Topobatymetryczny LiDAR na wyspie Saona: mapowanie plaż, linii brzegowych i płytkiego dna morskiego za pomocą skanowania laserowego

Wprowadzenie

Wyspa Saona, położona u południowo-wschodniego wybrzeża Dominikany, jest cennym miejscem pozwalającym zrozumieć, w jaki sposób krajobrazy przybrzeżne łączą się z płytkim środowiskiem morskim. Plaże, wody przybrzeżne, tereny podwodne i ekosystemy przybrzeżne tworzą jeden stale zmieniający się system fizyczny. Badanie tych środowisk wymaga dokładnych informacji o wysokościach zarówno nad, jak i pod powierzchnią wody.

Tradycyjne badania lądowe i badania głębokości pod wodą często wykorzystują różne instrumenty i metody. Lotniczy topobatymetryczny LiDAR oferuje inne podejście: wykorzystuje skanowanie laserowe do zbierania informacji o wysokości na terenach przybrzeżnych i odpowiednich środowiskach płytkich wód podczas tej samej operacji badawczej.

Dla inżynierów przybrzeżnych, badaczy morskich i planistów środowiska technologia ta może pomóc w tworzeniu połączonych trójwymiarowych modeli strefy przybrzeżnej. Starannie zaprojektowany projekt topobatymetryczny LiDAR może wesprzeć przyszłe badania nad zmianami linii brzegowej, powodziami przybrzeżnymi, morfologią plaż i siedliskami w płytkich wodach wokół wyspy Saona.

W tym artykule wyjaśniono, jak działa ta technologia, jakie informacje może zebrać, gdzie jest przydatna i jakie ograniczenia należy wziąć pod uwagę przed zastosowaniem jej w środowisku wysp karaibskich.

1. Co to jest topobatymetryczny LiDAR?

LiDAR oznacza wykrywanie i określanie zasięgu światła. Jest to technologia teledetekcji, która mierzy odległości poprzez transmisję impulsów laserowych i rejestrację światła odbitego od powierzchni.

Topobatymetryczny LiDAR łączy w sobie dwie powiązane funkcje pomiarowe:

• Topograficzny LiDAR: mierzy wysokość i charakterystykę powierzchni terenu.
• Batymetryczny LiDAR: wykorzystuje przenikające wodę światło lasera do pomiaru zanurzonego terenu w odpowiednich warunkach wodnych.

Połączony system przeznaczony jest do zbierania informacji na granicy ląd-woda. Wyniki mogą obejmować wzniesienia plaż, teren przybrzeżny, zwroty powierzchni wody i zanurzone wzniesienia dna morskiego.

Jest to szczególnie cenne w badaniach wybrzeża, ponieważ w przeciwnym razie badania lądowe i podwodne mogą generować oddzielne zbiory danych z lukami lub niespójnościami w pobliżu linii brzegowej.

NOAA opisuje systemy topograficzne jako zazwyczaj wykorzystujące światło bliskiej podczerwieni, a systemy batymetryczne jako wykorzystujące światło zielone zdolne do przenikania wody. Połączone obserwacje można przetworzyć w trójwymiarowe produkty wysokościowe. (NOAA: https://oceanservice.noaa.gov/geodesy/lidar.html)

2. Jak działa powietrzny topobatymetryczny LiDAR?

Typowy system pomiarowy montowany jest na samolocie. Dron podąża zaplanowanymi liniami lotu, podczas gdy skaner wysyła impulsy laserowe w stronę powierzchni znajdującej się poniżej.

System topobatymetryczny zwykle wykorzystuje dwie długości fal lasera:

laser bliskiej podczerwieni

Laser bliskiej podczerwieni służy głównie do pomiaru powierzchni lądowych. Może rejestrować sygnały z plaż, odsłoniętych skał, roślinności i innych elementów wybrzeża.

Pomaga także w identyfikacji powierzchni wody, ponieważ światło bliskiej podczerwieni jest silnie odbijane lub pochłaniane na granicy faz powietrze-woda, zamiast zapewniać przydatne sygnały z dna morskiego.

Zielony laser

Zielony laser jest używany w przypadku elementów podwodnych. Część jego energii przechodzi przez wodę, wędruje w stronę dna morskiego i po odbiciu wraca do czujnika w powietrzu.

Przyrząd rejestruje czas i charakterystykę zwracanego sygnału. Identyfikując powrót z powierzchni wody i dna morskiego, oprogramowanie przetwarzające może oszacować głębokość wody i wysokość dna morskiego.

Zielony laser traci energię podczas podróży przez wodę. Zawieszone cząstki, algi, pęcherzyki i inne materiały mogą rozpraszać lub pochłaniać światło, zmniejszając siłę powrotu do dna morskiego.

Natural Resources Canada wyjaśnia, w jaki sposób obserwacje w bliskiej podczerwieni i zielonego lasera współdziałają, w tym wpływ załamania światła i przejrzystość wody. (Odniesienie: Federalne wytyczne dotyczące gromadzenia danych LiDAR w powietrzu)

3. Nauka stojąca za laserowym pomiarem odległości

LiDAR mierzy odległość na podstawie czasu podróży impulsu laserowego.

W celu uproszczonego pomiaru na lądzie odległość można wyrazić jako:

R = c × Δt / 2

Gdzie:

• R = odległość między czujnikiem a odbiciem powierzchnia
• c = prędkość światła
• Δt = zmierzony czas podróży w obie strony

Dzielenie przez dwa jest konieczne, ponieważ laser dociera do celu, a następnie wraca do czujnika.

Pomiary podwodne wymagają dodatkowych korekt. Światło zmienia prędkość i kierunek, gdy przechodzi z powietrza do wody. Dlatego system przetwarzania musi uwzględniać załamanie i różne właściwości optyczne obu środowisk.

Dokładne obliczenia zależą od konstrukcji instrumentu, wykrytych przebiegów i metody przetwarzania. Rzetelne badanie nie powinno traktować podwodnej ścieżki tak, jakby laser przemieszczał się całkowicie w powietrzu.

4. Dlaczego klarowność wody ma znaczenie

Przejrzystość wody jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na wydajność batymetrycznego LiDAR.

Zielony laser musi przejść przez słup wody, odbić się od dna i wrócić do odbiornika w powietrzu. Jeśli zbyt dużo światła zostanie rozproszone lub pochłonięte, powrót do dna morskiego może stać się słaby lub niemożliwy do pewnej identyfikacji.

Na wynik może mieć wpływ kilka warunków środowiskowych:

• Osad zawieszony w wodzie.
• Glony i inny materiał biologiczny.
• Rozpuszczona materia organiczna.
• Rozbicie fal i porywane pęcherzyki powietrza.
• Ciemne lub słabo odblaskowe materiały dna morskiego.
• Zmieniające się zmętnienie po opadach deszczu lub zakłóceniach wybrzeża.

Czysta woda może umożliwić większą penetrację niż mętna woda, ale maksymalna osiągalna głębokość nie jest stałą wartością dla każdego instrumentu lub lokalizacji.

NOAA zauważa, że batymetryczny LiDAR może być przydatny w płytkich obszarach przybrzeżnych i że głębokość zależy od przejrzystości wody i systemu zdolność. Opis danych topobatymetrycznych wybrzeża pozwala również zidentyfikować luki, w których nie można z całą pewnością wykryć powrotu z dna.

W przypadku badań na wyspie Saona przed planowaniem lotu należy ocenić przejrzystość wody. Pojedyncza data badania może nie odzwierciedlać warunków przez cały rok.

5. Co daje badanie topobatymetryczne LiDAR?

Pierwszym głównym wynikiem jest chmura punktów: zbiór indywidualnych pomiarów trójwymiarowych.

Każdy punkt może zawierać współrzędne przestrzenne i dodatkowe atrybuty, takie jak intensywność powrotu, klasyfikacja lub numer powrotu, w zależności od systemu i przebiegu przetwarzania.

Po kontroli jakości chmurę punktów można wykorzystać do stworzenia kilku produktów mapujących.

Cyfrowe modele wysokości

Cyfrowe modele wysokości Model elewacji przedstawia wysokość powierzchni na określonym obszarze. Model wybrzeża może obejmować odsłonięty ląd i odpowiedni teren zanurzony.

Cyfrowe modele terenu

Cyfrowy model terenu próbuje przedstawić leżący poniżej grunt lub dno morskie, a nie roślinność, budynki lub inne obiekty.

Przekroje wybrzeża

Przekroje poprzeczne pokazują zmiany wysokości od obszarów śródlądowych przez plażę do płytkiej wody. Inżynierowie mogą ich używać do badania profili plaż i zboczy wybrzeża.

Mapy konturowe

Kontury łączą lokalizacje o równej wysokości. Mogą pomóc w interpretacji nachylenia plaży, terenu pod wodą i ukształtowania terenu przybrzeżnego.

Trójwymiarowe wizualizacje

Model 3D może pomóc planistom i badaczom zbadać, w jaki sposób powierzchnia lądu łączy się z obiektami podwodnymi.

Produkty te powinny zawsze zawierać metadane opisujące daty badań, układy współrzędnych, odniesienia pionowe, gęstość punktów, metody przetwarzania i znane ograniczenia.

6. Jak planuje się badanie topobatymetryczne LiDAR?

Wiarygodne badanie wybrzeża rozpoczyna się przed startem samolotu.

Krok 1: Określ cele badania

Zespół projektowy powinien określić, do czego dane zostaną wykorzystane. Monitorowanie linii brzegowej, modelowanie powodzi, mapowanie siedlisk i projekty inżynieryjne mogą wymagać innego zakresu i specyfikacji jakości.

Krok 2: Ocena warunków środowiskowych

Zespół powinien zbadać przejrzystość wody, stan fal, zmętnienie, pogodę, roślinność i oczekiwany współczynnik odbicia dna morskiego.

W przypadku prac na płytkich wodach słaba widoczność może spowodować brakujące zwroty dna morskiego nawet w przypadku pomyślnych pomiarów na lądzie.

Krok 3: Lot projektowy linie

Planowanie lotu określa obszar badania, wysokość lotu, odstępy między liniami, nakładanie się i oczekiwaną gęstość punktów.

Plan powinien obejmować obszar lądowy przybrzeżny i rozciągać się w stronę morza na tyle daleko, aby uchwycić zamierzoną strefę płytkiej wody, w zależności od możliwości czujnika.

Krok 4: Ustalenie pozycji i orientacji

Pokładowe systemy LiDAR wykorzystują pozycjonowanie satelitarne i jednostkę pomiaru inercyjnego do określenia pozycji statku powietrznego i orientacji.

Pomiary te są łączone z obserwacjami skanera i informacjami kalibracyjnymi w celu obliczenia lokalizacji każdego powrotu lasera.

Krok 5: Zbierz dane

Dron podąża zaplanowanymi liniami i rejestruje powroty lasera wraz z informacjami nawigacyjnymi i systemowymi.

Krok 6: Przetwórz i zatwierdź

Zespół badawczy przetwarza obserwacje, identyfikuje zwroty na lądzie i wodzie, koryguje podwodne pomiary i ocenia dane jakość.

Niezależne kontrole naziemne lub wodne są ważne, zanim dane zostaną wykorzystane do podjęcia kluczowych decyzji inżynieryjnych.

7. Znaczenie GNSS i inercyjnych systemów pomiarowych

Skaner laserowy mierzy odległości, ale same pomiary odległości nie wystarczą, aby określić dokładną lokalizację punktu na powierzchni Ziemi.

System musi także znać:

• Pozycję statku powietrznego.
• Przechylenie, nachylenie i położenie statku powietrznego nagłówek.
• Orientacja skanera.
• Kąt wiązki laserowej.
• Parametry czasowe i kalibracyjne.

Obserwacje Globalnego Systemu Nawigacji Satelitarnej (GNSS) pomagają określić pozycję samolotu. Inercyjna jednostka pomiarowa (IMU) rejestruje ruch i orientację statku powietrznego.

Połączenie tych pomiarów z informacjami o zasięgu lasera i kącie skanowania tworzy georeferencyjne chmury punktów.

Ten proces pozycjonowania jest niezbędny do porównywania badań zebranych w różnych terminach. Umożliwia także łączenie powietrznego LiDAR z innymi zbiorami danych mapowania wybrzeża.

8. Zastosowania wokół wyspy Saona

Topobathymetric LiDAR może wspierać kilka rodzajów badań wybrzeża wokół wyspy Saona, pod warunkiem przeprowadzenia odpowiednich badań i walidacji wyników.

Badania morfologii plaży i linii brzegowej

Połączony model wzniesienia lądu i wody może pomóc naukowcom w badaniu profili plaż, zboczy przybrzeżnych i zmian w terenie przybrzeżnym.

Powtarzane badania mogą pomóc w określeniu, gdzie wzrosło lub spadło wzniesienie. Jednak znaczące wykrywanie zmian wymaga porównywalnych metod badań, systemów referencyjnych i ocen niepewności.

Ocena zalania wybrzeża

Modele powodzi wymagają informacji o terenie, po którym może przemieszczać się woda.

Model ciągłego wzniesienia wybrzeża może poprawić reprezentację przejścia między terenem śródlądowym, plażami i płytkimi obszarami morskimi.

Same dane LiDAR nie przewidują powodzi. Stanowią one jeden wkład do modelu, który wymaga również poziomów wody, fal, warunków brzegowych i innych istotnych informacji.

Mapowanie płytkiego dna morskiego i siedlisk

Kształt dna morskiego jest przydatny do zrozumienia fizycznego ustawienia siedlisk morskich.

Topobatymetryczny LiDAR może pomóc w mapowaniu płytkiego zanurzonego terenu, gdzie przejrzystość wody i odbicie od dna umożliwiają wiarygodne zyski.

Dodatkowe badania ekologiczne są nadal konieczne w celu identyfikacji i potwierdzenia typów siedlisk. Dane o wysokości nie powinny być traktowane jako bezpośredni dowód istnienia konkretnego gatunku lub ekosystemu.

Planowanie infrastruktury przybrzeżnej

Inżynierowie mogą wykorzystywać szczegółowe informacje o wysokości wybrzeża podczas oceny proponowanych konstrukcji, tras dostępu, systemów odwadniających i koncepcji ochrony linii brzegowej.

Każdy projekt inżynieryjny powinien opierać się na odpowiedniej dokładności badań, badaniach terenowych i obowiązujących standardach technicznych.

Monitorowanie zmian wybrzeża

Powtarzane badania wysokości mogą pomagają w ilościowym określeniu zmian w powierzchni plaż i dna morskiego.

Naukowcy mogą porównywać cyfrowe modele wysokości z różnych dat w celu oszacowania erozji lub osadzania się, pod warunkiem, że jakość danych, poziomy odniesienia i niepewność są dokładnie kontrolowane.

9. Topobathymetric LiDAR w porównaniu z innymi metodami badawczymi

Żadna technologia pomiarowa nie jest odpowiednia dla każdego środowiska przybrzeżnego.

Topograficzny LiDAR jest przydatny do tworzenia wzniesień i map powierzchni, ale konwencjonalne pomiary w bliskiej podczerwieni nie pozwalają na określenie wysokości dna morskiego pod wodą.

Sonar batymetryczny wykorzystuje fale dźwiękowe do pomiaru głębokości pod wodą. Może pracować w warunkach wodnych, w których optyczny LiDAR może mieć problemy, chociaż zazwyczaj wymaga statku lub innej platformy wodnej.

Batymetria satelitarna wykorzystuje optyczne zdjęcia satelitarne do oszacowania głębokości płytkiej wody. Jego działanie zależy od przejrzystości wody, warunków na dnie, jakości obrazu i kalibracji.

Fotogrametria lotnicza wykorzystuje nakładające się obrazy do rekonstrukcji widocznych powierzchni. Jest przydatna w przypadku odsłoniętych plaż i elementów przybrzeżnych, ale zwykłe zdjęcia w świetle widzialnym nie umożliwiają bezpośredniego pomiaru zanurzonego terenu przez nieprzezroczystą lub optycznie złożoną wodę.

Praktyczny program mapowania wybrzeża może łączyć te metody. W wytycznych NOAA dotyczących przepływu pracy lidarów wskazano, że topobatymetryczny LiDAR może pomóc w wypełnieniu przejścia między topograficznym LiDAR a zasięgiem sonaru batymetrycznego.

10. Dokładność, walidacja i jakość danych

Atrakcyjny wizualnie model 3D nie jest automatycznie dokładnym badaniem.

Zespół projektowy musi ocenić zarówno dokładność poziomą, jak i pionową, a także wiarygodność zanurzonych zwrotów.

Ważne kontrole jakości obejmują:

• Porównywanie wzniesień terenu z niezależnymi badaniami kontrola.
• Sprawdzanie głębokości pod wodą w porównaniu z odpowiednimi pomiarami referencyjnymi.
• Badanie różnic między nakładającymi się liniami lotu.
• Przeglądanie gęstości punktów i obszarów, w których brakuje danych.
• Ocena wpływu warunków wodnych.
• Sprawdzanie zapisów kalibracji i pozycjonowania.
• Zgłaszanie niepewności i ograniczeń danych.

Ruch powierzchni wody, fale, poprawki refrakcji, odbicie dna morskiego i położenie statku powietrznego mogą mieć wpływ na produkt końcowy.

W przypadku inżynierii przybrzeżnej niepewność powinna być wyraźnie zgłaszana, a nie ukrywana za pojedynczą liczbą dokładności. Odpowiedni wymóg jakościowy zależy od zamierzonego wykorzystania danych.

11. Wyzwania związane ze stosowaniem topobatymetrycznego LiDAR na Karaibach

Środowisko tropikalnej wyspy wiąże się z kilkoma kwestiami praktycznymi.

Zmienna przejrzystość wody

Opady deszczu, spływy, ponowne zawieszanie osadów i aktywność biologiczna mogą wpływać na widoczność pod wodą. Harmonogram przeglądu powinien uwzględniać te zmiany.

Załamujące się fale

Piana i bąbelki mogą rozpraszać zielony laser i zakłócać wykrywanie dna morskiego. Strefy surfowania mogą zawierać luki w podwodnej chmurze punktów.

Gęsta roślinność przybrzeżna

Roślinność może skomplikować wydobycie gołego terenu. Wiele sygnałów laserowych i algorytmów klasyfikacji może pomóc, ale gęsta pokrywa może nadal ograniczać wykrywanie gruntu.

Złożona geometria wybrzeża

Skaliste brzegi, małe zatoczki, płytkie rafy i zmieniające się profile plaż mogą wymagać starannego planowania lotu i dodatkowych badań.

Luki w danych

Udane badanie nie gwarantuje pełnego pokrycia każdego zanurzonego obszaru. Należy zidentyfikować i udokumentować brakujące elementy dna morskiego, a nie przedstawiać je jako zmierzony teren.

12. Proponowane ramy badań topobatymetrycznych LiDAR dla wyspy Saona

Przyszły projekt badawczy można podzielić na pięć etapów.

Etap 1 – Ocena wstępna: Przegląd dostępnych map wybrzeża, zdjęć satelitarnych, warunków wodnych i zamierzonych celów badawczych.

Etap 2 – Projekt ankiety: Wybierz odpowiedni czujnik pokładowy, zdefiniuj zasięg lądu i płytkiej wody, ustal wymagania dotyczące pozycjonowania i niezależny plan walidacja.

Etap 3 – Gromadzenie danych: Zbierz obserwacje LiDAR z powietrza w odpowiednich warunkach pogodowych i przejrzystości wody.

Etap 4 – Przetwarzanie i kontrola jakości: Generuj sklasyfikowane chmury punktów, cyfrowe modele terenu, przekroje przybrzeżne i informacje o niepewności.

Etap 5 – Analiza wybrzeża: Wykorzystaj zatwierdzony zbiór danych do badań linii brzegowej, morfologii plaż i płycizn analiza dna morskiego lub odpowiednie zastosowania do modelowania powodzi.

Projekt powinien zidentyfikować obszary, w których LiDAR nie może uzyskać wiarygodnych wyników z dna, i w razie potrzeby zastosować metody dodatkowe.

To proponowane ramy badawcze, a nie stwierdzenie, że wokół wyspy Saona istnieje już badanie topobatymetryczne LiDAR lub program stałego monitorowania.

13. Dlaczego ta technologia ma znaczenie dla inżynierii przybrzeżnej

Inżynieria przybrzeżna wymaga zrozumienia interakcji lądu i wody.

Plaży nie można w pełni zbadać, mierząc jedynie jej odsłoniętą powierzchnię. Podobnie podwodny teren w pobliżu linii brzegowej może wpływać na transformację fal, ruch osadów i procesy przybrzeżne.

Topobathymetric LiDAR umożliwia gromadzenie połączonych informacji o wysokości na dużej części tej strefy przejściowej.

Dla studentów inżynierii lądowej jest to również użyteczny przykład współdziałania geodezji, teledetekcji, geodezji, GIS i inżynierii wybrzeża. Technologia ta pokazuje, że nowoczesne mapowanie wybrzeża nie ogranicza się do tradycyjnych pomiarów naziemnych czy badań głębokości na statkach.

Często zadawane pytania

1. Co to jest topobatymetryczny LiDAR?

Jest to pokładowa metoda pomiarów laserowych przeznaczona do pomiaru zarówno wysokości lądu, jak i terenu zanurzonego w odpowiednich środowiskach płytkich wód.

2. W jaki sposób LiDAR mierzy głębokość pod wodą?

Zielony laser przemieszcza się przez wodę i odbija się od dna morskiego. System identyfikuje zwroty z powierzchni wody i dna morskiego oraz oblicza głębokość po zastosowaniu niezbędnych poprawek optycznych i geometrycznych.

3. Dlaczego topobatymetryczny LiDAR wykorzystuje zielone światło?

Zielone fale mogą przenikać do wody skuteczniej niż długości fal bliskiej podczerwieni powszechnie używane do mapowania terenu. Rzeczywista penetracja zależy od przejrzystości wody, czujnika i stanu dna morskiego.

4. Czy LiDAR może mapować obszary raf koralowych?

Może mapować płytkie powierzchnie dna morskiego związane z rafami, gdzie woda jest wystarczająco przejrzysta i wykrywalne są spływy z dna. Identyfikacja ekologiczna i ocena stanu rafy wymagają dodatkowych dowodów.

5. Czy może zastąpić badania sonarowe?

Nie. LiDAR i sonar mają różne mocne strony. LiDAR jest przydatny do szybkiego wykrywania z powietrza odpowiednich płytkich wód, natomiast sonar jest ważny w przypadku głębszych lub optycznie trudnych obszarów podwodnych.

6. Czy topobatymetryczny LiDAR jest już dostępny dla wyspy Saona?

W tym artykule nie stwierdza się, że wokół wyspy Saona przeprowadzono szczegółowe badanie topobatymetryczne LiDAR. Zasięg lokalny i dostępność danych należy weryfikować za pośrednictwem wiarygodnych repozytoriów map i dostawców ankiet.

7. Jakie jest główne ograniczenie batymetrycznego LiDAR?

Przejrzystość wody jest głównym ograniczeniem, ponieważ zawieszony materiał, pęcherzyki i inne przeszkody optyczne mogą osłabiać lub uniemożliwiać niezawodny powrót do dna morskiego.

8. Co inżynierowie mogą zrobić z danymi topobatymetrycznymi LiDAR?

Mogą wykorzystywać odpowiednie, zatwierdzone dane do modelowania terenu przybrzeżnego, badań linii brzegowej, oceny powodzi, badań morfologii plaż i wstępnego planowania infrastruktury.

Wnioski

Topobathymetric LiDAR łączy badania lądu i płytkiej wody za pomocą pokładowej technologii laserowej. Łącząc pomiary w bliskiej podczerwieni i zielonego lasera z precyzyjnymi danymi dotyczącymi pozycji i orientacji, może generować szczegółowe trójwymiarowe informacje w odpowiednich środowiskach przybrzeżnych.

W przypadku wyspy Saona technologia ta stanowi obiecujące podejście do przyszłych badań nad morfologią plaż, zmianami linii brzegowej, płytkim terenem dna morskiego i modelowaniem powodzi przybrzeżnych. Jego użyteczność będzie zależeć od przejrzystości wody, projektu badania, możliwości instrumentu, przetwarzania danych i niezależnej walidacji.

Najskuteczniejsza strategia mapowania wybrzeża niekoniecznie polega na jednym instrumencie. Połączenie topobatymetrycznego LiDAR z sonarem, badaniami GNSS, zdjęciami lotniczymi i obserwacjami terenowymi może zapewnić pełniejsze zrozumienie środowiska przybrzeżnego.

Połączony widok plaży i dna morskiego może pomóc badaczom zrozumieć wybrzeże jako jeden ciągły krajobraz.