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