Nowe narzędzie analizuje głębokość płytkich wód z kosmosu
Poznanie batymetrii i morfologii naszych mórz ma kluczowe znaczenie dla zarządzania obszarami morskimi i przybrzeżnymi. Dostęp do tych danych jest niezbędny z punktu widzenia działań takich jak raportowanie na potrzeby dyrektywy morskiej ogłoszonej przez Komisję Europejską, realizacji projektów inżynieryjnych przy brzegach, a także działań planistycznych, które stanowią integralne elementy niebieskiej gospodarki. Cyfrowe dane na temat charakterystyki dna morskiego znacznie ułatwiają prace takie jak pogłębianie płytkich wód, rekultywacja piasku i nawigacja. Ponadto strefa eufotyczna w płytkich wodach, w której znajdują się najważniejsze siedliska, odgrywa znaczącą rolę w procesie ochrony różnorodności biologicznej, magazynowaniu dwutlenku węgla i ochronie wybrzeża. Mapowanie i monitorowanie tych płytkich obszarów opiera się obecnie na kosztownych badaniach wykonywanych przy pomocy łodzi lub pomiarach z powietrza, badaniach realizowanych przez nurków lub przy pomocy kamer. Problemem pozostają jednak ograniczenia budżetowe, a jednocześnie brak możliwości realizacji ciągłego i obiektywnego monitorowania.
Nowa era gromadzenia danych na temat wód
„Jesteśmy przekonani, że możliwości nowoczesnych satelitów oraz analiza wód w ramach usług obserwacji Ziemi mogą znacząco poprawić nasze obecne podejście do gromadzenia danych na temat morfologii i siedlisk w płytkich wodach”, zauważa Kim Knauer, koordynator finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu 4S. Projekt umożliwił współpracę partnerów z siedmiu krajów, a w skład konsorcjum weszły organizacje i ośrodki takie jak EOMAP, Fugro, Włoska Narodowa Rada Badawcza, Poseidon System, zarząd okręgu Västerbotten, Portugalski Urząd Hydrograficzny, Maritime Software Solutions i Smith Warner International. „Dane z misji SENTINEL-2 w ramach programu Copernicus, rozwój opartych na fizyce metod modelowania wykorzystywanych na potrzeby obserwacji mórz, uczenie maszynowe oraz nowe centra archiwizacji i przetwarzania danych z obserwacji Ziemi stanowią podstawę naszego nowego rozwiązania", dodaje Knauer. „Zespół EOMAP opracował już dane na temat części siedlisk na dnie Morza Bałtyckiego u wybrzeży Niemiec oraz siedlisk stanowiących część Wielkiej Rafy Koralowej w Australii. Musimy jednak dalej zwiększać dokładność algorytmów, ograniczać nakład prac związanych z interpretacją, opracowywać rozwiązania programowe i uwzględniać duże zbiory danych z bieżących misji obserwacji Ziemi".
Technologie w służbie dokładnego mapowania siedlisk przy dnie morskim
Celem projektu 4S było dokonanie przełomu w obszarze mapowania siedlisk dna morskiego poprzez wprowadzenie wyższego poziomu automatyzacji i standaryzacji. „Opracowane w ramach projektu 4S rozwiązanie to przyjazne dla użytkownika oprogramowanie oparte na chmurze, które umożliwia zdalne mapowanie i monitorowanie płytkich wód przybrzeżnych. Co ważne, można je bez trudu połączyć z istniejącymi rozwiązaniami", podkreśla Knauer. Kluczowym warunkiem wstępnym było podejście dotyczące wyboru obrazów, w ramach którego model sztucznej inteligencji automatycznie przewiduje użyteczność danych zawartych na obrazie satelitarnym na podstawie zachmurzenia, nasłonecznienia i zmętnienia. Rozwiązanie oparte na odwróconym równaniu transferu radiacyjnego, realizujące analityczną koncepcję obliczania głębokości, bezpośrednio przetwarza wybrane zdjęcia satelitarne, działając w środowisku chmurowym. Dzięki temu rozwiązanie jest skalowalne i pozwala na jednoczesne wykonywanie setek procesów. Algorytmy minimalizują również zniekształcenia sygnału powodowane przez wodę i atmosferę, tworząc znormalizowany wskaźnik odbicia, który dokładnie reprezentuje dno morskie. Ponadto dane batymetryczne pozyskiwane dzięki czujnikom LiDAR satelity ICESat-2 Atlas zostały zestawione z danymi wielospektralnymi z programu Copernicus. Takie zestawienie zapewniło możliwość opracowania dokładniejszych map i ograniczyła niepewność wyników. Dodatkowo zespół połączył zdjęcia wysokiej rozdzielczości wykonane przy pomocy dronów z danymi satelitarnymi, łącząc wyjątkową dokładność z informacjami wielospektralnymi z satelitów. Zaowocowało to bardzo szczegółowymi i dokładnymi mapami.
Rezultaty projektu
„Udało nam się opracować automatyczne procedury generowania danych batymetrycznych z aktywnego zielonego czujnika LIDAR na pokładzie satelity ICESat-2. Nasza aplikacja internetowa SDB-Online generuje gęste siatki batymetryczne dotyczące płytkich wód przy użyciu batymetrii satelitarnej opartej na fizyce”, wyjaśnia Knauer. „Aplikacja internetowa łączy się z rozwiązaniami naszych partnerów i użytkowników zewnętrznych za pośrednictwem interfejsów programowania aplikacji. W ramach realizacji projektu wydaliśmy nową wersję rozwiązania SDB-Online wyposażoną w nowe funkcje, na przykład możliwość kalibracji i weryfikacji przy użyciu danych terenowych pochodzących z własnego źródła". Szczegółowe wyniki analiz i weryfikacji zostały opublikowane na łamach recenzowanego czasopisma naukowego „International Hydrographic Review”. Każdy z partnerów przeprowadził także własne analizy z wykorzystaniem posiadanych danych i modeli dostarczanych przez aplikację SDB-Online. Rozwiązanie spotkało się z bardzo pozytywnymi ocenami. Pojawiły się jednak także problemy dotyczące najbardziej mętnych wód, w przypadku których ręczny wybór odpowiednich zdjęć ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dokładnych danych batymetrycznych. Rezultaty projektu były promowane podczas kilku warsztatów i wydarzeń, w tym podczas organizowanych przez EOMAP spotkań z cyklu SDB Days w 2021 i 2022 roku.
Słowa kluczowe
4S, satelita, dno morskie, siedlisko, morskie, wodne, płytkie wody, dron, obserwacja Ziemi