Maanpeitteen ja maankäytön muutostutkimusta Afrikassa Geoinformatiikan tutkimuspäivät 22-23.5.2013 Petri Pellikka Geotieteiden ja maantieteen laitos Taitan tutkimusasema Helsingin yliopisto 28.5.2013 1
Maanpeitteen muutokset Maanpeite on pääasiallinen tekijä veden, kaasujen, hiilen, aerosolien ja lämmön vaihdossa maan ja ilmakehän välillä Maatalousmaan kasvu vähentää alkuperäistä kasvillisuutta ja lisää avomaan määrää Kasvava albedo vaikuttaa säteilytasapainoon ja lämpöolosuhteisiin Vähenevä kasvillisuus sitoo vähemmän ilmakehän kosteutta ja pidättää vähemmän vesivaroja Paras menetelmä tutkia maanpeitteen ja albedon muutoksia on kaukokartoitus Ananasviljelmä, Kenia 28.5.2013 2 Albedon (%) vaihtelua eri maanpinnan luokista, Burkina Faso
GeoInformatics Research Group Professori, yliopistonlehtori (Mika Siljander/Tuuli Toivonen, tenure track professori suunnitteilla, professuuri fysikaaliseen maantieteeseen haettavana Post doc tutkijat Matto Mõttus, Janne Heiskanen ja Eduardo Maeda Tutkijakoulutettavia mm. Pekka Hurskainen, Mårten Boström, Tuure Takala, Xiochen Zou, Johanna Hohenthal, Kirsikka Heinilä GIMMEC tutkijayhteisö (Geoinformatics in monitoring and modelling environmental change) yhdessä luonnonmaantieteen (Miska Luoto), metsätieteiden (Pauline Stenberg) ja biotieteiden (Tarmo Virtanen) kanssa Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi 28.5.2013 3
Paikallisia maanpeitteen muutoksia Alkuperäismetsien kaukokartoitusta 1955 2004, Taitavuoret, Kenia EnsoMOSAIC kuvausjärjestelmä
Taitavuoret, Kaakkois-Kenia Osa Itäisiä Kaarivuoria, luonnon monimuotoisuuden keskittymää maailmassa Useita kotoperäisiä eläin- ja kasvilajeja 1000 km2, 140 000 ihmistä vuorilla ja 60 000 ympäröivällä tasangolla Nousevat tasangolta yli 2000 metriin Vuoren huipuilla vuoristosademetsää Intensiivistä maataloutta ja suuri väestöntiheys vuorilla Tasangoilla karjanlaidunnusta, sisalplantaaseja, kansallispuistoja ja alhainen väestöntiheys
Mountain rain forest, 1800 m 1200 mm/v Rain shadow area Ngangao Mbololo Tsavo NP border Savannah, 500 m 500 mm/a Voi N Taita Research Station Vuria 2208 m Chawia Food crops Cash crops Riverine forest Trade winds from SE, orographic rains Sisalplantation Nyika, grazing Taita Hills, SPOT XS, 1.7.1987, green, red and NIR wavelengths, false colour composition
Ilmakuva-aineisto Digitaalikameramosaiikit, EnsoMosaic, 2004 Mustavalkoilmakuvat, 1955 28.5.2013 7
Ngangao, 26.1.2004 Digitalikuvamosaiikki 140 kuvasta 500 m Yksittäinen kuva 500 m Ngangao, 26.1.2004, Spatiaaliresoluutio 0.3 m jönen Milla Lanne
Ngangao Maanpeittomalli 50 cm spatialiresoluutio Visuaalinen tulkinta ArcGIS Alkuperäismetsä Pensaikko Peltometsäviljely Rakennettu alue Kallio Eksoottinen metsä Pelto Avomaa Tie Kosteikko by Mika Siljander Mika Siljander Vesi
Ngangao Metsän muutokset Menetelmät Metsäpinta-alan ja kuvoiden visuaalinen tulkinta Digitointi 500 m Muutostulkinta 1955 ja 2004 2004 1955 Ngangao Digitaalikamerakuvamosaiikki, 1955 2004 1955 140 images Ilmakuvamosaiikki, 2 kuvaa
Metsän muutokset 1955-2004 Ngangao, Taita Hills, Kenya 1955 2004 Alkuperäismetsä 150 ha 120 ha Eksoottinen metsä - 70 ha Kallio 10 ha 2 ha Märten Boström
Tulokset kuudesta metsästä 1955-2004 Irizi Alkuperäismetsät vähenivät 50% Ngangao Mwambirwa Kokonaismetsäala pysyi samana eksoottisten istutusmetsien Mbololo takia Alkuperäismetsät 16 km raivattiin maatalousmaaksi Yale Eksoottiset metsät istutettiin avomaille ja kallioille 1960-1980 Mwachora Pellikka, P. et al., 2009. Airborne remote sensing of spatiotemporal change (1955-2004) in indigenous and exotic forest cover in the Taita Hills, Kenya. Int. J. of Applied Earth Observation and Geoinformation. Vuria Macha Fururu Susu Chawia
Alueelliset maankäytön muutokset SPOT satelliiittikuvadata 1987, 1992, 2003, 20m spatiaaliresoluutio Land Cover Classification System, FAO Maatalousmaat, pensaikot, tiheiköt, avoin metsä, istutusmetsä, alkuperäissademetsä, ruohostot, avomaa, rakennettu alue, kallio, vesi ja palaneet alueet
Maanpeitteen muutos, vuodenajat ja fenologia Kuva sadekuden päätteeksi Barnaby Clark
Maanpeitteen muutos, vuodenajat ja fenologia Maatalousalueen kasvu Kuva otettu kuivan kauden päätteeksi maastopalot Vesipinta-alan väheneminen Barnaby Clark Mwataten tekoallas 27.9.2009
SPOT, 1.7.1987 and 15.10.2003 1987 2003 Object oriented classification Accuracy 89% Clark & Pellikka, 2009 Avoimien metsien ja pensaikkojen häviäminen
Pensaikkojen ja tiheikköjen häviäminen 20% Uudet pellot tasangolla Irizi Maatalousmaan kasvu 40% Avomaan kasvu 144% Alkuperäismetsien väheneminen 10% Spot Kinyesha Mvua Clark, B.J.F. & P.K.E. Pellikka, 2009. Landscape analysis using multiscale segmentation and object orientated classification. Recent Advances in Remote Sensing and Geoinformation Processing for Land Degradation Assessment. Taylor & Francis. Rakennetus alueen kasvu 17% (2% väestön kasvu) Vesipinta-alan lasku 76% Muutos vedenkäytössä ja kasvillisuudessa SPOT, 15.10.2003
Simuloitu maankäyttöennuste Taitavuorille 2030 Maeda et al., 2010. Modelling agricultural expansion in Kenya s eastern Arc mountains biodiversity hotspot. Agricultural Systems 103, 609-620
Maatalousmaan kasvu Afrikassa Maanpeitteen muutos 1975 2000 Joint Research Centre, EC 57 koealan kaukokartoitus ja luokitus: maatalousalueet, metsä, ei-metsä kasvillisuus, avomaa Maatalousmaan kasvu suurinta Madagaskarilla, Sahelin vyöhykkeellä ja Länsi-Afrikassa Afrikka on menettänyt 16% metsistään ja 5% avoimista metsistä ja ruohostoista 25 vuodessa Afrikassa maatalouden tuottavuuden lisääntyminen perustuu peltopinta-alan kasvuun Muualla maailmassa teknologian käyttöönottoon
Keskustelua
Vesivarat Dembwa cliff, Taita Hills 1989 2010 Veden käytön lisääntyminen vuorilla (keinokastelu, talouskäyttö) Kasvillisuuden volyymin pienentyminen Ilmaston muutos (sataa vähemmän) Petri Pellikka
Future research Less irradiance due to mist/cloud cover Less long wave radiance Less heat to the atmosphere Less reflectance due to forest cover Taita Hills more capture of atmospheric moisture with greater vegetation volume
Metsien ennallistaminen Poistamalla eksoottiset puulajit Antamalla elintilaa alkuperäisille lajeille Valitettavasti mäntymetsää paloi 15.10.2010 tuhoten myös alkuperäissademetsää Indigenous forest undergrowth in pine plantation
Metsät ovat hyödyllisiä Sitovat hiiltä Synnyttävät pilviä ja sateita Varastoivat vettä Ylläpitävät luonnon monimuotoisuutta Promoavat luontoturismia Tarjoavat ekossysteemipalveluita; mm. elinympäristöjä maatalouskasvien pölyttäjille
Pilvien muodostuminen metsien päälle Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi Mt. Kasigau, Taita 16.1.2010 6:53 7:03 7:09 28.5.2013 25
Muuttuuko maanpeite? Vaihtoehto 1: peltojen raivaus jatkuu vaikutukset luonnon monimuotoisuuteen, säteilytasapainoon, vesitasapainoon ja eroosioon Vaihtoehto 2: paloherkille eksoottisille plantaasimetsille ei tehdä mitään mäntymetsät ränsistyvät, palavat ja palot tuhoavat myös sademetsää Vaihtoehto 3: eksoottisia plantaasimetsiä korvataan alkuperäislajeilla luonnon monimuotoisuus lisääntyisi ja vesivarat paranisivat pitkällä tähtäimellä luontoturismin, puunjalostusteollisuuden kehitys ja elinolosuhteiden parannus Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi 28.5.2013 26
Tämänhetkiset hankkeet Kapasiteetin vahvistaminen tutkimuksen kautta Ilmaston ja maanpeitteen muutosten vaikutusten tutkimus Metsät ilmaston muutoksessa ja vesivarojen ylläpitämisessä CHIESA, BIODEV, TAITAWATER
Impact of Climate Change on Ecosystem Services in East African highlands Ilmastonmuutoksen vaikutus maissin, kahvin, avokadon ja kaalien pölyttäjiin ja tuhohyönteisiin ja niiden habitaatteihin Ilmaston ja maanpeitteen muutosten vaikutuksen habitaatteihin ja luonnon monimuotoisuuteen Helsingin yliopiston rooli kaukokartoitus- ja paikkatietotutkimus ja opetus Paikkatietoaineistojen tuottaminen ja jakaminen Suomen Ulkoasianministeriö icipe, International Centre of Insect Physiology and Ecology, University of York, University of Dar es Salaam, Sokoine University of Agriculture Taita Hills, (Kenia), Kilimanjaro (Tansania), Jimma (Etiopia) 28.5.2013 28
Ilmakuvauskampanjat Helsingin yliopiston laitteilla Tammikuu 2012: AISA Eagle hyperspektraaliskanneri ja EnsoMosaic (NIKON) Helmikuu 2013: Optech laserkeilain ja AISA Eagle AISA Eagle lentolinja, leveys 500 m, spatiaaliresoluutio 0.5 m Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi 20.1.2012, väärävärikompositio 28.5.2013 29
AISA Eagle 20.1.2012 50 cm vihreä, punainen, NIR Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi NIKON D3X, 20.1.2012 10 cm sininen, vihreä, punainen 28.5.2013 30
24 koealan kartoitus Mwatate - Vuria Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi 28.5.2013 31 Lehtiala- ja spektrimittauksia
CHIESA Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi 28.5.2013 32 24 maatalousalueen teemakartoitus maataloustutkimusta varten, Arto Viinikka
Avocado Banana Maize Sugarcane Trees Maatalouskasvien kartoitusta AISA-aineistolla Mosaic, 5 lines Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Geotieteiden ja maantieteen laitos Pekka Hurskainen Classified 28.5.2013 33 Classified
Puulajikartoitus True Pulse laser pointerin avulla maastoaineistoa AISA-tulkinnoille Kokonaisluotettavuus 77%, monilla lajeilla yli 90% Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi 28.5.2013 34
BIODEV - Building Biocarbon and Rural Development in West Africa (BIODEV) Tavoitteena lisätä puuston määrää metsissä ja pelloilla vähentääksemme hiilen määrää ilmakehässä REDD+ Reducing Emissions from Deforestation Helsingin yliopiston tehtävä biomassan ja hiilen kaukokartoitus laserkeilainaineiston ja optisen kaukokartoitusaineiston avulla Paikkatietokoulutus ja kapasiteetin vahvistaminen Maapeän hiilen monitorointi ICRAF:n toimesta Burkina Faso, Sierra Leone ja Kenia Suomen Ulkoasianministeriön rahoitus Koordinaattori ICRAF (World Agroforestry Center) ja muut CIFOR (Centre for International Forestry Research), Itä-Suomen yliopisto ja partnerit Burkina Fasossa ja Sierra Leonessa 28.5.2013 35
Lidar ja AISA hyperspektraalidata Taitavuorilta 2013 400 km2 4 pistettä per m2 Samanaikaiset puustomittaukset 100 koealalta (0.1 ha) Puiden ja metsien biomassan ja hiilen mallinnus Metsän rakenteen mallinnus (pituus, tiheys, biomassa) ja analyysi AISA-datan kanssa Maaperän hiilen analysointi samoilta koealoilta 28.5.2013 36
TAITAWATER - Multidisciplinary studies on vegetation-climate-ecosystem processes for water management in East African highlands Taitan paikallisilmaston tutkimus Ilmakehän kosteuden kaappaus puiden kautta Veden pidättyminen metsässä puiden ja epifyyttien avulla Sääasemia Veden käyttö Taitavuorilla Suomen Akatemia 2012-2016
Kuinka paljon metsä pystyy kaappaamaan ilmakehän kosteutta ja pidättämään sitä? Minkälainen latvusrakenne on koealoilla? (hemisfäärivalokuvat, laserkeilainaineisto) Kuinka sammalet ja jäkälät pidättävät vettä ja kuinka nopeasti ne kasvavat? Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Geotieteiden ja maantieteen laitos Pekka Hurskainen 28.5.2013 38
Taitan tutkimusasema Tutkimusretki Taitavuorille jo vuonna 1989 Kolme Suomen Akatemian hanketta Kolme UM:n hanketta Helsingin yliopisto hankki Keniasta tutkimusaseman vuonna 2009 Maankäytön muutos ja sen vaikutus ekologiaan, ilmastoon, vesivaroihin ja ihmistoimintaan 8 väitöskirjaa ja liki 30 gradua Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi 28.5.2013 39
Taitan tutkimusasema 1400 m Wundanyissä 16-24 petiä Internet, sähkö, lämmin vesi, hyvä ruoka, sauna, opetustilat 12 hengelle, laboratoriot, kaksi autoa, prätkä ja maastopolkupyöriä Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta / Henkilön nimi / Esityksen nimi 28.5.2013 40
petri.pellikka@helsinki.fi http://blogs.helsinki.fi/taita-research-station/ http://chiesa.icipe.org/