aalto1 untyped-item.component.html
Monitoring the freezing and thawing of soil in Finnish peatlands utilizing synthetic-aperture radar imaging — A case study in non-permafrost peatland complex of Siikaneva
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
58
Series
Abstract
The freeze/thaw (F/T) dynamics of boreal peatlands play an important role in the global carbon cycle but their comprehensive monitoring has been challenging with traditional field measurements. During the past decade, the Synthetic-Aperture Radar (SAR) imaging has proven to be a reliable method to monitor these dynamics but so far boreal peatlands have reserved little attention. Thus, the aim of this thesis was to evaluate the suitability of SAR based freeze/thaw monitoring in Finnish peatlands.
A case study was performed on Siikaneva peatland complex located in southern Finland. Seven study sites with varying sizes and forest cover were used. In total, 44 Sentinel-1 SAR images between September 2021 and May 2022 were used. The Seasonal threshold approach (STA) was utilized to classify the F/T state of the soil. The classifications were validated with soil temperature measurements at the depth of 6 cm.
A promising classification accuracy of 90 % was achieved in the treeless peatland areas. However, the increased tree cover reduced the classification accuracy to 60 %. Despite of high prediction accuracies, the method proved to be limited during the latter half of the freezing period. The Sentinel-1 low-wavelength signal could not penetrate through thick and wet snow cover of early spring. Furthermore, the transition periods between frozen and thawed soils were difficult to capture.
In conclusion, the SAR-based F/T detection showed great promise in monitoring boreal peatlands especially in periods of shallow snow cover. However, furtherstudy using high-wavelength L-band data and more advanced detection methods would enable more extensive F/T detection. This would lead into improved understanding of F/T dynamics in boreal peatlands.
Boreaalisten turvesoiden sulamis-jäätymissykleillä on tärkeä rooli globaalissa hiilenkierrossa, mutta niiden laajamittainen havainnointi on ollut hankalaa perinteisillä kenttämittausmenetelmillä. Synteettinen apertuuritutka (SAR) on osoittautunut luotettavaksi menetelmäksi maaperän sulamisen ja jäätymisen havainnointiin. Tästä huolimatta turvesuot ovat jääneet vähälle huomiolle SAR-pohjaisen maaperän olomuodon havainnoinnin aikaisemmissa tutkimuksissa. Tämän diplomityön tavoitteena onkin arvioida SAR:iin perustuvan sulamisen ja jäätymisen havainnoinnin soveltuvuutta suomalaisilla turvesoilla.
Työn tutkimusalueena oli Ruovedellä sijaitseva Siikanevan luonnonsuojelualue. Turvesuon olomuotoa havainnointiin yhteensä seitsemällä tutkimuspalstalla, joiden pinta-ala ja puustoisuus vaihteli. Yhteensä 44 Sentinel-1 SAR-kuvaa syyskuun 2021 ja toukokuun 2022 väliltä käytettiin luokittelussa. Luokittelu suoritettiin yleisesti käytössä olevalla kausittaisella kynnysarvomenetelmällä (engl. Seasonal threshold approach) ja tulokset vahvistettiin 6 cm syvyydestä mitatulla maaperän lämpötilalla.
Puuttomalla turvesuolla saavutettiin noin 90 % luokittelutarkkuus suon olomuodolle, mutta metsäisillä turvesoilla tarkkuus putosi noin 60 %:iin. Vaikka luokittelutarkkuus olikin korkea, metodi osoittautui epäluotettavaksi jäätymisjakson loppupuolella. Sentinel-1 satelliitin C-kanavan signaali ei pystynyt lävistämään alkukevään paksua ja märkää lumikerrosta. Tämän lisäksi siirtymänkauden ajoittaminen oli haastavaa.
SAR-pohjainen turvesuon sulamisen ja jäätymisen havainnointi osoittautui toimivaksi menetelmäksi erityisesti vähälumisina ajanjaksoina. Tästä huolimatta jatkotutkimus L-kanavan datoilla ja kehittyneemmillä havaintoalgoritmeilla on tarpeen, jotta voimme lisätä ymmärrystämme boreaalisten turvesoiden olomuotojen muutoksista.
Description
Supervisor
Rautiainen, MiinaThesis advisor
Puttonen, EetuKivimäki, Arttu