Powietrzny sensor LiDAR jest idealny do wymagających pomiarów wybrzeża Sylt

Pomiary batymetryczne dają wyjątkową możliwość uchwycenia chmur punktów LiDAR i obrazów strefy przejściowej obejmującej płytkie wody i tereny przybrzeżne. Informacje te dostarczają cennych informacji na temat warunków środowiskowych, wspierają badania i planowanie ochrony wrażliwych miejsc oraz wspomagają nawigację morską.

Na pomiary przybrzeżne duży wpływ ma jakość wody, która może ulec pogorszeniu przez wirujący piasek, glony i wodorosty. Trudne warunki na Morzu Północnym potęgują te problemy i zwiększają znaczenie szybkiego gromadzenia danych i niezawodnej pracy. Fińska firma Arctia-Meritaito Ltd. pomyślnie ukończył lotnicze pomiary topograficzne i batymetryczne na Sylt, popularnej niemieckiej wyspie znanej z kurortów wypoczynkowych i 40-kilometrowej (km) piaszczystej plaży, używając jako instrument pomiarowy Leica Chiroptera 4X.

Wyspa Sylt w północnych Niemczech na granicy z Danią

Zagrożenia dla wyspy

Niemiecka wyspa Sylt leży na zewnętrznym skraju Morza Wattowego w Szlezwiku-Holsztynie, w odległości 9–16 km od stałego lądu. Podczas gdy inne wyspy na Morzu Północnym są otoczone rozległymi równinami piasku i błota międzypływowego ─ zwanymi wadden ─, które chronią wybrzeża, zachodnie wybrzeże Syltu jest całkowicie niechronione i narażone na działanie sił wody. Trudne warunki pogodowe, takie jak silne prądy przypływowe i odpływowe, częste burze morskie i fale o wysokości do 10 metrów (m) nieustannie zmieniają kształt wyspy, pomimo prób ograniczenia erozji wzdłuż jej piaszczystych plaż. Od lat 1980 wysiłki konserwatorskie koncentrowały się na corocznym pompowaniu piasku z powrotem na plaże, zamiast konstruowania nienaturalnych betonowych konstrukcji.

Państwowa agencja ds. ochrony wybrzeża, parku narodowego i ochrony mórz Szlezwik-Holsztyn (Krajowy Urząd Ochrony Wybrzeża, Park Narodowy i Ochrona Morza Szlezwik-Holsztyn) jest odpowiedzialny za opracowanie planów ochrony wybrzeża i wdrożenie odpowiednich środków. W ostatnich dziesięcioleciach organizacja eksperymentowała z różnymi technologiami, aby zidentyfikować najskuteczniejsze metody utrzymania linii brzegowych.

W przeszłości statki wykonywały mapy batymetryczne dna morskiego. W przypadku linii profilu o łącznej długości około 1100 km potrzeba było około czterech tygodni, aby uwzględnić codzienne zmienne przypływy. Mapowanie było skomplikowane przez podwodną rafę znajdującą się około 400 – 500 m od zachodniego wybrzeża Syltu, gdzie głębokość wzrasta od około -6 m do 3 m. Poza rafą głębiny na otwartym Morzu Północnym ponownie spadają do głębokości około -10 m. Rafa ta zawsze stanowiła przeszkodę w pomiarze całego obszaru statkiem ze względu na potencjalne uszkodzenia statku i wyposażenia.

W 2020 roku Arctia-Meritaito została wybrana do badania Sylt za pomocą lotniczego skanera batymetrycznego Leica Chiroptera 4X. Chiroptera 4X może zazwyczaj penetrować do 25 m, a nawet osiągnął głębokość 30 m w idealnych warunkach. Eliptyczny wzór skanowania pozyskuje zobrazowania do przodu i do tyłu, aby zapewnić dwa zestawy danych tego samego punktu, co zmniejsza szum powodowany przez fale i zwiększa głębokość penetracji. Ponadto ukośna wiązka laserowa rejestruje dane obiektów pionowych. Pomimo zmętnienia i fal wokół wyspy Sylt, Chiroptera 4X z powodzeniem przebiła się na głębokość 10 m, aby dotrzeć do dna morskiego, spełniając wszystkie wymagania projektu.

Zdjęcie Sylt wykonane z samolotu

“Batymetryczne pomiary laserowe z powietrza są bardziej odpowiednią metodą uchwycenia obszaru przybrzeżnego wyspy Sylt” — mówi Lutz Christiansen, kierownik działu geodezji, topografii i morfologii w Krajowym Urzędzie Ochrony Wybrzeża, Parku Narodowego i Ochrony Morza Szlezwika-Holsztynu. „Przeprowadzając badanie w sprzyjających warunkach pogodowych podczas odpływu, Arctia-Meritaito z powodzeniem osiągnęła wymaganą głębokość i dokładność samolotem, zamiast ryzykować osiadanie na mieliźnie ze statkiem. Na podstawie tych wyników, pomiary będą wykonywane w przyszłości co trzy lata przy użyciu batymetrii lotniczej”

Ograniczone okno możliwości

Największym wyzwaniem związanym ze zbieraniem danych batymetrycznych z powietrza jest czas. Perfekcyjna synchronizacja tworzy czysty zbiór danych, który można szybko przetworzyć, podczas gdy zła synchronizacja skutkuje bardzo zaszumionym zbiorem danych, który nie spełnia specyfikacji lub nawet nie zawiera żadnych danych. W okolicy Sylt istnieje wiele problemów. Zbyt silny wiatr powoduje białą wodę i fale, podczas gdy glony unoszące się na powierzchni blokują laser, a drobny piasek wzniesiony z dna morskiego zakłóca gromadzenie danych.

“Bycie gotowym we właściwym czasie i jak najlepsze wykorzystanie dobrego okna pogodowego wymaga poświęcenia i wysiłku” – wyjaśnia Mikko Ojala, szef działu batymetrii lotniczej LiDAR, Arctia-Meritaito „Warunki pogodowe i wodne mogą zmieniać się bardzo szybko. Nie możemy wykonywać pomiarów topograficznych, gdy pada deszcz, a na lotnicze pomiary batymetryczne wpływają napływające wody z lądu, które zwiększają zmętnienie. Gdy warunki są wreszcie odpowiednie, sprzęt musi działać i być gotowy do pracy.”

Wiosna i jesień, kiedy w Morzu Północnym nie ma glonów ani lodu, zazwyczaj oferują najkorzystniejsze warunki. Jednak materiał dna morskiego składający się z drobnego piasku zawsze się porusza i powoduje zmętnienie. Ponieważ dno morskie często się zmienia, nakładające się dane zebrane w odstępie wielu dni nie będą do siebie pasować, a ich przetwarzanie zajmie więcej czasu. Kluczowe znaczenie ma jak najszybsze pokrycie całego obszaru projektu, aby zmaksymalizować spójność. Aby uchwycić dane topograficzne i batymetryczne zachodniego wybrzeża Sylt oraz południowych i północnych krańców, firma Arctia-Meritaito wybrała czerwiec 2020 r. W ciągu dwóch dni i łącznie pięciu godzin lotu zespół zeskanował 70 km kwadratowych.

“Przelecieliśmy cały obszar tylko dwoma lotami, w odstępie jednego dnia, a mimo to topografia dna morskiego zmieniała się między lotami” — mówi Ojala. „Stworzyło to wyzwanie związane z przetwarzaniem danych, ponieważ w niektórych miejscach, w których nakładały się dane z poprzedniego lotu, znajdowały się dwa dna morskie.”

Oprócz Terrasolid do przetwarzania chmur punktów i pakietu oprogramowania hydrograficznego QPS, firma Arctia-Meritaito wykorzystała Leica LiDAR Survey Studio (LSS) , aby przetwarzać wszystkie dane dotyczące kształtu fali i pozycji oraz uwzględniać dane z czterozakresowej kamery z Chiroptera 4X. Arctia posiada specyficzną dla LiDAR konfigurację przetwarzania danych opartą na zaleceniach Leica Geosystems.

Wyniki pomiarów wspierają analizę

W celu zapewnienia wysokiej jakości wyników, które będą podstawą do podejmowania decyzji konserwatorskich w przyszłości, umowa pomiarowa przewidywała, że pomiary powinny być przeprowadzane wyłącznie w sprzyjających warunkach (wiatry wschodnie). Wyniki obejmowały chmury punktów z klasyfikacjami (siatka 1 m i 10 m) oraz ortofotomapy. Dokładność wysokości musiała być lepsza niż 20 cm, a dokładność położenia lepsza niż 50 cm. Przetwarzanie danych zostało całkowicie wykonane przez Arctia-Meritaito, a wyniki zostały dostarczone około ośmiu tygodni po zebraniu danych.

“Osiągnęliśmy minimalną gęstość punktów w wodzie wynoszącą 5 punktów na metr kwadratowy (p/m2), co pokazuje, że Chiroptera 4X spełnia ogólne wymagania branżowe na płytkich wodach”, mówi Ojala. „Ponadto jednoczesne gromadzenie batymetrycznej i topograficznej chmury punktów wraz ze zdjęciami lotniczymi jest bardzo wydajne i zapewnia spójny zestaw danych od lądu do dna morskiego.”

Zbiór danych potwierdza stan linii brzegowej i pozwala na dalszą analizę. W porównaniu z poprzednimi pomiarami badanie z 2020 r. wskazuje, że osady piasku dodane do plaży przyczyniły się do ochrony wybrzeża od lat 1980. Lutz Christiansen zamierza kontynuować monitorowanie Syltu za pomocą okresowych pomiarów batymetrycznych.

“Jestem bardzo zadowolony z wyników. Chiroptera 4X osiągnął wymaganą głębokość”, mówi Christiansen. „Gęstość danych, dokładność i rodzaj przetwarzania spełniły wszystkie nasze wymagania. To był doskonały projekt, który zapewnia aktualny stan zachodniego wybrzeża i obszaru przybrzeżnego. Teraz mamy numeryczny model terenu (DTM) od stromego wybrzeża +20 m do -10 m głębokości wody.”

Wyniki lotniczego badania batymetrycznego za pomocą Leica Chiroptera 4X

Rozwój kartografii batymetrycznej

Arctia-Meritaito specjalizuje się w tworzeniu map hydrograficznych, utrzymaniu torów wodnych i nawigacji morskiej, realizowanych za pomocą floty lodołamaczy i statków pomiarowych. Firma, której korzenie sięgają fińskiej administracji morskiej i jej poprzedników, zatrudnia wysoko wykwalifikowanych specjalistów znających nieprzewidywalne wody fińskiego archipelagu i okolic.

Tradycyjnie Arctia-Meritaito badała płytsze głębokości za pomocą statków wyposażonych w echosondę z pojedynczą wiązką, która dawała profile głębokości w określonych odstępach, a nie pełne pokrycie. Takie podejście pozostawiło znaczne luki w danych między liniami pomiarowymi w zbiorze danych z pojedynczą wiązką.

Niedawno echosonda wielowiązkowa rozwiązała problem luk w danych; jednak echosonda wielowiązkowa nie zawsze jest wydajna na płytkich wodach. Pokos badania staje się węższy, gdy dno morskie wznosi się w kierunku czujnika. Inne wady obejmują zwiększone ryzyko uszkodzenia lub utraty sprzętu na płytkiej wodzie, jeśli statek zderzy się z niezbadaną mielizną, a echosonda nie może generować bezproblemowych danych z wody na ląd.

W 2015 r. Fińskie Biuro Hydrograficzne przeprowadziło pilotażowy projekt, w ramach którego porównano działanie kilku pokładowych czujników batymetrycznych. Projekt ten udowodnił, że lotnicze pomiary LiDAR mogą spełniać wymagane standardy mapowania na płytkich wodach. W ramach kolejnego projektu z 2016 r. korzystnie porównano wyniki uzyskiwane z pokładowego LiDAR z echosondami jednowiązkowymi i wielowiązkowymi. Aby dostosować się do zmieniającego się zapotrzebowania branży i pozostać na bieżąco z najnowszymi technologiami, firma Arctia-Meritaito zastąpiła usługę echosondy jednowiązkowej pokładowym batymetrycznym LiDAR-em.

“W projekcie pilotażowym z 2015 r. były jeszcze inne czujniki, ale zauważyliśmy, że Leica Chiroptera 4X zapewniła najbardziej obiecujące wyniki”, mówi Ojala. „Zastępując statki z pojedynczą wiązką pokładowymi LiDAR-ami, uzyskujemy pełne pokrycie na płytkich wodach z penetracją do 25 m w zależności od warunków, jednocześnie minimalizując ryzyko utraty czujników. Teraz zbieramy ziemię i wodę za jednym zamachem, zamiast przeprowadzać osobne pomiary dla części lądowej.”

Narodowa Agencja Ochrony Wybrzeży Szlezwiku-Holsztynu od 1992 roku ocenia technologię batymetryczną w powietrzu. Do 2015 roku wyniki z głębinowych powietrznych czujników LiDAR w porównaniu z innymi typami pomiarów morskich wykazały, że powietrzny LiDAR był odpowiedni i zdolny do penetracji wody do głębokości 3x Secci. Głębokość Secci odnosi się do pomiaru zmętnienia wody, tj. głębokości, na której światło nie może już przeniknąć do wody.

Dzięki ulepszeniom technologii laserowej i bardziej wyrafinowanym algorytmom, dziś możliwe jest osiągnięcie głębokości -25 m lub większej za pomocą czujnika płytkiej wody, takiego jak Chiroptera 4X, co wcześniej było osiągalne tylko za pomocą czujnika głębinowego lub echosondy.