Laserkeilaamalla maastomallit tulvakartoitukseen
Kirjoittajat:Petteri Alho, Turun yliopisto, Hannu Hyyppä, TKK ja Juha Hyyppä, Geodeettinen laitos
Artikkeli pdf-muodossa (Positio 4/2008)
Geodeettinen laitos, Teknillisen korkeakoulu ja Turun yliopisto kehittävät maalaserkeilauksen menetelmiä, joilla voidaan täydentää ilmalaserkeilauksen maastomalleja erityisesti jokiympäristöissä. Veden pinnan yläpuolisesta topografiasta saadaan näin nopeasti tarkkaa aineistoa muun muassa tulvakartoitukseen ja edelleen tulvavahinkojen ennakointiin.
Suomessa tulvakartoitusmenetelmiä kehitetään kansallisista lähtökohdista, mutta niitä ohjailee EU:n tulvadirektiivi. Tulvadirektiivin avulla pyritään vähentämään ja hallitsemaan tulvista ihmisen terveydelle, ympäristölle, infrastruktuurille ja omaisuudelle aiheutuvia riskejä. Se ohjaa myös tulviin varautumisen periaatteita ja velvoittaa jäsenmaat tunnistamaan merkittävät tulvariskialueet ja laatimaan niille tulvavaara- sekä tulvariskikartat. Kartoituksen pohjalta laaditaan tulvariskien hallintasuunnitelmat, joiden tulee olla valmiina vuonna 2015.
Suomessa tutkimustyö tulviin varautumisen parantamiseksi on aloitettu jo muutamia vuosia sitten direktiivin suuntaviivoja ennakoiden. Vuonna 2006 valmistunut ”Opas yleispiirteisen tulvakartoituksen laatimiseen” esitteli menetelmiä erikokoisten tulvien laajuuden ja syvyyden määrittämiseen ja esittämiseen ns. tulvavaarakarttana. Kuluvana vuonna ilmestynyt ohje ”Tulvariskien kartoittaminen” esittelee periaatteita ja menetelmiä tulvariskien kartoittamiseen. Tulvariskikartat laaditaan tulvavaarakarttojen pohjalta lisäämällä uusina karttatasoina tietoa alueen haavoittuvuudesta, väestöstä, elinkeinoista ja vaarallisista tai suojeltavista kohteista ja se antaa siten käsityksen alueen tulvariskistä.
Digitaalisia tulvavaarakarttoja ylläpidetään Suomen ympäristökeskuksen tulvatietojärjestelmässä, joka on osa ympäristöhallinnon karttapalvelua. Karttoja voivat ympäristöhallinnon virkamiesten lisäksi käyttää kuntien maankäytön suunnittelijat, pelastusviranomaiset sekä muut tulvatoimijat. Tämän lisäksi tulvavaarakartoista valmistetaan karttaversiot, jotka ovat kaikkien kansalaisten saatavilla.
Virtausmallinnus vaatii tarkan korkeusmallin
Tulvakartoituksessa tarvitaan tietoa vedenpinnan ja maaston korkeusvaihteluista. Tämän lisäksi tarvitaan arvio maanpinnan karkeudesta käytettäessä hydraulista virtausmallinnusta. Hydraulisella mallinnuksella voidaan määrittää vedenkorkeus ja virtausnopeus uoman eri kohdissa tarkastellun hetken virtaaman, karkeusparametrin ja uoman geometrian perusteella. Yleisimmin käytetyt hydrauliset mallinnukset ovat yksi- (1D) tai kaksiulotteisia (2D). 1D-mallissa veden oletetaan virtaavan yhteen suuntaan, kun taas 2D-mallissa syvyyspainotettuja virtausnopeuksia voidaan mallintaa kahteen eri suuntaan. Kaikkiin näihin lähtöaineistoihin sisältyy epätarkkuuksia ja virheitä, joista kartoittajan tulee olla tietoinen ja parhaansa mukaan korjata. Tässä kirjoituksessa käsitellään lähinnä korkeusmalleista johtuvia epätarkkuuksia tulvakartoitustyössä.
Kansallisissa ns. yleispiirteisissä tulvavaarakartoituksissa on käytetty Maanmittauslaitoksen 25 metrin ruutumallia (korkeustarkkuus noin 2 m) tarkennettuna tulvakartoitettavan alueen jokitörmien, tienpenkereiden, ojien ym. korkeustiedoilla. Yleispiirteisessä tulvavaarakartoituksessa vedenkorkeudet interpoloidaan lineaariseksi pinnaksi koko jokiuomalle ilman varsinaista hydraulista mallinnusta. Yhdistettäessä pinnan korkeusarvot digitaaliseen korkeusmalliin tulva-alueet paljastuvat veden kohotessa korkeusmallin yläpuolelle. Tuloksena syntyvä kartta antaa yleiskäsityksen eri toistuvuusajoilla esiintyvien tulvien laajuudesta ja syvyydestä. Kartan heikohko tarkkuus huomioidaan siten, että esitysmittakaava on pieni ja kartan informaatio yleistetty. Tarkimmillaan käytetään 1:50 000 mittakaavaa, eikä kartoilla esitetä yksittäisiä rakennuksia.
Yleispiirteinen tulvavaarakartta ei sisällä tietoa veden virtausnopeudesta. Tietoa virtausnopeudesta tarvittaisiin esimerkiksi tilanteissa, joissa nopea virtaama aiheuttaa riskin jokipenkkojen sortumisesta tai uhkaa hajottaa infrastruktuuria. Keskeisille riskialueille tullaan laatimaan asemakaavatasolla yksityiskohtainen tulvavaarakartta, joka perustuu tarkkaan korkeusmalliin ja hydrauliseen virtausmallinnukseen. Tulva-alueet esitetään tyypillisesti mittakaavassa 1:20 000. Kun vedenpinnan mallinnustarkkuus kasvaa, myös mallinnuksessa käytettävän korkeusmallin keskivirheen tulee olla huomattavasti pienempi kuin yleispiirteisessä tulvavaarakartoituksessa. Maanmittauslaitoksen uusi laserkorkeusmalli, jonka ruutukoko on 2 m x 2 m ja korkeustarkkuus noin 30 cm, soveltuu hyvin maastomalliksi yksityiskohtaisiin tulvakartoituksiin. Tosin tässäkin maastomallissa on epätarkkuuksia erityisesti jokitörmien topografiassa.
Lisää tarkkuutta veneestä
Laserkeilaustekniikat soveltuvat hyvin yksityiskohtaisen kolmiulotteisen maasto- ja kohdemallin tekemiseen myös joki¬alueilta. Maanmittauslaitoksen kansallinen ilmalaserkeilaus Suomesta toteutetaan suhteellisen harvana (noin 0,5 pistettä/m2) kustannussyistä. Jo tälläkin pistetiheydellä saavutetaan 1530 cm korkeustarkkuus.
Maanpinnalla tehtävillä laserkeilauksilla eli maalaserkeilauksilla voidaan täydentää ilmalaserkeilausaineistoa erityisesti jokiympäristöissä. Maalaserkeilauksen tarkkuus on parhaimmillaan noin 15 cm, jolloin saadaan tarkkaa maanpinta- ja kasvillisuustietoa niin jokisär-kistä, törmistä kuin tulvatasangoilta. Maalaserkeilausta voidaan suorittaa kiinteästi kolmijalalta useasta eri paikasta tai liikkuvan kartoituksen keinoin laserkeilai¬men sijaitessa veneessä (mobiili kartoitus). Geodeettinen laitos on yhteistyössä Teknillisen korkeakoulun kanssa kehittänyt liikkuvaan kartoitustekniikkaan perustuvaa mittauslaitteistoa, jossa laserkeilain, asennon- ja paikanmäärityssensorit sekä digitaaliset kamerat on sijoitettu veneeseen. Liikuttaessa kartoitusveneellä joella muodostuu jokiympäristöstä yksityiskohtien tarkkaan mallintamiseen soveltuva laserpisteparvi.
Näillä lähestymistavoilla saadaan joen veden pinnan yläpuolisesta topografiasta kerättyä nopeasti tarkkaa kartoitusaineistoa, jota ei millään muulla kartoitustavalla voitaisi kerätä. Kar¬toitusta voidaan toistaa kustannustehokkaasti monina peräkkäisinä vuosina heti kevättulvien jälkeen ja alhaisen syysvirtaaman aikaan. Näin saadaan tarkennettua ilmalaserkeilauksia sekä valmistettua jokisärkiltä ja -törmiltä tarkkoja korkeusmalleja, joita voidaan käyttää hydraulisten mallinnusten lähtö- ja kalibrointitietoina.
Perinteisellä laserkeilauksella saadaan kartoitettua vedenpinnan yläpuolista topografiaa, mutta uoman geometrian kartoitus ei onnistu punaisen aallonpituuden laserkeilauksella. Tämän vuoksi yksi mahdollisuus on yhdistää punaisen aallonpituuden laserkeilausaineisto kaikuluotauksella tehtyihin uoman syvyysaineistoi¬hin. Toinen mahdollisuus on suorittaa ilmalaserkeilaus vihreällä aallonpituudella, jolloin saadaan kartoitettua kolmiulotteisesti joen pohjaa. Lähtökohtaisesti ilmasta tehtävä vihreä laserkeilaus soveltuu hyvin kirkasvetisiin jokiympäristöihin, mutta sameavetisimmissä jokiympäristöissä vihreän aallonpituuden lasersäde voi sirota siten, että siitä ei saada informaatiota joen pohjasta.
Uusia työkaluja tulvariskien arviointiin
Turun yliopiston maantieteen laitoksen johtama FLOODAWARE-tutkimushanke (20092011) kehittää uusia työkaluja ja ratkaisumalleja nykyisten ja tulevai¬suuden tulvariskien ja -vahinkojen arvioimiseksi mukaan lukien ilmastonmuutoksen vaikutukset tulvimiseen. Hankkeen rahoituksesta vastaavat Maj ja Tor Nesslingin säätiö sekä osittain aineistorahoituksen kautta Maanmittauslaitos. Hankkeen ydinryhmän muodostavat Turun yliopiston maantieteen laitoksen lisäksi tutkijat Geodeettisesta laitoksesta, Rakennetun ympäristön mittauksen- ja mallinnuksen instituutista (TKK) ja LAUREA-ammattikorkeakoulusta. Kehitettävät laserkeilaus- ja mallinnusmenetelmät mahdollistavat myös jokidynamiikan tutkimisen aivan uudella tarkkuudella ja ympäristön huomioivan tulvasuojelun.
Uudet kaukokartoitusmenetelmät ja paikkatietokannat, joita ei ole vielä hyödynnetty täysimittaisesti hydrologisessa tutkimuksessa, mahdollistavat huomattavasti tarkemmat mallinnukset tulvaprosesseista ja niiden muutoksista sekä arviot tulevaisuuden tulvien vaikutuksesta niin yhteiskuntaan kuin luonnonympäristöihin. Näitä muutoksia ja vaikutuksia voidaan analysoida yh-distämällä virtaamamittaukset, tarkat topografia- ja maanpinnan karkeustiedot uomasta ja tulvatasangoilta sekä maankäy¬tön muutoksien ennustukset. Tulvien laajuuskartoitukset yhdistetään edelleen infrastruktuuripaikkatietokantoihin päällekkäisanalyysillä arvioitaessa tulvavahinkoja. Näiden mallien avulla voidaan simuloida erilaisia skenaarioita tulvien vaikutuksesta luonnonympäristöihin ja yhteiskuntaan.
Hydrogeografian dosentti Petteri Alho toimii Suomen Akatemian tutkijatohtorina Turun yliopiston maantieteen laitoksella. Hän tulee toimimaan FLOODAWARE-tutkimushankkeen vastuullisena tutkijana v. 2009–2011.
Dosentti, Akatemiatutkija Hannu Hyyppä johtaa Rakennetun ympäristön mittauksen ja mallinnuksen instituuttia Teknillisellä Korkeakoululla. Hänen erikoisalaansa on maalaserkeilauksen sovellutukset.
Professori, dosentti Juha Hyyppä on Geodeettisen laitoksen kaukokartoituksen ja fotogrammetrian osaston johtaja. Hänen johdollaan on kehitetty lukuisia ilma- ja maalaserkeilausmenetelmiä. Hänen ryhmäänsä kuluu muun muassa DI Antero Kukko, joka on ollut mukana kehittämässä mobiilia laserkeilausjärjestelmää.
Sanasto:
Tulvavaarakartta (flood hazard map)
kuvaa tulvan peittävyyskartasta poiketen tulvan laajuuden lisäksi myös vaaran asteen tietyllä todennäköisyydellä. Vaaran asteena käytetään yleensä vesisyvyyttä, mutta vaaraa voi myös kuvata virtausnopeus, edellisten yhdistelmä tai tulvan leviämisnopeus. Tulvavaarakartalla esitetään myös tulva-alueita vastaavat vedenkorkeuslukemat. Tulvavaarakartat voidaan luokitella niiden lähtöaineistojen tarkkuuden perusteella yksityiskohtaisiin ja yleispiirteisiin tulvavaarakarttoihin.
Tulvariskikartta (flood risk map)
Tulvariskikartalla esitetään tietynsuuruisen tulvan ihmisille, rakennuksille, ympäristölle, infrastruktuurille ym. aiheuttamia riskejä. Tulvariski määritellään usein todennäköisyyden ja seurausten tulona, jossa seuraukset muodostuvat tulvavaarasta ja kohteen haavoittuvuudesta. Haavoittuvuus kuvaa kohteen herkkyyttä/alttiutta vahingoille.
24.6.2010 15:01