Топобатиметрический LiDAR острова Саона: картографирование пляжей, береговой линии и мелководного морского дна с помощью лазерного сканирования

Введение

Остров Саона, расположенный у юго-восточного побережья Доминиканской Республики, является ценным местом для понимания того, как прибрежные ландшафты связаны с мелководной морской средой. Пляжи, прибрежные воды, подводная местность и прибрежные экосистемы образуют одну постоянно меняющуюся физическую систему. Для изучения этих сред требуется точная информация о высоте как над, так и под поверхностью воды.

Традиционные исследования суши и подводные исследования глубины часто используют разные инструменты и методы. Воздушный топобатиметрический LiDAR предлагает другой подход: он использует лазерное сканирование для сбора информации о высоте прибрежной территории и подходящей мелководной среды во время одной и той же операции исследования.

Для береговых инженеров, морских исследователей и специалистов по экологическому планированию эта технология может помочь создать связанные трехмерные модели прибрежной зоны. Тщательно разработанный проект топобатиметрического LiDAR может способствовать будущим исследованиям изменения береговой линии, прибрежных наводнений, морфологии пляжей и мелководной среды обитания вокруг острова Саона.

В этой статье объясняется, как работает технология, какую информацию она может собирать, где она полезна и какие ограничения необходимо учитывать, прежде чем применять ее к окружающей среде карибских островов.

1. Что такое топобатиметрический LiDAR?

LiDAR означает обнаружение света и определение дальности. Это технология дистанционного зондирования, которая измеряет расстояния путем передачи лазерных импульсов и регистрации света, отраженного от поверхностей.

Топабатиметрический LiDAR сочетает в себе две связанные функции съемки:

• Топографический LiDAR: Измеряет высоту и характеристики поверхности суши.
• Батиметрический LiDAR: использует проникающий в воду лазерный свет для измерения затопленной местности в подходящих водных условиях.

Комбинированная система предназначена для сбора информации на границе суши и воды. Его выходные данные могут включать возвышения пляжей, прибрежную местность, возвраты водной поверхности и возвышения морского дна.

Это особенно ценно при исследованиях побережья, поскольку в противном случае при наземных и подводных съемках могут быть получены отдельные наборы данных с пробелами или несоответствиями вблизи береговой линии.

NOAA описывает топографические системы как обычно использующие ближний инфракрасный свет, а батиметрические системы как использующие зеленый свет, способный проникать через воду. Объединенные наблюдения могут быть преобразованы в трехмерные продукты высот. (NOAA: https://oceanservice.noaa.gov/geodesy/lidar.html)

2. Как работает бортовой топобатиметрический лидар?

Типичная система съемки устанавливается на самолете. Самолет следует по запланированным линиям полета, а сканер посылает лазерные импульсы к поверхности внизу.

В топобатиметрической системе обычно используются две длины волны лазера:

Лазер ближнего инфракрасного диапазона

Лазер ближнего инфракрасного диапазона в основном используется для измерения поверхности земли. Он может регистрировать отражения от пляжей, обнаженных камней, растительности и других прибрежных объектов.

Он также помогает идентифицировать водную поверхность, поскольку ближний инфракрасный свет сильно отражается или поглощается на границе раздела воздух-вода, а не обеспечивает полезные отражения от морского дна.

Зеленый лазер

Зеленый лазер используется для подводного компонента. Часть его энергии проходит через воду, достигает морского дна и после отражения возвращается к бортовому датчику.

Прибор записывает время и характеристики возвращенного сигнала. Определяя возвраты воды на поверхность и морское дно, программное обеспечение для обработки может оценить глубину воды и высоту морского дна.

Зеленый лазер теряет энергию при движении через воду. Взвешенные частицы, водоросли, пузыри и другие материалы могут рассеивать или поглощать свет, уменьшая силу возвращения с морского дна.

Канада по природным ресурсам объясняет, как совместно работают наблюдения ближнего инфракрасного и зеленого лазеров, включая эффекты преломления и прозрачности воды. (Ссылка: Федеральное руководство по сбору данных с помощью бортового лазерного дальномерного сканирования)

3. Наука, лежащая в основе лазерного измерения расстояний

LiDAR измеряет расстояние, используя время прохождения лазерного импульса.

Для упрощенного измерения на местности расстояние можно выразить как:

R = c × Δt / 2

Где:

• R = расстояние между датчиком и отражающая поверхность
• c = скорость света
• Δt = измеренное время прохождения туда и обратно

Деление на два необходимо, поскольку лазер достигает цели, а затем возвращается к датчику.

Подводные измерения требуют дополнительных поправок. Свет меняет скорость и направление, когда переходит из воздуха в воду. Следовательно, система обработки должна учитывать преломление и различные оптические свойства двух сред.

Точный расчет зависит от конструкции прибора, обнаруженных сигналов и метода обработки. При надежной съемке подводный путь не должен рассматриваться так, как если бы лазер прошел полностью по воздуху.

4. Почему прозрачность воды важна

Прозрачность воды является одним из наиболее важных факторов, влияющих на батиметрические характеристики LiDAR.

Зеленый лазер должен пройти через толщу воды, отразиться от дна и вернуться к бортовому приемнику. Если слишком много света рассеивается или поглощается, возврат морского дна может стать слабым или его невозможно будет уверенно идентифицировать.

На результат могут повлиять несколько условий окружающей среды:

• Взвешенные отложения в воде.
• Водоросли и другой биологический материал.
• Растворенное органическое вещество.
• Прибойные волны и вовлекаемые пузырьки воздуха.
• Темные материалы морского дна или материалы с низкой отражающей способностью.
• Изменение мутности после дождя или возмущения побережья.

Чистая вода может обеспечить большее проникновение, чем мутная вода, но максимально достижимая глубина не является фиксированным значением для каждого прибора или места.

НОАА отмечает, что батиметрический LiDAR может быть полезен в мелководных прибрежных районах, и что характеристики глубины зависят от прозрачности воды и возможностей системы. Описание прибрежных топобатиметрических данных также определяет пробелы, в которых невозможно уверенно обнаружить возврат от дна.

При съемке острова Саона перед планированием полета следует оценить прозрачность воды. Одна дата опроса может не отражать ситуацию в течение года.

5. Что дает топобатиметрическая съемка LiDAR?

Первым основным результатом является облако точек: набор отдельных трехмерных измерений.

Каждая точка может содержать пространственные координаты и дополнительные атрибуты, такие как интенсивность отражения, классификация или количество отражений, в зависимости от системы и рабочего процесса обработки.

После контроля качества облако точек можно использовать для создания нескольких картографических продуктов.

Цифровые модели рельефа

Цифровая модель рельефа представляет собой высоту поверхности над определенной областью. Прибрежная модель может включать обнаженную землю и подходящую подводную местность.

Цифровые модели местности

Цифровая модель местности пытается отобразить подстилающий грунт или морское дно, а не растительность, здания или другие объекты.

Поперечные разрезы побережья

Поперечные сечения показывают изменения высоты от внутренних районов через пляж до мелководья. Инженеры могут использовать их для изучения профилей пляжей и прибрежных склонов.

Контурные карты

Контуры соединяют места с одинаковой высотой. Они могут помочь интерпретировать уклон пляжа, подводную местность и формы прибрежного рельефа.

Трехмерная визуализация

3D-модель может помочь планировщикам и исследователям изучить, как поверхность суши связана с подводными объектами.

Эти продукты всегда должны включать метаданные, описывающие даты съемок, системы координат, вертикальные привязки, плотность точек, методы обработки и известные ограничения.

6. Как планируется топобатиметрическое исследование LiDAR?

Надежное исследование побережья начинается еще до взлета самолета.

Шаг 1: Определите цели исследования

Команда проекта должна определить, для чего будут использоваться данные. Мониторинг береговой линии, моделирование наводнений, картирование среды обитания и инженерное проектирование могут потребовать различного охвата и технических требований к качеству.

Шаг 2: Оценить условия окружающей среды

Команда должна изучить прозрачность воды, волновые условия, мутность, погоду, растительность и ожидаемую отражательную способность морского дна.

При работе на мелководье плохая видимость может привести к отсутствию отражений от морского дна даже в случае успешных наземных измерений.

Шаг 3: Спроектировать траектории полета

Планирование полета определяет зону съемки, высоту полета, расстояние между линиями, перекрытие и ожидаемую плотность точек.

План должен охватывать прибрежную территорию и простираться в сторону моря достаточно далеко, чтобы охватить предполагаемую зону мелководья, в зависимости от возможностей датчика.

Шаг 4: определение местоположения и ориентации

Бортовые системы LiDAR используют спутниковое позиционирование и инерциальный измерительный блок для определения положения и ориентации самолета.

Эти измерения сочетаются со сканером данные наблюдений и калибровки для расчета местоположения каждого отражения лазера.

Шаг 5: Соберите данные

Самолет следует по запланированным линиям и записывает отражения лазера вместе с навигационной и системной информацией.

Шаг 6: Обработка и проверка

Исследовательская группа обрабатывает наблюдения, определяет отражения на суше и воде, корректирует подводные измерения и оценивает качество данных.

Независимые наземные или водные проверки важны, прежде чем данные будут использоваться для важные инженерные решения.

7. Важность GNSS и инерциальных измерительных систем

Лазерный сканер измеряет дальность, но одних измерений дальности недостаточно для определения точного местоположения точки на поверхности Земли.

Системе также необходимо знать:

• Положение самолета.
• Крен, тангаж и наклон самолета заголовок.
• Ориентация сканера.
• Угол лазерного луча.
• Параметры синхронизации и калибровки.

Наблюдения Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) помогают определить положение самолета. Инерциальный измерительный блок (IMU) записывает движение и ориентацию самолета.

Объединение этих измерений с информацией о дальности лазера и угле сканирования создает облака точек с географической привязкой.

Этот рабочий процесс позиционирования необходим для сравнения съемок, собранных в разные даты. Это также позволяет комбинировать бортовой LiDAR с другими наборами данных прибрежного картографирования.

8. Применения вокруг острова Саона

Топобатиметрический LiDAR может поддерживать несколько типов прибрежных исследований вокруг острова Саона при условии, что будет проведена соответствующая съемка и подтверждены результаты.

Исследование морфологии пляжа и береговой линии

Связанная модель рельефа суши и воды может помочь исследователям изучать профили пляжей, прибрежные склоны и изменения прибрежной местности.

Повторные исследования могут помочь определить, где высота увеличилась или уменьшилась. Однако для значимого обнаружения изменений требуются сопоставимые методы исследования, эталонные системы и оценки неопределенности.

Оценка прибрежного наводнения

Модели наводнения требуют информации о местности, по которой может перемещаться вода.

Непрерывная модель возвышения побережья может улучшить представление перехода между внутренней местностью, пляжами и мелководными морскими районами.

Само по себе данные LiDAR не позволяют предсказать наводнение. Они являются одним из входных данных для модели, для которой также необходимы уровни воды, волны, граничные условия и другая соответствующая информация.

Картирование мелководного морского дна и среды обитания

Форма морского дна полезна для понимания физического состояния морской среды обитания.

Топобатиметрический лидар может помочь составить карту мелководной затопленной местности, где прозрачность воды и отражательная способность дна позволяют получить надежные данные.

Для идентификации и подтверждения типов среды обитания все еще необходимы дополнительные экологические исследования. Данные о высоте не следует рассматривать как прямое доказательство существования определенного вида или экосистемы.

Планирование прибрежной инфраструктуры

Инженеры могут использовать подробную информацию о высоте побережья при оценке предлагаемых сооружений, маршрутов доступа, дренажных систем и концепций защиты береговой линии.

Любой инженерный проект должен основываться на соответствующей точности съемки, исследованиях местности и применимых технических стандартах.

Мониторинг изменений побережья

Повторные исследования высоты могут помочь количественно оценить изменения на пляже. и поверхности морского дна.

Исследователи могут сравнивать цифровые модели рельефа за разные даты, чтобы оценить эрозию или отложения, при условии, что качество данных, контрольные уровни и неопределенность тщательно контролируются.

9. Топобатиметрический лидар по сравнению с другими методами съемки

Ни одна технология съемки не подходит для каждой прибрежной среды.

Топографический LiDAR полезен для картографирования рельефа местности и поверхности, но обычные измерения в ближнем инфракрасном диапазоне не позволяют определить высоту морского дна.

Батиметрический гидролокатор использует звуковые волны для измерения подводных глубин. Он может работать в водных условиях, где оптический LiDAR может работать с трудом, хотя обычно для этого требуется судно или другая водная платформа.

Спутниковая батиметрия использует оптические спутниковые изображения для оценки глубины мелководья. Его производительность зависит от прозрачности воды, состояния дна, качества изображения и калибровки.

Аэрофотограмметрия использует перекрывающиеся изображения для реконструкции видимых поверхностей. Это полезно для открытых пляжей и прибрежных объектов, но обычные изображения в видимом свете не позволяют напрямую измерить затопленную местность через непрозрачную или оптически сложную воду.

Практическая программа картографирования побережья может комбинировать эти методы. В руководстве NOAA по рабочему процессу лидара отмечается, что топобатиметрический LiDAR может помочь заполнить переход между топографическим LiDAR и покрытием батиметрического сонара.

10. Точность, проверка и качество данных

Визуально привлекательная 3D-модель не является автоматически точной съемкой.

Команда проекта должна оценить как горизонтальную, так и вертикальную точность, а также надежность подводных возвратов.

Важные проверки качества включают:

• Сравнение рельефа местности с результатами независимой съемки контроль.
• Проверка подводных глубин по подходящим эталонным измерениям.
• Изучение различий между перекрывающимися линиями полета.
• Просмотр плотности точек и областей недостающих данных.
• Оценка влияния условий воды.
• Проверка записей калибровки и позиционирования.
• Сообщение о неопределенности и ограничениях данных.

Движение поверхности воды, волны, поправки за преломление, морское дно Коэффициент отражения и расположение самолета могут повлиять на конечный продукт.

Для береговой инженерии неопределенность следует указывать четко, а не скрывать за одним показателем точности. Соответствующие требования к качеству зависят от предполагаемого использования данных.

11. Проблемы использования топобатиметрического лидара в Карибском бассейне

Природа тропических островов требует ряда практических соображений.

Изменчивая прозрачность воды

Осадки, сточные воды, взвешивание отложений и биологическая активность могут влиять на видимость под водой. Эти изменения следует учитывать при выборе времени съемки.

Прибойные волны

Пена и пузырьки могут рассеивать зеленый лазер и мешать обнаружению морского дна. Зоны прибоя могут содержать пробелы в подводном облаке точек.

Плотная прибрежная растительность

Растительность может затруднить добычу голой земли. Множественные лазерные отражения и алгоритмы классификации могут помочь, но густой покров все равно может ограничить обнаружение грунта.

Сложная геометрия побережья

Скалистые окраины, небольшие заливы, неглубокие рифы и изменяющиеся профили пляжей могут потребовать тщательного планирования полетов и дополнительных исследований.

Пробелы в данных

Успешная съемка не гарантирует полного охвата каждой затопленной территории. Недостающие данные о морском дне должны быть идентифицированы и задокументированы, а не представлены как измеренные данные о рельефе местности.

12. Предлагаемая структура топобатиметрического исследования LiDAR для острова Саона

Будущий исследовательский проект можно разделить на пять этапов.

Этап 1 – Предварительная оценка: Анализ имеющихся прибрежных карт, спутниковых изображений, условий воды и намеченных целей исследования.

Этап 2 – Разработка исследования: Выберите подходящий бортовой датчик, определите зону покрытия суши и мелководья, установите требования к позиционированию и спланируйте независимое планирование проверка.

Этап 3 – Сбор данных: Сбор данных с помощью LiDAR с воздуха в подходящие погодные условия и условия ясности воды.

Этап 4 – Обработка и контроль качества: Создание классифицированных облаков точек, цифровых моделей местности, разрезов побережья и информации о неопределенности.

Этап 5 – Анализ побережья: Использование проверенного набора данных для исследования береговой линии, морфологии пляжей, мелководного морского дна анализ или подходящие приложения для моделирования наводнений.

Проект должен определить области, где LiDAR не может получить надежные данные о дне, и использовать дополнительные методы, где это необходимо.

Это предлагаемая структура исследования, а не заявление о том, что вокруг острова Саона уже существует топобатиметрическая съемка LiDAR или программа постоянного мониторинга.

13. Почему эта технология важна для прибрежной инженерии

Прибрежная инженерия требует понимания того, как взаимодействуют земля и вода.

Пляж невозможно полностью изучить, измеряя только его открытую поверхность. Точно так же подводный рельеф вблизи береговой линии может влиять на трансформацию волн, движение отложений и прибрежные процессы.

Топобатиметрический LiDAR предлагает способ сбора связанной информации о высоте на большей части этой переходной зоны.

Для студентов-строителей это также полезный пример того, как геодезия, дистанционное зондирование, геодезия, ГИС и береговая инженерия работают вместе. Технология показывает, что современное картографирование побережья не ограничивается традиционными наземными измерениями или исследованиями глубины с судов.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое топобатиметрический LiDAR?

Это метод воздушной лазерной съемки, предназначенный для измерения как высоты суши, так и подводной местности в подходящих условиях мелководья.

2. Как LiDAR измеряет глубину под водой?

Зеленый лазер проходит через воду и отражается от морского дна. Система определяет возвраты воды на поверхность и морское дно и рассчитывает глубину после применения необходимых оптических и геометрических поправок.

3. Почему топобатиметрический лидар использует зеленый свет?

Зеленые длины волн могут проникать в воду более эффективно, чем волны ближнего инфракрасного диапазона, обычно используемые для картографирования суши. Фактическое проникновение зависит от прозрачности воды, состояния датчика и морского дна.

4. Может ли LiDAR картировать области коралловых рифов?

Он может отображать мелководные поверхности морского дна, связанные с рифами, где вода достаточно прозрачна и можно обнаружить возвраты воды со дна. Экологическая идентификация и оценка состояния рифов требуют дополнительных доказательств.

5. Может ли он заменить гидролокационные исследования?

Нет. LiDAR и сонар имеют разные сильные стороны. LiDAR полезен для быстрого покрытия с воздуха подходящей мелководья, а гидролокатор важен для более глубоких или оптически сложных подводных территорий.

6. Доступен ли уже топобатиметрический LiDAR для острова Саона?

В этой статье не утверждается, что вокруг острова Саона было завершено конкретное топобатиметрическое исследование LiDAR. Местный охват и доступность данных следует проверять с помощью авторитетных картографических хранилищ и поставщиков опросов.

7. Каково основное ограничение батиметрического лидара?

Прозрачность воды является основным ограничением, поскольку взвешенный материал, пузырьки и другие оптические препятствия могут ослабить или помешать надежному возврату данных с морского дна.

8. Что инженеры могут делать с топобатиметрическими данными LiDAR?

Они могут использовать подходящие проверенные данные для моделирования прибрежной местности, изучения береговой линии, оценки наводнений, исследования морфологии пляжей и предварительного планирования инфраструктуры.

Заключение

Топобатиметрический LiDAR объединяет съемку суши и мелководья с помощью воздушной лазерной технологии. Сочетая измерения ближнего инфракрасного и зеленого лазеров с точными данными о местоположении и ориентации, он может предоставлять подробную трехмерную информацию о подходящих прибрежных условиях.

Для острова Саона эта технология представляет собой многообещающий подход для будущих исследований морфологии пляжей, изменений береговой линии, мелководного рельефа морского дна и моделирования прибрежных наводнений. Его полезность будет зависеть от прозрачности воды, дизайна исследования, возможностей инструмента, обработки данных и независимой проверки.

Самая эффективная стратегия картографирования побережья не обязательно заключается в использовании одного инструмента. Сочетание топобатиметрического LiDAR с гидролокатором, съемками GNSS, аэрофотоснимками и полевыми наблюдениями может обеспечить более полное понимание прибрежной среды.

Связное изображение пляжа и морского дна может помочь исследователям понять побережье как один непрерывный ландшафт.