Прибрежная фотограмметрия острова Саона: 3D-картирование пляжей, исследования с помощью дронов и мониторинг береговой линии

Введение

Прибрежные ландшафты постоянно меняются. Волны, приливы, ветер, осадки и движение наносов могут постепенно изменить форму пляжей и береговой линии. Понимание этих изменений требует достоверной информации о форме и высоте прибрежной поверхности.

На острове Саона в Доминиканской Республике прибрежная фотограмметрия может стать практическим методом исследования для документирования открытых пляжей, прибрежных форм рельефа и доступных участков береговой линии. Делая перекрывающиеся фотографии с дрона или другой платформы камеры, геодезисты могут реконструировать трехмерные поверхности и создавать подробные карты побережья.

Этот метод известен как фотограмметрия структуры из движения (SfM). Он использует компьютерное зрение и фотограмметрическую геометрию для выявления совпадающих объектов на нескольких фотографиях и расчета их пространственного положения.

В отличие от лазерного LiDAR, фотограмметрия опирается на информацию об изображении, а не на измерение времени прохождения лазерных импульсов. Это делает его полезным дополнительным подходом к прибрежной съемке, особенно там, где требуется повторяющаяся визуальная документация и модели поверхности с высоким разрешением.

В этом руководстве объясняются наука, оборудование, полевой рабочий процесс, продукты данных, вопросы точности и возможные применения прибрежной фотограмметрии вокруг острова Саона.

1. Что такое прибрежная фотограмметрия?

Фотограмметрия — это наука о получении измерений и пространственной информации с фотографий.

Одна фотография записывает двухмерное изображение. Однако когда один и тот же объект или пейзаж фотографируется с нескольких позиций, перекрывающиеся изображения содержат информацию о его трехмерной геометрии.

Специализированное программное обеспечение определяет совпадающие визуальные особенности на фотографиях. Затем он оценивает положение и ориентацию камеры и реконструирует относительное трехмерное расположение наблюдаемой поверхности.

В прибрежных приложениях фотографии можно собирать с помощью:

• Небольших беспилотных авиационных систем, обычно называемых дронами.
• Камер, установленных на самолетах.
• Наземных камеры.
• Портативные камеры.
• Системы фиксированных прибрежных камер.

Полученные данные можно использовать для создания ортомозаики, трехмерных облаков точек, цифровых моделей поверхности и карт высот.

NOAA и Геологическая служба США описывают фотограмметрию и структуру из движения как полезные методы для создания трехмерных моделей и картографических продуктов побережья на основе перекрывающихся изображений.

2. Понимание структуры из движения (SfM)

Структура из движения – это фотограмметрический метод, который реконструирует трехмерную геометрию на основе нескольких изображений, снятых с разных точек зрения.

Основной принцип прост: объект, видимый на нескольких фотографиях, появляется в несколько разных положениях на каждом изображении, поскольку камера перемещается.

Анализируя эти различия, программное обеспечение оценивает положение камеры и трехмерное расположение совпадающих объектов.

Основные этапы обработки:

Функция обнаружение

Программное обеспечение идентифицирует отличительные особенности изображения, такие как углы, края, текстуры и узоры.

Сопоставление объектов

Одни и те же особенности встречаются на нескольких фотографиях. Надежное сопоставление имеет важное значение, поскольку неправильные совпадения могут исказить реконструкцию.

Выравнивание камеры

Программное обеспечение оценивает относительное положение и ориентацию каждой камеры при съемке фотографий.

Генерация разреженного облака точек

Первоначальная реконструкция создает набор трехмерных точек, представляющих совпадающие объекты.

Плотная реконструкция

Дополнительная информация изображения используется для создания более плотного представления видимого объекта. поверхности.

Географическая привязка

Наземные опорные точки или подходящая информация о местоположении используются для помещения реконструированной модели в реальную систему координат.

Окончательную модель затем можно использовать для картографирования, измерений и сравнения с более поздними съемками.

Рабочий процесс обработки прибрежных изображений Геологической службы США представляет собой подробный пример того, как SfM можно использовать для создания прибрежных 3D-продуктов на основе аэрофотоснимков.

3. Почему фотограмметрия полезна для обследования пляжей?

Пляжи — это динамичная среда. Их поверхность может измениться после штормов, сильных волн, сезонных погодных условий или деятельности человека.

Традиционные методы съемки могут обеспечить точные измерения, но повторное обследование большого пляжа может потребовать значительного времени в полевых условиях.

Фотограмметрия с дрона предлагает несколько потенциальных преимуществ:

• Быстрый сбор изображений доступных прибрежных зон.
• Подробная визуальная документация поверхности пляжей.
• Создание ортофотопланов и моделей рельефа.
• Повторные исследования с использованием согласованного плана полета.
• Определение видимых закономерностей эрозии и отложений.
• Интеграция с ГИС и другими наборами прибрежных данных.

Метод особенно полезен, когда исследователям необходимо документировать, как видимая поверхность суши меняется с течением времени.

Обследование дронов не обеспечивает автоматически полную модель подводной местности. Обычная аэрофотограмметрия в первую очередь подходит для видимых поверхностей. Подводная реконструкция требует подходящих оптических условий, а также специализированного получения и обработки изображений.

4. Необходимое оборудование для съемки прибрежных дронов

Для проекта фотограмметрии требуется нечто большее, чем дрон и камера. Качество окончательной модели зависит от всей системы съемки.

Платформа для дронов

Многокоптерный дрон может быть полезен для небольших и средних прибрежных районов съемки, поскольку он может следовать запланированным траекториям полета и поддерживать относительно низкие скорости съемки.

Платформы с неподвижным крылом могут быть более подходящими для больших территорий, где важна более продолжительная продолжительность полета.

Камера

Камера должна создавать четкие изображения с высоким разрешением, постоянной экспозицией и надежностью. метаданные изображения.

Важные характеристики включают:

• Разрешение датчика.
• Фокусное расстояние объектива.
• Выдержка.
• Резкость изображения.
• Контроль экспозиции.
• Характеристики искажения объектива.

GNSS оборудование

Приемник глобальной навигационной спутниковой системы геодезического класса можно использовать для измерения наземных контрольных точек и независимых контрольно-пропускных пунктов.

Наземные контрольные цели

Четко видимые цели могут быть размещены в обследуемых местах. Они помогают связать реконструкцию изображения с известными реальными координатами.

Компьютерная обработка и программное обеспечение

Программное обеспечение для фотограмметрии обрабатывает фотографии, оценивает геометрию камеры, создает облака точек и генерирует картографические продукты.

Полевые аксессуары

Дополнительное оборудование может включать запасные батареи, карты памяти, измерительные инструменты, геодезические маркеры, защитное оборудование и инструменты для мониторинга погоды.

5. Планирование полета дрона

Успешная съемка начинается с тщательно подготовленного плана полета.

Определите границы съемки

Команда проекта сначала определяет область, которую необходимо нанести на карту. Сюда могут входить сухой пляж, дюны, прибрежная растительность и другие видимые формы рельефа.

Выберите высоту полета.

Высота полета влияет на расстояние выборки грунта, охват изображения и уровень детализации, получаемой камерой.

Полеты на более низкой высоте обычно захватывают больше деталей на меньшей площади, тогда как полеты на более высоких высотах охватывают большие области с меньшей детализацией изображения.

Правильная высота зависит от требуемого выходного разрешения, характеристик камеры, местности и применимых ограничений полета.

Установить изображение перекрытие

Фотограмметрия требует достаточного перекрытия последовательных фотографий и соседних линий полета.

Перекрытие вперед — это общая область между последовательными изображениями вдоль линии полета. Боковое перекрытие относится к общей области между соседними линиями полета.

Адекватное перекрытие позволяет программному обеспечению выявлять общие черты с нескольких точек зрения. Точные проценты следует выбирать в зависимости от местности, требований камеры и проекта, а не рассматривать как универсальные значения.

Планируйте освещение и погодные условия

Сильные тени, быстро меняющаяся облачность, дымка и движущаяся растительность могут усложнить сопоставление изображений.

Постоянное освещение и подходящие ветровые условия помогают создавать более надежные наборы изображений.

Проверьте эксплуатационные требования

Перед любым полетом команда проекта должна проверить применимые авиационные правила, разрешения, ограничения охраняемой территории и требования безопасности. Полеты не должны беспокоить дикую природу, посетителей или уязвимые места обитания.

6. Наземные контрольные точки и точность съемки

Наземные контрольные точки (GCP) — это обследованные местоположения, которые можно четко идентифицировать на фотографиях.

Они помогают ограничить фотограмметрическую модель известными реальными координатами.

Типичный рабочий процесс GCP включает в себя:

1. Выберите стабильный и видимый
2. Разместите подходящие цели там, где это разрешено.
3. Измерьте координаты цели с помощью GNSS геодезического класса или другого подходящего метода съемки.
4. Запишите опорную систему координат и информацию об измерениях.
5. Определите те же цели на фотографиях.
6. Используйте точки во время фотограмметрической обработки.

Распределение контрольных точек имеет значение. Группа точек, сосредоточенная в одном углу съемки, может не обеспечить адекватного контроля всей модели.

Независимые контрольные точки также следует измерять. Они не используются для соответствия модели; вместо этого они предоставляют отдельный способ оценить его точность.

В рекомендациях Геологической службы США по калибровке изображений беспилотных самолетов подчеркивается важность точного наземного контроля и независимой оценки. Качество наземного контроля должно соответствовать точности, требуемой от конечного продукта.

7. Важные результаты фотограмметрии

Проект прибрежной фотограмметрии может создать несколько полезных наборов пространственных данных.

Ортомозаика

Ортомозаика — это геометрически скорректированное изображение, собранное из нескольких фотографий.

В отличие от обычной аэрофотоснимки, она предназначена для обеспечения единообразного картографического вида с уменьшенным искажением перспективы.

Она может поддерживать визуальную интерпретацию, картографирование прибрежных объектов и ГИС. анализ.

Трёхмерное облако точек

Облако точек — это набор реконструированных 3D-точек.

Каждая точка представляет собой примерное местоположение на видимой поверхности. Точки могут быть раскрашены с использованием информации изображения для создания реалистичного представления исследуемой территории.

Цифровая модель поверхности

Цифровая модель поверхности (DSM) представляет высоту видимой поверхности, включая такие элементы, как растительность и структуры.

Цифровая модель местности

Цифровая модель местности (DTM) пытается представить нижележащую поверхность земли после удаления надземных объектов, если данные позволяют надежную классификацию.

Прибрежное пространство поперечные сечения

Поперечные сечения показывают изменения высоты вдоль выбранных линий на пляже или прибрежном объекте.

Они полезны для сравнения уклонов пляжа и выявления изменений в форме исследуемой поверхности.

Расчеты объема

Если доступны две совместимые модели поверхности, программное обеспечение может оценить разницу в объеме поверхности между датами съемки.

Такие расчеты могут помочь исследователям оценить прирост и потерю наносов, но их надежность зависит от выравнивания съемки, поверхности качество и неопределенность.

8. Измерение изменений пляжа с течением времени

Одним из наиболее ценных применений прибрежной фотограмметрии является повторный мониторинг.

Одно исследование дает снимок пляжа. Повторные исследования могут выявить изменения поверхности.

Например, исследовательская группа может обследовать выбранный участок пляжа через регулярные промежутки времени и сравнивать полученные цифровые модели рельефа.

Основную разницу высот можно записать как:

Δz = z₂ − z₁

Где:

• Δz = изменение высоты поверхности.
• z₁ = высота, измеренная во время первой съемки.
• z₂ = высота, измеренная во время более поздней съемки.

Положительные значения указывают на поверхность, которая выше в более поздней модели, а отрицательные значения указывают на более низкую поверхность.

Однако карту различий следует интерпретировать осторожно. Очевидные изменения могут быть результатом ошибок измерений, плохого выравнивания, разного уровня воды, изменений растительности или различий в качестве изображения.

Надежное исследование по обнаружению изменений должно сообщать о неопределенности и избегать интерпретации очень небольших перепадов высот как реальных изменений побережья, если только они не превышают совокупную неопределенность измерений.

9. Потенциальное применение вокруг острова Саона

Прибрежная фотограмметрия может помочь в проведении нескольких исследовательских мероприятий вокруг острова Саона, если будут проведены соответствующие исследования.

Мониторинг профиля пляжа

Повторные исследования с помощью дронов могут документировать форму доступных пляжных поверхностей.

Исследователи могут извлекать поперечные сечения и сравнивать профили высот между датами съемки.

Картирование объектов береговой линии

Ортомозаичные изображения могут помочь определить видимые особенности береговой линии и обеспечить согласованную базовую карту для анализа побережья.

Индикатор береговой линии должен быть определен тщательно. Видимая граница влажного и сухого воздуха, линия растительности и линия приливной воды не обязательно являются одним и тем же объектом.

Исследования береговой эрозии и отложений

Сравнение повторяющихся моделей поверхности может помочь определить, где видимые поверхности суши потеряли или приобрели материал.

Для интерпретации процессов, ответственных за эти изменения, необходимы полевые наблюдения и соответствующие измерения отложений.

Картирование прибрежной растительности

Снимки с высоким разрешением могут помочь составить карту видимой растительности границы и обширные структуры земного покрова.

Мультиспектральные изображения могут предоставить дополнительную информацию о характеристиках растительности, но классификация изображений должна быть проверена с помощью полевых наблюдений.

Документация прибрежной инфраструктуры

Фотограмметрические модели могут помочь документировать видимые тропы, здания, подъездные пути и другую прибрежную инфраструктуру.

Такие модели могут поддерживать предварительное планирование, осмотр и визуальные записи. Детальное инженерное проектирование по-прежнему требует соответствующего контроля и изучения местности.

Экологический мониторинг

Повторные исследования изображений могут документировать изменения в обнаженных прибрежных формах рельефа и помочь исследователям определить места, требующие дальнейшего экологического исследования.

Сама по себе фотограмметрия не может подтвердить наличие видов, здоровье среды обитания или экологическое состояние.

10. Может ли фотограмметрия с помощью дрона составить карту мелководных подводных территорий?

Фотограмметрию иногда можно использовать для реконструкции видимых мелководных поверхностей морского дна, но подводное картографирование является более сложной задачей, чем картографирование суши.

Техника зависит от того, как камера получает полезную информацию с морского дна через воду.

На производительность влияют несколько условий:

• Прозрачность воды.
• Поверхностные волны и рябь.
• Преломление на границе раздела воздух-вода.
• Отражение солнечного света и блики.
• Текстура морского дна и видимые особенности.
• Глубина воды и разрешение изображения.

Чистая вода, спокойные условия и отчетливые особенности морского дна являются благоприятными. Мутная вода, прибойные волны и однородные песчаные поверхности могут затруднить реконструкцию.

Руководство NOAA по прибрежному батиметрическому картографированию с использованием небольших беспилотных самолетов и SfM определяет эти экологические ограничения и рекомендует подходящее расположение камеры и высококачественную информацию о траектории.

Поэтому в проекте пляжной фотограмметрии на острове Саона следует проводить различие между надежными измерениями поверхности суши и любыми попытками подводной реконструкции. Сонар или другие подходящие батиметрические методы могут потребоваться там, где оптические изображения не могут предоставить достоверную информацию о глубине.

11. Фотограмметрия по сравнению с LiDAR

Фотограмметрия и LiDAR могут создавать трехмерные наборы прибрежных данных, но они используют разные принципы измерения.

Фотограмметрия восстанавливает геометрию на основе перекрывающихся изображений. Он может предоставить подробные цветные изображения и модели поверхности, но это зависит от текстуры изображения, освещения и надежного сопоставления изображений.

LiDAR измеряет расстояния с помощью лазерных импульсов. Он может захватывать поверхности с меньшей зависимостью от видимой фотографической текстуры, хотя его производительность также зависит от характеристик датчика, состояния поверхности и окружающей среды съемки.

Для открытых пляжей и доступных прибрежных территорий фотограмметрия с дронов может стать эффективным вариантом для повторных визуальных и топографических исследований.

Для проектов, требующих различных характеристик поверхности, проникновения растительности или подходящих лазерных измерений на мелководье, LiDAR может предложить преимущества.

Выбор должен основываться на целях проекта, требуемой точности, условиях окружающей среды, оборудовании и стоимость.

12. Распространенные ошибки в прибрежной фотограмметрии

Технически успешный полет все равно может создать ненадежную модель, если съемка или обработка плохо контролируются.

К распространенным проблемам относятся:

Недостаточное перекрытие изображений: Слишком мало общего покрытия изображений может привести к ошибкам выравнивания или слабой реконструкции.

Размытые фотографии: Размытие при движении снижает качество сопоставления изображений.

Плохой грунт контроль: Неправильные или неравномерно распределенные контрольные точки могут исказить конечную модель.

Изменение водных поверхностей: Движущиеся волны и отражения создают элементы, которые не остаются стабильными между изображениями.

Движение растительности: Переносимые ветром листья и трава могут привести к неравномерному совпадению.

Непоследовательные настройки камеры: Быстрая смена экспозиции или фокуса может привести к искажению изображения. согласованность.

Неправильные привязки координат. Смешение систем координат или вертикальных привязок может привести к ошибочным сравнениям высот.

Несообщаемая неопределенность: Модель не следует представлять как геодезическую только потому, что она выглядит подробной.

Эти проблемы следует решать посредством планирования полей, проверок качества и прозрачной отчетности.

13. Предлагаемый проект прибрежной фотограмметрии на острове Саона

В будущем исследовательском проекте можно использовать следующую структуру.

Этап 1 – Выбор участка

Выберите доступные прибрежные участки с четко определенными границами исследования. Учитывайте активность посетителей, растительность, рельеф, чувствительность окружающей среды и разрешения на эксплуатацию.

Этап 2 – Базовое обследование

Соберите перекрывающиеся аэрофотоснимки при подходящей погоде и условиях освещения. Установите наземный контроль и независимые контрольные точки.

Этап 3 – Фотограмметрическая обработка

Выровняйте фотографии, оцените положения камеры, создайте облака точек и создайте ортофотопланы и модели рельефа.

Этап 4 – Оценка точности

Сравните измерения независимых контрольных точек с реконструированной моделью. Проверьте горизонтальные и вертикальные ошибки, качество изображения и области неполного покрытия.

Этап 5 – Повторный мониторинг

Повторите опрос, используя последовательную методологию и подходящий эталонный контроль. Сравните полученные модели поверхности, чтобы оценить измеримые изменения.

Этап 6 – Интерпретация побережья

Используйте проверенные данные для изучения профилей пляжа, видимых особенностей береговой линии, изменений поверхности и возможного движения отложений.

Это предлагаемая основа исследования. В нем не утверждается, что на острове Саона уже создана конкретная программа фотограмметрического мониторинга с помощью дронов.

14. Будущее картографирования побережья с помощью дронов

Усовершенствования камер, программного обеспечения для позиционирования GNSS, обработки изображений и автоматического анализа изображений продолжают расширять возможности картографирования с помощью дронов.

Потенциальные разработки включают в себя:

• Более эффективное автоматическое планирование полета.
• Улучшенная камера калибровка.
• Проверка качества изображения в режиме реального времени.
• Интеграция с платформами ГИС.
• Автоматическое извлечение объектов береговой линии.
• Классификация земного покрова с помощью искусственного интеллекта.
• Сравнение со спутниковыми, гидролокационными и LiDAR-данными.
• Более доступные рабочие процессы повторных съемок.

Эти разработки могут сделать прибрежный мониторинг более практичным для университеты, исследовательские группы и экологические организации.

Однако автоматизированная обработка не устраняет необходимость в надежных полевых данных, независимой проверке и ответственной интерпретации.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое прибрежная фотограмметрия?

Прибрежная фотограмметрия – это использование фотографий для измерения и реконструкции прибрежных поверхностей, создания карт, облаков точек и трехмерных моделей рельефа.

2. Что такое структура из движения?

Структура из движения – это метод, который использует перекрывающиеся фотографии, сделанные с разных точек зрения, для оценки положения камеры и восстановления трехмерной геометрии.

3. Может ли дрон создать 3D-модель пляжа?

Да. При соответствующем наложении изображений, калибровке камеры, позиционировании и обработке фотографии, сделанные дронами, можно использовать для создания трехмерных моделей открытых поверхностей пляжа.

4. Почему важны наземные контрольные точки?

Наземные контрольные точки связывают реконструированную модель с известными реальными координатами и помогают ограничить ее положение и масштаб.

5. Достаточно ли точна фотограмметрия с дронов для прибрежной инженерии?

При правильном проектировании, управлении и проверке она может подойти для некоторых задач прибрежного картографирования и мониторинга. Требуемая точность зависит от инженерного применения.

6. Может ли фотограмметрия измерить глубину подводного мира?

Иногда с ее помощью можно реконструировать мелкие видимые поверхности морского дна при благоприятных оптических условиях. Он не является универсальной заменой гидролокатора или других методов гидрографической съемки.

7. Как часто следует обследовать пляж?

Частота зависит от цели исследования. Опросы можно планировать до и после крупных событий или через регулярные промежутки времени при условии, что время и условия окружающей среды документированы.

8. Используется ли уже прибрежная фотограмметрия на острове Саона?

Эта статья не подтверждает конкретную местную программу. Любое существующее обследование или проект мониторинга должно быть подтверждено авторитетными проектными записями или местными организациями.

Заключение

Прибрежная фотограмметрия предлагает практический способ преобразования перекрывающихся фотографий в подробные карты и трехмерные модели обнаженных прибрежных ландшафтов.

Благодаря обработке структуры из движения изображения дронов могут использоваться для анализа профиля пляжа, картографирования особенностей береговой линии, сравнения поверхности и прибрежных исследований. Для того чтобы полученные данные поддерживали надежные измерения, необходимы наземный контроль, независимые контрольные точки и тщательная оценка качества.

Для острова Саона правильно разработанная программа фотограмметрии могла бы предоставить полезную исходную информацию и помочь исследователям документировать изменения в доступной пляжной среде с течением времени.

Этот метод наиболее эффективен, когда используется как часть более широкой стратегии картирования побережья, которая сочетает съемку на основе изображений с измерениями GNSS, полевыми наблюдениями, LiDAR или гидролокатором, где это необходимо.

Поворачивая фотографий в измеримые трехмерные поверхности, прибрежная фотограмметрия позволяет более детально изучить пляжные ландшафты и сравнить, как они меняются с течением времени.