Post on 15-Oct-2020
transcript
RemTech 2018
Confronto fra immagini UAV e satellitari per la
stima della batimetria con sensori multispettraliIrene Mammi’ – Lorenzo Rossi – Enzo Pranzini
Università degli Studi di Firenze - GeoCoste
CONVEGNO NAZIONALE STUDI COSTIERI
MONITORAGGIO DELLE COSTE CON AUV (SAPR/Drone)
Il nostro gruppo di lavoro si occupa da alcuni anni di sperimentare tecniche per il
monitoraggio costiero attraverso anche l’uso di droni e camere ottiche.
Oltre a SfM abbiamo implementato applicazioni per:
Modelli 3D costa emersa – SFM (fotogrammetria)
Opere semi-sommerse
Tracciamento linea
di riva da 3D
Torbidità dragaggi
SFM Batimetria coste semi rocciose
Mappatura rifiuti
“beach litter”
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da AUV
La batimetria da satellite con sensori multisettrali è una tecnica di telerilevamento
oramai ampliamente utilizzata. Vengono usati satelliti ad alta risoluzione come
QuickBird, Worldview, etc….
Bande World View 2
Un’immagine multispettrale è una immagine multibanda
La tecnica si basa sul principio per cui le differenti
lunghezze della luce penetrano l’acqua a profondità
differenti; queste, riflesse dal fondale, vengono
registrate dal sensore multispettrale del satellite.(dispersioni ed assorbimenti durante il tragitto)
L’applicazione principale è la stima delle variazioni
morfologiche a larga scala in quanto l’errore
relativo è di circa il 10% a -10 m e aumenta con la
profondità.
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da AUV
Composit di differenti bande per la distinzione di morfologie sommerse (max 30 m)
DigitalGlobe
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da AUV
• Lyzenga (1978,1985),
• Jupp (1988),
• Stumpf et al. (2003).
Condizioni necessarie per l’applicazione dei metodi:
• l’attenuazione della luce sia funzione esponenziale della profondità;
• la trasmissività dell’acqua non vari all’interno dell’immagine e della colonna
d’acqua;
• l’albedo del substrato sia pressoché costante.
Se all’applicazione del modello si fanno precedere operazioni di classificazione del fondale
è possibile eseguire il processo separatamente per ogni habitat, rendendo in tal modo
trascurabile la terza condizione.
Z= prof (m), m1,m0= costanti, Rw= radianza osservata, λi,j = bande
Principali metodi x batimetria da satellite:
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da AUV
PAN-WV2Planetek
L’area di studio è localizzata a sud di
San Vincenzo (LI).
E’ un’area di circa 300x400 m
caratterizzata da sabbia e dalla
presenza di alcune barre sommerse. La
zona investigata è stata dalla battigia
fino al limite interno delle posidonia a
circa 10 m di profondità.
L’immagine da satellite utilizzata è una
Worldview-2 ed acquisita nel dicembre
del 2016 (panchromatic 50 cm ris +
multispectrale 8 bande - 2 m ris.).
Questa è l’immagine di archivio più
recente migliore che è stata trovata per
quanto riguarda la % di copertura
nuvolosa e le condizioni meteo-marine.
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da UAV
Per quanto riguarda l’UAV è stato utilizzato un
esacottero equipaggiato con una camera
multispettrale (MAIA WV) avente le stesse bande
del satellite WorldView-2™.
E’ un nuovo strumento che presenta sensori di
1.2 Mpixel di elevate caratteristiche in termini d
sensitività. I sensori scattano simultaneamente e
sono di tipo “global shutter” ovvero tutti i pixel che
compongono un’immagine vengono catturati nello
stesso istante e non per scansione .
UAV
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da UAV
Il volo del drone è stato eseguito nell’Aprile del
2018 in condizioni meteo marine abbastanza
favorevoli. Sono state acquisite 9 immagini ad
una quota di 150 m. Abbiamo anche verificato
diverse quote di volo.
Piano di volo
Uno dei principali problemi è stata la
georeferenziazione delle immagini in quanto in
mare non è possibile applicare la SFM e di solito
non è possibile avere punti di appoggio.
Abbiamo quindi sperimentato una tecnica
geroreferendo le singole immagini con i parametri di
volo come la quota, posizione GPS, direzione
(heading), rollio e beccheggio e conoscendo l’impronta
a terra dell’immagine a quella quota ovvero 96x72 m.
Questa è stata anche verificata a terra con rilievo GPS
RTK.
Inoltre sono state utilizzate come punti di appoggio due boe
equipaggiate con GPS che registravano in tempo reale la
posizione. Alla fine è stata creata la GeoTIFF dal mosaico delle
singole immagini.
Immagine UAV
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da UAV
Nell’Aprile 2018, in contemporanea al volo drone,
abbiamo eseguito un rilievo batimetrico Multbeam
sulla zona del test. Inoltre avevamo un precedente
rilievo del Giugno 2014.
Questi dati sono stati utilizzati in parte come punti di
calibrazione della batimetria multispettarle(50-200-500
pts) e anche per la verifica dell’accuratezza.
Per verificare la variabilità morfologica dell’area è
stata fatta una carta delle variazioni altimetriche fra il
2018-2014. Questo anche per capire se la RWD da
satellite del 2016 poteva essere sufficientemente
attendibile non disponendo di un rilievo coevo. A
parte la zona delle barre non i sono variazioni
significative.
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da AUV
Processing delle immagini (SAT and UAV):
• Ortorettifica - mosaicatura;
• Conversione radianza;
• Correzione atmosferica;
• Conversione riflettanza (TOA);
• Mascheratura terra/mare;
• Correzione riflessi del sole;
• Applicazione algoritmo Stumpf per trovare la RWD - Relative Water Depth;
• Utilizzo di diverse coppie di bande per stimare quelle con i risultati
più vicini al dato reale (Cb/G – G/Y – B/G);
• Density slice con output in RGB;
• Calibrazione della density slice con profondità reali (testata con diverso
numero di punti di verità in mare - 50,200,500 pts);
• Carta batimetrica finale a 5x5 m grid per smussare disturbo.
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da AUV
RWD-SAT
UAV
SAT
Nel grafico del RWD-SAT abbiamo una dispersione che aumenta sia in profondità,
anche oltre profondità di chiusura, che nella zona delle barre. Quest’ultima è dovuta
alla variabilità morfologia e al rilievo non coevo mentre l’altra è dovuta all’errore
crescente con la profondità.
RISULTATI
Il modello di Stumpf si è dimostrato abbastanza efficente nella stima della batimetria
specialmente per acque molto basse (< 10 m) e con fondali omogenei a media
riflettanza. La combinazione delle bande migliori è stata la blu/verde, non necessita di
molti punti di calibrazione.
Le profondità reali e quelle calcolate (pixel immagini SAT e AUV) sono state comparate
con una regressione lineare su circa 30.000 punti.
DoC
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da AUV
I coefficienti di determinazione (R2) :
Satellite = 0.96
UAV = 0.99
RWD-UAV
UAV
Nel grafico RWD-AUV la dispersione è nettamente minore che da SAT. Aumenta
sempre in maniera significativa ed esponenziale ma èrincipalmente dopo i 10 m.
DoC
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da AUV
Una verifica dei risultati è riportata in tabella dove
viene mostraro lo scarto medio in volore assoluto
fra valori calcolati e quelli reali a differenti
intervalli di profondità su 30.000 pts
Un profilo tracciato al centro dell’area di indagine mostra le differenze di
accuratezza fra le due tecniche
Rilievi batimetrici con camera Multispettrale da AUV
•Da questo primo test abbiamo visto che l’accuratezza della batimetria derivata
da AUV risulta maggiore che da satellite. Oltre alla distanza del sensore ci sono altri
infatti fattori come l’atmosfera che possono influire sulla qualità.
Non sono presenti ancora in letteratura confronti sul tema.
•Il rilievo da satellite è sicuramente più adatto a studi di scala regionale mentre
quello da drone ad aree più limitate.
•La disponibilità del dato con rilievo da drone è più immediata e questo risulta
utile quando ci sono da programmare altre attività di campo (campionamenti
etc…) o monitoraggi immediati. Si può abbinare al rilievo 3D della parte emersa.
•L’accuratezza di 20 cm fino a 5 m di profondità rende il rilievo batimetrico da
drone un utile strumento per coprire il gap di una copertura totale del fondale in
acque molto basse dove è difficile arrivare con strumentazione tipo multibeam.
•Necessita di condizioni meteo marine ottimali e di nuovi test di verifica e per la
standardizzazione della metodologia.
CONCLUSIONI
GRAZIElrossi@geocoste.com