Metsikön rakenteen vaikutus säteilyn sammumiskertoimeen

Kasvuston G-funktio kuvaa säteilyn vähenemistä tai ”sammumista” auringon eri korkeuskulmissa varjostavan lehtialan suhteen. Sen vuoksi sitä kutsutaan sammumiskertoimeksi. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää vaihteleeko G-funktion muoto eri puulajien metsiköissä, ja voidaanko puulajit erottaa toisistaan G-funktion muodon avulla. Arvioin lisäksi G-funktioiden muodossa kasvukaudenaikana tapahtuvia muutoksia. Muita tutkimuksen kannalta mielenkiintoisia tutkimuskysymyksiä olivat voidaanko ryhmittymistä tai latvusmuotoa arvioida G-funktion muodon avulla. Maastomittaukset suoritettiin 3.5.2010 -30.9.2010 välisenä aikana. Tutkimusalueena oli Hyytiälän metsäaseman (68?59`N, 35?72`E) ympäristö, jonka metsät edustavat tyypillistä boreaalista havu- ja lehtimetsää. Tutkimusta varten perustettiin kuusi yhden puulajin koealaa, kaksi kutakin puulajia kohden. Tutkittavat puulajit olivat mänty (Pinus sylvestris), kuusi (Picea abies) ja rauduskoivu (Betula pendula). Koealaparit valittiin niin, että kullekin puulajille muodostui varttuneesta metsästä ja taimikosta muodostuva pari tai vaihtoehtoisesti tiheämpi ja harvempi koeala. Koealoille perustettiin 81 mittauspistettä sisältävä mittaushila, jossa kunkin pisteen aukkoisuustiedot mitattiin kahden viikon välein. Mittaukset suoritettiin kahdella LAI-2000 Plant Canopy Analyzer -laitteella. Laitteiden tulosteista koealoille saatiin aukkoisuustiedot T(?) ja LAI, joiden avulla saatiin laskettua tarkasteltavat G-funktiot. Saman puulajin G-funktiota vertailtiin toisiinsa puulajityypillisten trendien havaitsemiseksi. Keskikesällä eri puulajien G-funktioita verrattiin toisiinsa. Teoreettisten simulointien avulla tutkittiin latvuksen dimensioiden (latvuksen pituus ja säde) ja sisäisen ryhmittäisyyden vaikutusta puulajikohtaiseen G-funktioon. Simuloinneissa käytettiin hyväksi tietoa koealojen puustotunnuksista, lehtialasta sekä runkoluvusta. Puulajikohtaiset G-funktiot ovat erotettavissa toisistaan funktion minimi- ja maksimiarvojen sijoittumisen sekä suhteellisen vaihteluvälin perusteella. Havupuualojen G-funktiot eivät juuri muuttuneet kasvukauden aikana. Koivualoilla G-funktion kasvukaudenaikaiset muutokset (pelkät oksat, hiirenkorvat ja täysikasvuiset lehdet) olivat sitä vastoin helposti havaittavissa. G-funktion muodon avulla voidaan myös arvioida latvusmuotoa ja ryhmittymistä. Mäntyjen latvusmuoto on approksimoitavissa parhaiten ympyräkartion avulla. Kuusien ja koivujen latvusmuodon approksimointiin parhaana vaihtoehtona voidaan pitää ellipsoidia. Teoreettisten simulointien perusteella nuori kuusikko on muita havupuualoja ryhmittyneempi. Tutkimuksen mukaan säteily sammuu satelliittien yleisimmässä kuvaussuunnassa tehokkaammin kuin kaikkien suuntien yli laskettu keskiarvo (0,5) antaa olettaa. Puulajikohtaisten G-funktioiden avulla voidaan epäsuorasti arvioida sekä metsästä tapahtuvaa heijastusta että metsikön sisäisiä säteilyolosuhteita, sillä puulaji yhdessä metsikön rakenteen kanssa vaikuttaa metsästä heijastuvaan säteilyyn. Puulajikohtainen G-funktio on parametri, jonka avulla voidaan kalibroida malleja, joissa tarvitaan tietoa säteilyn kulusta erilaisissa kasvustoissa

Boreaalisen metsän lehtialaindeksin ja sen sitoman fotosynteettisesti aktiivisen säteilyn arviointi

The aim of this dissertation is to assess the accuracy of different ground reference methods used to validate satellite based leaf area index (LAI) and the fraction of absorbed photosynthetically active radiation (fPAR) products. LAI and fPAR are strongly linked, although they principally and practically measure different properties: LAI quantifies the areal interphase between soil and atmosphere, whereas fPAR quantifies the energy available for photosynthesis. Until now, the development of remote sensing based methods to estimate LAI and fPAR in a boreal forest has been hindered by the scarcity of ground data, which is required to validate and develop existing algorithms. The aim of the first part of this dissertation was to assess the impacts of different methodological approaches to estimate LAI in boreal forests, and to validate satellite based LAI products. Results showed that the accuracy of ground based LAI estimates is sensitive to both the retrieval methods and sampling scheme used to collect the optical LAI data. The satellite based measurements of LAI demonstrated a large temporal variability in LAI. The second part of the dissertation focused on measuring and modeling fPAR in a boreal forest. A new scheme for measuring and modeling ground reference fPAR based on photon recollision probability was presented in this dissertation. Ground reference fPAR is usually estimated only for the forest canopy layer. This study is among the first ones to validate the new global satellite based fPAR product called GEOV1 using data of both the forest canopy and understory layers from boreal forests. Results showed that satellite based fPAR products may correspond better with the total fPAR, instead of only the forest canopy fPAR as has often been presumed.Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli kehittää LAI:n ja fPAR:in maastomittausmenetelmiä ja arvioida nykyisten satelliittipohjaisten LAI- ja fPAR-tuotteiden toimivuutta boreaalisissa metsissä. Lehtialaindeksi (leaf area index, LAI) kuvaa lehtien toispuolista pinta-alaa maapinta-alaa kohden (m2/m2). Akronyymi fPAR on lyhennelmä sanoista fraction of absorbed photosynthetically active radiation (PAR) ja se kuvaa kasvillisuuden kykyä sitoa auringosta saapuvaa säteilyä. fPAR määräytyy LAI:n ja auringon kulman perusteella. LAI:ta ja fPAR:ia voidaan arvioida avaruudesta tehtävällä kaukokartoituksella ja mielenkiinnon kohteena voi olla esimerkiksi globaali ympäristön seuranta. Tällä hetkellä kaukokartoitusmenetelmien kehittymistä hidastaa maastoaineistojen puute, sillä maastoaineistot ovat välttämättömiä mallien tarkkuuden arvioinnissa. Koska LAI on yksi tärkeimpiä fPAR:iin vaikuttavia muuttujia, väitöskirjan ensimmäinen osio keskittyi LAI:n maastomittausmenetelmien tarkkuuden arviointiin. Ensimmäisen osan tarkoituksena oli selvittää, kuinka erilaiset LAI:n arviointitavat ja otanta-asetelmat toimivat boreaalisissa metsissä. Satelliitista mitattujen LAI-arvojen kelpoisuutta arvioitiin vertaamalla niitä maastossa mitattuihin arvoihin. Tulosten mukaan erilaiset LAI:n arviointitavat tuottavat systemaattisesti poikkeavia arvioita ja arvioiden tarkkuus riippuu paitsi käytetystä menetelmästä, myös maastomittausten otanta-asetelmasta. Tutkimuksessa havaittiin, että satelliitista mitattuihin LAI-arvoihin sisältyy paljon ajallista ja paikallista vaihtelua, joka johtuu osin satelliitin mittaaman signaalin saturoitumisesta. Väitöskirjan toinen osa keskittyi fPAR:in mittaamiseen ja mallintamiseen. Tutkimuksen aluksi esiteltiin uusi fPAR-malli, joka soveltuu laajojen alueiden fPAR-arviointiin. Mallin toimivuutta arvioitiin vertaamalla mitattuja ja mallinnettuja fPAR-arvoja toisiinsa. fPAR-mallin todettiin toimivan hyvin. Tämän jälkeen tutkittiin, kuinka hyvin nykyiset satelliittimittauksiin perustuvat fPAR-tuotteet vastaavat maastomittauksiin perustuvaa fPARia. Yleensä satelliittituotteiden toimivuutta arvioitaessa on keskitytty vain metsän latvuskerroksen sitoman säteilymäärän arviointiin, mutta tässä tutkimuksessa huomioitiin myös aluskasvillisuuden sitoma säteily. Tulokset osoittivat, että satelliittimittauksiin perustuva fPAR voi vastata paremmin metsikön latvuksen ja aluskasvillisuuden yhteenlaskettua fPAR:ia kuin pelkän latvuskerroksen fPAR:ia

Alakoulun päässälaskuja uudistamassa : Multimodaalinen lähestymistapa tehtävien laadinnassa

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää ja testata päässälaskujen tehtäväsarja. Tehtäväsarjan kehittämisessä ja testaamisessa hyödynnettiin design-tutkimuksen keinoin uudistettua Bloomin taksonomiaa sekä multimodaalista lähestymistapaa. Päässälaskun määritelmänä pidetään laskun prosessin suorittamista ilman apuvälineitä, ja pelkän vastauksen ylös kirjaamista. Myös alakoulun oppimateriaalit koostuvat tällaisista päässälaskutehtävistä. Tässä tutkimuksessa, edellä mainittuja teorioita hyödyntäen, luotiin 5.–6.-luokkalaisille jakolaskuun pohjautuva tehtäväsarja, jonka tavoitteena oli rikkoa perinteisten päässälaskujen kaavaa, ja samalla haastaa oppilaiden matemaattista ajattelua ja ongelmanratkaisutaitoja. Lisäksi tutkimuksessa tarkasteltiin sitä, millaiseksi oppilaat kokivat oman päässälaskutaitonsa. Tutkimus oli toinen osa design-tutkimuksen kokonaisuutta, jonka ensimmäinen osa (sykli) tutki oppimateriaalien päässälaskujen nykytilaa. Tässä tutkimuksessa suunniteltiin tehtäväsarja yhteistyössä opetusalan asiantuntijoiden kanssa, jonka jälkeen tutkimukseen osallistuneet oppilaat laskivat tehtäväsarjan. Tutkimuksen viimeinen sykli sisältää kehitysehdotuksia päässälaskusarjaan tutkimustulosten pohjalta. Tutkimuksen aineistona toimi oppilaiden tehtäväsarjan vastaukset sekä oppilaiden ja opettajan palaute. Tutkimusaineisto kerättiin pirkanmaalaisessa koulussa, ja tutkimukseen osallistui yksi 5. luokka sekä kolme 6. luokkaa (N=63). Saatu aineisto analysoitiin pääasiassa laadullisen sisällönanalyysin keinoin, mutta myös määrällisesti esimerkiksi osaamiseen liittyviä keskiarvoja ja keskihajontoja tarkastellen. Tutkimustulosten mukaan uudistettua Bloomin taksonomiaa ja multimodaalista lähestymistapaa voidaan hyödyntää päässälaskujen tehtäväkontekstissa. Uudistetun Bloomin taksonomian kahta ylintä tasoa ei kuitenkaan voitu sisällyttää päässälaskujen tehtävänantoihin, ja multimodaaliseen kielenkäyttömalliin kuuluvaa taktiilista kieltä käytettiin vain tehtävien avulla luotujen mielikuvien kautta. Oppilaat suoriutuivat tehtävistä keskimäärin korkein pistemäärin, ja mahdolliset virheet olivat usein keskenään samankaltaisia. Tutkimukseen osallistuvilla oppilailla oli pääpiirteittäin realistinen tai positiivinen kokemus omasta päässälaskutaidostaan, mutta kolmasosa korkeat pisteet saaneista oppilaista piti itseään huonona päässälaskijana. Tämän tutkimuksen tehtäväsarjaa voitaisiin tulosten perusteella kehittää edelleen etenkin tehtävien autenttisuuden, haastavuuden ja ratkaisukeskeisyyden sekä multimodaalisuuden näkökulmasta. Tutkimuksen merkittävin tulos sisälsi ajatuksen siitä, että tämän päivän oppimateriaaleissa olisi päässälaskutehtävien osalta viilattavaa

Päässälaskut perusopetuksen matematiikan opetuksessa

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, millaisia päässälaskutehtäviä tämän päivän perusopetuksen oppimateriaalit sisältävät, sekä kartoittaa opettajien ajatuksia päässälaskujen opetuksesta, syistä päässälaskujen teettämiselle sekä mahdollisista kehittämiskohteista. Päässälaskulla tarkoitetaan ilman apuvälineitä tai välivaiheita suoritettavaa laskua, jossa merkitään ylös ainoastaan vastaus. Päässälaskutaito on yksi sujuvan arjen edellytyksistä, ja siitä syystä merkittävä tutkimuksen kohde. Tämä tutkimus keskittyi sellaisiin oppitunnilla suoritettaviin päässälaskuihin, joissa opettaja lukee laskun ääneen ja oppilaat kirjoittavat ylös vastauksen. Tutkimus noudattaa laadullista tutkimusotetta. Aineiston muodostivat alakoulun matematiikan oppimateriaalien päässälaskutehtävät Milli-kirjasarjassa, sekä kolmen Pirkanmaalla toimivan opettajan sähköpostihaastattelut. Päässälaskutehtäviä analysoitiin teorialähtöisen sisällönanalyysin keinoin matemaattisen osaamisen sekä matematiikan kielentämisen näkökulmasta. Haastattelukysymyksistä muodostettiin yläluokat päässälaskujen toteutukselle, syille teettää päässälaskuja sekä päässälaskujen kehittämisnäkökulmalle. Haastatteluiden vastausten analyysi toteutettiin aineistolähtöisen sisällönanalyysin keinoin. Oppimateriaaleista keskeisiksi huomioiksi nousi päässälaskutehtävien yksipuolisuus niin matemaattisen osaamisen piirteiden kuin matematiikan kielentämisenkin näkökulmasta. Tehtävien ratkaiseminen edellytti oppilaan osaamisen piirteistä ainoastaan tehtävässä käytettävien matematiikan termien tuntemista ja niiden sujuvaa käyttöä, sekä oikean ratkaisustrategian valintaa ja laskutoimituksen suorittamista. Päässälaskujen tehtävänannot koostuivat tekstimuotoisesta lausekkeesta, ja oppilaiden vastaus tehtävätyypistä riippumatta oli pelkkä luku. Opettajien haastatteluista selvisi, että päässälaskuja teetetään koulussa säännöllisesti, ja opettajat käyttävät useimmiten oppimateriaalien valmiita päässälaskutehtäviä. He kokivat oppilaiden innostuksen päässälaskuihin vaihtelevaksi, mutta löysivät päässälaskuista paljon laskutaitoa kehittäviä elementtejä. Oppilaiden osallistaminen laskujen suunnitteluun, eriyttäminen sekä digitaalisten välineiden hyödyntäminen nähtiin päässälaskujen mahdollisina kehittämiskohteina. Tutkimuksen tulosten perusteella voidaan päätellä, että vaikka oppimateriaalien sisältöjen tulisi noudattaa Opetushallituksen vuoden 2014 Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteita, on päässälaskutehtävissä useita kehittämisen kohteita. Huomiota tulisi kiinnittää erityisesti siihen, että päässälaskut toisivat oppilaiden matemaattista osaamista esiin monipuolisesti, sekä tehtävien eri kielentämisen keinoja käytettäisiin vaihtelevammin. Lisäksi päässälaskujen eriyttämistä ja arviointia tulisi tarkastella laajemmin

Validation of MODIS and GEOV1 fPAR Products in a Boreal Forest Site in Finland

Creative Commons Attribution License (CC BY 4.0)Remote sensing of the fraction of absorbed Photosynthetically Active Radiation (fPAR) has become a timely option to monitor forest productivity. However, only a few studies have had ground reference fPAR datasets containing both forest canopy and understory fPAR from boreal forests for the validation of satellite products. The aim of this paper was to assess the performance of two currently available satellite-based fPAR products: MODIS fPAR (MOD15A2, C5) and GEOV1 fPAR (g2_BIOPAR_FAPAR), as well as an NDVI-fPAR relationship applied to the MODIS surface reflectance product and a Landsat 8 image, in a boreal forest site in Finland. Our study area covered 16 km(2) and field data were collected from 307 forest plots. For all plots, we obtained both forest canopy fPAR and understory fPAR. The ground reference total fPAR agreed better with GEOV1 fPAR than with MODIS fPAR, which showed much more temporal variation during the peak-season than GEOV1 fPAR. At the chosen intercomparison date in peak growing season, MODIS NDVI based fPAR estimates were similar to GEOV1 fPAR, and produced on average 0.01 fPAR units smaller fPAR estimates than ground reference total fPAR. MODIS fPAR and Landsat 8 NDVI based fPAR estimates were similar to forest canopy fPAR.Peer reviewe

An enhanced forest classification scheme for modeling vegetation–climate interactions based on national forest inventory data

Forest management affects the distribution of tree species and the age class of a forest, shaping its overall structure and functioning and in turn the surface–atmosphere exchanges of mass, energy, and momentum. In order to attribute climate effects to anthropogenic activities like forest management, good accounts of forest structure are necessary. Here, using Fennoscandia as a case study, we make use of Fennoscandic National Forest Inventory (NFI) data to systematically classify forest cover into groups of similar aboveground forest structure. An enhanced forest classification scheme and related lookup table (LUT) of key forest structural attributes (i.e., maximum growing season leaf area index (LAImax), basal-area-weighted mean tree height, tree crown length, and total stem volume) was developed, and the classification was applied for multisource NFI (MS-NFI) maps from Norway, Sweden, and Finland. To provide a complete surface representation, our product was integrated with the European Space Agency Climate Change Initiative Land Cover (ESA CCI LC) map of present day land cover (v.2.0.7). Comparison of the ESA LC and our enhanced LC products (https://doi.org/10.21350/7zZEy5w3) showed that forest extent notably (κ  =  0.55, accuracy 0.64) differed between the two products. To demonstrate the potential of our enhanced LC product to improve the description of the maximum growing season LAI (LAImax) of managed forests in Fennoscandia, we compared our LAImax map with reference LAImax maps created using the ESA LC product (and related cross-walking table) and PFT-dependent LAImax values used in three leading land models. Comparison of the LAImax maps showed that our product provides a spatially more realistic description of LAImax in managed Fennoscandian forests compared to reference maps. This study presents an approach to account for the transient nature of forest structural attributes due to human intervention in different land models

Evaluation of leaf-level optical properties employed in land surface models

Vegetation optical properties have a direct impact on canopy absorption and scattering and are thus needed for modeling surface fluxes. Although plant functional type (PFT) classification varies between different land surface models (LSMs), their optical properties must be specified. The aim of this study is to revisit the “time-invariant optical properties table” of the Simple Biosphere (SiB) model (later referred to as the “SiB table”) presented 30 years ago by Dorman and Sellers (1989), which has since been adopted by many LSMs. This revisit was needed as many of the data underlying the SiB table were not formally reviewed or published or were based on older papers or on personal communications (i.e., the validity of the optical property source data cannot be inspected due to missing data sources, outdated citation practices, and varied estimation methods). As many of today's LSMs (e.g., the Community Land Model (CLM), the Jena Scheme of Atmosphere Biosphere Coupling in Hamburg (JSBACH), and the Joint UK Land Environment Simulator (JULES)) either rely on the optical properties of the SiB table or lack references altogether for those they do employ, there is a clear need to assess (and confirm or correct) the appropriateness of those being used in today's LSMs. Here, we use various spectral databases to synthesize and harmonize the key optical property information of PFT classification shared by many leading LSMs. For forests, such classifications typically differentiate PFTs by broad geo-climatic zones (i.e., tropical, boreal, temperate) and phenology (i.e., deciduous vs. evergreen). For short-statured vegetation, such classifications typically differentiate between crops, grasses, and photosynthetic pathway. Using the PFT classification of the CLM (version 5) as an example, we found the optical properties of the visible band (VIS; 400–700 nm) to fall within the range of measured values. However, in the near-infrared and shortwave infrared bands (NIR and SWIR; e.g., 701–2500 nm, referred to as “NIR”) notable differences between CLM default and measured values were observed, thus suggesting that NIR optical properties are in need of an update. For example, for conifer PFTs, the measured mean needle single scattering albedo (SSA, i.e., the sum of reflectance and transmittance) estimates in NIR were 62 % and 78 % larger than the CLM default parameters, and for PFTs with flat leaves, the measured mean leaf SSA values in NIR were 20 %, 14 %, and 19 % larger than the CLM defaults. We also found that while the CLM5 PFT-dependent leaf angle values were sufficient for forested PFTs and grasses, for crop PFTs the default parameterization appeared too vertically oriented, thus warranting an update. In addition, we propose using separate bark reflectance values for conifer and deciduous PFTs and demonstrate how shoot-level clumping correction can be incorporated into LSMs to mitigate violations of turbid media assumption and Beer's law caused by the nonrandomness of finite-sized foliage elements.publishedVersio