Abstract

This doctoral thesis aims to review methods which use high-resolution remote sensing (RS) to evaluate the changes in degraded and restored northern peatlands and to test and develop these topo-hydrological methods. A significant share of peatlands worldwide is degraded and encountered subsidence due to land use and drainage. Recently, activities have been directed increasingly to mitigating environmental impacts and to restoration. Understanding the state and characteristics of degradation, as well as monitoring restoration success, is important in the sustainable management of peatlands.

Conventionally, the state of peatlands has been monitored using laborious field surveys that are poorly suited for monitoring larger areas. Monitoring the internal heterogeneity of the site or larger regional, national or international areas requires more applicable methods. This thesis reviews the available remote sensing methods to observe the land cover, water flow routes, and surface soil moisture on peatlands. In addition, the magnitude and impacts of topographical changes on peatland hydrology were demonstrated at eight sites. The analysis showed the subsidence of cultivated peatlands, which have caused a spread of annual river floods by 101–194% over the last 24–51 years. On forestry-drained peatlands, topographic flow accumulation and wetness indices showed that restoration increased the site wetness by 2.9–6.9% and decreased its deviation by 13–15% 1–10 months after the restoration.

The methods used emphasized the determinative role of topography in the hydrological conditions of peatlands. RS is well applicable in peatland monitoring, providing advanced large-coverage and/or high-detail monitoring data. Each method, however, includes specific technical challenges and development needs, and field measurements will also be needed in the future to support the remote sensing data and analysis. The production of the data might be laborious and require adjunct resources. For many areas, open data, such as national aerial imageries and digital terrain models, can be utilized. The reviewed RS methods can be used to study the hydrological and topographical attributes specific to each peatland use. The results from the sites can be applied to guide agricultural land use management and develop restoration practices.

Tiivistelmä

Tämän väitöskirjan tarkoituksena on koota tarkan resolution kaukokartoitusmenetelmiä soiden kuivatuksesta ja ennallistamisesta aiheutuneiden muutosten arvioimiseen sekä testata ja kehittää valittuja topo-hydrologisia menetelmiä. Merkittävä osuus maailman soista on häiriintynyt, ja maa on painunut maankäytön ja kuivatuksen seurauksena. Toimintaa on alettu suunnata yhä enemmän ympäristövaikutusten lieventämiseen ja ennallistamiseen. Soiden muuttuneen hydrologian ymmärtäminen ja toisaalta toteutettujen toimenpiteiden onnistumisen arviointi ovat soiden tavoitteidenmukaisen ja kestävän käytön edellytys.

Perinteisesti soita on seurattu työläillä kenttämenetelmillä. Suon sisäisen vaihtelun kattaviin sekä alueellisiin, kansallisiin ja kansainvälisiin seurantoihin tarvitaan soveltuvampia menetelmiä. Tässä väitöskirjassa kootaan kaukokartoitusmenetelmiä maanpinnan peitteen sekä veden kulkureittien ja suon pintakosteuden tarkastelemiseen. Lisäksi maanpinnan korkeusaseman muutosten vaikutuksia suon hydrologialle demonstroitiin kahdeksalla tutkimuskohteella. Turvepelloilla testattiin menetelmää, joka osoitti turvemaiden painumisen aiheuttaneen viereisen joen vuotuisen tulvan peittämän alueen laajentuneen 101–194 % kuluneiden 24–51 vuoden aikana. Metsätaloutta varten ojitetuilla soilla puolestaan todettiin topografisten virtauskertymien ja märkyysindeksien avulla ennallistamisen lisänneen tutkimusalueiden keskimääräistä märkyyttä 2.9–6.9 % sekä pienentäneen sen vaihteluväliä 13–15 % 1–10 kk aikana ennallistamisen jälkeen.

Testatut menetelmät tähdensivät topografian merkitystä hydrologisten olosuhteiden määräytymisessä. Kaukokartoitus soveltuu hyvin soiden tilan seurantaan ja sillä saadaan tuotettua kattavia tarkan resoluution aineistoja. Kuhunkin menetelmään kuitenkin liittyy omat tekniset haasteensa ja kehitystarpeensa, ja kenttämittauksia tarvitaan myös jatkossa kaukokartoitusaineistojen ja -analyysien tukena. Aineistojen tuottaminen voi olla työlästä ja vaatia lisäresursseja. Monilla alueilla on mahdollista hyödyntää valmiita, avoimia aineistoja kuten kansallisia ilmakuvakokoelmia ja korkeusmalleja. Koottuja menetelmiä voidaan hyödyntää soiden erilaisiin käyttömuotoihin liittyvissä topografisissa ja hydrologisissa tutkimuksissa. Tutkimuskohteilta saatuja tuloksia voidaan käyttää ohjaamaan soiden maankäyttöä ja kehittämään ennallistamismenetelmiä.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Ikkala, L., Ismail, Wolff, F., Marttila, H., Ronkanen, A.-K., Alekseychik, P., Rana, P., Tolvanen, A., Torabi Haghighi, A., Kohv, M., Osborne, C., Tahvanainen, T., Ilmonen, J., Haapalehto, T., Kløve, B., Kumpula, T., & Räsänen, A. (2022). Remote sensing methods for northern peatland restoration monitoring — A literature review. Manuscript submitted for publication.

2. Ikkala, L., Ronkanen, A.-K., Utriainen, O., Kløve, B., & Marttila, H. (2021). Peatland subsidence enhances cultivated lowland flood risk. Soil and Tillage Research, 212, 105078. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105078

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Ikkala, L., Ronkanen, A.-K., Ilmonen, J., Similä, M., Rehell, S., Kumpula, T., Päkkilä, L., Kløve, B., & Marttila, H. (2022). Unmanned aircraft system (UAS) structure-from-motion (SfM) for monitoring the changed flow paths and wetness in minerotrophic peatland restoration. Remote Sensing, 14(13), 3169. https://doi.org/10.3390/rs14133169

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version