Hodnocení fyziologického stavu porostů smrku ztepilého (Picea abies) v Krkonoších na základě obsahu chlorofylu s využitím spektroskopických metod

• Název práce v češtině: Hodnocení fyziologického stavu porostů smrku ztepilého (Picea abies) v Krkonoších na základě obsahu chlorofylu s využitím spektroskopických metod
• Akademický rok vypsání: 2011/2012
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra aplikované geoinformatiky a kartografie (31-370)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Lucie Kupková, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 19.12.2012
• Datum zadání: 19.12.2012

Předběžná náplň práce

Určování zdravotního stavu vegetace z hyperspektrálních leteckých snímků má velký význam pro lesní hospodářství a v současné době je velmi diskutovaným tématem. V Krkonoších nebylo dosud z důvodu nedostupnosti hyperspektrálních leteckých dat vůbec využito. Jedním ze spolehlivých indikátorů fyziologického („zdravotního“) stavu vegetace je koncentrace chlorofylu v listech respektive v jehličí. Obrazová spektrometrie umožňuje určení různých biochemických, biofyzikálních a strukturálních vlastností sledovaného porostu. Cílem diplomové práce bude hodnocení zdravotního stavu porostů smrku ztepilého v Krkonošském národním parku s využitím laboratorní analýzy obsahu chlorofylu (a, b) v jehlicích, laboratorního měření spekter jehlic a hyperspektrálních dat senzoru APEX. Práce bude řešena jako součást projektu EUFAR Transnational Access projectHyMountEcos (Hyperspectral Remote Sensing for Mountain Ecosystems).

V červnu 2012 proběhl odběr vzorků jehlic smrku ztepilého v rámci terénní kampaně. Následně byla v září 2012 nasnímána data z oblasti Krkonoš hyperspektrálním senzorem APEX. Prostorové rozlišení senzoru APEX je 2 m x 2 m, v datech tedy rozpoznáme koruny jednotlivých stromů. Ve vzorcích jehlic odebraných při terénní kampani bude laboratorně stanoven obsah chlorofylu, pro stejné vzorky byla laboratorně změřena spektra jednak pomocí kontaktní sondy a jednak s využitím integrační sféry (měření spektroradiometrem ASD FieldSpec 4 WRS).Hlavním cílem diplomové práce je nalezení závislosti mezi laboratorně stanoveným obsahem chlorofylu a jeho spektrálními projevem. Vedle spektrálních indexů budou k tomuto využity také další metody, zejména modely radiační transferu, případně další (např. metoda PLSR). Dalším cílem je porovnat výsledky získané využitím spekter měřených kontaktní sondou a integrační sférou. Práce bude také hledat závislost množství chlorofylu ve smrkových porostech na podmínkách prostředí.

Dílčí kroky řešení:

1. V rešeršní části je řešena stěžejní problematika určování množství chlorofylu ve zvoleném druhu tedy ve smrku ztepilém (Picea abies), který je v současné literatuře velmi často zmiňován.
2. Terénní podpůrná kampaň v Krkonoších (sběr vzorků jehlic v terénu a měření vzorků kontaktní sondou). Měření spekter integrační sférou v laboratoři (analýza vzorků získaných v terénu).
3. Vypracování podrobného návodu na měření v integrační sféře a integrační sondě. Vytvoření skriptu pro výpočet plochy jehlic ze vzniklých naskenovaných obrázků v software MATLAB (automatizace – zrychlení procesu).
4. Biochemické laboratorní stanovení obsahu chlorofylu na Katedře experimentální biologie rostlin PřF UK.
5. Hledání závislosti mezi laboratorně stanoveným obsahem chlorofylu a jeho spektrálním projevem a verifikace výsledků.
6. Vytvoření map obsahu chlorofylu ve sledovaných smrkových porostech s využitím leteckých hyperspektrálních dat.
7. Analýza závislosti obsahu chlorofylu ve smrkových porostech na podmínkách prostředí (půdní charakteristiky, nadmořská výška, expozice apod.) a vlivu těchto faktorů na spektrální projev jehlic smrku ztepilého.

Rozsah grafických prací: Výstupem práce budou mapy obsahu chlorofylu v porostech smrku ztepilého v zájmovém území.

Rozsah průvodní zprávy: cca 60-70 stran

Seznam odborné literatury:
ALBRECHTOVÁ, J., Rock BN, Soukupová J, Entcheva P, Šolcová B, Polák T. 2001. Biochemical, histochemical, structural and reflectancemarkersofdamage in Norwaysprucefrom Krušné hory Mts. Usedforinterpretationofremotesensing data. JournalofForest Science 47, 26-33.
BLACKBURN, G. A., 1999: Relationshipsbetweenspectralreflectance and pigment concentrations in stacksofdeciduousbroadleaves. RemoteSensingofEnvironment, 70, 224–237.
HUANG, Jianrong. Hyperspectral detectionofricedamaged by riceleaffolder (Cnaphalocrocismedinalis). Computers and electronics in agriculture. 2012, roč. 82, s. 100-107. ISSN 01681699.
HUBER, S., Kneubuhler M, Psomas A, Itten K, Zimmermann NE. 2008. Estimatingfoliarbiochemistryfrom hyperspectral data in mixedforestcanopy. ForestEcology and Management 256, 491-501.
MALENOVSKY, Zbynek. Scalingdimensions in spectroscopyofsoil and vegetation. International journalofappliedearthobservation and geoinformation. 2007, roč. 9, č. 2, s. 137-164. ISSN 03032434.
MALENOVSKÝ, Z., 2006: QuantitativeremotesensingofNorwayspruce (Picea abies (L.)Karst.): Spectroscopyfromneedles to crowns to canopies. PhD Thesis, Wageningen University, Wageningen, TheNetherlands, p.141. ISBN 90-8504-503-7.
MIŠUREC, J., 2010: Určování obsahu chlorofylu z hyperspektrálních obrazových dat, diplomová práce. Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědevcá fakulta, katedra aplikované geoinformatiky a kartografie. 2010, 82s.
MOORTHY, I., Miller JR, Noland TL. 2008. Estimatingchlorophyllconcentration in coniferneedleswith hyperspectral data: Anassessmentattheneedle and canopylevel. RemoteSensingofEnvironment 112, 2824-2838.
SCHLERF, M. 2006: Retrievalofchlorophyll and nitrogen in Norwayspruce (Piceaabies L. Karst.) usingimagingspectroscopy. International journalofappliedearthobservation and geoinformation. 2010, roč. 12, č. 1, s. 17-26. ISSN 03032434.SMITH, R. B., 2006: Introduction to Hyperspectral ImagingwithTNTmips, MicroImages, [online]. 2006. 24 s. [cit. 2012-05-25]. Dostupné z:<http://www.microimages.com/getstart/pdf/hyprspec.pdf>
USTIN, S., 2009: Retrievaloffoliarinformationabout plant pigment systemsfromhighresolutionspectroscopy, RemoteSensingofEnvironment, ELSEVIER RemoteSensingofEnvironment 113 (2009) S67–S77.
ZACHOVÁ, K., 2010: Určení množství chlorofylu v porostech břízy bradavičnaté a borovice lesní s využitím hyperspektrálních dat, diplomová práce. Univerzita Karlova v Praze, Přírodovědevcá fakulta, katedra aplikované geoinformatiky a kartografie. 2010, 76s.

Termín odevzdání diplomové práce: srpen 2013