Картографування узбережжя Каталонії за допомогою лідарної повітряної батиметрії
Шарль де Йонг, Сара Понт, Хулія Талая (стаття в Hydro International від 25 квітня 2023 р.)
Життєво важливий крок на шляху ефективного управління прибережною зоною
У рамках проекту уряду Каталонії щодо покращення управління морським середовищем Картографічний та геологічний інститут Каталонії (ICGC) співпрацював з компанією Field для зйомки прибережної зони Каталонії з використанням системи повітряної лідарної батиметрії (ALB). Результатом стала точна, детальна топобатиметрична модель рельєфу, яка стане основою для ефективного управління прибережною зоною.
Прибережна зона Каталонії має життєво важливе значення для біорізноманіття та діяльності людини, такої як туризм, рибальство та аквакультура. Тому уряд Каталонії становить «Карту морського ареалу проживання Каталонії», яка забезпечить точну картографію каталонського морського дна на батиметричному, геоморфологічному, осадовому та екологічному рівнях, показуючи різні місця проживання та види, а також їх розміри та розповсюдження.
Ці знання необхідні для хорошого планування та управління морським середовищем Каталонії. Це особливо актуально в контексті морських територій мережі Natura 2000 (європейська мережа природних наземних і морських об'єктів) та дотримання директиви ЄС 92/43/EEC про збереження природного довкілля та дикої фауни та флори.
Отримання точної батиметрії на глибинах до 50 м є основою цього проекту. У той час як для областей глибиною 10 – 50 м була виконана зйомка з використанням «традиційної» гідроакустичні технології, ICGC вирішила дослідити область від 10 до 50 м глибини води з використанням ALB.
Доцільність використання повітряної лідарної батиметрії
ALB використовує лазерне випромінювання для вимірювання глибини води з повітряної платформи, такої як літак. Зазвичай він використовується для картографування щодо дрібних водойм, таких як прибережні зони, річки та озера. ICGC обрала ALB, тому що це зріла технологія, що відрізняється точністю, швидкістю та економічністю. Вона також має унікальну здатність одночасно відображати як підводні глибини, так і топографічні висоти на суші, створюючи безшовну модель рельєфу прибережної зони.
Зйомку цієї перехідної зони між сушею та водою важко виконати за допомогою інших технологій, таких як багатопроменевий ехолот, оскільки мілководні ділянки можуть бути недоступними або небезпечними для навігації. Сонарна технологія також неефективна на мілководді, оскільки ширина смуги сонара стає дуже вузькою, тому для зйомки місцевості потрібно багато часу. З ALB можна літати над територією шириною близько 300 м на швидкості близько 250 км/год, що набагато ефективніше.
У той час як ALB є вузькоспеціалізованим ринком у галузі гідрографічних зйомок, попит на нього зростає через зростаючу глобальну потребу в якіснішому картографуванні прибережних зон з екологічних та економічних причин.
Мал. 1: Фотографія літака компанії Field, що пролітає над Каталонією.
У ході конкурсного тендеру для реалізації проекту була обрана норвежська компанія Field, що займається збором і аналізом геоданних. Field спеціалізується на ALB зйомках і є єдиною європейською компанією, що використовує передній батиметричний лідарний датчик CZMIL SuperNova. CZMIL (лідар для картографування та візуалізації прибережної зони) був розроблений компанією Teledyne Optech (після об’єднання Teledyne Optech з компанією Teledyne Caris нова компанія називається Teledyne Geospatial) у співпраці з Об’єднаним технічним експертним центром повітряної лідарної батиметрії США (JALBTCX). Завдяки потужному лазерному імпульсу та передовій технології виявлення фотона (або кванта електромагнітного випромінювання) цей датчик досягає найбільшої глибини проникнення на ринку. У SuperNova інтегровані Applanix POS AV (програмно-апаратний комплекс компанії Applanix на основі інерційних технологій і GNSS для геоприв'язки даних повітряних датчиків) з GNSS і IMU (інерціальний вимірювальний пристрій) для точного позиціонування і 150-мегапіксельна RGB-камера PhaseOne.
Планування ALB зйомки
Результати глибини, які можуть бути отримані під час ALB зйомки, змінюються від кількох метрів до приблизно 60 м залежно від можливостей використовуваного датчика, здатності відображення дна і каламутності води. Якщо вода каламутна, то означає, що у воді більше частинок, які розсіюють і поглинають світ, препятствует поверненню лазерного луча до датчика для вимірювання глибини. У цих умовах ALB датчик може бути не в стані обнаружить дно далі кількох метрів. Оскільки каламутність води має значні локальні та тимчасові варіації, важливо враховувати це при плануванні ALB зйомки.
Сама висока каламутність у в районі зйомки була в дельті реки Ебро. Лето, як правило, найпосушливіший час в Каталонії, з меншим річним стоком і, відповідно, меншою кількістю наносів у частині Ебро. Маючі супутникові знімки підтвердили, що мутність була самим низьким літом, тому зйомку ALB планувалося провести в цей період.
Дальша підготовка включається в отримання дозволів на полети, оптимізацію плану полетів, установку датчиків, а також виконання топографічної та батиметричної калібрової зйомки.
Виповнення зйомки
На Мал. 1 представлений знімок, зроблений з літака компанії Field, що летить над Каталонією. Зйомка ALB охопила близько 300 км2 і була виконана за 12 днів. Вся площа була покрита всього за 42 години при зборі даних від двох до п'яти годин у день із середньою продуктивністю близько 7 км2/год. Зверніть увагу, що для цієї зйомки, виконаної корабельним сонаром, знадобилося кілька місяців.
Для оцінки отриманих результатів за глибиною вимоги ICGC спочатку був виконаний заліт для зйомки з тестовими літніми галсами в мутній частині Ебро. За винятком області на південному заході, яка була занадто мутною, результати були дуже позитивними, оскільки на більшій частині території була досягнута глибина 10 м. Без сумніву, це сталося завдяки датчику CZMIL SuperNova. Виходячи з результатів виконаних тестів, ICGC вирішила продовжити зйомку залишкової частини частки Ебро, в результаті чого була створена топобатиметрична модель рельєфа, що відповідає вимогам глибини 10 м.
В інших, менш каламутних районах уздовж Каталонського узбережжя у SuperNova не виникло проблем з отриманням повного батиметричного покриття на необхідній глибині 10 м. У багатьох районах досягається повний охоп до 25-30 м при максимальній глибині близько 35 м. На Мал. 2 представлена візуалізація батиметрії навколо островів Форміг у північній Каталонії з глибинами понад 30 м, представленими самим глибоким відтінком синього.
Деякі локальні відмінності в отриманих максимальних глибинах можна частково пояснити каламутністю, а також локальним відображенням від дна: в цілому більш світле піщане дно видображає світ краще, ніж темне дно або ділянки з великою кількістю рослинності.
Мал. 2: Батиметрична карта регіону навколо островів Форміг, розташованих в північній частині Каталонії (батиметрична модель глибини забезпечує повне покриття території, при цьому самий темний синій відтенок вказує на глибину, що перевищує 30 метрів)
Обробка даних
Компанія Field розробила дані ALB за допомогою програмного забезпечення CARIS, використовуючи автоматизовані процеси та алгоритми глибокого навчання, щоб провести початкову класифікацію відражених імпульсів від землі, поверхні води чи дна. Потім було використано програмне забезпечення Terrasolid для подальшої класифікації, створення льотних галсів і перетворення еліпсоїдних висот у локальні висоти, які використовуються в Каталонії.
В результаті вийшло чиста і точна топобатиметрична хмара точок. Хоча вимагалося не менше двох точок на квадратний метр, результатний набір даних містив більше п’яти точок на квадратний метр на глибині до 10 м у більшості районів. Плотність точок зменшується зі збільшенням глибини води, але на глибині 15-20 м їх по-прежнему було 2-5 на квадратний метр. Цифрові моделі рельєфа та ізолині глибини були отримані на основі даних хмари точок і були частиною результатів.
Мал. 3: Приклади хмари точок поблизу АЕС Ванделлос
(на першому зображенні відображається хмара точок із кольорами на основі ортофотоплана,
а на другому зображенні – це хмара точок із кольорами на основі його класифікації)
Кроме того, було отримано близько 10 000 зображень RGB з високою роздільною здатністю та створені продуктивні ортофотознімки. Участок суші був переекспонований (був більш світлим) під час обробки зображення, що дало хороший вид водної поверхні та було корисно для картографування середовища життя. Кольори зображення також були додані до хмар лідарних точок.
На Мал. 3 показано облачність прикладного району навколо атомної електростанції Ванделлос. На карті червоним знаком розміщено цей район уздовж каталонського побережжя.
Поверхність води видалена, щоб була видна батиметрія. Це повна топобатиметрична модель до глибини близько 22 м (відрізана не глибиною датчика, а областью съемки). На першому зображенні показано хмара точок, пофарбоване у відповідності з ортофотопланом. На другому зображенні показана та же хмара точек на основі класифікації. Використовуючи декілька настроюваних алгоритмів для відмінності відражень від дна та морської рослинності, компанія Field може класифікувати їх окремо. Це видно на зображенні з батиметрією синього кольору та морською рослинністю темно-зеленого кольору.
Результати зйомки
ICGC був задоволений якістю та деталізацією отриманих наборів даних, таких як випуск технологічних вод із підводних лодок уздовж побережжя, які були видні в даних, і залишки старого маяка, виявлені під водою в частині Ебро. Додатковою перевагою короткої та ефективної зйомки прибрежної зони з використанням ALB є те, що результуючий набір даних є більш однорідним і взаємозв'язаним, ніж зйомка кількох учасників протягом більш тривалого періоду або кількох періодів з використанням ехолота.
Щоб перевірити точність зйомки, компанія Tecnoambiente провела зйомку тестової ділянки за допомогою багатолучевого ехолота. На Мал. 5 показані батиметричні лідарні дані 0-10 м і схема багатолучевої сонарної знімки, прикрашені відповідно до різниці між двома наборами даних. В біло-жовтій області розниця не вище кількох сантиметрів. Середнє значення середньоквадратичної розниці (RMS) між наборами даних становило 12 см, що повністю відповідало вимогам. Різні, як правило, більше на двох мелководье, чим на більш глибоких ділянках, що можна пояснити п'ятимісячним переривом між знімками, а також тим, що дно на мелководье более динамично.
У цілому результати ICGC підтверджують, що ALB - найкраща технологія для зйомки прибережної зони Каталонії, і, ймовірно, у майбутньому вона буде використовуватися частіше, наприклад, для моніторингу змін.
Інформація про грант
Цей проект управління, який здійснює Каталонський генеральний фонд екологічної політики та навколишнього середовища Департаменту по боротьбі зі зміною клімату, продовольства та сільського господарства, спільно фінансується Європейським фондом морського та рибного господарства та Міністерством по боротьбі зі зміною клімату, з питань продовольства і сільського господарства, уряду Каталонії.
Мал. 4: Оглядова карта Каталонії
(червоним маркером позначена область, яка показана на Мал. 3)
Следующие шаги
ICGC продовжує роботу над отриманими продуктами та створює цільну топобатиметричну модель для всієї Каталонії, інтегруючи нещодавно отримані дані ALB з існуючими топографічними лідарними даними та батиметричними багатолучевими даними для більш глибоких областей. Ця інтегрована висотна модель служить основою для багатьох цілей, таких як моделювання стійкості пляжів при різних сценаріях підйому рівня моря та збільшення кількості штормів.
Таким чином, це важливий ресурс для дослідників, політиків та інших зацікавлених сторін у підтримці процесу ухвалення рішень щодо сталого управління каталонської берегової лінії та морського середовища.
Мал. 5. Батиметричні лідарні дані 0-10 м і схема зйомки багатопроменевим ехолотом
(різниця між наборами даних виділена кольором для візуального порівняння)
