Remote sensing of leaf area index: enhanced retrieval from close-range and remotely sensed optical observations

A wide range of models used in agriculture, ecology, carbon cycling, climate and other related studies require information on the amount of leaf material present in a given environment to correctly represent radiation, heat, momentum, water, and various gas exchanges with the overlying atmosphere or the underlying soil. Leaf area index (LAI) thus often features as a critical land surface variable in parameterisations of global and regional climate models, e.g., radiation uptake, precipitation interception, energy conversion, gas exchange and momentum, as all areas are substantially determined by the vegetation surface. Optical wavelengths of remote sensing are the common electromagnetic regions used for LAI estimations and generally for vegetation studies. The main purpose of this dissertation was to enhance the determination of LAI using close-range remote sensing (hemispherical photography), airborne remote sensing (high resolution colour and colour infrared imagery), and satellite remote sensing (high resolution SPOT 5 HRG imagery) optical observations. The commonly used light extinction models are applied at all levels of optical observations. For the sake of comparative analysis, LAI was further determined using statistical relationships between spectral vegetation index (SVI) and ground based LAI. The study areas of this dissertation focus on two regions, one located in Taita Hills, South-East Kenya characterised by tropical cloud forest and exotic plantations, and the other in Gatineau Park, Southern Quebec, Canada dominated by temperate hardwood forest. The sampling procedure of sky map of gap fraction and size from hemispherical photographs was proven to be one of the most crucial steps in the accurate determination of LAI. LAI and clumping index estimates were significantly affected by the variation of the size of sky segments for given zenith angle ranges. On sloping ground, gap fraction and size distributions present strong upslope/downslope asymmetry of foliage elements, and thus the correction and the sensitivity analysis for both LAI and clumping index computations were demonstrated. Several SVIs can be used for LAI mapping using empirical regression analysis provided that the sensitivities of SVIs at varying ranges of LAI are large enough. Large scale LAI inversion algorithms were demonstrated and were proven to be a considerably efficient alternative approach for LAI mapping. LAI can be estimated nonparametrically from the information contained solely in the remotely sensed dataset given that the upper-end (saturated SVI) value is accurately determined. However, further study is still required to devise a methodology as well as instrumentation to retrieve on-ground green leaf area index . Subsequently, the large scale LAI inversion algorithms presented in this work can be precisely validated. Finally, based on literature review and this dissertation, potential future research prospects and directions were recommended.

On the behaviour of some physical parameterization methods in high-resolution numerical weather prediction models

Modern-day weather forecasting is highly dependent on Numerical Weather Prediction (NWP) models as the main data source. The evolving state of the atmosphere with time can be numerically predicted by solving a set of hydrodynamic equations, if the initial state is known. However, such a modelling approach always contains approximations that by and large depend on the purpose of use and resolution of the models. Present-day NWP systems operate with horizontal model resolutions in the range from about 40 km to 10 km. Recently, the aim has been to reach operationally to scales of 1 4 km. This requires less approximations in the model equations, more complex treatment of physical processes and, furthermore, more computing power. This thesis concentrates on the physical parameterization methods used in high-resolution NWP models. The main emphasis is on the validation of the grid-size-dependent convection parameterization in the High Resolution Limited Area Model (HIRLAM) and on a comprehensive intercomparison of radiative-flux parameterizations. In addition, the problems related to wind prediction near the coastline are addressed with high-resolution meso-scale models. The grid-size-dependent convection parameterization is clearly beneficial for NWP models operating with a dense grid. Results show that the current convection scheme in HIRLAM is still applicable down to a 5.6 km grid size. However, with further improved model resolution, the tendency of the model to overestimate strong precipitation intensities increases in all the experiment runs. For the clear-sky longwave radiation parameterization, schemes used in NWP-models provide much better results in comparison with simple empirical schemes. On the other hand, for the shortwave part of the spectrum, the empirical schemes are more competitive for producing fairly accurate surface fluxes. Overall, even the complex radiation parameterization schemes used in NWP-models seem to be slightly too transparent for both long- and shortwave radiation in clear-sky conditions. For cloudy conditions, simple cloud correction functions are tested. In case of longwave radiation, the empirical cloud correction methods provide rather accurate results, whereas for shortwave radiation the benefit is only marginal. Idealised high-resolution two-dimensional meso-scale model experiments suggest that the reason for the observed formation of the afternoon low level jet (LLJ) over the Gulf of Finland is an inertial oscillation mechanism, when the large-scale flow is from the south-east or west directions. The LLJ is further enhanced by the sea-breeze circulation. A three-dimensional HIRLAM experiment, with a 7.7 km grid size, is able to generate a similar LLJ flow structure as suggested by the 2D-experiments and observations. It is also pointed out that improved model resolution does not necessary lead to better wind forecasts in the statistical sense. In nested systems, the quality of the large-scale host model is really important, especially if the inner meso-scale model domain is small.

Esiselvitys Luoteis-Venäjän ja Kaakkois-Suomen aluetaloudellisesta, kulttuurisesta ja sosiaalisesta integraatiokehityksestä

Esiselvityksen tarkoituksena on esittää arvio Luoteis-Venäjän ja Kaakkois-Suomen integraation tämänhetkisestä tilanteesta sekä keskeisimmistä edellytyksistä ja esteistä. Raportin ensimmäisessä osassa käsitellään kohdealueiden taustaa, toisessa osassa integroitumisen edellytyksiä ja esteitä sekä kolmannessa osassa Kaakkois-Suomen mahdollisuuksia ja vetovoimatekijöitä. Luoteis-Venäjällä on ollut suuri merkitys Kaakkois-Suomen kehityksessä ja se nähdään edelleen suurimpana mahdollisuutena minkä suhteen alueella voidaan kehittyä. Suurimmiksi ongelmiksi haastattelujen perusteella nousivat bisnekseen itseensä perustuvat ongelmat sekä resurssien puute. Lisäksi kykenemättömyys sopeutua paikalliseen kulttuuriin, kielitaidon ja kulttuurintuntemuksen puute, asenneongelmat sekä Venäjällä kasvava protektionismi ja maan oikeusvaltiostatuksen puute nähtiin suurena esteenä. Sopimukset sekä Venäjällä toimiminen niin liiketoiminnassa kuin koulutus- ja tutkimussektorilla ovat saaneet mystisiä piirteitä. Integraation edellytyksinä esiin nousivat halu kansainvälistyä sekä valmius panostaa ajallisesti ja rahallisesti. Muut edellytykset riippuvat valitusta toimintamallista. Toimintaympäristöön integroitumisen edellytyksenä pidettiin toimivia suhteita paikallishallintoon ja henkilökunnan venäläistämistä. Suomalaisten menestymisen edellytyksiä pidettiin hyvänä. Koulutus- ja tutkimussektorilla esiin nousivat perusrahoituksen puuttuminen, Suomi-keskeisyys sekä asenneongelmat. Venäläinen partneri on kuitenkin olennainen ja yhteistoiminnan edellytyksenä pidettiin verkostojen luomista. Koulutusviennin osalta esiin nousivat johtamis- ja projektihallinnon tarjonta. Ongelmana nähtiin yliopistojen välinen kilpailu ja toiveena oli parempi yhteistoiminta korkeakoulujen kesken. Julkisen sektorin puolella suurimmaksi ongelmaksi nousivat toimijoiden suuri määrä sekä niiden välinen kilpailu Kaakkois-Suomessa ja Luoteis-Venäjällä. Myös Kouvolan ja Kotkan sekä rautatien ja E18-tien välinen kilpailu haittaavat alueen kehitystä. Lisäksi alueelta puuttuu poliittinen omistajuus asialle sekä vahva keulakuva. Integraation tulisi toteutua julkisen sektorin ja yritysten yhteistyönä. Valtiolta toivottiin viisumikysymyksen pikaista ratkaisua, eikä viisumin poistumisen mahdollisia negatiivisia vaikutuksia pidetty suurena ongelmana. Kymenlaakson rakennemuutos nähtiin mieluummin mahdollisuutena kuin haittana. Sen sijaan yliopiston puute luo leiman alueelle, ja LUT:n vaikutusta toivottiin koko Kaakkois-Suomeen. Alueen infran todettiin olevan toimiva ja kehittämiseen kaivattiin aloitteellisuutta sekä nopeita toimia. Logistiikkaan pidettiin Kaakkois-Suomen vahvuutena, mutta liiallisen keskittymisen rautateihin tai satamiin nähtiin hidastavan kehitystä. Toimijoiden toivottiin yhdistyvän ja muodostavan ketjuja sekä keskittyvän alueen omiin vahvuuksiin, joista toivottiin selvitystä. Alueen kehittämisen kannalta esiin nousi vaatimuksia korkeamasta palvelutasosta sekä kielen ja kulttuurin tuntemuksen lisäämisestä. Erityisesti matkailun alalle sekä kulttuurivaihtoon kaivattiin kehitystä, isoja hankkeita ja rajaseudun sekä omaa brändiä. Lisäksi Lappeenrannan lentokenttää ja nopeaa junayhteyttä tulisi hyödyntää enemmän, sekä panostaa matkailijoiden opastukseen. Alueen vetovoimatekijöinä nähtiin erilaiset terveys-, hoito- ja kuntoutuspalvelut, sekä huoltotoiminnot. Paperiteollisuuden puolella tulisi yhdistää ekologia, ekonomia ja teknologia sekä saada uusia innovaatioita. Lisäksi Kaakkois-Suomessa tulisi keskittyä logistiikkaan, digitaaliseen viestintään, uusiutuviin energioihin sekä tietointensiiviseen työhön. Alueen venäläisistä yrityksistä ja mahdollisista investointikohteista kaivattiin lisäselvityksiä. Integroituminen yhteiskuntaan vaatii poikkihallinnollisia toimita ja kielikoulutuksen aikaista aloittamista. Maakuntaliiton panostusta toivottiin erityisesti suhteiden luomiseen Suomessa ja Venäjällä, alueen logistiikan painopistealueiden määrittelemiseen sekä kulttuurisen integraation huomioimiseen strategioissaan.

Mapping Road Infrastructure in Developing Countries Applying Remote Sensing and GIS - The Case of the Taita Hills, Kenya

Road transport and infrastructure has a fundamental meaning for the developing world. Poor quality and inadequate coverage of roads, lack of maintenance operations and outdated road maps continue to hinder economic and social development in the developing countries. This thesis focuses on studying the present state of road infrastructure and its mapping in the Taita Hills, south-east Kenya. The study is included as a part of the TAITA-project by the Department of Geography, University of Helsinki. The road infrastructure of the study area is studied by remote sensing and GIS based methodology. As the principal dataset, true colour airborne digital camera data from 2004, was used to generate an aerial image mosaic of the study area. Auxiliary data includes SPOT satellite imagery from 2003, field spectrometry data of road surfaces and relevant literature. Road infrastructure characteristics are interpreted from three test sites using pixel-based supervised classification, object-oriented supervised classifications and visual interpretation. Road infrastructure of the test sites is interpreted visually from a SPOT image. Road centrelines are then extracted from the object-oriented classification results with an automatic vectorisation process. The road infrastructure of the entire image mosaic is mapped by applying the most appropriate assessed data and techniques. The spectral characteristics and reflectance of various road surfaces are considered with the acquired field spectra and relevant literature. The results are compared with the experimented road mapping methods. This study concludes that classification and extraction of roads remains a difficult task, and that the accuracy of the results is inadequate regardless of the high spatial resolution of the image mosaic used in this thesis. Visual interpretation, out of all the experimented methods in this thesis is the most straightforward, accurate and valid technique for road mapping. Certain road surfaces have similar spectral characteristics and reflectance values with other land cover and land use. This has a great influence for digital analysis techniques in particular. Road mapping is made even more complicated by rich vegetation and tree canopy, clouds, shadows, low contrast between roads and surroundings and the width of narrow roads in relation to the spatial resolution of the imagery used. The results of this thesis may be applied to road infrastructure mapping in developing countries on a more general context, although with certain limits. In particular, unclassified rural roads require updated road mapping schemas to intensify road transport possibilities and to assist in the development of the developing world.