Hyppää pääsisältöön

Korkeusmalli tulvasuojelun tukena

Maanmittauslaitoksen kahden metrin korkeusmalli soveltuu hyvin yksityiskohtaiseen tulvakartoitukseen, selviää tuoreesta opinnäytetyöstä.

Teksti: Joni Laurila
 

Tulviva joki, sen vieressä kulkeva maalaistie ja keväistä peltomaisemaa.
Joni Laurila tutki ProGIS-palkitussa gradutyössään korkeusmallin laadun merkitystä tulvasuojelussa. Tutkimusalue sijaitsi Suomen
suurimmalla pengerrysalueella Rääkkylän Oravilahdessa (kuvassa). Kuva: Joni Laurila

Tulvat ovat yleistyneet viime vuosina. Ilmastonmuutoksen odotetaan lisäävän myös tulvavahinkojen määrää maailmanlaajuisesti. Onneksi samalla myös tulvakartoitus on kehittynyt paikkatietomenetelmien ja hydrologisen mallintamisen avulla. Myös niiden taustalla käytettävien aineistojen laatu on parantunut.

Yksi olennaisimpia aineistoja tulvien mallintamisessa on maaston pinnanmuotoja kuvaava korkeusmalli. Jotta tulvakartoituksella saadaan tarkkoja tietoja tulvien leviämisestä, käytetyn korkeusmallin täytyy olla riittävän tarkka. Korkeusmalli on usein tarkka tasaisen maaston kuvaamisessa, mutta pinnanmuodoiltaan vaihtelevan ja peitteisen maaston kuvaaminen ei ole aina yksiselitteistä.

Vertailussa tulva-alueiden korkeusmallit

Pro gradu -tutkielmani tavoitteena oli tutkia korkeusmallin laadun merkitystä tulvasuojelussa. Työssä tarkasteltiin, miten tarkasti Maanmittauslaitoksen tuottama KM2-korkeusmalli kuvaa tulvapenkereen korkeutta. KM2-malli on tarkin avoimesti saatavilla oleva korkeusmalli, jota käytetään yleisesti yksityiskohtaisessa tulvakartoituksessa Suomessa. Sen spatiaalinen resoluutio eli pienin erottuva kohteen koko on kaksi metriä.

Tutkimusalue sijaitsee Suomen suurimmalla pengerrysalueella Rääkkylän Oravilahdessa. Aluetta ympäröivältä tulvapenkereeltä kerättiin tarkempaa korkeusaineistoa suhteellisen satelliittipaikannusmenetelmän (VRS-GPS) avulla. Lisäksi alueelta muodostettiin tarkempi UAV-korkeusmalli miehittämättömän ilma-aluksen avulla.

Kerätyn aineiston perusteella pystyttiin tarkastelemaan KM2-mallin tarkkuutta tulvapenkereen korkeuden kuvaamisessa. VRS-GPS-aineiston korkeuden keskivirhe on noin 1,5 senttimetriä ja UAV-mallin spatiaalinen resoluutio 4 senttimetriä. Näiden lisäksi työssä käytettiin tukena Maanmittauslaitoksen 10 metrin korkeusmallia ja laserkeilauksella tuotettua pistepilveä, jota on käytetty myös KM2-malliin.

KM2-mallin tarkkuutta selvitettiin laskemalla korkeusaineistojen välille tilastollisia virhelukuja, kuten absoluuttinen keskivirhe ja keskineliövirhe. Lisäksi korkeusmalleille tehtiin DoD-vertailuanalyysi (engl. DEMs of Difference), jossa lasketaan kahden korkeusmallin arvojen erotukset jokaisessa pikselissä. Analyysia käytetään muun muassa geomorfologisten muutoksien tutkimisessa ja fluviaalisten eli veden virtauksen aiheuttamien prosessien, kuten jokieroosion, tarkastelussa.

Lisäksi työssä tarkasteltiin, missä kohdassa pengertä korkeusvirheet ovat suurimpia. Tämän tueksi tarkasteltiin maaston kaltevuuden vaikutusta korkeusvirheeseen.

Korkeusmalli paljastaa yksityiskohdat

Työn tuloksista selvisi, että KM2-mallin korkeusvirhe on keskimäärin 8–13 cm. Korkeusvirhe on suurempi penkereen reunoilla kuin penkereen keskikohdassa. Penkereen keskikohta on tasainen, kun taas penkereen reunoilla maaston kaltevuus kasvaa. Kaltevuuden noustessa yli 10 asteeseen korkeusvirhe kasvoi yli kaksinkertaiseksi.

Tulokset osoittavat, että KM2-malli soveltuu hyvin yksityiskohtaiseen tulvakartoitukseen. Tulvapenkereen keskikohdassa KM2-mallin tarkkuus (keskineliövirhe 6,57 cm) on lähes saamaa luokkaa sitä tarkemman UAV-mallin (keskineliövirhe 3,22 cm) kanssa. Reunoilla yksittäiset korkeusvirheet ovat suurempia, ja myös kasvillisuus vaikuttaa UAV-mallin tarkkuuteen.

Tasaisen keskikohdan tarkkuus on kuitenkin olennaisinta tulvasuojelun kannalta. Penkereen korkeimpana kohtana se on tulvimisen kannalta kriittisin kohta.

Pisteitä jatkossa yhä tiheämmässä

Maanmittauslaitos kerää tällä hetkellä tarkempia laserkeilausaineistoja osana valtakunnallista laserkeilausohjelmaa. Pistetiheys kymmenkertaistuu, kun jatkossa yhtä neliömetriä kohti on 5 pistettä aiemman 0,5 pisteen sijasta.

Uuden laserkeilausaineiston ja siitä johdettavan korkeusmallin tarkkuudesta on hyötyä erityisesti silloin, kun tarkastellaan korkeusvaihteluiltaan pienipiirteistä maastoa, kuten tulvapenkereiden reuna-alueita. Tasaista maastoa kuvatessa korkeusmallin tarkkuus ei sen sijaan parane merkittävästi, kun spatiaalinen resoluutio on alle kaksi metriä.

Sanastoa

DEM Digitaalinen korkeusmalli, numeerinen esitys maanpinnan korkeudesta (Digital Elevation Model)

DoD Kahden korkeusmallin välinen erotus (DEMs of Difference) 

KM2-malli Maanmittauslaitoksen korkeusmalli kahden metrin spatiaalisella resoluutiolla 

absoluuttinen keskivirhe, MAE Tilastollinen virheluku, joka kuvaa kahden otoksen välistä keskimääräistä virhettä niiden välisenä itseisarvona (Mean Absolute Error)

keskineliövirhe, RMSE Tilastollinen virheluku, joka kuvaa kahden otoksen välistä keskimääräistä neliöllistä virhettä (Root Mean Square Error)

spatiaalinen resoluutio Pienin mahdollinen kuvattava kohde esimerkiksi ilmakuvassa tai korkeusmallissa

UAV Miehittämätön ilma-alus, jota käytetään lähi-ilmakuvauksessa (Unmanned Aerial Vehicle)

UAV-malli UAV-kartoituksella muodostettu korkeusmalli neljän senttimetrin spatiaalisella resoluutiolla.

VRS-GPS Suhteellinen satelliittipaikannusmenetelmä, joka perustuu tukiasemaverkostoon (Virtual Reference Station, VRS).

Lue lisää

Pro gradu: Korkeusmallin merkitys tulvasuojelun näkökulmasta, Itä-Suomen yliopisto

Kirjoittaja työskentelee paikkatietoasiantuntijana Riihimäen kaupungilla. Hän valmistui vuonna 2020 Itä-Suomen yliopiston Historia- ja maantieteiden laitokselta. Hän sai pro gradu -työstään ProGIS ry:n opinnäytepalkinnon syksyllä 2020.

etunimi.sukunimi@riihimaki.fi