Картографирование побережья Каталонии с помощью воздушной лидарной батиметрии
Шарль де Йонг, Сара Понт, Хулия Талая (статья в Hydro International от 25 апреля 2023 г.)
Жизненно важный шаг на пути к эффективному управлению прибрежной зоной
В рамках проекта правительства Каталонии по улучшению управления морской средой Картографический и геологический институт Каталонии (ICGC) сотрудничал с компанией Field для съемки прибрежной зоны Каталонии с использованием системы воздушной лидарной батиметрии (ALB). Результатом стала точная, подробная топобатиметрическая модель рельефа, которая послужит основой для эффективного управления прибрежной зоной.
Прибрежная зона Каталонии имеет жизненно важное значение для биоразнообразия и деятельности человека, такой как туризм, рыболовство и аквакультура. Поэтому правительство Каталонии составляет «Карту морского ареала обитания Каталонии», которая обеспечит точную картографию каталонского морского дна на батиметрическом, геоморфологическом, осадочном и экологическом уровнях, показывая различные места обитания и виды, а также их размеры и распространение.
Эти знания необходимы для хорошего планирования и управления морской средой Каталонии. Это особенно актуально в контексте охраняемых морских территорий сети Natura 2000 (европейская сеть природных наземных и морских объектов) и соблюдения директивы ЕС 92/43/EEC о сохранении естественной среды обитания и дикой фауны и флоры.
Получение точной батиметрии на глубинах до 50 м является основой задачей этого проекта. В то время как для областей глубиной 10–50 м была выполнена съемка с использованием «традиционной» гидроакустической технологии, ICGC решила исследовать область от 10 до 50 м глубины воды с использованием ALB.
Целесообразность использования водушной лидарной батиметрии
ALB использует лазерное излучение для измерения глубины воды с воздушной платформы, такой как самолет. Обычно он используется для картографирования относительно мелких водоемов, таких как прибрежные зоны, реки и озера. ICGC выбрала ALB, потому что это зрелая технология, отличающаяся точностью, скоростью и экономичностью. Она также обладает уникальной способностью одновременно отображать как подводные глубины, так и топографические высоты на суше, создавая бесшовную модель рельефа прибрежной зоны.
Съемку этой переходной зоны между сушей и водой трудно выполнить с помощью других технологий, таких как многолучевой эхолот, поскольку мелководные участки могут быть недоступны или опасны для навигации. Сонарная технология также неэффективна на мелководье, поскольку ширина полосы сонара становится очень узкой, так что для съемки местности требуется много времени. С ALB можно летать над территорией шириной около 300 м на скорости около 250 км/час, что намного эффективнее.
В то время как ALB является узкоспециализированным рынком в отрасли гидрографических съемок, спрос на него растет из-за растущей глобальной потребности в более качественном картографировании прибрежных зон по экологическим и экономическим причинам.
Рис. 1: Фотография самолета компании Field, пролетающего над Каталонией
В ходе конкурсного тендера для реализации проекта была выбрана норвежская компания Field, занимающаяся сбором и анализом геоданных. Field специализируется на ALB съемках и является единственной европейской компанией, использующей передовой батиметрический лидарный датчик CZMIL SuperNova. CZMIL (лидар для картографирования и визуализации прибрежной зоны) был разработан компанией Teledyne Optech (после объединения Teledyne Optech с компанией Teledyne Caris новая компания называется Teledyne Geospatial) в сотрудничестве с Объединенным техническим экспертным центром воздушной лидарной батиметрии США (JALBTCX). Благодаря мощному лазерному импульсу и передовой технологии обнаружения фотона (или кванта электромагнитного излучения) этот датчик достигает наибольшей глубины проникновения на рынке. В SuperNova интегрированы Applanix POS AV (программно-аппаратный комплекс компании Applanix на основе инерциальной технологии и GNSS для геопривязки данных воздушных датчиков) с GNSS и IMU (инерциальное измерительное устройство) для точного позиционирования и 150-мегапиксельная RGB-камера PhaseOne.
Планирование ALB съемки
Результаты глубины, которые могут быть получены во время ALB съемки, варьируются от нескольких метров до примерно 60 м, в зависимости от возможностей используемого датчика, отражательной способности дна и мутности воды. Если вода мутная, то значит, что в воде больше частиц, которые рассеивают и поглощают свет, препятствуя возвращению лазерного луча к датчику для измерения глубины. В этих условиях ALB датчик может быть не в состоянии обнаружить дно дальше нескольких метров. Поскольку мутность воды имеет значительные локальные и временные вариации, важно учитывать это при планировании ALB съемки.
Самая высокая мутность в районе съемки была в дельте реки Эбро. Лето, как правило, самое засушливое время в Каталонии, с меньшим речным стоком и, следовательно, меньшим количеством наносов в дельте Эбро. Имеющиеся спутниковые снимки подтвердили, что мутность была самой низкой летом, поэтому ALB съемку планировалось провести в этот период.
Дальнейшая подготовка заключалась в получении разрешений на полеты, оптимизации плана полетов, установке датчиков, а также выполнении топографической и батиметрической калибровочной съемок.
Выполнение съемки
На Рис. 1 представлен снимок, сделанный с самолета компании Field, летящего над Каталонией. ALB съемка охватила около 300 км2 и была выполнена за 12 дней. Вся площадь была покрыта всего за 42 часа при сборе данных от двух до пяти часов в день со средней производительностью около 7 км2/час. Обратите внимание, что для той же съемки, выполненной корабельным сонаром, потребовалось бы несколько месяцев.
Для оценки полученных результатов по глубине требованием ICGC первоначально был выполнен залет для съемки с тестовыми полетными галсами в мутной дельте Эбро. За исключением области на юго-западе, которая была слишком мутной, результаты были очень положительными, поскольку на большей части территории была достигнута глубина 10 м. Без сомнения, это произошло благодаря датчику CZMIL SuperNova. Основываясь на результатах выполненных тестов, ICGC решила продолжить съемку остальной части дельты Эбро, в результате чего была создана топобатиметрическая модель рельефа, соответствующая требованиям глубины 10 м.
В других, менее мутных районах вдоль каталонского побережья у SuperNova не возникло проблем с получением полного батиметрического покрытия на требуемой глубине 10 м. Во многих районах был достигнут полный охват до 25-30 м при максимальной глубине около 35 м. На Рис. 2 представлена визуализация батиметрии вокруг островов Формиг в северной Каталонии с глубинами более 30 м, представленными самым глубоким оттенком синего.
Некоторые локальные различия в полученных максимальных глубинах можно частично объяснить мутностью, а также локальным отражением от дна: в целом более светлое песчаное дно отражает свет лучше, чем темное дно или участки с большим количеством растительности.
Рис. 2: Батиметрическая карта региона вокруг островов Формиг, расположенных в северной части Каталонии (батиметрическая модель глубины обеспечивает полное покрытие территории, при этом самый темный синий оттенок указывает на глубину, превышающую 30 метров)
Обработка данных
Компания Field обработала ALB данные с помощью программного обеспечения CARIS, используя автоматизированные процессы и алгоритмы глубокого обучения, чтобы провести первоначальную классификацию отраженных импульсов от земли, поверхности воды или дна. Затем использовалось программное обеспечение Terrasolid для дальнейшей классификации, сопоставления полетных галсов и преобразования эллипсоидальных высот в локальные высоты, используемые в Каталонии.
В результате получилось чистое и точное топобатиметрическое облако точек. Хотя требовалось не менее двух точек на квадратный метр, результирующий набор данных содержал более пяти точек на квадратный метр на глубине до 10 м в большинстве районов. Плотность точек уменьшается с увеличением глубины воды, но на глубинах 15-20 м их по-прежнему было 2-5 на квадратный метр. Цифровые модели рельефа и изолинии глубины были получены на основе данных облака точек и являлись частью результатов.
Рис. 3: Примеры облака точек вблизи АЭС Ванделлос
(на первом изображении отображается облако точек с цветами на основе ортофотоплана,
а на втором изображении то же облако точек с цветами на основе его классификации)
Кроме того, было получено около 10 000 RGB изображений с высоким разрешением и созданы производные ортофотоснимки. Участок суши был переэкспонирован (был более светлым) во время обработки изображения, что дало хороший вид водной поверхности и было полезно для картографирования среды обитания. Цвета изображения также были добавлены к облакам лидарных точек.
На Рис. 3 показано облако точек примерного района вокруг атомной электростанции Ванделлос. На карте красным обозначено расположение этого района вдоль каталонского побережья.
Поверхность воды удалена, чтобы была видна батиметрия. Это полная топобатиметрическая модель до глубины около 22 м (отрезанная не глубиной датчика, а областью съемки). На первом изображении показано облако точек, окрашенное в соответствии с ортофотопланом. На втором изображении показано то же облако точек на основе классификации. Используя несколько настраиваемых алгоритмов для различения отражений от дна и морской растительности, компания Field может классифицировать их по отдельности. Это видно на изображении с батиметрией синего цвета и морской растительностью темно-зеленым цветом.
Результаты съемки
ICGC был удовлетворен качеством и детализацией полученных наборов данных, таких как выпуск технологических вод из подводных лодок вдоль побережья, которые были видны в данных, и остатки старого маяка, обнаруженные под водой в дельте Эбро. Дополнительным преимуществом короткой и эффективной съемки прибрежной зоны с использованием ALB является то, что результирующий набор данных является более однородным и взаимосвязанным, чем съемка нескольких участков в течение более длительного периода или нескольких периодов с использованием эхолота.
Чтобы проверить точность съемки, компания Tecnoambiente провела съемку тестового участка с помощью многолучевого эхолота. На Рис. 4 показаны батиметрические лидарные данные 0-10 м и схема многолучевой сонарной съемки, окрашенные в соответствии с разницей между двумя наборами данных. В бело-желтой области разница не превышает нескольких сантиметров. Среднее значение среднеквадратичной разницы (RMS) между наборами данных составило 12 см, что полностью соответствовало требованиям. Различия, как правило, больше на мелководье, чем на более глубоких участках, что можно объяснить пятимесячным перерывом между двумя съемками, а также тем, что дно на мелководье более динамично.
В целом для ICGC результаты подтверждают, что ALB - лучшая технология для съемки прибрежной зоны Каталонии, и, вероятно, в будущем она будет использоваться чаще, например, для мониторинга изменений.
Информация о гранте
Этот проект, осуществляемый Каталонским генеральным управлением экологической политики и окружающей среды Департамента по борьбе с изменением климата, продовольствия и сельского хозяйства, совместно финансируется Европейским фондом морского и рыбного хозяйства и Министерством по борьбе с изменением климата, по вопросам продовольствия и сельского хозяйства, правительства Каталонии.
Рис. 4: Обзорная карта Каталонии
(красным маркером обозначена область, показанная на Рис. 3)
Следующие шаги
ICGC продолжит работу над получеными продуктами и создаст цельную топобатиметрическую модель для всей Каталонии, интегрируя недавно полученные ALB данные с существующими топографическими лидарными данными и батиметрическими многолучевыми данными для более глубоких областей. Эта интегрированная высотная модель послужит основой для многих целей, таких как моделирование устойчивости пляжей при различных сценариях подъема уровня моря и увеличения количества штормов.
Таким образом, это важный ресурс для исследователей, политиков и других заинтересованных сторон в поддержке процессов принятия решений для устойчивого управления каталонской береговой линией и морской средой.
Рис. 5. Батиметрические лидарные данные 0-10 м и схема съемки многолучевым эхолотом
(различия между наборами данных выделены цветом для визуального сравнения)
