Квантитативно картографско моделирање земљишног покривача

Abstract

Изазови повезани са стањем животне средине и климатским променама значајно повећавају потребу различитих дисциплина за адекватним подацима и информацијама које имају просторну и временску димензију. Ове потребе се могу задовољити искључиво кроз програме оперативног мониторина земљишта који укључују картирање земљишног покривача. Оперативни систем за мониторинг земљишта захтева интегрисано коришћење прикупљених података, њихову ефикасну и континуирану трансформацију у корисне стандардизоване и правовремене информације, њихову асимилацију у моделе и њихово коришћење у проценама, креирању политике и системима за подршку одлучивању. Тренутно доминантна парадигма картирања земљишног покривача се заснива на системима квалитативне класификације при чему се простор дели у ентитете који се придужују класама из претходно установљеног система класификације. Основни проблем традиционалних методологија картирања земљишног покривача лежи у чињеници да су изведене информације, као производ класификације, подложне концептуализацији како креатора тако и корисника при чему се често ове концептуализације не поклапају. Хармонизације и стандардизације картирања земљишног покривача као покушаји да се дође до јединствене концептуалне равни не могу суштински да премосте овај проблем. Решење се може тражити у квантитативном моделирању земљишног покривача. Предмет истраживања ове дисертације представљају концепт, захтеви и могућности квантитативног картографског моделирања земљишног покривача у условима изражене потребе за одговарајућим, квалитетним и ажурним информацијама о животној средини и природним ресурсима. Како оптички сателитски сензори представљају основни извор података за генерисање информација о земљишном покривачу, истраживање је фокусирано на квалитет података сателитског осматрања Земље као и квалитет метода моделирања квантитативних параметара које служе за описивање карактеристика појава земљишног покривача. Као средства квантитативног описивања основних категорија земљишног покривача: вегетације, воде, земљишта и вештачких површина, анализирани су у пракси најчешће коришћени спектрални индекси и биофизички параметри. Спектрални индекси су погодни у квантитативном моделирању јер су директна функција сателитских података, али како они не представљају апсолутне биофизичке карактеристике појава, њихова интерпретација је често проблематична, посебно при описивању вегетације као најкомплексније категорије. Са друге стране, моделирање биофизичких параметара представља изазов. Једноставни емпиријски модели оцене биофизичких параметара из спектралних индекса оптерећени су значајном несигурношћу због чега нису погодни за оперативну употребу. Детерминистички (физички) модели оцене биофизичких параметара представљају добру теоријску основу за оперативно картирање, али је потребно познавање њихове несигурности. Посебан фокус је стављен на експериментално испитивање несигурности физички моделираних биофизичких параметара за описивање вегетације као најкомплексније категорије земљишног покривача и то у зависности од различитих извора несигурности...

Challenges related to environment and climate changes significantly increase demands of various disciplines for appropriate data and information that are spatial in nature. These needs can be fulfilled only through the programmes of operational land monitoring that include land cover mapping. An operational system for land monitoring requires integrated use of observations, their efficient and continual transformation into useful, standardized and timely information, their assimilation into models and their application in assessments, policy and decision making. The current dominant paradigm of land cover mapping is based on qualitative classification systems that separate the space into entities to which classes are then assigned. The major problem of the traditional land cover mapping methodologies lies in the fact that the extracted information, being products of classification, are subject to conceptualization of both the producers and the users. However, they do not often match. Initiatives for harmonization and standardization of land cover mapping are attempts to reach a common conceptual platform. Nevertheless, these solutions cannot essentially overcome the problem. The premise of this research is that the solution could be found in quantitative land cover modeling. The objective of the research is concept, requirements and possibilities of quantitative cartographic land cover modeling under conditions of increased demand for appropriate, quality and up-to-date information on the environment and natural resources. Since the optical satellite sensors are the primary data source for generating the land cover information, the research was focused on quality of both the Earth observation data and the methods of quantitative parameters modeling that serve for the description of land features’ characteristics. The most often used spectral indices and biophysical parameters that are considered instruments for quantitative description of basic land cover categories (vegetation, water, land and artificial surfaces) are analyzed. Spectral indices are suitable for quantitative modeling because they are direct function of satellite data. However, as they do not represent absolute biophysical characteristics of features, their interpretation is often problematic, especially in the case of describing vegetation as the most complex category. On the other hand, modeling of biophysical parameters is a challenge. Simple empirical models of biophysical parameters’ estimation from spectral indices are connected with significant uncertainty which makes them inappropriate for operational use. Deterministic (physical) models of biophysical parameters’ estimation are good theoretical basis for the operational mapping, but knowledge of the uncertainty is necessary. Special attention was paid to experimental assessment of uncertainty of physically modeled biophysical parameters of vegetation in terms of various uncertainty sources. The concept of operational quantitative land cover monitoring is also analyzed from the aspect of spectral and spatial heterogeneity of the Earth observation data. A system of organizing data and information by use of multiscale hierarchical reference grid is introduced with the grid structure adjusted to the major operational optical multispectral satellite sensors. Such a system enables the optimal use of available data and the possibility to apply object oriented analysis...