Application of advanced geospatial computation and technology to model and manage coastal environments

Ympäristömallinnuksen tavoitteena on tutkia, selittää ja ennustaa ilmiöitä ja viestiä tämä tieto ympäristön suunnitteluun ja hallintaan liittyvää päätöksentekoa varten. Ala on aktiivisen tutkimuksen kohteena, sillä ekosysteemeistä on yhä enemmän tietoa ja ympäristömallinnukseen linkittyvät tieteenalat kuten informaatioteknologia ja laskenta edistyvät jatkuvasti. Näiden alojen kehitys heijastuu myönteisesti ympäristömallien ja informaatiojärjestelmien suorituskykyyn ja käytettävyyteen. Tämä väitöskirja käsittelee edistyneiden geospatiaalisten laskentamenetelmien ja teknologioiden käyttöä rannikkoympäristön mallinnuksessa ja operatiivisessa hallinnassa kahden eri sovelluksen kautta. Näistä ensimmäisessä analysoidaan ja mallinnetaan Suomen etelärannikolle laajalti levinneen monivuotisen ruohovartisen kasvin, järviruo'on, levinneisyyttä. Koneoppimisen avulla mallinnetaan lajin esiintymistä ja määritetään lajin dynamiikkaa kuvaavalle soluautomaatille siirtymätodennäköisyydet. Lisäksi luodaan automaatin tilamuutossäännöt, arvioidaan mittakaavan vaikutusta ja testataan ja validoidaan malli. Toisessa sovelluksessa tarkastellaan tiettyjen lajien ja elinympäristöjen suojelemista öljyvahinkotilanteessa Suomenlahdella, jolla öljykuljetusten määrä on viime vuosina merkittävästi kasvanut. Öljyn uhkaamien alueiden priorisointia tukemaan luotiin ympäristöinformaatiojärjestelmä käyttäen hyväksi geospatiaalisia verkkopalveluita. Tutkimuksessa analysoidaan järjestelmän tietovaatimuksia ja käyttötarkoitusta ja näiden pohjalta suunnitellaan järjestelmä ja toteutetaan ja evaluoidaan prototyyppi. Tutkimuksen perusteella geospatiaalisten laskentamenetelmät ja teknologiat ovat erittäin hyödyllisiä ympäristön mallinnuksessa ja hallinnassa. Spatiaaliset mallit auttavat ymmärtämään järviruo'on levinneisyyttä ja mahdollistavat kasvin levinneisyyteen vaikuttavien tekijöiden, kasvin esiintymisen ja ruovikon sisäisen dynamiikan kvantifioinnin. Siirtymäsäännöt saatiin onnistuneesti määritettyä soluautomaatille koneoppimisen avulla. Geospatiaaliset teknologiat osoittautuivat hyvin lupaaviksi poikkeustilanteiden apuvälineiksi, sillä ne mahdollistavat tietojen tuomisen kentälle ja siten reaaliaikaisen päätöksenteon ja parantavat näin operatiivisen hallinnan tehokkuutta. Käytettyjen tutkimusmenetelmien soveltaminen edellyttää aina mm. tarkoituksenmukaisen mittakaavan määrittämistä, riittävää mallien testausta ja validointia ja informaatiojärjestelmien käyttökelpoisuuden arviointia. Oikein käytettynä geospatiaaliset laskentamenetelmät ja teknologiat tarjoavat ympäristötieteilijöille ja ympäristöä hallinnoiville tehokkaita työkaluja ongelmanratkaisuun ja kestävän kehityksen edistämiseen.