Remote sensing of boreal land cover: estimation of forest attributes and extent

Remote sensing provides methods to infer land cover information over large geographical areas at a variety of spatial and temporal resolutions. Land cover is input data for a range of environmental models and information on land cover dynamics is required for monitoring the implications of global change. Such data are also essential in support of environmental management and policymaking. Boreal forests are a key component of the global climate and a major sink of carbon. The northern latitudes are expected to experience a disproportionate and rapid warming, which can have a major impact on vegetation at forest limits. This thesis examines the use of optical remote sensing for estimating aboveground biomass, leaf area index (LAI), tree cover and tree height in the boreal forests and tundra taiga transition zone in Finland. The continuous fields of forest attributes are required, for example, to improve the mapping of forest extent. The thesis focus on studying the feasibility of satellite data at multiple spatial resolutions, assessing the potential of multispectral, -angular and -temporal information, and provides regional evaluation for global land cover data. Preprocessed ASTER, MISR and MODIS products are the principal satellite data. The reference data consist of field measurements, forest inventory data and fine resolution land cover maps. Fine resolution studies demonstrate how statistical relationships between biomass and satellite data are relatively strong in single species and low biomass mountain birch forests in comparison to higher biomass coniferous stands. The combination of forest stand data and fine resolution ASTER images provides a method for biomass estimation using medium resolution MODIS data. The multiangular data improve the accuracy of land cover mapping in the sparsely forested tundra taiga transition zone, particularly in mires. Similarly, multitemporal data improve the accuracy of coarse resolution tree cover estimates in comparison to single date data. Furthermore, the peak of the growing season is not necessarily the optimal time for land cover mapping in the northern boreal regions. The evaluated coarse resolution land cover data sets have considerable shortcomings in northernmost Finland and should be used with caution in similar regions. The quantitative reference data and upscaling methods for integrating multiresolution data are required for calibration of statistical models and evaluation of land cover data sets. The preprocessed image products have potential for wider use as they can considerably reduce the time and effort used for data processing.

Semantic Classes in Topic Detection and Tracking

Topic detection and tracking (TDT) is an area of information retrieval research the focus of which revolves around news events. The problems TDT deals with relate to segmenting news text into cohesive stories, detecting something new, previously unreported, tracking the development of a previously reported event, and grouping together news that discuss the same event. The performance of the traditional information retrieval techniques based on full-text similarity has remained inadequate for online production systems. It has been difficult to make the distinction between same and similar events. In this work, we explore ways of representing and comparing news documents in order to detect new events and track their development. First, however, we put forward a conceptual analysis of the notions of topic and event. The purpose is to clarify the terminology and align it with the process of news-making and the tradition of story-telling. Second, we present a framework for document similarity that is based on semantic classes, i.e., groups of words with similar meaning. We adopt people, organizations, and locations as semantic classes in addition to general terms. As each semantic class can be assigned its own similarity measure, document similarity can make use of ontologies, e.g., geographical taxonomies. The documents are compared class-wise, and the outcome is a weighted combination of class-wise similarities. Third, we incorporate temporal information into document similarity. We formalize the natural language temporal expressions occurring in the text, and use them to anchor the rest of the terms onto the time-line. Upon comparing documents for event-based similarity, we look not only at matching terms, but also how near their anchors are on the time-line. Fourth, we experiment with an adaptive variant of the semantic class similarity system. The news reflect changes in the real world, and in order to keep up, the system has to change its behavior based on the contents of the news stream. We put forward two strategies for rebuilding the topic representations and report experiment results. We run experiments with three annotated TDT corpora. The use of semantic classes increased the effectiveness of topic tracking by 10-30\% depending on the experimental setup. The gain in spotting new events remained lower, around 3-4\%. The anchoring the text to a time-line based on the temporal expressions gave a further 10\% increase the effectiveness of topic tracking. The gains in detecting new events, again, remained smaller. The adaptive systems did not improve the tracking results.

Change detection and controlling forest information using multi-temporal Landsat TM imagery.

A method was developed for relative radiometric calibration of single multitemporal Landsat TM image, several multitemporal images covering each others, and several multitemporal images covering different geographic locations. The radiometricly calibrated difference images were used for detecting rapid changes on forest stands. The nonparametric Kernel method was applied for change detection. The accuracy of the change detection was estimated by inspecting the image analysis results in field. The change classification was applied for controlling the quality of the continuously updated forest stand information. The aim was to ensure that all the manmade changes and any forest damages were correctly updated including the attribute and stand delineation information. The image analysis results were compared with the registered treatments and the stand information base. The stands with discrepancies between these two information sources were recommended to be field inspected.

Temporal acuity in developmental dyslexia across the life span : Tactile, auditory, visual, and crossmodal estimations

Taustaa Kehityksellinen dysleksia (lukivaikeus) on erityinen lukemaan oppimisen vaikeus, johon liittyy usein myös vaikeuksia kirjoittamaan oppimisessa. Lukivaikeuden oletetaan useissa tapauksissa johtuvan vaikeudesta käsitellä kielen äännerakenteita (fonologinen prosessointi). Tämä poikkeavuus voi olla joko lukivaikeuden perimmäinen syy tai vaihtoehtoisesti ongelmat äänteiden käsittelyssä voivat heijastaa jotain vielä perustavamman tason vaikeutta. Eräs tällainen ehdotettu perustavan tasoin syy on poikkeavuus aistien toiminnoissa, erityisesti aistien aikatarkkuudessa. Aikatarkkuudella tarkoitetaan kykyä ja rajoja siinä, kuinka nopeasti esitettyä aistitiedon virtaa henkilö kykenee vastaanottamaan ja käsittelemään. Monet arjen toiminnot lukemisen rinnalla edellyttävät aistien erittäin tarkkaa ajallista erottelukykyä (esimerkiksi kuulo puheen ymmärtämisessä, tunto pintamateriaalin tunnistamisessa). Aikatarkkuusvaikeuksien esiintyvyyttä lukivaikeudessa on tutkittu aiemminkin, mutta yksimielisyyteen ei ole päästy siitä, onko kaikilla lukivaikeuksisilla näitä ongelmia tai mihin aisteihin vaikeudet mahdollisesti rajoittuvat. Myöskään ei tiedetä, havaitaanko aikatarkkuuden ongelmia kaiken ikäisillä lukivaikeuksisilla vai vaihteleeko mahdollinen ongelmien kuva iän mukana. Lisäksi on epäselvää, kuinka aikatarkkuuden ongelmat itseasiassa ovat yhteydessä kielen käsittelyn ja varsinaisen lukemisen vaikeuksiin. Tutkimussarjan aihe Tässä tutkimussarjassa aikatarkkuutta tutkittiin kolmessa yksittäisessä aistissa, joita olivat tunto, näkö ja kuulo, sekä kolmessa aistien välisessä yhdistelmässä, joita olivat audiotaktiilinen (kuulo-tunto), visuotaktiilinen (näkö-tunto) ja audiovisuaalinen (näkö-kuulo). Aikatarkkuutta arvioitiin kahdella eri menetelmällä, jotta saataisiin lisää tietoa siitä, missä tietyssä aikatarkkuuden osa-alueessa lukivaikeuksisilla mahdollisesti on vaikeuksia. Ensimmäisessä tehtävässä tutkittavan tuli arvioida, ovatko esitetyt ei-kielelliset ärsykkeet samanaikaisia vai eriaikaisia. Toisessa tehtävässä koehenkilön tuli arvioida esitettyjen ei-kielellisten ärsykkeiden esitysjärjestys. Molemmissa tehtävissä määriteltiin millisekuntitasolla (sekunnin tuhannesosa) se esitysnopeus, jolla koehenkilö kykeni arvioimaan ärsykkeiden ajalliset suhteet oikein. Englanninkielinen demonstraatio aikatarkkuustehtävistä löytyy internetistä (http://www.helsinki.fi/hum/ylpsy/neuropsy). Itse aikatarkkuustehtävien lisäksi tutkimussarjassa arvioitiin tutkimushenkilöiden päättelykykyä, kielellisiä toimintoja ja lukemista. Tutkimushenkilöt Tutkimuksiin osallistui 53 lukivaikeuksista ja 66 sujuvaa lukijaa, jotka oli jaettu kolmeen pääikäryhmään: lapset (8-12 vuotta), nuoret aikuiset (20-36 vuotta) ja ikääntyneemmät aikuiset (20-59 vuotta). Ikääntyneempien aikuisten ryhmä oli edelleen jaettu ikävuosikymmenluokkiin, mikä mahdollisti sen tutkimisen, vaikuttaako lisääntyvä aikuisikä lukivaikeuksisten aikatarkkuuteen (20-29, 30-39, 40-49 ja 50-59 -vuotiaat). Tutkimussarjan tulokset Aikatarkkuuden ongelmat lukivaikeuksisilla olivat yleistyneitä yli iän, aistien ja tehtävien Lukivaikeuksiset kaikissa pääikäryhmissä (lapset, nuoret aikuiset, ikääntyneemmän aikuiset) tarvitsivat samanikäisiä sujuvia lukijoita hitaamman esitystahdin, jotta he kykenivät arvioimaan ei-kielellisten ärsykkeiden ajallisen esitystavan oikein. Tämä aikatarkkuuden ongelma havaittiin lukivaikeuksisilla kaikissa aisteissa (tunto, kuulo, näkö) ja niiden yhdistelmissä (audiotaktiilinen, visuotaktiilinen, audiovisuaalinen). Lukivaikeuksisten aikatarkkuusongelmat ilmenivät edelleen molemmissa tehtävätyypeissä (samanaikaisuuden ja järjestyksen arvioinnissa). Aikatarkkuus ja sen ongelmat olivat yhteydessä äänteiden käsittelyyn Aikatarkkuus oli yhteydessä äänteiden käsittelykykyyn (fonologiseen prosessointiin), niin lapsilla kuin aikuisillakin, kaikissa aisteissa, niiden yhdistelmissä ja tehtävätyypeissä. Yhteys ei-kielellisen aikatarkkuuden ja kielellisten toimintojen välillä oli kuitenkin selkeämpi lukivaikeuksisilla kuin sujuvilla lukijoilla. Tämä tarkoittaa, että etenkin lukivaikeuksisilla ryhmätason huono aikatarkkuus oli yhteydessä huonoon äänteiden käsittelyyn (fonologiseen prosessointiin) ja päinvastoin. Suoraa yhteyttä lukemisen ja aikatarkkuuden välillä ei kuitenkaan havaittu. Lisääntyvä aikuisikä heikensi lukivaikeuksisten aikatarkkuutta suhteettoman paljon Tiedonkäsittelyn nopeuden on toistuvasti osoitettu hidastuvan normaalissa ikääntymisessä. Lisääntyvä aikuisikä (20-59 -vuotiailla) heikensikin sekä sujuvien että lukivaikeuksisten aikatarkkuutta. Toisin sanoen, mitä iäkkäämmästä aikuisesta oli kysymys, sitä hitaammin hänelle tuli esittää ärsykkeet, jotta hän kykeni arvioimaan niiden ajalliset suhteet oikein. Tämä ikään liittyvä tavanomainen hidastuminen oli kuitenkin yllättäen suhteettoman nopeaa lukivaikeuksisilla. Toisin sanoen, jo nuorilla lukivaikeuksisilla havaittu aikatarkkuuden vaikeus (ryhmäero verrattuna sujuviin lukijoihin) ei pysynyt saman suuruisena, vaan ryhmien ero kasvoi aikuisiän lisääntyessä. Tulosten merkitys Lukivaikeuden osoitettiin tässä tutkimussarjassa olevan yhteydessä yleistyneeseen vaikeuteen käsitellä ajassa nopeasti muuttuvaa ei-kielellistä aistitietoa (yli aistien ja niiden yhdistelmien, tehtävätyyppien, tutkittavien iän). Tämä osoittaa, että lukivaikeus ei ole ongelma, joka rajoittuu vain kielellisen materiaalin käsittelyn vaikeuksiin (äänteiden käsittely, lukeminen, kirjoittaminen). Nyt havaitut vaikeudet eivät myöskään rajoittuneet vain niihin aisteihin, jotka selkeimmin liittyvät lukemiseen (näkö) ja puhuttuun kieleen (kuulo); Ongelmia esiintyi myös muissa aisteissa (tunto). Lukivaikeuksisten lukijoiden ryhmätasolla havaittu aikatarkkuuden ongelma ei kuitenkaan heijastunut yksilötasolle; Jokainen lukivaikeuksinen ei ollut huono aikatarkkuustehtävissä. Näin ollen ei siis voida väittää, että kaikkien lukivaikeuksisten äänteiden käsittelyn tai lukemaan oppimisen vaikeudet voisivat selittyä aistien toimintojen poikkeavuudella. Aikatarkkuuden ongelmat eivät olleet yhteydessä varsinaiseen lukemiseen. Sekä lukivaikeuksisilla lapsilla että aikuisilla todettiin kuitenkin selkeä yhteys aikatarkkuuden ongelmien ja lukemaan oppimisen keskeisen ennakkoehdon, fonologisen prosessoinnin, välillä. Saattaa siis olla, että synnynnäinen aistien toimintojen poikkeavuus vaikuttaa yksilön suoriutumiseen jo ennen varsinaista lukemaan oppimista, kun ne taidot kehittyvät (fonologinen prosessointi), joille myöhempi lukemaan oppiminen perustuu. Ikäännyttäessä havaittu lukivaikeuksisten suhteettoman nopea aikatarkkuuden heikkeneminen osoittaa, että lukivaikeus ei voi olla ongelma, joka koskee vain lapsuusikää, tai vaikeus, joka johtuu vain kehityksen viivästymästä joka kurottaisiin iän myötä umpeen. Tulosten ymmärtämiseksi onkin muistettava kaksi seikkaa. Lukivaikeus on ensinnäkin yhdistetty synnynnäisiin, pieniin, poikkeavuuksiin aivojen rakenteissa ja toiminnoissa. Toisaalta tavanomaiseen ikääntymiseen liittyy se, että aivot kykenevät yhä huonommin korjaamaan ja kiertämään (kompensoimaan) pieniä vaurioita. Tämän perusteella tutkimussarjan tuloksista voidaan päätellä, että lukivaikeuksisten jo synnynnäisesti heikentyneet aivojen kompensointimahdollisuudet eivät ole yhtä tehokkaita puskuroimaan ikääntymisen tavanomaisia vaikutuksia kuin sujuvilla lukijoilla. Yllättävää kuitenkin on, että tämä korostunut heikkeneminen havaittiin jo suhteellisen nuorilla, työikäisillä, lukivaikeuksisilla, ennen 60 ikävuotta. Samanlaista ikäännyttäessä korostuvaa vaikeutta ei lukivaikeuksilla kuitenkaan havaittu päättelyssä, kielellisissä toiminnoissa tai itse lukemisessa. Vaikuttaakin siis siltä, että ne toiminnot, joita on harjaannutettu aktiivisesti, eivät heikkene kasvavan aikuisiän myötä yhtä suhteettomasti. Alkuperäiset artikkelit Laasonen M, Tomma-Halme J, Lahti-Nuuttila P, Service E, and Virsu V (2000) Rate of information segregation in developmentally dyslexic children, Brain and Language, 75(1), 66-81. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2001) Temporal order and processing acuity of visual, auditory, and tactile perception in developmentally dyslexic young adults, Cognitive, Affective, and Behavioral Neuroscience, 1(4), 394-410. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2002) Crossmodal temporal order and processing acuity in developmentally dyslexic young adults, Brain and Language, 80(3), 340-354. Laasonen M, Lahti-Nuuttila P, and Virsu V (2002) Developmentally impaired processing speed decreases more than normally with age, NeuroReport, 13(9), 1111-1113.

Efficient Content-based Routing, Mobility-aware Topologies, and Temporal Subspace Matching

Event-based systems are seen as good candidates for supporting distributed applications in dynamic and ubiquitous environments because they support decoupled and asynchronous many-to-many information dissemination. Event systems are widely used, because asynchronous messaging provides a flexible alternative to RPC (Remote Procedure Call). They are typically implemented using an overlay network of routers. A content-based router forwards event messages based on filters that are installed by subscribers and other routers. The filters are organized into a routing table in order to forward incoming events to proper subscribers and neighbouring routers. This thesis addresses the optimization of content-based routing tables organized using the covering relation and presents novel data structures and configurations for improving local and distributed operation. Data structures are needed for organizing filters into a routing table that supports efficient matching and runtime operation. We present novel results on dynamic filter merging and the integration of filter merging with content-based routing tables. In addition, the thesis examines the cost of client mobility using different protocols and routing topologies. We also present a new matching technique called temporal subspace matching. The technique combines two new features. The first feature, temporal operation, supports notifications, or content profiles, that persist in time. The second feature, subspace matching, allows more expressive semantics, because notifications may contain intervals and be defined as subspaces of the content space. We also present an application of temporal subspace matching pertaining to metadata-based continuous collection and object tracking.

Environmental and climatic dependences of stable isotope ratios in tree rings on different temporal scales

This work examines stable isotope ratios of carbon, oxygen and hydrogen in annual growth rings of trees. Isotopic composition in wood cellulose is used as a tool to study past climate. The method benefits from the accurate and precise dating provided by dendrochronology. In this study the origin, nature and the strength of climatic correlations are studied on different temporal scales and at different sites in Finland. The origin of carbon isotopic signal is in photosynthetic fractionation. The basic physical and chemical fractionations involved are reasonably well understood. This was confirmed by measuring instantaneous photosynthetic discrimination on Scots pine (Pinus sylvestris L.). The internal conductance of CO2 was recognized to have a significant impact on the observed fractionation, and further investigations are suggested to quantify its role in controlling the isotopic signal of photosynthates. Isotopic composition of the produced biomass can potentially be affected by variety of external factors that induce physiological changes in trees. Response of carbon isotopic signal in tree ring cellulose to changes in resource availability was assessed in a manipulation experiment. It showed that the signal was relatively stable despite of changes in water and nitrogen availability to the tree. Palaeoclimatic reconstructions are typically based on functions describing empirical relationship between isotopic and climatic parameters. These empirical relationships may change depending on the site conditions, species and timeframe studied. Annual variation in Scots pine tree ring carbon and oxygen isotopic composition was studied in northern and in central eastern Finland and annual variation in tree ring latewood carbon, oxygen and hydrogen isotopic ratio in Oak (Quercus robur L.) was studied in southern Finland. In all of the studied sites at least one of the studied isotope ratios was shown to record climate strongly enough to be used in climatic reconstructions. Using the observed relationships, four-century-long climate reconstructions from living Scots pine were created for northern and central eastern Finland. Also temporal stability of the relationships between three proxy indicators, tree ring growth and carbon and oxygen isotopic composition was studied during the four-hundred-year period. Isotope ratios measured from tree rings in Finland were shown to be sensitive indicators of climate. Increasing understanding of environmental controls and physiological mechanisms affecting tree ring isotopic composition will make possible more accurate interpretation of isotope data. This study also demonstrated that by measuring multiple isotopes and physical proxies from the same tree rings, additional information on tree physiology can be obtained. Thus isotopic ratios measured from tree ring cellulose provide means to improve the reliability of climate reconstructions.

Requirements for information management system in agricultural contracting

Menneinä vuosikymmeninä maatalouden työt ovat ensin koneellistuneet voimakkaasti ja sittemmin mukaan on tullut automaatio. Nykyään koneiden kokoa suurentamalla ei enää saada tuottavuutta nostettua merkittävästi, vaan työn tehostaminen täytyy tehdä olemassa olevien resurssien käyttöä tehostamalla. Tässä työssä tarkastelun kohteena on ajosilppuriketju nurmisäilörehun korjuussa. Säilörehun korjuun intensiivisyys ja koneyksiköiden runsas määrä ovat työnjohdon kannalta vaativa yhdistelmä. Työn tavoitteena oli selvittää vaatimuksia maatalouden urakoinnin tueksi kehitettävälle tiedonhallintajärjestelmälle. Tutkimusta varten haastateltiin yhteensä 12 urakoitsijaa tai yhteistyötä tekevää viljelijää. Tutkimuksen perusteella urakoitsijoilla on tarvetta tietojärjestelmille.Luonnollisesti urakoinnin laajuus ja järjestelyt vaikuttavat asiaan. Tutkimuksen perusteella keskeisimpiä vaatimuksia tiedonhallinnalle ovat: • mahdollisimman laaja, yksityiskohtainen ja automaattinen tiedon keruu tehtävästä työstä • karttapohjaisuus, kuljettajien opastus kohteisiin • asiakasrekisteri, työn tilaus sähköisesti • tarjouspyyntöpohjat, hintalaskurit • luotettavuus, tiedon säilyvyys • sovellettavuus monenlaisiin töihin • yhteensopivuus muiden järjestelmien kanssa Kehitettävän järjestelmän tulisi siis tutkimuksen perusteella sisältää seuraavia osia: helppokäyttöinen suunnittelu/asiakasrekisterityökalu, toimintoja koneiden seurantaan, opastukseen ja johtamiseen, työnaikainen tiedonkeruu sekä kerätyn tiedon käsittelytoimintoja. Kaikki käyttäjät eivät kuitenkaan tarvitse kaikkia toimintoja, joten urakoitsijan on voitava valita tarvitsemansa osat ja mahdollisesti lisätä toimintoja myöhemmin. Tiukoissa taloudellisissa ja ajallisissa raameissa toimivat urakoitsijat ovat vaativia asiakkaita, joiden käyttämän tekniikan tulee olla toimivaa ja luotettavaa. Toisaalta inhimillisiä virheitä sattuu kokeneillekin, joten hyvällä tietojärjestelmällä työstä tulee helpompaa ja tehokkaampaa.