• Rural Digital Europe
• Publicationsclose
• Open Access close
• Thesis close
• DSpace at Tartu University Library close

Järved ja rannikuveed pakuvad olulisi ökosüsteemi teenuseid. Tagamaks veekeskkondade seire ja ökoloogilise seisundi hindamise on Euroopa Liidus loodud mitmeid direktiive ja regionaalseid konventsioone. Kuna vee kvaliteet võib olla muutlik nii sesoonselt kui ruumiliselt võimaldab kaugseire efektiivset seire meetodit, mille abil saab hinnata vee kvaliteedi hetkeolukorda, muutusi võrreldes varasema seisundiga ning seda ka veekogudes, mis ei ole kaetud tavaseireprogrammide raames. Käesolevas töös uuriti esimese spetsiaalselt optilistelt keerukate vete seireks loodud satelliitsensori MERIS/ENVISAT andmete kasutamisvõimalusi viie Põhja Euroopa järve ja kahe Läänemere rannikuala bio-optiliste andmete alusel. Olemasolevate MERIS standardalgoritmide õigsuse hinnang näitas, et need ei anna täpseid tulemusi veekogudes, kus on kõrge lahustunud orgaanilise aine ja klorofüll a hulk. Fütoplanktoni parameetrite (klorofüll a, sinivetikate biomass, fütoplanktoni biomass) hindamiseks kasutati punases ja lähisinfrapunases spektriosas töötavat spektraalset indeksit, mis kalibreeriti kohalikesse oludesse. Kuna indeks on rakendatav MERIS L1b andmetele, lubab see kvantitatiivselt hinnata vee kvaliteedi parameetreid sinivetika õitsengute korral, mille puhul MERIS standardalgoritmid ei tööta. Hindamaks kaugseire andmetest veealust valgusvälja, millest sõltub veealuste organismide elutegevus, loodi kaalufunktsioonidel põhinev kombineeritud kanalisuhte algoritm, mis selgemate vete puhul kasutab kanalite 490/709 suhet ning sogasemate puhul 560/70 ning hindab edukalt valguse difuusset nõrgenemiskoefitsienti, Kd(490), satelliidiandmetest. Secchi sügavuse hindamiseks andis parimaid tulemusi algoritm, mis võttis pikselhaaval sisendiks satellidiandmetest arvutatud diffusse ja summaarse nõrgenemiskoefitsiendi ning peegeldusteguri väärtused üle nähtava laineala. Töös arendatud algoritmid rakendati MERIS arhiivi 2002–2011 andmetele hindamaks erinevate järvede ökoloogilist seisundit nii nagu on nõutud EL veepoliitika raamdirektiivi poolt. Tulemused näitasid, et kaugseire andmeid saab kasutada täiendava infoallikana ökoloogilise seisundi hindamisel. Väljatöötatud algoritmid ja rakendused on kohandatavad 2016. aasta veebruaris tööd alustanud Sentinel-3/OLCI andmetele, mille abil on optiliselt keerukate vete seire kosmosest võimalik vähemalt aastani 2029. Lakes and coastal areas provide a wide range of essential ecosystem services. Various directives and regional conventions have been established to ensure the monitoring and assessment of the ecological status of the aquatic ecosystems. Since water quality can have rapid changes in temporal and spatial scale, remote sensing can provide a cost-effective approach to assess the current and derive historic water quality information also for waterbodies that have not been part of conventional monitoring programmes. This thesis presents research about applications for MERIS/ENVISAT data in order to monitor optically-complex aquatic environment such as inland and coastal waters on the basis of bio-optical data from five North European lakes and two Baltic Sea coastal sites. The validation of MERIS standard water quality products indicated their unsuitability for waters with high amounts of chlorophyll a and humic substances. To map the phytoplankton parameters (CHL, cyanobacterial biomass, phytoplankton biomass) a spectral index which operates on red and near-infrared bands was used and calibrated to local conditions. So, this index allows derivation of the water quality parameters quantitatively in case of highly scattering cyanobacterial blooms, which is not possible with standard algorithms. To estimate underwater light field via transparency, an empirical combined band ratio algorithm was developed which switches from various band ratios based on the water transparency and determines the diffuse attenuation coefficient Kd(490) with high accuracy. Additionally, Secchi depth can be also estimated reliably via satellite derived inputs of diffuse and total beam attenuation coefficients and reflectance over visible wavelengths. The developed algorithms were applied on the MERIS archive from 2002 to 2011 to estimate the ecological status in lakes as required by the EU Water Framework Directive which showed that remote sensing products could be used as an additional source of information for assessment and reporting purposes. Despite the study in this thesis is based on the MERIS/ENVISAT data, the developed algorithms and methods can be applied on new Sentinel3/OLCI data that will provide EO data over optically complex waters at least until 2029. Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Käesolev doktoritöö keskendub radarkaugseire rakenduste arendamisele kahes keerukas looduskeskkonnas: üleujutatud metsas ja põllumajanduslikel rohumaadel. Uurimistöö viidi läbi Tartu Observatooriumis, Tartu Ülikoolis, Ventspilsi Kõrgkoolis ja Aalto Ülikoolis. Töö esimene osa käsitleb X-laineala polarimeetrilise radarisignaali käitumist regulaarselt üleujutatavas metsas Soomaa näitel ning teine osa põllumajanduslike rohumaade seisundi ja polarimeetriliste ning interferomeetriliste tehisava-radari parameetrite vahelisi seoseid. 2012 kevadel Soomaa testalal TerraSAR-X andmetega läbi viidud eksperiment näitas, et topelt-peegeldusele tundlik HH-VV polarimeetriline kanal pakub tõesti kontrastsemat tagasihajumisepõhist üleujutatud metsa eristust üleujutamata metsast kui traditsiooniline HH polarimeetriline kanal. HH-VV kanali eelis HH kanali ees on seda suurem, mida madalam on mets ning raagus tingimustes lehtmetsas oli HH-VV kanali eelis HH kanali ees suurem kui okasmetsas. Lisaks on üleujutusele tundlik HH ja VV kanali polarimeetriline faasivahe, mida on soovitatud ka varasemates töödes kasutada täiendava andmeallikana üleujutuste kaardistamisel. Käesolevas doktoritöös mõõdeti polarimeetrilise X-laineala tehisava-radari HH/VV faasivahe suurenemine üleujutuste tõttu erineva kõrgusega okas- ja lehtmetsas. 2013 a vegetatsiooniperioodil korraldati Rannu test-alal välimõõtmistega toetatud eksperiment uurimaks X- ja C-laineala polarimeetrilise ning X-laineala interferomeetrilise tehisava-radari parameetrite undlikkust rohumaade tingimuste muutustele. Ilmnes, et ühepäevase vahega kogutud X-laineala tehisava-radari interferomeetriliste paaride koherentsus korreleerus rohu kõrgusega. Koherentsus oli seda madalam, mida kõrgem oli rohi - leitud seost on võimalik potentsiaalselt rakendada niitmise tuvastamiseks. TerraSAR-X ja RADARSAT-2 polarimeetriliste aegridade analüüsi tulemusel leiti kaks niitmisele tundlikku parameetrit: HH/VV polarimeetriline koherentsus ja polarimeetriline entroopia. Niitmise järel langes HH/VV polarimeetriline koherentsus järsult ning polarimeetriline entroopia tõusis järsult. Rohu tagasikasvamise faasis hakkas HH/VV polarimeetriline koherentsus aeglaselt kasvama ning entroopia aeglaselt kahanema. Täheldatud efekt oli tugevam TerraSARX X-laineala aegridadel kui RADARSAT-2 C-riba tehisava-radari mõõtmistel ning seda selgemini nähtav mida rohkem biomassi niitmise järgselt maha jäi. Leitud HH/VV polarimeetrilise koherentsuse ja polarimeetrilise entroopia käitumine vastas taimkatte osakestepilve radarikiirguse tagasihajumismudelile. Mudeli järgi põhjus- 60 tas eelnimetatud parameetrite iseloomulikku muutust rohukõrte kui dipoolide orientatsiooni ja korrastatuse muut niitmise tõttu, mis on kooskõlas meie välimõõtmiste andmetega. This thesis presents research about the application of radar remote sensing for monitoring of complex natural environments, such as flooded forests and agricultural grasslands. The study was carried out in Tartu Observatory, University of Tartu, Ventspils University College, and Aalto University. The research consists of two distinctive parts devoted to polarimetric analysis of images from a seasonal flooding of wetlands, and to polarimetric and interferometric analysis of a summer-long campaign covering eleven agricultural grasslands. TerraSAR-X data from 2012 were used to assess the use of the double-bounce scattering mechanism for improving the mapping of flooded forest areas. The study confirmed that the HH–VV polarimetric channel that is sensitive to double-bounce scattering provides increased separation between flooded and unflooded forest areas when compared to the conventional HH channel. The increase in separation increases with decreasing forest height, and it is more pronounced for deciduous forests due to the leaf-off conditions during the study. The phase difference information provided by the HH–VV channel may provide additional information for delineating flooded and unflooded forest areas. Time series of X-band (TanDEM-X and COSMO-SkyMed) and C-band (RADARSAT-2) data from 2013 were analyzed in respect to vegetation parameters collected during a field survey. The one-day repeat-pass X-band interferometric coherence was shown to be correlated to the grassland vegetation height. The coherence was also found to be potentially useful for detecting mowing events. The polarimetric analysis of TanDEM-X and RADARSAT-2 data identified two parameters sensitive to mowing events - the HH/VV polarimetric coherence magnitude and the H2α entropy. Mowing of vegetation consistently caused the coherence magnitude to decrease and the entropy to increase. The effect was more pronounced in case of X-band data. Additionally, the effect was stronger with more vegetation left on the ground after mowing. The effect was explained using a vegetation particle scattering model. The changes in polarimetric variables was shown to be caused by the change of orientation and the randomness of the vegetation. Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Synthetic Aperture Radar (SAR) is a land and water surface remote sensing instrument typically used on aeroplanes and satellites. SARs work in radio and microwave spectral regions with wavelengths from 1 m to 3 cm and are sensitive to sensed objects structure and electrical properties. In the current thesis X-band SAR applications for flood mapping in forest and grassland parameters retrieval are tested. The tests done during spring 2010 have proven X-band SAR suitability for flood detection in Northern European temperate forest during leaf-off season. Before this work it was commonly believed that X-band SAR forest penetration is not enough to detect water under forest canopy. The improvement of using HH-VV polarimetric channel over conventional HH for flood detection in forest was measured. HH-VV channel provided 0.2 to 1.6 dB higher flooded vs non-flooded forest backscatter based distinction than conventional HH channel. In grasslands X-band SAR was able to reveal the areas with freshly cut uncollected grass according to the tests carried out in Matsalu grasslands in summer 2011. The regions with freshly cut uncollected grass corresponded to dominant alpha parameter of about 25 degrees, whereas for other grassland states the same parameter was around 10 degrees. Tehisava-radar on lennukitel ja satelliitidel kasutatav maa- ja veepinna kaugseire instrument. Tehisava-radarid töötavad raadio- ja mikrolainete piirkonnas lainepikkustel 1 m kuni 3 cm ning on tundlikud uuritavate objektide struktuurile ja elektrilistele omadustele. Käesolevas doktoritöös on uuritud X-laineala tehisava-radari rakendusi üleujutuste kaardistamiseks metsas ja rohumaade parameetrite tuvastamisel. 2010 aasta kevadel läbi viidud katsed kinnitasid X-laineala sobivust üleujutuste kaardistamiseks parasvöötmelises Põhja-Euroopa metsas raagus aastaajal. Varem arvati, et X-laineala metsa läbitavus pole piisav vee tuvastamiseks võrastiku all. Mõõdeti ka X-laineala HH-VV polarimeetrilise kanali eelist HH kanali ees üleujutuste tuvastamisel. Leiti, et HH-VV kanal pakub 0,2 kuni 1,6 dB kõrgemat üleujutatud ja üleujutamata metsa eristamist tagasihajumise järgi kui HH kanal. 2011 suvel Matsalu rohumaadel läbi viidud katsed näitasid X-laineala tehisava-radarite sobivust värskelt niidetud alade tuvastamisel. Värskelt niidetud ja koristamata heinaga rohumaadel ilmnes iseäralik dominantse alfa parameetri kasv 10 kraadilt 25 kraadini. Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Aldebaran Roboticsi arendatud NAO humanoidrobotit kasutatakse jalgpallurina RoboCup võistlusel Standard Platform League, kus kõik robotid on sama riistvaraga ja erinevad ainult tarkvara poolest. RoboCup võistluse eesmärk on populariseerida robootikat ja intellektitehnikat. Käesoleva bakalaureusetöö eesmärk oli arendada välja RoboCup SPL 2014. aastal toimuva võistluse nõuetele vastav jalgpallitarkvara käitumisloogika, mis põhineb Texase Ülikooli võistkonna UT Austin Villa 2012. aastal avalikustatud koodil. Töö käigus uuriti Austin Villa koodi ja teiste meeskondade lahendusi, sooritati testid roboti vastupidavuse ja objektituvastuse piiride teada saamiseks ning loodi 2014. aasta võistluse reeglitele vastav käitumisstrateegia, mida on robotitel kasulik kasutada siis, kui robotitevaheline ühendus on katkenud. Loodud strateegias on robotid jagatud tsoonidesse ning kui pall on roboti tsoonis, siis lüüakse see vastase värava suunas. Kui pall ei ole mängija tsoonis, siis liigub ta vastavalt palli asukohale kindlaks määratud staatilistesse punktidesse väljakul. Töö valmis koostöös Philosopheri meeskonnaga, kes osaleb juulis 2014 Brasiilias toimuval RoboCup võistlusel. Vastavalt võistkonna eesmärkidele propageeriti robootikat Eestis ning sooritati demonstratsioone Robotexil 2013, FIRST® LEGO® League Eesti ja Läti poolfinaalis 2013 ja RoboMiku Lahingus 2014. Töö lõpus pakuti välja lahenduse idee, kuidas loodud individuaalstrateegiat muuta meeskondlikuks strateegiaks.

Doktoritöö uurib vabatahtliku sertifitseerimise rolli ja mõjusid Ida-Euroopa üleminekutingimustes. Uurimus tugineb suurel määral juhtumiuuringule Eestis, kus möödunud 20 aasta jooksul on toimunud üleminek nn nõukogude plaanimajanduslikult majandusmudelilt kapitalistlikule turumajandusele. Tulemuste laiendamiseks Ida-Euroopale, uuriti FSC sertifitseerimisauditite käigus selle piirkonna metsamajandajatele kehtestatud parandusnõudeid. Üleminekumajanduse tingimuste välja selgitamiseks ja üldistuste tegemiseks on sertifitseerimise mõju Ida-Euroopas võrreldud Lääne-Euroopaga. Töös väidetakse, et sertifitseerimine täiendab edukalt avaliku sektori püüdlusi reguleerida metsaressursi jätkusuutlikku kasutust üleminekumajanduse tingimustes, kus valitsuse suutlikkus ühiskaupade kasutuse edukaks reguleerimiseks on piiratud. Peale Eesti iseseisvumist 1991, toimusid mitmed olulised muudatused. Omandireformi ja mitmete poliitiliste reformide samaaegne käivitamine tõi kaasa üldise poliitilise ja seadusandliku vaakumi ning vähenes valitsuse võimekus seaduste täitmist jõustada. Metsasektoris tõi see kaasa raiemahtude mitmekordse kasvu ja ebaseaduslike tegevuste levimise, mis omakorda mõjus negatiivselt Eesti metsanduse ja puidutööstuse mainele. Nendes tingimustes tekkis valitsusvälistel keskkonnaorganisatsioonidel ja tööstusel ühine huvi võtta kasutusele alternatiivseid metsaressursi kasutust suunavaid vahendeid, mis aitaksid parandada Eesti metsanduse toimimist ning mainet. Alates aastast 1998 hakati välja töötama Eestile sobilikku säästva metsanduse standardit ning aastal 2000 väljastati esimene FSC sertifikaat erametsaomanikule Lembit Laks. Aastal 2002 omandas FSC sertifikaadi kolm aastat varem moodustatud riigitulundusasutus RMK. Analoogilised protsessid toimusid ka mitmetes teistes Ida-Euroopa riikides, ning 21 sajandi alguses omandasid paljud (valdavalt avaliku sektori) metsamajandajad FSC sertifikaadi. Töö tulemused Eestis ja Ida-Euroopas näitavad, et sertifitseerimise käigus on nõutud mitmeid olulisi praktilisi muudatusi, mille järgimine aitab otseselt kaasa säästva metsamajandamise rakendamisele. Sertimisel on olnud positiivne mõju näiteks kemikaalide kasutuse vähendamisel, keskkonnariskide maandamisel, kaitsealade ja kaitsealuste liikide kaitsel, bioloogilist mitmekesisust soodustavate elementide kaitsel ja säilitamisel, läbipaistvamal suhtlusel huvigruppidega ja töötajate tööohutusnõuete rakendamisel. Eestis kaasati metsanduslikku diskussiooni uusi huvigruppe juba säästvat metsandust defineeriva standardi koostamise etapis, mille käigus tekkis mitmeid uudseid ideid, mis leidsid rakendamist ka praktikas. Samas ei ole sertifitseerimine Eestis mõjutanud näiteks lageraiete osakaalu ega raiete intensiivsust. Lisaks ei rakendatud sertimist laialdaselt erametsades, kus vajadus positiivsete muudatuste järele oli üleminekutingimustes suurim. Raiemahtude vähenemise ja säästlikuma metsakasutuse erametsades tõid kaasa eelkõige valitsuse poolt tehtud muudatused metsaseaduses ja selle rangem jõustamine, mis sai alguse aastal 2004. Töö tulemused annavad alust väita, et vabatahtlik sertifitseerimine on oluline täiendav võimalus soodustada jätkusuutlikku loodusressursside kasutust üleminekutingimustes, kus avaliku sektori võimekus ressursikasutust kontrollida ja suunata on piiratud. Samas on ka sertifitseerimise enda suutlikkus piiratud. Vabatahtliku iseloomu tõttu on sertifitseerimise kasutuselevõtt vähene väiksema vastutustundega majandajate seas. The thesis examines the role and impacts of voluntary certification in East-European transitional economies. The study relies largely on the case study of Estonia, a post-Soviet country which regained independence in 1991. The thesis claims that voluntary certification functions as an effective complementary non-governmental tool to support implementation of sustainable forest management in transitional economies where governments are struggling to effectively guide sustainable usage of forest resources. After regaining independence in 1991, Estonia was launched into an era of fast “capitalization” and neo-liberal policy making, which left the natural resources less protected. Forest properties were restituted; however the fresh owners often had no forestry experience. Economic depression in combination with weakly enforced liberal legislation led to unsustainable and largely illegal use of forest resources. The problems were voiced by environmental stakeholders and the reputation of the Estonian forest sector was damaged, harming also the growing timber industry and manager of Estonian state forests – RMK. As a result, these stakeholder groups started to seek options for non-state methods to rehabilitate Estonian forestry. A possible solution was seen in certification and since 1998 several key stakeholders engaged in setting the sustainable forest certification standard. In 2000 the first FSC forest certificate was issued to private forest owner Lembit Laks and in 2002, an FSC certificate was awarded to RMK, managing almost 1 million hectares of Estonian state forests. Generally similar processes occurred in several other East-European countries. As the governments were transitioning into a new economy with varying speed, managers of (mainly public) forests adopted voluntary certification rapidly during the early 21st century. Results from analyzing the changes required from forest managers across East-Europe show that certification has had several positive impacts. The reputation and environmental awareness of certified managers has improved. The protection of biodiversity and ecological functions improved and there has been increased attention towards safety of forest workers. Other aspects however have remained unchanged, such as the extensive usage of clear-cuts. Also certification has been only marginally adopted among the private forest owners, where the problems related to unsustainability were generally largest. In Estonia the situation in the private forests did not improve until stricter legislation was developed and enforced from 2004 onwards. Certification thus has limitations and a combination of state and non-state regulatory methods has been most successful. This study claims that certification is a useful complementary tool to aid in sustainable forest management enforcement, especially in conditions where the government’s ability is limited, such as in transitional economies. However, it cannot replace the state functions, since certification is adopted first by more responsible forest managers and is less likely to be adopted by unsustainable forestry operations. Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.

Vegetation influences the whole ecosystem and climate. Its research and monitoring has therefore always been one of the most important fields of remote sensing. The spread of Earth observation satellites at the second half of the 20th century has dramatically expanded the possibilities for remote sensing. To extract some useful information from the measured data, it is necessary to understand how the measured signal is formed and what affects it. Radiative transfer models represent our perception of photon transport in vegetation canopies. They can simulate how the incident solar radiation is absorbed and scattered by forests, depending on the vegetation structure and optical properties. Ground truth data is needed for developing the models. By comparing the measured and modelled data, it is possible to validate and improve the model. Top-of-canopy reflectance measurements can also be used for validating the atmospheric correction of satellite images and for vicarious calibration of satellite sensors. The aim of this study was designing an autonomous spectrometer system suitable for measuring the top-of-canopy reflectance of forests from a lightweight carrier, such as an unmanned aerial vehicle (UAV). In the course of this study the UAVSpec-series spectrometer systems have been designed and built. Since 2006 the top-of-canopy spectral directional reflectance of forest stands has been measured every summer in the Järvselja Training and Experimental Forestry District of the Estonian University of Life Sciences. Dark signal temperature dependence and instrument function of the spectrometers were determined in the laboratory. In order to guarantee the metrological quality of spectroscopic measurements, these parameters are taken into account in the data processing workflow. Vegetation radiative transfer models need many input parameters which are not measured during ordinary forest inventories. Therefore, an exhaustive dataset was compiled for three 1-hectare stands in Järvselja. The forest reflectance model FRT developed at the Tartu Observatory was used for modelling the reflectance of these stands and the results were compared with the measured data. A detailed workflow description was proposed for processing satellite imagery and calibrating satellite sensors. Taimestik mõjutab kogu ökosüsteemi ja kliimat. Selle uurimine ja jälgimine on seetõtu olnud läbi aegade kaugseire üks olulisemaid valdkondi. Kaugseiresatelliitide levik 20. sajandi teisest poolest alates on oluliselt laiendanud kaugseire võimalusi. Et mõõdetud andmetest mingit sisulist infot eraldada, on vaja aru saada, kuidas mõõdetav signaal moodustub ja mis seda mõjutab. Taimkatte kiirguslevimudelid hõlmavadki endas seda teadmiste baasi. Nad võimaldavad arvutada, kuidas metsale langev päikesekiirgus neeldub ja hajub olenevalt taimkatte struktuurist ja optilistest omadustest. Mudelite arendamiseks on vaja mõõtmistulemusi reaalsest elust, et neid saaks võrrelda modelleeritud andmetega ning erinevuse korral mudelit parandada. Samuti saab atmosfäärialuste mõõtmiste abil kontrollida ja vajadusel parandada satelliidipildi atmosfäärikorrektsiooni ja satelliidisensori kalibratsioonikoefitsiente. Käesoleva töö eesmärgiks oli välja töötada ning valmistada sobilik aparatuur metsade atmosfäärialuse spektraalse peegelduskoefitsiendi mõõtmiseks ja reaalsete mõõtmiste läbiviimine. Töö käigus on valminud spektromeetrite seeria UAVSpec. Alates 2006. aastast on igal suvel Eesti Maaülikooli Järvselja Katse- ja Õppemetskonnas mõõdetud mehitatud helikopterilt metsade spektraalset heledust. Algusest peale on silmas peetud võimalust kasutada UAVSpec spektromeetrite kandurina mehitamata lennuvahendit, mistõttu on spektromeetrid disainitud täisautonoomsed ning piisavalt väiksed ja kerged. Spektromeetrite olulisemad omadused parametriseeriti laborimõõtmiste põhjal ning koostati algoritmid registreeritud signaalide radiomeetriliseks korrektsiooniks. Taimkatte kiirguslevimudelid vajavad väga suurt hulka sisendparameetreid, mida tavapärase metsa takseerimise käigus ei mõõdeta. Seetõttu koostati mahukas andmekogum kolme 1-hektarilise puistu kohta. Tartu Observatooriumis väljatöötatud metsa peegeldusmudeliga FRT simuleeriti nende puistute peegeldusspektreid ning võrreldi neid mõõtmistulemustega. Pakuti välja põhjalik protsessikirjeldus atmosfäärialuste tugimõõtmiste toel satelliidipiltide töötlemiseks ja satelliitsensorite kalibratsiooniks. Väitekirja elektrooniline versioon ei sisalda publikatsioone.