Globální mapa osídlení

Znalost hustoty osídlení je zásadní pro efektivní organizaci humanitárních operací.

V případě velké katastrofy v odlehlých částech světa je znalost, zda a jak hustě je postižená plocha obydlená, zásadní pro efektivní organizaci humanitárních operací. Ještě před sto lety byla světové populace nižší než 2 miliardy lidí. Dnes se současná světová populace blíží 7 miliardám a do roku 2030 se očekává, že dosáhne 10 miliard. Předpokládá se, že zhruba kolem roku 2050 bude až 70% světové populace soustředěno ve městech a že k největšímu růstu měst dojde v méně rozvinutých zemích. Kromě toho se očekává, že vysoký podíl tohoto růstu měst bude v oblastech ohrožených zvýšenou frekvencí a intenzitou katastrof a to nejen přírodních, ale i člověkem způsobených. Jeden z největších problémů v případě katastrofy v méně rozvinutých oblastech světa je nedostatek relevantních a aktuálních informací, které by umožnily, zejména v obydlených oblastech, rychle odhadnout rozsah a druh vzniklých škod a ztrát.

Jako první by měla informace o osídlení v celosvětovém měřítku již brzy poskytovat globální mapová vrstva lidkého osídlení (The Global Human Settlements Layer – GHSL) vyvíjená Společným výzkumným střediskem Evropské komise (European Commission’s Joint Research Centre – JRC).

Společné výzkumné středisko JRC ve spolupráci s Evropskou kosmickou agenturou (European Space Agency – ESA) vytvořilo první ukázku této mapové vrstvy za použití radarových dat z evropské družice Envisat zpracovaných pokročilými automatickými rozpoznávacími algoritmy. První zkušební výsledky vytvořené pomocí automatického inferenčního (deduktivního) systému navrženého a vyvinutého střediskem JRC už pokrývají značnou část afrického kontinentu a prokazují, že kombinace použití snímků středního rozlišení a pokročilých algoritmů pro jejich zpracování umožňuje rychlé a přesné mapování zastavěných ploch kdekoliv v na světě.

Obr.: Ukázka mapové vrstvy GHSL vytvořené na základě dat Envisat ASAR pro okolí nigerijského města Lagos. Zdroj: JRC, © JRC

Inferenční systém úspěšně klasifikoval asi 4 miliardy obrazových prvků na 270 radarových družicových scénách pořízených radarovým senzorem ASAR na družici Envisat Evropské kosmické agentury. Výsledky potvrzují významné zlepšení těchto dat zpracovaných automatickými metodami do mapové vrstvy s rozlišením 75 metrů oproti dosud dostupným datům, která byla vytvořena z dat senzoru MODIS, pracujícího na palubě americké družice Terra a poskytujícího data v rozlišení 500 metrů a z dat meteorologických družic o rozlišení 3 km.

Radarová data, která zde byla úspěšně použita k vytvoření první části této globální mapové vrstvy, bývají často zbytečně podceňována. Přestože jde o velmi specifický druh dat, mohou být radarová data někdy mnohem užitečnější než data optická. Hlavní výhodou z hlediska náhlých krizových situací je možnost pořizovat radarová data i za špatného počasí a to nejen ve dne, ale i v noci. Zejména v případě povodní, kdy bývá nad postiženou oblastí hustá oblačnost, je to výhoda zcela zásadní. Základní čitelnost radarových dat nebývá obtížná ani pro laického uživatele. Různé objekty na zemském povrchu totiž odráží radarové paprsky různým způsobem.

Obr. Základní druhy odrazu radarových paprsků od objektů na zemském povrchu. Od zrcadlových odražečů (typicky vodní plochy) se zpět k radaru nevrací téměř žádný signál a jsou proto velmi tmavé, od koutových odražečů (typicky stavby) se většina radarového signálu odráží zpět k radaru a tato místa jsou proto na výsledném radarovém obrazu velmi světlá. Difuzní odražeče (např. vegetace) rozptylují signál do všech směrů a k radaru se vrací pouze větší či menší část signálu. Podle toho, jaký druh odrazu od každého konkrétního objektu převažuje, se pak na výsledném radarovém obraze jeví v různých odstínech šedi.

Obr. Ukázka skutečných radarových dat. Vodní plochy jsou velmi tmavé, zastavěné oblasti velmi světlé, ostatní plochy v různých odstínech šedi. Oblačnost, protože je pro radar neviditelná, není žádný problém. Zdroj: ESA, © ESA

Vzhledem k tomu, že jsou budovy na radarových snímcích jasně rozpoznatelné jako nápadně světlé objekty, je použití radarových dat pro globální mapování zastavěných oblastí zcela pochopitelné. Tato mapa osídlení má výsledné rozlišení 75 metrů, nejpodrobnější data z Envisat ASAR mají rozlišení 30 metrů. Pro aplikace, které by vyžadovaly lepší rozlišení, jsou již v provozu družice, které pořizují radarová data i s rozlišením 1 metr (přehled radarových družicových dat a jejich rozlišení je na našich stránkách zde ).

Pro vytvoření globální mapové vrstvy lidkého osídlení (GHSL) je kromě radarových dat testováno i automatické vyhodnocení optických dat, konkrétně dat velmi vysokého rozlišení z družic Ikonos a QuickBird, které bylo testováno pro 54 velkých měst. Koncept GHSL od počátku počítá s tím, že všechny postupy a algoritmy mají být navrženy tak, aby umožňovaly konzistentní doplňování a zpřesňování radarovými i optickými daty vysokého a velmi vysokého rozlišení z nejrůznějších současných i budoucích družic.

Koncepčně se má vrstva GHSL významně lišit od podobných mapových vrstev krajinného krytu a využití krajiny (land cover, land use). Globální mapová vrstva lidkého osídlení GHSL má především umožnit velmi rychlou analýzu škod a tím zefektivnit průběh záchranných a humanitárních operací. Tato mapová vrstva má poskytnout údaj o přibližném počtu budov v oblasti a protože budovy jsou spolehlivým indikátorem přítomnosti člověka, má tento údaj sloužit zároveň pro odhad počtu obyvatel v zasaženém místě. Tento populační údaj, který o odlehlých územích jinak nebývá dostatečně přesně znám, pak umožní správně odhadnout rozsah potřebné pomoci v postižených oblastech a správně ji nasměrovat do nejosídlenějších míst. Z lepšího a globálně konzistentního popisu lidských sídel v této mapové vrstvě by měly těžit všechny stupně krizového řízení, včetně odhadu škod, obnovy, rekonstrukce a plánování. Z těchto důvodů je zde lidské osídlení chápáno tak, aby mohlo co nejlépe sloužit pro odhad po počtu obyvatel a majetku a mohlo zajistit kvantitativní podklady i pro cvičná modelování rizik a následků. Nová mapová vrstva GHSL má obsahovat menší míru abstrakce, než podobné mapové vrstvy. Kromě toho má tento koncept za cíl podporovat širší, otevřenější a dynamické pojetí chápaní lidských sídel včetně zahrnutí neformálních, chudých a dočasných sídel (jako např. uprchlické tábory apod.), které bývají v podobných momentálně dostupných informačních vrstvách zachyceny velmi nedostatečně.

Kombinace použití družicových dat s lepším prostorovým rozlišením a jejich vyhodnocení pomocí automatických rozpoznávacích algoritmů vedou k tomu, že v současnosti lze zpracovávat velké množství dat efektivněji a rychleji než kdykoliv předtím. Tím také vzniká možnost pravidelného sledování změn ve struktuře lidkého osídlení krajiny kdekoliv ve světe. Tento pokrok znamená, že je možné studovat charakteristiky globálního lidského osídlení Země mnohem detailněji, než jak se o to mohly pokusit předchozí analýzy.

Po několikaletém výzkumu věnovanému tomu, jak nejlépe globálně konzistentně detekovat a charakterizovat zastavěné oblasti z dálkově snímaných dat, začalo v roce 2010 Společné výzkumného středisko Evropské komise (JRC) realizovat koncept této globální vrstvy lidkého osídlení. Současné ambiciózní plány jsou takové, že již během roku 2011 by měl být zpracován zbytek zemské souše za pomoci dostupné kapacity evropských radarových družic. Tím by měla být vytvořena svého druhu zcela první globální mapová vrstva lidského osídlení.