Pobřežní fotogrammetrie na ostrově Saona: 3D mapování pláží, průzkumy pomocí dronů a monitorování pobřeží

Úvod

Pobřežní krajiny se neustále mění. Vlny, příliv a odliv, vítr, déšť a pohyb usazenin mohou postupně přetvářet pláže a pobřeží. Pochopení těchto změn vyžaduje spolehlivé informace o tvaru a nadmořské výšce pobřežního povrchu.

Na ostrově Saona v Dominikánské republice by pobřežní fotogrammetrie mohla poskytnout praktickou výzkumnou metodu pro dokumentaci obnažených pláží, pobřežních tvarů a přístupných pobřežních oblastí. Pořizováním překrývajících se fotografií z dronu nebo jiné kamerové platformy mohou inspektoři rekonstruovat trojrozměrné povrchy a vytvářet podrobné pobřežní mapy.

Metoda je známá jako fotogrammetrie SfM (Structure-from-Motion). Využívá počítačové vidění a fotogrammetrickou geometrii k identifikaci shodných prvků na více fotografiích a k výpočtu jejich prostorové polohy.

Na rozdíl od laserového LiDARu se fotogrammetrie spoléhá na obrazové informace spíše než na měření doby průchodu laserových pulzů. Díky tomu je užitečným doplňkovým přístupem pro pobřežní průzkum, zejména tam, kde je vyžadována opakovaná vizuální dokumentace a modely povrchu s vysokým rozlišením.

Tato příručka vysvětluje vědu, vybavení, pracovní postup v terénu, datové produkty, úvahy o přesnosti a možné aplikace pobřežní fotogrammetrie v okolí ostrova Saona.

1. Co je pobřežní fotogrammetrie?

Fotogrammetrie je věda o získávání měření a prostorových informací z fotografií.

Jedna fotografie zaznamenává dvourozměrný pohled. Když je však stejný objekt nebo krajina vyfotografována z více pozic, překrývající se snímky obsahují informace o jejich trojrozměrné geometrii.

Specializovaný software identifikuje na fotografiích odpovídající vizuální prvky. Poté odhadne polohu a orientaci kamery a rekonstruuje relativní trojrozměrné uspořádání pozorovaného povrchu.

V pobřežních aplikacích lze fotografie shromažďovat pomocí:

• Malé bezpilotní letecké systémy, běžně nazývané drony.
Ground-mountedliA. fotoaparáty.
• Ruční fotoaparáty.
• Pevné pobřežní kamerové systémy.

Výsledná data lze použít k výrobě ortomozaiky, trojrozměrných mračen bodů, digitálních povrchových modelů a výškových map.

NOAA a USGS popisují fotogrammetrii a Structure-from-Mopping jako užitečné metody pro vytváření třírozměrných mapových produktů snímky.

2. Pochopení struktury z pohybu (SfM)

Structure-from-Motion je fotogrammetrická technika, která rekonstruuje trojrozměrnou geometrii z více snímků pořízených z různých úhlů pohledu.

Základní princip je přímočarý: prvek viditelný na několika fotografiích se na každém snímku objeví v mírně odlišných pozicích, protože se fotoaparát pohnul.

Pomocí analýzy těchto rozdílů software odhadne polohy fotoaparátu a trojrozměrné umístění shodných prvků.

jsou:

Detekce funkcí

Software identifikuje charakteristické rysy obrazu, jako jsou rohy, okraje, textury a vzory.

Přizpůsobení funkcí

Stejné prvky jsou umístěny na více fotografiích. Spolehlivá shoda je nezbytná, protože nesprávné shody mohou rekonstrukci zkreslit.

Zarovnání kamery

Software odhadne relativní polohu a orientaci každé kamery, když byly fotografie pořízeny.

Generování řídkého mraku bodů

Počáteční rekonstrukce vytváří kolekci trojrozměrných bodů představujících shodné prvky.

K vygenerování hustší rekonstrukce obrazu je použita hustá rekonstrukce

Používá se hustá rekonstrukce zobrazení hustoty. viditelný povrch.

Georeferencování

Pozemní kontrolní body nebo vhodné informace o poloze se používají k umístění rekonstruovaného modelu do reálného souřadnicového systému.

Konečný model lze poté použít pro mapování, měření a porovnání s pozdějšími průzkumy.

Pracovní postup zpracování pobřežních snímků USGS poskytuje podrobný příklad toho, jak lze produkty SfM použít k vytváření 3D pobřeží. fotografie.

3. Proč je fotogrammetrie užitečná pro průzkumy pláží?

Pláže jsou dynamická prostředí. Jejich povrchy se mohou změnit po bouřích, silných vlnách, sezónních vzorcích počasí nebo lidských aktivitách.

Tradiční metody průzkumu mohou poskytnout přesná měření, ale opakované pokrytí velké pláže může vyžadovat značný čas v terénu.

Dronová fotogrammetrie nabízí několik potenciálních výhod:

• Vytváření ortomosaických map a výškových modelů.
• Opakujte průzkumy s použitím konzistentního letového plánu.
• Identifikace viditelných vzorců eroze a depozice.
• Integrace s GIS a dalšími pobřežními datovými soubory.

Metoda

je zvláště užitečná, když výzkumníci viditelnosti v průběhu času potřebují změny povrchu.

Průzkum dronem automaticky neposkytuje úplný podvodní model terénu. Běžná letecká fotogrammetrie je primárně vhodná pro viditelné povrchy. Podvodní rekonstrukce vyžaduje vhodné optické podmínky a specializované získávání a zpracování obrazu.

4. Základní vybavení pro průzkum pobřežních dronů

Projekt fotogrammetrie potřebuje víc než jen dron a kameru. Kvalita konečného modelu závisí na kompletním systému průzkumu.

Plošina dronu

Multirotorový dron může být užitečný pro malé a středně velké pobřežní průzkumné oblasti, protože může sledovat plánované letové dráhy a udržovat relativně nízké rychlosti průzkumu.

Plošiny s pevnými křídly mohou být vhodnější pro větší oblasti, kde je důležitá delší výdrž při letu. snímky s vysokým rozlišením s konzistentní expozicí a spolehlivými metadaty snímku.

Mezi důležité vlastnosti patří:

• Rozlišení snímače.
• Ohnisková vzdálenost objektivu.
• Výkon závěrky.
• Ostrost snímku.
• Ostrost snímku.
• zkreslení. charakteristiky.

Zařízení GNSS

K měření bodů pozemní kontroly a nezávislých kontrolních bodů lze použít přijímač globálního navigačního satelitního systému na úrovni průzkumu.

Cíle pozemní kontroly

Na zkoumaná místa lze umístit jasně viditelné cíle. Ty pomáhají propojit rekonstrukci obrazu se známými souřadnicemi v reálném světě.

Počítač a software pro zpracování

Software pro fotogrammetrii zpracovává fotografie, odhaduje geometrii fotoaparátu, vytváří mračna bodů a generuje mapové produkty.

Příslušenství pro terén

Další vybavení může zahrnovat náhradní baterie, paměťové karty, měřicí nástroje, značkovače počasí, bezpečnostní nástroje a zařízení pro sledování počasí.5p. Plánování letu s dronem

Úspěšný průzkum začíná pečlivě připraveným letovým plánem.

Definujte hranici průzkumu

Projektový tým nejprve definuje oblast, kterou je třeba zmapovat. To může zahrnovat suchou pláž, duny, pobřežní vegetaci a další viditelné tvary terénu.

Vyberte výšku letu

Výška letu ovlivňuje vzdálenost vzorkování země, pokrytí obrazu a úroveň detailů zachycených kamerou.

Nižší lety obecně zachytí více detailů na menší ploše, zatímco vyšší lety pokrývají větší oblasti s menšími detaily obrazu.

Správné rozlišení výstupu, výška letu závisí na požadovaném terénu kamery a omezeních terénu. image overlap

Fotogrammetrie vyžaduje dostatečné překrytí mezi po sobě jdoucími fotografiemi a sousedními letovými čarami.

Přesah vpřed se týká sdílené oblasti mezi po sobě jdoucími snímky podél letové čáry. Boční překrytí se týká sdílené oblasti mezi sousedními letovými liniemi.

Adekvátní překrytí umožňuje softwaru identifikovat společné prvky z více úhlů pohledu. Přesná procenta by měla být vybrána podle požadavků terénu, kamery a projektu spíše než s nimi zacházet jako s univerzálními hodnotami.

Plánujte osvětlení a povětrnostní podmínky

Silné stíny, rychle se měnící oblačnost, opar a pohybující se vegetace mohou zkomplikovat párování snímků.

Konzistentní osvětlení a vhodné větrné podmínky pomáhají vytvářet spolehlivější sady snímků.

Zkontrolujte, zda je nutné použít všechny provozní požadavky na letový tým

6. Pozemní kontrolní body a přesnost průzkumu

Pozemní kontrolní body (GCP) jsou zkoumaná místa, která lze na fotografiích jasně identifikovat.

Pomáhají omezit fotogrammetrický model na známé souřadnice v reálném světě.

Typický pracovní postup GCP zahrnuje:

1. Umístěte vhodné cíle tam, kde je to povoleno.
2. Změřte souřadnice cíle pomocí GNSS nebo jinou vhodnou metodou měření.
3. Zaznamenejte referenční souřadnicový systém a informace o měření.
4. Identifikujte stejné cíle na fotografiích.
5. Používejte body při fotogrammetrickém zpracování.

Skupina bodů soustředěných v jednom rohu průzkumu nemusí adekvátně řídit celý model.

Měly by se měřit i nezávislé kontrolní body. Ty se nepoužívají k přizpůsobení modelu; místo toho poskytují samostatný způsob hodnocení jeho přesnosti.

Pokyny USGS týkající se kalibrace snímků bez posádky zdůrazňují důležitost přesného pozemního řízení a nezávislého hodnocení. Kvalita pozemní kontroly by měla odpovídat přesnosti požadované od konečného produktu.

7. Důležité výstupy fotogrammetrie

Projekt pobřežní fotogrammetrie může produkovat několik užitečných souborů prostorových dat.

Ortomosaika

Ortomosaika je geometricky opravený snímek sestavený z více fotografií.

Na rozdíl od běžné letecké fotografie je navržen tak, aby poskytoval konzistentní pohled podobný mapám s redukovanou vizuální interpretací mapy a zkreslením pobřeží. analýza.

Trojrozměrné mračno bodů

Mračno bodů je sbírka rekonstruovaných 3D bodů.

Každý bod představuje odhadované umístění na viditelném povrchu. Body lze obarvit pomocí obrazových informací a vytvořit tak realistickou reprezentaci zkoumané oblasti.

Digitální model povrchu

Digitální model povrchu (DSM) představuje nadmořskou výšku viditelného povrchu, včetně prvků, jako je vegetace a struktury.

Digitální model terénu

Digitální model terénu (DTM) umožňuje spolehlivé nadzemní objekty, které se po odstranění dat z povrchu země snaží reprezentovat data. klasifikace.

Pobřežní průřezy

Průřezy zobrazují změny nadmořské výšky podél vybraných linií napříč pláží nebo pobřežním objektem.

Jsou užitečné pro porovnávání svahů pláže a identifikaci změn ve tvaru zkoumaného povrchu.

Výpočty objemu

Pokud jsou k dispozici dva kompatibilní softwarové modely pro odhad povrchových rozdílů, jsou k dispozici dva kompatibilní softwarové modely pro odhad povrchů. data.

Takové výpočty mohou výzkumníkům pomoci posoudit zisky a ztráty sedimentů, ale jejich spolehlivost závisí na zarovnání průzkumu, kvalitě povrchu a nejistotě.

8. Měření změny pláže v průběhu času

Jednou z nejcennějších aplikací pobřežní fotogrammetrie je opakované monitorování.

Jediný průzkum poskytuje snímek pláže. Opakované průzkumy mohou odhalit, jak se mění povrch.

Výzkumný tým by například mohl v pravidelných intervalech zkoumat vybranou plážovou část a porovnávat výsledné digitální výškové modely.

Základní výškový rozdíl lze zapsat jako:

Δz = z₂ − z₁

Kde: cdistip pl-

Δz = změna nadmořské výšky povrchu.

z₁ = nadmořská výška naměřená během prvního průzkumu.

z₂ = nadmořská výška naměřená během pozdějšího průzkumu.

Pozitivní hodnoty označují povrch, který je v pozdějším modelu vyšší, zatímco záporné hodnoty označují povrch nižší, rozdíl musí být interpretován opatrně.

Rozdíl. Zjevné změny mohou vyplývat z chyb měření, špatného zarovnání, různých vodních hladin, změn vegetace nebo rozdílů v kvalitě snímku.

Spolehlivá studie detekce změn by měla uvádět nejistotu a vyvarovat se interpretace velmi malých výškových rozdílů jako skutečné změny pobřeží, pokud nepřekročí kombinovanou nejistotu měření.

9. Potenciální aplikace kolem ostrova Saona

Pobřežní fotogrammetrie by mohla podpořit několik výzkumných aktivit kolem ostrova Saona, pokud budou provedeny příslušné průzkumy.

Monitorování profilu pláže

Opakované průzkumy dronů by mohly dokumentovat tvar přístupných povrchů pláží.

Výzkumníci by mohli získat průřezy a porovnat své výškové profily mezi daty průzkumu.

Mapování útvarů pobřeží

Ortomosaické snímky mohou pomoci identifikovat viditelné útvary pobřeží a poskytnout konzistentní základní mapu pro analýzu pobřeží.

Ukazatel pobřeží musí být definován pečlivě. Viditelná mokro-suchá hranice, vegetační linie a přílivová vodoryska nemusí být nutně totéž.

Studie pobřežní eroze a depozice

Porovnání opakovaných povrchových modelů může pomoci určit, kde viditelné zemské povrchy ztratily nebo získaly materiál.

Pro interpretaci procesů odpovědných za tyto změny jsou zapotřebí pozorování v terénu a vhodná měření sedimentů. mohou pomoci zmapovat viditelné hranice vegetace a široké vzory krajinného pokryvu.

Multispektrální snímky mohou poskytnout další informace o charakteristikách vegetace, ale klasifikace snímků by měla být ověřena pomocí pozorování v terénu.

Dokumentace pobřežní infrastruktury

Fotogrametrické modely mohou pomoci zdokumentovat viditelné cesty, budovy, přístupové cesty a další pobřežní infrastrukturu.

Takové modely vizuální kontroly mohou podporovat předběžné plánování a vizuální záznamy. Detailní technický návrh stále vyžaduje náležitou kontrolu průzkumu a průzkum místa.

Monitorování životního prostředí

Opakované obrazové průzkumy mohou dokumentovat změny v odkrytých pobřežních formách a pomoci výzkumníkům identifikovat místa, která vyžadují další ekologický průzkum.

Samotná fotogrammetrie nemůže potvrdit přítomnost druhů, zdraví stanovišť nebo ekologický stav.

10. Dokáže dronová fotogrammetrie zmapovat mělké podvodní oblasti?

Fotogrammetrii lze někdy použít k rekonstrukci viditelných povrchů mořského dna v mělké vodě, ale podvodní mapování je náročnější než mapování suché pevniny.

Tato technika závisí na tom, zda kamera přijímá užitečné informace z mořského dna skrz vodu.

Výkon ovlivňuje několik podmínek: class="disbultip-

Čistota vody.

Povrchové vlny a vlnky.

Lom na rozhraní vzduch-voda.

Odraz slunečního světla a oslnění.

Textura mořského dna a viditelné prvky.

Hloubka vody a rozlišení obrazu.

Clear jsou zřetelné vlastnosti vody a klidného dna. Zakalená voda, lámající se vlny a jednotné písčité povrchy mohou ztížit rekonstrukci.

Pokyny NOAA pro batymetrické mapování v blízkosti pobřeží pomocí malých letadel bez posádky a SfM identifikuje tato environmentální omezení a doporučují vhodné umístění kamery a vysoce kvalitní informace o trajektorii.

Projekt plážové fotogrammetrie na ostrově Saona by proto měl rozlišovat mezi spolehlivými měřeními zemského povrchu a jakýmkoli pokusem o rekonstrukci pod vodou. Sonar nebo jiné vhodné batymetrické techniky mohou být potřebné tam, kde optické snímky nemohou poskytnout spolehlivé informace o hloubce.

11. Fotogrammetrie ve srovnání s LiDAR

Fotogrammetrie a LiDAR mohou vytvářet trojrozměrné pobřežní datové sady, ale používají různé principy měření.

Fotogrammetrie rekonstruuje geometrii z překrývajících se snímků. Může poskytnout detailní barevné snímky a modely povrchů, ale záleží na struktuře obrazu, osvětlení a spolehlivém přizpůsobení obrazu.

LiDAR měří vzdálenosti pomocí laserových pulzů. Dokáže zachytit povrchy s menší závislostí na viditelné fotografické struktuře, i když jeho výkon také závisí na charakteristikách senzoru, podmínkách povrchu a prostředí průzkumu.

U exponovaných pláží a přístupných pobřežních oblastí může dronová fotogrammetrie poskytnout účinnou možnost pro opakované vizuální a topografické průzkumy.

Pro projekty vyžadující různé povrchové charakteristiky, pronikání vegetací nebo vhodná laserová měření v mělké vodě může LiDAR nabízet výhody na základě přesnosti projektu

. a náklady.

12. Běžné chyby v pobřežní fotogrammetrii

Technicky úspěšný let může přesto vytvořit nespolehlivý model, pokud je průzkum nebo zpracování špatně řízeno.

Obvyklé problémy zahrnují:

Nedostatečné překrývání snímků: Příliš malé pokrytí sdíleným snímkem může způsobit selhání zarovnání nebo slabou rekonstrukci.

Rozostření snímků snižuje pohybové rozmazání snímků: shoda.

Špatné ovládání země: Nesprávné nebo nerovnoměrně rozmístěné kontrolní body mohou zkreslit konečný model.

Změna vodní hladiny: Pohyblivé vlny a odrazy vytvářejí prvky, které mezi snímky nezůstávají stabilní.

Pohyb vegetace: Větrem naváté listí a tráva:

Nekonzistentní nastavení fotoaparátu může způsobit nekonzistenci. změny zaostření mohou snížit konzistenci obrazu.

Nesprávné souřadnicové reference: Míchání souřadnicových systémů nebo vertikálních referencí může vytvořit zavádějící srovnání nadmořské výšky.

Nenahlášená nejistota: Model by neměl být prezentován jako stupeň průzkumu jednoduše proto, že vypadá podrobně.

Tyto problémy, plánování a kvalita by měly být řešeny prostřednictvím hlášení v terénu. Navrhovaný projekt pobřežní fotogrammetrie pro ostrov Saona

Budoucí výzkumný projekt by mohl využívat následující rámec.

Fáze 1 – Výběr lokality

Vyberte přístupné pobřežní úseky s jasně definovanými hranicemi průzkumu. Zvažte aktivitu návštěvníků, vegetaci, terén, citlivost na životní prostředí a provozní oprávnění.

Fáze 2 – základní průzkum

Sbírejte překrývající se letecké snímky za vhodných povětrnostních a světelných podmínek. Vytvořte pozemní kontrolu a nezávislé kontrolní body.

Fáze 3 – Fotogrammetrické zpracování

Zarovnejte fotografie, odhadněte polohu kamery, generujte mračna bodů a vytvořte ortomozaiky a výškové modely.

Fáze 4 – Posouzení přesnosti

Porovnejte nezávislé měření zrekonstruovaného kontrolního bodu. Zkontrolujte horizontální a vertikální chyby, kvalitu obrazu a oblasti neúplného pokrytí.

Fáze 5 – Opakujte monitorování

Opakujte průzkum pomocí konzistentní metodiky a vhodné referenční kontroly. Porovnejte výsledné modely povrchu, abyste mohli posoudit měřitelné změny.

Fáze 6 – Pobřežní interpretace

Použijte ověřená data k prozkoumání profilů pláží, viditelných rysů pobřeží, změn povrchu a možného pohybu sedimentů.

Toto je navrhovaný výzkumný rámec. Netvrdí, že na ostrově Saona již byl zaveden konkrétní program monitorování fotogrammetrie pomocí dronů.

14. Budoucnost pobřežního mapování založeného na dronech

Vylepšení kamer, určování polohy GNSS, softwaru pro zpracování a automatizované analýzy obrazu nadále rozšiřují možnosti mapování založeného na dronech.

Potenciální vývoj zahrnuje:

Written by SAONA ISLAND

Local explorer & expert guide in Birding Dominican Republic.