Remote sensing of water quality for Finnish lakes and coastal areas

In this thesis empirical remote sensing methods for estimating water quality in Finnish lakes and coastal areas are developed and tested. The remote sensing instruments used here are Airborne Imaging Spectrometer for Applications (AISA), Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) onboard the Envisat-satellite and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) onboard the TERRA-satellite. Based on the results from this study the AISA airborne spectrometer is applicable for estimating chlorophyll a (chl a), Secchi depth, and turbidity in lakes. The 250-m resolution MODIS data are used for estimating turbidity and quality class in lakes. Full resolution (300 m) MERIS data are used for estimating chl a, total suspended solids (TSS) and the absorption coefficient of coloured dissolved organic matter (aCDOM(400)) during a spring bloom event in the Gulf of Finland (a situation where the default MERIS processor fails to provide valid data). The retrieval of water quality information is based on single channel and channel-ratio algorithms, which are calibrated and tested with in situ (ground truth) observations. The accuracy of the retrieval is good. The results are based on a large number of data points (several thousand in one of the cases). Thus, the reliability of the results is high. The thematic maps and statistics derived with remote sensing data demonstrate the advantages of remote sensing over the traditional water quality monitoring, which is based on in situ measurements. The main shortcoming of presented methods is that since the algorithms are based on empirical relationships, which include atmospheric effects, they require calibration (for different atmospheric parameters) before they can be used with other remotely sensed images. The effects of the atmosphere on MERIS channel-ratio algorithms are estimated with an atmospheric model.Tässä väitöskirjassa on kehitetty ja testattu kaukokartoitusmenetelmiä, joilla voidaan arvioida Suomen järvien ja rannikkoalueiden vedenlaatua. Työssä käytetyt instrumentit ovat Airborne Imaging Spectrometer for Applications (AISA), Envisat-satelliitissa oleva Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) ja TERRA-satelliitissa oleva Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). Tulosten perusteella lentokonekäyttöisellä AISA spetrometrillä voidaan mitata klorofylli a:ta, näkösyvyyttä ja sameutta järvissä. 250-m erotuskyvyn MODIS-dataa voidaan käyttää järvien sameuden ja laatuluokan arviointiin. 300-m erotuskyvyn MERIS-dataa on käytetty klorofylli a:n, kiintoaineen sekä humuksen arvioitiin kevätkukinnon aikana Suomenlahdella (tilanne jossa Euroopan avaruusjärjestön käytössä oleva MERIS-prosessori ei pysty antamaan luotettavia tuloksia). Vedenlaadun arvioiminen kaukokartoitusdatasta perustuu yksittäisten kanavien ja kanavasuhdealgoritmien käyttöön. Algoritmit on kalibroitu ja testattu maastohavaintoja käyttäen ja saatu mittaustarkkuus on hyvä. Tulokset perustuvat suureen datapisteiden määrään (useita tuhansia datapisteitä yhdessä tapauksessa), joten tulosten luotettavuus on korkea. Kaukokartoitusdatan avulla aikaansaadut teemakartat ja tilastolliset tiedot osoittavat kaukokartoituksen edut tavanomaiseen vedenlaadun seurantaan verrattuna, joka perustuu maastohavaintoihin ja laboratoriomittauksiin. Työssä esitettyjen menetelmien suurin puute on se, että ne perustuvat empiirisiin yhtälöihin, jotka sisältävät ilmakehän vaikutukset signaaliin. Tämän vuoksi yhtälöt pitää kalibroida uudelleen, ennen kuin ne soveltuvat käytettäväksi muina ajankohtina otettujen kaukokartoituskuvien kanssa. Erilaisten ilmakehätilanteiden vaikutusta MERIS-kanavasuhdealgoritmeihin on arvioitu ilmakehämallin avulla.reviewe

Earth Observation for the Arctic : The Tana River

Satellite Earth Observation methods can be used to monitor the environment with extensive spatial and temporal coverage. The Sentinel satellites of Copernicus programme of the European Union provide an excellent opportunity to develop monitoring systems for the Arctic. This report shows visual examples where satellite images have been used to provide information about River Tana located in Northern Finland and Norway. The visual snow and ice cover examples cover different seasons over the year: from the winter to the low water season of the late summer. The proposed next steps are to extend the use of EO methods into efficient routine use for monitoring the arctic environment. Provision of EO-based lake ice, snow cover and water quality information is already on going and partially automated. Additional effort is needed especially on the further processing of EO-based information, user collaboration and on identification of the barriers. Arktisen alueen satelliittihavainnointi: esimerkkejä Tenojoelta Satelliittihavaintomenetelmien avulla ympäristön tilaa on mahdollista seurata hyvällä alueellisella ja ajallisella erotuskyvyllä. Euroopan Unionin Copernicus ohjelman Sentinel satelliitit tarjoavat oivallisen tilaisuuden rakentaa kattava seurantajärjestelmä arktiselle alueelle. Tämä raportti keskittyy Pohjois-Suomessa ja Norjassa olevan Tenojoen tilanteen seurantaan satelliittikuvien avulla eri vuodenaikoina. Esimerkit kuvaavat joen tilaa lumi ja jääpeitteisestä talvesta loppukesän vähävetiseen kauteen. Jatkovaiheiksi ehdotetaan satelliittihavaintomenetelmien käyttöönottoa osana arktisen ympäristön jatkuvaluonteista seurantaa. Satelliittihavaintopohjaisia järvien jääpeitetietoja, lumenpeittävyyttä ja vedenlaatutietoja tuotetaan jo osin automatisoidusti. Kehitystyötä tarvitaan erityisesti aineistojen jatkojalostamiseksi ja käyttäjäyhteistyön tiivistämiseksi

Reflectance variation in boreal landscape during the snow melting period using airborne imaging spectroscopy

We aim a better understanding of the effect of spring-time snow melt on the remotely sensed scene reflectance by using an extensive amount of optical spectral data obtained from an airborne hyperspectral campaign in Northern Finland. We investigate the behaviour of thin snow reflectance for different land cover types, such as open areas, boreal forests and treeless fells. Our results not only confirm the generally known fact that the reflectance of a melting thin snow layer is considerably lower than that of a thick snow layer, but we also present analyses of the reflectance variation over different land covers and in boreal forests as a function of canopy coverage. According to common knowledge, the highly variating reflectance spectra of partially transparent, most likely also contaminated thin snow pack weakens the performance of snow detection algorithms, in particular in the mapping of Fractional Snow Cover (FSC) during the end of the melting period. The obtained results directly support further development of the SCAmod algorithm for FSC retrieval, and can be likewise applied to develop other algorithms for optical satellite data (e.g. spectral unmixing methods), and to perform accuracy assessments for snow detection algorithms. A useful part of this work is the investigation of the competence of Normalized Difference Snow Index (NDSI) in snow detection in late spring, since it is widely used in snow mapping. We conclude, based on the spectral data analysis, that the NDSI-based snow mapping is more accurate in open areas than in forests. However, at the very end of the snow melting period the behavior of the NDSI becomes more unstable and unpredictable in non-forests with shallow snow, increasing the inaccuracy also in non-forested areas. For instance in peatbogs covered by melting snow layer (snow depth <30 cm) the mean NDSI-0.6 was observed, having coefficient of variation as high as 70%, whereas for deeper snow packs the mean NDSI shows positive values.peerReviewe

Temporal patterns of phytoplankton phenology across high latitude lakes unveiled by long-term time series of satellite data

Monitoring temporal changes in phytoplankton dynamics in high latitude lakes is particularly timely for understanding the impacts of warming on aquatic ecosystems. In this study, we analyzed 33-years of high resolution (30 m) Landsat (LT) data for reconstructing seasonal patterns of chlorophyll a (chl a) concentration in four lakes across Finland, between 60°N and 64°N. Chl a models based on LT spectral bands were calibrated using 17-years (2000–2016) of field measurements collected across the four lakes. These models were then applied for estimating chl a using the entire LT-5 and 7 archives. Approximately 630 images, from 1984 to 2017, were analyzed for each lake. The chl a seasonal patterns were characterized using phenology metrics, and the time-series of LT-based chl a estimates were used for identifying temporal shifts in the seasonal patterns of chl a concentration. Our results showed an increase in the length of phytoplankton growth season in three of the lakes. The highest increase was observed in Lake Köyliönjärvi, where the length of growth season has increased by 28 days from the baseline period of 1984–1994 to 2007–2017. The increase in the length of season was mainly attributed to an earlier start of phytoplankton blooms. We further analyzed surface temperature (Ts) and precipitation data to verify if climatic factors could explain the shifts in the seasonal patterns of chl a. We found no direct relationship between Ts and chl a seasonal patterns. Similarly, the phenological metrics of Ts, in particular length of season, did not show significant temporal trends. On the other hand, we identify potential links between changes in precipitation patterns and the increase in the phytoplankton season length. We verified a significant increase in the rainfall contribution to the total precipitation during the autumn and winter, accompanied by a decline in snowfall volumes. This could indicate an increasing runoff volume during the beginning of spring, contributing to an earlier onset of the phytoplankton blooms, although further assessments are needed to analyze historical streamflow values and nearby land cover data. Likewise, additional studies are needed to better understand why chl a patterns in some lakes seem to be more resilient than in others.peerReviewe

Proxy Indicators for Mapping the End of the Vegetation Active Period in Boreal Forests Inferred from Satellite-Observed Soil Freeze and ERA-Interim Reanalysis Air Temperature

Triggered by decreases in photoperiod and temperature, evergreen needle-leaved trees in the boreal region downregulate photosynthetic activity and enter dormancy in autumn. Accompanying changes in canopy structure and chlorophyll content are small and precede the cessation of photosynthetic activity. Low solar elevation and cloud cover during this period pose additional challenges for the use of optical satellite instruments. Alternatively, environmental variables that correlate with photosynthesis, such as soil freeze, can be detected from satellite microwave observations independent of weather and illumination conditions. We tested for the first time the usability of satellite-observed soil freeze from the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) instrument as a proxy indicator for the end of vegetation active period (VAPend) at six eddy covariance sites in Finland and Canada. The time when soil freeze commenced over the large SMOS pixel can be employed to estimate VAPend (R-2=0.84, RMSE=7.5days), defined as the time when the photosynthetic capacity of the forest drops below 10% of the growing season maximum. In comparison to satellite-based soil freeze timing, an air temperature-based proxy from ERA-Interim reanalysis data showed better performance (R-2=0.92, RMSE=5.2days). VAPend was mapped in the boreal forest zone in Finland and Canada from both indicators based on linear regression models.Peer reviewe

Avoin ympäristötieto – yhteistyön kehittäminen vesistöjen seurannassa. Järvien vedenlaatupalvelu -hankkeen loppuraportti

Julkisten tietovarantojen mahdollisimman tehokkaan käytön on katsottu tuottavan uutta tietoa ja palveluita sekä lisäävän hyvinvointia. Kerätyn ympäristötiedon heikko hyödyntäminen yritystoiminnassa on kuitenkin jo pitkään tiedossa ollut ongelma. Syitä tähän voi etsiä ympäristötiedon epäkaupallisesta luonteesta, sen keräämistavoista ja saatavuudesta tai esimerkiksi julkisen sektorin vahvasta roolista toimialalla. Järvien vedenlaatupalvelu -hankkeessa (Tekes, 2009-2012) haluttiin edistää julkisen tiedon hyödyntämistä yksityisellä sektorilla sekä kehittää yhteistyötä eri toimijoiden välillä. Lähtökohtana oli paikallisen tutkimusinfrastruktuurin kehittäminen niin, että eri lähteistä kerätty vedenlaadun mittaustieto olisi tietokannan kautta helposti yritysten käytettävissä. Lisäksi hankkeessa tutkittiin eri käyttäjien tarpeita vedenlaatutiedolle, kehitettiin menetelmiä tiedon tarkkuuden parantamiseksi sekä luotiin muun muassa lyhyen aikavälin ennustemalleja. Konkreettinen tulos oli myös uuden “jokamiehen” vedenlaadun mittalaitteen kehittäminen. Tämä esimerkiksi matkapuhelimen kameran käyttöön perustuva mittalaite tuo uusia mahdollisuuksia edullisen vedenlaatutiedon keräämiseen, kansalaishavainnointiin ja samalla myös erilaiseen liiketoimintaan. Julkiseen ympäristötietoon perustuvaa liiketoimintaa pohdittiin kahdessa työpajassa. Työpajoissa keskusteltiin siihen liittyvistä haasteista ja mahdollisuuksista sekä myös ideoitiin uusia julkiseen ympäristötietoon perustuvia liiketoimintamahdollisuuksia. Tässä julkaisussa pohditaan julkisen ja yksityisen sektorin yhteistyön mahdollisuuksia Järvien vedenlaatupalvelu -hankkeen tulosten pohjalta

Uudet menetelmät ympäristöntutkimuksessa ja seurannassa – pilottina Säkylän Pyhäjärvi

Vesistöalueiden ja vesivarojen hoidon ja suojelun tutkimuksessa tulevat jatkossa vieläkin enemmän korostumaan kokonaisvaltaiset ratkaisut, joilla etsitään kestäviä ja taloudellisia ratkaisuja vesiensuojeluongelmiin. Ilmastonmuutoksen myötä lisääntyvät leudot talvet aiheuttavat haasteita sekä hajakuormituksen vähentämistavoitteille että ympäristön seurannalle. Ympäristöntutkimuksessa ja -seurannassa tarvitaan uusien menetelmien käyttöönottoa, mutta menetelmät vaativat kehitystyötä, testausta ja validointia. Tekesin rahoittaman CatchLake-hankkeen päätavoitteena oli uusien menetelmien testaaminen pilottialueen mittakaavassa. Alueena oli vesihuollon ja virkistyskäytön kannalta merkittävä Säkylän Pyhäjärvi valuma-alueineen. Hanke koostui kolmesta toisiaan täydentävästä osasta: mallinnuksesta, mittauksista valuma-alueella ja järvellä, sekä kaukokartoituksesta. Julkaisussa tarkastellaan uutta tietoa ympäristöntutkimuksessa ja seurannassa, sekä pohditaan uuden tiedon käyttöä, sovelluksia sekä mahdollisia kehityssuuntia

Satellite-assisted monitoring of water quality to support the implementation of the Water Framework Directive

The EU Water Framework Directive1 (WFD) is an ambitious legislation framework to achieve good ecological and chemical status for all surface waters and good quantitative and chemical status for groundwater by 2027. A total of 111,062 surface waterbodies are presently reported on under the Directive, 46% of which are actively monitored for ecological status. Of these waterbodies 80% are rivers, 16% are lakes, and 4% are coastal and transitional waters. In the last assessment, 4% (4,442) of waterbodies still had unknown ecological status, while in 23% monitoring did not include in situ water sampling to support ecological status assessment2. For individual (mainly biological) assessment criteria the proportion of waterbodies without observation data is much larger; the full scope of monitoring under the WFD is therefore still far from being realised. At the same time, 60% of surface waters did not achieve ‘good’ status in the second river basin management plan and waterbodies in Europe are considered to be at high risk of having poor water quality based on combined microbial, physical and physicochemical indicators3