Development of Image-based Velocimetry and methodology to map geomorphologic changes on riverbeds by utilizing images/video captured by Unmanned Aerial Vehicles

Abstract

The application of image-based methodology in order to estimate the surface velocity of natural water resources is a relatively recent methodology compared to other existing alternatives of monitoring velocity and discharge. Although a new technique, it provides very satisfactory results. The current PhD study is related to the development and implementation of image-based methods (using different software) to measure the surface water velocity by utilizing low-cost Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). Initially, first attempts conducted in a laboratory setup, specifically a rectangular flume/canal able to regulate the water discharge and slope, while a digital camera was placed in a way to capture video/images from above field of view. Next phases include the application on real physical real physical environments by placing a digital camera on a tripod to capture the riverflow from the riverbanks and also by placing the camera at a higher place e.g. at the edge of a bridge to simulate the conditions of an airborne video recording. Following applications concern UAV flights at a stable hovering position over the studied river cross-section in order to record video the surface flow at a planal field of view compared to the water surface. Continuous frames can be extracted from the video and can be further edited or enhanced (if needed) in various free expert image-editing software. There are many image-based software available, either commercial or free, that can be used based on the needs of the user, the requirements of the study as well as the characteristics of the study area. The specific research concerned the implementation of three software that each represent different image-based methodologies that use unlike algorithms to track the movement of surface particles. The proposed term IV-UAV is referred to the utilization of a UAV platform in order to perform any image-based method for estimating surface water velocity on natural water resources. The method was applied at different cross-sections of rivers but also at different ephemeral and intermittent streams representing various hydro-geomorphologic conditions. Additionally, different surface tracers were tested for their efficiency. Overall, the IV-UAV method proved to be a powerful tool and in some circumstances, the only available method to monitor and estimate surface velocity and discharge e.g. during high discharges and flood events and in remote and not easily accessibly areas. Finally, best parameters of the flight and natural conditions are proposed to achieve best accuracy and efficiency as the physical environment has many parameters that can arise many difficulties. Furthermore, a different section but very complementary to the previous one was the development and implementation of photogrammetric methods to map geomorphologic changes on the streambed, streambanks, riparian zone and floodplain. Photogrammetry is used to acquire reliable measurements and 3D geometric models through overlapping of either aerial or ground-based photographs. This PhD research includes the utilization of low-cost UAV platforms to capture images of the study area and then combine them in order to produce real high resolution and accurate maps. Expert software was used in order to develop point clouds, orthomosaics, digital surface models but also 3D models. The produced outputs are geo-rectified by using ground control points, measured by topographic instruments, in order to maximize the accuracy of the real spatial positioning. Geographic Information System (GIS) software can be used in order to analyze the UAV-based orthophoto imagery and map the geomorphologic characteristics and measure their dimensions, but also their spatial changes over different time periods. In addition, UAVs can be used to implement optical protocols to evaluate the environmental quality of both channel and riparian area. To conclude, the specific research proved that the high resolution accuracy mapping of water resources by using low-cost UAVs is an easy and quick methodology to monitor successfully the fluvial geomorphology.

Η εφαρμογή μεθόδων υδρομέτρησης βασισμένων σε εικόνες για τη μέτρηση της επιφανειακής ταχύτητας των φυσικών υδάτινων πόρων είναι μια σχετικά πρόσφατη μεθοδολογία σε σύγκριση με άλλες υπάρχουσες εναλλακτικές μεθόδους παρακολούθησης της ταχύτητας και απορροής. Αν και νέα τεχνική, παρέχει πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα. Η τρέχουσα διδακτορική μελέτη σχετίζεται με την ανάπτυξη και την εφαρμογή μεθόδων βασισμένων στην εικόνα (χρησιμοποιώντας διαφορετικό λογισμικό) για τη μέτρηση της επιφανειακής ταχύτητας χρησιμοποιώντας μη επανδρωμένα οχήματα χαμηλού κόστους (UAV). Αρχικά, οι πρώτες προσπάθειες διεξήχθησαν σε εργαστηριακές εγκαταστάσεις, συγκεκριμένα σε ένα ορθογώνιου αγωγό/κανάλι ικανό να ρυθμίζει την απορροή αλλά και την κλίση του, ενώ τοποθετήθηκε ψηφιακή κάμερα με τρόπο λήψης βίντεο/εικόνων και οπτικό πεδίο από ύψος. Επόμενες φάσεις περιλαμβάνουν την εφαρμογή σε πραγματικό φυσικό περιβάλλον τοποθετώντας ψηφιακή κάμερα σε τρίποδο για να αποτυπώσει τη ροή του ποταμού από τις όχθες καθώς επίσης τοποθετώντας την κάμερα σε υψηλότερο σημείο π.χ. στην άκρη γέφυρας για προσομοίωση εναέριας εγγραφής βίντεο. Οι επόμενες εφαρμογές αφοροούσαν την υλοποίηση των συνθηκών πτήσης UAV σε σταθερή αιωρούμενη θέση πάνω από τη διατομή που μελετήθηκε με σκοπό την καταγραφή σε βίντεο της επιφανειακής ροής σε παράλληλο οπτικό πεδίο σε σχέση με την επιφάνεια του νερού. Τα συνεχή καρέ μπορούν να εξαχθούν από το βίντεο και να επεξεργαστούν περαιτέρω ή να βελτιωθούν (εάν χρειάζεται) σε διάφορα δωρεάν εξειδικευμένα προγράμματα επεξεργασίας εικόνων. Υπάρχουν πολλά διαθέσιμα λογισμικά, είτε εμπορικά είτε δωρεάν, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν με βάση τις ανάγκες του χρήστη, τις απαιτήσεις της μελέτης, καθώς και τα χαρακτηριστικά της περιοχής μελέτης. Η συγκεκριμένη έρευνα αφορούσε την εφαρμογή τριών λογισμικών που το καθέανα αντιπροσωπεύει τρεις διαφορετικές μεθοδολογίες που χρησιμοποιούν ανόμοιους αλγόριθμους για την παρακολούθηση της κίνησης των επιφανειακών σωματιδίων.Ο προτεινόμενος όρος IV-UAV αναφέρεται στη χρήση ενός UAV για την εκτέλεση οποιασδήποτε από τις παραπάνω μεθόδους για τον υπολογισμό της ταχύτητας των επιφανειακών υδάτων σε φυσικούς υδάτινους πόρους. Η μέθοδος εφαρμόστηκε σε διαφορετικές διατομές ποταμών αλλά και σε διαφορετικά ρέματα με εφήμερες και διαλείπουσες ροές που αντιπροσωπεύουν διαφορετικά υδρο-γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, δοκιμάστηκαν διαφορετικοί επιφανειακοί ιχνηθέτες για την αποτελεσματικότητα τους. Συνολικά, η μέθοδος IV-UAV αποδείχθηκε ισχυρό εργαλείο και σε ορισμένες περιπτώσεις, η μόνη διαθέσιμη μέθοδος παρακολούθησης και εκτίμησης της επιφανειακής ταχύτητας και απορροής π.χ. κατά τη διάρκεια υψηλού όγκου νερού και πλημμυρών καθώς και σε απομακρυσμένες και όχι εύκολα προσβάσιμες περιοχές. Τέλος, προτάθηκαν οι καλύτερες παράμετροι για το σχέδιο πτήσης και τις συνθήκες γιατην επίτευξη της βέλτιστης ακρίβειας και αποτελεσματικότητας καθώς το φυσικό περιβάλλον εμπεριέχει πολλές παραμέτρους και προκύπτους πολλές δυσκολίες. Μια διαφορετική ενότητα, αλλά συμπληρωματική με την προηγούμενη, ήταν η ανάπτυξη και εφαρμογή φωτογραμμετρικών μεθόδων για την χαρτογράφηση γεωμορφολογικών αλλαγών στην κοίτη ρου ρέματος, στις όχθες, στην παρόχθια ζώνη και στη ζώνη πλημμύρας των μελετημένων υδατικών πόρων. Η φωτογραμμετρία χρησιμοποιείται για τη λήψη αξιόπιστων μετρήσεων και τρισδιάστατων γεωμετρικών μοντέλων μέσω αλληλεπικάλυψης αεροφωτογραφιών ή επίγειων φωτογραφιών. Αυτή η έρευνα αφορούσε τη χρήση πλατφορμών UAV χαμηλού κόστους για τη λήψη εικόνων της περιοχής μελέτης και στη συνέχεια να τις συνδυάσει προκειμένου να παράγει πραγματικούς χάρτες υψηλής ανάλυσης. Εξειδικευμένο λογισμικό χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη νέφων σημείων, ορθοσωμασαϊκών, ψηφιακών μοντέλων εδάφους αλλά και τρισδιάστατων μοντέλων των μελετημένων περιοχών. Τα προϊόντα διορθώθηκαν γεωγραφικά χρησιμοποιώντας σημεία ελέγχου εδάφους για να μεγιστοποιηθεί η ακρίβεια της πραγματικής χωρικής θέσης. Λογισμικό GIS χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση των ορθοφωτοχαρτών που βασίζονται σε UAV για τη ψηφιοποίηση των ορίων του ποτάμιου/χειμαρρικού περιβάλλοντος και των γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών του, την εκτίμηση των διαστάσεων τους και την αναγνώριση σχηματισμών που δεν συλλαμβάνονται εύκολα από επίγειες εγγραφές. Επιπλέον, τα UAV μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εφαρμογή οπτικών πρωτοκόλλων αξιολόγησης του περιβάλλοντος και της ποιότητας τόσο του καναλιού όσο και της παραποτάμιας περιοχής. Εν κατακλείδι, η συγκεκριμένη έρευνα απέδειξε ότι η υψηλής ακρίβειας χαρτογράφηση των υδάτινων πόρων με τη χρήση UAV χαμηλού κόστους αποτελεί μια εύκολη και γρήγορη μεθοδολογία για την παρακολούθηση της γεωμορφολογίας των υδάτων.