Review: Advances in groundwater potential mapping

Abstract

Groundwater resources can be expected to be increasingly relied upon in the near future, as a consequence of rapid population growth and global environmental change. Cost-effective and efficient techniques for groundwater exploration are gaining recognition as tools to underpin hydrogeological surveys in mid- and low-income regions. This paper provides a state of the art on groundwater potential mapping, an explorative technique based on remote sensing and geographical databases that has experienced major developments in recent years. A systematic review of over 200 directly relevant papers is presented. Twenty variables were found to be frequently involved in groundwater potential investigations, of which eight are almost always present: geology, lineaments, landforms, soil, land use/land cover, rainfall, drainage density, and slope. The more innovative approaches draw from satellite images to develop indicators related to vegetation, evapotranspiration, soil moisture and thermal anomalies, among others. Data integration is carried out either through expert judgement or through machine-learning techniques, the latter being less common. Three main conclusions were reached: (1) for optimal results, groundwater mapping must be used as a tool to complement field work, rather than a low-cost substitute; (2) the potential of remote-sensing techniques in groundwater exploration is enormous, particularly when the power of machine learning is harnessed by involving human judgement; (3) quality assurance remains the main challenge ahead, as exemplified by the fact that a majority of the existing studies in the literature lack adequate validation.

Résumé

Il est attendu, comme conséquence de l’augmentation rapide de la population et des changements environnementaux globaux, que les ressources en eaux souterraines soient de plus en plus nécessaires dans le futur. Des techniques efficaces et à bas coût pour l’exploration des aquifères sont de plus en plus reconnues en tant qu’outils en support aux investigations hydrogéologiques dans les régions à moyen et bas revenus. Cet article dresse un état de l’art concernant la cartographie du potentiel en eaux souterraines, une technique exploratoire basée sur la télédétection et les bases de données géographiques qui ont montré d’importants développements ces dernières années. Un examen systématique de plus de 200 articles traitant directement ce sujet est présenté. Vingt variables sont fréquemment prises en compte dans les études du potentiel en eaux souterraines, dont huit sont presque systématiquement utilisées: géologie, linéaments, reliefs, sol, utilisation/occupation des sols, pluies, densité de drainage, et pentes. Les approches les plus innovantes se basent sur les images satellitaires pour développer des indicateurs liés, entre autre, à la végétation, l’évapotranspiration, l’humidité des sols et les anomalies thermiques. L’intégration des données est réalisée soit par avis d’experts soit, moins fréquemment, par des techniques d’apprentissage machine. Trois conclusions principales peuvent être établies: (1) pour un résultat optimal, la cartographie du potentiel doit être utilisée comme un outil complémentaire au travail de terrain plutôt qu’un substitut à bas coût; (2) le potentiel d’utilisation des techniques de télédétection est très important, surtout lorsque la puissance de l’apprentissage machine est consolidée par l’avis d’expert; (3) le contrôle de la qualité reste le défi principal pour le futur, la majorité des études relevées dans la littérature manquant cruellement d’une validation adéquate.

Resumen

Las aguas subterráneas constituyen un recurso estratégico cuya importancia tenderá a incrementarse en el actual contexto de crecimiento poblacional y cambio climático. Las técnicas de exploración y prospección basadas en metodologías de bajo coste son de especial importancia en regiones de renta media y baja. Este artículo presenta un estado del arte sobre la cartografía de potencial hidrogeológico, una técnica exploratoria basada en la utilización conjunta de teledetección, cartografía tradicional y sistemas de información geográfica que ha experimentado importantes avances en tiempos recientes. Para su elaboración se ha llevado a cabo la revisión de más de 200 artículos de la bibliografía especializada. Hasta veinte variables distintas se encuentran habitualmente en trabajos de estas características, de las cuales ocho aparecen casi siempre: litología, lineamientos, geomorfología, suelo, uso del territorio, precipitación, densidad de drenaje y pendiente. Los estudios de carácter más avanzado utilizan además imágenes de satélite para el desarrollo de indicadores relativos a la vegetación, evapotranspiración, humedad y anomalías térmicas, entre otros. La integración de todas las capas de información se lleva a cabo habitualmente mediante criterio experto, siendo las técnicas de aprendizaje artificial menos comunes. De lo anterior se derivan tres conclusiones principales: (1) la cartografía de potencial hidrogeológico debe interpretarse como una herramienta para complementar el trabajo de campo, más que como un sustituto de bajo coste para el mismo; (2) el potencial de este tipo de técnicas es enorme, especialmente si se combina el criterio experto con las posibilidades que hoy brinda la inteligencia artificial; y (3) el control de calidad constituye el principal reto de futuro, como demuestra el hecho de que la mayoría de los estudios consultados carece de un procedimiento de validación.

摘要

由于人口迅速增长和全球环境变化,预计在不久的将来地下水资源的依赖性将逐渐增加。经济有效的地下水勘探技术正被认为是支撑中低收入地区水文地质调查的工具。本文提供了基于近年来经历重大发展的遥感和地理数据库探索技术的地下水势制图的最新技术。对200多篇直接相关论文进行了系统评述。发现与地下水势相关的20个常用变量,其中8个经常被用到:地质,地表特征,地貌,土壤,土地利用/土地覆盖,降雨,排水密度和坡度。更具创新的方法是利用卫星图像来确定与植被,蒸散发,土壤湿度和热异常等有关的指标。数据集成通过专家判断或机器学习技术进行,后者不常见。得出了三个主要结论:(1)为获得最佳结果,必须将地下水势制图作为补充野外工作的工具,而不是低成本的替代品。(2)遥感技术在地下水勘探中的潜力是巨大的,特别是当包括人类判断的机器学习的能力。(3)质量保证仍然是未来的主要挑战,例如文献中的大多数现有研究缺乏充分的验证。

Resumo

Espera-se que os recursos hídricos subterrâneos sejam crescentemente demandados até um futuro próximo, como consequência do rápido crescimento populacional e mudanças ambientais globais. Técnicas custo-efetivas e eficientes para exploração de águas subterrâneas estão ganhando reconhecimento como ferramenta para sustentar pesquisas hidrogeológicas em regiões de baixa e média renda. Este trabalho fornece o estado da arte para o mapeamento do potencial hídrico subterrâneo, uma técnica exploratória baseada em sensoriamento remoto e bancos de dados geográficos que tem experienciado desenvolvimentos expressivos nos últimos anos. Uma revisão sistemática de mais de 200 artigos relevantes são apresentados. Descobriu-se que vinte variáveis são frequentemente envolvidas em investigações sobre o potencial das águas subterrâneas, oito das quais são quase sempre presentes: geologia, lineamentos, relevo, solo, uso e cobertura da terra, precipitação, densidade de drenagem e declividade. As abordagens mais inovadoras partem de imagens de satélite para desenvolver indicadores relacionados à vegetação, evapotranspiração, umidade do solo, anomalias termais, entre outros. A integração de dados é realizada seja através de julgamento especialista ou através de técnicas de aprendizado de máquinas, sendo a última menos comum. Três principais conclusões foram alcançadas: (1) para resultados ótimos, o mapeamento da água subterrânea deve ser utilizado como uma ferramenta para complementar o trabalho de campo, em vez de um substituto de baixo custo; (2) o potencial de técnicas de sensoriamento remoto na exploração de águas subterrâneas é enorme, particularmente quando o poder de aprendizado da máquina é aproveitado ao envolver o julgamento humano; (3) a garantia de qualidade permanece sendo o principal desafio, como exemplificado pelo fato de que a maioria dos estudos existentes na literatura não possui validação adequada.