Forest cover change, hydrological variability, and lake water turbidity dynamics : insights from an 8-year remote sensing study of Lake Pielinen

Abstract

In this thesis the relationships between forest cover change, hydrological variability, and lake water turbidity in a boreal lake are examined by using remote sensing data. This study evaluates whether the selected indices are a reliable tool to complement turbidity sensor and laboratory measurements in a boreal environment.

Six monitoring sites from Lake Pielinen, in Eastern Finland, were selected for more detailed analysis. Three sites were based on forest use declarations, and three on visual assessment of turbidity patterns. Vegetation and turbidity indices were derived from monthly composites of Sentinel-2 multispectral imagery. Turbidity and forest cover dynamics were analyzed over the 2018–2025 period, together with the precipitation effects on turbidity. The analysis evaluated the suitability of the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) as a proxy for canopy cover and examined the relationship between NDVI and the Normalized Difference Turbidity Index (NDTI). In addition, NDTI was evaluated for its ability to estimate the standardized Formazin Nephelometric Units (FNU).

The results suggest that NDVI derived from Sentinel-2 imagery is not a fully reliable proxy for detecting canopy change in this context, as it appears to also react to understory greenness rather than to canopy structural variation alone. Although NDVI reflected some vegetation changes, the responses were not consistent. In addition, NDVI changes did not show a consistent relationship with NDTI, and no clear relationship was observed between NDTI and precipitation. These findings indicate limitations in using these indices to directly link forestry-related changes with water quality responses. Nevertheless, NDTI proved useful for identifying spatial turbidity patterns and relative turbidity dynamics within the lake system, demonstrating the potential of remote sensing methods for supporting lake monitoring.

Tämä diplomityö tarkastelee latvuston muutosten, hydrologisen vaihtelun ja järviveden sameuden välisiä yhteyksiä boreaalisessa järvessä satelliittikaukokartoituksen avulla. Tutkimus arvioi, ovatko valitut indeksit luotettava menetelmä kenttämittauksien täydentämiseen tässä kontekstissa.

Tarkempaa analyysiä varten valittiin kuusi seurantapistettä Pieliseltä, joka on Itä-Suomessa sijaitseva järvi. Pisteistä kolme valittiin metsänkäyttöilmoituksien perusteella ja kolme sameuden visuaalisen analyysin perusteella. Kasvillisuus- ja sameusindeksit johdettiin Sentinel-2 satelliittikuvista luoduista kuukausikomposiiteista. Sameuden ja latvuston kehitystä sekä sateen vaikutusta sameuteen analysoitiin vuosina 2018–2025. Lisäksi tarkasteltiin Normalised Difference Vegetation Index -indeksin (NDVI) soveltuvuutta latvuston peitteen kuvaajana, NDVI:n ja sameutta kuvaavan Normalized Difference Turbidity Index -indeksin (NDTI) välistä yhteyttä sekä kuinka hyvin satelliittikuvista johdettu sameusindeksi vastaa vesinäytteenotossa käytettyä Formazin Nephelometric Unit (FNU) yksikköä.

Tulokset viittaavat siihen, että Sentinel-2-aineistosta johdettu NDVI ei ole täysin luotettava latvuston muutoksien havaitsemiseen tässä kontekstissa, koska se reagoi myös aluskasvillisuuden vihreyteen eikä pelkästään latvuston rakenteellisiin muutoksiin. Vaikka NDVI reagoi metsänpeitteen muutoksiin jossain määrin, tulokset eivät olleet johdonmukaisia, eikä niillä myöskään havaittu johdonmukaista yhteyttä NDTI:hin. Myöskään NDTI:n ja sadannan välillä ei havaittu selkeää yhteyttä. Vaikka tulosten mukaan näiden indeksien käyttö metsänpeitteen muutoksien ja vedenlaadun arviointiin on rajallinen, NDTI osoittautui hyödylliseksi järviveden sameuden seurannassa, mikä osoittaa sateliittikaukokartoituksen potentiaalin perinteisen ympäristönseurannan tukena.