NV5 mapuje trudną strefę przybrzeżną Alaski dla NOAA za pomocą batymetrycznego i topograficznego systemu LiDAR firmy Leica Geosystems

National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) zleciła firmie NV5 Geospatial zdefiniowanie linii brzegowej w niezwykle złożonym obszarze południowo-wschodniej Alaski w ramach programu mapowania wybrzeża NGS. Mapowanie linii brzegowej wymagało, aby NV5 wykonała podpowierzchniowe pomiary batymetryczne, a także zebrała dane dotyczące wysokości linii brzegowej. NV5 wykorzystała swoje zintegrowany sensory lotnicze Leica Chiroptera 4X i Leica HawkEye 4X LiDAR, do pozyskiwania danych topograficznych i danych batymetrycznych na wodach płytkich. Pomimo słynnej mętnej wody na Alasce i złych warunków lotu, projekt z powodzeniem uchwycił szczegóły dna morskiego na głębokości 16-20 metrów.

Inicjatywa Alaska Coastal Mapping opiera się na memorandum prezydenckim z 2019 r. w sprawie mapowania oceanów w wyłącznej strefie ekonomicznej Stanów Zjednoczonych oraz linii brzegowej i przybrzeżnej Alaski. Długoterminowym celem jest stworzenie jednolitej mapy wybrzeża stanu do 2030 r., z naciskiem na styk między terenem śródlądowym a środowiskiem podpowierzchniowym na morzu. Program kładzie nacisk na wykorzystanie batymetrycznej technologii LiDAR.

Linia brzegowa Alaski została słabo zmapowana ze względu na różne warunki, w tym częste deszcze i zachmurzenie, duże wahania pływów i mętne wody spowodowane dynamicznym działaniem fal. Istnieje wiele zalet dokładnego mapowania linii brzegowej – bezpieczniejsza nawigacja statków, wydajniejsze zarządzanie zasobami przybrzeżnymi, lepsze modelowanie fal sztormowych i powodzi przybrzeżnych oraz lepsze zarządzanie siedliskami bentosowymi.

Zbieranie danych z powietrza miałoby również natychmiastowy wpływ na sam projekt mapowania wybrzeża. Przybrzeżne pomiary batymetryczne byłyby dostarczane statkom wyposażonym w sonar, również biorącym udział w inicjatywie badawczej, aby mogły one działać na głębszych wodach.

„NOAA stara się uzyskać bardzo dokładne i precyzyjne dane, aby promować bezpieczeństwo wszystkich statków pracujących w tych skomplikowanych środowiskach” powiedział Andres Vargas, ekspert techniczny w NV5 Geospatial."

Wybór NV5 do mapowania jednej z najtrudniejszych części stanu był naturalny, ponieważ firma z siedzibą w Corvallis, OR, USA, jest doświadczonym użytkownikiem lotniczych sensorów topograficznych i batymetrycznych LiDAR firmy Leica Geosystems, które są w stanie jednocześnie pozyskiwać dane o terenie na lądzie i głębokości wody na morzu - co znacznie oszczędza czas w środowiskach, w których odpowiednie warunki do latania są ograniczone.

NOAA wyznaczyła firmie NV5 dwa obszary projektowe, w tym około 630 mil nierównej linii brzegowej w kanale Revillagigedo w pobliżu Ketchikan na Alasce, obszar projektu o łącznej powierzchni 350 mil kwadratowych w ekstremalnym krajobrazie wypełnionym fiordami.

Specyfikacja projektowa wymagała skanowania lotniczych punktów batymetrycznych LiDAR o minimalnej gęstości 3 punktów na metr kwadratowy (ppm) w ciągu około dwóch godzin od odpływu. Aby precyzyjnie wyznaczyć granicę między lądem a wodą, wymagane były również 25-centymetrowe czterozakresowe wielospektralne zdjęcia optyczne podczas odpływu w ciągu 30 dni od operacji LiDAR. Okno robocze obejmowało czas między majem a październikiem 2021 roku.

Firma NV5 wykorzystała zintegrowany system LiDAR Leica Chiroptera 4X i HawkEye 4X na Alasce na pokładzie Cessna Caravan. Chiroptera 4X to podwójny laser zaprojektowany specjalnie do jednoczesnego pozyskiwania wysokiej rozdzielczości punktów wysokościowych na lądzie i punktów batymetrycznych na płytkich wodach. Laser batymetryczny działa w widzialnej zielonej części widma, która penetruje słup wody do nominalnej głębokości 30 metrów z pionową dokładnością 0,15 centymetra przy gęstości 5 ppm w czystych wodach i podczas idealnych warunków pomiarowych. Laser topograficzny działający w bliskiej podczerwieni ma typową pionową dokładność 15 centymetrów.

Podczas gdy Chiroptera 4X jest samodzielnym systemem, Leica Geosystems zaprojektowała moduł HawkEye 4X jako urządzenie towarzyszące do zbierania danych batymetrycznych na większych głębokościach po zintegrowaniu z Chiroptera. Uzupełniający moduł HawkEye zazwyczaj dodaje 40-50% dodatkowej penetracji głębokości z dokładnością przekraczającą zamówienie IHO 1. Integracja sensorów umożliwiła NV5 zebranie danych na lądzie, płytkich i głębszych wodach w trakcie jednego lotu – maksymalizując wykorzystanie dostępnych dobrych dni lotu.”

Leica Chiroptera 4X i Leica HawkEye 4X Leica LiDAR Survey Studio

Pozyskiwanie danych w ekstremalnych warunkach

Przygotowując się do realizacji zadania, inżynierowie pracujący w NV5 wiedzieli, że trudne warunki panujące na Alasce będą wyzwaniem wymagającym specjalnych procedur. Najbardziej zauważalne były nisko leżące chmury, które ograniczały operacje lotnicze i niemal nieustające wiatry, które przyczyniały się do mętnienia wody. Innym problemem był dramatyczny krajobraz fiordów, gdzie linia brzegowa w wielu miejscach wznosi się pionowo kilkaset stóp nad wodę.

Znalezienie płaskiego terenu do umieszczenia punktów kontrolnych było trudne na nierównym obszarze pokrytym gęstą roślinnością na wielu obszarach. Zespół pomierzył 164 punkty, w tym cumowan boje w wodzie. Boje te nie tylko służyły jako punkty kontrolne, ale także monitorowały przejrzystość wody i przekazywały te pomiary zespołowi NV5. Informacje te okazały się kluczowe przy podejmowaniu codziennych decyzji, gdzie warunki wodne są odpowiednie do operacji LiDAR z powietrza. Znalezienie płaskiego terenu do umieszczenia punktów kontrolnych było trudne na nierównym obszarze pokrytym gęstą roślinnością na wielu obszarach. Zespół pomierzył 164 punkty, w tym cumowan boje w wodzie. Boje te nie tylko służyły jako punkty kontrolne, ale także monitorowały przejrzystość wody i przekazywały te pomiary zespołowi NV5. Informacje te okazały się kluczowe przy podejmowaniu codziennych decyzji, gdzie warunki wodne są odpowiednie do operacji LiDAR z powietrza.

Wietrzna pogoda wzburzała wodę, co zwiększało zmętnienie, ale planiści lotów szybko zauważyli wzorce w warunkach wiatru i zmętnienia. Wiatry z pewnych kierunków wzburzyły wodę mocniej niż z innych. W rzeczywistości kierunek wiatru był prawie tak samo ważny jak prędkość wiatru w zmniejszaniu przejrzystości wody. Prognozy meteorologiczne pomogły załogom w planowaniu lotów na następny dzień w oparciu o przewidywane warunki wietrzne.

Nieoczekiwane wyzwanie, które wymagało modyfikacji operacji powietrznych było związane z ekstremalnym terenem i zachmurzeniem. NOAA określiła zbieranie pomiarów wysokości gruntu na pół mili w głąb lądu od brzegu. Niestety, w odległości pół mili ściany fiordu wznosiły się tak gwałtownie, że loty nad lądem musiałyby odbywać się na znacznie większej wysokości niż nad wodą.

""Ponieważ loty były już ograniczone przez chmury, zdecydowaliśmy się obsługiwać system Chiroptera/HawkEye tylko nad wodą w niektórych obszarach, aby skupić się na pozyskiwaniu danych batymetrycznych" - powiedział Vargas. "

Nawet na stromych fiordach ukośny kąt skanowania naziemnego lasera Chiroptera z powodzeniem uchwycił linię brzegową, co miało kluczowe znaczenie dla mapowania. Ale do pomiarów w głębi lądu, NV5 sprowadził na miejsce drugi samolot z dedykowanym naziemnym LiDAR-em, aby uchwycić dodatkowe dane na większej wysokości – kiedy pozwalała na to pogoda.

Model cieniowania wzgórza topo batymetrycznego LiDAR wygenerowanego DEM pokolorowanego według głębokości w celu podkreślenia obszarów płytszych niż 10 metrów. Zanurzone skały i stromo wznosząca się linia brzegowa sprawiają, że obszar ten jest niebezpieczny i trudny do zmapowania za pomocą statków badawczych.

Podsumowanie

Po zakończeniu operacji lotniczych, inżynierowie firmy NV5 dostarczyli dane do swojej centrali w Oregonie w celu opracowania. Oprogramowanie Leica LiDAR Survey Studio zostało użyte do wyodrębnienia i skorygowania punktów wysokościowych dla każdej linii przelotu. Następnie NV5 przepuścił dane przez niestandardowy model pracy, aby wygenerować chmury punktów i znormalizować zestawy danych Chiroptera i HawkEye w celu integracji.

Kluczowym aspektem tego procesu było znalezienie stosunkowo płaskich powierzchni dna morskiego w obszarze nakładania się płytkich danych Chiroptera i głębszych pomiarów HawkEye. Technicy wykorzystali to jako linię cięcia, w której dwie chmury punktów zostały połączone, aby stworzyć płynny zbiór danych batymetrycznych od linii brzegowej do maksymalnej głębokości około 20 metrów, gdzie zakończyła się penetracja LiDAR.

"Ta batymetryczna „linia zaniku” na głębokości 20 metrów miała kluczowe znaczenie dla kolejnych i trwających faz inicjatywy mapowania wybrzeża Alaski, wyjaśnił Vargas. „Dzięki bardzo dokładnym batymetrycznym i topograficznym danym LiDAR, NOAA będzie w stanie bezpiecznie kontynuować zbieranie danych za pomocą sonaru wielowiązkowego [na pokładach statków]” – powiedział. „To była bardzo udana misja, w której sensory działały wspaniale.”

To studium przypadku zostało po raz pierwszy opublikowane w Hydro International.