Sentinel- ja Landsat- satelliittien aineistojen hyödyntäminen Itämeren ja Suomen järvien vedenlaadun määrityksessä (VESISEN)

  • Kesto: 2016 - 2024
  • Vaihe: Päättynyt

VESISENin tavoite on kehittää menetelmiä EU:n Copernicus-ohjelman Sentinel satelliitti-havaintojen hyödyntämisestä Suomen vesialueiden vedenlaadun seurannassa.

Projektin johto
Jenni Attila (Syke)
Projektiryhmä
Sakari Väkevä, Eero Alkio, Vesa Keto, Jesse Anttila, Mikko Kervinen, Sampsa Koponen, Eeva Bruun, Hanna Alasalmi
Aiemmat vaiheet: Kari Kallio (Syke), Pasi Ylöstalo (Syke), Jukka Seppälä (Syke) ja Seppo Kaitala (Syke)
Rahoittajat
Ympäristöministeriö, Suomen ympäristökeskus
Copernicus ohjelman Sentinel-2 satelliittihavainto, Helsinki (17.7.2018.).
Sentinel-2 satelliittihavainto sinilevästä Helsingin edustalla. © Contains modified Copernicus data, Syke (17.7.2018)

VESISEN hankkeiden tavoitteena on kehittää menetelmiä EU:n Copernicus-ohjelman (copernicus.eu) Sentinel-sarjan satelliittien aineistojen hyödyntämiseksi Suomen vesialueiden vedenlaadun seurannassa. Hankkeita on ollut vuodesta 2016 lähtien yhteensä neljä (Vesisen I-IV). Hankkeissa on määritetty, millä tarkkuudella satelliittihavaintoja on mahdollista hyödyntää ympäristön tilan seurantaohjelmissa ja viety menetelmäkehitystä eteenpäin. Satelliittihavaintojen etuna on suuri yksittäisten havaintojen määrä sekä hyvä ajallinen ja alueellinen kattavuus. Kehitystyön tavoitteena on parantaa seurannan kattavuutta erityisesti niillä alueilla, joilla perinteinen seuranta ei tuota tarpeeksi tietoa vesistöjen tilasta.

Ensimmäisen VESISEN-hankkeen loputtua oli määriteltynä, miltä Suomen vesialueilta voidaan jatkossa tulkita luotettavasti kaukokartoituksen avulla tärkeimpiä vedenlaatumuuttujia. Lisäksi kullekin vedenlaatumuuttujalle määritettiin tulkinnan keskimääräinen tarkkuus. Vesisen II hankkeen aikana (2017–2018) laskettiin ensimmäiset testiaineistot ja käynnistettiin VESISEN I&II-projektien tulosten perusteella Sentinel-sarjan satelliitteihin perustuva vedenlaadun satelliittihavaintoseuranta Suomen järviltä ja Itämereltä.

Vuonna 2024 Vesisen III ja IV-hankkeissa päivitettiin 6 vuotta käytettyjä tulkinta- ja laskentamenetelmiä vastaamaan nykytilaa ja neljännen vesipuitedirektiiviluokittelun tarpeita. Menetelmien tarkkuutta parannettiin erityisesti järvialueilla, ja uusia järvivesimuodostumia otettiin mukaan osaksi automaattista tiedontuotantoa.

Vesisen-hankkeissa kehitettyä aineistoa tallennetaan Syken Status-tietokantaan sekä vesimuodostumilta ja osan ympäristöhallinnon seuranta-asemien sijainneilta. Aineistoa jaetaan Tarkka-palvelun kautta. Ympäristöhallinnon asiantuntijat voivat tarkastella aineistoja Tarkkan erillisen analyysiosion kautta, sekä myös yhteenvetotietoina Pisara-järjestelmästä a-klorofyllin osalta. 

Sentinel-sarjan satelliiteista vedenlaadun kannalta kiinnostavimmat ovat Sentinel-2 (S2) ja Sentinel-3 (S3). Copernicus-ohjelman satelliittien aineistojen hyödyntäminen vesialueiden seurannassa mahdollisimman tehokkaasti edellytti kansallista tutkimuspanosta erityisesti alkuvaiheessa vuosien 2016–2017 aikana.  Ensimmäinen neljästä S2-satelliitista laukaistiin kesäkuussa 2015, josta alkoi tarkan maastoerotuskyvyn (10 - 60 metriä) MSI (sentiwiki.copernicus.eu)-instrumentin aikasarja. Sentinel-3-satelliitin ( sarjan ensimmäinen, S3A, laukaistiin helmikuussa 2016) OLCI (sentiwiki.copernicus.eu) soveltuu hyvin Itämeren ja suurten järvien lähes päivittäiseen havainnointiin ja se on optimaalinen instrumentti a-klorofyllimäärityksiin. S3-satelliitissa on myös uusi SLSTR (sentiwiki.copernicus.eu)-instrumentti pintalämpötilahavaintojen tekemiseen, mikä mahdollistaa paitsi Itämeren myös Suomen suurien järvien pintalämpötilahavainnot hieman aiempaa paremmin.

NASAn Landsat -sarjan satelliittien tällä hetkellä toiminnassa olevien (LC8 ja LC9) OLI (usgs.gov)-instrumenttien aineistoilla voidaan tulkita pääasiassa  veden sameutta sekä näkösyvyyttä. Lisäksi Landsat-sarjan satelliittien TIRS () instrumenttien avulla Syke tuottaa hyödyllistä tarkkaa pintalämpötila-aineistoa (100 m maastoerotuskyvyllä). 

Hankkeen osa-alueet

Ensimmäinen VESISEN-hanke koostui algoritmikehitystyöstä, maastomittauskampanjoista, kauppalaivoilla operoivan Alg@line-aineiston hyödyntämisestä ja laatukalibroinnista sekä VHS-seurannan tulosten hyödyntämisestä satelliittiaineiston validoinnissa. Maastoaineistojen hyödyntäminen algoritmikehitystyössä on tärkeä osa kokonaisuutta. Samalla työstettiin vertailuaineistoa asemahavaintojen ja satelliittihavaintojen vastaavuuksista ja eroista. Säkylän Pyhäjärven automaattiaseman (ymparisto.fi) ylläpito oli myös yksi hankeen osa-alue.

Algoritmikehitystyössä keskityttiin Vesipuitedirektiivin kannalta olennaisten a-klorofyllin, sameuden, näkösyvyyden ja humuksen mahdollisimman tarkkaan määrittämiseen eri satelliitti-instrumenttien aineistoista.
Hankkeissa käytettävät instrumentit ovat

Käytettävissä on useita laskenta-algoritmeja, kuten bio-optisia malleja, joiden käyttökelpoisuus on arvioitu erityyppisille vesialueille. Varsinaisen vedenlaatutulkinnan lisäksi kunkin instrumentin osalta on kehitetty automaattiset menetelmät, joilla poistetaan vedenlaadun tulkinnan estävät pilvialueet, vesialueiden matalikot sekä maa-alueet ja saaret. Tarkan maastoerotuskyvyn instrumenttien osalta kuvilta havaitaan myös vaahtopäitä ja laivoja, jotka poistetaan lopullisesta vedenlaadun tulkintakuvasta.
Suomen rannikon ja järvien optiset ominaisuudet edellyttävät kohdennettuja optisia maastomittauskampanjoita, jotka tehdään samana päivänä satelliitin ylilennon kanssa. VESISEN-hankkeessa toteutettiin neljä optista maastomittauskampanjaa rannikolla ja järvillä. 

Liittymäkohdat muihin hankkeisiin

VESISEN-hankkeet liittyvät olennaisesti sekä aiempiin vedenlaadun tutkimusprojekteihin että käynnissä oleviin hankkeisiin. Sykessä on vedenlaadun satelliittihavaintojen osalta laaja ulkoisen rahoituksen hankeklusteri. Osa hankkeista keskittyy uusien menetelmien kehittämiseen ja tutkimukseen, usein osana kansainvälisiä tutkimuskonsortioita. Osa hankkeista keskittyy alan nopean teknisen kehityksen edellyttämien laskentaratkaisujen ja tiedon jakelun toteuttamiseen, pääosin Tarkka-palvelun kautta. Käynnissä oleva Sytyke-hanke sekä päättynyt CorEO-hanke ovat keskittyneet laskentaratkaisujen kehittämiseen. Tarkka-palvelu on kehittynyt erityisesti Sytyke-hankkeen rahoituksella, ja saanut tukea kv-hankkeiden rahoituksesta. Kv-hankkeissa (mm BalticAims I-II, LandSeaLot, Obsgession, SeaLabio, FPCUP-hankkeet xx ja cc) ovat keskittyneet menetelmäkehitykseen ja aineistojen työstämiseen käyttäjille olennaisella tavalla. 

Lisätietoja

Johtava tutkija, ryhmäpäällikkö Jenni Attila, Syke, etunimi.sukunimi@syke.fi

Tieteelliset julkaisut

  • Simis SGH, Ylöstalo P, Kallio KY, Spilling K11, Kutser T (2017). Contrasting seasonality in optical-biogeochemical properties of the Baltic Sea. PLoS ONE 12(4): e0173357. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0173357
  • Ligi, M., Kutser, T., Kallio, K., Attila, J., Koponen, S., Paavel, B., Soomets, T., Reinart, A., (2017). Testing the performance of empirical remote sensing algorithms in the Baltic Sea waters with modelled and in situ reflectance data. Oceanologia, Oceanologia 59: 57—68.
  • Kallio, K., Koponen, S., Ylöstalo, P., Kervinen, M., Pyhälahti, T., Attila, J.,(2015). Validation of MERIS spectral inversion processors using reflectance, IOP and water quality measurements in boreal lakes. Remote Sensing of Environment 157: 147–157.
  • Ylöstalo, P., Kallio, K. & Seppälä, J. (2014). Absorption properties of in-water constituents and their variation among various lake types in the boreal region. Remote Sensing of Environment 148: 190–205.
  • Attila, J., Koponen S., Kallio, K., Lindfors, A., Kaitala, S., Ylöstalo, P. (2013). MERIS Case II water processor comparison on coastal sites of the northern Baltic Sea. Remote Sensing of Environment 128: 138–149.
  • Kallio, K. 2012. Water quality estimation by optical remote sensing in boreal lakes. Monographs of the Boreal Environment Research no. 39: 1-54. https://helda.helsinki.fi/handle/10138/39326
  • Lepistö, A., Huttula, T., Koponen, S., Kallio, K., Lindfors, A., Tarvainen, M. & Sarvala, J. (2010). Monitoring of spatial water quality in lakes by remote sensing and transect measurements. Aquatic Ecosystem Health & Management 13(2): 176-184.
  • Kallio, K., Attila, J., Härmä, P., Koponen, S., Pulliainen, J., Hyytiäinen, U.-M. & Pyhälahti, T. (2008). Landsat ETM+ Images in the Estimation of Seasonal Lake Water Quality in Boreal River Basins. Environmental Management 42: 511-522.
  • Koponen, S., Attila, J., Pulliainen, J., Kallio, K., Pyhälahti, T., Lindfors, A., Rasmus, K., Hallikainen, M., (2007). A case study of airborne and satellite remote sensing of a spring bloom event in the Gulf of Finland. Continental Shelf Research 27 (2): 228-244.
  • Attila, J., Pyhälahti, T., Hannonen, T., Kallio, K., Pulliainen, J., Koponen, S., Härmä, P., & Eloheimo, K. (2008). Analysis of turbid water quality using airborne spectrometer data with a numerical weather prediction model-aided atmospheric correction. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing 74 (3): 363–374.
  • Kallio, K., (2006). Optical properties of Finnish lakes estimated with simple bio-optical models and water quality monitoring data. Nordic Hydrology, 37 (2), 183–204.
  • Kallio, K., Pulliainen, J., & Ylöstalo, P. (2005). MERIS, MODIS and ETM channel configurations in the estimation of lake water quality from subsurface reflectance with semi-analytical and empirical algorithms. Geophysica 41: 31-55. (pdf, 530 kB)
  • Kutser, T., Pierson, D. C., Kallio, K. Y., Reinart, A. & Sobek, S. (2005). Mapping lake CDOM by satellite remote sensing. Remote sensing of Environment 94: 535-540.
  • Kutser, T., Pierson, D., Tranvik, L., Reinart, A., Sobek, S. & Kallio, K. (2005). Estimating the colored dissolved organic matter absorption coefficient in lakes using satellite remote sensing. Ecosystems 8: 709-720.
  • Vepsäläinen, J., Pyhälahti, T., Rantajärvi, E., Kallio, K., Pertola, S., Stipa, T., Kiirikki, M., Pulliainen, J. & Seppälä, J. (2005). The combined use of optical remote sensing data and unattended flow-through fluorometer measurements in the Baltic Sea. International Journal of Remote Sensing 26 (2): 261-282.
  • Pulliainen, J., Vepsäläinen, J., Kaitala, S., Hallikainen, M., Kallio, K., Fleming, V., Maunula, P. (2004). Regional Water Quality Mapping through the Assimilation of Space-Borne Remote Sensing Data to Ship-Based Transect Observations. Journal of Geophysical Research, Vol. 109, No. C12, C12009.
  • Koponen, S., Kallio, K., Pulliainen, J., Vepsäläinen, J., Pyhälahti, T., Hallikainen, M. (2004). Water Quality Classification of Lakes Using 250-m MODIS Data. IEEE Geoscience and remote sensing letters 1(4): 287-291.
  • Kallio, K., Koponen, S., Pulliainen, J., (2003). Feasibility of airborne imaging spectrometry for lake monitoring—a case study of spatial chlorophyll a distribution in two meso-eutrophic lakes. International Journal of Remote Sensing 24 (19): 3771–3790.
  • Härmä, P., Vepsäläinen, J., Hannonen, T., Pyhälahti, T., Kämäri, J., Kallio, K., Eloheimo, K., Koponen, S. (2001). Detection of water quality using simulated satellite data and semi empirical algorithms in Finland. The Science of Total Environment 268 (1-3): 107-121.
  • Kallio, K., Kutser, T., Hannonen, T., Koponen, S., Pulliainen, J., Vepsäläinen, J., Pyhälahti, T. (2001). Retrieval of water quality from airborne imaging spectrometry of various lake types in different seasons. The Science of Total Environment 268 (1-3): 59-77.
  • Koponen, S., Pulliainen, J., Servomaa, H., Zhang, Y., Hallikainen, M., Kallio, K., Vepsäläinen, J., Pyhälahti, T., Hannonen, T. (2001). Analysis on the feasibility of multi source remote sensing observations for chl a monitoring in Finnish lakes. The Science of the Total Environment 263(1-3): 95-106.
  • Kutser, T., Herlevi, A., Kallio, K. & Arst, H., (2001). A hyperspectral model for interpretation of passive optical remote sensing data from turbid lakes. The Science of the Total Environment 268: 47-58.
  • Pulliainen, J., Kallio K., Eloheimo, K., Koponen, S., Servomaa, H., Hannonen, T., Tauriainen, S., Hallikainen, M. (2001). A semi-operative approach to water quality retrieval from remote sensing data. The Science of The Total Environment 268: 79-93.

Muita julkaisuja

 

Julkaistu 1.2.2017 / Päivitetty 28.1.2025