Técnicas geoinformáticas para combinar datos batimétricos para aguas someras y ultrasomeras

Los vehículos no tripulados, tanto de superficie como aéreos, se utilizan cada vez más para levantamientos hidrográficos. Si bien la tecnología de adquisición de datos que utiliza estas plataformas es generalmente conocida, la fusión de estos datos aún es objeto de mucha investigación, y los métodos aplicados a menudo dependen de los sensores utilizados y las propiedades del área de estudio. Este estudio presenta un método para fusionar datos adquiridos utilizando plataformas de medición de vehículos de superficie no tripulados (USV) y vehículos aéreos no tripulados (UAV) para desarrollar un modelo batimétrico digital. El caso analizado se refiere a aguas someras y ultra someras hasta el límite con la línea de costa.

Enfoques para combinar datos batimétricos

Actualmente se utilizan varios métodos para adquirir datos batimétricos, incluidos métodos hidrográficos que utilizan sensores hidroacústicos al nivel del agua o por debajo, y métodos de teledetección desde una plataforma aérea o satélite. Los métodos hidrográficos tradicionales incluyen una amplia gama de técnicas de levantamiento, que van desde postes de levantamiento a través de ecosondas de un solo haz (SBES) hasta técnicas hidroacústicas avanzadas como ecosondas multihaz (MBES). Los métodos de teledetección involucran el procesamiento de imágenes aéreas y satelitales multiespectrales y mediciones batimétricas Lidar (Light Detection and Ranging). Vale la pena señalar que los USV se utilizan cada vez más para muchas técnicas topográficas, con la ventaja clave de que reducen la carga de trabajo de los operadores y permiten realizar mediciones en aguas poco profundas y restringidas. Los UAV, por otro lado, Se puede utilizar tanto como plataforma fotogramétrica como Lidar. También existen soluciones híbridas que permiten la adquisición de batimetría utilizando una ecosonda remolcada por un UAV de vuelo bajo o un radar integrado de penetración terrestre (GPR). Muchas soluciones para levantamientos hidrográficos que utilizan plataformas basadas en USV también se utilizan cada vez más.

Cada uno de estos métodos tiene sus limitaciones y funciona mejor en diferentes condiciones y tipos de cuerpos de agua. En el caso de los levantamientos hidroacústicos, la principal limitación es la profundidad del agua, para permitir el paso seguro de la unidad hidrográfica, mientras que en el caso de la teledetección, los parámetros del agua y el cuerpo de agua son la principal preocupación, como el agua. transparencia, profundidad del agua o tipo de fondo. Por esta razón, los datos de diferentes fuentes a menudo se combinan en un proceso de fusión para producir un modelo batimétrico integrado que cubra toda el área de estudio.

Dos áreas especiales cuando se trata del uso de la fotogrametría y la teledetección son las aguas someras y ultra someras, que normalmente son inaccesibles para las unidades de levantamiento hidrográfico. Para una medición efectiva en estas aguas, se deben combinar métodos hidrográficos y fotogramétricos. Desafortunadamente, diferentes conjuntos de datos adquiridos con diferentes sensores tienen diferentes rangos y estructuras, relacionados con la densidad de los puntos, su cantidad o distribución espacial y los errores de medición. Por lo tanto, la integración adecuada de los datos requiere el desarrollo de técnicas dedicadas.

Adquisición de datos en aguas poco profundas

Este caso se refiere a datos adquiridos por UAV y USV. El área de estudio es parte del lago Dabie en Polonia e incluye una pequeña bahía con playa. El área de la región investigada es de 2,71 ha y el fondo del agua es mayormente plano, con más depresión en la entrada de la bahía. La profundidad media de la zona de estudio es de aproximadamente 1 m y la profundidad máxima es de 3,95 m. Los datos fotogramétricos se adquirieron con una plataforma topográfica DJI Phantom Pro, utilizando un enfoque clásico con puntos de control terrestre (GCP) establecidos en el fondo del lago. Durante el procesamiento de imágenes se obtuvieron conjuntos de datos con una densidad de hasta 300 puntos por metro cuadrado con una distribución dispersa. La ventaja de este método era la posibilidad de adquirir datos batimétricos desde la línea de costa, desde aguas ultra someras hasta aguas poco profundas. La zona de aguas ultra someras es particularmente importante porque, al crear un modelo batimétrico digital de esta área, la falta de datos batimétricos no siempre se puede compensar utilizando métodos de interpolación. Estudios anteriores han indicado que hacer esto da como resultado un error de compilación mucho mayor.

Desafortunadamente, debido a la poca transparencia del agua, fue posible adquirir datos a una profundidad de 1,3 m utilizando métodos fotogramétricos. Cabe señalar aquí que, para las aguas continentales, las mediciones de profundidad en muchos casos solo son posibles hasta una profundidad de 1,6 a 2 m, incluso utilizando sensores batimétricos Lidar. Un complemento natural a los datos batimétricos para mayores profundidades son los datos adquiridos por métodos hidroacústicos. Para ello se utilizó un USV con sensor SBES (ver Figura 1).

El levantamiento se realizó sobre perfiles planificados a intervalos de 10m. En el perfil, los datos se adquirieron con una separación aproximada de 0,3 a 0,4 m. Los datos adquiridos se procesaron para mejorar la calidad mediante el análisis de ecogramas individuales y profundidades seleccionadas. La ventaja de este tipo de levantamiento es que es posible obtener datos de corrección precisos en un solo perfil y mediciones a mayores profundidades. Por otro lado, la desventaja es la incapacidad de medir profundidades ultra someras o áreas con peligros para la navegación (vegetación sumergida, ramas de árboles sumergidos, redes de pesca, etc.). El área de estudio junto con las plataformas de medición se ilustra en la Figura 2.

método de geoprocesamiento

El enfoque de fusión de datos utiliza métodos de procesamiento de datos geoinformáticos y se desarrolló en base a la metodología de investigación descrita en el artículo enumerado en las referencias. El elemento principal de este proceso es el concepto de una superficie de referencia batimétrica sobre la base de la cual se realiza una selección de datos de profundidad posprocesados adquiridos de UAV. Se tomó una incertidumbre de 25 cm como umbral para las desviaciones aceptables de la superficie batimétrica de referencia. Esto significa que se mantuvieron todos los puntos dentro de esta tolerancia de desviación. El procesamiento final de los datos estuvo precedido por pruebas para seleccionar la máscara de filtro de datos adecuada, el tipo de nube de puntos y el método de interpolación. En la Figura 3 se muestra un diagrama generalizado del geoprocesamiento con ejemplos de datos.

Dado que la adquisición y el procesamiento de los datos del sensor SBES se realizaron de acuerdo con la metodología hidrográfica utilizada, se prestó más atención a los datos del UAV. Durante el experimento, los datos fotogramétricos se procesaron utilizando el método tradicional, pero con una red GCP establecida bajo el agua. Este enfoque no tiene en cuenta la refracción de la onda electromagnética en el agua, a diferencia de la mayoría de los métodos que utilizan sensores remotos pasivos. Además, se analizaron dos tipos de nube de puntos de UAV. La primera era una nube completa, que incluía todas las clases de puntos, mientras que la segunda era una nube de clase terrestre. La máscara universal para filtrar los puntos se desarrolló en base a las desviaciones de la superficie de referencia batimétrica con respecto a los valores máximos y mínimos. En el paso final,

El análisis indica que los mejores resultados para desarrollar el producto final se obtuvieron utilizando una nube de puntos UAV desarrollada a partir de una nube de clase terrestre. Desafortunadamente, no todos los métodos de interpolación funcionaron bien en la estructura de datos que consiste en perfiles de USV y una nube de UAV, como el método de función de base radial (RBF). El procesamiento de datos del modelo batimétrico digital (DBM) adoptado se puede desarrollar utilizando métodos como la triangulación, el vecino más cercano, el kriging o la distancia inversa a una potencia, lo que brinda resultados comparables en términos de precisión de la superficie reconstruida. El modelo batimétrico híbrido desarrollado se ilustra en la Figura 4.

Conclusiones

El experimento muestra que es posible desarrollar un método de fusión de datos y un modelo batimétrico final basado en el procesamiento de datos geoinformático propuesto para áreas de aguas someras y ultra someras. Esto incluye la generación de nubes de puntos UAV, el filtrado de puntos mediante máscaras y el uso de métodos de interpolación espacial. Los elementos esenciales del método propuesto incluyen la adquisición de datos batimétricos utilizando un enfoque fotogramétrico clásico; en otras palabras, el uso de una red GCP submarina, la aplicación de una nube de puntos UAV de clase terrestre y el uso de métodos de interpolación seleccionados. Un elemento adicional importante del método es el procesamiento de datos UAV basados en una superficie de referencia batimétrica. El método propuesto ciertamente simplifica el desarrollo de datos batimétricos al no tener en cuenta la refracción, pero también se deben considerar sus limitaciones. Estos incluyen la aplicabilidad a áreas pequeñas y la necesidad de establecer una red fotogramétrica submarina. Como los métodos fotogramétricos son formalmente una de las fuentes de adquisición de datos batimétricos, cualquier investigación que evalúe la aplicabilidad práctica de este tipo de datos y sus métodos de procesamiento es valiosa.

Referencias

Lubczonek, J.; Kazimierski, W.; Zaniewicz, G.; Lacka, M. Metodología para combinar datos adquiridos por vehículos aéreos y de superficie no tripulados para crear modelos batimétricos digitales en aguas poco profundas y ultra someras. Sensores remotos  2022,  14 , 105. https://doi.org/10.3390/rs14010105

Lubczonek, J.; Wlodarczyk-Sielicka, M.; Lacka, M.; Zaniewicz, G. Metodología para desarrollar un modelo de superficie topográfico y batimétrico combinado utilizando técnicas de reducción de geodatos e interpolación. Sensores remotos 2021, 13 , 4427. https://doi.org/10.3390/rs13214427

Manual de Hidrografía. Organización Hidrográfica Internacional., OHI C-13. 2011