Taimkatte kaugseire ja selleks vajaliku teadusaparatuuri loomine

Väga palju mõõtmisi tuli teha lennukitelt ja helikopteritelt. Vasakult piloot, Urmas Peterson, Andres Kuusk, Aleksander Savihhin ja Erko Meikas.

1970.ndate aastate lõpupoole hakkasid J. Rossi juhitavas atmosfäärifüüsika sektoris toimuma teadussuuna muutused. Tundus, et taimkatte produktiivsusele orienteeritud kiirgusvälja uurimine oli suuresti ammendunud. Samal ajal tuli maailmas järjest enam päevakorda kosmiline kaugseire. Kiirguse nõrgenemine ja neeldumine taimkattes ning peegeldumine taimkattelt, millega kaugseire tegeleb, on ju ühe ja sama probleemi kaks erinevat tahku ja seetõttu oli teema ümberlülitamine kaugseirele lihtne ja loogiline jätk. Lisaks oli vaja hakata teadustööga ka raha teenima ja võimalik allikas selleks meie teadusteemaga oli sõlmida lepingud kesksete uurimisasutustega, kellel olid omakorda lepingud juba sõjaväelastega. Siin oli erinevus Ch. Villmanni töörühmaga, sest Villmann oli sõja läbi teinud Nõukogude Armees, seega igati usaldusväärne ja tal oli nn dopusk – luba salajaste materjalide juurde. Nii sai tema teha lepinguid otseselt sõjaväestatud uurimisasutustega, nn postkastidega. J. Ross oli aga Jätkusõjas osalenud soomepoiss ja tema sai niisuguseid lepinguid sõlmida vaid vahendajate kaudu. Nii otsustaski J. Ross suunata meie taimkatte kiirgusrežiimi töörühma temaatika põhiraskuse ümber kaugseirele. Eestikeelse termini kaugseire vastena inglisekeelsele remote sensing võttis tarvitusele just J. Ross.

J. Rossi eestvedamisel tehti algust lennukimõõtmistega põldude ja metsade peegeldusomaduste uurimiseks. Lepingupartnereid huvitasid sel ajal meie tüüpilise maastiku peegeldusomadused ja seda erinevates vaatesuundades ning nende poolt ette antud spektripiirkondades, ilmse eesmärgiga vahet teha militaarobjektide ja loodusliku tausta vahel. Lepingute tulemuseks olid metsade ja põldude peegeldumisomaduste ja kiirgustemperatuuri mõõtmised lennukitelt ja helikopterilt 80ndatel aastatel. Sel perioodil tuli töörühma juurde hulk noori aktiivseid inimesi, kes osalesid nii lennukimõõtmistes, kui ka maapealsetes mõõtmistes. (A. Aho, J. Anton, M. Kirikal, E. Meikas, A. Savihhin jt). Esimesed proovimõõtmised Tartu-Ülenurme lennuväljalt startinud lennukilt An-2 tehti 1974. aastal, süstemaatilised lennukimõõtmised said alguse 1975. Sedalaadi mõõtmised kestsid kuni 1980-ndate aastate keskpaigani.

Selleks tööks vajalikku mõõteaparatuuri ei olnud ja see tuli luua kohapeal. Mõõteriistu konstrueerisid M. Sulev, J. Reemann, A. Aho, A. Kuusk, J. Ojaste, aparaadid valmisid AFSi töökojas ja SKB-s. Pardaoperaatoritena osalesid T. Nilson, K. Ross, J. Anton, A. Aho, M. Kirikal, V. Aplei, J. Kõdar, A. Kuusk, A. Savihhin, E. Meikas, U. Peterson, P. Pajusalu, N. Danziger, J. Karu. Lennud alguses lennukiga An-2, hiljem ka helikopteriga Ka-26.

Helikopter Ka-26 oli 1979.a. pea igapäevane lennumasin Eestimaa taevas - Tõravere mehed mõõtsid kiirguse peegeldumist taimkattelt.

M. Sulev konstrueeris muudetava vaatesuunaga teleradiomeetri mõõtmisteks lennukilt ja koos A. Ahoga käsiradiomeetri maapealseteks mõõtmisteks. Kitsa vaateväljaga lennuki-teleradiomeeter mõõtis neljas interferentsfiltritega valitud spektri nähtavas ja lähiinfrapuna piirkonnas objektide heledust. J. Reemann konstrueeris soojuskiirguse mõõtmiseks kaks infrapuna-radiomeetrit, ühe mõõtmisteks lennukilt ja teise käsi-infrapuna-radiomeetri, mis olid tollal täiesti unikaalsed. J. Reemanni soojuspiirkonnas mõõtev lennukiradiomeeter oli samuti kitsa vaateväljaga. Need riistad vaatasid lennukil või helikopteril läbi põrandas oleva keemialuugi maapinda. Teleradiomeetri optiline plokk oli kinnitatud lennuki põrandast madalamale ja nii oli võimalik selle radiomeetri vaatesuunda muuta suurtes piirides. Lendasime väikestel kõrgustel metsalatvade kohal, et saavutada kõrget ruumilist lahutust ja vähendada objekti ja sensori vahele jääva õhukihi mõju. Pealelangevat kiirgust mõõdeti lennuki lae peale kinnitatud püranomeetriga.

Tõsine probleem oli nende kiiretoimeliste kiirgussensorite suure andmehulga salvestamine lennukis tolleaegsete vahenditega. Sellega oli raskusi ja nii läksid nii mõnedki ilusa ilmaga tehtud mõõtmised vett vedama just salvestustehnika probleemide tõttu. Lennukis mõõtmisandmete registreerimiseks ehitati lennukipardaregistraatori, nn. musta kasti mehhaanikat kasutades spetsiaalne mitmekanaliline registreerimismagnetofon, mille lindile kirjutatud signaalid sai pärast juhtimisarvutile EC-1010 tehtud kasutajaliidese abil arvutisse lugeda.

Veel natuke vaatlusi radiomeetriga ja siis teab Tiit Nilson kiirguse levikust metsas peaaegu kõike!

Maapealseteks mõõtmisteks konstrueerisid M. Sulev koos A. Ahoga 4-kanalilise käsiradiomeetri. See oli eriline selle poolest, et temaga sai samas spektripiirkonnas mõõta nii pealelangevat kiirgust poolsfäärist kui ka nadiiri suunas kitsas vaatesuunas peegeldunud kiirgust, kusjuures kasutati Soomest saadud uuemaid fotodioode ja elektroonikat. Maapealseteks mõõtmisteks soojuskiirguse piirkonnas J. Reemanni konstrueeritud ja Tõravere töökojas valminud käsiradiomeeter võimaldas teha mõõtmisi, milleks NLiidus seadmeid pakkuda polnud.

Lennukimõõtmiste peamisteks objektideks olid põllud Võnnus, Tõraveres jm, metsad Järvseljal, Ahjal, Peipsi ääres jm. Üksikuid mõõteseeriaid tehti ka Jõhvi, Oru, Sirgala, ka Voore kohal. Uuriti peegeldunud kiirguse heleduse jaotusseadusi, ruumilisi korrelatsioonifunktsioone ja spektreid ning vastastikuseid korrelatsioone teleradiomeetri ja infrapunase radiomeetri näitude vahel. A. Kuuse abiga võeti kasutusele nn kiire Fourier teisendus spektrite arvutamiseks. Mõnel aastal tehti ka talviseid lumega mõõteseeriaid. Filmikaamera abil jäädvustati mõõdetud objektid 35mm filmile.

1980. a. mais osalesid J. Ross, T. Nilson, J. Kõdar, A. Aho Krasnodaris mõõtmistel helikopterilt Mi-8-ga sealsete põldude kohal. Kaasas 4-kanaliline radiomeeter, infrapunane radiomeeter, püranomeetrid, registraatorid. Tulemustest ei tulnud seekord aparatuuri tehniliste probleemide tõttu kahjuks suurt midagi välja.

Kui 1980. a. korraldas J. Rossi poolt juhitud grupp XI üleliidulise Aktinomeetria ja atmosfäärioptika nõupidamise Tallinnas, oli fütoaktinomeetria sektsioonis 10 ettekannet töörühma poolt. Esmakordselt pakkusid A. Kuusk ja T. Nilson seal välja opositsiooniefekti kvantitatiivse kirjeldamise algoritmid vastavalt homogeensele taimkattele ja metsale.

Peegeldunud kiirguse nurkolenevuse uurimiseks mõõdeti üks lennutrass fikseeritud nurga all, siis keerati radiomeeter uue nurga alla ja lennati sama trass uuesti, jne. Enamasti mõõdeti päikese tasandis ja risti sellega. A. Kuusk katsetas ka teisi meetodeid. 1982. a. helikopterilt Ka-26 tegi ta 4-kanalilise lennukiradiomeetriga käsitsi skaneerides mõõtmisi, objektideks mõned metsad, viljapõllud, rohumaad. Objektist ülelennul muudeti teleradiomeetri vaatesuunda eest taha, nii et see vaatas kogu aeg üht ja sama piirkonda maa peal. Vaatesuuna nadiirnurga registreerimiseks kinnitati teleradiomeetri teljele nurgaandur. 1984 tegi A. Kuusk lennukilt täis-peegeldusindikatrisside mõõtmisi, pildistades uuritavaid objekte alla vaatava kalasilmaobjektiiviga varustatud fotoaparaadi abil filmile, sealt hiljem digitaalse mikrofotomeetriga PDS fotometreerides arvutisse umbes paarikraadise nurklahutusega.

1983-1984 lennati ka suurema lennukiga Il-14 (A. Kuusk, J. Ojaste, K. Ross ja A. Kivikas). Lennukile pandi J. Ojaste arvutijuhitav skanner Pii peegeldusindikatrisside mõõtmiseks. Gürostabiliseeritud platvormil oli samm-mootoriga keeratava peegliga skanner, mille optiline signaal viidi neljaks hargneva valgusjuhiga juhtplokis olevaisse detektoreisse. Skanneril oli neli filtrit nagu käsifotomeetreiski. Juhtplokis signaalivõimendid, analoog-digitaal-muundurid. Samm-mootori juhtimiseks ja andmete kogujaks oli mikroarvuti Elektronika-60. Lennati Eestis, 1983 käidi ka lõunas - Ukraina, Moldova, Krimm. Nägime Tšernobõli tuumajaama, kui see oli veel terve ja töötas. Seal lähedal olid kenad suured metsamassiivid. Iseäralik valge laik sealtkandi satelliidipiltidel oli Aleškovskije peski - õhuväe polügoon, mida pommitati nii palju, et seal palju rohtu ega puid ei olnud. Kvaliteetseid tulemusi selle mõõteriistaga siiski ei saadud.

Lennukimõõtmistega samal ajal tehti maapealseid spektraalsete peegeldustegurite mõõtmisi põldudel ja metsa all. Alates 1979. aastast viidi läbi igasuviselt kaugseire maapealseid mõõtmisi. Peamise mõõteriistana võeti kasutusele M. Sulevi ja A. Aho poolt loodud 4-kanaliline (käsi)radiomeeter. 1983-1988 mõõdeti nende 4-kanaliliste radiomeetritega põllukultuuride heleduskordajate sesoonseid käike Võrtsjärve ääres Tammel ja Tartu lähedal Erikal, mõõtmistes osalesid T. Nilson, J. Anton, V. Aplei, K. Ross, J. Kõdar, N. Danziger. Lisaks osales abitööjõuna hulk Nõo kooli õpilasi. Mõõtmiste tulemusena tehti kindlaks teraviljakultuuride heleduskordajate sesoonse muutumise peamised seaduspärasused ja leiti ka seosed kesksuviste heleduskordajate väärtuste ja saagi vahel.

U. Peterson tegi 1986-2000 unikaalse mõõteseeria raiesmikukoosluste heleduskordajate sesoonsete ja suktsessiooniliste muutuste uurimiseks Aho-Sulevi 4-kanalilise radiomeetriga. Endistel lageraiealadel mõõtis ta spektraalsete heleduskordajate sesoonset käiku ja selle muutust aastast aastasse praktiliselt 15-aasta jooksul pärast lageraiet, mille tulemusena saadi heleduskordajate sesoonse ja suktsessioonilise käigu andmed raiesmikukooslustele. Mõõtmised olid peamiselt Konguta ja Pikasilla metsakonna metsades.

Aastal 1995 rajas U. Peterson metsades seeria püsiproovitükke mitmel pool Eestis eesmärgiga uurida nendel toimuvaid pikema-ajalisi muutusi satelliidipiltide abil ja seostada neid maapealsete takseertunnuste mõõtmisega. Need püsiproovitükid on Eesti Maaülikooli metsameeste poolt mitu korda üle mõõdetud ja kujutavad endast suurepärast materjali pikemaajaliste seoste uurimisel.

Dr. Ranga B. Myneni vaatab Andres Kuuse mõõtmisi goniomeetriga. Tegevust jälgib Tiit Nilson.

A. Kuuse eestvedamisel valmis 1988. aastal väligoniomeeter taimkatte peegeldusindikatrisside mõõtmiseks (Foto). Sellega mõõdeti Tammel Võrtsjärve ääres odrapõllu peegeldusindikatrisse külvi tärkamisest kuni pealoomiseni. Mõõtmistulemused olid sel hetkel täiesti originaalsed ja tõestasid selgelt nn hot spot’i efekti e. tagasihajumise maksimumi olemasolu. Sama väligoniomeetriga mõõtis A. Kuusk 1989-1990. a. suvel Tammel ristikupõllu ja TARTEX-90 välitöödel ka rukkipõllu peegeldumisindikatrisse.

Aastatel 1993-1999 pandi toime välitööd metsades Aho-Sulevi 4-kanalilise radiomeetriga, mis varustati data-logger’iga. Mõõtmistel osales hulk inimesi - T. Nilson, A. Kuusk, M. Lang, T. Lükk, J. Anniste, tollal veel tudengina J. Praks (nüüd juba aastaid tunnustatud teadlasena Soomes Aalto Ülikoolis), M. Vari jt. Mõõdeti kiirgusvoo läbitulekut metsa alla neljas spektri piirkonnas ja aluspinna heleduskordajaid. Peamiseks eesmärgiks oli meie metsa heleduse mudeli erinevate komponentide testimiseks vajalike andmete saamine. Objektideks mitmed metsad Järvseljal, Kongutas ja mujal Eestis. Hiljem tehti samalaadsed mõõtmised ka Rootsis Uppsala, Stockholmi ja Umeå lähistel NOPEX’i ja RESE programmide ja Prantsusmaal Montpellier lähistel rahvusvahelise MOST programmi käigus.

Paralleelselt mõõtmistega tegeleti usinasti taimkattelt kiirguse peegeldumise teoreetiliste aspektidega. Eks välimõõtmiste üks eesmärk oligi nende mudelite kontrolliks mõõtmisandmete kogumine. J. Rossi ja T. Nilsoni taimkatte kui horisontaalse homogeense plaatkeskkonna kiirguslevi teooriat arendati edasi. T. Nilson ja A. Kuusk tuletasid esimesed taimkattelt kiirguse peegeldumise teoreetilised mudelid, mis esialgu baseerusid kiirguslevi võrrandi ligikaudsetel analüütilistel lahenditel. Mudelitesse viidi sisse ka opositsiooniefekti teoreetiline käsitlus, kus A. Kuuse väljapakutud mudel oli teerajajaks kogu maailmas.

T. Nilson pakkus välja metsa heleduse mudeli esialgse variandi, mis olulises osas baseerub tema metsa läbipaistvuse teoreetilisel mudelil. Selles mudelis on taimeelemendid koondatud puuvõradesse. Seda mudelit on hiljem oluliselt täiendanud A. Kuusk, kes võttis nii selle mudelis kui homogeense taimkatte mudelis kasutusele prantslaste Jacquemoud ja Baret leheoptika mudeli PROSPECT. See võimaldas suhteliselt väikese arvu parameetritega arvutada terve lehe spektri.

Metsa peegeldusteguri suundolenevuse (BRDF) mudelarvutuse tulemuste võrdlemiseks USA-s ja Kanadas BOREAS’e projekti käigus unikaalse pika trossi peal liikunud PARABOLA mõõtesüsteemi ja lennukilt POLDER süsteemi abil mõõdetud BRDF jaotustega töötas A. Kuusk 1994. aastal neli kuud PARABOLA väljatöötaja D. Deeringu juures Goddardi keskuses USA-s. Selgus, et meie metsa heleduse mudel töötab üldiselt hästi, kuid samas on ka probleeme.

1996. a. sidusid M. Lang, J. Anniste ja T. Nilson metsa peegeldusmudeli metsandusliku andmebaasiga, tulemusena tekkis võimalus arvutada Landsati-tüüpi satelliidipilti metsa peegeldusmudeli abil, kasutades mudeli sisendandmete saamiseks metsanduslikus andmebaasis sisalduvat infot. T. Nilson publitseeris 1997. a. metsa läbipaistvuse mudeli, kus eeldati, et puude jaotus horisontaalpinnal vastab positiivsele binomiaaljaotusele. Seesama läbipaistvuse mudel viidi sisse ka metsa heleduse mudelisse.

2002. a. tuletas Tiit Nilson algoritmi metsa tõelise lehepinnaindeksi leidmiseks taimkatte analüsaatori mõõtmistulemustest, mis põhineb tema tuletatud metsa läbipaistvuse mudelil.

Aastail 2008-2009 taimkatte seire töörühmas järeldoktorina töötanud Abdelaziz Kallel Tuneesiast uuris taimkatte peegeldusmudelite energiajäävust ning arendas edasi taimkatte opositsiooniefekti teooriat. Kaastöö A. Kalleliga on jätkunud ka pärast tema lahkumist Sfaxi Ülikooli Tuneesias.

Hiljem, juba 2008-2013, kui õnnestus saada mõõdetud BRDF jaotusi ja peegeldusspektreid mitmete metsade kohta Järvselja katsealal, leidsid A. Kuusk jt, et vaatamata üldiselt heale kooskõlale mudelarvutuste ja mõõtmistulemuste vahel, on meie metsa peegeldusmudelil veel mitmeid puudusi heleduse suundolenevuse ja spektri detailide kirjeldamisel.

Et mudelarvutuste tulemused ja satelliidipildid oleksid omavahel paremini võrreldavad, hakati 1997. a. tõsisemalt tegelema satelliidipiltide atmosfäärikorrektsiooniga, mille abil taandatakse satelliidipiltide heledused maapinnalähedase heleduskordaja ühikutesse. A. Kuusk võttis atmosfäärikorrektsiooniks kasutusele vabavarana saada oleva atmosfääri kiirguslevi paketi 6S (Vermote et al., 1997) ja integreeris selle ka metsa heleduse mudelisse. Tekkis ka oluline vajadus päikesefotomeetri soetamiseks Eestisse, et saada atmosfäärikorrektsiooniks vajalikke atmosfääri muutujate, sh aerosooli hulga ja suurusjaotuse ja veeauru hulga hinnanguid.

Mõlemad, nii homogeense taimkatte kui ka metsa heleduse mudel on kasutusel mitmel pool maailmas veel tänapäeval (2014) mõõdetud peegeldusspektritest taimkatte parameetrite hindamiseks (fütomassi hulk, klorofüllisisaldus), taimestikuga kaetud maapinna albeedo hinnanguiks jms. Homogeense mudeli kaasasid hiina kolleegid põllukultuuride kasvu mudelisse. Siiani kasutavad mitmed taimkatte kiirguslevi ja heleduse mudelid A. Kuuse poolt juba 1980. a. välja pakutud ligikaudset mudelit opositsiooniefekti kirjeldamiseks. Aastaid hiljem (2013. a.) pakkus järeldoktorina meil töötanud A. Kallel välja edasiarenduse A. Kuuse hot spot mudelile, mis aga on algoritmilt märksa keerukam ja aeganõudvam.

J. Ross koos oma juhendatavate V. Kanevskiga Kiievist ja A. Maršakiga võtsid kasutusele taimkatte kiirguslevi kirjeldamiseks ka Monte-Carlo meetodi.

Esialgu jõudsid taimkatte kiirguslevi alase teadustöö tulemused vaid lepingute aruannetesse ja konverentsiettekannetesse. Mõne aja pärast hakkasid ilmuma meie olulisemad tulemused ka venekeelses teadusajakirjanduses, peamiselt ajakirjas Issledovanie zemli iz kosmosa. Hiljem selgus, et huvi ajakirja vastu oli piisavalt suur ka USA-s, nii et seda hakati tõlkima inglise keelde. Vahepeal õnnestus põllukultuuride heleduskordajate sesoonse käigu andmed siiski maha müüa ka tsiviilotstarbelistele lepingutele (Moskva IKI kaudu nn. Bakuu leping).

Monograafia, mis rajas taimkatte kiirguslevi teoreetilise käsitluse.

J. Rossi töörühma tuntus kasvas ka läänemaailmas. Tõraveret külastasid mitmed läänes tuntud taimkatte kiirguslevi ja kosmilise kaugseire teadlased (N. Goel, R. Myneni, S. Gerstl) ja NASA tähtsad figuurid (G. Asrar). J. Rossi eestvedamisel korraldasime 1989 Tõraveres mitmete maailma tolleaegsete juhtfiguuride (G. Asrar, G. Menžulin, O. Anisimov, P. Stenberg, K. Muinonen jt, lisaks meie meeskond) osavõtul taimkatte kiirguslevi ja kaugseire alase teadusseminari The theory of radiation regime in plant canopies. 1988. a. külastas meid R. Myneni, kellega koostöö määras mitmeteks aastateks meie teoreetiliste uurimuste suuna ja kelle initsiatiivil pandi kokku oluline monograafia taimkatte kiirguslevi teemal. Päevakorrale kerkis just sel ajal nn opositsiooniefekti (hot spot) viimine kiirguslevi võrrandisse. Sellele teemale pühendati palju aega, kuid kokkuvõttes kahjuks rahuldava lahenduseni ei jõutudki.

Aasta 1991 oli väga tähelepanuväärne meie taimkatte kaugseire töörühmale. Springeri kirjastuse väljaandel ilmus kollektiivne monograafia R.B. Myneni, J. Ross (Eds.), Photon-Vegetation Interactions. Applications in Optical Remote Sensing and Plant Ecology. Selle monograafia viis olulist artiklit kirjutasid meie instituudi teadlased J. Ross, J. Knjazihhin, A. Maršak, A. Kuusk ja T. Nilson. Raamat on väga olulises osas kujundanud taimkatte kiirguslevi teoreetilist käsitlust kogu maailmas. Samal aastal ilmusid ajakirjas Remote Sensing of Environment T. Nilsoni ja U. Petersoni artikkel metsa heleduse mudelist ning A. Kuuse artikkel põldudel mõõdetud peegeldusindikatrissidest. Koos R. Myneni ja J. Rossi toimetatud monograafias avaldatud artiklitega olid need esimesed olulised inglisekeelsed artiklid meie taimkatte heledusmudelite teemadel ja mõõtmistulemuste publitseerimisel.

1991. a. töötas T. Nilson 1.5 kuud Wisconsini ja Miami ülikoolides ning NASA Goddardi ja Amesi keskustes USAs ja A. Kuusk kuu aega New Yorgi osariigi ülikoolis Binghamtonis (USA). Juunikuus 1991 oli Espoos rahvusvaheline geoteaduste ja kaugseire sümpoosion IGARSS'91 Kaugseire: Globaalne monitooring Maa haldamiseks (Remote sensing: Global monitoring for Earth management). Sümpoosionist võttis osa suur delegatsioon AAI-st, ettekannetega esinesid J. Ross, T. Nilson, A. Kuusk, U. Peterson, V. Russak, ka endised AAI töötajad A. Maršak, J. Knjazihhin, kes sel ajal esindasid Göttingeni ülikooli.

Samal 1991. aastal kaitsesid A. Kuusk ja T. Nilson Tartu Ülikoolis geofüüsikadoktori kraadi, nüüd juba iseseisva Eesti mallide järgi. V. Russak kaitses PhD kraadi 1992 ja U. Peterson 1993. Noorematest kaugseire töörühma teadlastest kaitsesid PhD kraadi M. Mõttus (2004), M. Lang (2006) ja Joel Kuusk (2011).

Niisugusest tornist saab uurida veekogude kiirgusrežiimi.

Tulevane direktriss Anu Reinart välitöödel vee kiirgusrežiimi mõõtmas.

2004. aastast laiendati kaugseire uuringuid ka veekogudele, kui pärast järeldoktorantuuri Uppsala Ülikoolis tuli Euroopa Liidu Marie Curie stipendiumi toetusel Tartu Observatooriumi tööle Anu Reinart. Väike veekogude kaugseire töörühm (üliõpilased K. Alikas ja K. Valdmets-Uudeberg) hakkas kiiresti kasvama, kui sellesse kaasati uusi keskkonnatehnoloogia eriala magistrante-doktorante (M. Ligi, E. Asuküll ja E. Kangro), 2011. aastal liitus nendega ka bioloog K. Kangro. Mitu suurt rahvusvahelist 7. raamprogrammi projekti (EstSpacE 2008-2011, WaterS 2010-2014, GlaSS 2013-2016) tõid observatooriumisse tööle välisteadlasi (pikemaks ajaks sakslased O. Krüger ja Ph. Grötsch). Peamiseks tegevuseks sai Euroopa Komoseagentuuri sensori MERIS/Envisat tulemite õigsuse kontrollimine ja ettevalmistused Copernicus programmi Sentineli seeria satelliitide algoritmide arenduseks.

Vee optiliste omaduste määramiseks on koostöös firmaga Interspectrum OÜ loodud seade MVSM (Multi Volume Scattering Meter).

J. Rossi aktiivsel eestvedamisel algas juba 1979. a. kaksteist aastat kestnud tulemuslik koostööprojekt Soome ja Karjalaga metsade kiirgusrežiimi ja produktiivsuse uurimiseks, mis vormistati ametlikult kui N. Liidu TA ja Soome Akadeemia vaheline koostööprojekt. Sel teemal kestab koostöö Soome teadlastega senini.

J. Rossi initsiatiivil rajati 1993. aastal Tõraveres Rootsi-Eesti ühisprojektina energiavõsa istandus. Seal tehti rea aastate jooksul mitmeid kiirgusmõõtmisi ja ka puistu struktuuri ja produktiivsuse mõõtmisi. M. Sulev konstrueeris mõõtmiste tarvis komplekti spetsiaalaparatuuri. Istandust uuendati 2001. Matti Mõttus lisandus energiavõsa meeskonda 1999. aastal ja kaitses energiavõsas saadud uurimistulemuste põhjal doktoritöö 2004.

Taimkatte kaugseire töörühmast tehti pilti. Istuvad vasakult Anu Reinart, Tiit Nilson ja Madis Sulev. Seisavad vasakult Andres Kuusk, Enn-Märt Maasik, Tõnu Prans, Matti Pehk, Matti Mõttus, Urmas Peterson ja Marko Paas.

Teoreetilistest kaalutlustest selgus, et okasmetsade peegeldusomaduste mõistmiseks oleks vaja teada, kuidas hajutavad ja neelavad päikesekiirgust üksikud kuuse ja männi võrsed. Aastatel 1993-1994 mõõtsid M. Sulev, J. Ross ja O. Meinander okaspuuvõrsete hajutamisindikatrisse M. Sulevi poolt selleks konstrueeritud labori-goniomeetril. Okaspuuvõrsete hajumisindikatrissid erinevad oluliselt silindrilise Lamberti pinna indikatrissidest.

1997-2002 osales ainsa välisriigi meeskonnana taimkatte kaugseire rühm T. Nilsoni juhtimisel Rootsi kaugseireprojektis RESE (Remote Sensing for the Environment), mida finantseeris Rootsi MISTRA fond. Peamiselt Helsingi Ülikooli ja Tartu Observatooriumi töörühmade eestvedamisel on rea aastate jooksul toimunud ühised Soome-Eesti taimkatte kaugseire seminarid.

Kalasilmaobjektiiv on hea selle poolest, et ühe klõpsuga saab terve poolsfääri pildile, aga seda oligi metsauurijatele vaja.

2000. a. liitus taimkatte kaugseire töörühm nn VALERI projektiga, mille eestvedajaks INRA Avignon, Prantsusmaa. Eesmärgiks oli luua maailmas testalad, kus saaks valideerida Euroopa keskmise ja madalama lahutusega satelliidiskannerite piltide abil hinnatavaid taimkatte tulemeid (lehepinnaindeks, neeldunud PAR, jm). Järvselja ala sai üheks selle projekti testalaks. Seal toimusid taimkatte analüsaatorite LAI-2000 ja kalasilmapiltide abil süstemaatilised maapealsed mõõtmised 2000-2005. M. Lang ja A. Kodar tegid seeria kalasilmapilte Järvseljal ja püsiproovitükkidel mujal Eestis.

Viimaste aastate jooksul on oluliselt täienenud kaugseire instrumentide park. A. Kuusk konstrueeris ja ehitas 1997. a. astronoomilisel CCD kaameral baseeruva poolsfäärilise vaateväljaga kujutise radiomeetri, millega tehti esimesed katsetused 1998. a. ja süstemaatilisemad mõõtmised 1999 Järvseljal. Sellega mõõdeti metsas alla-suunatud kiirguse suundolenevust spektri punases ja lähedases infrapunases osas. Selle radiomeetriga ja Sulevi-Aho käsiradiomeetriga tegid ulatuslikke metsa kiirgusrežiimi mõõtmisi Flakalideni katsemetsades (Rootsi) ja Ruokolahti tootmismetsas (Soome) 2000. aastal A. Kuusk, M. Lang ja U. Peterson.

1998. a. võeti kasutusele maailmas väga tuntud taimkatte analüsaator LAI-2000. Stockholmi ülikoolilt laenatud GER-2600 spektromeetriga viidi läbi seeria alustaimestiku spektri mõõtmisi Järvseljal ja Kongutal 2001. a. suvel (A. Kuusk, M. Lang, T. Nilson, T. Lükk). Mõõtmistulemuste alusel pandi kokku metsa alustaimestiku spektrikataloog, mis on internetis kõigile kättesaadav. Alustaimestiku peegeldusspektrid sisendandmetena on vajalikud meil loodud metsa heleduse mudelite rakendamisel.

Uuema aja välitöid iseloomustab mitmete uute mõõteriistade ja meetodite kasutuselevõtt, eriti pärast Joel Kuuse ja Jan Piseki liitumist töörühmaga.

Matti Pehk hakkas ehitama spektromeetrit 2001. aastal. Meie meeskonnaga liitunud Joel Kuusk ehitas 2006. a. arvutijuhitava 256-kanalilise lennukispektromeetri, millega mõõdeti Järvselja metsade peegeldumisspektreid. J. Kuusk konstrueeris ja ehitas peegeldusindikatrisside mõõtmiseks seadme (BRF-mõõtja), mida saab kasutada nii helikopteril kui ka maa pealt juhitaval kerglennukil (UAV). Spetsiaalse tarkvara kirjutasid J. Kuusk ja M. Lang, esimesed õnnestunud mõõtmised tehti 2007. a., tulemuste analüüs A. Kuuse, J. Kuuse ja M. Langi poolt. Joel Kuusel valmis 2009. a. lennukispektromeeter UAVSpec-SWIR (950-1750 nm). Nende spektromeetritega on mõõdetud Järvselja metsi helikopterilt Robinson ajavahemikul 2007-2013. Aastal 2010 tegi esimese testlennu spektromeetriga piloodita väikekopter JR Voyager 260 GSR.

T. Nilson osales 2004. a. koos O. Kulli ja P. Männiga (TÜ) rahvusvahelise VULCAN projekti välitöödel Hispaanias Garraffis. Mõõdeti loodusliku puhmarinde koosluse poolt peegeldunud kiirguse spektreid katsealal, kus reguleeriti koosluse veevarustust ja temperatuuri. Eesmärgiks välja selgitada, kas kaugseire meetoditega on võimalik vahet teha veevarustuse ja temperatuuri mõju puhmarinde kooslusele. VULCAN projekti jätkuprojekti raamides osales J. Kuusk 2011.a. rahvusvahelise kliimamuutuste uurimise projekti INCREASE (FP7 TA) mõõtmistel Taanis ja Itaalias, kus L. Halliku eestvedamisel mõõdeti samuti puhmarinde peegeldusspektreid.

J. Kuusk osales TÜ ja EMÜ uurimisrühmadega rahvusvahelise projekti INTERACT (FP7 TA) mõõtmiskampaanias LEAF arktilises Soomes ja Rootsis 2012 a., mille korraldas L. Hallik eesmärgiga hinnata peegeldumisspektrite põhjal taimestiku füsioloogilise seisundi muutusi.

Fragmendid satelliidipiltidest koostatud Võrtsjärve loodeosa rannaroostike kaardist aastaist 1986 ja 2007. Piltidel on näha, kuidas roostikud Tänassilma jõe suudmelahe ümbruses laienevad.

U. Peterson alustas taimkatte analüsaatori LAI-2000-ga ja Aho-Sulevi 4-kanalilise radiomeetriga mõõteseeriat roostikes ja tootmisest maha jäetud ning metsastuvatel põllulappidel, eesmärgiga mõõta neis toimuvaid muutusi.

Tublisti välitöid on teinud meie kaugseire töörühmaga liitunud J. Pisek. 2011.a. tegi ta Järvseljal mõõtmisi TRAC instrumendiga (Toronto Ülikool) nn. klasteriseerumisindeksi määramiseks, seejärel sama ka Hyytiäläs Soomes. Võtnud kasutusele fotograafilise meetodi, mõõtis J. Pisek 2012.a. lehtede kaldenurkade jaotuse Helsingis 62 lehtpuu liigil ja Eestis mitmel puuliigil koos K. Raabega 2013. a. Fotograafilise meetodiga mõõtis J. Pisek klasteriseerumisindeksit Bergiuse Botaanikaaias Stockholmis.

Satelliitide mõõtmisandmeid kasutades tekkis oluline vajadus päikesefotomeetri soetamiseks Eestisse, et saada atmosfäärikorrektsiooniks vajalikke atmosfääri muutujate, sh aerosooli hulga ja suurusjaotuse ja veeauru hulga hinnanguid. Tänu O. Kärneri initsiatiivile seatigi 2001. a. Tõraveres üles NASA AERONETi süsteemi kuuluv päikesefotomeeter. Päikesefotomeetri hooldajaks sai M. Sulev. Nüüdseks on päikesefotomeetri andmeid kasutatud atmosfäärikorrektsiooni tegemiseks suurele hulgale satelliidipiltidele. Eriti oluline oli A. Kuuse poolt tehtud CHRISi Järvselja piltide taandamine maapinnalähedase heleduskordaja ühikutesse, mida sai võrrelda Järvseljal tehtud lennuki-spektromeetri mõõtmistulemustega. Niiviisi sai kontrollida atmosfäärikorrektsiooni ja sensorite kaliibrimise usaldusväärsust. T. Lükk ja T. Nilson tegid suurele hulgale olemasolevatele Järvselja ala Landsati ja SPOT’i piltidele atmosfäärikorrektsiooni heleduskordajate sesoonse aegrea saamiseks. Selgus, et sileda aegrea saamiseks tuleb piltide kaliibrimiskordajaid siiski veel oluliselt siluda. Tõravere aktinomeetriliste mõõtmiste kõrge kvaliteedi kinnituseks oli A. Kallise poolt juhitud aktinomeetriajaama lülitamine ülemaailmsesse baasjaamade võrku (BSRN) jaanuarist 1999 .

Anu Reinarti juhitud EL 7. raamprogrammi ühisprojekti Eesti kosmoseuuringute ja -tehnoloogia võimekuse avamine partnerluse kaudu tipptasemel Euroopa teadusasutustega - EstSpacE (TO, TÜ Füüsika Instituudi keskkonnafüüsika labor, TÜ Tehnoloogiainstituudi arukate materjalide ja süsteemide labor) vahenditest hangiti 9-kanaliline Cimeli päikesefotomeeter CE-318N-EM-S9, Spectra Vista 1024-kanaliline välispektromeeter SVC-HR-1024 (350-2500 nm), raadio teel juhitav väikekopter JR Voyager 260 GSR ja Bentham Instrumentsi UV-spektromeeter DMc-150F-U.

Iga aparaat vajab aeg-ajalt kalibreerimist. See töö optikalaboratooriumis parajasti käib.

Rahvusvahelised 7. raamprogrammi projektid andsid tõuke koostöös Euroopa Kosmoseagentuuriga edasi arendada optikalabori kalibreerimisteenuseid. Koostöös firmaga Hohenheide OY valmistati lõksdetektor detektoripõhise radiomeetriaskaala loomiseks. Aastail 2011-2012 toimunud peahoone renoveerimise käigus valmis uus hästi sisustatud radiomeetrialabor. See labor on varustatud kaliibrimislampide, arvutijuhitava topeltmonokromaatori ja 2D pöördlaudadega ning peegeldusetalonidega.

1991. a. saadi Joensuu Ülikooli Soome kolleegide abiga esimesed LandsatTM satelliidipildid Eesti ala kohta (aastast 1988). Järgmisel aastal sai võimalikuks tänu Eesti Metsaameti tolleaegse juhtkonna toele osta päris oma esimene Landsat TM nn mini-kaader (45x45 km) Järvselja alast. Pilti töödeldi koos Järvselja metsandusliku andmebaasi ja puistuplaaniga, eesmärgiga hakata välja töötama satelliidipiltidel baseeruvat metsade inventeerimise metoodikat. See idee sai esimese tagasilöögi, kui U. Peterson tuletas metsade heleduse esimesed vanuseread, kust selgus, et metsa heledus kahaneb küll metsa noores eas, kuid keskmises ja vanemas eas heleduse muutused on tühised, samal ajal kui mets jätkab olulist kasvu. Samasuguse tulemuseni viisid ka mudelarvutused Nilsoni metsa heleduse mudeli abil. See asjaolu vähendas lootust, et satelliidipiltidelt otse on võimalik olulisi metsa takseertunnuseid usaldusväärselt hinnata. Hangiti ka satelliidipiltide töötlemiseks vajalikku tarkvara, sh paketid TOPOL, IDRISI ja GRASS, hiljem ENVI. T. Lükk kirjutas programmi PixelWin satelliidipiltide analüüsiks koos metsanduslike andmebaasidega. Edaspidi osutus võimalikuks mõningaid Landsati TM, ETM+ ja SPOTi satelliidipilte osta või saada seoses meie osalemisega mõnedes rahvusvahelistes programmides (nagu VALERI, millest juttu allpool). Hiljem muutis NASA Landsati pildid vabalt kättesaadavaks. Nii on kaugseire töörühm praeguseks kogunud Eesti ala kohta arvestatava hulga 10-30m lahutusega satelliidipilte ajavahemikust 1987 kuni tänaseni.

Praeguseks on ostetud ka suurema ruumilise lahutusega pilte satelliitidelt ALI, Hyperion, ASTER, WorldView, Quickbird jt. Nii on kaugseire töörühm kogunud Eesti ala kohta arvestatava hulga 10-30-m lahutusega satelliidipilte 1987. a. tänapäevani.

Rahvusvahelise programmi VALERI üheks testalaks valiti 10x10 km ala Järvseljal. Programmi eesmärgiks on mitmete taimkattega seotud satelliidimõõtmiste tulemite (eelkõige lehepinnaindeks (LAI)) valideerimine. 2000-2005. a. tehti VALERI projekti raamides Järvseljal testalal mõõtmisi taimkatte analüsaatorite LAI-2000 abil ja digitaalseid kalasilmafotosid, määramaks taimkatte lehepinnaindeksit ja neelatud PAR (mõõtmas M. Lang, T. Lükk, T. Nilson, jt).

Helikopter Robinson mõõdab Järvseljal metsade peegeldumisomadusi.

10. juulil 2005 mõõtis Euroopa Kosmoseagentuuri eksperimentaalsatelliit Proba kujutise spektromeetriga CHRIS VALERI projekti tugiala Järvseljal. Sama ala (14x14 km) mõõdeti 18 spektraalses kanalis (438-1035 nm) 17-meetrise ruumilise lahutusega viiest vaatesuunast, aga andmed saime kätte kolme vaatesuuna jaoks. Samasuguseid mõõtmisi korrati ka aastatel 2007-2012, õnnestunud mõõteseeriaid saadi satelliidilt veel vaid aastatel 2010 ja 2011. Nn. satelliidialuste mõõtmiste käigus, e. samaaegselt satelliidi ülelennuga mõõtsid J. Kuusk, A. Kuusk, M. Lang ja V. Toll Järvseljal metsade peegeldusspektreid J. Kuuse spektromeetritega UAVSpec3 ja UAVSpec4SWIR helikopterilt Robinson.

2010. a. ehitati A. Kuuse initsiatiivil Järvseljal lennuki- ja satelliidimõõtmiste tarvis peegeldusetalon. See on kõrvale nihutatava katusega ilma mõjude eest kaitstud 10x10 m rangelt horisontaalne siledaks lihvitud betoonplaat.

EUFARi (EUropean Fleet for Airborne Research) finantseeritud GREASEMH projekti käigus mõõtis Hispaania INTA uurimislennuk hüperspektraalse skanneriga AHS Järvselja metsade ning Peipsi ja Väinamere peegeldusomadusi.

Joel Kuusk välitöödel mõõteriistu kalibreerimas.

Aastatel 2007-2008 rajati Järvseljale kolm 100x100 m katseala, kus mõõdeti kõigi puude asukohad ja rinnasdiameetrid, leiti puuvõrade mõõtmed, mõõdeti alustaimestiku, lehtede ja okaste ning tüvede peegeldumisspektreid ning puistute läbipaistvust LAI-2000 ja kalasilmafotode abil (A. Kuusk, M. Lang, J. Kuusk). Neist kolmest puistust kaks (männik ja kaasik) valiti rahvusvahelise peegeldusmudelite võrdluse RAMI-4 testobjektideks ning meie mõõtmistulemused võeti kasutusele mudelite rakendamiseks vajalike sisendandmetena. Satelliidimõõtmiste toeks mõõtsid 2006-2013 A. Kuusk, M. Lang ja J. Kuusk satelliidi ülelennuga samaaegselt päikesefotomeetriga CIMEL-318 atmosfääri läbipaistvust, spektromeetriga SVC-HR-1024 summaarse ja hajuskiirguse spektreid ning spektromeetritega UAVSpec ja UAVSpec-SWIR helikopterilt metsade peegeldusspektreid. Samu kolme puistut mõõtis ka Maa-ameti lennuki-lidar. Teadusavalikkusele on kasutada nende puistute struktuuri ja optiliste mõõtmistulemuste andmebaas, mis on vormistatud ka peatükina Springeri kirjastuse raamatus Radiative Transfer and Optical Properties of Atmosphere and Underlying Surface (autorid A. Kuusk, M. Lang, J. Kuusk, 2013).

J. Piseki initsiatiivil tegi S. Talvik Tallinna Tehnikaülikoolist Järvseljal kolmes metsas maapealse skaneeriva lidariga Leica ScanStation C10 mõõtmisi. J. Pisek ja M. Nikopensius mõõtsid Järvseljal mitmete metsade alustaimestiku peegeldusspektreid.

2013. aastal alustas Järvseljal summaarse ja difuusse valgustatuse spektrite pidevaid mõõtmisi Eesti Keskkonnaobservatooriumi SMEAR-jaama projekti osana J. Kuuse ja Interspectrumi koostöös valminud arvutijuhitav spektromeeter Skyspec. Spektromeetri tööpiirkond on 300-2200 nm, spektraalne lahutus 3-15 nm. Spektromeeter töötab Järvselja peegeldusetaloni juures kogu vegetatsiooniperioodi varakevadest kuni hilissügiseni.