Tutkimuksessa kehitettiin parannuksia tutkasatelliittien tarjoamaan tietoon routatilanteesta

Uusi tutkimus esittää olennaisia parannuksia olemassa olevaan menetelmään, jolla maaperän routatilannetta selvitetään tutkasatelliittien avulla. Parannukset tuovat tietoa märästä lumesta, huomioivat kesäkaudella tapahtuvat muutokset ja käyttävät edistyneempää luokittelualgoritmia. Tutkimus toteutettiin pohjoisella havumetsävyöhykkeellä L- ja C-mikroaaltoalueen SAR (Synthetic Aperture Radar) tutkasatelliittien avulla, jotka toimivat eri taajuuksilla. Tutkimuksessa osoitettiin, että kummallakin taajuudella routatilanteen arvioiminen onnistuu hyvällä tarkkuudella.  

Matalamman taajuuden L-alue on ideaalisempi maaperän routatilanteen selvittämiseksi, koska se on vähemmän herkkä kasvillisuudelle ja lumikerrokselle. Lisäksi sillä päästään syvemmälle maaperään. Vaikka C-alueen tutkasatelliitit toimivat lähtökohtaisesti heikommin maaperän routatilanteen selvittämisessä, huomioimalla myös puustosta tuleva signaali laskenta-algoritmissa, päästään yhtä hyvään arviointitarkkuuteen kuin mitä L-alueella päästäisiin. 

Ilmatieteen laitoksella on aikaisempina vuosina tutkittu routatilanteen kartoittamista C-alueen tutkasatelliiteilla. Tämä on tehty Copernicus Sentinel-1 satelliittien jatkuvasti saatavilla olevan ilmaisen aineiston avulla. Tutkimusten pohjalta on kehitetty lähes koko Suomen kattava Sentinel-1 satelliitteihin perustuva routatuote. Uusi tutkimus esittää olennaisia parannuksia tähän olemassa olevaan menetelmään.  

L-alueen satelliittitutka-aineistoa on nykyään huonommin saatavilla. Kuitenkin lähivuosina laukaistavat eurooppalainen ROSE-L- ja amerikkalaisintialainen NISAR-tutkasatelliitit tarjoavat hyvän mahdollisuuden seurata routatilannetta tulevaisuudessa myös matalammalla taajuudella. Tutkimuksessa käytetty Japanilaisesta ALOS-2-satelliitista saatu ainutlaatuinen ja kattava tutka-aineisto mahdollisti L-alueelle sopivan tuotteen kehittämistä pohjoiselle havumetsävyöhykkeelle jo etukäteen. 

Tutkimusta toteutettiin kahdessa vaiheessa 

Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa tarkasteltiin, miten maaperän ja kasvillisuuden olosuhteet vaikuttavat tutkasignaalin takaisinsirontaan, eli kohteesta tutkaan palaavan signaalin vahvuuteen. Erityisesti keskityttiin puuston jäätymisen vaikutukseen ja takaisinsironnan muutoksiin keväästä syksyyn. Näitä ei ole aikaisemmin tutkittu kunnolla, vaikka niillä on suuri merkitys routatilanteen arvioimisen kannalta. 

Toisessa vaiheessa routatilanteen kartoittamista havainnollistettiin valituilla testialueilla Suomesta. Satelliittihavaintoihin sovellettiin aluksi metsämalli, joka kykenee erottamaan maan pinnalta ja latvustosta peräisin olevat takaisinsirontakomponentit. Sen jälkeen kerättiin vertaisaineistoksi satelliittihavaintoja edustamaan syksyn (sula), talven (routa) ja kevään (sula) tilanteita. Lopuksi näitä käytettiin luokittelualgoritmissa erottamaan roudan ja sulan maan tilanteet. Tässä hyödynnettiin myös automaattisia ilman lämpötilan ja lumen syvyyden mittauksia.  

Märkä lumi voi estää mikroaaltosäteilyn pääsyn maan pinnalle, joten routatilanteen lisäksi märkä lumi kartoitettiin tutkasignaalin, ilman lämpötilan ja lumen syvyyden tietojen avulla. Näin routatilanteen seuraaminen onnistui luotettavasti myös kevätkaudella. Tulosten todentamisessa käytettiin muun muassa Sodankylässä sijaitsevan Arktisen avaruuskeskuksen lähistöllä olevia maaperän lämpötila- ja kosteusmittauksia. 

Lisätietoja: 

Tutkija Juval Cohen, Ilmatieteen laitos, p. 050 376 4128, juval.cohen@fmi.fi 

Artikkeli on vapaasti luettavissa Detection of soil and canopy freeze/thaw state in the boreal region with L and C Band Synthetic Aperture Radar – ScienceDirect 

J. Cohen, J. Lemmetyinen, J. J. Ruiz, K. Rautiainen, J. Ikonen, A. Kontu, J. Pulliainen. “Detection of soil and canopy freeze/thaw state in the boreal region with L and C Band Synthetic Aperture Radar”. In Remote sensing of environment. https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114102