Improving groundwater table monitoring for Northern Hemisphere peatlands using optical and thermal satellite data

Abstract

Sood on märgalad, kuhu taimede mittetäieliku lagunemise tõttu on talletunud palju turvast, , mis sisaldab suurt kogust süsinikku. Turvas on moodustunud aastatuhandete jooksul niisketes tingimustes. Inimtegevuse surve ning globaalne kliima soojenemine on põhjustanud soode kuivenemise ning seetõttu talletunud süsiniku lendumist kasvuhoonegaaside (KHG), peamiselt süsihappegaasina (CO2), mis põhjustab omakorda kliima soojenemist. Ka teised KHG-d, metaan ja naerugaas, lenduvad soodest ja nendegi puhul on olulisimaks teguriks põhjaveetaseme langus. Seetõttu on täpsem teadmine soode põhjaveetaseme muutustest olulise tähtsusega Maa kliima muutumise ennustamisel. Käesolev väitekiri annab ülevaate uuringutest, mille välitööde osa tehti Eestis Endla looduskaitsealal Männikjärve ja Linnusaare rabades, võrdlevad analüüsid aga sarnaste soodega Soomes, Rootsis, Kanadas ja USA-s. Töö peamiseks eesmärgiks oli täiendada Põhjapoolkera soode põhjaveetaseme sattelliidi-põhist kaugseiret, mille alusel hinnati tulemuste olulisust, võrreldes seda soodes tehtud kohapealsete mõõtmistega. Esmakordselt näidati, et kasutatud optiliste ja termiliste spektrite signaalid, mis on turba veesisalduse ja rohelise (kasvuperioodi) taimkatte määramise seisukohast kõige tundlikumad, , iseloomustavad usaldusväärselt soode põhjaveetaset. Täiendava uuringuga taimkatte mõjust seosele leiti vastav niiskusindeks ja selle kõige usaldusväärsemad kohad (pikslid) soodes, mis omakorda võimaldas üldistada tulemust kogu soo ulatuses. Algselt Eesti soodes välja töötatud metoodika õigustas ennast ka teistes soodes nii Euroopas kui ka Põhja-Ameerikas ning seda soovitatakse kasutada edasistes uuringutes.

Peatlands are a type of wetlands, which have accumulated huge quantities of carbon as a plant matter. The accumulation of this carbon occurred in water-logged conditions and took thousands of years. Global climate change can lead to the drying of peatlands and, thus, the release of accumulated carbon in the form of greenhouse gas – carbon dioxide (CO2). Releasing CO2 into the atmosphere will amplify global climate change. Therefore, knowledge of water table depth in peatlands is essential for predicting future Earth climate. In this thesis, we present results of our four articles integrated together and they share one general aim – to improve the estimation of water table depth in Northern Hemisphere peatlands using remotely sensed information in thermal and optical spectra. We evaluated the usefulness of this information to detect the temporal and spatial changes in water table depth based on in-situ data collected in peatlands. Particularly, we used signals sensitive to moisture and green vegetation, and utilized them in several indices that indicate soil moisture conditions. In this thesis, we have determined, for the first time, that used in our study moisture index based on optical data has a strong temporal relationship with in-situ measured water table depth in peatlands. Moreover, we discussed the impact of vegetation cover on that relationship and suggested a method for selecting the most informative pixels of moisture index. In conclusion, we suggest the future perspectives of using optical-based moisture index together with challenges it might have.