Järviruovikon (Phragmites australis) biomassan arviointi Sentinel 2 -satelliittikuvista

Abstract

Järviruoko (Phragmites australis) on 1-3 metriä korkea putkilokasveihin kuuluva kasvi, joka tulee toimeen monenlaisissa ympäristöissä. Järviruokoa kasvaa Suomessa muun muassa rannikoilla, matalissa järvissä ja avoimilla vesialueilla. Järviruoko on levinnyt viimeisten vuosikymmenten aikana voimakkaasti. Järviruoko kasvaa laajoina ja tiheinä monokulttuureina. Levitessään järviruoko valtaa tilaa muulta kasvustolta. Ruovikoituminen aiheuttaa vesistöjen umpeenkasvua ja vähentää virkistyskäyttöä. Mädäntyessään ruovikoista vapautuu metaanipäästöjä, joista aiheutuu voimakkaita hajuhaittoja. Järviruo’on levinneisyys- ja biomassatiedoista hyötyvät tutkijat, asiantuntijat sekä järviruokoyrittäjät. Tietoa järviruovikoista tarvitaan niin kaupallisista kuin ympäristönhoidollisista syistä. Kestävä järviruo’on hyödyntäminen on keino ruovikoitumisen estämiseksi, kunhan se tehdään oikea-aikaisesti. Järviruovikoiden maanpäällisen biomassan (AGB) arviointiin vaikuttaa se, että vaikka ruovikot esiintyvät usein monokulttuureina, ne ovat heterogeenisia biomassaltaan. Järviruovikoiden kartoittaminen maastotöinä vie paljon aikaa ja resursseja. Kaukokartoitusmenetelmien avulla saadaan tarkkoja ajantasaisia tuloksia, joita voidaan hyödyntää järviruovikoiden biomassan arvioinnissa.Tutkielmassa selvitettiin, kuinka tarkasti tutkimukseen valituilla menetelmillä ja satelliittikuvilla voidaan selvittää järviruovikon biomassa koko tutkimusalueella Paraisten kaupungin alueella Varsinais-Suomessa. Aineistona tutkielmassa käytettiin Sentinel 2 -satelliittikuvia päiviltä 02.10.2020 ja 30.08.2022. Lisäksi kolmelta tutkimusalueelta leikattiin järviruokoa näyteleikkuita varten. Kassorin ja Rapusvikenin lahdelta näytteet leikattiin 28.10.2020 ja Brattnäsvikenin lahdelta 08.09.2022. Yhteensä biomassatietoja saatiin 14 näyteleikkuupisteestä.Valittu ohjatun luokittelun Random Forest -algoritmi luokitteli järviruovikon Sentinel 2 -satelliittikuvista kohtuullisen tarkasti. Tässä tutkimuksessa tuottajan tarkkuus molemmissa kuvissa oli järviruovikon osalta 85 prosenttia ja käyttäjän tarkkuus 58 ja 68 prosenttia. Useamman selittäjän lineaarinen regressiomalli soveltuu hyvin järviruovikoiden biomassan arviointiin Etelä-Suomen olosuhteissa. Lineaarisen regressiomallin selitysaste 2020 kuvalle oli 47 prosenttia ja 2022 kuvalle 94,5 prosenttia. Biomassa-arviot olivat lähellä näyteleikkuita. Biomassa-arvion onnistumisprosentti näyteleikkuiden osalta oli 89 prosenttia ja biomassa-arviot ovat linjassa aikaisempien tutkimusten kanssa. Tässä tutkimuksessa järviruo’on märkäbiomassa vaihteli 4,61-14,3 (t/ha) välillä. Keskimääräinen järviruo’on märkäbiomassa koko tutkimusalueella lokakuussa 2020 oli 6,6 tonnia per hehtaari. Kassorin lahdella 4,61 tonnia per hehtaari ja Rapusvikenin lahdella 8,14 tonnia per hehtaari. Brattnäsvikenin lahdella vuonna 2022 märkäbiomassaa oli 14,3 tonnia per hehtaari. Tulevaisuudessa olisi tärkeää tutkia ruovikoiden biomassan vuodenaikaisuutta sekä biomassan muutosta. Myös muiden algoritmien ja tarkempien satelliitti -tai dronekuvien tarkastelu on tärkeää, jotta löydetään paras mahdollinen menetelmä ruovikoiden kaukokartoitukseen.

Common reed (Phragmites australis) is 1-3-meter-tall halophyte, which belongs to the vascular plant family, which can grow in a wide variety of environments. Common reed grows in Finland, for example, on coasts, in shallow lakes and open water areas. Common reed has spread strongly during the last decades. Common reed grows in large and dense monocultures. When common reed spreads it takes up space from other plants. The spreading of reed causes overgrowth of waterways and reduces recreational use. When reeds rot, methane emissions are released, which causes strong odors. Researchers, experts, and reed entrepreneurs benefit from information on the distribution and biomass of common reed. Information about common reeds is needed for both commercial and environmental reasons. Sustainable utilization of common reed is a way to prevent the spreading of reed, as long as it is done at the correct time. The above-ground biomass (AGB) assessment of common reeds is influenced by the fact that although reeds often occur as monocultures, they are heterogeneous in their biomass. Mapping reed beds takes a lot of time, resources, and fieldwork. With the help of remote sensing methods, accurate up-to-date results can be obtained, which can be used in the assessment of the biomass of reed beds. In the study, it was found out how accurately the biomass of common reeds can be determined with the methods and satellite images chosen for the study in the entire study area of the Parainen town in Southwest Finland. Sentinel 2 satellite images from 02.10.2020 and 30.08.2022 were used as data in the thesis. In addition, common reeds were cut from three study areas for sample cuttings. Samples from Kassor and Rapusviken bays were cut on 28.10.2020 and from Brattnäsviken bay on 08.09.2022. In total, biomass data were obtained from 14 sample points. The selected Random Forest algorithm of supervised classification classified the common reed from the Sentinel 2 satellite images quite accurately. In this study, the producer's accuracy in both images was 85 percent and the user's accuracy were 75 and 58 percent, respectively. The linear regression model of several exponents is well suited for the assessment of the biomass of common reed biomass under the conditions of Southern Finland. The degree of explanation of the linear regression model for the 2020 image was 47 percent and 94.5 percent for the 2022 image. Biomass estimates were close to sample cuts. The success rate of the biomass estimation for the samples was 89 percent and the biomass estimations are in line with previous studies. In this study, the wet biomass of common reed varied between 4.61-14.3 (t/ha). The average wet biomass of common reed in the entire study area in October 2020 was 6.6 tons per hectare. In the bay of Kassor 4.61 tons per hectare and in the bay of Rapusviken 8.14 tons per hectare. In Brattnäsviken bay in 2022, 14.3 tons per hectare. In the future, it would be important to study the seasonality of reed biomass and the change in biomass. Examining other algorithms and more accurate satellite or drone images is also important in order to find the best possible method for remote mapping of reed beds.