BOREAALISEN METSÄN SITOMAN SÄTEILYN (FPAR) ARVIOIMINEN SATELLIITTIMITTAUKSISTA METSÄTIETEEN PÄIVÄN TAKSAATTORIKLUBI Titta Majasalmi 1 *, Miina Rautiainen 1, Pauline Stenberg 1 and Terhikki Manninen 2 1 Metsätieteiden laitos, University of Helsinki, Finland; 2 Ilmatieteen laitos, Helsinki, Finland SATELLIITTIMITTAUSTEN PERUSTEITA Satelliitti-instrumentit mittaavat maasta heijastunutta säteilyä, joka on peräisin auringosta Kohteiden erottaminen kuvilta perustuu niiden erilaiseen tapaan heijastaa säteilyä Spektrin tulkintaan on monia menetelmiä PAR = Photosynthetically Active Radiation (0.4-0.7 μm) fpar = fraction of absorbed PAR Aallonpituus http://www.eumetrain.org/data/3/36/print.htm
SATELLIITTIMITTAUSTEN PERUSTEITA Satelliittimittaukset soveltuvat erityisesti laajojen alueiden inventointiin: on mahdollista kattaa suuria alueita, esimerkiksi koko boreaalinen metsävyöhyke viikoittain. Ajassa ja tilassa tapahtuvien muutosten seurantaan: fenologia, tuhot, maankäytön muutokset. Satelliittikuvat pohjoisen luonnon seurannassa Majasalmi, T. 2012 Turjan vuonoilta Vienanmerelle: matka Kuolan niemimaan luontoon ja kulttuuriin.vanhatalo, A., Niemelä, P., Kuuluvainen, T. & Vasander, H. (eds.). Helsinki: Helsingin yliopiston metsätieteiden laitos, p. 87-94 8 p. (Helsingin yliopiston metsätieteiden laitoksen julkaisuja; vol. 4) SATELLIITTIMITTAUSTEN PERUSTEITA Metsikön tuottavuuden (Net Primary Productivity, NPP) globaali arviointi perustuu kasvuston sitomaan säteilyyn (fpar): NPP = PAR * fpar * LUE PAR = tulosäteily PAR aallonpituusalueella fpar = kasvillisuuden sitoma osa säteilystä LUE = valonkäytön tehokkuus (Light Use Efficiency, oletetaan suhteellisen vakioksi)
MÄÄRITTEITÄ Satelliittituote = Kartanomainen tuote, joka lasketaan käyttäen satelliittimittauksia. Monet satelliittituotteet esim: albedo, pintaheijastus, ja maanpeitekartat perustuvat usein komposiitteihin. Komposiitti = Yksittäisistä satelliittimittauksista muodostettu mittauskokoelma (vrt. korttipakka ). MODIS fpar = vanha amerikkalainen standardi satelliittituote, joka on ollut saatavilla jo vuodesta 2000. GEOV1 fpar = uusi eurooppalainen neuroverkkoihin perustuva satelliittituote, jonka kehityksessä on käytetty aiempia fpar tuotteita. SATELLIITTITUOTTEET MODIS JA GEOV1 FPAR fpar tuote MODIS (MOD15A2) GEOV1 (BioPar FAPAR) fpar määritelmä Vihreän kasvillisuuden fpar ~10:30 AM Vihreän kasvillisuuden fpar~10:15 AM Sensori MODIS Terra SPOT VEGETATION Maaresoluutio 1 km 1 km Algoritmi 3D säteilymallin inversio Harjoitetut neuroverkot Julkaisuväli 8 päivää 10 päivää Komposiitin koko 8 päivää 30 päivää Komposiitin 8pv. maksimi 30pv. kertymäfunktio 70% prosessointi Tuottaja NASA/Boston univ. Geoland2
FPAR MAASTOSSA TAUSTA fpar on dynaaminen muuttuja (LAI, auringon kulma, lehtien orientaatio) Metsikön fpar lasketaan säteilykomponenttien a (auringosta tuleva ja absorboituva) ja c (maasta heijastuva ja latvustoon absorboituva) summana. Määritelmällisesti metsikön fpar ei sisällä aluskasvillisuuden sitomaa säteilyä. OMA TUTKIMUKSENI -TAUSTA 2000-luvulla kehitettiin useita satelliittipohjaisia fpar-tuotteita, mutta vuoteen 2013 tultaessa vain kaksi tuotetta jäljellä (MODIS ja GEOV1 fpar). Nykyisten fpar tuotteiden validoinnin ongelmana on maastomittausten vähyys ; karkea maaresoluutio (=1km 2 ) vaikeuttaa maastomittausten toteuttamista. Oman tutkimukseni tarkoituksena oli selvittää, kuinka hyvin satelliittimittauksiin ja maastomittauksiin perustuva fpar vastaavat toisiaan boreaalisessa metsässä.
TUTKIMUSALUE Jokaiselta metsikkökoealalla (307) mitattiin sekä puuston keskitunnukset että eri aluskasvillisuustyyppien peittävyys Lisäksi mitattiin jokaisen metsikkökoealan latvuston läpäisevyys (LAI-2000) Metsikkökoealojen joukosta valittiin 18 alaa, joilla tehtiin fpar mittauksia (TRAC) LAI-2000 MITTAA LATVUSTON LÄPÄISEVYYTTÄ SINISELLÄ AALLONPITUUSALUEELLA. MITTAUKSET PUOLIPALLON YLI HAJAVALOSSA (ILTA/AAMU)
TRAC MITTAA LÄPÄISEVYYTTÄ JA HEIJASTUSTA PAR AALLONPITUUSALUEELLA. MITTAUKSET LINJOITTAIN KOHTISUORASTI AURINKOA VASTEN, SUORASSA VALOSSA. FPARIN MALLINNUS Maastomittauksiin perustuva fpar Kokonais fpar fpar mallinnus Metsän latvus fpar (Majasalmi et al. 2014) Aluskasvillisuus fpar (Pickett-Heaps et al. 2014) Maastoaineisto Latvuston läpäisevyys Lehtien ja aluskasvillisuuden spektrit Aluskasvillisuuden peittävyys
MENETELMÄT Verrattiin maastossa mitattuja ja mallilla simuloituja fpar-arvoja toisiinsa. Tarkasteltiin kahden satelliittituotteen (MODIS and GEOV1 fpar) laadullista kehitystä kesäkuun puolivälistä elokuun puoleenväliin. Lopuksi MODIS ja GEOV1 fpar satelliittituotteita validoitiin maastomittauksiin perustuvan fparin avulla. MITATTU JA MALLINNETTU FPAR KOEALOITTAIN Latvus + aluskasv. Aluskasvillisuus (TRAC) RMSE = 0.07 r = 0.94 (TRAC) (LAI-2000) (peittävyys)
SATELLIITTITUOTTEIDENVERTAILU PIKSELEITTÄIN SATELLIITTITUOTTEIDEN LAADULLINEN VERTAILU (16 PIKSELIÄ) % 1 0.5 0 164 172 180 188 196 204 212 220 228 Kesäkuun Vuodenpäivä Elokuun puoliväli puoliväli 1 MODIS Back-Up% Saturation% Good% GEOV1 % 0.5 0 164 174 184 194 204 215 225 Vuodenpäivä Poor% Suspect% Good%
SATELLIITTITUOTTEIDEN LAADULLINEN VERTAILU (16 PIKSELIÄ, VAIN HYVÄT PIKSELIT) 1 MODIS fpar 0.6 0.2 1 164 172 180 188 196 204 212 220 228 Vuodenpäivä GEOV1 fpar 0.6 0.2 mänty kuusi seka 164 174 184 194 204 215 225 Vuodenpäivä SATELLIITTITUOTTEIDENVALIDOINTI MAASTOMITTAUKSILLA
TULOKSET Maastossa mitattu ja mallilla laskettu fpar vastasivat toisiaan Vanha standardiksi muodostunut MODIS fpar tuotti laadullisesti huomattavasti vaihtelevampia tuloksia kuin uusi GEOV1 fpar Molemmat satelliittituotteet vastasivat kokonais fparia (metsikön latvuksen + aluskasvillisuuden fpar). ONKO UUDESTA TEKNOLOGIASTA APUA TIEDONHANKINNASSA? Uusi GEOV1 fpar on parempi kuin vanha standardi MODIS fpar boreaalisen metsän fparin arviointiin.
KIITOKSET! REFERENCES Majasalmi T., Rautiainen R., Stenberg P., 2014. Modeled and measured fpar in a boreal forest: Validation and application of a new model. Agric. For. Meteorol. 189-190: 118-124. Validation of satellite-based fpar products in a boreal forest site. (Submitted manuscript). NDVI kuva: Satelliittikuvat pohjoisen luonnon seurannassa. Majasalmi, T. 2012 Turjan vuonoilta Vienanmerelle: matka Kuolan niemimaan luontoon ja kulttuuriin.vanhatalo, A., Niemelä, P., Kuuluvainen, T. & Vasander, H. (eds.). Helsinki: Helsingin yliopiston metsätieteiden laitos, p. 87-94 8 p. (Helsingin yliopiston metsätieteiden laitoksen julkaisuja; vol. 4) Spektri kuva: http://www.eumetrain.org/data/3/36/print.htm