Airborne lidar experiments at the Savannah River Plant

The results of remote sensing experiments at the Department of Energy (DOE) Savannah River Nuclear Facility utilizing the NASA Airborne Oceanographic Lidar (AOL) are presented. The flights were conducted in support of the numerous environmental monitoring requirements associated with the operation of the facility and for the purpose of furthering research and development of airborne lidar technology. Areas of application include airborne laser topographic mapping, hydrologic studies using fluorescent tracer dye, timber volume estimation, baseline characterization of wetlands, and aquatic chlorophyll and photopigment measurements. Conclusions relative to the usability of airborne lidar technology for the DOE for each of these remote sensing applications are discussed

Airborne laser topographic mapping results from initial joint NASA/US Army Corps of Engineers experiment

Initial results from a series of joint NASA/US Army Corps of Engineers experiments are presented. The NASA Airborne Oceanographic Lidar (AOL) was exercised over various terrain conditions, collecting both profile and scan data from which river basin cross sections are extracted. Comparisons of the laser data with both photogrammetry and ground surveys are made, with 12 to 27 cm agreement observed over open ground. Foliage penetration tests, utilizing the unique time-waveform sampling capability of the AOL, indicate 50 cm agreement with photogrammetry (known to have difficulty in foliage covered terrain)

Remote sensing for three-dimensional modelling of hydromorphology

Successful management of rivers requires an understanding of the fluvial processes that govern them. This, in turn cannot be achieved without a means of quantifying their geomorphology and hydrology and the spatio-temporal interactions between them, that is, their hydromorphology. For a long time, it has been laborious and time-consuming to measure river topography, especially in the submerged part of the channel. The measurement of the flow field has been challenging as well, and hence, such measurements have long been sparse in natural environments. Technological advancements in the field of remote sensing in the recent years have opened up new possibilities for capturing synoptic information on river environments. This thesis presents new developments in fluvial remote sensing of both topography and water flow. A set of close-range remote sensing methods is employed to eventually construct a high-resolution unified empirical hydromorphological model, that is, river channel and floodplain topography and three-dimensional areal flow field. Empirical as well as hydraulic theory-based optical remote sensing methods are tested and evaluated using normal colour aerial photographs and sonar calibration and reference measurements on a rocky-bed sub-Arctic river. The empirical optical bathymetry model is developed further by the introduction of a deep-water radiance parameter estimation algorithm that extends the field of application of the model to shallow streams. The effect of this parameter on the model is also assessed in a study of a sandy-bed sub-Arctic river using close-range high-resolution aerial photography, presenting one of the first examples of fluvial bathymetry modelling from unmanned aerial vehicles (UAV). Further close-range remote sensing methods are added to complete the topography integrating the river bed with the floodplain to create a seamless high-resolution topography. Boat- cart- and backpack-based mobile laser scanning (MLS) are used to measure the topography of the dry part of the channel at a high resolution and accuracy. Multitemporal MLS is evaluated along with UAV-based photogrammetry against terrestrial laser scanning reference data and merged with UAV-based bathymetry to create a two-year series of seamless digital terrain models. These allow the evaluation of the methodology for conducting high-resolution change analysis of the entire channel. The remote sensing based model of hydromorphology is completed by a new methodology for mapping the flow field in 3D. An acoustic Doppler current profiler (ADCP) is deployed on a remote-controlled boat with a survey-grade global navigation satellite system (GNSS) receiver, allowing the positioning of the areally sampled 3D flow vectors in 3D space as a point cloud and its interpolation into a 3D matrix allows a quantitative volumetric flow analysis. Multitemporal areal 3D flow field data show the evolution of the flow field during a snow-melt flood event. The combination of the underwater and dry topography with the flow field yields a compete model of river hydromorphology at the reach scale.Jokien onnistunut hallinta edellyttää virtavesien prosessien ymmärtämistä. Tämä ei ole mahdollista ilman jokien geomorfologian ja hydrologian kvantifiointia sekä niiden spatiotemporaalisten suhteiden tutkimista, eli jokien hydromorfologiaa. Joen topografian mittaaminen, varsinkin uoman vedenalaisen osalle on pitkään ollut työlästä ja aikaa vievää. Virtauskentän kattava mittaaminen on myös ollut haastavaa, sillä seurauksella, että niitä on tehty harvakseltaan luonnollisessa ympäristössä. Viimeaikainen teknologinen kehitys kaukokartoituksessa on mahdollistanut synoptisen tiedon mittaamisen jokiympäristöissä. Tässä väitöstutkimuksessa on kehitetty virtavesien kaukokartoitusta sekä jokien topografian että virtausmittauksen alalla. Useita eri lähikaukokartoitusmenetelmiä yhdistämällä on tehty korkean resoluution yhtenäinen empiirinen malli joen hydromorfologiasta, eli joen uoman ja tulvatasangon topografiasta ja kolmiulotteisesta virtaamakentästä. Empiriaan ja hydrauliseen teoriaan perustuvat optisen kaukokartoituksen menetelmiä testattiin ja arvioitiin käyttämällä normaaliväri-ilmakuvia, kaikuluotain kalibrointia ja referenssimittauksia kivipohjaisessa subarktisessa joessa. Empiiristä optista syvyysmallia kehitettiin edelleen lisäämällä syvän veden säteilyparametrin arviointialgoritmi, joka mahdollisti mallin käytön myös matalavetisissä jokiuomissa. Parametrin vaikutus malliin arvioitiin korkean resoluution matalailmakuvista hiekkapohjaisessa subarktisessa joessa yhdessä ensimmäisistä syvyysmalleista, joka on tehty käyttäen kauko-ohjattua minihelikopteria (eng.UAV, Unmanned Aerial Vehicle). Lähietäisyyden kaukokartoitusmenetelmiä käytettiin edelleen topografisen mallin täydentämiseen, integroimalla joen uoma ja tulvatasanko yhtenäiseksi korkean resoluution topografiaksi. Mobiilia laserkeilausta käytettiin vedenpinnan yläpuolisen osan topografian mittaamiseen korkealla resoluutiolla vene- kärry- ja reppupohjaisten kartoitusalustojen avulla. Monen ajankohdan mobiilin laserkeilauksen ja UAVfotogrammetrian tarkkuutta arvioitiin maalaserikeilausaineiston avulla. Laserkeilattu ja fotogrammetrinen aineisto yhdistettiin, jolloin saatiin kahden vuoden ajalta saumaton digitaalinen maastomalli. Mallin avulla oli mahdollista arvioida koko joen uoman korkean resoluution muutosanalyysin metodologiaa. Kaukokartoitukseen perustuvaa hydromorfologista mallia täydennettiin uniikilla virtauskentän kolmiulotteisella kartoitusaineistolla. Kauko-ohjattavaan veneeseen asennettu akustinen virtausmittauslaite yhdessä tarkan satelliittipaikannusjärjestelmän kanssa mahdollistivat alueellisesti valikoitujen kolmiulotteisten virtausvektoreiden sijainnin määrittämisen kolmiulotteisessa avaruudessa pistepilvenä. Tämän aineiston kolmiulotteinen interpolaatio matriisiksi mahdollisti edelleen volymetrisen virtausanalyysin. Monen ajankohdan alueellinen kolmiulotteinen virtauskenttä osoitti virtausolosuhteiden evoluution kevättulvassa. Vedenalaisen ja kuivan maan topografia yhdessä jokiuoman virtauskenttien kanssa muodosti kattavan mallin joen hydromorfologiasta.Siirretty Doriast

Very-high-resolution mapping of river-immersed topography by remote sensing

Remote sensing has been used to map river bathymetry for several decades. Non-contact methods are necessary in several cases: inaccessible rivers, large-scale depth mapping, very shallow rivers. The remote sensing techniques used for river bathymetry are reviewed. Frequently, these techniques have been developed for marine environment and have then been transposed to riverine environments. These techniques can be divided into two types: active remote sensing, such as ground penetrating radar and bathymetric lidar; or passive remote sensing, such as through-water photogrammetry and radiometric models. This last technique which consists of finding a logarithmic relationship between river depth and image values appears to be the most used. Fewer references exist for the other techniques, but lidar is an emerging technique. For each depth measurement method, we detail the physical principles and then a review of the results obtained in the field. This review shows a lack of data for very shallow rivers, where a very high spatial resolution is needed. Moreover, the cost related to aerial image acquisition is often huge. Hence we propose an application of two techniques, radiometric models and through-water photogrammetry, with very high-resolution passive optical imagery, light platforms, and off-the-shelf cameras. We show that, in the case of the radiometric models, measurement is possible with a spatial filtering of about 1 m and a homogeneous river bottom. In contrast, with through-water photogrammetry, fine ground resolution and bottom textures are necessary

Utilisation conjointe de trains d'ondes LiDAR vert et infrarouge pour la bathymétrie des eaux de très faible profondeurs

La bathymétrie et la topographie des surfaces immergées sont des connaissances essentielles pour la gestion durable des rivières et des espaces littoraux. Parmi les techniques permettant de les obtenir, le LiDAR bathymétrique apparaît prometteur par sa capacité à relever de grandes surfaces en un temps limité, avec une forte résolution spatiale et de manière continue entre zones émergées et immergées. Bien que certaines études aient porté sur la précision de cette technique dans les zones côtières de profondeur modérée, peu se sont intéressées aux eaux très peu profondes (<3m). Dans cette étude, une nouvelle méthode de traitement de formes d'ondes LiDAR pour les très faibles profondeurs est proposée. Cet algorithme s'appuie sur le traitement conjoint des trains d'ondes vert et proche-infrarouge (PIR). La densité et la précision des données résultantes sur les eaux côtières très peu profondes sont ensuite analysées. Les résultats de ces développements et analyses sont présentés sur des données acquises sur le Golfe du Morbihan (France) par le Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM) en 2005 avec un système SHOALS qui fournit les formes d'ondes Raman, PIR et vert. Ce travail met l'accent sur la comparaison de la qualité entre les données bathymétriques livrées issues du traitement des signaux par l'opérateur et celles issues de l'algorithme de traitement proposé. Pour la validation des résultats, une méthode spécifique est utilisée ici afin de faciliter la comparaison de mesures altimétriques réalisées entre des points GPS de référence et des empreintes LiDAR (diamètre de l'ordre de 2m). Dans les très faibles profondeurs d'eau, l'algorithme proposé extrait 41% de mesures supplémentaires par rapport aux données livrées, avec un biais de mesure comparable (environ 5cm) et un écart-type des erreurs plus faible (26,1cm contre 41,1cm). 55% de ces mesures supplémentaires sont situés à une profondeur comprise entre 1,5m et 2m. De plus, l'algorithme proposé améliore la profondeur minimale détectable de 80cm par rapport aux données livrées (1m contre 1,8m)

Laser scanning applications in fluvial studies

Peer reviewe

Technical approaches, chapter 3, part E

Radar altimeters, scatterometers, and imaging radar are described in terms of their functions, future developments, constraints, and applications