Tài liệu kỹ thuật

Phép đo sâu lấy từ vệ tinh Sentinel-2 ở vùng nước phức tạp về mặt quang học - P1

18/06/2021 GeoLink Thu Giang 0 Nhận xét

(English below)

Các khu vực ven biển là môi trường năng động chịu nhiều áp lực khác nhau, cả do con người (ví dụ: phát triển đô thị, đánh bắt cá, thay đổi môi trường sống) và tự nhiên (ví dụ như bão, xói mòn, lũ lụt). Những áp lực này dẫn đến những thay đổi sâu và thường xuyên của đáy biển đòi hỏi các phương pháp giám sát hiệu quả để cập nhật lặp đi lặp lại hình thái và độ sâu của đáy biển. Thông tin bathymetric là cần thiết trong nhiều khía cạnh ven biển, bao gồm môi trường, quản lý, nghiên cứu và kinh tế.

Dữ liệu vệ tinh quang học cung cấp một giải pháp thay thế hiệu quả cho việc xác định độ sâu ở vùng nước nông ven biển (<30m), khắc phục những hạn chế về tài chính, thời gian và hậu cần. Năm 2015, Ủy ban Châu Âu, hợp tác với Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA), đã phóng vệ tinh đầu tiên của sứ mệnh Sentinel-2 trong Chương trình Copernicus. Sứ mệnh này hiện có hai vệ tinh, Sentinel-2A và Sentinel-2B, chúng đăng ký dữ liệu với độ phân giải không gian là 10m ở một số dải quang phổ. Sự kết hợp của cả hai vệ tinh cung cấp thời gian truy cập lại là năm ngày, tùy thuộc vào vĩ độ. Những đặc điểm này mang lại tiềm năng mới cho các ứng dụng ven biển nói chung và phép đo độ sâu từ vệ tinh nói riêng.

Các phương pháp đo sâu có nguồn gốc từ vệ tinh
Khi sử dụng dữ liệu viễn thám để trích xuất độ sâu, có thể phân biệt ba kỹ thuật chính: phương pháp tiếp cận thực nghiệm, phương pháp tiếp cận dựa trên vật lý được điều chỉnh theo kinh nghiệm và phương pháp tiếp cận đảo ngược vật lý được điều chỉnh tối ưu hóa. Các phương pháp tiếp cận thực nghiệm như học máy là phương pháp mới nhất và không được sử dụng phổ biến. Các phương pháp tiếp cận dựa trên vật lý được điều chỉnh theo kinh nghiệm có lịch sử mở rộng nhất và vẫn được sử dụng thường xuyên nhất. Trong các phương pháp này, đóng góp của cột nước và đặc tính suy giảm ánh sáng được rút ra theo kinh nghiệm từ ảnh vệ tinh bằng cách hồi quy với dữ liệu độ sâu tại chỗ (ví dụ: biểu đồ hải lý, dữ liệu máy đo tiếng vang hoặc Lidar). Tuy nhiên, độ đục của nước và ảnh hưởng của đáy biển có thể hạn chế hiệu suất của các thuật toán này, cũng có thể bị giới hạn về vị trí hoặc dữ liệu.

Kết quả cho thấy phương pháp DWC tạo ra các bản đồ đo độ sâu lấy từ vệ tinh chính xác hơn và ít sai lệch hơn.

Các phương pháp nghịch đảo vật lý được điều chỉnh tối ưu hóa phức tạp hơn, nhưng việc sử dụng chúng đã được hợp nhất cho phép đo độ sâu lấy từ vệ tinh. Việc áp dụng mô hình đảo ngược không yêu cầu dữ liệu độ sâu tại chỗ, mà là đặc điểm kỹ thuật của một loạt các đặc tính quang học của nước và độ phản xạ của nền đáy biển. Những cách tiếp cận này có thể cung cấp độ không chắc chắn cho mỗi pixel.

Hiệu chỉnh khí quyển
Việc hiệu chỉnh các hiệu ứng khí quyển được coi là một bước quan trọng để thu được dữ liệu đo độ sâu chính xác từ vệ tinh. Ở độ cao vệ tinh, tới 90% tín hiệu do cảm biến đo được có thể là do phản xạ của khí quyển và bề mặt. Trong dự án này, một số bộ xử lý hiệu chỉnh khí quyển đã được đánh giá để kiểm tra ảnh hưởng của chúng đối với các bản đồ đo độ sâu thu được từ vệ tinh. Các bộ xử lý này là OLI 'lite' (ACOLITE), hiệu chỉnh dữ liệu Sentinel-2 (Sen2Cor phiên bản 2.4), hiệu chỉnh hình ảnh cho các hiệu ứng khí quyển (iCOR), bộ xử lý Màu Bờ biển Khu vực Trường hợp 2 (C2RCC) và Hiệu chỉnh độ sâu nước (DWC) ). Tất cả những điều này đều sử dụng cách tiếp cận dựa trên hình ảnh, có nghĩa là tất cả dữ liệu đầu vào được lấy từ chính hình ảnh đó hoặc được cung cấp thông qua các bảng tra cứu được tính toán trước. Sen2Cor, C2RCC và iCOR có sẵn thông qua hộp công cụ ESA’s Sentinel trong Nền tảng ứng dụng Sentinel (SNAP) và DWC được triển khai trong phần mềm Phân tích dữ liệu hình ảnh (IDA) do Numerical Optics Ltd.

Kết quả cho thấy phương pháp DWC tạo ra các bản đồ đo độ sâu lấy từ vệ tinh chính xác hơn và ít sai lệch hơn. Kết quả này không có gì đáng ngạc nhiên, vì phương pháp DWC được thiết kế đặc biệt để hiệu chỉnh hình ảnh để áp dụng mô hình độ sâu.

-----

Sentinel-2 Satellite-derived Bathymetry in Optically Complex Waters - P1

Coastal areas are highly dynamic environments that are subject to diverse pressures, both anthropogenic (e.g. urban development, fishing, habitat modification) and natural (e.g. storms, erosion, floods). These pressures result in intensive and frequent seafloor alterations that demand efficient monitoring methodologies for repetitive updating of the seafloor morphology and bathymetry. Bathymetric information is essential in many coastal aspects, including environmental, management, research and economic.

Optical satellite data provides an efficient alternative to bathymetric derivation in shallow coastal waters (<30m), overcoming financial, temporal and logistical constraints. In 2015, the European Commission, in partnership with the European Space Agency (ESA), launched the first satellite of the Sentinel-2 mission within the Copernicus Programme. This mission currently has two satellites, Sentinel-2A and Sentinel-2B, which register data with a spatial resolution of 10m in some spectral bands. The combination of both satellites provides a revisit time of five days, depending on the latitude. These characteristics offer new potential for coastal applications in general, and satellite-derived bathymetry in particular.

Satellite-derived Bathymetry Approaches
When using remote sensing data to extract bathymetry, three main techniques can be differentiated: empirical approaches, empirically tuned physics-based approaches, and optimization-tuned physics inversion approaches. Empirical approaches such as machine learning are the newest methods and are not commonly used. The empirically tuned physics-based approaches have the most extended history and are still the most frequently used. In these methods, water column contributions and light attenuation properties are empirically derived from the satellite images by regression with in situ depth data (e.g. nautical charts, echosounder data or Lidar). However, water turbidity and the seafloor’s influence can limit the performance of these algorithms, which may also be location- or data-limited.

Results showed that the DWC approach produced more accurate and less biased satellite-derived bathymetry maps. 

The optimization-tuned physics inversion approaches are more complex, but their use has been consolidated for satellite-derived bathymetry. The application of inversion models does not require in situ depth data, but rather the specification of a range of water optical properties and the seafloor substrates reflectances. These approaches can provide per-pixel uncertainties.

Atmospheric Correction
The correction of atmospheric effects is considered a critical step for obtaining accurate satellite-derived bathymetry data. At satellite altitude, up to 90% of the sensor-measured signal can be due to atmospheric and surface reflectance. In this project, several atmospheric correction processors were evaluated to test their influence on satellite-derived bathymetry maps. These processors were OLI ‘lite’ (ACOLITE), the Sentinel-2 data correction (Sen2Cor version 2.4), the image correction for atmospheric effects (iCOR), the Case 2 Regional CoastColour processor (C2RCC), and the Depth Water Correction (DWC). All of these use an image-based approach, which means that all input data is derived from the image itself or provided through pre-calculated lookup tables. Sen2Cor, C2RCC and iCOR are available through the ESA’s Sentinel toolbox in the Sentinel Application Platform (SNAP), and DWC is implemented in the Image Data Analysis (IDA) software developed by Numerical Optics Ltd.

Results showed that the DWC approach produced more accurate and less biased satellite-derived bathymetry maps. This result was not surprising, since the DWC method is specifically designed to correct imagery for applying the bathymetric model.

Geolink tổng hợp từ Hydro-international

Bình luận

VIẾT BÌNH LUẬN CỦA BẠN:

popup

Số lượng:

Tổng tiền: