As potencialidades. da derivação de batimetria a partir de imagens de satélite multiespetrais. Produção de Cartografia Náutica

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Ana Beatriz Andrade
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2 As potencialidades da derivação de batimetria a partir de imagens de satélite multiespetrais na Produção de Cartografia Náutica A. Moura, R. Guerreiro, C. Monteiro ana.moura@hidrografico.pt

3 AGENDA 1. Introdução 2. Imagens de Satélite e Software utilizados 3. Metodologia 4. Casos de estudo Barra de Caminha Porto Grande, Ilha São Vicente Cabo Verde 5. Potencialidades 6. Conclusões e Considerações Finais

Águas pouco profundas - Algoritmos, software e imagens - Aplicabilidade SDB em áreas remotas -

4 Introdução Potencialidades SDB na Produção de Cartografia Náutica 10 Satellite Derived Bathymetry (SDB) OHI 5ª Conferência Extraordinária 2014 IH Produção de Cartografia Hidrográfica Oficial - Águas pouco profundas - Algoritmos, software e imagens - Aplicabilidade SDB em áreas remotas - Efetua regularmente LH - Dados in situ - Calibrar modelos e validar resultados Primeiros testes SDB no IH

LS8 (OLI) 2 - Blue 450-510 3 - Green 530-590 4 - Red 640-670 5 - NIR 850-880 6 - SWIR1 1570-1650 30 16 bits S2A

5 Imagens de Satélite e Software Sentinel-2A Level 1C Copernicus Programme Landsat 8 Level 1T United States Geological Survey Satélite (sensor) Bandas Resolução Espetral (nm) Resolução Espacial (m) Resolução Radiométrica LS8 (OLI) 2 - Blue Green Red NIR SWIR bits S2A (MSI) 2 - Blue 490 (65) 3 - Green 560 (35) 4 - Red 665 (30) 8 - NIR 842 (115) bits NIR Near Infrared SWIR Short-wave Infrared

6 Imagens de Satélite e Software

7 Metodologia Imagens Multiespetrais LS8 e S2A Refletâncias Top Of Atmosphere Separação Terra-Mar Correção Brilho Solar Algoritmo SDB Calibração Modelo SDB Sem correção NDWI (S2A) Hedley et al., Stumpf et al., Valores de atmosférica MNDWI (LS8) profundidades Quando aplicável das CN Capacidade da luz emitida pelo sol atravessar a atmosfera, penetrar na coluna de água e ser refletida pelo fundo em águas pouco profundas: Comprimento de onda [entre os 350 nm - ultravioleta-azul e os 700 nm vermelho] Profundidade e turbidez

8 Metodologia Imagens Multiespetrais LS8 e S2A Refletâncias Top Of Atmosphere Separação Terra-Mar Correção Brilho Solar Algoritmo SDB Calibração Modelo SDB Sem correção NDWI (S2A) Hedley et al., Stumpf et al., Valores de atmosférica MNDWI (LS8) profundidades Quando aplicável das CN Refletâncias Top Of Atmosphere (TOA) Sem correção atmosférica Algoritmo utilizado reduz erros associados a variações de albedo na atmosfera Rácio de logaritmos Bandas azul e verde são afetadas de forma similiar na atmosfera

9 Metodologia Imagens Multiespetrais LS8 e S2A Refletâncias Top Of Atmosphere Separação Terra-Mar Correção Brilho Solar Algoritmo SDB Calibração Modelo SDB Sem correção NDWI (S2A) Hedley et al., Stumpf et al., Valores de atmosférica MNDWI (LS8) profundidades Quando aplicável das CN Normalized Diference Water Index (NDWI) NDWI= GREEN GREEN + NIR NIR Imagens S2A Modified Normalized Diference Water Index (MNDWI) MNDWI GREEN GREEN + SWIR SWIR = Imagens LS8 NIR Near Infrared SWIR Short-wave Infrared

Metodologia Imagens Multiespetrais LS8 e S2A Refletâncias Top Of Atmosphere Separação Terra-Mar Correção Brilho Solar Algoritmo SDB Calibração Modelo SDB Sem correção NDWI (S2A)

10 Metodologia Imagens Multiespetrais LS8 e S2A Refletâncias Top Of Atmosphere Separação Terra-Mar Correção Brilho Solar Algoritmo SDB Calibração Modelo SDB Sem correção NDWI (S2A) Hedley et al., Stumpf et al., Valores de atmosférica MNDWI (LS8) profundidades Quando aplicável das CN Algoritmo de Hedley et al., 2005 R' i = R i b i ( R Min ) NIR NIR

11 Metodologia Imagens Multiespetrais LS8 e S2A Refletâncias Top Of Atmosphere Separação Terra-Mar Correção Brilho Solar Algoritmo SDB Calibração Modelo SDB Sem correção NDWI (S2A) Hedley et al., Stumpf et al., Valores de atmosférica MNDWI (LS8) profundidades Quando aplicável das CN Algoritmo de Stumpf et al., 2003 ( nr ( λ )) ln w i Z = m m 1 0 ln( nr ) w ( λ ) j Z Profundidade m 1 Fator de ganho m 0 - Offset Profundidade (m) Rw (λ i ) Refletância na banda do azul Regressão Linear y = x R² = ,05 1,1 1,15 1,2 1,25 Rácio Rw (λ j ) - Refletância na banda do verde n - constante aplicada para que os logaritmos naturais sejam sempre positivos e o seu rácio devolva uma resposta linear com a profundidade.

12 Metodologia Imagens Multiespetrais LS8 e S2A Refletâncias Top Of Atmosphere Separação Terra-Mar Correção Brilho Solar Algoritmo SDB Calibração Modelo SDB Sem correção NDWI (S2A) Hedley et al., Stumpf et al., Valores de atmosférica MNDWI (LS8) profundidades Quando aplicável das CN Calibração do modelo SDB Valores de profundidades das CN Independentemente da idade do LH versus data de aquisição da imagem Alterações relativamente ao último LH situação real Profundidades das CN referidas ao ZH Modelo final calibrado, referido ao ZH, sem efeito da maré

13 Casos de Estudo Barra de Caminha CN ED Porto Grande, Ilha de S. Vicente Cabo Verde CN ED Grande dinâmica de fundo Diversos baixios Áreas não sondadas recentemente com sondadores acústicos por questões de segurança Área remota (longe de território nacional)

Casos de Estudo Barra Caminha CN26409-1ED Imagens: LS8 2014, LS8

m Série temporal - Evolução batimétrica da Barra de Caminha SDB LS8

14 Casos de Estudo Barra Caminha CN ED Imagens: LS8 2014, LS e S2A 2016 Calibração: CN LH SFS 2011 Deteção até aos 5 m Série temporal - Evolução batimétrica da Barra de Caminha SDB LS8 agosto 2014 SDB LS8 setembro 2015 SDB S2A abril 2016 Profundidades (metros)

Casos de Estudo Porto Grande CN66302-1ED

15 Casos de Estudo Porto Grande CN ED Imagem: S2A abril 2016 Calibração: CN LH SFS 2006 e 2010 Deteção até aos 10 m Sentinel-2A abril 2016 Profundidades (metros)

Dragagens Modelo SDB Isobatimétrica 10 m Modelo Batimétrico LH SFS

16 Casos de Estudo Porto Grande Perfil de superfície Profundidades (metros) Modelo SDB S2A abril 2016 CN ED Isobatimétrica 10 m Dragagens Modelo SDB Isobatimétrica 10 m Modelo Batimétrico LH SFS fevereiro 2016 Modelo SDB S2A abril 2016 Modelo Batimétrico LH SFS fevereiro 2016

17 Identificação de perigos para a navegação e de alterações nas estruturas portuárias e linha de costa Identificação de perigos segurança da navegação CN ED S2A Composição RGB NDWI (separação terra-água)

18 Identificação de perigos para a navegação e de alterações nas estruturas portuárias e linha de costa Alterações nas Estruturas Portuárias e Linha de Costa NDWI (separação terra-água) Linha de Costa Estrutura Portuária

Potencialidades Metodologias SDB - óptico Conhecer o fundo marinho sem estar em contacto direto com o meio (necessita de algumas observações in

estruturas portuárias e linha de costa Repositório temporal Histórico da evolução de fundo e sua tendência Produção Cartográfica 1.

19 Potencialidades Metodologias SDB - óptico Conhecer o fundo marinho sem estar em contacto direto com o meio (necessita de algumas observações in situ) Capacidade de monitorizar remotamente alterações de fundo significativas Identificação de perigos para a navegação e de alterações nas estruturas portuárias e linha de costa Repositório temporal Histórico da evolução de fundo e sua tendência Produção Cartográfica 1. Avaliar a adequabilidade da informação batimétrica da CN 2. Priorizar LHs com vista a Atualização Cartográfica 3. Relevante em zonas de interesse cartográfico de difícil acesso

20 Conclusões e Considerações Finais Águas pouco profundas (10 m) A metodologia SDB apresentada Ferramenta baixo-custo Produção Cartográfica Atualiazação Cartográfica Planeamento LHs Áreas remotas ou difícil acesso A informação batimétrica adquirida por metodologia SDB Informação qualitativa Não susbstitui sondadores acústicos Estruturas de fundo mais significativas No futuro... Cálculo incertezas Adaptação S-44 e S-4 OHI Incluir informação SDB nas CN

21 Os autores agradecem National Aeronautics and Space Administration (NASA) e United States Geological Survey (USGS) Imagens Landsat 8 European Spacial Agency (ESA) e União Europeia (EU) Imagens Sentinel 2A no âmbito do programa Copernicus European Spacial Agency (ESA) Software SNAP Sem estas imagens e software, este estudo não teria sido possível

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