Water level data in Finland rivers and lakes via satellite altimeters

The water level monitoring of rivers and lakes is a fundamental issue in order to assess the health status of water bodies and to know the availability of freshwater resources. The presence of in-situ water level stations is quite rare (for example in mountains areas), and when available it may have discontinuous functioning, or lack of maintenance, making this kind of information difficult to be used in hydrological modelling. In the water level monitoring problem, recently, remote sensing data collected through satellite altimeters have showed great capability, not only in the case of rivers with wide sections (>100 m), but also in the case of rivers with narrow sections (< 100 m). Here, it has been assessed the feasibility of satellite altimetric measurements (Jason, Sentinel 3A, Envisat) in rivers and lakes, in Finland, making a comparison to in-situ data. In particular it has been used three river virtual stations (only Sentinel 3A data), and four lake virtual stations (mix of satellites). It has been used four different methods of comparison between in-situ and remote water level measurements: (1) comparing the differences between successive times of satellite and in-situ measurements, (2) comparing the satellite and in-situ measurements assuming that the initial value of the joint measurements is equal (specifically the value of satellite water level is equal to the value of in-situ one), (3) comparing the satellite and in-situ measurements calibrating the initial water level of satellite measurements minimizing the MAE, (4) comparing the satellite and in-situ measurements calibrating the initial water level of satellite measurements minimizing the RMSE.

Il monitoraggio dei livelli d’acqua dei fiumi e dei laghi è un tema fondamentale per valutare lo stato di salute dei corpi d’acqua e per conoscere la disponibilità delle risorse idriche. Spesso le stazioni di misure di livello in-situ o non sono presenti (per esempio nelle zone di montagna) o sono in disuso, o possono avere un funzionamento discontinuo dato dalla mancanza di manutenzione, rendendo questo tipo di informazioni difficili da usare nei modelli idrologici. I dati satellitari possono essere una valida alternativa agli strumenti tradizionali di monitoraggio del livello idrico. Recenti applicazioni hanno mostrato grandi potenzialità dei dati satellitari nel monitoraggio dei livelli idrici nel caso dei fiumi con larghe sezioni (>100m), ma anche nel caso di fiumi con sezioni strette(<100m). In questa tesi, è stata valutata l’affidabilità delle misure altimetriche satellitari (Jason, Sentinel 3A, Envisat) dei fiumi e dei laghi, in Finlandia, facendo un confronto con i dati in-situ. In particolare, sono state utilizzate tre stazioni virtuali fluviali (solamente i dati di Sentinel 3A), e quattro stazioni virtuali lacustri (un mix di satelliti). Sono stati utilizzati quattro differenti metodi di confronto tra le misure dei livelli idrici satellitari e quelle in-situ: (1) confrontando le differenze tra due successivi istanti temporali delle misure satellitari e in-situ, (2) confrontando le misure satellitari e in-situ assumendo che il valore iniziale delle due serie temporali sia uguale (in particolare il valore del livello d’acqua satellitare è uguale al primo valore della serie in-situ) (3) confrontando le misure satellitari e in-situ calibrando il valore iniziale del livello d’acqua dei dati satellitari minimizzando l’indice MAE, (4) confrontando le misure satellitari e in-situ calibrando il valore iniziale del livello d’acqua dei dati satellitari minimizzando l'RMSE.