Klasifikace a hodnocení fyziologického stavu vegetace vybraných druhově heterogenních ekosystémů s využitím laboratorní a obrazové spektroskopie

• Název práce v češtině: Klasifikace a hodnocení fyziologického stavu vegetace vybraných druhově heterogenních ekosystémů s využitím laboratorní a obrazové spektroskopie
• Název v anglickém jazyce: Classification and physiological state evaluation of vegetation of selected species heterogenous ecosystems using laboratory and image spectroscopy
• Akademický rok vypsání: 2019/2020
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra aplikované geoinformatiky a kartografie (31-370)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Lucie Kupková, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 02.10.2019
• Datum zadání: 03.10.2019
• Datum potvrzení stud. oddělením: 03.10.2019
• Konzultanti: Mgr. Lucie Červená, Ph.D.

Předběžná náplň práce

Dizertační práce bude vycházet z bilaterálního ČR – USA projektu „Hodnocení funkce ekosystémů na základě sledování kvantitativních parametrů vegetace z dat dálkového průzkumu Země vysokého prostorového, spektrálního a časového rozlišení“. Zájmovými ekosystémy budou ekosystémy s druhově heterogenními společenstvy - reliktní tundra a smíšené lužní lesy.

Smíšený lužní les(druhově heterogenní společenstva dřevin) – konkrétně stanoviště Lanžhot. Druhově vysoce heterogenní plocha zachovalého lužního porostu poblíž soutoku řek Dyje a Morava na Česko-slovensko-rakouské hranici. Plocha se skládá z dospělých jedinců Topolu osiky, Vrby jívy, Břízy bělokoré, Olše lepkavé, Habru obecného a jiných listnatých dřevin lužního lesa. Plocha je charakteristická dynamických vývojem podrostu i listové plochy jednotlivých dřevin.

Reliktní tundra(druhově heterogenní (polo)přirozená společenstva bylin a dřevin) – konkrétně východní část krkonošské tundry (rozloha cca 22 ha), unikátní a stanovištně pestrý ekosystém charakterizovaný mozaikou zapojených subalpínských trávníků s dominantní smilkou tuhou, klečových porostů, subalpínských rašelinišť, vřesovišť, karových svahů a skal a dalších stanovišť krkonošské lišejníkové tundry nad horní hranicí lesa.

Projekt bude zaměřen na komplexní hodnocení sezónní dynamiky výskytu a fyziologického stavu (charakterizovaného obsahem a poměry fotosyntetických pigmentů) a funkcí vegetace v ekosystémech s různou druhovou heterogenitou rostlinných společenstev různých prostorových, časových rozlišení. Vybrané parametry vegetace získané v terénní a / nebo laboratorní analýze (optické vlastnosti listů, biochemické a strukturní parametry) budou použity pro trénink a validaci modelů odvozených z dat dálkového průzkumu. Cílem projektu je:

1) Klasifikace druhů v heterogenních ekosystémech na základě spektrálních dat
2) Modelování biochemických a strukturních parametrů vegetace
3) Analýza informační hodnoty časového, prostorového a spektrálního rozlišení s využitím různých dat dálkového průzkumu včetně hyperspektrálních dat získaných pomocí UAV

Pro řešení projektu budou využity časové řady multispektrálních (Sentinel 2A, B, PlanetScope, RapidEye, WorldView-3) a hyperpsketrálních dat (data nasnímaná z UAV pomocí hyperpsektrální kamery Headwall Nano-Hyperspce) a laboratorních spekter. Tato data budou kombinována s výstupy laboratorních analýz biochemických/biofyzikálních parametrů vegetace dodaných částí týmu z katedry experimentální biologie.

Záměrem je využít uvedené typy dat pro hodnocení funkce ekosystémů a pro spektrální odlišení (klasifikaci) vybraných druhů vegetace. Dosud byla pozornost věnována převážně homogenním společenstvům jako jsou například smrkové monokultury (Rautiainen et al. 2018, Kopačková et al. 2014, Mišurec et al. 2016). Dizertační práce se bude zabývat metodickými otázkami využití DPZ k hodnocení funkce ekosystémů s vyšší mírou heterogenity (druhové, prostorové, časové) do určité míry přirozených, jimž bylo dosud věnováno méně pozornosti (Bratsch et al. 2017, Lukeš et al. 2014, Červená et al. 2016). Posuny v časování vegetační sezony a klíčových fenologických událostí mohou výrazně ovlivnit stav i funkci jak relativně homogenních nepřirozených, tak heterogenních či přirozených porostů. Přičemž výzkum (polo)přirozených ekosystémů (reprezentovaných v našem projektu reliktní krkonošskou tundrou), které mohou být zvlášť citlivé na různé (i malé) změny (probíhající v současnosti na lokální i globální úrovni – např. znečištění, klimatická změna), je ohledem na jejich ochranu a unikátnost zvlášť důležitý. Správa krkonošského národního parku má velký zájem pro monitoring a ochranu tundry používat právě metody DPZ, které jsou pro tato cenná velkoplošná chráněná území vhodné. Vegetace tundry je také jedním z předmětů výzkumu US Partnera dr. Howarda E. Epsteina z University of Virginia (Buchhorn et al. 2013; Bratsch et al. 2016, 2017), s nímž bude v rámci dizertační práce rozvíjena spolupráce.

Seznam literatury:

Bratsch, S., Epstein, H., Buchhorn, M., Walker, D. & Landes, H. Relationships between hyperspectral
data and components of vegetation biomass in Low Arctic tundra communities at Ivotuk, Alaska.
Environmental Research Letters12, 025003 (2017).

Bratsch, S. N., Epstein, H. E., Buchhorn, M. & Walker, D. A. Differentiating among Four Arctic Tundra
Plant Communities at Ivotuk, Alaska Using Field Spectroscopy. Remote Sensing8, 51 (2016).

Buchhorn, M. et al. Ground-Based Hyperspectral Characterization of Alaska Tundra Vegetation along
Environmental Gradients. Remote Sensing5, 3971–4005 (2013).

Lukeš, P., Rautiainen, M., Manninen, T., Stenberg, P. & Mõttus, M. Geographical gradients in boreal forest albedo and structure in Finland. Remote Sensing of Environment152, 526–535 (2014).

Mišurec, J., Kopačková, V., Lhotáková, Z., Campbell, P. & Albrechtová, J. Detection of Spatio-Temporal
Changes of Norway Spruce Forest Stands in Ore Mountains Using Landsat Time Series and Airborne
Hyperspectral Imagery. Remote Sensing8, 92 (2016).


Kopačková, V., Mišurec, J., Lhotáková, Z., Oulehle, F. & Albrechtová, J. Using multi-date high spectral
resolution data to assess the physiological status of macroscopically undamaged foliage on a regional
scale. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation27, 169–186 (2014).

Rautiainen, M. et al. Spectral Properties of Coniferous Forests: A Review of In Situ and Laboratory
Measurements. Remote Sensing10, 207 (2018).