Прибережна фотограмметрія острова Саона: тривимірне картографування пляжів, дослідження дроном і моніторинг берегової лінії

Вступ

Прибережні ландшафти постійно змінюються. Хвилі, припливи, вітер, опади та рух наносів можуть поступово змінити форму пляжів і берегових смуг. Щоб зрозуміти ці зміни, потрібна достовірна інформація про форму та висоту берегової поверхні.

На острові Саона в Домініканській Республіці берегова фотограмметрія може стати практичним методом дослідження для документування відкритих пляжів, прибережних форм рельєфу та доступних берегових ділянок. Роблячи фотографії, що перекриваються, з дрона або іншої камери, геодезисти можуть реконструювати тривимірні поверхні та створювати детальні карти узбережжя.

Цей метод відомий як фотограмметрія структури з руху (SfM). Він використовує комп’ютерне зір і фотограмметричну геометрію для виявлення відповідних елементів на кількох фотографіях і обчислення їхнього просторового положення.

На відміну від лазерного LiDAR, фотограмметрія покладається на інформацію про зображення, а не на вимірювання часу проходження лазерних імпульсів. Це робить його корисним додатковим підходом для зйомки узбережжя, особливо там, де потрібна повторна візуальна документація та моделі поверхні з високою роздільною здатністю.

Цей посібник пояснює науку, обладнання, польовий робочий процес, продукти даних, міркування щодо точності та можливі застосування берегової фотограмметрії навколо острова Саона.

1. Що таке берегова фотограмметрія?

Фотограмметрія — це наука про отримання вимірювань і просторової інформації з фотографій.

Одна фотографія записує двовимірне зображення. Однак, коли той самий об’єкт або ландшафт фотографують із кількох позицій, зображення, що накладаються, містять інформацію про його тривимірну геометрію.

Спеціалізоване програмне забезпечення визначає відповідні візуальні характеристики на фотографіях. Потім він оцінює положення та орієнтацію камери та реконструює відносне тривимірне розташування спостережуваної поверхні.

У прибережних програмах фотографії можна збирати за допомогою:

• Малих безпілотних літальних систем, які зазвичай називають дронами.
• Встановлених на літаках камери.
• Наземні камери.
• Ручні камери.
• Стаціонарні прибережні системи камер.

Отримані дані можна використовувати для створення ортомозаїк, тривимірних хмар точок, цифрових моделей поверхні та карт висоти.

NOAA та USGS описують фотограмметрію та структуру з руху як корисні методи для створення тривимірні моделі та прибережні картографічні продукти із накладених зображень.

2. Розуміння структури з руху (SfM)

Структура з руху – це фотограмметрична техніка, яка реконструює тривимірну геометрію з кількох зображень, знятих з різних точок огляду.

Основний принцип простий: дещо різні позиції на кожному зображенні з’являються через рух камери.

Аналізуючи ці відмінності, програмне забезпечення оцінює положення камери та тривимірне місце збігу. особливості.

Основні етапи обробки:

Виявлення особливостей

Програмне забезпечення визначає характерні особливості зображення, такі як кути, краї, текстури та візерунки.

Відповідність ознак

Однакові особливості розташовані на кількох фотографіях. Надійна відповідність є важливою, оскільки неправильні відповідності можуть спотворити реконструкцію.

Вирівнювання камери

Програмне забезпечення оцінює відносне положення та орієнтацію кожної камери під час зйомки фотографій.

Генерація розрідженої хмари точок

Початкова реконструкція створює колекцію тривимірних точок, що представляють зіставлені об’єкти.

Щільний реконструкція

Додаткова інформація про зображення використовується для створення більш щільного представлення видимої поверхні.

Геореференція

Наземні контрольні точки або відповідна інформація про позиціонування використовуються для розміщення реконструйованої моделі в системі координат реального світу.

Остаточну модель можна використовувати для картографування, вимірювання та порівняння з наступними дослідженнями.

Робочий процес обробки прибережних зображень USGS забезпечує детальний приклад того, як SfM можна використовувати для створення прибережних 3D-продуктів із аерофотознімків.

3. Чому фотограмметрія корисна для зйомок пляжів?

Пляжі – це динамічне середовище. Їх поверхні можуть змінюватися після штормів, сильних хвиль, сезонних погодних умов або діяльності людини.

Традиційні методи зйомки можуть забезпечити точні вимірювання, але багаторазове покриття великого пляжу може потребувати значного часу.

Фотограмметрія дрона пропонує кілька потенційних переваг:

• швидке збирання зображень порівняно з доступним прибережні зони.
• Детальна візуальна документація пляжних поверхонь.
• Виготовлення ортомозаїчних карт і моделей рельєфу.
• Повторні дослідження з використанням послідовного плану польоту.
• Ідентифікація видимих моделей ерозії та відкладень.
• Інтеграція з ГІС та іншими наборами прибережних даних.

Метод особливо корисний, коли дослідники необхідно задокументувати, як видима поверхня землі змінюється з часом.

Зйомка дроном не забезпечує автоматично повну модель підводного рельєфу. Звичайна аерофотограмметрія в першу чергу підходить для видимих ​​поверхонь. Підводна реконструкція вимагає відповідних оптичних умов і спеціального отримання та обробки зображень.

4. Основне обладнання для прибережної зйомки безпілотником

Проект фотограмметрії потребує більше, ніж дрон і камера. Якість остаточної моделі залежить від повної системи огляду.

Платформа безпілотника

Безпілотний літальний апарат з кількома гвинтами може бути корисним для малих і середніх прибережних зон спостереження, оскільки він може слідувати запланованим траєкторіям польоту та підтримувати відносно низькі швидкості огляду.

Платформи з нерухомим крилом можуть бути більш придатними для великих територій, де важлива тривкість польоту.

Камера

Камера повинна створювати різкі, зображення високої роздільної здатності з постійною експозицією та надійними метаданими зображення.

Важливі характеристики включають:

• Роздільна здатність сенсора.
• Фокусна відстань об’єктива.
• Витримка.
• Чіткість зображення.
• Керування експозицією.
• Об’єктив характеристики спотворення.

Обладнання GNSS

Приймач Глобальної навігаційної супутникової системи для огляду можна використовувати для вимірювання наземних контрольних точок і незалежних контрольних точок.

Наземні контрольні цілі

Чітко видимі цілі можна розміщувати в досліджуваних місцях. Вони допомагають пов’язати реконструкцію зображення з відомими реальними координатами.

Комп’ютер і програмне забезпечення для обробки

Програмне забезпечення для фотограмметрії обробляє фотографії, оцінює геометрію камери, створює хмари точок і генерує картографічні продукти.

Польові аксесуари

Додаткове обладнання може включати запасні батареї, карти пам’яті, вимірювальні інструменти, геодезичні маркери, засоби безпеки та прилади для моніторингу погоди.

5. Планування польоту дрона

Успішне обстеження починається з ретельно підготовленого плану польоту.

Визначте межі обстеження

Команда проекту спочатку визначає територію, яку потрібно нанести на карту. Це може включати сухий пляж, дюни, прибережну рослинність та інші видимі форми рельєфу.

Виберіть висоту польоту

Висота польоту впливає на відстань вибірки землі, охоплення зображення та рівень деталізації, знятий камерою.

Нижчі польоти зазвичай охоплюють більше деталей на меншій території, тоді як вищі польоти охоплюють більші території з меншою деталізацією зображення.

Правильна висота залежить від на необхідну вихідну роздільну здатність, специфікації камери, рельєф місцевості та відповідні обмеження польоту.

Установити накладання зображень

Фотограмметрія вимагає достатнього накладання між послідовними фотографіями та суміжними лініями польоту.

Перекриття стосується спільної області між послідовними зображеннями вздовж лінії польоту. Бічне перекриття стосується спільної зони між сусідніми лініями польоту.

Адекватне перекриття дозволяє програмному забезпеченню визначати спільні характеристики з кількох точок зору. Точні відсотки слід вибирати відповідно до рельєфу, камери та вимог проекту, а не розглядати як універсальні значення.

Сплануйте освітлення та погодні умови

Сильні тіні, хмарний покрив, що швидко змінюється, серпанок і рухома рослинність можуть ускладнити зіставлення зображень.

Постійне освітлення та відповідні умови вітру допомагають створювати надійніші набори зображень.

Перевірте робочі вимоги

Перед польотом, Команда проекту повинна перевірити застосовні авіаційні правила, дозволи, обмеження щодо зон, що охороняються, і вимоги безпеки. Польоти не повинні турбувати дику природу, відвідувачів або чутливі середовища проживання.

6. Наземні контрольні точки та точність зйомки

Наземні контрольні точки (GCP) – це місця зйомок, які можна чітко визначити на фотографіях.

Вони допомагають обмежити фотограмметричну модель відомими реальними координатами.

Типовий робочий процес GCP включає:

1. Виберіть стабільні та видимі місця.
2. Розташуйте відповідні цілі там, де це дозволено.
3. Виміряйте координати цілі за допомогою геодезичної GNSS або іншого відповідного методу зйомки.
4. Запишіть систему відліку координат і інформацію про вимірювання.
5. Визначте однакові цілі на фотографіях.
6. Використовуйте точки під час фотограмметричної обробки.

розподіл контрольних точок має значення. Група точок, зосереджених в одному куті огляду, може недостатньо контролювати всю модель.

Також слід вимірювати незалежні контрольні точки. Вони не використовуються для підгонки моделі; натомість вони надають окремий спосіб оцінки його точності.

Інструкції USGS щодо калібрування зображень літаків без екіпажу підкреслюють важливість точного наземного контролю та незалежної оцінки. Якість наземного контролю має відповідати точності, яка вимагається від кінцевого продукту.

7. Важливі результати фотограмметрії

Проект прибережної фотограмметрії може створити кілька корисних наборів просторових даних.

Ортомозаїка

Ортомозаїка — це геометрично виправлене зображення, зібране з кількох фотографій.

На відміну від звичайної аерофотознімки, вона створена для надання узгодженого вигляду, подібного до карти, із зменшеним спотворенням перспективи.

Вона може підтримувати візуальну інтерпретацію, картографування прибережних об’єктів і аналіз ГІС.

Тривимірна хмара точок

Хмара точок — це набір реконструйованих 3D-точок.

Кожна точка представляє приблизне розташування на видимій поверхні. Точки можна пофарбувати, використовуючи інформацію про зображення, щоб створити реалістичне представлення досліджуваної території.

Цифрова модель поверхні

Цифрова модель поверхні (DSM) представляє висоту видимої поверхні, включаючи такі елементи, як рослинність і структури.

Цифрова модель місцевості

Цифрова модель місцевості (DTM) намагається представити підстилаючу поверхню землі після видалення надземні об’єкти, де дані дозволяють надійно класифікувати.

Поперечні розрізи узбережжя

Поперечні розрізи показують зміни висоти вздовж вибраних ліній уздовж пляжу або прибережної об’єкти.

Вони корисні для порівняння схилів пляжу та визначення змін у формі досліджуваної поверхні.

Обчислення об’єму

Якщо доступні дві сумісні моделі поверхні, програмне забезпечення може оцінити різницю в об’ємі поверхні між датами дослідження.

Такі розрахунки можуть допомогти дослідникам оцінити збільшення та втрати осаду, але їх надійність залежить від вирівнювання дослідження, якості поверхні та невизначеності.

8. Вимірювання змін пляжу з часом

Одним із найцінніших застосувань берегової фотограмметрії є повторний моніторинг.

Одна зйомка дає змогу отримати знімок пляжу. Повторні обстеження можуть виявити, як змінюється поверхня.

Наприклад, дослідницька група може оглядати вибрану ділянку пляжу через регулярні проміжки часу та порівнювати отримані цифрові моделі висоти.

Основну різницю висот можна записати так:

Δz = z₂ − z₁

Де:

• Δz = зміна висоти поверхні.
• z₁ = висота, виміряна під час першого дослідження.
• z₂ = висота, виміряна під час наступного дослідження.

Позитивні значення вказують на поверхню, яка є вищою в пізнішій моделі, тоді як від’ємні значення вказують на нижчу поверхню.

Однак карту відмінностей потрібно інтерпретувати ретельно. Очевидні зміни можуть бути наслідком помилок вимірювання, поганого вирівнювання, різних рівнів води, змін рослинності або відмінностей у якості зображення.

Надійне дослідження виявлення змін має повідомляти про невизначеність і уникати тлумачення дуже малих перепадів висоти як реальних змін узбережжя, якщо вони не перевищують сумарну невизначеність вимірювань.

9. Потенційні застосування навколо острова Саона

Прибережна фотограмметрія може підтримувати декілька дослідницьких робіт навколо острова Саона, якщо будуть проведені відповідні дослідження.

Моніторинг профілю пляжу

Повторні дослідження безпілотниками можуть задокументувати форму доступних поверхонь пляжу.

Дослідники можуть отримати поперечні розрізи та порівняти свої профілі висот між датами дослідження.

Картування об’єктів берегової лінії

Ортомозаїчні зображення можуть допомогти ідентифікувати видимі об’єкти берегової лінії та створити узгоджену базову карту для аналізу узбережжя.

Індикатор берегової лінії слід визначати ретельно. Видима волого-суха межа, лінія рослинності та приливна ватерлінія не обов’язково є однаковими ознаками.

Дослідження берегової ерозії та відкладень

Порівняння повторюваних моделей поверхні може допомогти визначити, де видимі поверхні суші втратили або отримали матеріал.

Для інтерпретації процесів, відповідальних за ці зміни, необхідні польові спостереження та відповідні вимірювання відкладень.

Прибережні картографування рослинності

Зображення високої роздільної здатності можуть допомогти нанести на карту видимі межі рослинності та широкі моделі ґрунтового покриву.

Мультиспектральні зображення можуть надати додаткову інформацію про характеристики рослинності, але класифікацію зображень слід перевірити за допомогою польових спостережень.

Документація прибережної інфраструктури

Фотограмметричні моделі можуть допомогти задокументувати видимі стежки, будівлі, під’їзні шляхи та інші прибережні інфраструктури.

Такі моделі можуть підтримувати попереднє планування, перевірку та візуальні записи. Детальний інженерний проект все ще потребує належного контролю над обстеженнями та досліджень місця.

Моніторинг навколишнього середовища

Повторні дослідження зображень можуть задокументувати зміни в відкритих прибережних формах рельєфу та допомогти дослідникам визначити місця, які потребують подальшого екологічного дослідження.

Фотограмметрія сама по собі не може підтвердити присутність виду, здоров’я середовища проживання чи екологічний стан.

10. Чи може фотограмметрія безпілотника картографувати мілководні ділянки під водою?

Фотограмметрію іноді можна використовувати для реконструкції видимих поверхонь мілководдя морського дна, але підводне картографування складніше, ніж картографування суші.

Ця техніка залежить від того, чи камера отримує корисну інформацію з морського дна через воду.

Кілька умов впливають на продуктивність:

• Прозорість води.
• Поверхневі хвилі та брижі.
• Заломлення на межі повітря-вода.
• Відбивання сонячного світла та відблиски.
• Текстура морського дна та видимі елементи.
• Глибина води та роздільна здатність зображення.

Чиста вода, спокійні умови та відмінні особливості морського дна є сприятливими. Каламутна вода, хвилі, що розбиваються, і однорідні піщані поверхні можуть ускладнити реконструкцію.

Посібники NOAA щодо прибережного батиметричного картографування за допомогою невеликих літаків без екіпажу та SfM визначають ці екологічні обмеження та рекомендують відповідне розташування камери та високоякісну інформацію про траєкторію.

Тому в проекті фотограмметрії пляжу острова Саона слід розрізняти надійні вимірювання поверхні суші та будь-які спроби підводної реконструкції. Сонар або інші відповідні батиметричні методи можуть знадобитися там, де оптичні зображення не можуть надати надійну інформацію про глибину.

11. Фотограмметрія порівняно з LiDAR

Фотограмметрія та LiDAR можуть створювати тривимірні набори прибережних даних, але вони використовують різні принципи вимірювання.

Фотограмметрія реконструює геометрію із зображень, що накладаються. Він може надавати детальні кольорові зображення та моделі поверхні, але це залежить від текстури зображення, освітлення та надійної відповідності зображення.

LiDAR вимірює відстані за допомогою лазерних імпульсів. Він може фіксувати поверхні з меншою залежністю від видимої фотофактури, хоча його продуктивність також залежить від характеристик датчика, умов поверхні та середовища дослідження.

Для відкритих пляжів і доступних прибережних ділянок фотограмметрія безпілотника може стати ефективним варіантом для повторних візуальних і топографічних зйомок.

Для проектів, які потребують різних характеристик поверхні, проникнення рослинності або відповідних лазерних вимірювань на мілководді, LiDAR може запропонувати переваги.

Вибір має ґрунтуватися на цілях проекту, необхідній точності, умовах навколишнього середовища, обладнанні та вартості.

12. Поширені помилки прибережної фотограмметрії

Технічно вдалий політ все одно може створити ненадійну модель, якщо зйомка чи обробка погано контролюються.

Поширені проблеми включають:

Недостатнє накладання зображення: Занадто мале покриття загального зображення може спричинити помилки вирівнювання або слабку реконструкцію.

Розмиті фотографії: розмиття руху знижує якість узгодження зображення.

Поганий контроль над землею: неправильно або нерівномірно розподілені контрольні точки можуть спотворити остаточну модель.

Зміна водних поверхонь: рухомі хвилі та відображення створюють елементи, які не залишаються стабільними між зображеннями.

Рух рослинності: вітром листя та трава можуть створювати непостійні зображення невідповідність.

Непослідовні налаштування камери: Швидка зміна експозиції чи фокусу може зменшити узгодженість зображення.

Неправильні прив’язки координат: Змішування систем координат або вертикальних прив’язок може призвести до оманливих порівнянь висоти.

Невідома невизначеність: Модель не слід представляти як оглядову лише тому, що вона виглядає детально.

Це проблеми слід вирішувати шляхом планування на місцях, перевірки якості та прозорого звітування.

13. Пропонований проект берегової фотограмметрії для острова Саона

Майбутній дослідницький проект може використовувати наступну структуру.

Фаза 1 – Вибір місця

Виберіть доступні ділянки узбережжя з чітко визначеними межами дослідження. Враховуйте діяльність відвідувачів, рослинність, рельєф, чутливість навколишнього середовища та дозволи на експлуатацію.

Фаза 2 – базове дослідження

Зберіть аерофотознімки, що накладаються, за відповідних погодних умов та умов освітлення. Встановіть наземний контроль і незалежні контрольні точки.

Фаза 3 – Фотограмметрична обробка

Вирівняйте фотографії, оцініть положення камер, створіть хмари точок і створіть ортомозаїку та моделі рельєфу.

Фаза 4 – Оцінка точності

Порівняйте вимірювання незалежної контрольної точки з реконструйованою моделлю. Перегляньте горизонтальні та вертикальні похибки, якість зображення та зони неповного покриття.

Етап 5 – повторний моніторинг

Повторіть опитування, використовуючи послідовну методологію та відповідний еталонний контроль. Порівняйте отримані моделі поверхні, щоб оцінити вимірювані зміни.

Фаза 6 – Інтерпретація узбережжя

Використовуйте підтверджені дані для вивчення профілів пляжів, видимих ​​особливостей берегової лінії, змін поверхні та можливого руху донних відкладень.

Це запропонована основа дослідження. У ньому не стверджується, що на острові Саона вже запроваджено певну програму моніторингу фотограмметрії безпілотників.

14. Майбутнє картографування узбережжя за допомогою дронів

Удосконалення камер, позиціонування GNSS, програмне забезпечення для обробки та автоматизований аналіз зображень продовжують розширювати можливості картографування за допомогою дронів.

Потенційні розробки включають:

• Ефективніший автоматизований політ планування.
• Покращене калібрування камери.
• Перевірка якості зображення в режимі реального часу.
• Інтеграція з платформами ГІС.
• Автоматичне виділення ознак берегової лінії.
• Класифікація земного покриву за допомогою штучного інтелекту.
• Порівняння з наборами даних із супутника, сонара та LiDAR.
• Більше. доступні робочі процеси повторного обстеження.

Ці розробки можуть зробити прибережний моніторинг більш практичним для університетів, дослідницьких груп і природоохоронних організацій.

Однак автоматизована обробка не усуває потреби в якісних польових даних, незалежному підтвердження та відповідальному тлумаченні.

Часті запитання

1. Що таке берегова фотограмметрія?

Берегова фотограмметрія – це використання фотографій для вимірювання та реконструкції берегових поверхонь, створення карт, хмар точок і тривимірних моделей висоти.

2. Що таке структура-з-руху?

Структура з руху – це техніка, яка використовує накладання фотографій, зроблених з різних точок огляду, для оцінки положення камери та реконструкції тривимірної геометрії.

3. Чи може дрон створити 3D-модель пляжу?

Так. З відповідним накладенням зображень, калібруванням камери, позиціонуванням і обробкою фотографії, зроблені дроном, можна використовувати для створення тривимірних моделей відкритих пляжних поверхонь.

4. Чому наземні контрольні точки важливі?

Наземні контрольні точки пов’язують реконструйовану модель із відомими реальними координатами та допомагають обмежити її положення та масштаб.

5. Чи достатньо точна фотограмметрія безпілотника для берегової техніки?

Вона може бути придатною для деяких завдань прибережного картографування та моніторингу, якщо вона належним чином спроектована, контрольована та підтверджена. Необхідна точність залежить від інженерного застосування.

6. Чи може фотограмметрія вимірювати підводну глибину?

Іноді вона може реконструювати мілкі видимі поверхні морського дна за сприятливих оптичних умов. Це не універсальна заміна гідролокатора чи інших гідрографічних методів дослідження.

7. Як часто слід обстежувати пляж?

Частота залежить від мети дослідження. Огляди можна планувати до та після великих подій або через регулярні проміжки часу, за умови документального оформлення часу та умов навколишнього середовища.

8. Чи вже використовується берегова фотограмметрія на острові Саона?

Ця стаття не перевіряє конкретну місцеву програму. Будь-яке існуюче покриття чи проект моніторингу має бути підтверджено авторитетними проектними записами або місцевими організаціями.

Висновок

Прибережна фотограмметрія пропонує практичний спосіб перетворити фотографії, що перекриваються, на детальні карти та тривимірні моделі відкритих прибережних ландшафтів.

Завдяки обробці структури з руху зображення дрона можуть підтримувати аналіз профілю пляжу, особливості берегової лінії. картографування, порівняння поверхні та дослідження узбережжя. Наземний контроль, незалежні контрольно-пропускні пункти та ретельна оцінка якості є важливими, якщо отримані дані мають підтримувати надійні вимірювання.

Для острова Саона правильно розроблена програма фотограмметрії може надати корисну базову інформацію та допомогти дослідникам задокументувати зміни в доступному пляжному середовищі з часом.

Метод є найбільш ефективним, коли його використовують як частину ширшої стратегії картографування прибережних районів, яка поєднує зйомку на основі зображень із вимірюваннями GNSS, польовими спостереженнями, LiDAR або ехолот, де це необхідно.

Перетворюючи фотографії на вимірювані 3D-поверхні, прибережна фотограмметрія дає змогу детальніше вивчати пляжні ландшафти та порівнювати їх зміни з часом.