Maasto- ja helikopterilaskenta metsäpeurakannan ikä- ja sukupuolijakauman seurannassa

Suomenselän keskiosissa elävän metsäpeuraosakannan kehitystä on seurattu muutaman vuoden välein toistuvilla talvisilla helikopterilaskennoilla. Menetelmällä saadaan tarkka arvio osakannan yksilömäärästä sekä ikä- ja sukupuolijakaumasta. Lentolaskenta on kuitenkin kallis, eikä sitä voida tehdä vähälumisina talvina. Tietoa kannan tilasta ei saada laskentojen välisinä vuosina. Näiden syiden vuoksi seurantamenetelmiä on tarpeen kehittää ja monipuolistaa. Peurapopulaation ikä- ja sukupuolirakennetta voidaan arvioida keräämällä havaintoja eläimistä sellaisena aikana jolloin kaikki ikäluokat liikkuvat samoilla alueilla. Vasaosuuden perusteella voidaan arvioida kannan lisääntymismenestystä ja suurpetojen saalistuksen vaikutuksia. Sukupuolijakauma puolestaan kertoo esimerkiksi väärin kohdennetun pyynnin vaikutuksista. Suomenselän alueen metsästäjät keräsivät maastohavaintoaineiston peuraosakannan ikä- ja sukupuolijakaumasta 11.10.–16.12.2007. Peuralaumoja valokuvattiin samassa yhteydessä havaintojen tarkentamiseksi. Kevättalvella 2008 tehtiin helikopterilaskenta. Menetelmien antamia ikä- ja sukupuolijakaumia vertailtiin, ja syitä poikkeamiin pohdittiin. Sekä maastohavaintojen että lento- ja maastolaskennan kuva-aineistojen perusteella arvioidut metsäpeuran vasaosuudet olivat yhdenmukaiset. Yksittäisten laskijoiden havaintojen vasaosuuksissa oli vaihtelua, joka johtui ensisijaisesti peurojen elintavoista. Laskennan ajankohta, havaitun lauman koko ja laskijan taidot vaikuttivat tulokseen vain vähän. Hirvas- ja vaadinosuuksissa oli hajontaa. Maastolaskennassa naaraiden osuus oli aliarvio, lentolaskennassa puolestaan hirvasosuus. Tulosten perusteella maastolaskenta sopii erinomaisesti metsäpeurakannan vasaosuuden seurantaan, ja ns. ”early warning” -järjestelmäksi ilmaisemaan muutoksista kantaa säätelevissä tekijöissä. Aikuiskannan rakennetta voidaan seurata parhaiten valokuvaamalla tai videoimalla peuralaumoja silloin kun laumakoko on suurimmillaan.

Virtuaalimaailmoja valtaamassa : verkko-opetusinnovaation leviäminen koulun maantieteeseen vuosituhannen vaihteessa

Tutkimus käsittelee verkko-opetusinnovaation leviämistä perusasteen ja lukion maantieteeseen vuosina 1998–2004. Työssä sovellettiin opetusinnovaation leviämismallia ja innovaatioiden diffuusioteoriaa. Aineisto hankittiin seitsemänä vuotena kyselylomakkeilla maantieteen verkko-opetuksen edelläkävijäopettajilta, jotka palauttivat 326 lomaketta. Tutkimuksen pääongelmat olivat 1) Millaisia edellytyksiä edelläkävijäopettajilla on käyttää verkko-opetusta koulun maantieteessä? 2) Mitä sovelluksia ja millä tavoin edelläkävijäopettajat käyttävät maantieteen verkko-opetuksessa? 3) Millaisia käyttökokemuksia edelläkävijäopettajat ovat saaneet maantieteen verkko-opetuksesta? Tutkimuksessa havaittiin, että tietokoneiden riittämätön määrä ja puuttuminen aineluokasta vaikeuttivat maantieteen verkko-opetusta. Työssä kehitettiin opettajien digitaalisten mediataitojen kuutiomalli, johon kuuluvat tekniset taidot, informaation prosessointitaidot ja viestintätaidot. Opettajissa erotettiin kolme verkko-opetuksen käyttäjätyyppiä: informaatiohakuiset kevytkäyttäjät, viestintähakuiset peruskäyttäjät ja yhteistyöhakuiset tehokäyttäjät. Verkko-opetukseen liittyi intensiivisiä myönteisiä ja kielteisiä kokemuksia. Se toi iloa ja motivaatiota opiskeluun. Sitä pidettiin rikastuttavana lisänä, joka haluttiin integroida opetukseen hallitusti. Edelläkävijäopettajat ottivat käyttöön tietoverkoissa olevaa informaatiota ja sovelsivat työvälineohjelmia. He pääsivät alkuun todellisuutta jäljittelevien virtuaalimaailmojen: satelliittikuvien toistaman maapallon, digitaalikarttojen ja simulaatioiden käytössä. Opettajat kokeilivat verkon sosiaalisia tiloja reaaliaikaisen viestinnän, keskusteluryhmien ja ryhmätyöohjelmien avulla. Mielikuvitukseen perustuvat virtuaalimaailmat jäivät vähälle sillä opettajat eivät juuri pelanneet viihdepelejä. He omaksuivat virtuaalimaailmoista satunnaisia palasia käytettävissä olevan laite- ja ohjelmavarustuksen mukaan. Virtuaalimaailmojen valtaus eteni tutkimuksen aikana digitaalisen informaation hyödyntämisestä viestintäsovelluksiin ja aloittelevaan yhteistyöhön. Näin opettajat laajensivat virtuaalireviiriään tietoverkkojen dynaamisiksi toimijoiksi ja pääsivät uusin keinoin tyydyttämään ihmisen universaalia tarvetta yhteyteen muiden kanssa. Samalla opettajat valtautuivat informaation kuluttajista sen tuottajiksi, objekteista subjekteiksi. Verkko-opetus avaa koulun maantieteelle huomattavia mahdollisuuksia. Mobiililaitteiden avulla informaatiota voidaan kerätä ja tallentaa maasto-olosuhteissa, ohjelmilla sitä voidaan muuntaa muodosta toiseen. Internetin autenttiset ja ajantasaiset materiaalit tuovat opiskeluun konkretiaa ja kiinnostavuutta, mallit, simulaatiot ja paikkatieto havainnollistavat ilmiöitä. Viestintä- ja yhteistyövälineet sekä sosiaaliset informaatiotilat vahvistavat yhteistyötä. Avainsanat: verkko-opetus, internet, virtuaalimaailmat, maantiede, innovaatiot

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.

Enhanced processing of SPOT multispectral satellite imagery for environmental monitoring and modelling

The Taita Hills in southeastern Kenya form the northernmost part of Africa’s Eastern Arc Mountains, which have been identified by Conservation International as one of the top ten biodiversity hotspots on Earth. As with many areas of the developing world, over recent decades the Taita Hills have experienced significant population growth leading to associated major changes in land use and land cover (LULC), as well as escalating land degradation, particularly soil erosion. Multi-temporal medium resolution multispectral optical satellite data, such as imagery from the SPOT HRV, HRVIR, and HRG sensors, provides a valuable source of information for environmental monitoring and modelling at a landscape level at local and regional scales. However, utilization of multi-temporal SPOT data in quantitative remote sensing studies requires the removal of atmospheric effects and the derivation of surface reflectance factor. Furthermore, for areas of rugged terrain, such as the Taita Hills, topographic correction is necessary to derive comparable reflectance throughout a SPOT scene. Reliable monitoring of LULC change over time and modelling of land degradation and human population distribution and abundance are of crucial importance to sustainable development, natural resource management, biodiversity conservation, and understanding and mitigating climate change and its impacts. The main purpose of this thesis was to develop and validate enhanced processing of SPOT satellite imagery for use in environmental monitoring and modelling at a landscape level, in regions of the developing world with limited ancillary data availability. The Taita Hills formed the application study site, whilst the Helsinki metropolitan region was used as a control site for validation and assessment of the applied atmospheric correction techniques, where multiangular reflectance field measurements were taken and where horizontal visibility meteorological data concurrent with image acquisition were available. The proposed historical empirical line method (HELM) for absolute atmospheric correction was found to be the only applied technique that could derive surface reflectance factor within an RMSE of < 0.02 ps in the SPOT visible and near-infrared bands; an accuracy level identified as a benchmark for successful atmospheric correction. A multi-scale segmentation/object relationship modelling (MSS/ORM) approach was applied to map LULC in the Taita Hills from the multi-temporal SPOT imagery. This object-based procedure was shown to derive significant improvements over a uni-scale maximum-likelihood technique. The derived LULC data was used in combination with low cost GIS geospatial layers describing elevation, rainfall and soil type, to model degradation in the Taita Hills in the form of potential soil loss, utilizing the simple universal soil loss equation (USLE). Furthermore, human population distribution and abundance were modelled with satisfactory results using only SPOT and GIS derived data and non-Gaussian predictive modelling techniques. The SPOT derived LULC data was found to be unnecessary as a predictor because the first and second order image texture measurements had greater power to explain variation in dwelling unit occurrence and abundance. The ability of the procedures to be implemented locally in the developing world using low-cost or freely available data and software was considered. The techniques discussed in this thesis are considered equally applicable to other medium- and high-resolution optical satellite imagery, as well the utilized SPOT data.

Evolutionary and conservation biology of the Finnish house sparrow

Recently it has been recognized that evolutionary aspects play a major role in conservation issues of a species. In this thesis I have combined evolutionary research with conservation studies to provide new insight into these fields. The study object of this thesis is the house sparrow, a species that has features that makes it interesting for this type of study. The house sparrow has been ubiquitous almost all over the world. Even though being still abundant, several countries have reported major declines. These declines have taken place in a relatively short time covering both urban and rural habitats. In Finland this species has declined by more than two thirds in just over two decades. In addition, as the house sparrow lives only in human inhabited areas it can also raise public awareness to conservation issues. I used both an extensive museum collection of house sparrows collected in 1980s from all over Finland as well as samples collected in 2009 from 12 of the previously collected localities. I used molecular techniques to study neutral genetic variation within and genetic differentiation between the study populations. This knowledge I then combined with data gathered on morphometric measurements. In addition I analyzed eight heavy metals from the livers of house sparrows that lived in either rural or urban areas in the 1980s and evaluated the role of heavy metal pollution as a possible cause of the declines. Even though dispersal of house sparrows is limited I found that just as the declines started in 1980s the house sparrows formed a genetically panmictic population on the scale of the whole Finland. When compared to Norway, where neutral genetic divergence has been found even with small geographic distances, I concluded that this difference would be due to contrasting landscapes. In Finland the landscape is rather homogeneous facilitating the movements of these birds and maintaining gene flow even with the low dispersal. To see whether the declines have had an effect on the neutral genetic variation of the populations I did a comparison between the historical and contemporary genetic data. I showed that even though genetic diversity has not decreased due to the drastic declines the populations have indeed become more differentiated from each other. This shows that even in a still quite abundant species the declines can have an effect on the genetic variation. It is shown that genetic diversity and differentiation may approach their new equilibriums at different rates. This emphasizes the importance of studying both of them and if the latter has increased it should be taken as a warning sign of a possible loss of genetic diversity in the future. One of the factors suggested to be responsible for the house sparrow declines is heavy metal pollution. When studying the livers of house sparrows from 1980s I discovered higher levels of heavy metal concentrations in urban than rural habitats, but the levels of the metals were comparatively low and based on that heavy metal pollution does not seem to be a direct cause for the declines in Finland. However, heavy metals are known to decrease the amount of insects in urban areas and thus in the cities heavy metals may have an indirect effect on house sparrows. Although neutral genetic variation is an important tool for conservation genetics it does not tell the whole story. Since neutral genetic variation is not affected by selection, information can be one-sided. It is possible that even neutral genetic differentiation is low, there can be substantial variation in additive genetic traits indicating local adaptation. Therefore I performed a comparison between neutral genetic differentiation and phenotypic differentiation. I discovered that two traits out of seven are likely to be under directional selection, whereas the others could be affected by random genetic drift. Bergmann s rule may be behind the observed directional selection in wing length and body mass. These results highlight the importance of estimating both neutral and adaptive genetic variation.