LUONNONVARATEKOKUU

Useiden maiden tiedemiehet esittivät 1950 ajatuksen, että olisi yhteistutkimuksin vietettävä kansainvälistä geofysiikan vuotta heinäkuun 1. päivästä 1957 joulukuun loppuun 1958. Erikoiskomitea kokoontui 1951 sekä uudelleen 1954 Roomaan, jolloin ehdotettiin pienten tutkimustekokuiden ampumista.

Vuodesta 1945 on ilmakehän ylimpien kerrosten tutkiminen rakettien avulla kehittynyt huomattavasti Neuvostoliitossa. Kansainvälisen geofysiikan vuoden aikana ammuttiin Neuvostoliitosta 175 rakettia, joista Neuvostoliiton tiedemiehet käyttivät 158 rakettia meteorologisiin ja 17 geofysikaalisiin tutkimuksiin. Lokakuun 4. päivä 1957 oli ikimuistoinen: sinä päivänä avautui ihmiskunnalle tie avaruuteen, sillä silloin lähti ensimmäinen tekokuu, venäläinen Sputnik 1, kiertämään maata.

Neuvostoliitolla oli muitakin maailmanvalloittamisen suunnitelmia kuin Sputnik-tekokuu. Lieneekö sieltä ollut alunperin ajatus rakentaa rautatehdas Pohjanlahden rannalle? Ensimmäinen masuuni käynnistettiin Raahessa venäläisen professorin toimesta elokuun 17. päivänä 1964, jolloin oli vielä 36 vuotta vuoteen 2000. Sinä vuonna järjestettiin kesäolympialaiset Tokiossa. Paremman tekniikan ansiosta amerikkalaiset rakensivat ensimmäisen geosynkronisella radalla olevan tietoliikennetekokuun v. 1964. Sen avulla televisioitiin Tokion olympiakisojen avajaiset kaikkialle maailmaan. Koska v. 1936 oli ollut olympialaiset Berliinissä, Saksassa, päätettiin olympialaiset myöntää 36 vuotta myöhemmin Saksaan, siis Müncheniin. Kuvassa 1 on kuitenkin NASAn omakuva joskus Münchenin olympialaisten jälkeen.

Kuva 1

Säätieteilijöitä kiinnosti erikoisesti mahdollisuus saada aivan rutiinimaisesti kerätyksi laajoilta aloilta ennennäkemättömän runsasta säätietoa satelliiteilla lähetettyjen kameroiden ja muiden mittalaitteiden avulla. Ensimmäisenä ehti sääsatelliitteja lähettää USA v. 1960 TIROS-satelliittien sarjallaan. TIROS-ohjelma syntyi erityisen tutkimus- ja kehitysprojektin tuloksena, joka käynnistyi 1.4. 1960 lähetetyllä TIROS 1:llä; se osoitti huomiota herättäneillä kuvillaan käytännössä yllättävän tehokkaasti sääsatelliittien realistiset mahdollisuudet.

Ihminen tuli tietoiseksi arvokkaiden satelliittisovellutusten toteutumismahdollisuuksista maa- ja metsätalouden sekä luonnonvarojen käytössä vain muutamia vuosia avaruuskauden alkamisen jälkeen. Ensimmäisen viitteen hänelle niistä antoivat TIROS-sääsatelliittien välittämät kuvat, jotka pilvien ja ilmakehän ohella olivat kartoittaneet valokuvalle ominaisella tarkkuudella myös maan pintaa. Mutta vasta ihmisen itsensä mentyä avaruuteen (kuva 2) oivallettiin täydessä mitassa se, että vähintään 160 km:n korkeudessa toimivista satelliiteista voidaan maan pinnalla erottaa todella pieniä yksityiskohtia.

Hyötyä siinä oli myös sotilaallisiin tarkoituksiin kehitetyistä ratkaisuista, joilla korkealla lentävien tiedustelulentokoneiden toimintaa pyrittiin tehostamaan keräämällä maanpinnalta taaja- ja monikaistaisia tietoja näkyvän ja infrapunaisen valon alueelta (kuva 3). Varsinkin ns. väärävärikuvauksessa todettiin vähäisien infrapunasäteilyn erojen tulevan ihmissilmälle jyrkän terävinä esiin, kun infrapunakuvat kehitettiin värikuviksi.

Kuva 2

Kaukokartoitus on maapallon luonnon havainnointia ilman välitöntä kosketusta havaittavaan kohteeseen. Havainnointiin käytetään sähkömagneettisia aaltoja tai muuta säteilyä. Luonnontieteellisten satelliittien kuvauslaitteet rekisteröivät tavallisesti Auringon säteilyenergiaa, joka heijastuu sen tielle osuvasta aineksesta (kuva 5). Aurinko noudattaa melko tarkasti sellaisen kappaleen säteilyä, jonka pinnan lämpötila on 6 000 astetta. Sen säteilyn maksimi sattuu lähi-infrapuna-alueelle eli hieman näkyvän valon ulkopuolelle (aallonpituus noin 1 mikrometri). Ilmakehä ei päästä lävitseen kaikkia aallonpituuksia yhtä hyvin, vaan se vaimentaa toisia aallonpituuksia enemmän ja toisia vähemmän. Tämä vaimeneminen johtuu molekyylivärähtelyistä ja sen suuruus riippuu eniten ilmakehän vesihöyryn ja hapen määrastä.

Kuva 3

Kasvillisuuden tutkimisessa tarvitaan useilla eri aallonpituuksilla rekisteröityjä kuvia, jotta eri kasvillisuustyypit voitaisiin erottaa. Eri kasvit heijastavat näkyvää valoa ja infrapunasäteitä eri tavoin. Lehtivihreä heijastaa runsaasti vihreätä valoa ja huokoiset kasvinosat erityisen voimakkaasti infrapunasäteitä.

Yksittäisten kasvilajien lisäksi myös kasvillisuustyypeillä kokonaisuudessaan on yleensä toisistaan poikkeavat valon heijastusominaisuudet. Kasvillisuuden perusteella voidaan tehdä päätelmia maalajeista, kosteus- ja ravinneolosuhteista, pinnanmuodoista ja kivilajeista. Satelliittikuvissa näkyy runsaasti myös ihmisen toiminnasta aiheutuneita piirteitä.

Maankäytön kartoitus ja luonnonsuojelu ovatkin saaneet kuvista arvokkaan tietoaineiston. Samoille kuvan piirteille on löydetty useita tulkintavaihtoehtoja tutkijan erikoisalasta riippuen.

Kuva 5

Maa- ja kallioperän koostumus ja ominai- suusvaihtelut aiheuttavat sopivissa olosuhteissa kasvillisuuteen havaittavaa vaihtelua ja voivat siten kuvastua ns. geobotaanisina indikaatioina satelliittikuvissa. Malminetsinnän kannalta mielenkiintoisimpia ovat metallimyrkyttymien aiheuttamat geobotaaniset poikkeamat.

Suomen maantieteellinen asema boreaalisella kasvillisuusvyöhykkeellä ja jäätiköityneellä prekambrisen kiteisen kallioperän kilpialueella aiheuttaa eräitä ominaispiirteitä satelliittikuvien käytölle kallioperän ja erityisesti kivilajien kartoituksessa. Suomi on tarjonnut satelliittikuvien käyttöä tutkiville geologeille erinomaisen työskentelyalueen esimerkkinä jäätiköityneestä prekamprisesta kilpialueesta, sillä Suomen kallioperä on moniin muihin maihin verrattuna yleispiirteissään varsin hyvin tunnettu ja siksi sovellutustutkimuksiin erinomainen alue. Kuvassa 6 näkyy SUOMI AVARUUDESTA kirjan mukaan Oulu ja Raahe.

Kuva 6

Sputnik 1:n lentoa seurasi Sputnik 2, jossa oli matkustajana koira. Tästä näki, että oltiin suunnittelemassa miehitettyä avaruuslentoa. V. 1961 lensikin avaruuteen ensimmäinen ihminen, venäläinen Juri Gagarin. Vuonna 1969 astui Kuun pinnalle ensimmäisenä amerikkalainen Neil Armstrong. Olympiaadin 1968 - 1972 aikana saatiin kivinäytteitä Kuusta mm. Suomeen. Suomessa kivinäytteitä analysoitiin professori Birger Wiikin johdolla. Vuonna 1972 Yhdysvallat lähetti myös maan luonnonvaroja tutkivan satelliitin, joka kuvasi Suomeakin, ja tutkijoina kuvien analysoinnissa oli myös suomalaisia. Kuvassa 4 tämä ERTS, myöhemmin nimeltä Landsat, on päässyt "Avaruusluotain no 4/72:n" kansikuvaksi.

Kuva 4

Osallistumista monikansallisiin avaruusohjelmiin voitaisiin rohkaista ja tukea esimerkiksi perustamalla tätä varten vaikkapa YK:n uusi alajärjestö. Se saattaisi kenties välillisesti vaimentaa sotilaallista varustautumista avaruudessa tuomalla avaruuden tutkimukseen ja hyödyntämiseen mukaan myös sellaiset maat, jotka eivät yksin kykene ylläpitämään omia avaruusohjelmiaan tai joilla olisi avaruuden hyödyntämisessä merkittävää apua toisilta suuremmilta mailta saadusta tuesta.

Erään ehdotuksen mukaan kansainvälisen avaruusyhteistyön ensimmäisenä vaiheena olisi kehitettävä kansainvälisten kaukokartoitussatelliittien järjestelmä. Se olisi samalla ensimmäinen vaihe koko maailman kattavasta energia- ja raaka-ainevarantojen sekä sään ja ympäristön muuttumisen seurantaa harjoittavasta yhteistoiminnasta.

 

Ensimmäisiä luonnonvaratekokuukuvia
24.2.1973, julkaistu Vihtorin päivänä 2006.

 

Suomi 100 - satelliitti kuva

 

 

 

SATELLIITTIKUVIEN TULKINNASTA

 

Luonnontieteellisten satelliittien kuvauslaitteet rekisteröivät tavallisesti Auringon säteilyenergiaa, joka heijastuu sen tielle osuvasta aineksesta. Laitteilla voidaan havainnoida myös sitä, pääosin Auringon energiaa, joka säteilee pinnoilta lämpöenergiana. Kasvillisuuden perusteella voidaan tehdä päätelmiä maalajeista, kosteus- ja ravinneolosuhteista, pinnanmuodoista ja kivilajeista. Alkuperäisten satelliittikuvien mittakaavat ovat yleensä 1:1 milj. – 1:10 milj. satelliittityypistä riippuen. Kuvat on valmistettu useimmiten filmitulostimilla digitaalisesta, magneettinauhalla olevasta aineistosta. Tulkintaa varten kuvat on suurennettava haluttuun mittakaavaan. Kuvauslaitteen alueellisesta erotuskyvystä riippuvasta kuvaelementin koosta ta filmin rakeisuudesta johtuen suurentamisella ei voida lisätä kuvasta havaittavien yksityiskohtien määrää loputtomiin.

 

Monikanavaisia keilaimia käyttäen saadaan eri aallonpituuksia edustavat kuvat erillisinä magneettinauhoina tai filmeinä. Tulkinnassa näitä kuvia voidaan käsitellä erikseen tai niiden informaatiota voidaan yhdistellä automaattisella kuvankäsittelylaitteistolla tai värikuvatekniikalla. Kuvien numeerinen tulkinta on otettu käyttöön, koska monikanavaiset havaintolaitteet rekisteröivät hyvin paljon tietoja, joiden visuaalinen tulkinta voi olla työlästä tai mahdotonta. Koska tulkintatyö pyritään tekemään mahdollisimman taloudellisesti, käytetään tulkinnassa vai niiden kanavien informaatiota, joka kunkin tehtävän kannalta antaa riittävän tuloksen.

 

Luonnontieteellisten satelliittien ottamien kuvien tärkeimpänä tarkoituksena on olla lähdeaineistona erilaisissa tutkimuksissa ja kartoituksissa. Tiedotustoiminnassa ja luonnontieteiden opetuksessa kuvien on todettu olevan korvaamattomia. On kuitenkin muistettava, että harvoin tuloksia saadaan yksistään satelliittikuvia käyttäen. Lukuisissa tutkimuksissa satelliittikuvat muodostavat vain pienen osan koko käytetystä aineistosta. Tärkeänä kuvien sovellutusalana on yleinen maankäytön kartoitus, jonka pohjalta voidaan tehdä aluesuunnittelua.

 

Satelliittiteknologiaa kallioperägeologiassa on ehkä ensimmäiseksi sovellettu maankuoren laaja-alaisten suurrakenteiden kartoitukseen. Erimittakaavaiset ja –tyyppiset rakenteet kuvastuvat Suomessa satelliittikuvissa jäätikkösyntyisiin piirteisiin yhdistyneenä maanpinnan kuvioinnissa ts. kuvatekstuurissa. Kivilajien alueellinen kerroksellisuus on joskus erotettavissa Landsat-kuvista paremmin kuin olemassa olevista kartoista. Yksi ensimmäisiä havaintoja, ja nykyään ehkä yleisimpiä kallioperägeologisia sovellutuksia Landsat kuvien käytössä oli lukuisten aiemmin tuntemattomien lineamenttien erottuminen satelliittikuvista. Lineamentit tulkitaan yleisesti kallioperän erilaisten murrosrakenteiden – siirrosten, ruhjevyöhykkeiden, rakoiluvyöhykkeiden ja muiden rakenteellisten epäjatkuvuusvyöhykkeiden – heijastumiseksi maanpinnan kuvioinnissa.

 

Malminetsinnän kannalta mielenkiintoisimpia ovat metallimyrkyttymien aiheuttamat geobotaaniset poikkeamat. Pohjois-Norjassa Karasjoella on tavattu luonnollisia kuparimyrkyttymiä, jotka aiheutuvat kuparikiisu-rikkikiisuesiintymästä. Myrkyttymäalueet näkyvät kasvillisuudessa avoimina aukkoina muuten tiheässä tunturikoivu- ja mäntymetsässä. Myös normaali aluskasvillisuus puuttuu tai on hyvin heikkoa ja tietyt kuparisietoiset kasvilajit ovat päässeet valtaan. Tämäntyyppiset geobotaaniset anomaliat on mahdollista todeta mm. Landsat-aineistosta, jos myrkyttymän koko maastossa on suurempi kuin kuvaelementin koko. Malminetsintäkohteen geologisen kokonaiskuvan selvittäminen tarjoaa paremmat mahdollisuudet malmikriittisten kivilajien ja rakenteiden paikantamiselle ja siten maastotöiden ohjaamiselle.

 

Ennen maaperätulkintaa satelliittikuvista käytiin maastossa tutkimassa noin 600:aa hehtaarin kokoista koealuetta. Näillä selvitettiin maaperän lisäksi kasvillisuus, pinnanmuodot, kallioperä ja kosteusolosuhteet. Laboratoriossa koealueet paikannettiin satelliittikuvista ja eri maalajeille laskettiin niiden valonheijastusominaisuuksia kuvaavat tunnusluvut (ominaisintensiteetit). Näin saatiin tiedot siitä, kuinka paljon tietty maaperätyyppi heijastaa valoa kullakin keilainkameran aallonpituusalueella. Seuraavaksi tietokone ohjelmoitiin sijoittamaan kaikki satelliittikuvan kuvaelementit (pikselit) tunnuslukujen avulla maalajiluokkiin. Luokittelussa (tulkinnassa) käytettiin eri maalajien tunnusluvuissa tietyn hajonnan sallimia raja-arvoja. Automaattisen maaperätulkintakokeilun perusteella tehtiin lukuisia päätelmiä menetelmän käyttökelpoisuudesta.

 

Metsätalous tuntuu mielekkäältä kaukokartoitustietojen sovelluturalueelta, sillä juuri metsäpeitteen kuviointihan vesistöjen ohella pistää satelliittikuvista maallikonkin silmään. Meillä metsiköt ovat varsin pieniä. Huomattava osa on pinta-alaltaan jopa alle yhden hehtaarin. Tämä aiheuttaa ongelmia kuvien laadun suhteen. Erotuskykyelementti, pikseli, on kuvan pienin ”rae”, joka esimerkiksi Landsat-satelliittikuvassa vastaa maastossa noin puolen hehtaarin alaa. Saatujen tutkimustulosten perusteella satelliittikuvista saadun tiedon yhdisteleminen ilmakuvista ja kartoista poimittuun tietoon onkin menetelmä, jolla tulevaisuudessa kuvia parhaiten käytännössä kyetään hyödyntämään. Varsinaiset satelliittikuviin liittyvät tutkimukset alkoivat 1960-luvun loppupuolella metsäntutkimuslaitoksessa. Painotusta on siirretty ihmissilmin tehtävästä tulkinnasta tietokoneen hyväksikäyttöön ja digitaalisen kuvankäsittelyn menetelmien kehittämiseen.

 

Metsäntutkimuslaitos kokeili 1960-luvun lopussa Essa-8-sääsatelliitin käyttöä puuston kokonaistilavuuden arviointiin. Satelliitin geometrinen erotuskyky oli heikohko, noin viisi kilometriä, mutta silti kuvan tummuusvaihtelujen katsottiin liittyvän nimenomaan puuston määrän vaihteluun. Tutkimuksen tulokset olivat varsin lupaavia ja herättivät kansainvälistäkin huomiota. Realistisena rajoituksena nähtiin jo tuolloin maastossa mitatun referenssimateriaalin tarve: ilman riittävää vertailunäytettä satellttikuvasta ei puuston määriä voi arvioida.

 

Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa vuonna 1976 kootulla spektroradiometrilaitteistolla on useissa tutkimusprojekteissa ja tilaustöinä mitattu metsäkasvillisuuden ominaisspektrejä. Laitteella mitataan kasvillisuusnäytteiden heijastaman sähkömagneettisen säteilyn osuus näytteisiin tulleista säteilyistä aallopituuden funktiona. Tätä suuretta kutsutaan spektriseksi heijastussuhteeksi. Laitteiston ilmaisin on silmälle näkyvän valon lisäksi herkkä lähi-infrapunasäteilylle.

 

Satelliittikuvien käytössä metsätalouden tarpeisiin on tiedon lisääntymisen myötä siirrytty realistisiin odotuksiin. Ymmärretään, ettei satelliittikuvista yksin saadakaan riittävästi tietoa, vaan sitä on yhdistettävä muiden tietolähteiden kanssa. Automaattinen tietojenkäsittely tarjoaa tähän yhä kasvavia mahdollisuuksia. Satelliittikuviin perustuva metsäveroluokitusmenetelmä osoittaa, että myös manuaalinen yhdistely on järkevää.

 

Suomen maataloudessa varsinainen satelliitin käyttö ja tutkimus on ollut jokseenkin olematonta. Kansainvälisistä kokemuksista päätellen satoarvioiden teko satelliittikuvista on tekniikan menestyksekkäimpiä sovellutuksia. Suurvaltojen maataloudessa satelliiteilla on tärkeä merkitys. Tunnetuimpia esimerkkejä ovat USA:n Neuvostoliiton vehnäsadosta tekemät ennusteet. Vehnäähän pidetään maailmanpolitiikassa jopa öljyä tärkeämpänä aseena. Landsat-kuvista tulkitaan vehnän pinta-ala ja kunto. Samanaikaisesti seurataan sääsatelliiteista ja –tilastoista tutkittavan alueen lämpötiloja ja sademääriä. Mikäli säätiedot poikkeavat ihanteellisista, vähennetään myös hehtaarikohtaista satoennustetta.

 

Tuottamalla tietokoneella kutakin Landsatin neljää aallonpituusaluetta vastaava mustavalkokuva voidaan ryhtyä tarkastelemaan visuaalisesti havaittavia ilmiöitä ja eroja. Näin saadut neljä kuvaa, joista kaksi muodostuu näkymättömän infrapunasäteilyn heijastumista voidaan projisoida yhteen ja värjätä halutuilla suotimilla, jolloin saadaan värillisiä kuvayhdistelmiä. Erilaisia väriyhdistelmiä käyttäen saadaan kasvillisuudessa esiintyviä eroja helposti havaittavaan muotoon.

 

Kun on selvitetty kasviekologiset ilmiöt eli millaisessa oloissa tietynlainen kasvillisuus viihtyy, voidaan luonnontilaisessa ympäristössä tehdä kasvillisuuden perusteella runsaasti päätelmiä esimerkiksi maalajeista, pohjavesioloista, maan ravinteista ja jopa kallioperästä. Nämä asiat eivät suoranaisesti näy satelliittikuvasta, mutta ne voidaan päätellä kasvillisuuden perusteella tehdyistä havainnoista ja tulkitsemalla niitä.

 

Useiden eri satelliittien ottamat kuvat ovat osoittautuneet erittäin hyödyllisiksi selvitettäessä maankäyttöä ja ympäristökysymyksiä. Ihminen on aiheuttanut toiminnallaan ympäristömuutoksia, jotka ovat usein niin laaja-alaisia, että niitä voidaan tarkastella avaruudestakin. Luonnonympäristöä ovat muuttaneet varsinkin metsä- ja maatalous, teollisuus, liikenne, yhdyskuntarakentaminen, maaperän luonnonvarojen käyttö, vesistörakentaminen ja energiahuolto. Luonnon tilaa satelliittikuvista selvitettäessä pyritään kartoittamaan ihmistoiminnasta ympäristölle aiheutuneita laaja-alaisia vaurioita, ja myös muutosten seuranta on mahdollista.

 

Martti Koivusaari, ref. Mikko Punkari SUOMI AVARUUDESTA

 

Martti Koivusaari
Lähteet:AVARUUSLUOTAIN
AVARUUSLENNOT
INSINÖÖRIKOULUTUKSEN FYSIIKKA
TEKOKUUT PALVELUKSESSAMME
SUOMI AVARUUDESTA
RAAHEN AVARUUSJULKAISU
AVARUUDEN TIETOKIRJA
KOHTI AVARUUTTA
AVARUUDEN SAARET

Sivu päivitetty 12.2.2009

Paluu Martti Koivusaaren Pääsivulle