Monitoring restored and intact northern peatlands using optical satellite data
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
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
Pernu, Lari
Date
2023-05-15
Department
Major/Subject
Geoinformatics
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Geoinformatics (GIS)
Language
en
Pages
82
Series
Abstract
Increasing public interest in the restoration of critical ecosystems like peatlands introduces a need for spatially scalable methods for monitoring restoration success. The scalability as well as the vegetation and moisture-sensitive bands make optical satellite remote sensing a useful tool for monitoring peatlands. Only a limited number of studies have used optical satellite data to monitor the moisture and vegetation conditions of both restored and intact peatlands in the northern latitudes, despite these areas containing a significant proportion of the global soil carbon. The focus of this thesis was to examine the differences in spectral characteristics among three restored and three intact northern peatland sites in Finland. Additionally, the study evaluated how the varying properties of Sentinel-2, Landsat 8/9, and MODIS data impacted the peatland phenology metrics. The median reflectance and spectral index values of restored sites were compared to those of a reference intact site. The study estimated the pixel-level land surface phenology metrics using a previously validated model fitting and threshold approach on daily greenness time series. The phenological metrics obtained from the satellite optical sensors were compared across the three different sensors. While the results suggest that most spectral bands or indices do not indicate a significant difference between restored and intact peatlands, the study highlights the importance of the shortwave infrared region. The found difference in the shortwave infrared region is suspected to not be driven by vegetation composition but by the distribution of shallow water features like flarks typical for intact open peatlands. The satellite-based land surface phenology metrics varied among the sites, owing to site-wise heterogeneity and variations in pixel vegetation compositions. In general, the data from the three different sensors tended to produce divergent phenological metrics. Additional study sites would further support generalizing the reported results, presenting promising prospects for future research. While the approach presented in this thesis offers valuable guidance in peatland restoration monitoring with satellite data, challenges such as selecting an intact reference site and addressing the heterogeneity of northern peatlands still exist. Nonetheless, these challenges offer opportunities for further exploration and innovation in the field.Kasvava julkinen kiinnostus kriittisten ekosysteemien kuten soiden ennallistamiseen lisää tarvetta skaalautuvien seurantamenetelmien kehittämiselle. Optinen satelliittikaukokartoitus mahdollistaa kasvillisuuden ja kosteuden kartoituksen laajoilla maa-alueilla tehden siitä soveltuvan menetelmän myös suoalueiden seurantaan. Toistaiseksi vain harvat tutkimukset ovat selvittäneet optisen kaukokartoituksen soveltuvuutta sekä ennallistettujen että myös luonnontilaisten soiden seurantaan pohjoisilla leveysasteilla. Tässä diplomityössä tutkittiin kolmen ennallistetun ja kolmen luonnontilaisen suon eroja niiden spektriominaisuuksissa. Lisäksi arvioitiin Sentinel-2-, Landsat 8/9- ja MODIS-aineistojen ominaisuuksien vaikutuksia soiden fenologiaa kuvastaviin muuttujiin. Spektriominaisuuksia arvioitiin vertaamalla ennallistettujen ja luonnontilaisten soiden mediaaniheijastavuutta sekä kasvillisuudelle ja kosteudelle herkkien spektri-indeksien arvoja. Soiden fenologiaa kuvastavat muuttujat määritettiin kynnysarvojen perusteella pikselitasolla mallinnetusta päivittäisen vihreyden aikasarjasta. Fenologiset muuttujat kuvastivat kasvukauden alkua, loppua sekä pituutta, ja näitä vertailtiin eri optisten satelliittisensorien välillä. Tutkimuksen tulokset korostavat lyhytaaltoisten infrapunakanavien tärkeyttä soiden ennallistamisen seurannassa, vaikkakin useimmat optiset kanavat tai spektri-indeksit eivät osoittaneet merkittävää eroa ennallistetun ja luonnontilaisen suon välillä. Havaitut erot lyhytaaltoisella infrapuna-alueella liittyvät mahdollisesti matalien pintavesikohteiden, kuten rimpien määrään sekä jakautumiseen soiden pinnoilla. Satelliittipohjaiset maanpinnan fenologian muuttujat vaihtelivat merkittävästi soiden välillä. Vaihtelu johtui todennäköisesti soiden pintojen heterogeenisyydestä ja kasvillisuustyyppien vaihteluista pikselin peittoalueen sisällä. Pääasiallisesti kolme käytettyä optista sensoria tuottivat eriäviä arvioita fenologisille muuttujille. Kattavampi otanta soita tukisi edelleen raportoitujen tulosten yleistettävyyttä. Tässä diplomityössä esitetty lähestymistapa tarjoaa arvokasta pohjaa ennallistettujen soiden seurantaan optisten satelliittiaineistojen avulla. Haasteet vertailukelpoisen luonnontilaisen suon valinnassa sekä pohjoisten soiden heterogeenisyyden käsittelyssä luovat suuntia menetelmien jatkokehitykselle.Description
Supervisor
Rautiainen, MiinaThesis advisor
Burdun, IuliiaKeywords
remote sensing, spectral index, land surface phenology, Sentinel-2, Landsat 8/9, MODIS