GIS v biologických oborech

Geografické informační systémy jsou často v kombinaci se systémem GPS a obecně geoinformačními technologiemi využívány v celé řadě technických i netechnických oborů. Čím dál větší použití můžeme v posledních letech sledovat i v biologických oborech. Zde se využívají např. pro monitoring pohybu zvířat (od klíšťat po šelmy) či mapování pozorovaných druhů. Posun lze sledovat i v řadách uživatelů. Nejedná se pouze o státní instituce a univerzitní pracoviště. GIS začínají využívat i neziskové organizace či jednotlivci. Na to reagují i výrobci softwaru a např. společnost ESRI poskytuje pro tyto účely neziskovým organizacím speciální zvýhodněnou licenci softwaru ArcGIS. Změny můžeme sledovat i v rozsahu využití technologií GIS a GPS. Zatímco před pár lety nejčastější úkon spočíval v prostém zaznamenání polohy sledovaného druhu do monochromatického přístroje GPS, dnes se běžně výsledky měření (a to často od řady různých uživatelů) ukládají a zpracovávají v GIS. Nad daty se provádějí analýzy, výsledky jsou dostupné formou tematických map či on-line pomocí mapového serveru a jsou uchovávány v prostorových geodatabázích.

Invazní neofyt křídlatka

Obr. 2 Ukázka obrazovky kapesního počítače se spuštěným softwarem ArcPAD u obce Raškovice. Červené polygony jsou plochy kolonizované křídlatkou.

V rámci tohoto příspěvku bych chtěl čtenáře seznámit s využitím GIS na příkladu mapování invazního neofytu křídlatka (Reynoutria spp.) (obr. 1). Původním areálem výskytu tohoto druhu je oblast jihovýchodní Asie. Rod křídlatka zahrnuje v České republice tři druhy a do českých zemí se dostal na konci 19. stol. jako okrasná rostlina. Postupně křídlatka pronikala ze zahrad a parků do volné přírody, kde se v domácích podmínkách vytvořil velmi odolný kříženec s názvem křídlatka česká. Křídlatka se velmi rychle šíří v krajině a v našich podmínkách nemá žádné biologické nepřátele. Rostlina je do značné míry rezistentní vůči likvidaci, a to jak mechanické, tak částečně i chemické. V krajině se šíří zejména liniově podél vodních toků či drátů vysokého napětí. K největším negativním projevům patří vytlačování původních druhů. Z porostů vznikají neprostupné bariéry, těžko překonatelné pro člověka i zvěř.

Povodí Morávky

Ukázkovým příkladem biologické invaze je povodí podbeskydského toku Morávky, na níž leží vodní dílo stejnojmenného názvu. Řeka Morávka je v rámci ČR unikátní svým větvením toku do četných vedlejších koryt, která jsou tvořena štěrkopískovými sedimenty a neustále se vyvíjí. Na tyto biotopy jsou vázány některé vzácné a silně ohrožené druhy fauny a flóry ČR a v povodí se nacházejí maloplošně i evropsky chráněná území. V roce 2007–2010 zde probíhal evropský projekt „Záchrana lužních stanovišť v povodí Morávky". Hlavním cílem projektu byla likvidace křídlatky v povodí, jejíž invaze zde dosáhla katastrofálních rozměrů.

Terénní GPS mapování

V návaznosti na tento projekt autor prováděl v roce 2007 a 2009 v povodí Morávky terénní GPS mapování. Cílem mapování byla lokalizace křídlatky a další monitoring vývoje tohoto druhu v rámci probíhající chemické likvidace. GPS mapování bylo provedeno na kompaktním polním počítači Topcon FC-100 v kombinaci s externím GPS modulem Navilock BT-338. Samotné měření spočívalo v „obcházení" porostů křídlatky, kdy aparatura kontinuálně zaznamenávala polohu mapujícího. Zmapované porosty byly uloženy jako polygon. V případě solitérního výskytu byla křídlatka zaznamenána jako bod a v GIS nahrazena obalovou zónou o výměře 50 m2. Ke každé zmapované ploše byl uložen údaj o její pokryvnosti (plocha listů na povrchu půdy v %), typu biotopu a další parametry. Tyto údaje byly dále využity v analýzách. Data získaná v terénu pomocí přístrojů PDA a GPS byla zaznamenána v softwaru ArcPad 7.1. na podkladě rastrové základní mapy 1 : 10 000 (obr. 2). Výsledky měření v datovém formátu shapefile byly z mobilního GIS importovány do desktopového prostředí ArcGIS, kde byly dále zpracovány a vizualizovány (obr. 3).

Výsledky

Mezi základními zjištěními byla informace o výměře křídlatky ve sledovaném území a její pokryvnosti. Studované území zahrnovalo nejvíce postižený úsek řečiště toku a jeho okolí mezi Frýdkem-Místkem a Žermanicemi o délce 12 km a rozloze 334,1 ha. Bylo zjištěno, že z celkové rozlohy mapovaného území činila rozloha křídlatky v roce 2007 celkem 29 % území a v roce 2009 díky probíhající likvidaci již 20 %. V nejhodnotnější části sledovaného území – v národní přírodní památce Skalická Morávka – činila výměra křídlatky v roce 2007 dokonce 54 % celkové rozlohy a v roce 2009 pak 40 %. Křídlatka vytvářela i souvislé porosty o výměře několika ha, přičemž průměrná rozloha jedné plochy činila 0,46 ha. Ještě v roce 2007 měla křídlatka nejčastější pokryvnost mapovaných ploch 51 % a více. V praxi to znamenalo pro člověka naprosto neprůchodné území. Díky chemické likvidaci tvořila nejčastější pokryvnost plochy v roce 2009 hodnotu do 10 %.

Obr. 3 Výskyt a pokryvnost křídlatky v roce 2007 v NPP Skalická Morávka (mezi obcemi Nošovice a Nižní Lhoty)

V případě, že při GPS měření ukládáme i další parametry, které nám blíže upřesňují kvalitu sledovaného jevu, a to třeba i slovně (v našem případě to byl typ biotopu, vitalita porostu, vizuální úspěšnost likvidace), můžeme s těmito daty dále statisticky pracovat. Získané atributové údaje byly analyzovány v programu SPSS pomocí chí-kvadrátu testu dobré shody a analýze rozptylu ANOVA. Ze statistických testů vyplynulo, že nejvyšší úspěšnost likvidace křídlatky je na suchých biotopech. Naopak nižší úspěšnost byla zaznamenána v biotopech vlhkých. To souviselo i s parametrem vitalita porostu, kde bylo dosaženo podobných zjištění. Dále byla potvrzena závislost mezi průměrnou rozlohou a vitalitou porostu. Čím větší byla rozloha porostu, tím vyšší byla jeho vitalita. Naopak se statisticky neprokázalo, že s klesající rozlohou porostu stoupá úspěšnost likvidace, i když v terénu tomu vše nasvědčovalo.

Jak dále?

Na již provedené mapování by mělo v příští vegetační sezóně navázat další GPS mapování. To by mělo umožnit zhodnotit účinnost a dopady likvidace křídlatky s odstupem času. I laik si dovede představit, že likvidace křídlatky spočívající především v aplikaci širokospektrálního herbicidu Roundup může negativně ovlivnit biotu. K tomu vše v blízkosti vodního toku a jeho řečišti. Již v průběhu GPS mapování a na něj navazujícího botanického výzkumu bylo patrné, že aplikovaný herbicid nepotlačuje pouze křídlatku, ale negativně působí i na původní druhy. Navíc křídlatka je schopna i přes opakovanou aplikaci herbicidu regenerovat. Další terénní mapování by tedy mělo ukázat, do jaké míry byla úspěšná likvidace křídlatky a na kolika procentech území křídlatka zůstala po skončení projektu.

Zhodnocení použitých metod a jejich další aplikace?

Jaké jsou hlavní výhody použitého řešení? Nejsilnější stránkou je asi jejich relativní jednoduchost. Musíme si uvědomit, že v případě uživatelů biologů se nejedná o žádné GIS specialisty, ale uživatele, kteří s geoinformačními technologiemi mají minimální zkušenosti a hlavní důraz kladou na funkčnost. Jako GPS aparaturu můžeme dnes využít téměř jakýkoliv „chytrý" telefon s mobilním operačním systémem a integrovaným GPS přijímačem. K tomu vhodnou aplikaci pro ukládání dat (např. použitý ArcPAD je vždy prvních 20 minut plně funkční) a čas nezbytný pro seznámení se s obsluhou zařízení. Tato sestava sice nebude příliš komfortní (nízká výdrž baterie a nižší přesnost měření), zato kompaktní a nenáročná finančně i uživatelsky. Nelze však očekávat „absolutní" přesnost měření. Přesnost měření se bude pohybovat v řádech metrů. Přírodovědec v terénu však ve většině případů nepožaduje submetrovou přesnost. Pokud ano, pak může využít pokročilých měření pomocí DGPS či RTK metod. To je však již případ, který je finančně i organizačně náročný. Každopádně je tato metoda přesnější než ruční zakreslování do Základní mapy ČR v měřítku 1: 10 000 nebo do leteckého snímku. Navíc uživatel terénním GPS mapováním získá řadu zajímavých atributů, které může využít při statistickém zpracování a dalším plánování. V případě našeho měření by to mohl být odhad objemu biomasy určené k chemickému ošetření, založený na základě naměřené rozlohy a pokryvnosti druhu.

Závěrem mohu konstatovat, že uvedené postupy můžeme aplikovat při mapování jakéhokoliv druhu. Častěji se však sledují naopak druhy ohrožené, ať již bodovou, či areálovou metodou. Setkáváme se také s přístupy, kdy uživatelé v rámci tzv. crowdsourcingu nahrávají svá pozorování do databází s určením místa pozorovaného druhu a ta jsou pak znázorněna jako čtverec v rastru překrývajícím ČR. V každém případě mají geoinformační technologie v oblasti biologických věd co nabídnout a můžeme očekávat další rozvoj i v tomto oboru.