Acquisition of accurate geospatial information in the coastal environment using Unmanned Aerial System (UAS)

Abstract

Marine conservation and management require detailed and accurate habitat mapping, which is usually produced by collecting data using remote sensing methods combined with scuba diving and underwater cameras measurements. The marine information is commonly acquired by a range of remote sensing methods – satellite and airborne imagery, combined with boat systems, and remotely operated underwater vehicles. Unmanned aerial systems (UASs) have been recently used as a closerange remote sensing tool, providing high spatial and temporal resolutions compared to some other remote sensing methods. Their use has constantly increased in many environmental studies with very satisfactory results. However, the acquisition of reliable information for accurate marine habitat mapping is still challenging due to the plethora of parameters (mostly environmental conditions) that affect the accurate depiction and delineation of habitats in aerial imagery. This Ph.D. thesis aimed to investigate the potential of the UAS in acquiring accurate geospatial information in the coastal environment. The main topics of the thesis are:1. The detection and analysis of the UAS limitations in the coastal environment and how to overcome them.2. The examination of the effect of these limitations on the high-resolution UAS data.3. The identification of the optimal flight conditions for the acquisition of accurate and reliable information.4. The implementation of an innovative methodology for efficient marine habitat mapping in coastal areas using UAS. For the investigation of these topics, the research was separated into four chapters (2-5), each one contributing to the main aim of the thesis. In Chapter 2, a UAS data acquisition protocol that summarizes the parameters affecting the reliability of the data acquisition process over the marine environment using UAS was proposed. The proposed UAS Data Acquisition Protocol consists of three main categories: (i) Morphology of the study area, (ii) Environmental conditions, (iii) Flight parameters. These categories include the parameters prevailing in the study area during a UAS mission and affect the quality of marine data. The UAS protocol provided valuable information for mapping, monitoring, and management of the coastal and marine environment, which can be used globally in research and a variety of marine applications. In Chapter 3, the effect of different environmental conditions on the quality of UAS orthophoto- maps was examined through a positional and thematic accuracy assessment. Selected objects on the orthophoto-maps were also assessed as to their position, shape, and extent. The results contributed to the identification of the optimal conditions for the acquisition of reliable UAS data. In Chapter 4, the knowledge of the UAS limitations in marine data acquisition and the examination of the optimal flight conditions led to the development of the UASea toolbox. The UASea was developed for efficient UAS surveys in the marine environment. The UASea uses weather forecast data (i.e., wind speed, cloud cover, precipitation probability, etc.) and adaptive thresholds for calculating the optimal flight times in a given day. In Chapter 5, the results of the previous chapters were used for the composition of an efficient marine habitat methodology. The proposed methodology for accurate marine habitat mapping includes three main steps: i) data acquisition and processing of UAS imagery, ii) object-based image analysis (OBIA) and classification of marine habitats, iii) image quality and accuracy assessment of high-resolution thematic maps. This methodology overcomes the UAS limitations in the coastal environment by identifying the optimal acquisition times through the UASea toolbox, offering an efficient solution in accurate marine data acquisition in different environmental studies.The outcomes of the research highlighted the importance of accurate and reliable information in the coastal environment that can be acquired only by using UAS, considering several challenges and limitations. The results of chapters 2-5 combined form a comprehensive methodology that fully exploits the UAS potentials in data acquisition in the marine environment.

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.