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As potencialidades · Modified Normalized Diference Water Index (MNDWI) GREEN. NIR GREEN NIR NDWI + − = GREEN. SWIR GREEN SWIR MNDWI + − = Imagens LS8 . NIR – Near Infrared

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As potencialidades

da derivação de batimetria a partir de imagens de satélite multiespetrais

na

Produção de Cartografia Náutica

A. Moura, R. Guerreiro, C. Monteiro

[email protected]

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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

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Introdução

Satellite Derived Bathymetry

(SDB)

- Águas pouco profundas - Algoritmos, software e imagens

OHI 5ª Conferência

Extraordinária 2014

- Aplicabilidade SDB em áreas remotas

10

IH Produção de Cartografia

Hidrográfica Oficial

- Efetua regularmente LH - Dados in situ - Calibrar modelos e validar resultados

Primeiros testes SDB no IH - 2015

Potencialidades SDB na Produção de Cartografia Náutica

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Imagens de Satélite e Software

Landsat 8 Level 1T

United States Geological Survey

Sentinel-2A Level 1C

Copernicus Programme

Satélite

(sensor) Bandas

Resolução Espetral

(nm)

Resolução Espacial

(m)

Resolução Radiométrica

LS8

(OLI)

2 - Blue 450 - 510

30 16 bits

3 - Green 530 - 590

4 - Red 640 - 670

5 - NIR 850 - 880

6 - SWIR1 1570 - 1650

S2A

(MSI)

2 - Blue 490 (65)

10 12 bits 3 - Green 560 (35)

4 - Red 665 (30)

8 - NIR 842 (115)

NIR – Near Infrared

SWIR – Short-wave Infrared

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Imagens de Satélite e Software

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Metodologia

Refletâncias Top Of Atmosphere

Separação Terra-Mar

Correção Brilho Solar

Algoritmo SDB

Calibração Modelo SDB

• Stumpf et al.,

2003

• Hedley et al.,

2005 Quando aplicável

• Valores de

profundidades

das CN

• NDWI (S2A)

• MNDWI (LS8)

• Sem correção

atmosférica

Imagens Multiespetrais

LS8 e S2A

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

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Metodologia

Refletâncias Top Of Atmosphere

Separação Terra-Mar

Correção Brilho Solar

Algoritmo SDB

Calibração Modelo SDB

• Stumpf et al.,

2003

• Hedley et al.,

2005 Quando aplicável

• Valores de

profundidades

das CN

• NDWI (S2A)

• MNDWI (LS8)

• Sem correção

atmosférica

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

Imagens Multiespetrais

LS8 e S2A

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Metodologia

Refletâncias Top Of Atmosphere

Separação Terra-Mar

Correção Brilho Solar

Algoritmo SDB

Calibração Modelo SDB

• Stumpf et al.,

2003

• Hedley et al.,

2005 Quando aplicável

• Valores de

profundidades

das CN

• NDWI (S2A)

• MNDWI (LS8)

• Sem correção

atmosférica

Imagens Multiespetrais

LS8 e S2A

Normalized Diference Water Index (NDWI)

Modified Normalized Diference Water Index (MNDWI)

NIRGREENNIRGREENNDWI

+−

=

SWIRGREENSWIRGREENMNDWI

+−

= Imagens LS8

Imagens S2A

NIR – Near Infrared

SWIR – Short-wave Infrared

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Metodologia

Refletâncias Top Of Atmosphere

Separação Terra-Mar

Correção Brilho Solar

Algoritmo SDB

Calibração Modelo SDB

• Stumpf et al.,

2003

• Hedley et al.,

2005 Quando aplicável

• Valores de

profundidades

das CN

• NDWI (S2A)

• MNDWI (LS8)

• Sem correção

atmosférica

Imagens Multiespetrais

LS8 e S2A

( )NIRNIRiii MinRbRR −−='

Algoritmo de Hedley et al., 2005

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Metodologia

Refletâncias Top Of Atmosphere

Separação Terra-Mar

Correção Brilho Solar

Algoritmo SDB

Calibração Modelo SDB

• Stumpf et al.,

2003

• Hedley et al.,

2005 Quando aplicável

• Valores de

profundidades

das CN

• NDWI (S2A)

• MNDWI (LS8)

• Sem correção

atmosférica

Imagens Multiespetrais

LS8 e S2A

( )( )( )( ) 01 ln

ln mnRnRmZ

jw

iw −=λλ

Algoritmo de Stumpf et al., 2003

Z – Profundidade

m1 – Fator de ganho

m0 - Offset

Rw (λi) – Refletância na banda do azul

Rw (λj) - 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.

y = 90.609x - 96.686 R² = 0.8199

-5

0

5

10

15

1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25

Regressão Linear

Pro

fund

idad

e (m

)

Rácio

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Metodologia

Refletâncias Top Of Atmosphere

Separação Terra-Mar

Correção Brilho Solar

Algoritmo SDB

Calibração Modelo SDB

• Stumpf et al.,

2003

• Hedley et al.,

2005 Quando aplicável

• Valores de

profundidades

das CN

• NDWI (S2A)

• MNDWI (LS8)

• Sem correção

atmosférica

Imagens Multiespetrais

LS8 e S2A

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

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Casos de Estudo

Barra de Caminha

CN26409 - 1ED

• Grande dinâmica de fundo • Diversos baixios

• Áreas não sondadas recentemente com sondadores acústicos por questões de segurança

Porto Grande, Ilha de S. Vicente – Cabo Verde

CN66302 – 1ED

• Área remota (longe de território nacional)

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Casos de Estudo – Barra Caminha

SDB LS8 agosto 2014 SDB S2A abril 2016 SDB LS8 setembro 2015

• CN26409 - 1ED

• Imagens: LS8 2014, LS8 2015 e S2A 2016

• Calibração: CN26409 - LH SFS 2011

• Deteção até aos 5 m

Série temporal - Evolução batimétrica da Barra de Caminha

Profundidades (metros)

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Casos de Estudo – Porto Grande

Sentinel-2A abril 2016 P

rofu

ndid

ades

(met

ros)

• CN66302 - 1ED

• Imagem: S2A abril 2016

• Calibração: CN66302- LH SFS 2006 e 2010

• Deteção até aos 10 m

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Casos de Estudo – Porto Grande

Modelo SDB S2A abril 2016

Modelo Batimétrico LH SFS fevereiro 2016

Modelo SDB S2A abril 2016

Modelo Batimétrico LH SFS fevereiro 2016

Perfil de superfície

CN66302-1ED Isobatimétrica 10 m

Dragagens

Pro

fund

idad

es (m

etro

s)

Modelo SDB Isobatimétrica 10 m

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Identificação de perigos para a navegação e de alterações nas estruturas portuárias e linha de costa

Identificação de perigos – segurança da navegação

NDWI (separação terra-água) S2A Composição RGB CN26409 – 1ED

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Identificação de perigos para a navegação e de alterações nas estruturas portuárias e linha de costa

Alterações nas Estruturas Portuárias e Linha de Costa

Estrutura Portuária

Linha de Costa

NDWI (separação terra-água)

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Potencialidades

“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

Metodologias SDB - óptico

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

Produção Cartográfica

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Conclusões e Considerações Finais

A metodologia SDB apresentada

A informação batimétrica adquirida por metodologia SDB

No futuro...

Águas pouco profundas

(10 m)

Ferramenta baixo-custo

Produção Cartográfica

Atualiazação Cartográfica

Planeamento LHs

Áreas remotas ou difícil acesso

Informação qualitativa

Não susbstitui

sondadores acústicos

Cálculo incertezas

Adaptação S-44 e S-4

OHI

Incluir informação SDB nas CN

Estruturas de fundo mais

significativas

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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…