáta a určiť rozlíšenie obrazu a čo to znamená pri práci s DPZ dátami. Základné kroky predspracovania údajov Sentinel-2 sa vykonajú v softvéri SNAP, aby sa vytvorili farebné kompozície a spektrálne indexy. Množstvo a zdravotný stav vegetácie na zemskom povrchu bude interpretovaný pomocou farebných kompozícií a spektrálnych indexov.
5. Základy radarového diaľkového prieskumu Zeme - spracovanie údajov pomocou softvéru SNAP
Toto praktické cvičenie predstaví, ako stiahnuť a spracovať produkty Sentinel-1 SCL IW pre mapovanie InSAR. Zároveň poskytne informácie o základných konceptoch a pojmoch radarových systémov. Identifikujú sa problémy šírenia radarového signálu, ako je útlm, viaccestné efekty a vedenia. Prezentovaný bude koncept prierezu radarovej vlny, tvar vlny, antény, charakteristiky vysielača a prijímača a detekcia radarových signálov za prítomnosti šumu.
6. Precízne poľnohospodárstvo – digitálne analýzy obrazu pomocou multispektrálnych dát Sentinel-2, klasifikácia snímok, porovnanie s multispektrálnymi dátami z UAV, pomocou softvéru SNAP
Praktická časť cvičenia bude zameraná na využitie multispektrálnych údajov programu Copernicus pri optimalizácii mapovania poľnohospodárskej krajiny. Vysvetlí, ako používať údaje Sentinel-2 na monitorovanie zdravotného stavu rastlín a pôdnych podmienok. Účastníci sa naučia spracovávať a interpretovať tieto údaje pomocou indikátorov, ako je normalizovaný vegetačný index (NDVI), zelený normalizovaný vegetačný index (GNDVI) a zeleno-červený vegetačný index (GRVI). Výsledky Sentinel-2 budú porovnané s multispektrálnymi dátami z UAV vo vysokom priestorovom rozlíšením. Praktická časť ukáže, ako tieto poznatky pomáhajú pri prijímaní presných rozhodnutí o ochrane proti škodcom, čo vedie k zlepšeniu výnosov plodín a udržateľným poľnohospodárskym postupom podľa scenárov klimatických zmien.
7. Časopriestorové mapovanie odlesňovania pomocou údajov Sentinel-2 pomocou softvéru SNAP
Toto praktické cvičenie predstaví kroky spracovania satelitných snímok Sentinel-2 na detekciu oblastí postihnutých odlesňovaním. V rámci cvičenia bude diskutovaný význam špecifických spektrálnych pásiem pre analýzu vegetácie a budú sa vykonávať výpočty indexov ako NDVI. Praktická časť poukáže aj na dôležitosť časového rozlíšenia pri zisťovaní dlhodobých trendov odlesňovania.
8. Mapovanie požiarov a spálenísk pomocou údajov Sentinel-2 a softvéru SNAP
Na tomto cvičení demonštrujeme potenciál satelitných údajov Sentinel-2 pri detekciu lesných požiarov a spálenísk. Účastníci pochopia potenciál údajov DPZ pri podpore manažmentu lesných požiarov, od včasnej detekcie lesných požiarov a oblakov dymu pomocou farebných kompozícií až po kvantifikáciu dopadov požiarov a plánovanie obnovy. Vykonajú sa operácie reprojekcie a prevzorkovania pásiem na rovnakú veľkosť pixelov a výstupy budú vizualizované v softvéri QGIS. Normalizovaný index spálenia povrchu (NBR) bude použitý na identifikáciu spálených oblastí a na meranie závažnosti spálenia povrchu.
9. Monitorovanie kvality ovzdušia pomocou údajov Sentinel-5 – praktické cvičenia pomocou softvéru SNAP
Toto praktické cvičenie poskytuje pohľad na monitorovanie kvality ovzdušia pomocou údajov Sentinel-5 a Sentinel-2 z programu ESA Copernicus. Na konci cvičenia budú účastníci schopní definovať vhodné kritériá vyhľadávania (časový rozsah, oblasť, satelit, satelitný produkt, typ vizualizácie) v prehliadači EO pre prípadovú štúdiu znečistenia ovzdušia pomocou nástroja na monitorovanie troposféry (TROPOMI) na Sentinel- 5P. Študenti sa naučia monitorovať kvalitu ovzdušia, sledovať zdroje znečistenia, vytvárať a interpretovať mapy kvality ovzdušia Sentinel-5P na príklade mapovania oxidu dusičitého (NO2). Dáta Sentinel-2 (displej True Color) sa použijú na pochopenie toho, aké vlastnosti/prvky sú typické pre oblasti, kde sú úrovne NO2 vysoké.
10. Mapovanie teploty zemského povrchu pomocou údajov Sentinel-3 pomocou softvéru SNAP
Toto praktické cvičenie skúma, ako možno údaje DPZ poskytované Európskou vesmírnou agentúrou (ESA) použiť na mapovanie teploty povrchu Zeme a podrobné analýzy mestských tepelných ostrovov. Účastníci sa naučia, ako spracovať termálne infračervené údaje zo satelitov, ako je Sentinel-3, na mapovanie rozloženia teplôt, aby bolo možné prijímať zmierňujúce rozhodnutia. Na cvičení tiež bude vysvetlené, ako tieto údaje poskytujú cenné informácie pre urbanistov a tvorcov klimatických modelov. Prípadové štúdie ukážu praktickú aplikáciu týchto techník pri zmierňovaní účinkov tepla v mestách.
11. Generovanie binárnych a čiastkových snehových máp vo vysokom rozlíšením z údajov Sentinel-2 pomocou softvéru SNAP
Cvičenie ozrejmuje, ako sa multispektrálne údaje Sentinel-2 používajú na detekciu a meranie rozsahu snehu a ľadu. Účastníci sa naučia vytvárať a interpretovať binárne a čiastkové mapy snehovej pokrývky vo vysokom rozlíšením. Praktická časť tiež predstaví reálne príklady a aplikácie týchto techník v kryosférickom výskume.
12. Odvodenie digitálneho výškového modelu (DEM) z údajov Sentinel-1, porovnanie s výstupmi z LiDAR-u pomocou softvéru SNAP
Absolvovaním tohto cvičenia bude študent schopný vykonávať interferometrické spracovanie produktov Sentinel-1 IW pre odvodenie DEM. Rozhodujúcim krokom pre úspešné odvodenie DEM bude výber obrazového páru s vhodnými vlastnosťami. Na vykonanie rozbalenia fázy sa použije externý softvérový balík snaphu (štatistický algoritmus na rozbaľovanie fáz). Následne operátor konvertuje fázu na hodnoty výšok povrchu v metroch a korekciou terénu sa geometrické skreslenia SAR upravia pomocou digitálneho výškového modelu (DEM) a vytvorí sa mapový produkt. Konečný produkt bude porovnaný s výstupom z LiDAR-u.
13. Morské aplikácie: odvodenie pobrežného batymetrického modelu z údajov Sentinel 2 pomocou softvéru SNAP
Toto praktické cvičenie vysvetľuje, ako sú satelitné údaje programu Copernicus z misie Sentinel-2 so širokým záberom, s vysokým rozlíšením a multispektrálnym zobrazovaním obzvlášť účinné na podporu monitorovania vodnej pokrývky a aplikácií satelitnej batymetrie (SDB). Na odvodenie batymetrických údajov zo snímok Sentinel-2 použijeme model založený na princípe, kde každý pás má inú úroveň absorpcie vody a táto úroveň diverzity teoreticky vytvorí pomer medzi pásmi. Praktická časť bude tiež diskutovať o použití rôznych spektrálnych pásiem a indexov v oceánskom diaľkovom prieskume Zeme.
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/)
