Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa

GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS ESY RS/2007/98 20.12.2007 Espoo Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa Hilkka Arkimaa, Jukka Laitinen, Markku Mäkilä ja Viljo Kuosmanen

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro 20.12.2007 Tekijät Hilkka Arkimaa, Jukka Laitinen, Markku Mäkilä ja Viljo Kuosmanen Raportin laji Toimeksiantaja GTK Raportin nimi Heijastuspektrin (350 2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa Tiivistelmä Työn tarkoituksena on ollut selvittää minkälaista informaatiota turpeen ominaisuuksista on mahdollista saada kohteen heijastaman säteilyinformaation avulla. Sitä varten mitattiin GTK:n turvetutkimuksissa kerättyjä ja laboratoriossa kuivattuja turvenäytteitä Analytical Spectral Devicen (ASD) valmistamalla FieldSpec Pro spektrometrillä, joka mittaa kohteen heijastamaa säteilyä aallonpituusalueella 350 2500 nm. Turpeen maatuessa selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin määrät vähenevät ja humusaineiden sekä bitumin määrät kasvavat. Turpeen sisältämän orgaanisen aineksen hiilipitoisuus maatumisen myötä lisääntyy ja sen vuoksi myös lämpöarvo kasvaa. Nämä muutokset aiheuttavat heijastuspektriin muutoksia, jotka voidaan tunnistaa. Heijastuspektrin absorptioalueiden tarkempaa analysointia varten muodostettiin Continuum-removed spektrejä. Näiden spektrien absorptiomaksimien reflektanssiarvojen ja laboratoriomittausten välisiä korrelaatioita tutkittiin suo- ja turvelajikohtaisesti. Parhaiten laboratoriossa mitatuista turpeen ominaisuuksista absorptiomaksimin reflektanssiarvon kanssa korreloi lämpöarvo. Lineaarista regressioanalyysiä käyttäen laskettiin erikseen rahka- ja saraturpeille estimaatti kuvaamaan mitatun heijastuspektrin ja lämpöarvon välistä yhteyttä. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Turve, maatuneisuus, lämpöarvo, reflektanssi, VSWIR, Continuum-removed spektri, korrelaatio Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Suomi Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi RS Arkistotunnus RS/2007/98 Kokonaissivumäärä Kieli Hinta Julkisuus 36 Suomi julkinen Yksikkö ja vastuualue Hanketunnus ESY / 215 2804003 Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa Sisällysluettelo Kuvailulehti 1 JOHDANTO 1 2 MITTAUSAINEISTO JA -MENETELMÄ 2 3 TURPEEN OMINAISUUKSISTA JA NIIDEN NÄKYMISESTÄ SPEKTRISSÄ 3 4 TULOKSET 6 4.1 Continuum-removed spektri 6 4.2 Varkaansuon turvenäytteiden spektriset ominaispiirteet 6 4.3 Huhmarnevan turvenäytteiden spektriset ominaispiirteet 20 4.4 Keminmaan turvenäytteiden spektriset ominaispiirteet 25 4.4.1 Kuivatut turvenäytteet 26 4.4.2 Tuoreiden turvenäytteiden spektrinen informaatio 29 4.5 Regressioanalyysi 32 5 JOHTOPÄÄTÖKSIÄ 33 6 KIRJALLISUUS 35

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 1 1 JOHDANTO Kaukokartoitustekniikka niin etä- kuin lähitunnistuksessakin antaa mahdollisuuden elävien vihreiden kasvien ominaisuuksien tutkimiseen perustuen niiden kykyyn heijastaa, emittoida ja absorboida säteilyä. Hyperspektrimenetelmien myötä on saatu yhä spesifisempää tietoa kapeilta aallonpituusalueilta, joiden antama informaatio on osoittautunut erityisen hyödylliseksi tutkittaessa paitsi elävien kasvien myös kuolleiden kasvien ominaisuuksia (mm. Elvidge 1990, Kokaly & Clark 1999, Kokaly 2001, Nagler et al. 2000). Suot ovat kasvupaikkoja, joilla kuolleet kasvinosat maatuessaan muodostavat turvetta. Kemiallisesti turve muodostuu pääosin orgaanisista yhdisteistä, joita ovat hiilihydraatit (selluloosa, hemiselluloosa ja pektiini), ligniini ja humusaineet (humiini, humushapot ja fulvohapot) sekä bitumit (vahat ja hartsit). Kuiva-aineen osuus turpeesta on keskimäärin 9 10% veden ollessa suurin aineosa. (Mäkilä 1994, Korhonen 1997, Virtanen et al. 2000). Turvevaroja kartoitettaessa huomioidaan mm. turpeessa tavattavat suokasvien jäännökset ja turpeen maatumisaste. Geologisesti turpeet jaotellaan kasvijäännösten perusteella kolmeen pääryhmään: rahka-, sara- ja ruskosammalturpeisiin. Lisäksi turvekerrostumissa on muidenkin kasvilajien jäännöksiä, jotka luokitellaan turpeen lisätekijöiksi. Heikosti maatuneet rahkaturpeet soveltuvat kasvu-, viljely- ja ympäristöturpeiksi. Pitkälle maatuneita rahka- ja saraturpeita voidaan käyttää energiaturpeina. (Virtanen et al. 2000). Turpeen maatuneisuuden määrittäminen turvetutkimusten yhteydessä tehdään tällä hetkellä turvetta kädessä puristamalla ja tarkkailemalla irtoavan veden määrää ja väriä sekä kasviaineksen koostumusta, hajoamistilaa ja määrää. Menetelmän on todettu soveltuvan hyvin rahkaturpeille mutta ei niin hyvin saraturpeille ja puuainesta sisältäville turpeille (mm. Mäkilä 1994). Tämän työn tarkoituksena on ollut selvittää minkälaista informaatiota turpeen ominaisuuksista on mahdollista saada kohteen heijastaman säteilyinformaation avulla. Sitä varten mitattiin GTK:n turvetutkimuksissa kerättyjä ja laboratoriossa kuivattuja turvenäytteitä Analytical Spectral Devicen (ASD) valmistamalla FieldSpec Pro spektrometrillä, joka mittaa kohteen heijastamaa säteilyä aallonpituusalueella 350 2500 nm. Suomessa tuloksia turpeen heijastusspektrimittauksista aiemmin ovat julkaisseet Nyrönen ja Lehtovaara (1985) ja Lehtovaara et al. (1988). He havaitsivat spektreissä merkittäviä absorptiokohtia indikoiden mm. turpeen maatumisastetta ja tuhkapitoisuutta. McMorrow et al. (2004, 2005) ovat julkaisseet tutkimuksia lentokoneesta tehtyjen HyMap -hyperspektrimittausten tulkinnasta avointen turvekenttien turpeen maatumisasteen määrityksessä Englannissa.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 2 2 MITTAUSAINEISTO JA -MENETELMÄ Tutkittavan aineiston muodosti Geologian tutkimuskeskuksen (GTK) turvevarojen kartoituksen yhteydessä kairaamalla otetut ja laboratoriossa analysoidut turvenäytteet viideltä eri suolta, joiden sijainnit näkyvät kuvassa 1. Kuva 1. Suot, joilta tutkitut turvenäytteet on otettu. Pohjakarttana suoyhdistelmätyypit (Ruuhijärvi et al. 1988). Kattavin analyysiaineisto oli tehty Varkaansuolta Kuopion ympäristöstä toukokuussa 1992 kairatuista neljästä turveprofiilista. Profiilit on analysoitu 20 cm:n näytevälein. Niistä on määritetty turvelaji ja mahdolliset lisätekijät (puuaines, tupasvilla jne.), maatuneisuusaste, happamuus, vesi-pitoisuus % tuoremassasta, kuivatilavuuspaino, tuhkapitoisuus % kuivamassasta sekä lämpöarvo. Lisäksi näytteistä on analysoitu hiili-, vety-, typpi-, happi ja rikkipitoisuus. Varkaansuon turvenäytteistä on myös uuttamalla määritetty turvebitumi eli raakavaha. Bitumin vaha- ja hartsipitoisuus on määritetty edelleen uuttamalla. (sivu 7, Taulukko 1).

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 3 Kauhavan Huhmarnevalta on syyskuussa 2003 kairattu kaksi turveprofiilia, toinen rahkavaltaisesta turpeesta ja toinen saravaltaisesta turpeesta. Näytteet on analysoitu sekä maastossa, että laboratoriossa 20 cm:n näytevälein. Maastossa näytteistä on määritetty turvelaji ja mahdolliset lisätekijät (puuaines, tupasvilla jne.) sekä maatuneisuusaste. Laboratoriossa turvenäytteistä on määritetty happamuus, vesipitoisuus % tuoremassasta, kuivatilavuuspaino, tuhkapitoisuus % kuivamassasta ja lämpöarvo sekä analysoitu rikkipitoisuus. (sivu 20, Taulukko 4). Elokuussa 2005 Keminmaan kolmelta luonnontilaiselta suolta on kairattu neljä turveprofiilia, yksi rahkavaltaiselta Himokummunjängältä, kaksi saravaltaiselta Törmäjängältä ja yksi rahkavaltaiselta Juokuanjängältä. Nämä näytteet on analysoitu pääosin 50 cm:n näytevälein. Maastossa näytteistä on määritetty turvelaji ja mahdolliset lisätekijät (puuaines, tupasvilla jne.) sekä maatuneisuusaste. Laboratoriossa näytteistä on määritetty happamuus, vesipitoisuus % tuoremassasta, kuivatilavuuspaino, tuhkapitoisuus % kuivamassasta sekä analysoitu hiili- ja typpipitoisuudet. (sivu 25, Taulukko 6). Kuivattujen ja jauhettujen turvenäytteiden heijastusspektrit mitattiin laboratoriossa FielSpec Pro spektrometrillä. Keinovalolähde ja mittausanturi on sijoitettu umpinaiseen makita-merkkiseen mittapäähän, jonka päällä olevan lasilevyn päälle asetettiin muutaman senttimetrin paksuinen kerros turvenäytettä. Jokaiselle näytteelle tehtiin kymmenen kertaa kymmenen sarjan mittaukset, joista keskiarvona saatiin heijastuspektri. 3 TURPEEN OMINAISUUKSISTA JA NIIDEN NÄKYMISESTÄ SPEKTRISSÄ Turpeen rakenteen ja koostumuksen ilmaisijoita ovat turvelaji, maatuneisuus, kosteus ja kuituisuus. Maatumisessa kasvien jäännökset lahoavat mikrobitoiminnan seurauksena erilaisiksi humusaineiksi (Virtanen et al. 2000). Maatumisnopeus on riippuvainen kosteudesta, ravinteista ja ph-asteesta. Selluloosa-, hemiselluloosa- ja ligniinipitoisuudet pienenevät ja humushappojen, fulvohappojen ja humiinien pitoisuudet kasvavat maatumisprosessissa (Virtanen et al. 2000). Turpeen sisältämän orgaanisen aineksen hiilipitoisuus maatumisen myötä lisääntyy ja sen vuoksi myös lämpöarvo kasvaa erityisesti rahkaturpeilla (Mäkilä 1994). Orgaanisten ainesten spektriin aiheuttamat absorptiot syntyvät lähinnä niiden sisältämien C-H-, N-H-, C-O- ja O-H -sidosten venymisistä, taipumisista ja värähtelyistä (Curran et al. 1992). Elävillä kasveilla spektrin heijastusarvoa näkyvän valon aallonpituusalueella 400 700 nm (VIS) kontrolloivat kasvien pigmentit kuten klorofylli, lähi-infra-alueella 700-1400 nm (NIR) kasvien solukkorakenne, jossa soluseinäpintojen pinta-ala ja solujen sisäinen ilmatila ovat heijastukseen vaikuttavia tekijöitä sekä lyhytaalto-infra-alueella 1400-2500 nm (SWIR) lähinnä vesi (Gates 1970). Kuolleiden kasvien spektroskopiatutkimukset ovat osoittaneet, että selluloosalla, hemiselluloosalla, ligniinillä ja vahoilla on tunnistettava spektrinen karakteristiikka (mm. Elvidge 1990, Nagler et al. 2000). Kuolleen kasvin heijastusspektri poikkeaa huomattavasti elävän kasvin spektristä. Elävien kasvien sisältämien pigmenttien ja terveen solurakenteen aiheuttamat spektrimuodot näkyvän valon ja lähi-infran alueilla puuttuvat kuolleiden (kuivattujen) kasvien spektreistä (Kuva 2). Maatuneessa turpeessa pigmentit puuttuvat ja kasvijäännösten solukkorakenne on hävinnyt. Lisäksi maatumisessa turpeen hiukkaskoko ja huokostila pienevät ja kuivatilavuuspaino eli tiheys kasvaa (Mäkilä 1994). Kuivatun turvenäytteen spektri kasvaa tasaisesti VIS- ja NIR

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 4 alueella aina 1300 nm:n saakka (Kuva 2). Turpeen sisältämien orgaanisten yhdisteiden spektrinen karakteristiikka ilmenee erityisesti SWIR-alueella. Kuva 2. Tuoreen vihreän rahkasammaleen (vaal. vihreä) ja kuivatun rahkasammaleen (tumman vihreä) sekä vähän (vaal.ruskea) ja pitkälle (tumman ruskea) maatuneen rahkaturpeen heijastusspektrit. Vesi aiheuttaa heijastuspektrissä selvästi tunnistettavia absorptiokohtia erityisesti NIR- ja SWIR -alueella, merkittävimmät noin 970, 1200, 1450 ja 1920 nm:n kohdilla. Tuoreilla turvenäytteillä nämä absorptiokohdat ovat hyvin hallitsevia ja peittävät merkittävästi muiden absorpoivien tekijöiden näkymistä spektrissä. Veden vaimentava vaikutus spektriin on erityisen suuri SWIR alueella (Kuva 3). Kuivaamalla näytteet saadaan veden absorption peittävä vaikutus minimoitua ja nähdään erityisesti turvetta muodostavien yhdisteiden: selluloosan, hemiselluloosan, ligniinin, proteiinien, vahojen, hartsien ja humusaineiden absorptioita, joista monet esiintyvät samoilla aallonpituuksilla kuin veden absorptio.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 5 Kuva 3. Tuoreiden (vihreät sävyt) ja kuivattujen(ruskeat sävyt) turvenäytteiden heijastusspektrejä. Tutkitut turvenäytteet on kuivattu joko 40 ºC:ssa tai 105 ºC:ssa. Koska kuivatut turvenäytteet pitkään muovipusseissa säilytettynä edelleen sitovat itseensä pienen määrän vettä, haluttiin selvittää veden määrä ja sen vaikutus heijastusspektriin. Yksitoista turvenäytettä kuivattiin uudelleen 105 ºC:ssa ja mitattiin välittömästi lämpökaapista otettuna. Saatujen tulosten mukaan vesimäärä vaihteli välillä 7-9 %. Tälläisen vesimäärän vaikutus näkyy merkittävimmin veden absorptiokohdassa 1920 nm (Kuva 4). Kuva 4. Vähän vettä (7-9%) sisältävien (siniset sävyt) ja täysin kuivien turvenäytteiden heijastusspektrit (ruskeat sävyt).

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 6 4 TULOKSET 4.1 Continuum-removed spektri Continuum-removal tekniikkaa on sovellettu jo pitkään heijastusspektrin absorptiokohtien analysoinnissa (mm. Clark et al. 1984, Kokaly et al. 1999, Huang et al. 2004). Spektrin heijastus maksimien kautta kulkevan ns. kontinuumikäyrän avulla saadaan poistettua kokonaisheijastuksen vaikutusta kun alkuperäinen spektri jaetaan kontinuumikäyrällä, jolloin tulokseksi saadaan ns. Continuum-removed spektri. Tämä operaation avulla saadaan pienetkin absortiokohdat korostettua analysointia varten. Kuivatun turvenäytteen heijastusspektrissä on viisi merkittävää absorptioaluetta: 1370-1640 nm, 1640-1850 nm, 1860-2010 nm, 2010-2220 nm sekä 2220-2400 nm. Continuum-removed spektri laskettiin erikseen jokaiselle absorptioalueelle. Kunkin absorptioalueen Continuum-removed spektristä määritettiin se aallonpituus, jossa absorptio on maksimissaan. Tämän absorptiomaksimin reflektanssiarvon ja turvenäytteistä analysoitujen turpeen ominaisuuksien välisiä riippuvuuksia tutkittiin paitsi spektrikäyriä visuaalisesti tarkastelemalla myös laskemalla korrelaatiota kuvaavia tunnuslukuja. Koska tutkitut turvenäytteet olivat joko rahka- tai saravaltaisia turpeita riippuvuuksia tutkittiin erikseen rahkavaltaisille ja saravaltaisille turvenäytteille. 4.2 Varkaansuon turvenäytteiden spektriset ominaispiirteet Varkaansuon neljästä turveprofiilista oli näytemateriaalia käytettävissä spektrimittauksia varten 30:stä turvenäytteestä. Niistä oli turvelajin ja sen lisätekijöiden lisäksi määritetty kaikkiaan 17 eri muuttujaa kuvaamaan näytteiden ominaisuuksia (Taulukko 1). Rahkaturvenäytteet, joita oli 19, ovat pintakerroksista syvyyksiltä 0-110 cm. Niiden maatumisaste eli huminositeetti (H) vaihtelee von Postin menetelmän (1922) mukaisella kymmenasteikolla välillä 2-8. Saraturvenäytteet ovat syvyydeltä 150-230 cm, joista 9:n näytteen maatumisaste on 4, yhden 5 ja yhden 6 von Postin menetelmällä määritettynä. Saraturpeiden hiili-, tuhka-, vaha- ja typpipitoisuudet ovat keskimäärin suurempia kuin rahkaturpeiden vastaavat pitoisuudet. Saraturpeilla on myös keskimäärin suuremmat lämpöarvot kuin rahkaturpeilla (Taulukko 1).

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 7 Taulukko 1. Varkaansuon turvenäytteet ja niiden ominaisuudet.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 8 Rahka- ja saraturpeiden spektrien eroavuudet näkyvät kuvassa 5. Saraturpeiden heijastustaso on alhaisempi erityisesti VIS-alueella mutta myös koko heijastusspektrin alueella ja vaihteluväli kapeampi kuin rahkaturpeilla. Rahkaturpeen spektrin muoto VNIR-alueella on yleensä kaarevampi kuin saraturpeiden. Kuva 5. Varkaansuon rahka(sininen)- ja sara(punainen) turpeiden heijastusspektrit. Kuvissa 6a ja 6b näkyvät tyypillisimmät muutokset rahka- ja saraturpeiden spektreissä kun maatumisaste kasvaa. Merkittävimpiä muutoksia tapahtuu kokonaisheijastuksessa ja erityisissä absorptiokohdissa. Kuivatun turvenäytteen merkittävimmät absorptioalueet sijoittuvat aallonpituusvälille 1370-2400 nm. Tälle välille lasketusta Continuum-removed spektristä (Kuva 7) nähdään, että se sisältää viisi erillistä absorptiokohtaa seuraavilla aallonpituuksilla: 1370-1640 nm, 1640-1850 nm, 1860-2010 nm, 2010-2220 nm sekä 2220-2400 nm. Kullekkin viidelle aallonpituusvälille muodostettiin erikseen Continuum-removed spektri, jonka spektrimuotoja ja absorptiomaksimien reflektanssiarvojen välisiä korrelaatioita turpeen eri ominaisuuksien kesken tutkittiin tarkemmin.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 9 a) b) Kuva 6. a) Rahkaturvenäytteiden spektrejä: maatumisaste pieni (vaalean vihreä), maatumisaste suuri (tumman vihreä). b) Saraturvenäytteiden spektrejä: maatumisaste pieni (vaalean ruskea), maatumisaste suuri (tumman ruskea).

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 10 Kuva 7. Varkaansuon turvenäytteiden Continuum-removed spektrit laskettuna aallonpituusvälille 1370-2400 nm ja merkittävimmät absorptiomaksimit. Aallonpituusvälille 1370-1640 nm sijoittuu veden voimakas absorptiomaksimi, joka on noin 1450 nm:n kohdalla. Lähes samaan kohtaan osuu myös merkittävät hemiselluloosan ja ligniinin aiheuttamat absorptiot (mm. Elvidge 1990). Turpeen selluloosa-, hemiselluloosa- ja ligniinipitoisuuden muutokset kuvastavat turpeen maatumisasteen muutoksia siten, että maatumisprosessissa selluloosa-, hemiselluloosa- ja ligniinipitoisuudet pienenevät (Virtanen et al. 2000). Niinpä turpeen maatumisasteen kasvaessa absorptio aallonpituusvälillä 1370-1640 nm pienenee (Kuva 8). Rahkaturpeiden osalta Pearssonin korrelaatio von Postin menetelmällä määritetyn maatumisasteen ja aallonpituudelle 1445 nm sijoittuvan Continuum-removed spektrin absorptiomaksimin reflektanssiarvon välillä on erittäin merkitsevä (r = 0.876, p = 0.0, n = 19) (Taulukko 2, Kuva 9). Saraturvenäytteiden von Postin maatumisasteeksi oli määritetty sama luku kahta poikkeusta lukuunottamatta niinpä korrelaatio maatumisasteen ja vastaavan reflektanssiarvon välille ei muodostu merkitseväksi. Turpeen vesipitoisuuteen vaikuttavia tekijöitä ovat ensisijaisesti turvelaji ja maatuneisuus sekä toissijaisesti suon ojitus (Mäkilä 1994). Tuoremassan vesipitoisuuden ja kuivatilavuuspainon välillä on voimakas negatiivinen korrelaatio ja kuivatilavuuspaino puolestaan korreloi voimakkaasti turpeen energiasisällön kanssa (Mäkilä 1994). Varkaansuon sekä rahka-, että saraturvenäytteiden tuoremassasta mitatulla vesipitoisuudella on erittäin merkitsevä negatiivinen ja kuivatilavuuspainolla erittäin merkitsevä positiivinen korrelaatio aallonpituudelle 1445 nm osuvan absorptiomaksimin reflektanssiarvon kanssa (Taulukko 2 ja 3, Kuvat 9 ja 10).

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 11 Turpeiden lämpöarvo, joka ilmaisee turpeiden energiamäärän, on riippuvainen turvelajista ja turpeen maatumisasteesta (Mäkilä 1994). Lämpöarvon ja 1445 nm:n absorption välillä on erittäin merkitsevät korrelaatiot sekä rahkaturpeilla (r = 0.905), että saraturpeilla (r = 0.864), (Taulukko 2 ja 3, Kuvat 9 ja 10). Koska maatumisen myötä turpeen hiilipitoisuus lisääntyy, erityisesti rahkaturpeilla (Mäkilä 1994), myös hiilipitoisuudella ja 1445 nm:n absorptiolla on välillinen erittäin merkitsevä korrelaatio rahkaturpeilla ja merkitsevä saraturpeilla. Välillisiä ovat myös bitumi-, vaha- ja hartsipitoisuuksien hyvät korrelaatiot 1445 nm:n absorption kanssa, koska ne lisääntyvät maatumisen myötä. Varkaansuon saraturpeet muodostavat ominaisuuksiltaan kaksi eri populaatiota (Kuva 10). Pienempi näytejoukko (4 kpl) eroaa pienemmän tuoremassan vesipitoisuuden ja vastaavasti suuremman kuivatilavuuspainon, lämpöarvon ja bitumipitoisuuden suhteen. Huomioitavaa on, että suuremman näytejoukon (7 kpl) von Postin maatumisarvot ovat kaikki samoja mutta laboratoriossa mitatuilla ominaisuuksilla on eroja, joilla on korrelaatio Continuum-removed reflektanssin kanssa (Kuva 10). Veden toinen merkittävä absorptiomaksimi osuu absorptioikkunaan 1860-2010 nm noin 1920 nm:n kohdalle. Turvenäytteiden kuivatuskokeet osoittivat, että pienetkin vesimäärät (7-9 %) aiheuttavat absorptiota tällä aallonpituudella (Kuva 4). Jälleen lähes samaan kohtaan osuu myös selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin aiheuttamat absorptiot ( Elvidge 1990). Rahkaturpeiden osalta korrelaatiot huononevat verrattuna absorptioalueeseen 1370-1640 nm. Von Postin maatumisarvoilla, eikä myöskään lämpöarvoilla ole tässä ikkunassa merkitsevää korrelaatiota vaikka tuoremassan vesipitoisuudella ja kuivatilavuuspainolla on (Taulukko 2). Saraturpeilla korrelaatiot pysyvät lähes samansuuruisina kuin absorptioikkunassa 1370-1640 nm (Taulukko 3). Kuva 8. Varkaansuon rahka- ja saraturpeiden Continuum-removed spektrejä absortioalueelta 1370-1640 nm.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 12 Taulukko 2. Varkaansuon rahkaturvenäytteiden Continuum-removed spektrin eri aallonpituuksille osuvien absorptiomaksimien reflektanssiarvojen ja turpeesta määritettyjen ominaisuuksien välisiin korrelaatioihin liittyvät tunnusluvut.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 13 Taulukko 3. Varkaansuon saraturvenäytteiden Continuum-removed spektrien eri aallonpituuksille osuvien absorptiomaksimien reflektanssiarvojen ja turpeesta määritettyjen ominaisuuksien välisiin korrelaatioihin liittyvät tunnusluvut.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 14. Kuva 9. Varkaansuon rahkaturvenäytteiden Continuum-removed spektrin aallonpituudelle 1445 nm osuvan absorptiomaksimin reflektanssiarvon ja turpeen eri ominaisuuksien välisiä korrelaatioita.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 15 Kuva 10. Varkaansuon saraturvenäytteiden Continuum-removed spektrin aallonpituudelle 1445 nm osuvan absorptiomaksimin reflektanssiarvon ja turpeen eri ominaisuuksien välisiä korrelaatioita. Varkaansuon turvenäytteistä on analysoitu bitumin määrä (Taulukko1). Bitumista on edelleen määritetty vahan ja hartsin osuus. Vahojen ja hartsien on todettu rikastuvan turpeeseen maatumisen edistyessä (Soveri, 1948). Varkaansuon turpeista uutetuista bituminäytteistä mitattiin heijastuspektrit. Mittaukset osoittivat, että turvebitumin merkittävimmät absorptiot osuvat aallonpituuksille 1210 nm, 1440 nm, 1728 nm, 1760 nm, 2308 nm ja 2348 nm (Kuva 11).

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 16 Kuva 11. Varkaansuon turvenäytteistä uutetun bitumin eli raakavahan heijastusspektrejä sekä niiden merkittävimmät absorptiokohdat. Absorptioikkunassa 1640-1850 nm rahka- ja saraturpeiden absorptioissa ja spektrimuodoissa on selviä eroja (Kuvat 12a ja 12b). Tähän absorptioalueeseen sisältyy niin typen, vahojen, ligniinin kuin hemiselluloosankin absorptioita (Curran 1989, Ben-Dor et al. 1997). Saraturpeiden absorptiot tässä ikkunassa ovat suurempia kuin rahkaturpeiden (Kuva 7, Kuvat 12a ja 12b). Saraturpeiden suuremmat absorptiot aiheutuvat todennäköisesti saraturpeiden suuremmasta sekä hiili-, typpi-, että ligniinipitoisuuksista. Hiiliyhdisteiden osalta absorptiota aiheuttavat erityisesti alifaattiset C-H- sidokset, joita on mm. vahoissa, pektiinissä ja humushapoissa (Ben-Dor et al., 1997). Nämä aiheuttavat absorptiota Ben-Dor et al. (1997) mukaan sekä 1726 nm:n, että 1761 nm:n aallonpituuksilla. Turvenäytteiden absorptiomaksimi osuu aallonpituudelle 1729 nm, joka on käytännössä myös Varkaansuon bituminäytteen absorptionmaksimin kohta (1728 nm, Kuva 11). Rahkaturpeilla on erittäin merkitsevä negatiivinen korrelaatio 1729 nm:n reflektanssiarvon ja bitumin, samoin kuin siitä uutettujen vahan ja hartsin kanssa (Taulukko 2). Rahkaturpeilla on myös erittäin merkitsevät negatiiviset korrelaatiot 1729 nm:n reflektanssiarvon ja maatumisasteen, lämpöarvon sekä hiilija typpipitoisuuden kanssa (Taulukko 2). Varkaansuon tapauksessa myös pitkälle maatuneilla saraturpeilla on korkeita bitumipitoisuuksia. Nämä näytteet muodostavat korrelaatiodiagrammissa muista näytteistä erottuvan joukon (Kuva 10). Merkille pantavaa on, että bitumista uutetun vahan määrä on selvästi suurempi saraturpeilla kuin rahkaturpeilla. Näytemäärän vähyys, kahden erilaisen näytejoukon olemassaolo sekä myös monen yhtäaikaisen muuttujan vaikutus samoilla aallonpituuksilla aiheuttavat sen, että saraturpeiden korrelaatiot absorptiokohdassa 1729 nm eivät muodostu merkitseviksi. Aallonpituuden 1674 nm kohdalla oleva absorptio on havaittavissa vain saraturpeilla ja se osuu yksiin ligniinin aiheuttaman absorption kanssa (Elvidge 1990). Saraturpeilla ligniinipitoisuuksien on todettu olevan suurempia kuin rahkaturpeilla (Alakangas 2000). Maatumisasteen kasvaessa ligniinin määrä vähenee, jolloin absorptio pienenee.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 17 a) b) Kuva 12. Varkaansuon a) vähän maatuneiden (vaalean vihreä) ja pitkälle maatuneiden (tumman vihreä) rahkaturvenäytteiden ja b) vähän maatuneiden (vaalean ruskea) ja pitkälle maatuneiden (tumman ruskea) saraturpeiden Continuum-removed spektrejä absorptioalueelta 1640-1850 nm.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 18 Selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin osalta merkittävä laajahko absorptio esiintyy SWIRalueella 2100 nm molemmin puolin. Absorptioikkunassa 2010-2220 nm Varkaansuon rahka- ja saraturpeiden spektrimuodot eroavat selvästi toisistaan (Kuva 13). Rahkaturpeiden absorptiomaksimi asettuu aallonpituuden 2094 nm kohdalle kun taas saraturpeilla se on noin aallonpituuden 2136 nm kohdalla. Aallonpituuden 2094 nm:n absorptio osuu yksiin aiemmissa tutkimuksissa raportoidun hemiselluloosan ja selluloosan absorptiokohdan kanssa (Elvidge 1990). Saraturpeiden absorptiomaksimin määräytymiseen vaikuttanevat sekä korkeammat typpipitoisuudet, että korkeammat ligniinipitoisuudet (Curran 1989, Ben-Dor et al 1997). Maatumisprosessissa sekä hemiselluloosan, selluloosan, että ligniinin määrät vähenevät niinpä sekä rahka- että saraturpeilla absorption määrä vähenee aallonpituusalueella 2010-2220 nm kun maatumisaste kasvaa (Kuva 13). Rahkaturpeiden Continuum-removed spektrin reflektanssiarvolla aallonpituuden 2094 nm kohdalla on erittäin merkitsevät korrelaatiot von Postin maatumisarvon (r = 0.819), kuivatilavuuspainon (r = 0.929), lämpöarvon (r = 0.901) ja hiilipitoisuuden (r = 0.874) kanssa (Taulukko 2). Saraturpeiden Continuum-removed spektrin reflektanssiarvolla aallonpituuden 2136 nm:n kohdalla on myös erittäin merkitsevät korrelaatiot kuivatilavuuspainon (r = 0.872) ja lämpöarvon (r = 0.747) kanssa ja merkitsevä korrelaatio hiilipitoisuuden (r = 0.638) kanssa. Saraturpeiden von Postin maatumisarvojen kanssa vastaavalla reflektanssiarvolla ei sen sijaan ole merkitsevää korrelaatiota. (Taulukko 3). Kuva 13. Varkaansuon vähän maatuneiden (vaaleat sävyt) ja pitkälle maatuneiden (tummat sävyt) rahka- ja saraturvenäytteiden Continuum-removed spektrejä absorptioalueelta 2010-2220 nm.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 19 Absorptioikkunassa 2220-2400 nm rahka- ja saraturpeiden spektrimuodoissa on selviä eroavuuksia (Kuva 14). Aallonpituudella 2270 nm oleva absorptio on suurempi saraturpeilla ja se osuu yksiin ligniinin aiheuttaman absorption kanssa (Elvidge 1990). Maatumisprosessissa ligniinin määrä vähenee, jolloin absorptio pienenee (Kuva 14). Absorptiomaksimi 2304 nm:n kohdalla osuu lähelle bitumin aiheuttamaa absorptiokohtaa (vrt Kuva14 ja Kuva 11). Toisaalta myös typpiyhdisteet aiheuttavat absorptiota aallonpituudella 2300 nm (Curran 1989). Rahkaturpeilla on erittäin merkitsevä negatiivinen korrelaatio aallonpituuden 2304 nm:n reflektanssiarvon ja bitumin, samoin kuin siitä uutettujen vahan ja hartsin kanssa (Taulukko 2). Hemiselluloosan ja ligniinin määrä kontrolloivat reflektanssiarvoa aallonpituudella 2330 nm ja vahojen ja hartsin määrä aallonpituudella 2342 nm. Kuva 14. Varkaansuon vähän maatuneiden (vaaleat sävyt) ja pitkälle maatuneiden (tummat sävyt) rahka- ja saraturvenäytteiden Continuum-removed spektrejä absorptioalueelta 2220-2400 nm.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 20 4.3 Huhmarnevan turvenäytteiden spektriset ominaispiirteet Huhmarnevan turvenäytteet ovat kahdesta kairausprofiilista, joista toinen edustaa saraturpeita ja toinen rahkaturpeita. Saraturpeiden maatumisaste von Postin menetelmän mukaisella kymmenasteikolla vaihtelee välillä 2-9. Rahkaturpeiden maatumisaste vaihtelee välillä 1-8. Saraturpeiden tuhkapitoisuudet (2.8-4.9% kuivapainosta) ovat keskimäärin suuremmat kuin rahkaturpeiden (0.8-2.1% kuivapainosta). (Taulukko 4). Taulukko 4. Huhmarnevan turvenäytteet ja niiden ominaisuudet.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 21 Kuten Varkaansuon näytteillä myös Huhmarnevan näytteillä saraturpeiden VIS-alueen heijastusarvot ovat alhaisemmat ja NIR-alueella saraturpeiden gradientti on jyrkempi kuin rahkaturpeiden. Korrelaatiot absorptioikkunassa 1370-1640 nm poikkeavat Varkaansuon vastaavista sikäli, että saraturpeiden von Postin maatumisasteen ja aallonpituudelle 1445 nm sijoittuvan Continuum-removed spektrin reflektanssiarvon välillä on erittäin merkitsevä korrelaatio (r = 0.779) kun taas rahkaturpeiden vastaava korrelaatio on heikompi (Taulukko 5). Otantajoukkojen pienuus ja edustavuus selittää osittain eroja. Huhmarnevan saraturvenäytteiden maatumisaste vaihtelee huomattavasti enemmän kuin Varkaansuon vastaava. Kuinka paljon käsin tehdyt von Postin maatumisarvot poikkeavat toisistaan eri tutkijoiden näytejoukkojen välillä on asia, joka myös saattaa vaikuttaa. Huhmarnevan turvenäytteiden tuoremassasta mitatulla vesipitoisuudella on merkitsevä negatiivinen ja kuivatilavuuspainolla merkitsevä positiivinen korrelaatio 1445 nm:n absorptioarvon kanssa (Taulukko 5). Huhmarnevan näytteille oli määritetty lämpöarvot vain puolelle näytemäärästä. Rahkaturpeiden lämpöarvon ja 1445 nm:n absorptioarvon välillä on erittäin merkitsevä korrelaatio (r = 0.803). Absorptioikkunassa 1860-2010 nm, johon osuu toinen merkittävä veden mutta myös hemiselluloosan ja ligniinin absorptio, rahkaturpeiden osalta korrelaatiot huononevat verrattuna ikkunaan 1370-1640 nm aivan kuten Varkaansuon näytteillä. Rahkaturpeella ainoastaan kuivatilavuuspainolla on merkitsevä korrelaatio 1919 nm:n reflektanssiarvon kanssa (r = 0.609) (Taulukko 5). Saraturpeiden tuoremassan vesipitoisuudella (r = - 0.770) ja kuivatilavuuspainolla (r = 0.748) on erittäin merkitsevä ja tuhkapitoisuudella merkitsevä korrelaation vastaavan reflektanssiarvon kanssa. Absorptioikkunassa 1640-1850 nm Huhmarnevan turvenäytteiden heijastusominaisuudet poikkeavat Varkaansuon heijastusominaisuuksista siltä osin, että aallonpituuden 1674 nm:n absorptio saraturpeilta puuttuu (Kuva 15). Tämä viitannee Huhmarnevan saraturpeiden pienempään ligniinipitoisuuteen. Rahkaturpeiden lämpöarvoilla (r = - 0.801) ja maatumisasteella (r = - 0.809) on erittäin merkitsevät negatiiviset korrelaatiot 1729 nm:n reflektanssiarvon kanssa (Taulukko 5). Saraturpeiden osalta korrelaatiot tässä ikkunassa eivät ole merkitseviä. Absorptioikkunassa 2010-2220 nm, joka on selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin merkittävä absorptiokohta rahka- ja saraturpeiden absorptiomaksimit osuvat samaan kohtaan toisin kuin Varkaansuolla. Ligniinin noin 2140 nm:n kohdalle osuva absorptio puuttuu lähes kokonaan saraturpeilta (Kuva 16). Saraturpeiden maatumisasteella, tuoremassan vesipitoisuudella, kuivatilavuuspainolla ja tuhkapitoisuudella on erittäin merkitsevä ja lämpöarvolla merkitsevä korrelaatio 2094 nm:n reflektanssiarvon kanssa. Rahkaturpeiden kuivatilavuuspainolla on erittäin merkitsevä ja tuoremassan vesipitoisuudella merkitsevä korrelaation 2094nm:n reflektanssiarvon kanssa (Taulukko 5).

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 22 Taulukko 5. Huhmarnevan rahka- ja saraturvenäytteiden Continuum-removed spektrien eri aallonpituuksille osuvien absorptiomaksimien reflektanssiarvojen ja turpeesta määritettyjen ominaisuuksien välisiin korrelaatioihin liittyvät tunnusluvut.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 23 Kuva 15. Huhmarnevan vähän maatuneiden (vaaleat sävyt) ja pitkälle maatuneiden (tummat sävyt) rahka- ja saraturvenäytteiden Continuum-removed spektrejä absorptioalueelta 1640-1850 nm. Kuva 16. Huhmarnevan vähän maatuneiden (vaaleat sävyt) ja pitkälle maatuneiden (tummat sävyt) rahka- ja saraturvenäytteiden Continuum-removed spektrejä absorptioalueelta 2010-2220 nm.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 24 Absorptioikkunassa 2220-2400 nm saraturpeet absorpoivat enemmän kuin rahkaturpeet kuitenkin rahkaturpeiden korrelaatiot turpeen eri ominaisuuksien kanssa ovat selvästi paremmat kuin saraturpeilla absorptiokohdassa 2304 nm. Vaihtelut humushappojen, vahojen ja typen määrissä aiheuttavat absorptioeroja aallonpituudella 2304 nm. Ligniinin absorptiokohdassa 2270 nm ei saraturpeen maatumisasteen muutos näy kuten Varkaansuon näytteissä (Kuva 17). Aallonpituusvälillä 2310 nm 2450 nm spektrimuodot ovat yhtenevät Varkaansuon spektrien kanssa, missä näkyy hemiselluloosan, ligniinin ja vahojen määrien muutokset maatumisasteen muuttuessa. Kuva 17. Huhmarnevan vähän maatuneiden (vaaleat sävyt) ja pitkälle maatuneiden (tummat sävyt) rahka- ja saraturvenäytteiden Continuum-removed spektrejä absorptioalueelta 2220-2400 nm.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 25 4.4 Keminmaan turvenäytteiden spektriset ominaispiirteet Keminmaan kolmelta luonnontilaiselta suolta kairattiin neljä turveprofiilia, kaksi rahkavaltaiselta ja kaksi saravaltaiselta suolta. Taulukosta 5 nähdään, että saraturvenäytteet ovat keskimäärin maatuneempia (4.3) kuin rahkaturpeet (2.8). Saraturpeet ovat myös selvästi tuhkapitoisempia (6.5 % kuivapainosta) kuin rahkaturpeet (1.7 % kuivapainosta). Saraturpeiden hiili- ja typpipitoisuudet ovat keskimäärin korkeammat kuin rahkaturpeiden vastaavat (Taulukko 6). Turveprofiilien lyhyydestä ja pitemmästä näytevälistä johtuen Keminmaan turvenäytteiden lukumäärä oli verraten pieni korrelaatioiden laskemista ajatellen. Laskennassa rahkaturvenäytteitä oli 11 ja saraturvenäytteitä 8 Taulukko 6. Keminmaan soiden turvenäytteet ja niiden ominaisuudet.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 26 4.4.1 Kuivatut turvenäytteet Keminmaan soiden turvenäytteiden vähäisestä määrästä johtuen absorptiomaksimien reflektanssiarvojen ja turpeen ominaisuuksien välisistä korrelaatioista ei voitane tehdä kovin pitkälle meneviä johtopäätöksiä. Merkitsevimmät korrelaatiot muodostuivat Continuum-removed spektrin absorptiomaksimien reflektanssiarvojen ja turvenäytteiden hiili- ja typpipitoisuuden välille (Taulukko 7). Saraturpeiden Continuum-removed spektreistä (Kuvat 18 ja 19) nähdään, että aallonpituuksilla 1729 nm ja 2302 nm hiili- ja typpipitoisuuden kasvaessa absorptio kasvaa. Typpiyhdisteillä on tunnettu absorptiokohta n. 2300 nm:n kohdalla (Curran 1989). Absorptiota näillä aallonpituuksilla aiheuttavat myös mm. vahoissa, pektiinissä ja humushapoissa olevat C-Hsidokset (Ben-Dor et al., 1997). Kuva 18. Keminmaan saraturpeiden Continuum-removed spektrit aallonpituusvälillä 1640 1850 nm.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 27 Kuva 19. Keminmaan saraturpeiden Continuum-removed spektrit aallonpituusvälillä 2220 2400 nm. Continuum-removed spektrin absorptiomaksimien reflektanssiarvojen ja turpeen eri ominaisuuksien välille lasketuista korrelaatioista käy ilmi, että rahkaturvenäytteillä ainoastaan hiilipitoisuuksien ja aallonpituuksille 1729 nm ja 2302 nm sijoittuvien reflektanssiarvojen välillä on erittäin merkitsevät korrelaatiot (Taulukko 7). Saraturpeilla sekä hiili-, että typpipitoisuuksien ja aallonpituuksille 1729 nm ja 2302 nm sijoittuvien Continuum-removed spektrin reflektanssiarvojen välillä on erittäin merkitsevät korrelaatiot (Taulukko 7).

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 28 Taulukko 7. Keminmaan soiden rahka- ja saraturvenäytteiden Continuum-removed spektrien eri aallonpituuksille osuvien absorptiomaksiemien reflektanssiarvojen ja turpeesta määritettyjen ominaisuuksien välisiin korrelaatioihin liittyvät tunnusluvut.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 29 4.4.2 Tuoreiden turvenäytteiden spektrinen informaatio Osana tätä työtä tehtiin myös kokeilu, jossa mitattiin kairattuja turvenäytteitä tuoreina. Keminmaan soilta otetut turvenäytteet mitattiin FieldSpec spektrometrillä laboratoriossa ennen kuivatusta. Tuoreiden turvenäytteiden spektreissä vesipitoisuus peittää pienemmät absorptiopiirteet erityisesti SWIR-alueella. Tuoreiden turvenäytteiden spektreissä on kuitenkin merkittäviä absorptiokohtia aallonpituuksilla 975 nm, 1168 nm, 1450 nm, 1790 nm sekä 1920 nm, jotka pääasiassa ovat veden aiheuttamia (Kuva 20). Näiden absorptiokohtien spektriarvoja korreloitiin turvenäytteistä mitattujen ominaisuuksien kanssa. Kuva 20. Keminmaan Himokummunjängän tuoreiden turvenäytteiden heijastuspektrejä. Spektrien absorptiokohdat ja heijastusmaksimit (1270 nm, ja 1677 nm), joita on käytetty indeksien muodostamisessa, on merkitty kuvaan. Maatumisessa turpeen rakenne tiivistyy ja huokostila vähenee, jolloin myös veden määrä vähenee (Mäkilän 1994). Koska vedellä on selvät absorptiokohdat spektrissä antavat ne mahdollisuuden arvioida tuoreen turvenäytteen maatumisastetta sitä kautta. Absorptiokohtien korrelaatioita laskettiin sekä alkuperäisestä heijastusspektristä, että Continuum-removed spektristä. Lisäksi heijastusspektristä laskettiin indeksejä (HUI = Humification Index) heijastusspektrin maksimien (1270 nm ja 1677 nm) ja absorptiokohtien (1450 nm ja 1790 nm) välille. (Taulukot 8 ja 9). Hemiselluloosan merkittävimmissä absorptiokohdissa (mitatuilla spektreillä:1168 nm, 1450 nm, 1790 nm ja Continuum-removed spektreillä: 1162 nm, 1437 nm, 1775 nm) spektriarvojen ja turvenäytteistä määritetyn vesipitoisuuden korrelaatiot olivat merkitseviä niin sara- kuin rahkaturvenäytteillä. (Taulukot 8 ja 9). Myös mitatusta spektristä lasketut HUI-indeksiarvot korreloivat merkitsevästi vesipitoisuuksien kanssa.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 30 Taulukko 8. Keminmaan tuoreiden rahkaturvenäytteiden heijastusspektrien ja niistä laskettujen Continuum-removed spektrien absorptiokohtie reflektanssiarvojen ja turpeesta määritettyjen ominaisuuksien välisiin korrelaatioihin liittyviä tunnuslukuja. Vastaavat tunnusluvut myös alkuperäisestä spektristä muodostettujen indeksien(hui1-3) ja turpeen eri ominaisuuksien välillä.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 31 Taulukko 9. Keminmaan tuoreiden saraturvenäytteiden heijastusspektrien ja niistä laskettujen Continuum-removed spektrien absorptiokohtien reflektanssiarvojen ja turpeesta määritettyjen ominaisuuksien välisiin korrelaatioihin liittyviä tunnuslukuja. Vastaavat tunnusluvut myös alkuperäisestä spektristä muodostettujen indeksien(hui1-3) ja turpeen eri ominaisuuksien välillä.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 32 Ainoastaan saraturpeiden von Postin maatumisarvot ja myös kuivatilavuuspaino korreloivat merkitsevästi sekä alkuperäisen spektrin, että continuum-removed spektrin absorptiomaksimien reflektanssiarvojen kanssa. HUI-indeksien ja maatumisarvon sekä kuivatilavuuspainon väliset korrelaatiot ovat myös merkitseviä saraturpeilla mutta ei rahkaturpeilla. (Taulukko 9). Mäkilän mukaan turpeen tuoremassan vesipitoisuuden ja maatumisasteen välinen riippuvuus on merkitsevä rahkavaltaisilla turpeilla mutta ei saravaltaisilla turpeilla. Rahkaturpeiden käsin määritetyillä von Postin maatumisarvoilla on tässä tapauksessa todennäköisesti näytemäärän pienuudesta ja edustavuudesta (rahkaturpeet lähes kaikki heikosti maatuneita) johtuen selvästi huonommat korrelaatiot spektriarvojen kanssa kuin saraturpeilla. Korrelaatiot kuitenkin paranevat kun lasketaan Continuum-removed spektrejä tai muodostetaan kanavaindeksejä. 4.5 Regressioanalyysi Koska turvenäytteiden lämpöarvoilla todettiin olevan hyvin selvä lineaarinen riippuvuus näytteiden Continuum-removed spektrin tiettyjen absorptioarvojen kanssa, tutkittiin niiden sopivuutta turpeen lämpöarvon estimointiin lineaarisen regressioanalyysin avulla. Turvenäytteiden lämpöarvoja oli määritetty kalorimetrillä ainoastaan Varkaansuon ja Huhmarnevan turvenäytteistä. Mittaustulokset yhdistäen rahkaturpeiden lämpöarvomäärityksiä oli 28 kpl ja saraturpeiden lämpöarvomäärityksiä 19 kpl. Molemmille turvetyypeille tehtiin lineaarisen regressioanalyysi, jossa selitettävänä muuttujana on lämpöarvo ja selittävinä tekijöinä lämpöarvon kanssa parhaiten korreloivat Continuum-removed spektrin reflektanssiarvot. Rahkaturpeiden regressioanalyysissä lämpöarvon selittävinä muuttujina olivat Continuumremoved spektrin absorptioaallonpituuksia1445 nm, 1919 nm, 2094 nm ja 2304 nm vastaavat reflektanssiarvot. Regressioanalyysi (forward multiple linear regression analysis, SPSS) tuotti rahkaturpeille estimaatin, jossa absorptioaallonpituudet 1445 nm ja 1729 nm selittivät 93.7 % niiden lämpöarvojen vaihtelusta (Kuva 21). Kuva 21. Regressiomalli, joka selittää 93.7 % rahkaturpeiden lämpöarvojen vaihtelusta.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 33 Saraturpeiden regressioanalyysissä lämpöarvoa selittävinä muuttujina olivat Continuumremoved spektrin absorptioaallonpituuksia1445 nm, 1919 nm, 2136 nm ja 2304 nm vastaavat reflektanssiarvot. Parhaiten selittäviksi muuttujiksi valikoituivat aallonpituuksia 1445 nm, 1919 nm ja 2304 nm vastaavat reflektanssiarvot, jotka selittivät 76,4 % saraturpeiden lämpöarvon vaihtelusta (Kuva 22). Kuva 22. Regressiomalli, joka selittää 76.4 % saraturpeiden lämpöarvojen vaihtelusta. Regressioanalyysillä saatuja tuloksia voidaan pitää suuntaa antavina näytemäärän pienuudesta johtuen. Luotettavuuden lisäämiseksi jatkossa onkin tarkoitus mitata lisää turvenäytteitä, joista on tehty lämpöarvomäärityksiä. 5 JOHTOPÄÄTÖKSIÄ Tässä työssä tutkittiin mitä muutoksia turpeen maatumisasteen kasvaminen aiheuttaa turpeesta mitattujen heijastuspektrien muotoihin ja spektrissä esiintyvien absorptioiden ja turpeen mitattujen ominaisuuksien välisiin korrelaatioihin. Absorptiokohtien tarkempaa analysointia varten heijastuspektristä muodostettiin ns. Continuum-removed spektrejä. Tutkitut turvenäytteet olivat joko rahka- tai saravaltaisia turpeita, joita tarkasteltiin erikseen. Kuivatun rahka- ja saraturpeen heijastusspektrit eroavat toisistaan siten, että saraturpeiden reflektanssi on yleensä alhaisempi erityisesti VIS-alueella, useimmiten myös koko tarkastellun spektrin (350 2500 nm) alueella. Rahkaturpeen spektrin muoto mentäessä näkyvän valon alueelta lähi-infra-alueelle on yleensä kaarevampi kuin saraturpeiden spektri. Maatumisasteen lisääntyessä kokonaisreflektanssi yleensä laskee koko spektrin alueella. Yhteistä rahka- ja saraturpeiden spektrimuutoksille kun turpeen maatumisaste kasvaa on, että absorptiot aallonpituusväleillä 1370 1640 nm, 1860 2010 nm ja 2010-2220 nm pienenevät. Tämä johtuu siitä, että ko. aallonpituuksilla pääasiallisia absorption aiheuttajia ovat hemiselluloosa, selluloosa ja ligniini, joiden määrät turpeessa vähenevät maatumisasteen kasvaessa. Rahka- ja saraturpeiden erot tulevat selvimmin esiin absorptioikkunoissa 1640 1850 nm ja 2010 2220 nm. Erojen on tulkittu aiheutuvan erityisesti ligniinipitoisuuden erilaisuudesta, mikä

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 34 näkyy ligniinin tunnetuissa absorptiokohdissa n. 1674 nm ja n. 2270 nm. Myös vahojen, pektiinin ja humushappojen erilaiset määrät, johtuen niiden sisältämien C-H- sidosten absorpoivasta vaikutuksesta, aiheuttavat eroja näillä aallonpituuksilla turvetyyppien kesken (Ben-Dor et al.1997). Turvenäytteiden erilaiset typpipitoisuudet heijastuvat myös absorptioiden määrässä näillä aallonpituuksilla. Varkaansuon ja Huhmarnevan merkitsevimmät korrelaatiot Continuum-removed spektrin reflektanssiarvon ja turpeesta määritettyjen ominaisuuksien välillä esiintyy aallonpituuksilla 1445 nm ja 2094 nm (ligniinipitoisilla saraturpeilla 2136 nm). Nämä ovat tunnettuja selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin absorptiokohtia. Sekä rahka-, että saraturpeiden tuoremassan vesipitoisuudella, kuivatilavuuspainolla ja lämpöarvolla on erittäin merkitsevät, Huhmarnevalla osin merkitsevät, korrelaatiot näiden aallonpituuksien reflektanssiarvojen kanssa. Varkaansuon rahkaturpeiden bitumipitoisuudella ja siitä erilleen uutetuilla vaha- ja hartsipitoisuuksilla on erittäin merkitsevät negatiiviset korrelaatiot Continuum-removed spektrin reflektanssiarvojen kanssa aallonpituuksilla 1729 nm ja 2304 nm. Rahkaturpeiden lämpöarvoilla ja von Postin maatumisarvoilla on myös erittäin merkitsevät negatiiviset korrelaatiot reflektanssiarvojen kanssa vastaavissa absorptiokohdissa. Huhmarnevan näytteiden vahapitoisuuksista ei ole tietoa mutta rahkaturpeiden lämpöarvoilla ja von Postin maatumisarvoilla ja lämpöarvoilla on vastaavat korrelaatiot myös erittäin merkitseviä. Keminmaan kuivien turvenäytteiden merkittävimmät korrelaatiot ovat näytteiden hiili- ja typpipitoisuuksien ja Continuum-removed reflektanssiarvojen välillä aallonpituuksilla 1729 nm ja 2302 nm. Turpeen heijastusspektrissä havaittiin selviä absorptiokohtien muutoksia kun turpeen maatumisaste muuttuu. Kun kaikkien soiden mittausaineistot yhdistettiin parhaiten turpeesta laboratoriossa mitatuista ominaisuuksista absorptiomuutosten kanssa korreloi lämpöarvo niin rahka- kuin saraturpeillakin. Mäkilän (1994) mukaan sekä rahka-, että saraturpeiden lämpöarvolla on erittäin merkitsevät korrelaatiot hiilipitoisuuden kanssa. Kalorimetrillä määritetty lämpöarvo sopii hyvin ominaisuudeksi, jota voidaan luotettavasti estimoida heijastuspektrimittausten avulla. Lämpöarvon suuruus riippuu turvelajista, sen maatumisasteesta ja koostumuksesta. Mm. puuaines eli ligniini nostaa lämpöarvoa. Energiakäyttöön sopii pitkälle maatunut ja korkean lämpöarvon omaava turve. Lineaarista regressionanalyysiä (forward linear multiple regressioanalysis) käyttäen laskettiin estimaatti kuvaamaan mitatun heijastusspektrin ja lämpöarvon välistä yhteyttä. Rahkaturpeille saatu estimaatti selitti 93.7 % niiden lämpöarvojen vaihtelusta kun selittävinä muuttujina olivat Continuum-spektrin absorptioaallonpituuksia 1445 nm ja 1729 nm vastaavat reflektanssiarvot. Saraturpeille vastaava estimaatti selitti 76,4 % lämpöarvojen vaihtelusta kun selittävinä muuttujina olivat Continuum-spektrin absorptioaallonpituuksia 1445 nm, 1919 nm ja 2304 nm vastaavat reflektanssiarvot.

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 35 6 KIRJALLISUUS Alakangas E., 2000. Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia. VTT tiedotteita, 172 s. Ben-Dor E., Inbar Y. & Chen Y., 1997. The Reflectance Spectra of Organic Matter in the Visible Near-Infrared and Short Wave Infrared Region (400-2500 nm) during a Controlled Decomposition Process. Remote Sensing of Environment, 61, pp. 1-15. Clark R.N. & Roush T.L., 1984. Reflectance spectroscopy: Quantitative analysis techniques for remote sensing applications. Journal of Geophysical Research 89, pp. 6329 6340. Curran P.J., 1989. Remote sensing of foliar chemistry. Remote Sensing of Environment, 30, pp. 271-278. Elvidge C.D., 1990. Visible and near infrared reflectance characteristics of dry plant materials. International Journal of Remote Sensing, 11, pp. 1775 1795. Gates D.M., 1970. Physical and physiological properties of plants. In: National Research Council, Committee on Remote Sensing for Agricultural Purposes, Remote Sensing with special reference to agriculture and forestry, 224-252. National Academy of Sciences, Washington D.C., USA. Huang Z., Turner B.J., Drury S.J., Wallis I.R. & Foley W.J., 2004. Estimating foliage nitrogen concentration from HYMAP data using continuum removal analysis. Remote Sensing of Environment, 93, pp. 18-29. Kokaly R.F. & Clark R.N., 1999. Spectroscopic Determination of Leaf Biochemistry Using Band-Depth Analysis of Absorption Features and Stepwise Linear Regression. Remote Sensing of Environment, 67, pp. 267-287. Kokaly R.F., 2001. Investigating a Physical Basis for Spectroscopic Estimates of Leaf Nitrogen Concentration. Remote Sensing of Environment, 75, pp. 153-161. Korhonen R., 1997. Kylpyturpeeksi soveltuvien turvelajien fysikaalis-kemiallisista ominaisuuksista ja geologiasta eräillä Länsi-Suomen soilla. Fil.lis.tutkielma, Turun Yliopisto, Geologian laitos, Maaperägeologian osasto, 85 s. Lehtovaara J, Herranen M. & Nyrönen T., 1988. IR-spectroscopy as an analytical method for identification of horticultural peat. Acta Horticulturae 221, pp. 153-160. McMorrow J.M., Cutler M.E., Evans M.G. & Al-Roichi A., 2004. Hyperspectral indices for characterizing upland peat composition. International Journal of Remote Sensing, 25, pp. 313 325. McMorrow J., Cutler M., Al-Roichi A. & Evans M., 2005. Hyperspectral remote sensing of peat humification. EARsel & Warsaw University, Warsaw 2005. Imaging Spectroscopy. New quality in environmental studies. ZagajewskiB., Sobczak M., (eds).

Heijastusspektrin (350-2500 nm) antama informaatio turpeen ominaisuuksien arvioinnissa 36 Mäkilä M., 1994. Suon energiasisällön laskeminen turpeen ominaisuuksien avulla. Summary: Calculation of the energy content of mires on the basis of peat properties. Report of Investigation 121, 84 p. Geological Survey of Finland, Espoo, Finland. Nagler P.L., Daughtry C.S.T. & Goward S.N., 2000. Plant litter and soil reflectance. Remote Sensing of Environment, 71, pp. 207-215. Nyrönen T & Lehtovaara J., 1985. Infrared spectroscopy a novel tool for peat classification. IPS symposium on tropical peat resources, February 25 March 1, 1985, Kingston, Jamaica. Ruuhijärvi R. & Hosiaisluoma V., 1988. Atlas of Finland (toim. Alalammi, P.). Vihko 141-143. Elävä luonto, luonnonsuojelu. 5. laitos. Helsinki: Maanmittaushallitus ja Suomen Maantieteellinen Seura. 32 s. Soveri U., 1948. Eräiden turvelajiemme kemiallisesta kokoomuksesta ja sen vaikutuksesta niiden polttoarvoihin. Summary: On the chemical composition of some varieties of Finnish peat and its influence on their calorific value. Maataloustieteellinen aikakauskirja (20), 81-100. Virtanen K., Hänninen P., Kallinen R-L, Vartiainen S., Herranen T. & Jokisaari R., 2003. Suomen turvevarat 200. Summary: The Peat Reserves of Finland in 2000. Report of Investigation 156, 101p. Geological Survey of Finland, Espoo, Finland.