Development of Image-based Velocimetry and methodology to map geomorphologic changes on riverbeds by utilizing images/video captured by Unmanned Aerial Vehicles
Authors: Κουταλάκης Πασχάλης 
Published: December 2021

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.