Acquisition of accurate geospatial information in the coastal environment using Unmanned Aerial System (UAS)
Authors: Δουκάρη Μιχαέλα 
Published: February 2022

Η διατήρηση και διαχείριση του θαλάσσιου περιβάλλοντος απαιτεί λεπτομερή και ακριβή χαρτογράφηση των οικοτόπων του, η οποία συνήθως πραγματοποιείται με τη χρήση μεθόδων τηλεπισκόπησης σε συνδυασμό με τη συλλογή δεδομένων πεδίου μέσω καταδύσεων και χρήση υποβρύχιων καμερών. Οι πληροφορίες στο θαλάσσιο περιβάλλον συλλέγονται συνήθως με μια σειρά μεθόδων τηλεπισκόπησης - δορυφορικές και αερομεταφερόμενες εικόνες, σε συνδυασμό με συστήματα σκαφών και απομακρυσμένα υποβρύχια οχήματα. Τα Συστήματα μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (ΣμηΕΑ) χρησιμοποιούνται πρόσφατα ως εργαλείο τηλεπισκόπησης κοντινήςαπόστασης, παρέχοντας δεδομένα υψηλής χωρικής και χρονικής ανάλυσης σε σύγκριση με άλλες μεθόδους τηλεπισκόπησης. Η χρήση των ΣμηΕΑ αυξάνεται συνεχώς σε πολλές περιβαλλοντικές μελέτες με πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα. Ωστόσο, η απόκτηση αξιόπιστων πληροφοριών για ακριβή χαρτογράφηση θαλάσσιων οικοτόπων εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση λόγω της πληθώρας παραγόντων (κυρίως περιβαλλοντικών συνθηκών) που επηρεάζουν την ακριβή απεικόνιση και οριοθέτηση των οικοτόπων στις αεροφωτογραφίες.Η παρούσα διδακτορική διατριβή είχε ως στόχο τη διερεύνηση των δυνατοτήτων των ΣμηΕΑ στην απόκτηση αξιόπιστης γεωχωρικής πληροφορίας στο παράκτιο περιβάλλον. Τα βασικά θέματα που εξετάζει η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι:1. Η ανίχνευση και ανάλυση των περιορισμών των ΣμηΕΑ στο παράκτιο περιβάλλον και ο τρόπος αντιμετώπισής τους.2. Η εξέταση της επίδρασης αυτών των περιορισμών στα υψηλής ανάλυσης δεδομένα από ΣμηΕΑ.3. Ο προσδιορισμός των βέλτιστων συνθηκών πτήσης για την απόκτηση ακριβών και αξιόπιστων πληροφοριών.4. Η εφαρμογή μιας καινοτόμου μεθοδολογίας για αποτελεσματική χαρτογράφηση θαλάσσιων οικοτόπων σε παράκτιες περιοχές χρησιμοποιώντας ΣμηΕΑ.Για τη διερεύνηση αυτών των θεμάτων, η έρευνα χωρίστηκε σε τέσσερα κεφάλαια (2-5), καθένα από τα οποία συμβάλλει στον κύριο στόχο της παρούσας εργασίας. Στο κεφάλαιο 2, προτάθηκε ένα πρωτόκολλο συλλογής δεδομένων ΣμηΕΑ που συνοψίζει τις παραμέτρους που επηρεάζουν την αξιοπιστία της διαδικασίας συλλογής δεδομένων στο θαλάσσιο περιβάλλον. Το προτεινόμενο πρωτόκολλο αποτελείται από τρεις κύριες κατηγορίες: (i) μορφολογία της περιοχής μελέτης, (ii) περιβαλλοντικές συνθήκες, (iii) παράμετροι πτήσης. Αυτές οι κατηγορίες περιλαμβάνουν τις παραμέτρους που επικρατούν στην περιοχή μελέτης κατά τη διάρκεια πτήσης ενός ΣμηΕΑ και επηρεάζουν την ποιότητα των θαλάσσιων δεδομένων. Το πρωτόκολλο παρείχε πολύτιμες πληροφορίες για τη χαρτογράφηση, την παρακολούθηση και τη διαχείριση του παράκτιου και θαλάσσιου περιβάλλοντος, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε παγκόσμιο επίπεδο στην έρευνα και σε θαλάσσιες εφαρμογές. Στο κεφάλαιο 3, η επίδραση των διαφορετικών περιβαλλοντικών συνθηκών στην ποιότητα των ορθοφωτογραφιών εξετάστηκε μέσω μιας μελέτης αξιολόγησης ακρίβειας θεματικών χαρτών. Επιλεγμένα αντικείμενα στους ορθοφωτοχάρτες αξιολογήθηκαν επίσης ως προς τη θέση, το σχήμα και την έκτασή τους. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τη σημασία των βέλτιστων συνθηκών για την απόκτηση αξιόπιστης πληροφοριας στο θαλάσσιο περιβάλλον με τη χρήση ΣμηΕΑ. Στο κεφάλαιο 4, η γνώση των περιορισμών των ΣμηΕΑ στην απόκτηση θαλάσσιων δεδομένων και η εξέταση των βέλτιστων συνθηκών πτήσης οδήγησαν στην δημιουργία του εργαλείου UASea. Το UASea αναπτύχθηκε για αποτελεσματικές έρευνες με ΣμηΕΑ στο θαλάσσιο περιβάλλον. Το UASea χρησιμοποιεί δεδομένα πρόγνωσης καιρού (π.χ., ταχύτητα ανέμου, συννεφοκάλυψη, πιθανότητα βροχόπτωσης κ.λπ.) και προσαρμοστικά κατώφλια για τον υπολογισμό των ivβέλτιστων χρόνων πτήσης σε μια δεδομένη ημέρα. Η χρήση του UASea συμβάλλει στον σωστό σχεδιασμό πτήσεων και στην πραγματοποίηση αποτελεσματικών πτήσεων ΣμηΕΑ.Στο κεφάλαιο 5, τα αποτελέσματα των προηγούμενων κεφαλαίων χρησιμοποιήθηκαν για τη σύνθεση μιας αποτελεσματικής μεθοδολογίας καταγραφής θαλάσσιων οικοτόπων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία για την ακριβή χαρτογράφηση θαλάσσιων οικοτόπων περιλαμβάνει τρία βασικά βήματα: i) συλλογή δεδομένων και επεξεργασία εικόνων από ΣμηΕΑ, ii) ανάλυση εικόνας με τη χρήση αντικειμένων μέσω της μεθόδου OBIA και ταξινόμηση θαλάσσιων οικοτόπων, iii) αξιολόγηση της ποιότητας των εικόνων και της ακρίβειας των υψηλής ανάλυσης θεματικών χαρτών. Τα βήματα αυτά ξεπερνούν τους περιορισμούς των ΣμηΕΑ στο παράκτιο περιβάλλον, προσδιορίζοντας τους βέλτιστους χρόνους απόκτησης δεδομένων μέσω της εργαλειοθήκης UASea και αξιοποιεί πλήρως τις δυνατότητες των ΣμηΕΑ σε περιβαλλοντικές εφαρμογές. Η προτεινόμενη μεθοδολογία προσφέρει (α) μια αποτελεσματική λύση για την απόκτηση θαλάσσιας πληροφορίας υψηλής ανάλυσης και (β) ακριβή χαρτογράφηση των οικοτόπων, που μπορεί να προσαρμοστεί σε μια σειρά οικολογικών και περιβαλλοντικών μελετών. Τα αποτελέσματα της έρευνας ανέδειξαν τη σημασία των ακριβών και αξιόπιστων πληροφοριών στο παράκτιο περιβάλλον που μπορούν να αποκτηθούν μόνο με τη χρήση ΣμηΕΑ, λαμβάνοντας υπόψη τις προκλήσεις και τους περιορισμούς που υπάρχουν. Τα αποτελέσματα των κεφαλαίων 2-5 συνδυάζονται σε μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία που αξιοποιεί πλήρως τις δυνατότητες των ΣμηΕΑ στην συλλογή δεδομένων στο θαλάσσιο περιβάλλον. Η προτεινόμενη μεθοδολογία καλύπτει το κενό πληροφορίας που υπάρχει μεταξύ δεδομένων πεδίου και δορυφορικών δεδομένων στη συλλογή δεδομένων από κοντινή απόσταση.