Αποτύπωση και μοντελοποίηση της γεωμορφολογίας και των διεργασιών της παράκτιας ζώνης μέσω επίγειου τρισδιάστατου σαρωτή και τεχνικών ανάλυσης εδάφους

Abstract

The application of Terrestrial Laser Scanner (TLS) in coastal zone studies iswell-established with a big number of scientific papers validating its need in various researchsubjects. The present PhD thesis examines the potential of two different TLS systems in theinshore and onshore parts of the coastal zone, for (i) obtaining bathymetric data and (ii) theinterdisciplinary use of the system in assessing the retreat of a sea cliff with monitoring, terrainanalysis and coastal / wave modeling, respectively.Firstly, a Green-Wavelength Terrestrial Laser Scanning (GWTLS - Leica ScanStation2)was employed to survey/test nearshore bathymetry under clear atmospheric and waterconditions. Shallow water bathymetry has proved to be a challenging task for remote sensingapplications. The obtained by the GWTLS seabed points were corrected for refraction and thengeo-registration, and filtering processes were exerted to obtain an accurate bathymetricsurface. Terrain-analysis was performed with respect to a reference surface derived fromclassical surveying techniques. The overall analysis has shown that the best results stem from35° to 50° incident angles, whereas for angles higher than 65° measurements are notacceptable, although for the same angle in front and close to the instrument accuracy isconsidered acceptable due to the high laser power. Also, high resolution micro-topography,shallower than 1 m water depth, managed to be captured. Systematic experimental approachesare expected to improve the GWTLS technique to detect bathymetry, which is anticipated toassist in mapping very shallow foreshore, tidal and deltaic environments, to contributeconceptual into developing hybrid observation systems for coastal monitoring and also to beapplied in various maritime applications.Secondly, the study attempted to assess the retreat of a section of a bounding sea cliffpromontory, exposed to wave forcing from both sides, of an important Mediterraneansea-turtle nesting beach, within a Mediterranean marine protected area (Gerakas, ZakynthosIsland, Greece). Morphological changes were monitored within a 2-year period using a FaroLaser Scanner Focus 120 TLS and the findings were compared with those from historicalortho-photographs to estimate sea cliff erosion the last 20 years. An advanced wave modelsupplemented by a model for cliff notch evolution, as well as an analytical model were alsoused to estimate cliff erosion due to wave attack. Comparisons of sea cliff profiles andcalculations of volumetric changes using the collected and historical topographic data showedan average annual recession of about 0.16 m for the period 1997-2016. By comparison, coastalmodeling estimated a retreat of about 0.23 m/yr, whereas a 0.14 – 0.3 m/y recession wasassessed by the analytical approach; this reasonable discrepancy with the empirical results, isprobably caused, amongst others, by the fact that the models does not account for theprotection of cliff toes by a constant supply of erosion debris from above. The wave model wasalso used to estimate sea cliff retreat rates under a 0.5 m sea level rise and showed a fourfoldincrease compared with the current recession rate. On the basis of these results, as well asconsiderations related to the seismicity of the study area, it appears that the factors responsiblefor the sea cliff retreat are wave action, precipitation-induced surface flows, andearthquake-related instabilities that may cause rapid, large-scale erosion. The outcomes of thisstudy are highlighting the critical interplay of several natural factors and climatic change effecton driving coastal erosion, which consequently results in the loss of ecologically criticalhabitats, thereby challenging conservation goals and management effectiveness.In conclusion, the techniques used in this study are expected (i) to contribute to a holisticapproach in the coastal processes, (ii) to answer the call for the use of robust surveyingmethodologies in the coastal zone, (iii) to supplement coastal management models and (iv) todesignate issues but also to address the capabilities of the TLS systems that can be furtherapproached during future research efforts.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει τις δυνατότητες χρήσης του τρισδιάστατουεπίγειου σαρωτή (Terrestrial Laser Scanner-TLS) στη έρευνα της παράκτιας ζώνης. Η έρευναπραγματοποιήθηκε με δύο διαφορετικά συστήματα TLS, που χρησιμοποιήθηκαν χωριστά στοθαλάσσιο και στο χερσαίο τμήμα της.Στο θαλάσσιο τμήμα, ένα TLS πράσινου μήκους κύματος (GWTLS) χρησιμοποιήθηκεστην προσπάθεια προσδιορισμού της περι-παράλιας βυθομετρίας κάτω από καλέςατμοσφαιρικές συνθήκες και διαυγές θαλασσινό νερό. Αρχικά, τα σημεία βυθομετρίας πουμετρήθηκαν από το όργανο διορθώθηκαν ως προς την διάθλαση και στη συνέχειαγεωαναφέρθηκαν. Ακολούθως, εφαρμόστηκαν διαδικασίες φιλτραρίσματος, ώστε ναμοντελοποιηθεί σωστά η ακριβής βυθομετρική επιφάνεια. Εν συνεχεία, τεχνικές ανάλυσηςεδάφους πραγματοποιήθηκαν σε σχέση με μια επιφάνεια αναφοράς που προέρχεται απόκλασικές τεχνικές τοπογραφίας (γεωδαιτικό σταθμό). Η τελική ανάλυση έδειξε ότι τα βέλτιστααποτελέσματα αναφέρονται σε γωνίες πρόσπτωσης της ακτίνας laser από 35°έως 50°. Γιαγωνίες μεγαλύτερες των 65°οι μετρήσεις δεν είναι αποδεκτές, αν και μπροστά και κοντά στονσαρωτή η ακρίβεια των μετρήσεων θεωρείται αρκετά ικανοποιητική λόγω της υψηλής ισχύοςτου laser. Επίσης, με σάρωση υψηλής ανάλυσης έγινε εφικτή η καταγραφή τουμικροανάγλυφου του πυθμένα. Συστηματικές πειραματικές προσεγγίσεις αναμένεται ναβελτιώσουν την τεχνική ανίχνευσης βυθομετρίας, η οποία θα συνεισφέρει στη χαρτογράφησητων πολύ ρηχών νερών, ρηχών παλιρροιακών και δελταϊκών περιβαλλόντων, συμβάλλονταςστην ανάπτυξη υβριδικών συστημάτων παράκτιας παρακολούθησης και στη χρήση τους σεδιάφορες θαλάσσιες εφαρμογές.Στο χερσαίο τμήμα, η μελέτη επιχειρεί να αξιολογήσει την οπισθοχώρηση ενός παράκτιουκρημνού διπλής όψης που είναι εκτεθειμένος σε υποαέριες και θαλάσσιες διεργασίες. Οκρημνός περιορίζει μια από τις σημαντικότερες παραλίες ωοτοκίας θαλάσσιων χελωνών,εντός μιας προστατευόμενης θαλάσσιας περιοχής (Γέρακας, Ζάκυνθος). Μέσω της χρήσηςενός TLS έγινε συστηματική παρακολούθηση των μορφολογικών μεταβολών του κρημνού γιαμια περίοδο 2 ετών και τα ευρήματα συγκρίθηκαν με αυτά ιστορικών ορθοφωτογραφιών γιατην εκτίμηση του ρυθμού διάβρωσης του παράκτιου κρημνού τα τελευταία 20 χρόνια. Ηέρευνα επεκτάθηκε, με σύγκριση των παραπάνω αποτελεσμάτων με εκείνα που προέκυψαναπό μοντέλα εκτίμησης της διάβρωσης στη βάση του κρημνού λόγω της κυματικής δράσης.Χρησιμοποιήθηκαν τρία μοντέλα, ένα προηγμένο κυματικό μοντέλο, ένα μοντέλο διάβρωσηςτης εγκοπής του κρημνού και ένα αντίστοιχο αναλυτικό. Οι συγκρίσεις διατομών του κρημνούκαι οι υπολογισμοί των ογκομετρικών μεταβολών με τη χρήση των συλλεχθέντων καιιστορικών τοπογραφικών δεδομένων, έδειξαν μέση ετήσια οπισθοχώρηση περίπου 0.16 m γιατην περίοδο 1997-2016. Συγκριτικά, η παράκτια μοντελοποίηση υπολόγισε μια υποχώρησηπερίπου 0.23 m/έτος, ενώ οπισθοχώρηση της τάξης των 0.14 – 0.3 m/έτος προέκυψε από τηναναλυτική προσέγγιση. Αυτή η εύλογη απόκλιση από τα εμπειρικά αποτελέσματα τουμοντέλου πιθανότατα οφείλεται, μεταξύ άλλων, στο γεγονός ότι τα μοντέλα δεν λαμβάνουνυπόψη την προστασία της βάσης του κρημνού λόγω της συνεχούς απόθεσης / συσσώρευσηςυλικού από τη διάβρωση του ανώτερου τμήματος του. Το κυματικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκεεπίσης για την εκτίμηση του ρυθμού οπισθοχώρησης του κρημνού υπό συνθήκες ανόδου τηςστάθμης της θάλασσας κατά 0.5 m, με τα αποτελέσματα να δείχνουν τετραπλάσια αύξηση σεσύγκριση με τον τρέχοντα ρυθμό υποχώρησης. Με βάση τα παραπάνω, και λαμβάνονταςυπόψη την έντονη σεισμικότητα της περιοχής μελέτης, φαίνεται ότι οι παράγοντες πουευθύνονται για την οπισθοχώρηση του παράκτιου κρημνού είναι η δράση των κυμάτων, οιεπιφανειακές ροές που προκαλούνται από βροχοπτώσεις και τα μικρο-κατολισθητικάφαινόμενα που οφείλονται στη σεισμική δραστηριότητα, η οποία μπορεί επίσης ναπροκαλέσει μεγάλη και ταχείας κλίμακας διάβρωση. Τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν τηνκρίσιμη αλληλεπίδραση αρκετών φυσικών παραγόντων σε συνδυασμό και με την κλιματικήαλλαγή, στην παράκτια διάβρωση, που μπορεί επιπλέον να έχει ως αποτέλεσμα την απώλειακρίσιμων ενδιαιτημάτων.Συμπερασματικά, οι τεχνικές που εφαρμόστηκαν στην παρούσα διατριβή, ημοντελοποίηση για την εξαγωγή βυθομετρίας από το GWTLS, καθώς και η συστηματικήπαρακολούθηση ενός παράκτιου κρημνού διπλής όψης (i) αναμένεται να αποτελέσουν τοεφαλτήριο για μια περισσότερο ολιστική προσέγγιση στις διεργασίες και στα προβλήματαέρευνας της παράκτιας ζώνης, (ii) μπορούν να συνεισφέρουν στη βελτίωση μοντέλωνδιαχείρισης της παράκτιας ζώνης, και (iii) ανέδειξαν διάφορα θέματα αλλά και δυνατότητεςτου TLS που είναι εφικτό να προσεγγιστούν κατά τη διάρκεια σχεδίασης μελλοντικώνερευνών.