Satelliittien tutkamittauksilla saadaan entistä tarkempia kartoituksia pohjoisten havumetsien biomassasta

Laajamittaiset boreaalisen vyöhykkeen eli pohjoisen havumetsävyöhykkeen biomassan kartoitukset mahdollistavat hiilisyklin entistä paremman ymmärtämisen. Ne auttavat myös tulevaisuuden ilmaston ennustamisessa. Toistaiseksi tällaisten laajamittaisten kartoitusten tekeminen on ollut hankalaa.

ESAn Envisat-satelliitin ASAR-instrumentin (Advanced Synthetic Aperture Radar) ottamia tutkakuvia analysoidaan nyt uudella tietokonealgoritmilla, joka kykenee keräämään metsäalueen kuvasarjasta entistä paremmin tietoa. Sen ansiosta pystytään arvioimaan entistä tiheämpien metsien biomassan määrää.

Metsillä on keskeinen rooli Maan hiilisyklissä sitomalla hiilidioksidia ilmakehästä ja varastoimalla se biomassaan. Luonnontilaiset metsät ovat hiilinieluja eli ne keräävät hiiltä kun taas kaadetut tai poltetut metsät muuttuvat hiililähteiksi päästämällä hiiltä ilmakehään.

Pohjoinen havumetsävyöhyke peittää noin 14,5 prosenttia maanpinnasta ja kattaa 16 miljoonaa neliökilometriä eli Suomen pinta-alaan verrattuna lähes 50-kertaisen alueen. Havumetsien vyöhyke ulottuu yli Venäjän, Pohjois-Euroopan, Kanadan ja Alaskan. Boreaaliset metsät, mukaanlukien maaperä, varastoivat kolmanneksen enemmän hiiltä hehtaaria kohden kuin trooppiset metsät tehden. Se tekee niistä yhden maailman tärkeimmistä hiilinieluista.

"Biomassa on yksi keskeisimmistä ilmastoon vaikuttavista muuttujista maapallolla ja on suuri tuntematon tekijä hiilisyklissä", kertoo professori Christiane Schmullius Saksan Jenan kaupungissa sijaitsevasta Friendrich Schillerin yliopistosta. "Koska biomassan karttoja ei ole suurella tarkkuudella, emme tiedä miten paljon muutoksia tapahtuu emmekä voi tehdä varmoja laskelmia. Uuden algoritmin kautta meillä on ensi kertaa mahdollisuus laatia globaali biomassakartta."

Menetelmä mahdollistaa tiheiden metsien tutkimuksen kiertoradalta tutkalla

ESAn STSE-ohjelman sponsoroiman BIOMASAR-projektin tulokset osoittavat, että metsän puutiheys on mahdollista arvioida Envisatin ASAR-datasta myös huomattavasti suuremmilla tiheyksillä kuin aiemmin on raportoitu 500 kuutiometrin raja hehtaaria kohden. Tutkamittausten vahvuus verrattuna muihin satelliittimittauksiin on se, että ne ovat käytettävissä pilvipeitteisyydestä riippumatta.

Metodin avulla Envisatin keräämää dataa voidaan käyttää luomaan globaaleja karttoja koko pohjoisesta ekovyöhykkeestä 10 kilometrin erotuskyvyllä noin 20 prosentin tarkkuudella ja samalla välttää saturaatiota, jota yleensä ilmenee C-kaistan eli 4-8 GHz taajuusalueella SAR -mittauksissa tiheässä metsämaastossa.

"Näitä karttoja ei voida tuottaa millään muulla laitteella nyt tai tulevaisuudessa", painottaa algoritmin kehittänyt tohtori Maurizio Santoro Gamma kaukokartoitus -yrityksestä. "Syy tähän on ASAR ja ScanSAR -moodien paikallinen kattavuus aina seitsemän vuoden taakse. Tämä on ensimmäinen kerta kun voimme käyttää saatavilla olevaa dataa ja työkaluja paikallisesti yhdenmukaisen metsien kuvaamisen saamiseksi käyttäjiä tyydyttävästi."

Vastaus siihen, miksi uutta algoritmia ei oltu kehitetty aiemmin, on yllättävän yksinkertainen: kukaan ei tullut ajatelleeksi sitä. ASAR toimii C-kaistan alueella eikä sen aallonpituuksia ole pidetty pitkinä marginaalisille biomassan tiheyksille. Santuro keksi yhdistää analyysiin usean mittauskerran dataa samasta alueesta.

"Hän totesi, että vähintään 60 kuvan perusteella kohina vähenee niin paljon, että metsän tiheydestä kertova signaali on erinomainen", kuvailee Santoro. "ESA on ainoa avaruusjärjestö jolla on dataa - sekä historiallista että jatkuvasti karttuvaa - ja kykyä operoida rutiininomaisesti globaalisti. Odotamme kovasti Sentinel-1-satelliitin laukaisua, sillä sen avulla voimme tehdä edelleen parempia karttoja."

Globaalit mittaukset painopisteessä

Vuonna 2011 laukaistavaksi suunniteltu Sentinel-1 varmistaa C-kaistan SAR-datan saatavuuden jatkuvuutta ja se toimii ScanSAR-moodissaan huomattavasti aiempaa korkeammalla erotuskyvyllä. ESA kehittää viiden Sentinel-satelliitin "laivastoa" EU:n GMES-ohjelman puitteissa. Tulevaisuudessa BIOMASAR-ryhmä toivoo pystyvänsä laajentamaan analyysimetodiaan kattamaan lauhkean vyöhykkeen ja savannin ekosysteemien kokonaisuuksia ja päivittää kartat vuosittain.

"Satelliittikartoitusten merkitys korostuu laajojen alueiden seurannassa", arvioi metsätietojärjestelmien professori Timo Tokola Itä-Suomen yliopistosta. "Digitaalisten ilmakuvien ja satelliittikuvien käytössä ei periaatteessa ole suurta eroa. Jos halutaan seurata laajojen alueiden muutoksia nopeasti, niin satelliittikuvat ovat usein nopein vaihtoehto. Esimerkiksi, kun Portugalissa syksyllä alkavat metsäpalot, niin uudet metsäkartat päivitetään yleensä satelliittitiedolla."

Metsäpaloilla voi olla suuri merkitys kasvihuonepäästöihin globaalisti. Vuonna 2003 Venäjällä riehuneet palot tuottivat 270 miljoonaa tonnia hiilidioksidipäästöjä mikä on valtava määrä verrattuna esimerkiksi Kioton ilmastosopimuksen yhteensä 250 miljoonan tonnin vuosittaisiin vähennystavoitteisiin. Karttoja voidaan hyödyntää myös metsäpalojen valvontaan ja minimoimiseen.

Suomi on metsävarojen seurannan kärkimaa

Suomessa metsävarojen seuranta on jo erityisen yksityiskohtaista Tokolan mukaan, mutta koko boreaaliselle vyöhykkeelle menetelmällä on suuret mahdollisuudet tietämyksemme tarkentamiseen.

"Suomessa on monipuolista satelliittikartoituksen tutkimusta, jonka tuloksia julkaistaan alan johtavissa julkaisuissa", kertoo Tokola. "Työtä tehdään monessa yliopistossa ja tutkimuslaitoksessa. Metsään liittyvä satelliittipohjainen tutkimus tänä päivänä on keskittynyt valtakunnallisten suuralueiden inventointimenetelmiin ja trooppisten metsien seurantaan REDD-kartoituksessa."

ESAlla on yhdessä muiden avaruusjärjestöjen kanssa tärkeä rooli YK:n johtamassa REDD-ohjelmassa (Reducing Emissions from Deforestation and Forest Degradation), sillä satelliitit tarjoavat nopean valvonnan metsiä säästävän politiikan tulosten valvomiselle.

Biomassan määrän arviointi korostuu tulevaisuuden ilmastoa ennustavissa malleissa, joiden laatimisessa satelliitti kartoilla on keskeinen osuus. "Ekofysiologisten prosessien, kuten yhteyttämisen ja soluhengityksen aikaansaannoksena syntyvä biomassa muuttuu nopeasti häiriöiden tai hakkuiden jälkeen", kertoo Max Planck -instituutissa biokemian professorina toimiva Christian Beer. "ASAR-datasta saadut havainnot biomassasta auttavat simuloinnin validoinnin lisäksi meitä asettamaan mallin parametreille rajat malleissamme."

Suomen mittakaavassa tähän mennessä havaitut ilmastonmuutoksen vaikutukset metsätalouteen ovat Tokolan mukaan vaikeita arvioida. "Periaatteessa kasvukausi on tullut pitemmäksi ja se parantaa kasvua erityisesti rehevillä kasvupaikoilla", hän yleistää. "Metsien hyödyntämisen kannalta on merkitystä ja epäedullista, jos kelirikon pituus kasvaa ja routainen aika lyhenee."

"Metsiin liittyvän kaukokartoituksen nopein kehitys on tällä hetkellä lentokoneesta tapahtuvassa laserkeilauksessa ja sen tietojen analysoinnissa", Tokola uskoo. "Sama teknologia on osittain laajenemassa satelliitteihin ja se mahdollistanee vielä uuden hypyn hiilivarastojemme kartoitukseen."