Quality control of elevation values in the national groundwater monitoring network

Abstract

Groundwater is vital for water supply, agriculture, and many ecosystems. The groundwater levels are monitored to perceive the possible onset of drought or flooding conditions, as well as to model and predict them. The collected monitoring data is also used to research the dynamics of groundwater, and gain insight into how groundwater responds to the climate change and changes in environmental conditions.

The purpose of this research was to investigate the accuracy of the elevation values of the observation locations belonging to the national hydrological groundwater monitoring network of Finland. The elevations stored in the database have been obtained with a large range of measurement methods, resulting in significant variability in the precision of the values. This results from the long operation history, large spatial coverage, and the wide userbase of the network. The elevation values have not been systematically verified before. It is vital to have the observation location top elevations correct, as groundwater level measurements use them as the datum.

Three data sources were used to verify the database elevation values. Two datasets were provided by the National Land Survey of Finland: elevation raster KM2 and precise lidar data (5 p/m2). Field measurements taken by the ELY-Centres were also used. The precision and reliability of the sources were evaluated using reference measurements from a field survey conducted for this research to four of the monitoring network stations. For producing an elevation model from the lidar data, Universal Kriging (k=50) was selected as the best method. The elevation values of the observation locations were verified, and updated if necessary, using the sources above.

The effect of potential coordinate inaccuracy to the elevation reported by elevation models was also analysed. This was required, as the coordinates of observation locations are known to have some variance in the accuracy. As, a result, additional uncertainty was added to the already present uncertainty of the elevation source data and model creation process. However, this effect was only able to be roughly estimated due to the limited availability of reference data. In total, the estimated 95% uncertainties of the elevation models were ±0.407 m and −0.390–0.556 m for Kriging 50 and KM2 respectively.

The reference measurements for approximating the coordinate uncertainty and evaluating the elevation data sources were obtained using a GNSS receiver supplied with VRS-RTK correction. The reliability of the GNSS device and the reference measurements was in turn benchmarked by measuring geodetic control points. The device reported accurate values.

The results were that 18.0% of 1917 ground elevation values, and 67.4% of 1329 structure top elevation values were verified using the elevation data sources. 82.0% and 32.6% had new values proposed respectively. For locations with a previously defined value, the mean changes to the elevation values were 12.53 m and 22.98 m for ground elevation and structure top elevation respectively. Contradicting sources were noted for around 200 observation locations, and 50 locations had special implementation preventing including them in the analysis. These cases will be checked manually to ensure that a reliable value is used.

Verifying and correcting the elevation values of ground and structure tops enables setting the recorded groundwater observation time series to the correct N2000 elevation, and correctly in relation to the ground surface. This improves the reliability and accuracy of the data collected by the monitoring network. The results of this research will benefit everyone using the data produced by the network, such as researchers, citizens, regional and environmental authorities, and groundwater and hydrology modellers.

Pohjavesi on elintärkeä resurssi ihmisten vedenhankinnalle, maataloudelle sekä monille ekosysteemeille. Pohjavesivarantojen määrää seurataan, jotta ajoissa havaittaisiin mahdollinen kuivuuden tai tulvan uhka ja osattaisiin ennustaa niiden riskejä. Kerätyn tiedon avulla tutkitaan myös pohjaveden vaihtelevuutta sekä pyritään havaitsemaan ja ymmärtämään ympäristömuutosten vaikutuksia pohjaveteen.

Tämän työn tarkoitus oli selvittää kansallisen pohjaveden hydrologisen seurantaverkon havaintopaikkojen teknisten tietojen tarkkuutta, erityisesti maanpinnan korkeutta, sekä pohjaveden havaintoputkien ja tarkkailukaivojen yläpäiden korkeutta. Havaintopaikoille tallennettujen korkeustietojen tarkkuudessa on suurta vaihtelevuutta, sillä niitä on vuosikymmenten saatossa määritelty hyvin erilaisin menetelmin. Syitä tähän ovat mm. seurantaverkoston pitkä ikä, alueellinen laajuus ja laaja käyttäjäjoukko. Näitä korkeustietoja ei ole systemaattisesti tarkastettu aikaisemmin. Havaintopaikkojen yläpäiden korkeuksien oikeellisuus on erityisen tärkeää varmistaa, sillä verkostosta kerätyt pohjaveden korkeushavainnot määritellään suhteessa niihin.

Tarkistukseen käytettiin kahta Maanmittauslaitoksen tuottamaa korkeusaineistoa: korkeusmalli KM2:aa ja tarkkaa laserkeilausaineistoa (5 p/m2), sekä ELY-keskusten tekemiä kenttämittauksia. Näiden aineistojen tarkkuudet ja luotettavuudet arvioitiin omilla vertailumittauksilla neljän seuranta-aseman alueelta käyttäen tarkkaa GNSS vastaanotinta VRS-RTK korjauksella. Laitteen tarkkuus ja luotettavuus arvioitiin mittaamalla myös neljä kiintopistettä. Universal Kriging (k=50) todettiin parhaaksi menetelmäksi tuottaaa korkeusmalli lidar-aineistosta. Havaintopaikkojen korkeustiedot validoitiin ja tarvittaessa päivitettiin käyttämällä kaikkia mainittuja lähteitä.

Myös koordinaattien epätarkkuuden vaikutusta korkeusaineiston ilmoittamaan arvoon tutkittiin. Tämä oli tarpeen, koska virheellisillä koordinaateilla korkeusmallista luettu maanpinnan korkeus on virheellinen suhteessa halutun pisteen todellisten koordinaattien korkeuteen mallissa. Koordinaattien epätarkkuuden tutkimisen tuloksena saatiin vain arvio varsinaiseen aineiston tarkkuuteen lisättävästä epätarkkuudesta, koska arviointiin tarvittavaa teknistä tietoa ja vertailutietoa oli saatavilla vain pienelle otannalle kaikista havaintopaikoista. Yhteensä korkeusmallien kokonaisepätarkkuudet olivat 95% luottamusvälillä ±0.407 m Kriging 50:lle ja −0.390–0.556 m KM2:lle.

Työn tulosten avulla varmistettiin seurantaverkoston havaintopaikkojen nykyisten korkeustietojen oikeellisuus ja ehdotettiin havaintopaikalle uutta arvoa käytettäväksi, mikäli käytetyt korkeuslähteet poikkesivat tietokannan nykyisestä arvosta. Havaintopaikkojen maanpintojen korkeudet varmistettiin 18.0%:lla kaikista 1917 havaintopaikoista, ja uusia arvoja ehdotettiin 82.0%:lle paikoista. Havaintopaikkojen rakenteiden yläpäiden korkeudet varmistettiin 67.4%:lla soveltuvista 1329 paikasta, ja uusia arvoja ehdotettiin 32.6%:lle paikoista. Havaintopaikoille joilla korkeusarvo oli jo määritetty keskimääräinen korkeuden muutos oli 12.53 m maanpinnalle ja 22.98 m yläpäälle. Noin 200:lla havaintopaikalla tarkistukseen käytettävät korkeuslähteet antoivat ristiriitaista tietoa, ja 50 paikalla erityset tekniset järjestelyt estivät paikkojen sisällyttämisen tähän analyysiin. Näiden paikkojen tiedot tullaan tarkistamaan manuaalisesti erikseen.

Korkeustietojen päivittäminen ja varmistaminen mahdollistavat pohjaveden havaintojen aikasarjojen asettamisen luotettavasti oikealle korkeustasolle N2000-järjestelmässä sekä oikealle tasolle suhteessa maanpintaan. Tämä tukee seurantaverkoston keräämän tiedon tarkkuutta ja luotettavuutta. Saaduista tuloksista hyötyvät kaikki tässä työssä käsitellyn pohjaveden seurantaverkoston aineistoa käyttävät tahot, joihin lukeutuu mm. aluehallinnot ja ympäristöviranomaiset, tutkijoita, kansalaisia, sekä pohjaveden mallintajia.