Topobatymetrický LiDAR na ostrove Saona: Mapovanie pláží, pobrežia a plytkých morských dna pomocou laserového skenovania

Úvod

Ostrov Saona, ktorý sa nachádza pri juhovýchodnom pobreží Dominikánskej republiky, je cenným prostredím na pochopenie toho, ako sa pobrežná krajina spája s plytkým morským prostredím. Pláže, pobrežné vody, ponorený terén a pobrežné ekosystémy tvoria jeden neustále sa meniaci fyzický systém. Štúdium týchto prostredí si vyžaduje presné informácie o nadmorskej výške nad aj pod vodnou hladinou.

Tradičné prieskumy krajiny a prieskumy hĺbky pod vodou často používajú rôzne nástroje a metódy. Vzdušný topobatymetrický LiDAR ponúka ďalší prístup: využíva laserové skenovanie na zhromažďovanie informácií o nadmorskej výške naprieč pobrežnou pevninou a vhodnými plytkými vodami počas tej istej prieskumnej operácie.

Pobrežným inžinierom, námorným výskumníkom a environmentálnym plánovačom môže táto technológia pomôcť vytvoriť prepojené trojrozmerné modely pobrežnej zóny. Starostlivo navrhnutý topobatymetrický projekt LiDAR by mohol podporiť budúci výskum zmien pobrežia, pobrežných záplav, morfológie pláží a biotopov v plytkej vode v okolí ostrova Saona.

Tento článok vysvetľuje, ako technológia funguje, aké informácie môže zbierať, kde je užitočná a aké obmedzenia je potrebné zvážiť pred jej aplikáciou v prostredí karibských ostrovov.

1. Čo je topobatymetrický LiDAR?

LiDAR znamená detekciu a meranie svetla. Ide o technológiu diaľkového snímania, ktorá meria vzdialenosti vysielaním laserových impulzov a zaznamenávaním svetla odrazeného od povrchov.

Topobatymetrický LiDAR kombinuje dve súvisiace geodetické funkcie:

• Topografická LiDAR: Bathy meria a meria povrch Bathy. LiDAR:Používa laserové svetlo prenikajúce do vody na meranie ponoreného terénu vo vhodných vodných podmienkach.

Kombinovaný systém je navrhnutý tak, aby zbieral informácie naprieč hranicou medzi zemou a vodou. Jeho výstupy môžu zahŕňať nadmorské výšky pláží, pobrežný terén, návraty z vodnej hladiny a vyvýšeniny ponoreného morského dna.

Toto je obzvlášť cenné pri pobrežných štúdiách, pretože prieskumy na zemi a pod vodou môžu inak vytvárať samostatné súbory údajov s medzerami alebo nezrovnalosťami v blízkosti pobrežia.

NOAA opisuje topografické systémy ako typicky využívajúce blízke infračervené svetlo a batymetrické systémy ako využívajúce zelené svetlo schopné preniknúť do vody. Kombinované pozorovania môžu byť spracované do trojrozmerných výškových produktov. (NOAA: https://oceanservice.noaa.gov/geodesy/lidar.html)

2. Ako funguje vzdušný topobatymetrický LiDAR?

Typický prieskumný systém je namontovaný na lietadle. Lietadlo sleduje plánované letové línie, zatiaľ čo skener vysiela laserové impulzy smerom k povrchu pod ním.

Topobatymetrický systém bežne používa dve laserové vlnové dĺžky:

Near-infračervený laser

Blízko-infračervený laser sa primárne používa na meranie zemských povrchov. Dokáže zaznamenať návraty z pláží, obnažených skál, vegetácie a iných pobrežných prvkov.

Pomáha tiež identifikovať vodnú hladinu, pretože blízke infračervené svetlo sa silne odráža alebo absorbuje na rozhraní vzduch-voda, namiesto toho, aby poskytovalo užitočné návraty z morského dna.

Zelený laser

Zelený laser sa používa na podvodnú zložku. Časť jeho energie prechádza vodou, smeruje k morskému dnu a po odraze sa vracia do vzduchového senzora.

Prístroj zaznamenáva načasovanie a charakteristiky vráteného signálu. Identifikáciou vodnej hladiny a návratov morského dna dokáže spracovateľský softvér odhadnúť hĺbku vody a nadmorskú výšku morského dna.

Zelený laser stráca energiu, keď prechádza vodou. Suspendované častice, riasy, bubliny a iné materiály môžu rozptyľovať alebo absorbovať svetlo, čím sa znižuje sila návratu morského dna.

Natural Resources Canada vysvetľuje, ako spolupracujú pozorovania blízkeho infračerveného a zeleného lasera, vrátane účinkov lomu a čírosti vody. (Odkaz: Federal Airborne LiDAR Data Acquisition Guideline)

3. The Science Behind Laser Distance Measurement

LiDAR meria vzdialenosť pomocou doby prejdenia laserového impulzu.

Pre zjednodušené meranie pevniny možno vzdialenosť vyjadriť takto:

R = c × Δt / 2

Kde:

• R = vzdialenosť medzi senzorom a odrazovým povrchom
• c = rýchlosť svetla
• Δt = nameraný čas cesty tam a späť

Delenie dvomi je potrebné, pretože laser sa dostane k cieľu a potom sa vráti späť k senzoru.

Merania pod vodou vyžadujú dodatočné korekcie. Svetlo mení rýchlosť a smer, keď prechádza zo vzduchu do vody. Preto musí systém spracovania počítať s lomom a rôznymi optickými vlastnosťami týchto dvoch prostredí.

Presný výpočet závisí od konštrukcie prístroja, zistených kriviek a metódy spracovania. Spoľahlivý prieskum by nemal zaobchádzať s podvodnou dráhou tak, ako keby sa laser pohyboval výlučne vzduchom.

4. Prečo záleží na čistote vody

Čistota vody je jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich batymetrický výkon LiDAR.

Zelený laser musí prejsť vodným stĺpcom, odrážať sa od dna a vrátiť sa do vzdušného prijímača. Ak je rozptýlené alebo absorbované príliš veľa svetla, návrat z morského dna môže byť slabý alebo ho nebude možné spoľahlivo identifikovať.

Výsledok môže ovplyvniť niekoľko podmienok prostredia:

• Suspendovaný sediment vo vode.
• Rasy a ďalší organický materiál
• D. hmota.
• Prerušovanie vĺn a strhávané vzduchové bubliny.
• Tmavý alebo nízkoodrazový materiál morského dna.
• Zmena zákalu po daždi alebo pobrežných poruchách.

Čistá voda môže umožniť väčšie prenikanie ako zakalená voda, ale maximálna dosiahnuteľná hĺbka každého prístroja alebo miesta nie je pevne stanovená hodnota

Lip.NODAR. byť užitočné v plytkých pobrežných oblastiach a že hĺbkový výkon závisí od čistoty vody a schopnosti systému. Jeho popis pobrežných topobatymetrických údajov tiež identifikuje medzery, kde nie je možné s istotou zistiť návrat pri dne.

Pri prieskume ostrova Saona by sa mala pred plánovaním letu posúdiť priehľadnosť vody. Jeden dátum prieskumu nemusí predstavovať podmienky počas celého roka.

5. Čo produkuje topobatymetrický prieskum LiDAR?

Prvým hlavným výstupom je mračno bodov: súbor jednotlivých trojrozmerných meraní.

Každý bod môže obsahovať priestorové súradnice a ďalšie atribúty, ako je intenzita návratu, klasifikácia alebo číslo návratu, v závislosti od systému a pracovného postupu spracovania.

Po kontrole kvality možno použiť mračno bodov na vytvorenie niekoľkých produktov.Digpingital> modely

Digitálny výškový model predstavuje prevýšenie povrchu nad definovanou oblasťou. Pobrežný model môže zahŕňať odkrytú pevninu a vhodný ponorený terén.

Digitálne modely terénu

Digitálny model terénu sa pokúša znázorniť podložie alebo morské dno, a nie vegetáciu, budovy alebo iné objekty.

Prierezy pobrežia

Prierezy zobrazujú zmeny nadmorskej výšky od vnútrozemských oblastí po plytkú vodu naprieč plážou a. Inžinieri ich môžu použiť na preskúmanie plážových profilov a pobrežných svahov.

Vrstevnicové mapy

Vrstevnice spájajú miesta s rovnakou nadmorskou výškou. Môžu pomôcť interpretovať sklony pláže, ponorený terén a pobrežné tvary terénu.

Trojrozmerné vizualizácie

3D model môže pomôcť plánovačom a výskumníkom preskúmať, ako sa povrch zeme spája s podmorskými prvkami.

Tieto produkty by mali vždy obsahovať metadáta popisujúce dátumy prieskumu, súradnicové systémy, vertikálne referencie, hustotu bodov, metódy spracovania a známe obmedzenia.

6. Ako sa plánuje topobatymetrický prieskum LiDAR?

Spoľahlivý pobrežný prieskum sa začína pred vzletom lietadla.

Krok 1: Definujte ciele prieskumu

Projektový tím by mal určiť, na čo sa budú údaje používať. Monitorovanie pobrežia, modelovanie záplav, mapovanie biotopov a inžiniersky dizajn si môžu vyžadovať rôzne špecifikácie pokrytia a kvality.

Krok 2: Posúdenie podmienok prostredia

Tím by mal preskúmať čistotu vody, vlnové podmienky, zákal, počasie, vegetáciu a očakávanú odrazivosť morského dna.

Pri prácach v plytkej vode môže zlá viditeľnosť spôsobiť chýbajúce merania na pevnine

Plánovanie letu určuje oblasť prieskumu, nadmorskú výšku letu, vzdialenosť medzi čiarami, prekrytie a očakávanú hustotu bodov.

Plán by mal pokrývať pobrežnú oblasť a siahať smerom k moru dostatočne ďaleko, aby zachytil zamýšľanú zónu s plytkou vodou, v závislosti od schopností senzora.

Krok 4: Stanovenie polohy a orientácie v satelitných systémoch merania polohy a orientácie

A na použitie satelitných meracích jednotiek a poloha a orientácia lietadla.

Tieto merania sa kombinujú s pozorovaniami zo skenera a kalibračnými informáciami, aby sa vypočítala poloha každého návratu lasera.

Krok 5: Zhromažďovanie údajov

Lietadlo sleduje plánované čiary a zaznamenáva návraty lasera spolu s navigačnými a systémovými informáciami.

Krok 6: Spracovanie a overenie

Pozorný tím pod vodou spracuje správne pozorovanie, sident na súši. meria a vyhodnocuje kvalitu údajov.

Nezávislé kontroly na zemi alebo na vode sú dôležité predtým, ako sa údaje použijú na kritické technické rozhodnutia.

7. Význam GNSS a inerciálnych meracích systémov

Laserový skener meria dosahy, ale samotné merania dosahu nestačia na určenie presnej polohy bodu na zemskom povrchu.

Systém tiež potrebuje vedieť:

• Orientácia skenera.
• Uhol laserového lúča.
• Parametre časovania a kalibrácie.

Pozorovanie pomocou globálneho navigačného satelitného systému (GNSS) pomáha určiť polohu lietadla. Inerciálna meracia jednotka (IMU) zaznamenáva pohyb a orientáciu lietadla.

Kombináciou týchto meraní s dosahom lasera a informáciami o uhle skenovania vznikajú georeferencované mračná bodov.

Tento pracovný postup určovania polohy je nevyhnutný na porovnávanie prieskumov zozbieraných v rôznych dátumoch. Umožňuje tiež kombinovať vzdušný LiDAR s inými súbormi údajov o mapovaní pobrežia.

8. Aplikácie v okolí ostrova Saona

Topobatymetrický LiDAR by mohol podporovať niekoľko typov pobrežného výskumu v okolí ostrova Saona za predpokladu, že sa uskutoční vhodný prieskum a výsledky budú overené.

Výskum morfológie pláže a pobrežia

Prepojený výškový model medzi zemou a vodou môže pomôcť výskumníkom študovať profily pláží, svahy pobrežia a zmeny v blízkosti pobrežia.

nadmorská výška sa zvýšila alebo znížila. Zmysluplná detekcia zmien si však vyžaduje porovnateľné prieskumné metódy, referenčné systémy a hodnotenia neistoty.

Hodnotenie pobrežných záplav

Povodňové modely vyžadujú informácie o teréne, cez ktorý môže prechádzať voda.

Súvislý model nadmorskej výšky môže zlepšiť znázornenie prechodu medzi vnútrozemským terénom, plážami a plytkými morskými oblasťami.

Samotné údaje LiDAR nepredpovedajú povodne. Sú jedným zo vstupov do modelu, ktorý tiež potrebuje hladiny vody, vlny, hraničné podmienky a ďalšie relevantné informácie.

Plytké morské dno a mapovanie biotopov

Tvar morského dna je užitočný na pochopenie fyzického nastavenia morských biotopov.

Topobatymetrický LiDAR môže pomôcť zmapovať plytký ponorený terén, kde je stále potrebný spoľahlivý návrat vody a odraz dna.

< potvrdiť typy biotopov. Údaje o nadmorskej výške by sa nemali považovať za priamy dôkaz konkrétneho druhu alebo ekosystému.

Plánovanie pobrežnej infraštruktúry

Inžinieri môžu použiť podrobné informácie o nadmorskej výške pri hodnotení navrhovaných štruktúr, prístupových trás, odvodňovacích systémov a koncepcií ochrany pobrežia.

Akýkoľvek inžiniersky návrh by mal byť založený na vhodnej presnosti prieskumu, prieskumoch lokality a príslušných technických prieskumoch.

<3 monitorovanie

Opakované prieskumy nadmorskej výšky môžu pomôcť kvantifikovať zmeny v povrchoch pláží a morského dna.

Výskumníci môžu porovnávať digitálne modely nadmorskej výšky z rôznych dátumov, aby odhadli eróziu alebo usadzovanie, za predpokladu, že kvalita údajov, referenčné úrovne a neistota sú starostlivo kontrolované.

9. Topobatymetrický LiDAR v porovnaní s inými metódami prieskumu

Žiadna technológia prieskumu nie je vhodná pre každé pobrežné prostredie.

Topografický LiDAR je užitočný na mapovanie nadmorskej výšky zeme a povrchu, ale konvenčné merania v blízkej infračervenej oblasti neposkytujú nadmorské výšky ponoreného morského dna.

Batymetrický sonar využíva zvukové vlny na meranie hĺbok pod vodou. Môže fungovať vo vodných podmienkach, kde môže optický LiDAR bojovať, hoci vo všeobecnosti vyžaduje plavidlo alebo inú vodnú platformu.

Batymetria odvodená zo satelitu využíva optické satelitné snímky na odhad hĺbky plytkej vody. Jej výkon závisí od čistoty vody, podmienok dna, kvality obrazu a kalibrácie.

Letecká fotogrammetria využíva prekrývajúce sa snímky na rekonštrukciu viditeľných povrchov. Je to užitočné pre exponované pláže a pobrežné útvary, ale bežné snímky vo viditeľnom svetle nemerajú priamo ponorený terén cez nepriehľadnú alebo opticky zložitú vodu.

Praktický program na mapovanie pobrežia môže tieto metódy kombinovať. Usmernenie pracovného postupu lidaru NOAA poznamenáva, že topobatymetrický LiDAR môže pomôcť vyplniť prechod medzi topografickým LiDAR a batymetrickým sonarovým pokrytím.

10. Presnosť, validácia a kvalita údajov

Vizuálne atraktívny 3D model nie je automaticky presným prieskumom.

Projektový tím musí posúdiť horizontálnu aj vertikálnu presnosť spolu so spoľahlivosťou ponorených návratov.

Dôležité kontroly kvality zahŕňajú:

Sparling landliy-independent surveying kontrola.

• Kontrola hĺbok pod vodou v porovnaní s vhodnými referenčnými meraniami.
• Skúmanie rozdielov medzi prekrývajúcimi sa letovými líniami.
• Kontrola hustoty bodov a oblastí s chýbajúcimi údajmi.
• Posudzovanie vplyvov vodných podmienok.
• Kontrola záznamov o kalibrácii a určovaní polohy.
• Hlásenie neistoty, pohyb vĺn a obmedzenia vĺn. korekcie lomu, odrazivosť morského dna a umiestnenie lietadla môžu ovplyvniť konečný produkt.

  V prípade pobrežného inžinierstva by sa neistota mala uvádzať jasne a nie skrytá za jediným číslom presnosti. Príslušná požiadavka na kvalitu závisí od zamýšľaného použitia údajov.

  11. Výzvy používania topobatymetrického LiDAR v Karibiku

  Prostredie tropických ostrovov predstavuje niekoľko praktických úvah.

  Premenlivá čírosť vody

  Dažďové zrážky, odtok vody, resuspenzia sedimentov a biologická aktivita môžu ovplyvniť viditeľnosť pod vodou. Načasovanie prieskumu by malo brať do úvahy tieto zmeny.

  Prerážanie vĺn

  Pena a bubliny môžu rozptýliť zelený laser a narušiť detekciu morského dna. Surfové zóny môžu obsahovať medzery v podmorskom mraku bodov.

  Hustá pobrežná vegetácia

  Vegetácia môže skomplikovať ťažbu holého terénu. Viacnásobné laserové návraty a klasifikačné algoritmy môžu pomôcť, ale husté pokrytie môže stále obmedzovať detekciu zeme.

  Komplexná pobrežná geometria

  Skalnaté okraje, malé zátoky, plytké útesy a meniace sa profily pláží môžu vyžadovať starostlivé plánovanie letu a doplnkové prieskumy.

  Datové medzery

  Úspešné pokrytie každej ponorky nezaručuje úplné pokrytie. Chýbajúce návraty morského dna by mali byť identifikované a zdokumentované namiesto toho, aby boli prezentované ako meraný terén.

  12. Navrhovaný topobatymetrický výskumný rámec LiDAR pre ostrov Saona

  Budúci výskumný projekt by sa mohol zorganizovať do piatich etáp.

  1. fáza – Predbežné hodnotenie: Preskúmajte dostupné pobrežné mapy, satelitné snímky, vodné podmienky a zamýšľané ciele výskumu.

  2. etapa – Stanovenie návrhu prieskumu a polohy vodnej hladiny: Výber vhodného snímača vzduchu a vody, výber vhodného snímača vzduchu a vody. naplánujte nezávislú validáciu.

  Fáza 3 – Získavanie údajov: Zhromažďujte pozorovania LiDAR prenášané vzduchom počas vhodných poveternostných podmienok a podmienok čistoty vody.

  Štvrtá fáza – Spracovanie a kontrola kvality: Generujte klasifikované mračná bodov, digitálne modely terénu, pobrežné prierezy a informácie o neistote.

  Použitie overených údajov na pobrežnej línii: 5. štádium. morfológia pláží, analýza plytkého morského dna alebo vhodné aplikácie na modelovanie záplav.

  Projekt by mal identifikovať oblasti, kde LiDAR nemôže dosiahnuť spoľahlivé návraty na dno, a v prípade potreby použiť doplnkové metódy.

  Toto je navrhovaný výskumný rámec, nie vyhlásenie, že v okolí ostrova Saona už existuje topobatymetrický prieskum LiDAR alebo program trvalého monitorovania.

  13. Prečo je táto technológia dôležitá pre pobrežné inžinierstvo

  Pobrežné inžinierstvo si vyžaduje pochopenie interakcie medzi zemou a vodou.

  Pláž nemožno úplne študovať meraním iba jej exponovaného povrchu. Podobne môže podmorský terén v blízkosti pobrežia ovplyvniť transformáciu vĺn, pohyb sedimentov a pobrežné procesy.

  Topobatymetrický LiDAR ponúka spôsob, ako zhromažďovať prepojené informácie o nadmorskej výške vo veľkej časti tejto prechodovej zóny.

  Pre študentov stavebného inžinierstva je to tiež užitočný príklad toho, ako geodézia, GIS a pobrežné inžinierstvo spolupracujú. Táto technológia dokazuje, že moderné mapovanie pobrežia sa neobmedzuje len na tradičné pozemné merania alebo hĺbkové prieskumy na plavidlách.

  Často kladené otázky

  1. Čo je topobatymetrický LiDAR?

  Ide o metódu leteckého laserového prieskumu navrhnutú na meranie nadmorskej výšky krajiny aj ponoreného terénu vo vhodných prostrediach s plytkou vodou.

  2. Ako meria LiDAR hĺbku pod vodou?

  Zelený laser prechádza vodou a odráža sa od morského dna. Systém identifikuje návraty z vodnej hladiny a morského dna a vypočíta hĺbku po použití potrebných optických a geometrických korekcií.

  3. Prečo topobatymetrický LiDAR využíva zelené svetlo?

  Zelené vlnové dĺžky dokážu preniknúť vodou efektívnejšie ako blízke infračervené vlnové dĺžky bežne používané na mapovanie krajiny. Skutočná penetrácia závisí od čistoty vody, snímača a podmienok morského dna.

  4. Dokáže LiDAR zmapovať oblasti koralových útesov?

  Môže zmapovať povrchy morského dna súvisiace s plytkými útesmi, kde je voda dostatočne čistá a návraty dna sú zistiteľné. Ekologická identifikácia a posúdenie stavu útesov si vyžadujú ďalšie dôkazy.

  5. Môže nahradiť sonarové prieskumy?

  Nie. LiDAR a sonar majú rôznu silu. LiDAR je užitočný na rýchle pokrytie vhodnej plytkej vody vzduchom, zatiaľ čo sonar je dôležitý pre hlbšie alebo opticky náročné podmorské oblasti.

  6. Je topobatymetrický LiDAR už dostupný pre ostrov Saona?

  Tento článok neuvádza, že v okolí ostrova Saona bol dokončený špecifický topobatymetrický prieskum LiDAR. Miestne pokrytie a dostupnosť údajov by sa mali overiť prostredníctvom dôveryhodných úložísk máp a poskytovateľov prieskumov.

  7. Aké je hlavné obmedzenie batymetrického LiDARu?

  Čistota vody je hlavným obmedzením, pretože suspendovaný materiál, bubliny a iné optické prekážky môžu oslabiť alebo zabrániť spoľahlivému návratu z morského dna.

  8. Čo môžu inžinieri robiť s topobatymetrickými údajmi LiDAR?

  Môžu použiť vhodné overené údaje na modelovanie pobrežného terénu, štúdie pobrežia, hodnotenie povodní, výskum morfológie pláží a predbežné plánovanie infraštruktúry.

  Záver

  Topobatymetrický LiDAR spája prieskum pôdy a plytkej vody pomocou vzduchovej laserovej technológie. Kombináciou blízkych infračervených a zelených laserových meraní s presnými údajmi o polohe a orientácii dokáže produkovať podrobné trojrozmerné informácie vo vhodných pobrežných prostrediach.

  Pre ostrov Saona predstavuje táto technológia sľubný prístup pre budúci výskum morfológie pláží, zmien pobrežia, plytkého terénu morského dna a modelovania pobrežných záplav. Jeho užitočnosť bude závisieť od čistoty vody, dizajnu prieskumu, schopnosti prístroja, spracovania údajov a nezávislého overenia.

  Najúčinnejšou stratégiou mapovania pobrežia nie je nevyhnutne spoliehať sa na jeden nástroj. Kombinácia topobatymetrického LiDAR so sonarom, prieskumy GNSS, letecké snímky a pozorovania v teréne môžu poskytnúť úplnejšie pochopenie pobrežného prostredia.

  Prepojený pohľad na pláž a morské dno môže výskumníkom pomôcť pochopiť pobrežie ako jednu súvislú krajinu.