Menetelmä lumen peittämän alan mannertenlaajuiseen kartoitukseen optisilta satelliittikuvilta

Sari Metsämäki

    Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

    Abstrakti

    Tämä väitöskirja käsittelee optisen alueen satelliittikaukokartoitusaineistojen käyttöä lumipeitteen kartoitukseen. Tavoitteena on saada luotettavaa tietoa lumen peittävyydestä (FSC, Fractional Snow Cover) erityisesti boreaalisen metsävyöhykkeen ja tundravyöhykkeen alueilla. Väitöskirjassa kuvataan menetelmäkehityksen vaiheet lähtien lineaarisesta interpolaatiosta ja päätyen globaalisti sovellettavaan semiempiiristä heijastusmallia hyödyntävään menetelmään. Luotettavan tiedon saaminen lumen peittävyydestä varsinkin metsäisillä alueilla on haastavaa monille kaukokartoitusmenetelmille. Työn keskeisenä tuloksena on menetelmä, jolla saadaan tietoa lumipeitteestä jopa tiheiden metsien tapauksessa. Ensimmäiseksi kehitetyllä lineaariseen interpolaatioon perustuvalla menetelmällä tuotettiin valuma-aluetason tietoa lumipeitteen laajuudesta Suomen ympäristökeskuksen tulvaennusteiden käyttöön. Siinä jokaiselle laskentayksikölle määritettiin sille tyypillinen heijastusarvo 100 % lumipeitteen (märkä eli sulava lumi) että vastaavasti lumettoman tilanteen aikana; sulamisaikaan lumen peittävyys estimoitiin interpoloimalla näiden kahden ääriarvon välillä. Työssä kehitettiin menetelmä ääriarvojen määrittämiseen NOAA/AVHRR-instrumentin tuottamilta kuvilta. Erityistä huomiota kiinnitettiin ääriarvojen määrittämiseen tarvittavan kaukokartoitushavainnon puuttuessa esimerkiksi pilvisyyden vuoksi. Tähän löydettiin ratkaisuksi ottaa ääriarvo läheiseltä, mahdollisimman samankaltaiselta alueelta. Koska varsinkin lumisessa tilanteessa boreaalisen metsän vaikutus havaittuun heijastukseen on suuri, on laskentayksikön metsäisyys merkittävin kriteeri samankaltaisuutta arvioitaessa. Metsäisyyttä kuvaamaan kehitettiin ns. harvuusindeksi, joka laskettiin jokaiselle laskentayksikölle käyttäen eri vuosina havaittuja lumisen ajankohdan heijastusarvoja. Menetelmän todettiin toimivan hyvin Suomen valuma-alueille, joihin lähes kaikkiin lukeutuu sekä metsäisiä että avoimia alueita. Fysikaalinen heijastusmallinnus on lineaarista interpolaatiota edistyneempi lähestymistapa lumipeitteen kaukokartoitukseen, sillä mallin tekijät kuvaavat mitattavissa olevia suureita. Optisen kaukokartoituksen tapauksessa mitattavat suureet ovat eri luonnonkohteiden heijastusarvoja (reflektansseja). Työssä kehitetty SCAmod-menetelmä käyttää semiempiiristä säteilynkuljetusteoriaan perustuvaa heijastusmallia lumen peittävyyden estimointiin. Malli kuvaa kohteesta mitattavan heijastuksen lumen, lumettoman maan sekä metsän heijastusten kombinaationa. Näiden kolmen eri tekijän vaikutus havaittuun heijastukseen riippuu ensinnä lumisen ja lumettoman maan suhteesta sekä toiseksi metsän peittävyydestä, tarkemmin sanoen sen transmissiivisyydestä. Jos lumen, lumettoman maan ja metsän heijastukset sekä laskentayksikön transmissiivisyys tunnetaan, voidaan havaitusta heijastuksesta laskea lumen peittävyys. Koska näiden kolmen heijastustekijän heijastusarvot ovat mitattavia suureita, päästään käsiksi myös heijastusarvojen vaihteluun sekä tämän vaihtelun aiheuttamaan epätarkkuuteen lumen peittävyyden estimoinnissa. Transmissiivisyys puolestaan on laskettavissa SCAmodin heijastusmallista käyttäen täyden lumipeitteen aikana tehtyjä heijastushavaintoja. Globaalissa mittakaavassa transmissiivisyyden määrittäminen suoraan heijastushavainnoista on käytännössä mahdotonta koska pilvettömiä, täyden lumipeitteen havaintoja ei varmuudella ole saatavissa. Tässä työssä esitetäänkin menetelmä pohjoisen pallonpuoliskon transmissiivisyyskartan määrittämiseksi käyttäen maankäyttö/kasvillisuuskarttaa. SCAmod-menetelmä toteutettiin ensin AVHRR-kuville ja Suomen valuma-alueille. Samalla tutkittiin kuinka lumen peittävyysestimaattien tilastollista tarkkuutta voidaan arvioida. Seuraavaksi paneuduttiin heijastustekijöiden tarkempaan määrittämiseen sekä selvitettiin eri aallonpituuskanavien sopivuus menetelmän käyttöön. Työssä on myös käsitelty NDSI:n (Normalized Difference Snow Index) soveltuvuutta lumen peittävyyden määrittämiseen boreaalisessa metsässä. SCAmod-menetelmän soveltuvuutta pohjoisen pallonpuoliskon kausittaisen lumipeitteen kartoittamiseen tutkittiin keskiresoluution MODIS- ja AATSR-kuvia käyttäen. Lumen peittävyysestimaatteja validoitiin käyttäen korkean resoluution satelliittikuvia sekä Suomessa tehtyjä maastohavaintoja. Työssä todetaan menetelmän soveltuvan hyvin boreaalivyöhykkeen ja tundravyöhykkkeen lumikartoitukseen; erityisesti SCAmodilla saadaan tietoa myös metsäisiltä alueilta, mikä tekee siitä varteenotettavan menetelmän korvaamaan tai täydentämään muita yleisesti käytössä olevia lumikaukokartoitusmenetelmiä.
    Julkaisun otsikon käännösMenetelmä lumen peittämän alan mannertenlaajuiseen kartoitukseen optisilta satelliittikuvilta
    AlkuperäiskieliEnglanti
    PätevyysTohtorintutkinto
    Myöntävä instituutio
    • Aalto-yliopisto
    Valvoja/neuvonantaja
    • Haggren, Henrik, Vastuuprofessori
    Kustantaja
    Painoksen ISBN978-952-93-2556-6
    Sähköinen ISBN978-952-93-2557-3
    TilaJulkaistu - 2013
    OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

    • lumi
    • lumipeite
    • boreaalinen vyöhyke
    • metsät
    • tundra
    • optinen kaukokartoitus

    Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Menetelmä lumen peittämän alan mannertenlaajuiseen kartoitukseen optisilta satelliittikuvilta'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

    Siteeraa tätä