Topobatymetrický LiDAR na ostrově Saona: Mapování pláží, pobřeží a mělkých mořských dna pomocí laserového skenování
Úvod
Ostrov Saona, který se nachází u jihovýchodního pobřeží Dominikánské republiky, je cenným prostředím pro pochopení toho, jak se pobřežní krajiny propojují s mělkým mořským prostředím. Pláže, pobřežní vody, ponořený terén a pobřežní ekosystémy tvoří jeden neustále se měnící fyzický systém. Studium těchto prostředí vyžaduje přesné informace o nadmořské výšce nad i pod vodní hladinou.
Tradiční průzkumy země a průzkumy hloubky pod vodou často používají různé nástroje a metody. Airborne topobathymetric LiDAR nabízí jiný přístup: využívá laserové skenování ke shromažďování informací o nadmořské výšce napříč pobřežní pevninou a vhodnými mělkými vodami během stejné průzkumné operace.
Pobřežním inženýrům, námořním výzkumníkům a ekologickým plánovačům může tato technologie pomoci vytvořit propojené trojrozměrné modely pobřežní zóny. Pečlivě navržený topobatymetrický projekt LiDAR by mohl podpořit budoucí výzkum změn pobřeží, pobřežních záplav, morfologie pláží a mělkých vodních stanovišť v okolí ostrova Saona.
Tento článek vysvětluje, jak tato technologie funguje, jaké informace může shromažďovat, kde je užitečná a jaká omezení je třeba vzít v úvahu před jejím použitím v prostředí karibských ostrovů.
1. Co je topobathymetrický LiDAR?
LiDAR znamená detekci a měření světla. Jedná se o technologii dálkového průzkumu Země, která měří vzdálenosti vysíláním laserových pulsů a zaznamenává světlo odražené od povrchů.
Topobathymetric LiDAR kombinuje dvě související geodetické funkce:
- Topografická LiDAR:
Měří povrch a Bath. LiDAR: Používá laserové světlo pronikající vodou k měření ponořeného terénu ve vhodných vodních podmínkách.
Kombinovaný systém je navržen tak, aby shromažďoval informace napříč hranicí země-voda. Jeho výstupy mohou zahrnovat nadmořské výšky pláží, pobřežní terén, návraty z vodní hladiny a ponořené výšky mořského dna.
To je zvláště cenné při pobřežních studiích, protože pozemní a podvodní průzkumy mohou jinak vytvářet samostatné soubory dat s mezerami nebo nekonzistencemi poblíž pobřeží.
NOAA popisuje topografické systémy jako typicky využívající blízké infračervené světlo a batymetrické systémy jako systémy využívající zelené světlo schopné proniknout do vody. Kombinovaná pozorování lze zpracovat do trojrozměrných elevačních produktů. (NOAA: https://oceanservice.noaa.gov/geodesy/lidar.html)
2. Jak funguje Airborne Topobathymetric LiDAR?
Typický průzkumný systém je namontován na letadle. Letadlo sleduje plánované letové linie, zatímco skener vysílá laserové pulsy směrem k povrchu pod ním.
Topobatymetrický systém běžně používá dvě vlnové délky laseru:
Near-infračervený laser
Blízký infračervený laser se primárně používá k měření zemských povrchů. Dokáže zaznamenat návraty z pláží, obnažených skal, vegetace a dalších pobřežních útvarů.
Pomáhá také identifikovat vodní hladinu, protože blízké infračervené světlo se silně odráží nebo absorbuje na rozhraní vzduch-voda, místo aby poskytovalo užitečné návraty z mořského dna.
Zelený laser
Zelený laser se používá pro podvodní složku. Část jeho energie prochází vodou, putuje směrem k mořskému dnu a po odrazu se vrací do vzduchového senzoru.
Přístroj zaznamenává časování a charakteristiky vráceného signálu. Identifikací vodní hladiny a návratů mořského dna může zpracovatelský software odhadnout hloubku vody a nadmořskou výšku mořského dna.
Zelený laser ztrácí energii, když cestuje vodou. Suspendované částice, řasy, bubliny a další materiály mohou rozptylovat nebo absorbovat světlo, čímž se snižuje síla návratu mořského dna.
Natural Resources Canada vysvětluje, jak spolupracují pozorování v blízkém infračerveném a zeleném laseru, včetně účinků lomu a čistoty vody. (Odkaz: Federal Airborne LiDAR Data Acquisition Guideline)
3. The Science Behind Laser Distance Measurement
LiDAR měří vzdálenost pomocí doby cesty laserového pulzu.
Pro zjednodušené měření pevniny lze vzdálenost vyjádřit jako:
R = c × Δt / 2
Kde:
- R = vzdálenost mezi senzorem a odrazným povrchem
- c = rychlost světla
- Δt = naměřená doba cesty tam a zpět
Dělení dvěma je nutné, protože laser cestuje k cíli a poté se vrací zpět k senzoru.
Měření pod vodou vyžaduje další korekce. Světlo při přechodu ze vzduchu do vody mění rychlost a směr. Proto musí procesní systém počítat s lomem a různými optickými vlastnostmi těchto dvou prostředí.
Přesný výpočet závisí na konstrukci přístroje, detekovaných křivkách a metodě zpracování. Spolehlivý průzkum by neměl zacházet s podvodní dráhou tak, jako by se laser pohyboval výhradně vzduchem.
4. Proč na čistotě vody záleží
Čistota vody je jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících batymetrický výkon LiDAR.
Zelený laser musí projít vodním sloupcem, odrazit se ode dna a vrátit se do vzdušného přijímače. Pokud je rozptýleno nebo absorbováno příliš mnoho světla, návrat z mořského dna může být slabý nebo jej nebude možné spolehlivě identifikovat.
Výsledek může ovlivnit několik podmínek prostředí:
- Suspendovaný sediment ve vodě.
- Řasy
- biologický materiál D. hmota.
- Prolomení vln a strhávané vzduchové bubliny.
- Tmavý materiál nebo materiály z mořského dna s nízkou odrazivostí.
- Změna zákalu po dešti nebo narušení pobřeží.
Čistá voda může umožnit větší průnik než voda zakalená, ale maximální dosažitelná hloubka každého přístroje nebo umístění není pevná hodnota pro vanu>Lip>
Limetrická hodnota pro LiP. být užitečné v mělkých pobřežních oblastech a že hloubkový výkon závisí na čistotě vody a schopnosti systému. Jeho popis pobřežních topobathymetrických dat také identifikuje mezery, kde nelze s jistotou detekovat návrat dna.
Pro průzkum ostrova Saona by měla být před plánováním letu vyhodnocena čistota vody. Jedno datum průzkumu nemusí představovat podmínky po celý rok.
5. Co produkuje topobatymetrický průzkum LiDAR?
Prvním hlavním výstupem je mračno bodů: sbírka jednotlivých trojrozměrných měření.
Každý bod může obsahovat prostorové souřadnice a další atributy, jako je intenzita návratu, klasifikace nebo číslo návratu, v závislosti na systému a pracovním postupu zpracování.
Po kontrole kvality lze mračno bodů použít k vytvoření několika produktů.
Digitální výškový model představuje nadmořskou výšku povrchu nad definovanou oblastí. Pobřežní model může zahrnovat exponovanou pevninu a vhodný ponořený terén.
Digitální modely terénu
Digitální model terénu se snaží znázornit podkladovou zemi nebo mořské dno spíše než vegetaci, budovy nebo jiné objekty.
Pobřežní průřezy
Průřezy zobrazují změny nadmořské výšky od vnitrozemských oblastí přes pláž a vodní plochy. Inženýři je mohou použít ke zkoumání plážových profilů a pobřežních svahů.
Vrstevnicové mapy
Vrstevnice spojují místa se stejnou nadmořskou výškou. Mohou pomoci interpretovat sklony pláže, ponořený terén a pobřežní tvary.
Trojrozměrné vizualizace
3D model může pomoci plánovačům a výzkumníkům prozkoumat, jak se povrch země propojuje s podvodními útvary.
Tyto produkty by měly vždy obsahovat metadata popisující data průzkumu, souřadnicové systémy, vertikální reference, hustotu bodů, metody zpracování a známá omezení.
6. Jak se plánuje topobathymetrický průzkum LiDAR?
Spolehlivý průzkum pobřeží začíná před vzletem letadla.
Krok 1: Definujte cíle průzkumu
Projektový tým by měl určit, k čemu budou data použita. Monitorování pobřeží, modelování záplav, mapování stanovišť a technický návrh mohou vyžadovat různé specifikace pokrytí a kvality.
Krok 2: Posouzení podmínek prostředí
Tým by měl prozkoumat čistotu vody, vlnové podmínky, zákal, počasí, vegetaci a očekávanou odrazivost mořského dna.
Při práci v mělké vodě může špatná viditelnost způsobit chybějící měření na pevnině
3h: dokonce i při úspěšném návratu pevninského dna3. linesPlánování letu určuje oblast průzkumu, nadmořskou výšku letu, rozteč čar, překrytí a očekávanou hustotu bodů.
Plán by měl pokrývat pobřežní pevninu a sahat k moři dostatečně daleko, aby zachytil zamýšlenou zónu mělké vody, v závislosti na schopnostech senzoru.
Krok 4: Stanovte polohu a orientaci v systémech družicového měření polohy a určování jednotek pro měření polohy a družice kir. poloha a orientace letadla.
Tato měření jsou kombinována s pozorováními ze skeneru a kalibračními informacemi pro výpočet polohy každého návratu laseru.
Krok 5: Shromážděte data
Letadlo sleduje plánované linie a zaznamenává návraty laseru spolu s navigačními a systémovými informacemi.
Krok 6: Zpracování a ověření
Průzkumný tým pod vodou zpracuje správné pozorování, sident na zemi. měření a vyhodnocování kvality dat.
Než jsou data použita pro kritická inženýrská rozhodnutí, jsou důležité nezávislé pozemní nebo vodní kontroly.
7. Význam GNSS a inerciálních měřicích systémů
Laserový skener měří vzdálenosti, ale samotná měření vzdálenosti k určení přesné polohy bodu na zemském povrchu nestačí.
Systém také potřebuje vědět:
- Orientace skeneru.
- Úhel laserového paprsku.
- Parametry časování a kalibrace.
Pozorování pomocí globálního navigačního satelitního systému (GNSS) pomáhá určit polohu letadla. Inerciální měřicí jednotka (IMU) zaznamenává pohyb a orientaci letadla.
Kombinace těchto měření s dosahem laseru a informacemi o úhlu skenování vytváří georeferenční mračna bodů.
Tento pracovní postup určování polohy je nezbytný pro porovnávání průzkumů shromážděných v různých datech. Umožňuje také kombinovat vzdušný LiDAR s jinými datovými soubory pobřežních map.
8. Aplikace kolem ostrova Saona
Topobathymetrický LiDAR by mohl podporovat několik typů pobřežního výzkumu kolem ostrova Saona za předpokladu, že bude proveden vhodný průzkum a výsledky budou ověřeny.
Výzkum morfologie pláže a pobřeží
Propojený výškový model země a vody může výzkumníkům pomoci při studiu profilů pláží, pobřežních svahů a změn v blízkosti pobřeží.
nadmořská výška se zvýšila nebo snížila. Smysluplná detekce změn však vyžaduje srovnatelné metody průzkumu, referenční systémy a vyhodnocení nejistoty.Posouzení pobřežních záplav
Povodňové modely vyžadují informace o terénu, přes který může voda cestovat.
Souvislý model pobřežní nadmořské výšky může zlepšit znázornění přechodu mezi vnitrozemským terénem, plážemi a mělkými mořskými oblastmi.
Samotná data LiDAR nepředpokládají. Jsou jedním ze vstupů do modelu, který také potřebuje vodní hladiny, vlny, hraniční podmínky a další relevantní informace.
Malké mořské dno a mapování stanovišť
Tvar mořského dna je užitečný pro pochopení fyzického nastavení mořských biotopů.
Topobatymetrický LiDAR může pomoci zmapovat mělký ponořený terén, kde je stále nezbytný spolehlivý návrat vody a odraz na dně.
< potvrdit typy stanovišť. Údaje o nadmořské výšce by neměly být považovány za přímý důkaz konkrétního druhu nebo ekosystému.Plánování pobřežní infrastruktury
Inženýři mohou používat podrobné informace o nadmořské výšce pobřeží při hodnocení navrhovaných staveb, přístupových tras, odvodňovacích systémů a koncepcí ochrany pobřeží.
Jakýkoli technický návrh by měl být založen na vhodné přesnosti průzkumu, průzkumu lokality a příslušných technických průzkumech Coastal><3. monitorování
Opakované průzkumy nadmořské výšky mohou pomoci kvantifikovat změny povrchů pláží a mořského dna.
Výzkumníci mohou porovnávat digitální modely nadmořské výšky z různých dat za účelem odhadu eroze nebo depozice za předpokladu, že kvalita dat, referenční úrovně a nejistota jsou pečlivě kontrolovány.
9. Topobathymetrický LiDAR ve srovnání s jinými metodami průzkumu
Žádná technologie průzkumu není vhodná pro každé pobřežní prostředí.
Topografický LiDAR je užitečný pro nadmořskou výšku země a mapování povrchu, ale konvenční měření v blízké infračervené oblasti neposkytují nadmořské výšky pod hladinou mořského dna.
Bathymetrický sonar využívá zvukové vlny k měření hloubek pod vodou. Může fungovat ve vodních podmínkách, kde může optický LiDAR bojovat, ačkoli obecně vyžaduje plavidlo nebo jinou vodní platformu.
Batymetrie odvozená ze satelitu využívá optické satelitní snímky k odhadu hloubky mělké vody. Její výkon závisí na čistotě vody, podmínkách dna, kvalitě obrazu a kalibraci.
Letecká fotogrammetrie využívá překrývající se snímky k rekonstrukci viditelných povrchů. Je užitečný pro exponované pláže a pobřežní útvary, ale běžné snímky ve viditelném světle neměří přímo ponořený terén přes neprůhlednou nebo opticky složitou vodu.
Praktický program pro mapování pobřeží může tyto metody kombinovat. Návod k pracovnímu postupu lidaru NOAA uvádí, že topobatymetrický LiDAR může pomoci vyplnit přechod mezi topografickým LiDAR a batymetrickým sonarovým pokrytím.
10. Přesnost, validace a kvalita dat
Vizuálně atraktivní 3D model není automaticky přesným průzkumem.
Projektový tým musí posoudit jak horizontální, tak vertikální přesnost spolu se spolehlivostí ponořených návratů.
Důležité kontroly kvality zahrnují:
Local explorer & expert guide in Silven International.
