Výzkumný tým laboratorní a obrazové spektroskopie

Web týmu Laboratorní a obrazové spektroskopie:

http://tilspec.cz

Obrazová a laboratorní spektroskopie patří mezi moderní metody dálkového průzkumu Země (DPZ) umožňující získávání nejen kvalitativních, ale i kvantitativních informací o sledovaném jevu. Aplikace spektroskopických metod v přírodních vědách jsou široké, zahrnují geografické, biologické, geologické či environmentální disciplíny. Náš tým působí na katedře aplikované geoinformatiky a kartografie PřF UK od roku 2012. Úzce spolupracujeme s kolegyněmi z katedry experimentální biologie rostlin PřF UK.

Řešená témata a projekty / Projects

Projekt MŠMT INTER-EXCELLENCE / Inter-action č. LTAUSA18154: Hodnocení funkce ekosystémů na základě sledování kvantitativních parametrů vegetace z dat dálkového průzkumu Země vysokého prostorového, spektrálního a časového rozlišení / Assessment of ecosystem function based on Earth observation of vegetation quantitative parameters retrieved from data with high spatial, spectral and temporal resolution (2019-2022)

Projekt GAUK 938214: Využití dálkového průzkumu Země pro klasifikaci vegetace nad horní hranicí lesa v Krkonošském národním parku / Remote sensing for classification of vegetation above tree-line in the Krkonoše Mts. National Park (2014-2016)

Projekt LH-KONTAKT II MŠMT č. LH12097: INMON – Inovace metod monitoringu zdravotního stavu porostů smrku ztepilého v Krušných horách s použitím hyperspektrálních dat (2012-2016)

Projekt EUFAR FP7 – N2TAC: HyMountEcos – Hyperspectral Remote Sensing for Mountain Ecosystems

Projekt GAČR 205/09/1989: Assessment of Mining Related Impacts Based on Utilization of ARES Airborne Hyperspectral Sensor

Laboratoř pro zpracování hyperspektrálních dat (FRVŠ 861/2012/A/a)

Výzkumný tým je mezioborový - tvoří ho členové katedry Aplikované geoinformatiky a kartografie (KAGIK) a Katedry experimentální biologie rostlin (KEBR) / The research team is interdisciplinar - composed by members of the Dpt. of Applied Geoinformatics and Cartography and the Dpt. of Experimantal Plant Biology

Členové týmu / Members of the team

RNDr. Lucie Kupková, Ph.D. (vedoucí týmu KAGIK / leader of Geoinformatics team)

Prof. RNDr. Jana Albrechtová, Ph.D. (vedoucí týmu KEBR / leader of Experimental Plant Biology team)

Mgr. Lucie Červená, Ph.D.

Ing. Markéta Potůčková, Ph.D.

RNDr. Jakub Lysák, Ph.D.

Mgr. Markéta Roubalová

Mgr. Zuzana Lhotáková, Ph.D.

Vybrané publikace / Selected publications

Kupková, L., Červená, L., Suchá, R., Zagajewski, B., Březina, S., Albrechtová, J. (2017): Classification of Tundra Vegetation in the Krkonoše Mts. National Park Using APEX, AISA Dual and Sentinel-2A Data. European Journal of Remote Sensing. 50:1, p. 29-46. IF = 1.173 http://dx.doi.org/10.1080/22797254.2017.1274573

Potůčková, M., Červená, L., Kupková, L., Lhotáková, Z., Lukeš, P., Hanuš, J., Novotný, J., Albrechtová, J. (2016): Comparison of Reflectance Measurements Acquired with a Contact Probe and an Integration Sphere: Implications for the Spectral Properties of Vegetation at a Leaf Level. Sensors, 16, 1801. IF = 2.033 http://www.mdpi.com/1424-8220/16/11/1801

Potůčková, M., Červená, L., Kupková, L., Lhotáková, Z., Albrechtová, J. (2016): Statistical comparison of spectral and biochemical measurements on an example of Norway spruce stands in the Ore Mountains, Czech Republic. Geoinformatics FCE CTU, 15, p. 69–83, DOI: http://dx.doi.org/10.14311/gi.15.1.6

Červená, L., Kupková, L., Suchá, R. (2016): Field spectroscopy for vegetation evaluation along the nutrient and elevation gradient above the tree line in the Krkonoše Mountains National Park. Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., XLI-B6, p. 211–214. SCOPUS http://dx.doi.org/10.5194/isprs-archives-XLI-B6-211-2016. SCOPUS

Suchá, R., Jakešová, L., Kupková, L., Červená, L. (2016): Classification of vegetation above the treeline in the Krkonoše Mts. National Park using remote sensing multispectral data. AUC GEOGRAPHICA, 51, 1, p. 113–129. SCOPUS http://dx.doi.org/10.14712/23361980.2016.10

Jebavá, L., Lysák, J., Kupková, L., (2015): Mapování agrárních forem reliéfu v Krkonoších z dat leteckého laserového skenování. Opera Concortica, 52, s. 61-72 http://opera.krnap.cz/apex/f?p=103:8:NO:8:P8_ROCNIK_ID,P8_CLANEK_ID,P8_CP:52,4,12

Marcinkowska, A., Zagajewski, B., Ochtyra, A., Jarocińska, A., Raczko, E., Kupková, L., Štych, P., Meuleman, K. (2014): Mapping vegetation communities of the Karkonosze National Park using APEX hyperspectral data and Support Vector Machines. In: Miscellanea Geographica - Regional studies on development, 2014, 18(2), 23-29. ISSN 2084-6118. DOI 10.2478/mgrsd-2014-0007. SCOPUS

Jelének, J., Kupková, L., Zagajewski, B., Březina, S., Ochytra, A., Marcinkowska, A. (2014): Laboratory and image spectroscopy for evaluating the biophysical state of meadow vegetation in the Krkonoše National Park. In: Miscellanea Geographica - Regional studies on development, 2014, 18(2), 15-22. ISSN 0867-6046. DOI 10.2478/mgrsd-2014-0014. SCOPUS

Lhotáková, Z., Brodský, L., Kupková, L., Kopačková, V., Potůčková, M., Mišurec, J., Klement, A., Kovářová, M., Alebrechtová, J. (2013): Detection of multiple stresses in Scots pine growing at post-mining sites using visible to near-infrared spectroscopy. Environ. Sci.: Processes Impacts, 2013, 15, 2004-2015. DOI: 10.1039/C3EM00388D. WOS

Mezinárodní spolupráce / International collaboration

University of Warsaw, Dpt. of geoinformatics, cartography and remote sensing – team of doc. Bogdan Zagajewski

NASA, Joint Center for Earth Systems Technology (JCET) , University of Maryland Baltimore County (UMBC) University of Maryland – Dr. Petya K. E. Campbell

University of Virginia (USA), Department of Environmental Sciences - prof. Howard E. Epstein

SCERIN - an informal network of scientists and other professionals based in the region or with scientific interests in the region of South Eastern and Central Europe. regional networks of the GOFC-GOLD panel. GOFC-GOLD (Global Observation of Forest and Land Cover Dynamics) is a panel of GTOS. GTOS (Global Terrestrial Observing System) is a programme for observations, modelling, and analysis of terrestrial ecosystems to support sustainable development. http://csebr.cz/scerin2017/about.html

Humboldt University Berlín, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Geography dpt. – tým prof. Patricka Hosterta

Vybavení laboratoře / Equipment

• UAV – DJI M600 Pro

• Hyperspectral camera Headwall NANO Hyperspec for UAV

Zpráva z testování dat kamery Headwall Nano Hyperspec

• Laser scanner RIEGL MiniVUX - 1UAV

• 25 licencí software ENVI pro zpracování obrazových dat včetně modulu pro atmosférickou korekci

Profesionální software obsahující funkce pro načtení, předzpracování a analýzu širokého spektra obrazových dat DPZ. Je vhodný pro zpracování hyperspektrálních dat, umožňuje práci se spektrálními knihovnami. Dále je možné propojení se SW ArcGIS využívaným na PřF UK. Modul SW ENVI umožňuje provést atmosférickou korekci snímků pomocí několika algoritmů včetně QUAC a FLAASH, které jsou využitelné jak pro multispektrální, tak pro hyperspektrální družicová data. Atmosférická korekce je z teoretického hlediska náročnější téma, nicméně její správné provedení je nezbytné pro korektní klasifikaci družicových snímků.

• Mobilní Spektroradiometr ASD FieldSpec 4 Wide-Res

Ruční spektroradiometr s rozsahem 350-2500 nm vhodným pro aplikace v oblasti fyziologie rostlin, zemědělství a lesnictví. Jeho hlavní využití ve výuce je pro demonstraci odrazových vlastností vegetace v závislosti na její fenologické fázi a zatížení okolním prostředím, studium spektrální charakteristiky půdy, minerálů, hornin a dalších materiálů, dále pro vytváření spektrálních knihoven, verifikaci výsledků zpracování leteckých či družicových hyperspektrálních dat. Oproti jiným přístrojům téže třídy se ASD FieldSpec 4 Wide-Res vyznačuje nižší hladinou šumu, je možné jej upgradovat na verzi s vyšším spektrálním rozlišením.

• Integrační sféra RTS-3ZC pro měření spektrální odrazivosti a propustnosti

Integrační sféra umožňuje měřit intenzitu záření odraženého nebo propuštěného daným vzorkem za účelem zjištění jeho spektrální odrazivosti a propustnosti. Bodový zdroj záření aproximuje intenzitu slunečního záření na zemském povrchu. Integrační sféra je kompatibilní se spektroradiometrem ASD FieldSpec 4 Wide-Res, s nímž je propojena optickým kabelem. Je vhodná pro aplikace v oblasti fyziologie rostlin pro určení odrazivosti a propustnosti listoví.

• Přístroj na měření listové plochy LAI-2200C Plant Canopy Analyzer

Přístroj umožňuje nedestruktivní měření listové plochy vegetace (LAI - leaf area index). Pracuje na principu panoramatické čočky s rozsahem 180°. Princip sběru dat spočívá v opakovaném měření množství přicházejícího světla do čočky nad měřeným listovým povrchem a pod měřeným listovým povrchem (nejlépe u země).

• Přístroj na měření fotosynteticky aktivní radiace LP-80 AccuPAR Ceptometer fAPAR (fraction of absorbed photosythetically active radiation)

Přístroj je vybaven senzory citlivými na dopadající záření důležité pro fotosyntézu. Princip měření spočívá v naměření hodnot dopadajícího záření na vrchní plochu koruny/vegetace, dále pak záření procházející skrz vegetaci až na zemský povrch, záření odrážející se od listového povrchu zpět do atmosféry a na závěr záření odrážející se od půdy. Z těchto hodnot lze vypočítat frakci fotosynteticky aktivní radiace (fAPAR), která představuje velikost podílu dopadajícího slunečního záření, které je absorbováno listy v oblasti vlnových délek 400 – 700 nm (Fensholt et al., 2004). Tato veličina je tak přímo spojena s primární produkcí rostliny pomocí fotosyntézy. Díky tomu lze fAPAR přímo vztáhnout k odhadu vázání CO₂ v listech rostlin, dále lze pomocí fAPAR stanovit aktuální vegetační stádium rostliny. Důležitost této veličiny dokládá její zařazení mezi 13 nejdůležitějších veličin týkajících se podnebí, důležitých pro charakteristiku stavu podnebí, sestavených OSN.

• Přístroj na měření obsahu chlorofylu - Chlorofylmetr CCM300

Přístroj umožňuje rychlé měření obsahu chlorofylu v rostlinách v terénu. Pracuje na principu fluorescence, pro měření využívá vlnové délky 735 a 700 nm a počítá jejich poměr (F₇₃₅/F₇₀₀) označovaný jako CFR (Chlorophyll Fluorescence Ratio). Umožňuje i přímý přepočet na obsah chlorofylu v mg/m².

• Gazometrický přístroj - an open gas exchange system with IR detection LI-6400XTP firmy LI-COR

A fully portable open gasometric system, which enables to measure photosynthetic performance (changes in CO₂ a H₂O concentration based on IR detection) and further calculation of assimilation and transpiration rate, intercellular CO₂ concentration and stomatal conductance in field and laboratory conditions. The gas analyser allows to control and keep constant environmental conditions (CO₂ concentration, H₂O concentration, leaf temperature and irradiance) during the measurement. The system includes the LED R/B light source controlled by the system software.

Výuka/ Lectures

• Dálkový průzkum Země / Remote sensing (Z350P35)

• Zpracování hyperspektrálních dat / Hyperspectral data analysis (MZ370P36)

• Získávání informace z dat DPZ / Remote sensing information acquisition (Z370P08)

• Aplikace geoinformatiky / Applied geoinformatics (Z370P14)

• Environmentální informatika / Environmental informatics (MO550P83

• Aplikace DPZ (MO550P78)/ Applications of remote sensing

• Geoinformační metody pro studium životního prostředí / Geoinformatics methods for environmental studies (MO550P59)

• Úvod do environmentální informatiky / Environmental informatics - Introduction (MO550P66)

Diplomové práce / Master theses

• Vytvoření algoritmu klasifikace vybraných bylinných společenstev v Krkonošském národním parku s využitím leteckých hyperspektrálních dat (Jan Jelének) / Development of selected invasive species and meadow vegetation classification algorithm in the Krkonoše Mountains using hyperspectral data

• Využití hyperspektrálních dat k detekci a klasifikaci antropogenních materiálů v Krkonošském národním parku (Kateřina Novotná) / Use of hyperspectral data for detection and classification of selected anthropogenic materials

• Mapování vybraných druhů hornin vrcholových partií Krkonoš s využitím laboratorní a obrazové spektroskopie (Jana Kubečková) / Laboratory and image spectroscopy for mapping of selected rocks in peak areas of the Krkonoše Mountains

• Hodnocení fyziologického stavu porostů smrku ztepilého (Picea abies) v Krkonoších na základě obsahu ligninu s využitím leteckých hyperspektrálních dat (Renáta Suchá) / Assessment of lignin content in needles of Norway Spruce (Picea abies L. Karst.) using laboratory and image spectroscopy

• Mapování horských ekosystémů Krkonoš s využitím leteckých hyperspektrálních dat (Roman Dorič) / Possibilities of object based image analysis for monitoring of meadow vegetation and management in the Krkonoše Mountains National Park

• Využití hyperspektrálních dat ke klasifikace horských ekosystémů Krkonoš se zaměřením na vybrané biotopy alpinského bezlesí (Martina Andrštová) / Hyperspectral data for classification of alpine treeless vegetation in the Krkonoše Mts.

• Možnosti využití DPZ při monitoringu luční vegetace a managementových zásahů v Krkonoších (Michaela Pomahačová) / Possibilities of remote sensing in grassland vegetation and management interventions monitoring in the Giant Mountains

• Využití dat DPZ pro hodnocení aktuálního stavu a vývoje smrkových porostů v Krkonoších (Romana Musilová) / Remote sensing for evalution of state and development of Spruce stands condition in the Giant Mountains

• Classification of meadow vegetation in the Krkonoše Mts. using aerial hyperspectral data and support vector machines classifier (Lucie Hromádková) / Classification of meadow vegetation in the Krkonoše Mts. using aerial hyperspectral data and support vector machines classifier

• Spektroskopické a štatistické metódy pre detailné mapovanie vegetácie v Krkonošskom národnom parku (Miroslav Minářčik) / Spectroscopic and statistical methods for the detailed mapping of the vegetation in the Krkonoše Mts. national Park

• Optimalizace tvorby trénovacího a validačního datasetu pro zvýšení přesnosti klasifikace v DPZ (Barbora Chytilová) / Training and validation dataset optimization for Earth observation classification accuracy improvement

• Potenciál snímků Sentinel 2-A pro aktualizaci LPIS (Tomáš Kuthan) / Abilities of Sentinel 2-A imagery for LPIS updating

• Vliv spektrálního rozlišení na klasifikaci krajinného pokryvu v krkonošské tundře (Miroslava Palúchová) / The influence of spectral resolution on land cover classification in Krkonoše Mts. tundra

Bakalářské práce / Bachelor theses

• Hodnocení změn krajiny v Krkonošském národním parku s využitím dálkového průzkumu Země a krajinných metrik (Matouš Karvánek) / Evaluation of landscape changes in the Krkonoše Mountains national park using remote sensing and landscape metrics

• Hodnocení suburbanizace v zázemí Prahy - vliv na využití, stabilitu a strukturu krajiny. (Jana Kubečková) / Evaluation of suburbanization in Prague's hinterland - influence on landuse, landscape stability and structure.

• Možnosti objektově-orientované klasifikace pro určování vybraných biotopů nad horní hranicí lesa v Krkonošském národním parku (Lucie Jakešová) / Possibilities of object-based classification for selected biotopes above tree-line in the Krkonoše Mts. National Park detection

• Porovnání mapování NATURA 2000 s výstupy mapování pomocí dálkového průzkumu Země na příkladu krkonošské tundry (Kateřina Ondrušková) / Comparison of NATURA 2000 mapping with Earth Observation mapping (Case study of tundra in the Krkonoše Mts.)

• Klasifikácia krajinného pokryvu horských ekosystémov s využitím obrazových dát rôzneho priestorového a spektrálneho rozlíšenia (Miroslav Minárčik) / and-Cover classification of mountain ecosystem using image data with different spatial and spectral resolution

• Změny krajinného pokryvu nad horní hranicí lesa v Krkonošském národním parku na základě Landsat dat (Linda Vyvialová) / Changes of land cover above the tree line in Krkonoše National Park based on Landsat data

• Klasifikace vybraných vegetačních kategorí land cover v krkonošské tundře z dat Sentinel-2A s využitím časové řady dat (Markéta Roubalová) / Classification of selected vegetation land cover categories in the Krkonoše Mts. tundra from Sentinel-2A imagery using multi-temporal data

• Určování obsahu chlorofylu ve vybraných travinách krkonošské tundry (Gabriela Pinlová) / Determination of chlorophyll content in selected grass species of Krkonoše Mts. tundra

Dizertační práce / PhD theses

• Vliv atmosférické a topografické korekce na přesnost odhadu množství chlorofylu ve smrkových lesních porostech (Jan Mišurec)/ Influence of atmospheric and topographic correction on the accuracy of canopy chlorophyll content estimation of Norway spruce stands (rigorózní práce / doctoral thesis)

• Využití obrazové spektroskopie pro monitoring zátěže vegetace polutanty obsaženými v půdním substrátu Sokolovské hnědouhelné pánve (Jan Mišurec) / Application of imaging spectroscopy in monitoring of vegetation stress caused by soil pollutants in the Sokolov lignite basin (dizertační práce / PhD thesis)

• Využití laboratorní/terénní spektroskopie a obrazových dat dálkového průzkumu Země pro studium vegetace (Lucie Červená) / Laboratory/Field Spectroscopy and Remote Sensing Image Data for Vegetation Studies