Saona Island Topobathymetric LiDAR: Strandok, partvonalak és sekély tengerfenék feltérképezése lézeres szkenneléssel

Bevezetés

A Dominikai Köztársaság délkeleti partjainál található Saona-sziget értékes környezet a part menti tájak és a sekély tengeri környezet kapcsolatának megértéséhez. A strandok, a partközeli vizek, a víz alatti terep és a part menti ökoszisztémák egy folyamatosan változó fizikai rendszert alkotnak. Ezeknek a környezeteknek a tanulmányozásához pontos magassági adatokra van szükség a vízfelszín felett és alatt egyaránt.

A hagyományos földmérés és víz alatti mélységmérés gyakran különböző eszközöket és módszereket használ. A légi topobatimetriás LiDAR egy másik megközelítést kínál: lézeres szkennelést használ a tengerszint feletti magassági információk összegyűjtésére a part menti területeken és a megfelelő sekély vízi környezetben ugyanazon felmérési művelet során.

A part menti mérnökök, tengerkutatók és környezettervezők számára ez a technológia segíthet összekapcsolt háromdimenziós modellek létrehozásában a part menti övezetről. Egy gondosan megtervezett topobatimetriás LiDAR-projekt támogathatja a partvonal változásaira, a part menti áradásokra, a strandok morfológiájára és a Saona-sziget körüli sekély vizű élőhelyekre vonatkozó jövőbeli kutatásokat.

Ez a cikk elmagyarázza, hogyan működik a technológia, milyen információkat gyűjthet, hol hasznos, és milyen korlátozásokat kell figyelembe venni, mielőtt karibi szigeti környezetben alkalmaznák.

1. Mi az a Topobathymetric LiDAR?

A LiDAR a fényérzékelést és a távolság-meghatározást jelenti. Ez egy távérzékelési technológia, amely lézerimpulzusok továbbításával és a felületekről visszavert fény rögzítésével méri a távolságokat.

A Topobathymetric LiDAR két kapcsolódó felmérési funkciót egyesít:

• Topográfiai LiDAR felület jellemzői és elevációs felületei: szárazföldön.
• Bathymetric LiDAR: Vízbehatoló lézerfényt használ a merülő terep mérésére megfelelő vízviszonyok mellett.

A kombinált rendszert úgy tervezték, hogy információkat gyűjtsön a szárazföld-víz határon át. Eredményei között szerepelhetnek a tengerparti magasságok, a part menti domborzat, a vízfelszín visszatérése és a víz alatti tengerfenék magassága.

Ez különösen értékes a part menti tanulmányok során, mivel a szárazföldi és víz alatti felmérések külön adatkészleteket hozhatnak létre, amelyekben hiányosságok vagy inkonzisztenciák találhatók a part közelében.

A NOAA leírása szerint a topográfiai rendszerek jellemzően közeli infravörös fényt használnak, a batimetrikus rendszereket pedig zöld fényként használják, amely képes áthatolni a vízen. A kombinált megfigyelések háromdimenziós magassági szorzatokká dolgozhatók fel. (NOAA: https://oceanservice.noaa.gov/geodesy/lidar.html)

2. Hogyan működik az Airborne Topobathymetric LiDAR?

Egy tipikus felmérési rendszer egy repülőgépre van felszerelve. A repülőgép a tervezett repülési vonalakat követi, miközben a szkenner lézerimpulzusokat küld az alatta lévő felület felé.

A topobatimetriás rendszer általában két lézerhullámhosszt használ:

Közeli infravörös lézer

A közeli infravörös lézer elsősorban a szárazföldi felületek mérésére szolgál. Rögzítheti a strandokról, a szabaddá vált sziklákról, a növényzetről és más part menti jellemzőkről származó visszatéréseket.

A vízfelszín azonosítását is segíti, mivel a közeli infravörös fény erősen visszaverődik vagy elnyelődik a levegő-víz határfelületen, nem pedig hasznos tengerfenéki sugárzást biztosít.

Zöld lézer

A zöld lézert a víz alatti összetevőhöz használják. Energiájának egy része áthalad a vízen, a tengerfenék felé halad, majd visszaverődés után visszatér a levegőben lévő érzékelőhöz.

A műszer rögzíti a visszatérő jel időzítését és jellemzőit. A vízfelszín és a tengerfenék visszatérésének azonosításával a feldolgozószoftver meg tudja becsülni a vízmélységet és a tengerfenék magasságát.

A zöld lézer energiát veszít a vízen való utazás során. A lebegő részecskék, algák, buborékok és egyéb anyagok szórhatják vagy elnyelik a fényt, csökkentve a tengerfenék visszatérésének erejét.

A Natural Resources Canada elmagyarázza, hogyan működnek együtt a közeli infravörös és a zöld lézeres megfigyelések, beleértve a fénytörés és a víz tisztaságának hatásait. (Hivatkozás: Federal Airborne LiDAR Data Acquisition Guideline)

3. A lézeres távolságmérés mögötti tudomány

A LiDAR a távolságot egy lézerimpulzus utazási idejével méri.

Egyszerűsített szárazföldi méréshez a távolság a következőképpen fejezhető ki:

R = c × Δt / 2

Hol:

<2 pl. távolság az érzékelő és a visszaverő felület között
• c = fénysebesség
• Δt = mért oda-vissza utazási idő

A kettővel való osztás azért szükséges, mert a lézer eljut a célpontig, majd visszatér az érzékelőhöz.

A víz alatti mérések további korrekciókat igényelnek. A fény sebességét és irányát változtatja, amikor levegőből vízbe kerül. Ezért a feldolgozó rendszernek figyelembe kell vennie a fénytörést és a két környezet eltérő optikai tulajdonságait.

A pontos számítás a műszer kialakításától, a detektált hullámformáktól és a feldolgozási módszertől függ. Egy megbízható felmérés nem kezelheti úgy a víz alatti utat, mintha a lézer teljes egészében a levegőben haladt volna.

4. Miért számít a víz tisztasága?

A víz tisztasága az egyik legfontosabb tényező, amely befolyásolja a batimetrikus LiDAR teljesítményt.

A zöld lézernek át kell haladnia a vízoszlopon, visszaverődik az aljáról, majd vissza kell térnie a levegőben lévő vevőhöz. Ha túl sok fényt szórnak szét vagy nyelnek el, a tengerfenék visszaáramlása gyengülhet, vagy nem lehet biztosan azonosítani.

Számos környezeti körülmény befolyásolhatja az eredményt:

• Suszpendált üledék a vízben.
• Biológiai algák és egyéb szolli anyagok. anyag.
• Megtörő hullámok és magával ragadó légbuborékok.
• Sötét vagy alacsony fényvisszaverő képességű tengerfenéki anyagok.
• A zavarosság változása csapadék vagy part menti zavarás után.

A tiszta víz nagyobb behatolást tesz lehetővé, mint a zavaros víz, de a maximális elérhető fürdőmélység nem minden fürdőmélység. A LiDAR hasznos lehet sekély tengerparti területeken, és a mélységi teljesítmény a víz tisztaságától és a rendszer képességétől függ. A part menti topobatimetriás adatok leírása is azonosítja azokat a hiányosságokat, ahol a fenékre való visszatérés nem észlelhető magabiztosan.

A Saona-sziget felméréséhez a víz tisztaságát a repülés tervezése előtt fel kell mérni. Előfordulhat, hogy egyetlen felmérési dátum nem tükrözi az egész év körülményeit.

5. Mit produkál egy topobatimetriás LiDAR felmérés?

Az első fő eredmény egy pontfelhő: egyedi háromdimenziós mérések gyűjteménye.

Minden pont tartalmazhat térbeli koordinátákat és további attribútumokat, például a visszatérési intenzitást, az osztályozást vagy a visszatérési számot, a rendszertől és a feldolgozási munkafolyamattól függően. termékek.

Digitális domborzati modellek

A digitális domborzati modell egy felület magasságát ábrázolja egy meghatározott területen. A tengerparti modellek tartalmazhatnak szabad területet és megfelelő víz alatti domborzatot.

Digitális domborzatmodellek

A digitális domborzatmodellek a növényzet, épületek vagy egyéb objektumok helyett az alatta lévő talajt vagy a tengerfenéket próbálják ábrázolni.

Partmetszetek

A part menti keresztmetszetek és a víz keresztmetszete a szárazföld változásait mutatja. A mérnökök a strandprofilok és a part lejtőinek vizsgálatára használhatják őket.

Kontúrtérképek

A körvonalak azonos magasságú helyeket kötnek össze. Segíthetnek értelmezni a tengerparti lejtőket, a víz alá süllyesztett terepeket és a part menti felszínformákat.

Háromdimenziós vizualizációk

A 3D-s modell segíthet a tervezőknek és kutatóknak megvizsgálni, hogy a földfelszín hogyan kapcsolódik a víz alatti objektumokhoz.

Ezeknek a termékeknek mindig tartalmazniuk kell a felmérési dátumokat, koordinátarendszereket, függőleges hivatkozásokat, pontsűrűséget, feldolgozási módszereket és ismert korlátozásokat leíró metaadatokat.

6. Hogyan tervezik a topobatimetriás LiDAR felmérést?

Megbízható part menti felmérés kezdődik a repülőgép felszállása előtt.

1. lépés: Határozza meg a felmérés céljait

A projektcsapatnak meg kell határoznia, hogy mire használják fel az adatokat. A partvonal-monitoring, az árvízmodellezés, az élőhelyek feltérképezése és a mérnöki tervezés eltérő lefedettségi és minőségi előírásokat igényelhet.

2. lépés: A környezeti feltételek felmérése

A csapatnak meg kell vizsgálnia a víz tisztaságát, a hullámviszonyokat, a zavarosságot, az időjárást, a növényzetet és a tengerfenék várható reflexióját.

Sekély vízi munkáknál a tengerfenéken végzett mérések rossz látási viszonyai hiányozhatnak is. sikeres.

3. lépés: Tervezze meg a repülési vonalakat

A repülési tervezés meghatározza a felmérési területet, a repülési magasságot, a vonaltávolságot, az átfedést és a várható pontsűrűséget.

A tervnek le kell fednie a part menti területet, és elég messzire kell kiterjednie a tenger felé ahhoz, hogy befogja a tervezett sekély vízi zónát, az érzékelő képességeitől és helyzetétől függően.

Stepish4:stabing> tájolás

A légi LiDAR rendszerek műholdas helymeghatározást és inerciális mérőegységet használnak a repülőgép helyzetének és tájolásának meghatározására.

Ezeket a méréseket a szkenner megfigyeléseivel és a kalibrációs információkkal kombinálják, hogy kiszámítsák az egyes lézeres visszatérések helyét.

5. lépés: Gyűjtse össze az adatokat, és rögzítse a lézeres visszatérési rendszert, és rögzítse a tervezett visszatérési rendszert. információkat.

6. lépés: Feldolgozás és érvényesítés

A felmérést végző csapat feldolgozza a megfigyeléseket, azonosítja a talaj- és vízvisszaadást, kijavítja a víz alatti méréseket és értékeli az adatok minőségét.

A független talaj- vagy vízalapú ellenőrzések fontosak, mielőtt az adatokat kritikus mérnöki döntésekhez felhasználnák.

7. A GNSS és az inerciális mérőrendszerek jelentősége

A lézerszkenner tartományokat mér, de a távolságmérés önmagában nem elegendő egy pont pontos helyének meghatározásához a Föld felszínén.

A rendszernek ismernie kell a következőket is:

• Víz alatti mélységek ellenőrzése megfelelő referenciamérésekkel.
• Az átfedő repülési vonalak közötti különbségek vizsgálata.
• A pontsűrűség és a hiányzó adatterületek áttekintése.
• A vízviszonyok hatásainak felmérése.
• Kalibrálás és helymeghatározás ellenőrzése
• Adatok rögzítése és nyilvántartásának megszüntetése. korlátok.

A vízfelszín mozgása, a hullámok, a fénytörés korrekciói, a tengerfenék reflexiója és a repülőgép helyzete mind hatással lehet a végtermékre.

A part menti tervezésnél a bizonytalanságot egyértelműen kell jelenteni, nem pedig egyetlen pontossági szám mögé rejtve. A megfelelő minőségi követelmény az adatok rendeltetésszerű felhasználásától függ.

11. A Topobathymetric LiDAR használatának kihívásai a Karib-térségben

A trópusi szigetkörnyezet számos gyakorlati megfontolást rejt magában.

Változó víztisztaság

A csapadék, lefolyás, üledék újraszuszpendálása és biológiai aktivitása befolyásolhatja a víz alatti láthatóságot. A felmérés időzítésénél figyelembe kell venni ezeket a változásokat.

A hullámok törése

A hab és a buborékok szétszórhatják a zöld lézert, és megzavarhatják a tengerfenék észlelését. A szörfzónák réseket tartalmazhatnak a víz alatti pontfelhőben.

Sűrű tengerparti növényzet

A növényzet megnehezítheti a pusztaföldi terep kitermelését. Többféle lézeres visszaküldés és osztályozási algoritmus segíthet, de a sűrű borítás továbbra is korlátozhatja a talajérzékelést.

Összetett tengerparti geometria

Sziklás peremek, kis öblök, sekély zátonyok és változó strandprofilok gondos repülési tervezést és kiegészítő felméréseket igényelhetnek.

Adathiányok

A teljes lefedettség nem garantálja minden egyes terület sikeres lefedettségét. A hiányzó tengerfenék-visszaadásokat azonosítani és dokumentálni kell, nem pedig mért terepként.

12. Javasolt topobatimetriás LiDAR kutatási keretrendszer a Saona-szigetre

Egy jövőbeli kutatási projektet öt szakaszra lehetne szervezni.

1. szakasz – Előzetes értékelés: Tekintse át a rendelkezésre álló part menti térképeket, a műholdfelvételeket, a vízviszonyokat és a tervezett kutatási célokat.

2. szakasz – A megfelelő légi szenzor kiválasztása, tervezése: sekély vízi lefedettség, helymeghatározási követelmények megállapítása és független érvényesítés megtervezése.

3. szakasz – Adatgyűjtés: Légi LiDAR megfigyelések gyűjtése megfelelő időjárási és víztiszta viszonyok között.

4. szakasz – Feldolgozás és minőség-ellenőrzés: Minősített pontfelhők, digitális terepinformációk, > és part menti keresztezések létrehozása. Tengerparti elemzés: Használja a validált adatkészletet partvonal-kutatáshoz, strandmorfológiához, sekély tengerfenék-elemzéshez vagy megfelelő árvízmodellezési alkalmazásokhoz.

A projektnek azonosítania kell azokat a területeket, ahol a LiDAR nem tud megbízható fenékhozamot elérni, és szükség esetén kiegészítő módszereket kell alkalmaznia.

Ez egy javasolt kutatási keret, nem pedig annak megállapítása, hogy már létezik egy topobatimetriás LiDAR-sziget2 felmérés vagy állandó megfigyelési program

A part menti mérnököknek meg kell érteniük, hogy a szárazföld és a víz hogyan hatnak egymásra.

A strandokat nem lehet teljes mértékben tanulmányozni pusztán a kitett felület mérésével. Hasonlóképpen, a partvonal közelében lévő víz alatti terep is befolyásolhatja a hullámok átalakulását, az üledékmozgást és a part menti folyamatokat.

A topobatimetriás LiDAR lehetőséget kínál az összekapcsolt magassági információk összegyűjtésére az átmeneti zóna nagy részén.

Az építőmérnökhallgatók számára ez is hasznos példa a földmérés, a távérzékelés, a geodézia, a GIS és a part menti mérnökök együttműködésére. A technológia azt bizonyítja, hogy a modern tengerparti térképezés nem korlátozódik a hagyományos talajmérésekre vagy a hajó alapú mélységmérésekre.

Gyakran Ismételt Kérdések

1. Mi az a topobatimetriás LiDAR?

Ez egy légi lézeres felmérési módszer, amely alkalmas a szárazföldi magasság és a víz alatti terep mérésére alkalmas sekély vízi környezetben.

2. Hogyan méri a LiDAR a víz alatti mélységet?

A zöld lézer áthalad a vízen, és visszaverődik a tengerfenékről. A rendszer azonosítja a vízfelszín és a tengerfenék visszatérését, és a szükséges optikai és geometriai korrekciók alkalmazása után kiszámítja a mélységet.

3. Miért használ a topobatimetriás LiDAR zöld fényt?

A zöld hullámhosszok hatékonyabban tudnak áthatolni a vízen, mint a szárazföldi térképezéshez általánosan használt közeli infravörös hullámhosszok. A tényleges behatolás a víz tisztaságától, az érzékelőtől és a tengerfenék állapotától függ.

4. A LiDAR feltérképezheti a korallzátonyok területeit?

Lehet térképezni a sekély, zátonyokhoz kapcsolódó tengerfenéki felszíneket, ahol a víz kellően tiszta, és a fenéken való visszatérés észlelhető. Az ökológiai azonosítás és a zátonyok állapotának felmérése további bizonyítékokat igényel.

5. Kiválthatja a szonáros felméréseket?

Nem. A LiDAR és a szonár erőssége eltérő. A LiDAR a megfelelő sekély víz gyors lefedésére alkalmas, míg a szonár a mélyebb vagy optikailag nehéz víz alatti területeken fontos.

6. Elérhető már a topobatimetriás LiDAR a Saona-szigeten?

Ez a cikk nem bizonyítja, hogy egy konkrét topobatimetriás LiDAR-felmérés befejeződött volna Saona-sziget körül. A helyi lefedettséget és az adatok elérhetőségét hiteles térképtárak és felmérési szolgáltatók segítségével kell ellenőrizni.

7. Mi a batimetriás LiDAR fő korlátja?

A víz tisztasága jelentős korlát, mivel a lebegő anyagok, buborékok és egyéb optikai akadályok gyengíthetik vagy megakadályozhatják a megbízható tengerfenék-visszatérést.

8. Mit tehetnek a mérnökök a topobatimetriás LiDAR adatokkal?

Megfelelő validált adatokat használhatnak a part menti domborzat modellezéséhez, partvonal-vizsgálatokhoz, árvízbecsléshez, strandmorfológiai kutatásokhoz és előzetes infrastruktúra-tervezéshez.

Következtetés

A topobatimetriás LiDAR egyesíti a szárazföldi és a sekélyvízi lézeres technológiát a levegőben végzett mérések révén. A közeli infravörös és zöld lézeres mérések precíz helymeghatározási és tájékozódási adatokkal való kombinálásával részletes, háromdimenziós információkat állíthat elő a megfelelő tengerparti környezetben.

A Saona-sziget számára ez a technológia ígéretes megközelítést jelent a strandok morfológiájával, a partvonal változásával, a sekély tengerfenék domborzatával és a part menti árvizek modellezésével kapcsolatos jövőbeli kutatásokhoz. Hasznossága a víz tisztaságától, a felmérés tervezésétől, a műszer képességétől, az adatfeldolgozástól és a független hitelesítéstől függ.

A part menti térképezés leghatékonyabb stratégiája nem feltétlenül egy eszközre támaszkodik. A topobatimetriás LiDAR szonárral, GNSS felmérésekkel, légi felvételekkel és terepi megfigyelésekkel kombinálva teljesebb megértést biztosíthat a part menti környezetről.

A strand és a tengerfenék összekapcsolt képe segíthet a kutatóknak abban, hogy a partot egy összefüggő tájként értelmezzék.