Airborne Bathymetric Lidar

קורס מיפוי מתקדם יד ודים רוחליןנערך על

Using airborne bathymetric lidar to detect

bottom type variation in shallow waters

אבסטרקט

מכילים אינפורמציה על הנחתת המים ) פולסי לידר שהוקלטו בעבר(צורה ואמפליטודה של גלי לידר

מפליטודה המאמר הזה מתייחס לגורמים שמשפיעים על הא במקומות שעברו סקר יתוהחזרות מהקרקעשל גלים המוחזרים מקרקעית הים ובוחנת שימוש באמפליטודה מהחזר של קרקעית הים על מנת להבחין

-retro ndashהאמפליטודה המוחזרת מקרקעית הים מתוקנת בגלל מתיחת הפולס ו בין סוגי קרקע שוניםreflectance )עקב קרקעית משופעת) הסיגנל חוזר לאותו מקום שממנו שודר

לצורך צילומים שונים של החזרים מהקרקעית נלקחו בחשבון מספר ה ובין הטיסות השונות טיסהבמהלך מהלךב הדאגה העיקרית ורפלקטנס מהקרקעית על פני היםגלים מצב גורמים המתיחסים להנחתת המים

בין אמינות של החזרים מהקרקעית על יםפני השעל גלים ים עקב השפעהמו ה היא השינויםהטיסעל פי היא ההשפעה בשינוי האורינטציה מהקרקעית לעומת קרקעיות מאותו סוג השונות הבעיה יסותטה

ירת יוצאים מנקודת הנחה שהמים אשר נלקחו לצורך חק Egmont Key Floridaאוסף נתונים של התוצאות מראות ל היו הומוגניים ובהיריםיחס לשני השפעות הנתסיגנלים המוחזרים מהקרעית בה

נלים המוחזרים הוא הגורם הכי מעכב שמסבך את השימוש של הסיג מיםפני העל שהנוכחות של גלים יכולים להיות מוגזמים לעומת הנתונים )טחשמפני ה( של האמפליטודההשונות ו ךכי הער מהקרקעית

הנעים םצות היארציפות ואי רציפות של )חוף(מיפוי של החול המתקבלים מהחזרים מפני קרקעית היםתוך שימוש במידע דהייח LIDARמטר הופק בצורה נכונה בעזרת טיסת 43-עד ל 08בעומקים שבין

באותו זמן מבצעים צילומים בעזרת ודיאו טייפ כשכיוון ההסתכלות הוא נדיר ) ללא שינוים(מקורי )nadir ndash כיוון הפוך מזניט(

תלוי מטר 60מטר ועד 15למדוד עומקי מים מבהן יהיה דיון במאמר מסוגלות LIDARהמערכות בבהירות המים

אצות ) (seagrass מספקים תרחיש פשוט שמכיל חומרים משני קרקעיות Egmont Keyהנתונים של מספקים הבחנה תוך Egmont Keyהתנאים הפשוטים של ) בוציים( במים יחסית עכורים וחול

רקעיתהשפעות סביבתיות על הסיגנל המוחזר מהק

הקדמה

יםסיבות למיפוי קרקעית

שונים ים הכוללים מודליםחשוב יישומיםמספר של ישמיפוי של קרקעיות ים שונות הקרובות לחופים לבאופן תמושפע תנועת סחופת מיפוי וניהול של גידול דגים וניטור שוניות האלמוגים תנועת סחופת כגון

מימית יכולה לשלוט על - ביוטה תת לדוגמא קרקעיתהל ש חספוסקרקעית והמשמעותי על ידי סוג שיפור בהבנת תכונות בעלת פוטנציאל לגרום להפרעות זמניות של המשקעבאופן הידראולי ו חספוסה

שיפוע כמו חיספוס קרקעיתאיתור תכונות של של הקרקעיות יביא לשיפור של ניהול אזורים חופיים למקורות טבעיים פיננסית ואקולוגית עזור לנסיון לנהל ולסייעל מאוד חיוני ויכול צמחיה וכו

זה חשובבמיוחד מיפוי של קרקעית יהיה שימושי גם עבור מעקב של שינויי גודל שוניות האלמוגיםמובילה להלבנת מושפעת מהתחממות גלובליתה שטמפרטורה גבוה של מי ים השערהבהתחשב ב

יםנאחר נתו הים באמצעות אמצעי חישה מרחוק תיתן אפשרות לבקר מיפוי קרקעית שוניות האלמוגים יותר וזה עלול להיות יותר יעיל מאיסוף של הנתונים גבוהבתדירות

למערכות פאסיביות idarL מערכות תהשווא

לצורך קביעת עומקים וסוגי פאסיביות באיזורים גיאוגרפיים וגיאולוגיים שונים הושמו מערכות אופטיות

יש קושי מצד שני למערכות אלו ישנו יתרון בכך שהן מסוגלות לכסות שטחים גדולים בזמן קצר רקעקהן מוגבלות בטווח של עומקים מצויים והן מוגבלות על ידי העומקים בחדירות ודיוק של בכיולן

ידי רגישות חלקו מוגבל על הדיוק של העומקים המוגדרים על ידי מערכות אופטיות פאסיביות העומקיםבכל זאת מערכות מיםתכונות אופטיות של הפנימית של המערכת וחלקו בשינויים הנגרמים ב

היפרספקטרליות פאסיביות הן בעלות פוטנציאל לצורך תיאור סוגים שונים של קרקעיות הים כאשר החזרות ספקטרליות מסוגי קרקעיות שונות ברורות במידה מספקת

של גלים המוחזרים מקרקעיות הים ממערכות שימוש באמפליטודות היאוישנה אפשרות נוספת

Airborne Lidar Bathymetry (ALB) כאינדיקטור לסוג הקרקעית ALB למדוד עומקים של תוכנןיתרון של וקרקעית הים בין פני המים כיוונים- דוהמים בהתבסס על זמני מעבר של פולסי אור קצרים

תלוי בבהירות המים מטר 60ר ועד מט 15וגלות למדוד עומקי מים מהוא שהן מס LIDAR-מערכות ה שזה הרבה יותר ממה שמערכות פאסיביות יכולות למדוד

בתחום הירוק במטרה להגדיל חדירה בתוך ר שפולטים פולסים קצרים זמשתמשות בליי Lidarמערכות

פיזור באורכי גל קצרים משמעותיככל שאורכי גל גדולים יותר כך גדלה ספיגה של המים באופן המים חומרים בתוך המים מוגדלת במהירות ומקטינה חדירה של הגלים לעומקים וספיגה על ידי

ומטיות של רהיא יכולה להפיק רק מפות מונוכ) תדר אחד( היא מערכת מונוכרומטית Lidarבגלל ש לאפיין את הקרקעית הים רק על בגלל שאפשר Lidarזה חיסרון העיקרי של מערכות החזרי הקרקעיתאפשר במיוחד מערכות עם חישנים היפרספקטרליים לעומת זאת במערכות פאסיביות ידי נעלם אחד

כל זה מביא לבצע קומבינציה של להישתמש במידע מרחבי לצורך הערכת קרקעיות הים במים רדודים הזה המחקר קציה של קרקעית היםומערכות פאסיביות אשר יוכלו לבצע קלסיפי Lidar שתי מערכות

בלבד Lidarבמערכות שימוש עושה

כל יש צורך בשמירה של ולקבוע את המרחק ביניהם וגם את הקרקעית מיםבמטרה לגלות גם את פני הגלים הללו מכילים מידע גם בעבר Lidarשנקלטו על ידי ) צורתם -גלים המוחזרים דרך המים (הנתונים

הגלים של) החזרה( רפלקטנס על עומקים וגםשל הכתוצאל שידורים בתוך המים על שינויים שצורת הגל בשביל שלאחר מכן אפשר יהיה לבצע שומרות את כל Lidarלא כל מערכות הקרקעיתמ

Operation Airborne Lidarהמחקר הזה מנצל את כל המידע השמור מסריקות של אנליזה ואימותSurvey (SHOALS) של כל פולס לייזר והשתמשו במידע זה ו את כל הנתונים של הגליםששמר

עלמנת לאפיין את החומרים שהקרקעית בנויה מהם כדי לגלות ולקשר את הסוגים השונים של הקרקעיות בשטחים הנסקרים

idarLצורת הגל של מערכות

החזרה של יה משלושה חלקיםצורת גל בנו 1מוצג באיור Bathymetric Lidarצורת גל אופיינית של פני המים מחזירים והחזרה מהקרקעית החזרה של גל בחזרה לכיוון שהוא הגיעה ממנו פני המים

בכל אופן במידה מסוימתהפכפך הוא יכול להיות המרכיב הכי חזק של החזרות זה ראשונים ובדרך כללכאשר פני המים רגועים החזרה ספקולריתהוא תלוי בחיספוס של פני המים ויכול להיעלם לגמרי בגלל

החזרה של הגל בחזרה באותו כיוון מאיפה שהוא בא מתחילה ברגע שהגל חודר לתוך המים לחלוטיןברגע שכל הגל חודר םהמי הנחתת פיזורמקדם של ביחס לעומק ומים מנחיתים בצורה אקספוננציאלית

וזה הגל שמגיע ת הוא האחרון שמשפיע על הגלהחזרה מהקרקעי 1כמו שרואים באיור לתוך המיםהתווך של המים והההנחתות מיוחדות של המים משפיעים על האמפליטודה והצורה של הגל לחיישן

המוחזר מהקרקעית

מכיל מידע לגבי רפלקטנס -Bathymetric Lidar האמפליטודה של הגל המוחזר מהקרקעית שמשודר מ ישנם עוד גורמים שמשפיעים על האמפליטודה של החזרות מהקרקעית למרות זאת קרקעיתשל כיסוי ה

הם מכילים השפעות של העומק חלק מהגורמים הללו ניתנים לחיזוי ובאופן יחסי נלקחים בחשבוןשהקרקעית משופעת יחסית לזווית פגיעת קרן ת מכךונובע לתוצאות הנ הנחתת מים ומתיחת הפולס

אבל יכולים ליהיות מזוהים בפשטות אחרים בצורה אופיינית נגרמים מהסביבה הטבעית הלייזר ההתחשבות בהם מסובכת

SHOALSעבודה של מערכת אופןיכול NdYAGלמערכת זו הפולס לייזר SHOALS-הסריקה התבצעה בעזרת מערכתהמחקר בנתוני 532nmוהתדר השני ) אינפרה אדום( 1064nmאחד אורך גל על גבי אחד משני אורכי גלמשודר להיות

5mJבהתאמה ו 15mJמתח מוצא של הלייזר 400Hzופולס חוזר אם 6ns אם רוחב פולס ) ירוק(בדוגמא של סריקה על ידי מערכת הסיגנל המתקבל מומר למידע דיגטלי וכל המידע על צורת הגל נשמרת

SHOALS קוטר של לייזר 20degוית נדיר קבוע שבזמן הטיסה המרכז של הקרן נמצא בזfootprint מתאר דוגמא על 2איור מבלי שום קשר לגובה של המטוס 24mנמצא על פני המים תמיד קבוע בדיוק

θ ndashזווית הנדיר מוגדרת כ העובר דרך המים ומוחזרת מהקרקעית light beamמהלך של

אשר מותאמת לצורך סריקה ms 60ובמהירות של 200mלת בגובה של כ עמופ SHOALSהמערכת המיקום של כל מדידת עומק של 20m ו 100mוקבלת צפיפות אופקית של נקודות )צד לצד(ברוחב פס

GPS אינרציאלית וה הליידר נקבע תוך כדי שילוב בין מערכת ניווט

מתמטי מודל

המידע על יםצורך שיחזור עומקאינה משתמשת במפורש באמפליטודה ל SHOALSלמרות שמערכת אמפליטודת החזר מהקרקעית מתקבל על נשמר בתוך המאגר כחלק מצורת הגל בכל זאת האמפליטודה

מערך השיא של ) (volume backscatteringשך עקומת הפיזור לאחור מנפח המיםידי הפחתת המ בהירות המים עומק( גורמים האמפליטודה הזאת היא פונקציה של מספר הלידרההחזר מהקרקעית בגל ר טובה ולאפיין את תעל מנת להבין בצורה יו החזר הגל מהקרקעיתה ולא רק של )שיפוע הקרקעית וכו

יישום משתמש במודל של קרינת הלידרה השימושיים למודל האפקטים

מקלט מונחת פולס לייזר שמשודר מהמערכת לידר דרך המים ומוחזר בחזרה מהקרקעית של האוקיאנוס לוגם כל השגיאות של בזמן הסריקות היות וזווית הנדיר והגובה נשמרים במערכת לעומק באופן מעריכי

בעזרת נוסחה מתמטית פשוטה מתארים את התהליך המכשיר ידועים

PR=PTWρexp(minus2ksysD)

הגורמיל כל שילוב ש - W [watts]הספק משודר - PT [watts]הספק המתקבל - PR כאשר )the irradiance reflectance( קרינה המוחזרת מהקרקעית - ρ [steradians]נלקח כקבוע מערכתה

[steradianminus 1] ksys ndash מקדם הנחתה של מערכת לידר וסוג המים[mminus 1] וD ndash עומק המים[m] זה הגובה של Hשר כא (D+H)של המערכת מכיל בתוכו ביטוי Wהגורם חיובי לכיון מפני השטח

והעומקים של הקרקעיות המדוברים 200m (Hgt200m)אבל בגלל שלידר תמיד מעל גובה של הטיסהלהלן נוסחא זניח Wההשפע של העומק על Dlt13mעליהם במאמר הזה תמיד מתיחסים למים רדודים

lnאחרי שהפעילו עליה 1

ln(PR)=ln(PTW)+ln(ρ)minus2ksysD

(const)משודר קבועהנשלטים וההספק Wשל מערכת לידר ב הפסדיםשאם ה ל ברורמהמשוואה הנ ln(ρ) של הרפלקטנס מהקרקעית log - הוא פונקציה ליניארית של ה ln(PR)של סיגנל המוחזר log-הסוגי הקרקעיות אם (const)קבוע ksys בשטחים שבהם מקדם ההנחתה ksysDהמערכת של הנחתתו

הדיוק של החומר של מכאן Dמול ln(PR)יתארו קווים מקבילים על הגרף של ברור רפלקטנס של המערכת ההנחתשל מקדם אי ודאות בדיוק של העומק המוערך וביהיה תלוי הקרקעית שנתגלת

תיקונים

יםחלקנעל פני כל השטח הנחקר ולכן לא הומוגניים מבחינה אופטיתשהמים הנחה המחקר נעשה תחתבכל זאת ישנם מספר גורמים המשפיעים על חשבון תיקוני שגיאות המערכת בהנחתה מצורה הזאתב

הכי אפילו לא מקומית האמפליטודה של ההחזר מהקרקעית אשר באופן כללי לא יכולים להניח אותםישנו אפקט נוסף אשר מתקשר BRDF -חשוב מכל אלה זה התיקון של שיפועה הקרקעית יחסית ל

אשר ינמיך את הרפלקטנס ndashמתיחת הפולס ndashע לשיפו

תיקונים עבור החזרים מקרקעית משופעת

זה פונקציה של ההארה וזווית סבגלל שרפלקטנ שיפוע של הקרקע משפיעה על ההחזר מהקרקעיתבהיעדר BRDFהיחס הכללי מוגדר על ידי )שממנו מורכבת הקרקעית(סוג החומר בנוסף ל ההסתכלות

שהמשטח הוא מניחים במחקר הזה עבור סוגי קרקעיות שנלקחים בחשבון BRDFמדידות ערכי Lambertian )קרקעית חול שטוחה אבל היא ההנחה הזאת יכולה להיות מציאותית עבור )למברטיני

דיאלית עבור מקרים אחרים ויכולה להיות מונחת בספק אפילו עבור קרקעית חולית עבור פחות א ות לידררפלקטנס של אות

יהיה מקסימאלי עבור יההחזר מהקרקעית עבור משטח למברטיני אידיאל החזר מהקרקעית נתוןעבור

צפוי להקטין כקוסינוס ועבור סיבות גיאומטריות טהורות תרחשותההכיוון לפני שטח אשר מאונכים היא יורדת כאשר ו מקסימלי כאשר הפגיעה בקרקעית אנכיתה שההחזר כלומר של השיפוע היחסי

הגדרה של משטח קוסינוס של השיפוע היחסי של הקרקעית הקרקעית משופעת כפונקציה של למברטייני

R- Radiance reflectance Θ ndash על פי קואורדינטות מעגליות) זווית בין הקרינה של המקלט ומשדר על פני השטח ( זווית האזימוט i וr ר המוחזר בהתאמה מציינים אינסידנט והאו Θ ההחזרה תהיה תלויה בשיפוע של 2 איורמתואר ב

הקרקעית ובכיוון הארה של הלייזר

ALB ם ר ומקלט ערוכים וחולקים אותו תחוזאת אומרת משד תמיד נבנה בקונפיגורציה מונוסטטיט FOV)field of view (במקרה הזה על אותו צירמאותרים תלעיתים קרובות שידור וקליטה אופטי

כלומר האור מוחזר בחזרה )retro-reflectance( באותו כיוון הקרקעית מחזירה תוצאות של הסיגנל הרעיון הזה חשוב באופן משמעותי בגלל שבכיוון הזה אין הצללה לחיישן בדיוק בכיוון ממנו יצא

ו מחסור בנתונים של אופן היות וישנ בכל בתחום של חישה מרחוק Hot Spotהתופעה הזאת נקראת BRDF במיוחד במדידות מהעולם האמיתיretro-reflectance המודל של אפקט של ה-Hot spot

ומשתמשים במודל הזה כתיקון ראשון עקב שיפוע של קרקעית נעשה מהמדידות שנעשו במעבדה

מהם מורכבת מתחילים אם ההנחה שכל החומרים ש מנת לבצע הערכות התחלתיות של התיקונים עלרפלקטנס 50- כמו ל BRDFעם אותו 532nmבאופן דיפוסיבי באורך גל של יםקרקעית הים שוו

סגול ועד -פולט ספקטרום רציף מאולרטה LS- 1 (LS-1)מקור האור הוא טנגסטן הלוגאן סטנדרטי-retroמשתמשים בפרוב ה מעובדים 532nmאבל רק הנתונים של אורך הגל אדום- אינפרה

reflectance הפרוב (ידר ילצורך ביצוע סימולציה של קונפיגורציה של המשדר והמקלט במערכת לעם סיב אחד סיבים 6המחוזקים על ידי הטבעת ומקיפים סיבים אופטיים בפלדה על חלד 7מורכב מ ל התוצאות ש המוחזר עובר דרך הסיב האמצעי Radiationסיבים וה 6מסופק על ידי אהו )באמצע

תיאורטי המוחזר ממשטח Radiance ו Spectralon-החזר דיפוסבי מ 50של retro-reflectanceהLambertian במבט ( 0 - הערכים מנורמלים לערכים ב 3ר וומוצג באי3 מתבוסס על הנוסחה

עם זווית הנדיר reflectance -התוצאות של המדידות מציגות קשר ליניארי של ה) ההסתכלות מנדיר

iθ - Nadir angle )ה זווית שמשתמשים בה אותמוגדרת בין פולס של הלידר ווקטור )3במשוואה

המגיע לייזר שלבמקרה הנורמל של הקרקעיתכאשר הנורמל של הכיוון החיובי מוגדר שיפועב

הקרקעית נוטע מהלידר

מתיחת פולס תיקונים עבור

הקרקעית מהאנרגיה המוחזרת אפקט נוסף הדורש תיקון עבור קרקעית ים משופעת הוא מתיחת הפולסהפולס יהיה כאשר הפולס מוחזר מפני שטח כך שהוא מאונך לזווית ההתבוננות היא פונקציה של הזמן

מחלקו המשטח קודם רהפולס מוחז משופע ביחס לזווית הראייה כשמשטח הקרקעית בצורה דחוסהמפוזרת על טווח זמן האנרגיה המוחזרת מהחלקים הרחוקים מהמקור שקרוב ביותר למקור ולאחר מכן

בגלל שמשתמשים במקסימום זמן מוקטן ארוך יותר מהאנרגיה המשודרת וההחזר המקסימאלי ליחידתלציה אנליטית הציגה סימו האפקט של המתיחה יקטין את הרפלקטנס ההחזר כמדידה של הקרקעית

Steinvall and Koppari 1996 and Steinvall et al( הפולסשיפועה של הקרקעית על די מתיחת משתשמשים בחיזויים אנליטיים חקרבמ יםגיאומטריאת המדידה על הארגומנטים במקום לבסס )1994

מוצג קשר בין זווית של פולס לידר 4התוצאות של המודלים מוצגים באיור Koppariו Steinvallשל מדווח deg40ועד -deg40- בגלל שרק התחום מ ותיקון של המקדם )זווית נדיר (על הקרקעית הקשר הוא הזה חלטוו ץמחו אומדן מוערך על מנת לקבל מקדמיםמשתמשים ב

תיקון של השיפועה ותיקון של הזווית של פולס הלידר על קרקעית הים נדרשת עבור שני התיקוניםשיפוע הקרקעית נקודות סמוכות ומספר היות ויש לנו את העומקים של הנקודה הנבדקת מתיחת הפולס

של פני השטח המורכבים מהעומק של נקודת היעד )ניצב (נורמלהמקומית מחושב על ידי קביעת הקשת הזווית של פולס לידר מחושבת כ )כיוון הטיסה(בכיוון קדימה ועומק שתי הנקודות הקרובות ביותר כוסינוס של הנורמל והוקטור המקור

מורכב משלושה שלבים התיקון של השיפוע

של נקודות קרובות והזווית של ALBדי י לחישוב והערכה של השיפוע מתבסס על מדידות עומק ע 1 הפולס של הלידר על הקרקעית

מתבסס על תצפיות מעבדתיות פשוטות של הסתכלות מהנדיר retro-reflectanceהתיקון עבור 2 θi = 0כלומר

מהסתכלות Koppari ו Steinvallפולס מתבוסס על הסימולציה אנליטית של התיקון עבור מתיחת ה 3 θi = 0כלומר מהנדיר

5משוואה g(θi)ו 4משוואה f(θi) מותאמת על ידיי הכללה של שני מונחים עכשיו 1משוואה

נסדר ונקבל משני הצדדים 6על משוואה logנפעיל

על מנת לתקן את השפעת השיפוע- הפולס החוזר מהקרקעית על מתאמת את 2דומה למשוואה 7משוואה התיקונים האלו מתיחסים עבור כל הנתונים המדוברים עד כה האות

נתונים

י אשר ממוקם בין א Egmont Key Floridaהמחקר הזה מתבסס על המידע שנלקח ממיפוי עומקים ב לעומת זאת קו החוף שנים 100קו החוף המערבי השתנה בצורה משמעותית במשך שני ערוצי ניווט

החוף המזרחי יותר מוגן מפני המזרחי שנמצא סמוך לאזור הנחקר כמעט ולא השתנה במשך אותו זמןהאמיתיים שבהם הדבר מאוד משמעותי בגלל שהנתונים Gulf Mexicoזרמים חזקים וסערות ב

ולכן במאמר מניחים משתמשים לא נלקחו באותו זמן בו נלקחו נתונים על ידי המדידה בעזרת הלידר עד כדי הימצאות שינויים בקרקעית היםשניתן להשוות את המידע

צבעונית המקליטה את המצב של nadir-looking עם תכונת מצוידת עם מצלמה SHOALSמערכת הקלטת מספקת מידע שימושי של האזור הנחקר אשר לעיתים קרובות שימושי יסהכל הט שךהמים במ

whiteכמו המוחזר לידר להשפיע על סיגנל ותעל מנת להעריך את ההשפעות סביבתיות אשר יכולcaps החזר מקריים קיצוניים כמובולכן הל מקרה האיכות של הקלטות בדרך כלל לא כל כך טובכב ולוציה של תמונות וידיאו לא רזבכל מקרה המים מביאים את המצלמה למצב של רוויהשמש מפני קרנימשתמשים על מנת לבסס את נכונות התמונות של הקלטות ת להשוואה לזה של נתוני הלידרניתנ

למשל בנתונים של מחקרים אחרים

bull National Aerial Photography Program (NAPP) bull Florida Marine Research Institute (FMRI) bull Florida Geographic Data Library (FGDL)

השפעות סביבתיותה של גלים בסקלה של טביעות אין כוח משיכ כאשרכוח קבוע של דופק הלייזר כלומר( אידיאלי הבמקר

שינויים באמפליטודה של החזר )הקבועבהירות המים משטח של קרקעית אוקיינוס ו Lidarרגל של החלק הזה יתמקד בהשפעות סביבתיות על סיגנל של החזר הבדל בסוג הקרקעיתהעית יגיעו ממהקרק

כאשר אי אפשר להתעלם מהשפעות סביבתיות מקרקעית וסבירות של הבחנת סוגים שונים של קרקעית

ישנם הטיס במהלך השונות טיסה וגם בין הטיסותה) במשך(השפעת הסביבה יכולה להשתנות בזמן יש בעיקר שונות בין טיסות של קרקעית תהשתנות אמיתיהכמו Lidar פולסי בפיזור יםגל של תהשפעוושיפוע כל זה כוללים את השפעות הגל SHOALSשל ההבדלים בכיוון ההסתכלות של חיישן עניין קרקעיתה

החיצים ליד החלק התחתון של העומק Lidar - הנקודות הן נתוני הEgmont Key-מפה מתארת את האתרי מחקר ב 6איור הנתונים מגבול של טיסה SHOALSקונטורי העומק יוצרים מפלט של עומקי של התמונה מסמנים את כיווני הטיסה

משתמשים לצורך בחינה בין הוריאציות שונות של הטיסה 6-ו 3והנתונים מאתרי מחקר - 2ו 1אתרי מחקר הדרומית

במהלך טיסה בודדת

הבחירה של אתרי Egmont Key -שב 2 - ו 1על מנת לנתח השפעות של הגלים נבחרו אתרי מחקר הנתונים טיסה בודדתלכסות את טווח העומק הכי גדול שאפשר במשך מחקר אלו נבעה בגלל הרצון

להקטין כל השפעות של שינויים בכיוון מהטיסות שכיוונם מצפון לדרום עלמנת האלו נבחרו רקסוג הקרקעית בשני )העניין הזה חשוב עבור חלק של השפעות סוגי קרקעית שיוצג בהמשך( לותההסתכ

זה מספק מצב כמעט אידיאלי עם deg5-שיפוע הקרקעית באזור הזה פחות מ הוא בעיקר חול אתרי מחקר SHOALSמינימום סוגי קרקעיות על מנת לבחון את השפעת הגל על נתוני

יםגל השפעת

על ידי הקרקעית מול עומק מ יםהאמפליטודה של החזר תיקוניות תוצאות אחרי מתוארפיזור םתרשיבשני ב קו ישר ותאריהציפייה היא שהנתונים עבור כל סוג 7באיור התוצאות מוצגות 7הפעלת נוסחה

אבל עם מראים אותה נטייה כמו כן שני גרפים באופן אחיד מפזר חולההוא אתרי מחקר סוג הקרקעיתעל הקו שבו מקבלים התאמה הכי טובה מניתוח רגרסיה ליניארית שינוייםכמות משמעותית של

)R2 = 0593 1עבור אתר מחקר R2 = 0622 הסטייה הזו בכיוון ) 2עבור אתר מחקרy מהקו היאר סוג ההשתנות הזאת כאש של חשוב לקחת בחשבון את הטבע מחוון העיקרי של שינוים בסוג קרקעית

הקרקעית קבוע

אתר מחקר (a) מול עומק המיםמהקרקעית ים מתוקניםהחזר) Scatter plots(פיזור של טבעי log תרשים מתאר 7איור 1 (b) הנקודות השתמשו רק בנתוני הטיסה לכיוון הצפון 2אתר מחקר)dots ( הן נתונים)של ) מידעLidar הריבועים הם

מ 05 של במרווח תרים סטיית תקן אחתאפסי השגיאה מ מ 05 של במרווח Lidar נתוני של הממוצעים

יותר מפוזרים מאשר במים עמוקים בשני גרפים האלו ניתן לראות שנתונים נקודתיים במים רדודיםי אפקט הנוכחות של גלים על פני המים ועובדה שהם משודרים ע מרכוז כפולסביר להניח שזה בגלל

על קרקעית הנראת בוהקותופעה הקשורה לדגם הזו ת כפול רכוזמי )מונוסטטי(מקלט חד תדרי הקרן זה נובע מהעובדה שברגע שפני המים גליים שקטים לגמרי בריכה כאשר פני המים אינםה

את חזרה ואילו הקרן היוצ נשברת לפי זווית הפגיעה במים וזווית הפגיעה בגל) או לים(הנכנסת לבריכה לא תישבר באותה זווית בדיוק

התופעה הזאת גורמת ובניתוח אנליטי ray tracing model - שימוש במודל בעזרת מתואר מרכוז כפולללידר באזורים של מים רדודים וחזרים מהקרקעיתגם לממוצע של הערכים וגם לשונות של הסיגנלים המ

השפעות של סוג קרקעית

זה בדיוק מהחזרים מחומרים שונים ישירות יםהחזרים מהקרקעית נובעשל המההשתנות לפחות חלק מנת לתאר אזורים בעלי סוגי קרקעיות שונות על במחקר שתמש בההאינפורמציה אשר מקווים לה

בגלל שהוא מכיל נבחר Egmont Keyאשר נמצא לאורך חוף מזרחי של 3אזור מחקר במקרה שלנו 43mועד 08-חוף ובעל עומקים מלהאזור הזה נמצא בסמוך חול ואצות עיות שונותשני סוגי קרק

)6שניתן לראות על המפה באיור פיכ(באזור הזה השיפועה מתון

בעיקר בגלל תכונת הספיגה על ידי סגמנטים האצות באופן ניכר כהות מהחול 532nmבאורך גל של משתנה יותר מהחול בגלל מספר סיבותגם הרפלקטנס של האצות פוטוסינטטים

צפיפות החולמבאופו משמעותי גדולהקטנהצפיפות של האצות 1 )טין וכו חול(ה תלוי במצע אהרפלקטנס הנר 2רפלקטנס של האצות יכול להישתנות על ידי כסוי של טינופת מצטברת או על ידי צמחים אחרים 3

)epiphyte(

אם השוני באמפליטודה של החזרים מהקרקעית ישנם רק בגלל המסביר על המודלכפי שדובר בחלק סתדר בשורה לאורך קווים תכל סוג של קרקעית בגרף פיזור אז השינוי ברפלקטנס והעומק של המים

ומפה לפי קודים הצבעוניים המתאימה של האזור 3תרשים פיזור של נתונים מאזור מחקר מקביליםמקבץ דגימות 8aסוג הקרקעית מהווים השפעה דומיננטית באיור בהנחה ששינויים ב 8מוצג באיור

תרשים פיזור לתוך שימוש בשיפועה של הקוו הנ כחול טהור שומשו על מנת לחשב קו ישר הידועות הבשלב הבא שלוש סוגי קרקעיות שונות הלשלוש מתאימיםחולק לשלוש טווחים מקבילים אשר

פרוצדורה הזאת דורשת ידעה של מידע 8bבאיור צגו על המפה ום והקודדו על ידי צבעי האלו תחומיםin-situ במקרה שלנו מהקלטה של תהמסופקvideotape )במשך הטיסה מקליטים את המצב של הים (

מוחזרים videotape-מראה שדגימות של החול הטהור אשר נקבעו במשימת ה 8aהמלבן התוחם באיור על מנת להתאים ניסוי וטעיהידי בולות של שלושת התחומים נבחרו על הג בצורה טובה למרות העומק

ואה של מפת האצה והשמ )לא מוצגת כאן(videotape - האצה המוצגת במשימת האת התאור של 8 וראי 3והמפה של קידוד צבאים של אזור videotapeמשימה 5איור FMRIהנדרשת על ידי

בודד מנתוני 532nmות של קרקעית האצית מתוארת בעזרת ערוץ אי רציפגם מופיעה שגם רציפות ולא יכול להציג את הניגודיות של video- הדבר נכון גם עבור העומקים יותר גדולים איפשה הלידר

קרקעית

8איור

זה כן תואר במפת קידוד צבאים ndash FRMIלא תואר במפת ndashהמבנה הפרטני של אי רציפות של האצה אזורים עם כחול מתייחס לאצה כהה ואדום לאצה בהירה בתרשים פיזור ובמפת קידוד צבאים 3 באזור

אזורים אם טוב ל יםאצה בהירה מתאימאזורים עם זורים אם האצה רציפה אהאצה הכהה מתאימים טוב ל 5איור רצפה- האצה האי

mixed sampleש בקונספט של ניתן להסביר בעזרת השימו 8התנהגות של תרשים פיזור המוצג באיור האצות בדרך כלל לא הומוגניות באופן הקרקע המוארת על ידי פולס לידר בודד מציגה דגימה אחת

כאשר מתבוננים דרך ) substrate(מצעהבדרך כלל ניתן לראות את עפילו במקומות הכי צפופים מקומיפחות אור השמש כאשר העומק גדל אצותחול ו לכן הנקודת המוארות תמיד יכילו שני חומרים אצות

הרפלקטנס הנראה של פיקסלים של האצות מה שגורם לצפיפות נמוכה יותר של האצה מגיע לקרקעיתבתוך הפקסל יקבע את ) האצה והחול(והיחס של שני החומרים יגדל עם החול נמצא בתוך הפיקסל

יהיה זהה עבור שלבי חיים seagrass-ל ההמודל הזה דורש שהרפלקטנס ש seagrass-הרפלקטנס של העם אצות מטיפוס Mullet Key Florida-דוח של ניסוי יתנהל בסמוך ל שונים בעומקים שונים

Hwrightii סוג עקרי של האצות בndash Egmont Key הוביל לשתי מסקנות ז אשר מרמ לא משתנה עם תנאי האור seagrass-אזור ירוק של הב הקלורופיל מיוצר 1

לא ישתנה עם העומק seagrass-שרפלקטנס של האשר מרמז שיותר אור irradiance-הביומסה הירוקה מתואמת באופן חיובי עם שקיעת ה 2

יכול לתמוך ביותר ביומסה ירוקה

אשר מרמז שיותר אור יכול לתמוך irradiance-הביומסה הירוקה מתואמת באופן חיובי עם שקיעת ההבדלים Egmont Key בתוך 15km-כ מחקרהשהמיקום של בגלל ירוקה ביותר ביומסה

Egmont Key- הנחה שכלורופיל המיוצר בלכן בגלל ההפרדה הגיאוגראפית יםמוקטנ ביולוגייםגנטייםיות לא זה משאיר מקום למקור של טעו למרות זאת נכונה לא משתנה בגלל העומק או במשך החיים

רשומות

מתארים סטיית תקן אחת מהמרכז של םקווים מקווקווי 3ציג את המדידות מאזור מחקר האיור הבא מועד 4mהקו ברגרסיה ליניארית של הנתונים וריבועים מתארים את הממוצעים של סטיות תקן מהעומק

15m 05בקפיצות שלm 3הנתונים בין העומקים תלמעלה ולמעטה לאורך האורדינאטוm 35עדm seagrassהקרקעית מכוסה ב ם בגלל שבעומקים האלהמתקיימי

בין הטיסות השונות

מקבילים זה לזה קווי הטיסה ור מעל אזור המחקרי טיסה הלוך חזאוסף מידע ע SHOALS חיישןשטחים הממופים בין משימהההמרחק המדויק ביניהם תלוי בתכנון של ביניהם של מאות מטרים במרחק

תבנית של המחקר יעל מנת להבטיח שלא יהיו פערים באזור חפיפה לפחות כמה מטרים נהשיהסמוכים כלומר ישנו טווח משמעותי של כיוון הצפייה לאורך קו Lidar-הבשינוי כיוון הצפייה של הטיסה תלויה

אותה נקודה על פני המים מוצגת מכיוונים שונים הטיסה וכאשר קווי הטיסה חופפים

6-ו 2 1ר אתרי מחק נבחרו שלושה אתרי מחקר לבחון את השפעה של כיווני צפייה מנוגדים על מנתעד מ 25הוא הכי קרוב לחוף עם עומק של 6אתר מחקר מ 7עד מ 3בעומק של נמצא 1אתר מחקר

ללים נתונים נכ עבור כל אתר מחקר מ 45עד מ 26נמצא בין עומקים 2אתר מחקר מ 35למשל כיוון טיסה אחד לכיוון הדרום מהקצוות החופפים בשני קווי טיסה המכוונים לכיוונים מנוגדים

ניתן לראות את תרשים הפיזור וקווים המתאימים ביותר לנתונים האלו וכיוון טיסה שני לכיוון הצפון חול מכילים רק קרקעיות מסוגנבחרו שאזורים ה c-ו a b ndash 12באיור

ndash (c) 2אתר ndash (b) 6אתר ndash (a) טבעי של תיקון לאחזר מקרקעית לעומת עומק המים log ndash (c) 2אתר ndash (b) 6אתר ndash (a) טבעי של תיקון לאחזר מקרקעית לעומת עומק המים logתרשימי הפיזור של 10איורקווים רציפים ומקווקווים מייצגים את הקווים המתאימים ביותר לנתונים מקווי שימוש בנתונים מקווי טיסה מנוגדים 1אתר

בהתאמה )צלבים(כיוון הדרום ול) נקודות(הטיסה לכיוון הצפון

אדום על פי קו המתאים -החזר מקרקעית של סיגנל אינפרה )6אתר מחקר ( 10aכפי שמוצג באיור עומקיםהשל כיוון הטיסה לכיוון הדרום יותר גדול מזה של כיוון הצפון בכל ) best-fit line(ביותר פקט השפעה של מרכוז כפול של פני המיםוא י מים מוגבלת לעומקים רדודיםומקיכולת מדידת עבגלל

נתונים ההם רק אינדיקציה של ההבדלים בין שיפועים של שני קווים המתאימים ביותר הם מפוקפקים הזהשנאספו מטיסה עבור אתר מחקר

קרקעית נאסף מקו טיסה בכיוון דרום ההסיגנל של החזר מ 2תרשים פיזור של אתר מחקר 10bבאיור הנטיות של שני סטים של מידע מתחילים להתמזג יותר גדול מקו טיסה בכיוון הצפוןבאופן ניכר

מ 4-בעומקים יותר גדולים בערך ממציג בבירור ששני נטיות של מידע מתמזגות מעומקים של 1תרשים הפיזור של אתר מחקר 10cבאיור

יכולים מ 4- ו מ 325קים של גידול הערך ווריאציה של סיגנל החזר מקרקעית בעומ מ 7עד מ 3 י אפקט של מרכוז כפוללהיות מוסבר ע

ישנו חשד של אי התאמה בנטייה ש עקב מחסור בידע של כיוון הרוח) 4m-הקטנים מ(בעומקים רדודים

קו המתאים המ תנגזראמה הת- אי סיגנלים המוחזרים מקרקעית מקווי טיסה סמוכים אשר כיוונם מנוגד גיאומטריה של הגלים על פני המים יחסית לכיווןמ תבגלל אסימטריה שנגרמ )best-fit lines(ביותר

משטח גלי יכול לשנות את ההחזר הנראה בהתאם לסימטריה של הגלים וכיוונם של הלידר הסתכלותגלים על פני יכולים לגרום לאסימטריה של וגיאומטריה של מפלס האוקיינוס הרוח וכיוון שניהם חוזק

מיםה

הזה באיור לייזרשל השטח המואר את ה יםקרני אור המציג 10את השבירה של מציגים 11באיור משהם מזה לשני הגלים ישנה אותה גיאומטריה חוץ סכמתי של גל אסימטריהמימוש ה מציגים את

ז כפול של הגלכתוצאה ממרכו אותו גל נמדד מכיוונים מנוגדים יםבאופן אופקי או אקוויוולנטי פוכיםה כפי שראינו עם מרכוז הכפול של גל מקרקעית יהיה מושפע באופן שונה בכל מקרה המוחזרהסיגנל

כאשר עומק המים גדל ההשפעה של אסימטריה של הגלים על פני המים נחלשת

אסימטרי בכיוונים מנוגדיםהשוואות של שבירת קרני אור של אותו מקרה של הכנסת הארה והפצה בעברת גל 11איור

סיכום ומסכנות

שני תיקונים הופעלו על נתוני לידר על מנת לתקן את ההשפעות אשר נגרמו עקב קרקעית ים משופעתתלויים בשיפוע של הקרקעית יחסית לזווית ההסתכלות טודה וגם צורה של הגלים הנקלטים הגם האמפלי

יטיות שהופעלו על צורות הגלים המעוותים שנגרמו על ידי התוצאות של סימולציות אנל של מערכת לידרבצורה כזאת תוקן הסיגנל למצב השיפוע של הקרקעית הביאו למצב של נרמול סיגנל לערך של נדיר

התיקון הזה מבוסס על תוצאות מעבדתיות למברטיני -לא שבו היה פוגע במשטח

סבכים את ההבחנה של סוג הקרקעית המבוססת חוץ מתיקון של השיפוע ישנם עוד מספר גורמים אשר מ היות ומספר מהגורמים האלו רגישים לכיוון של ההתבוננות על האמפליטודה המתוקנת של הגל המוחזר

טיסות שונות בין בדיקהבדיקה במהלך אותה טיסה ו הוחלט על שני מצבים שונים

לבלבולסימטריות של פני המים גרמה וא ההאוריינטצי של המידע במהלך טיסה אחת הריבאמצעות חק)confusion( ומאפיינים גיאולוגיים וזה יכול םבמצב כזה הסיגנל רגיש מאוד לשינוים סביבתיי של הגל

הבעיה הכי אופיינית נקראת להביא לטעויות בקלסיפיקציה של החומרים מהם מורכבת הקרקעיתMixed Pixel ה- footprint חולצהא(הכיל יותר מסוג אחד של הקרקעית ליכול של סיגנל בודד (

כמו כן ישנה בעיה נוספת בלהבחין בין צה צפופהאשגיאה באמפליטודה יכולה להשתנות מחול טהור ועד -אצה צפופה לאצה דלילה הנמצאת על החול כאשר שתי קבוצות האלו תופסות אותו אחוז מהשטח של ה

הערוציים לצורך הערכ-ים המוחזרים מהקרקעיות הם חדשרוב סיגנלזה בא להדגיש footprintדר יליהיו בלתי לאותו ערוץ יםדומ reflectance מאפייני וכל שתי סוגי קרקעיות עם reflectance-של ה

ניתנים לזיהוי

תיאורטית גם אמפליטודת נוכחות גלים בפני השטח מסבכת את הניתוח באמצעות השפעת מרכוז כפולההשפעה מקסימלית אות ההחזר מהקרקעית מוגזמים עקב מרכוז הגלים של)נסוואריא(וגם השתנות

של גלי פני השטח ידומיננטממורכז באופן מרבי על ספקטרום השיפוע שוקעהיורד בעומק בו האור ההשתנות יורדת עם עליית עומק המים ונהיה קבוע בעומק בו האור מפוזר היטב

המוחזרים סיגנליםעל ההשפעה של הגם תפקיד חשוב קים משח על פני המיםאסימטריות של גלים את ההשוואה של הסיגנלים כיםאור ובכך מסב בשקיעתעל ידי שנוי סיגנליםב לעיוות מיםגור הגלים

פחות מודגש בסביבה אפקט אסימטריות בדומה לאפקט מרכוז הכפול י טיסות שונותתשבין המוחזרים הגורמת לאפקט להיות פחות משמעותי במים )strongly scattering environments( בה פיזור גדול

בוציים או בעומקים גדולים

אורך של הגלים והעקמומיות אינם מנתוני הלידר לה להיות מופקלמרות שמידע על גובה גלים ממוצע יכו מרכוזהם בעלי אפקט של גלי זמינים בסקלה אשר משמעותית עבור

ניתן לייצג באמצאות נתוני לידר בצורה נכונה מפה להנ למרות הגורמים המסובכיםידע לגבי חלוקה מרחבית של לא רציפהצפופה וגם אצה דלילהפהאצה רצי של חול

יכול בנוסף לסייע לנהל סביבה טבעית של דגה או להשגיח על סוגי קרקעיות הללו מרחבית של סחופת התפשטות

מקורות

- Chi-Kuei Wang and William DPhilpot 2005 Using airborne bathymetric lidar to detect bottom type variation in shallow waters

- Jennifer L Irish ) W Jeff Lillycrop 1999Scanning laser mapping of the coastal zone the SHOALS system

הקדמה

סיבות למיפוי קרקעית ים

למיפוי של קרקעיות ים שונות הקרובות לחופים יש מספר של יישומים חשובים הכוללים מודלים שונים כגון תנועת סחופת מיפוי וניהול של גידול דגים וניטור שוניות האלמוגים תנועת סחופת מושפעת באופן משמעותי על ידי סוג הקרקעית וחספוס של הקרקעית לדוגמא ביוטה תת-מימית יכולה לשלוט על החספוס באופן הידראולי ובעלת פוטנציאל לגרום להפרעות זמניות של המשקע שיפור בהבנת תכונות של הקרקעיות יביא לשיפור של ניהול אזורים חופיים איתור תכונות של קרקעית כמו חיספוס שיפוע צמחיה וכו מאוד חיוני ויכול לעזור לנסיון לנהל ולסייע למקורות טבעיים פיננסית ואקולוגית

אופן עבודה של מערכת SHOALS

בנתוני המחקר הסריקה התבצעה בעזרת מערכת-SHOALS למערכת זו הפולס לייזר NdYAG יכול להיות משודר על גבי אחד משני אורכי גל אורך גל אחד1064nm (אינפרה אדום) והתדר השני 532nm (ירוק) אם רוחב פולס 6ns ופולס חוזר אם 400Hz מתח מוצא של הלייזר 15mJ ו בהתאמה 5mJ הסיגנל המתקבל מומר למידע דיגטלי וכל המידע על צורת הגל נשמרת בדוגמא של סריקה על ידי מערכת SHOALS שבזמן הטיסה המרכז של הקרן נמצא בזוית נדיר קבוע 20deg קוטר של לייזר footprint נמצא על פני המים תמיד קבוע בדיוק 24m מבלי שום קשר לגובה של המטוס איור 2 מתאר דוגמא על מהלך של light beam העובר דרך המים ומוחזרת מהקרקעית זווית הנדיר מוגדרת כ ndash θ

כאשר PR - הספק המתקבל [watts] PT - הספק משודר [watts] W- שילוב של כל הגורמי המערכת נלקח כקבוע [steradians] ρ - קרינה המוחזרת מהקרקעית (the irradiance reflectance) [steradianminus 1] ksys ndash מקדם הנחתה של מערכת לידר וסוג המים [mminus 1] ו D ndash עומק המים [m] חיובי לכיון מפני השטח הגורם W של המערכת מכיל בתוכו ביטוי (D+H) כאשר H זה הגובה של הטיסה אבל בגלל שלידר תמיד מעל גובה של 200m (Hgt200m) והעומקים של הקרקעיות המדוברים עליהם במאמר הזה תמיד מתיחסים למים רדודים Dlt13m ההשפע של העומק על W זניח להלן נוסחא 1 אחרי שהפעילו עליה ln

אפקט נוסף הדורש תיקון עבור קרקעית ים משופעת הוא מתיחת הפולס האנרגיה המוחזרת מהקרקעית היא פונקציה של הזמן כאשר הפולס מוחזר מפני שטח כך שהוא מאונך לזווית ההתבוננות הפולס יהיה בצורה דחוסה כשמשטח הקרקעית משופע ביחס לזווית הראייה הפולס מוחזר קודם מחלקו המשטח שקרוב ביותר למקור ולאחר מכן מהחלקים הרחוקים מהמקור האנרגיה המוחזרת מפוזרת על טווח זמן ארוך יותר מהאנרגיה המשודרת וההחזר המקסימאלי ליחידת זמן מוקטן בגלל שמשתמשים במקסימום ההחזר כמדידה של הקרקעית האפקט של המתיחה יקטין את הרפלקטנס סימולציה אנליטית הציגה שיפועה של הקרקעית על די מתיחת הפולס (Steinvall and Koppari 1996 and Steinvall et al 1994) במקום לבסס את המדידה על הארגומנטים גיאומטריים במחקר משתשמשים בחיזויים אנליטיים של Steinvall ו Koppari התוצאות של המודלים מוצגים באיור 4 מוצג קשר בין זווית של פולס לידר על הקרקעית (זווית נדיר ) ותיקון של המקדם בגלל שרק התחום מ -deg40- ועד deg40 מדווח משתמשים באומדן מוערך על מנת לקבל מקדמים מחוץ לטווח הזה הקשר הוא
השפעות סביבתיות
במקרה אידיאלי ( כלומר כוח קבוע של דופק הלייזרכאשר אין כוח משיכה של גלים בסקלה של טביעות רגל של Lidar משטח של קרקעית אוקיינוס ובהירות המים קבועה) שינויים באמפליטודה של החזר מהקרקעית יגיעו מההבדל בסוג הקרקעית החלק הזה יתמקד בהשפעות סביבתיות על סיגנל של החזר מקרקעית וסבירות של הבחנת סוגים שונים של קרקעית כאשר אי אפשר להתעלם מהשפעות סביבתיות
השפעת הסביבה יכולה להשתנות בזמן (במשך) הטיסה וגם בין הטיסות השונות במהלך טיסה ישנם השפעות של גלים בפיזור פולסי Lidar כמו ההשתנות אמיתית של קרקעית בין טיסות שונות יש בעיקר עניין של ההבדלים בכיוון ההסתכלות של חיישן SHOALS כל זה כוללים את השפעות הגל ושיפוע הקרקעית
איור 6 מפה מתארת את האתרי מחקר ב-Egmont Keyהנקודות הן נתוני ה- Lidar של העומק החיצים ליד החלק התחתון של התמונה מסמנים את כיווני הטיסה קונטורי העומק יוצרים מפלט של עומקי SHOALS הנתונים מגבול של טיסה הדרומית אתרי מחקר 1 ו2- והנתונים מאתרי מחקר 3 ו-6 משתמשים לצורך בחינה בין הוריאציות שונות של הטיסה
על מנת לנתח השפעות של הגלים נבחרו אתרי מחקר 1 ו- 2 שב- Egmont Key הבחירה של אתרי מחקר אלו נבעה בגלל הרצון לכסות את טווח העומק הכי גדול שאפשר במשך טיסה בודדת הנתונים האלו נבחרו רק מהטיסות שכיוונם מצפון לדרום עלמנת להקטין כל השפעות של שינויים בכיוון ההסתכלות( העניין הזה חשוב עבור חלק של השפעות סוגי קרקעית שיוצג בהמשך) סוג הקרקעית בשני אתרי מחקר הוא בעיקר חול שיפוע הקרקעית באזור הזה פחות מ-deg5 זה מספק מצב כמעט אידיאלי עם מינימום סוגי קרקעיות על מנת לבחון את השפעת הגל על נתוני SHOALS
השפעת גלים
בתרשים פיזור מתוארות תוצאות אחרי תיקוני האמפליטודה של החזרים מהקרקעית מול עומק על ידי הפעלת נוסחה 7 התוצאות מוצגות באיור 7 הציפייה היא שהנתונים עבור כל סוג יתארו קו ישר בשני אתרי מחקר סוג הקרקעית הוא החול מפזר באופן אחיד כמו כן שני גרפים מראים אותה נטייה אבל עם כמות משמעותית של שינויים על הקו שבו מקבלים התאמה הכי טובה מניתוח רגרסיה ליניארית (R2 = 0593 עבור אתר מחקר 1 R2 = 0622 עבור אתר מחקר 2) הסטייה הזו בכיוון y מהקו היא מחוון העיקרי של שינוים בסוג קרקעית חשוב לקחת בחשבון את הטבע של ההשתנות הזאת כאשר סוג הקרקעית קבוע
איור 7 תרשים מתאר log טבעי של פיזור (Scatter plots) החזרים מתוקנים מהקרקעית מול עומק המים (a) אתר מחקר 1 (b) אתר מחקר 2 השתמשו רק בנתוני הטיסה לכיוון הצפון הנקודות (dots) הן נתונים (מידע) של Lidar הריבועים הם הממוצעים של נתוני Lidar במרווח של 05 מ פסי השגיאה מתארים סטיית תקן אחת במרווח של 05 מ
בשני גרפים האלו ניתן לראות שנתונים נקודתיים במים רדודים יותר מפוזרים מאשר במים עמוקים סביר להניח שזה בגלל מרכוז כפול אפקט הנוכחות של גלים על פני המים ועובדה שהם משודרים עי מקלט חד תדרי (מונוסטטי) מירכוז כפול זו תופעה הקשורה לדגם הבוהקות הנראת על קרקעית הבריכה כאשר פני המים אינם לגמרי שקטים זה נובע מהעובדה שברגע שפני המים גליים הקרן הנכנסת לבריכה (או לים) נשברת לפי זווית הפגיעה במים וזווית הפגיעה בגל ואילו הקרן היוצאת חזרה לא תישבר באותה זווית בדיוק
לפחות חלק מההשתנות של ההחזרים מהקרקעית נובעים ישירות מהחזרים מחומרים שונים זה בדיוק האינפורמציה אשר מקווים להשתמש בה במחקר על מנת לתאר אזורים בעלי סוגי קרקעיות שונות במקרה שלנו אזור מחקר 3 אשר נמצא לאורך חוף מזרחי של Egmont Key נבחר בגלל שהוא מכיל שני סוגי קרקעיות שונות חול ואצות האזור הזה נמצא בסמוך לחוף ובעל עומקים מ-08 ועד 43m באזור הזה השיפועה מתון (כפי שניתן לראות על המפה באיור 6)
באורך גל של 532nm האצות באופן ניכר כהות מהחול בעיקר בגלל תכונת הספיגה על ידי סגמנטים פוטוסינטטים גם הרפלקטנס של האצות משתנה יותר מהחול בגלל מספר סיבות
1 צפיפות של האצות קטנהגדולה באופו משמעותי מצפיפות החול
2 הרפלקטנס הנראה תלוי במצע (חול טין וכו)
3 רפלקטנס של האצות יכול להישתנות על ידי כסוי של טינופת מצטברת או על ידי צמחים אחרים (epiphyte)
כפי שדובר בחלק המסביר על המודל אם השוני באמפליטודה של החזרים מהקרקעית ישנם רק בגלל השינוי ברפלקטנס והעומק של המים אז בגרף פיזור כל סוג של קרקעית תסתדר בשורה לאורך קווים מקבילים תרשים פיזור של נתונים מאזור מחקר 3 ומפה לפי קודים הצבעוניים המתאימה של האזור מוצג באיור 8 בהנחה ששינויים בסוג הקרקעית מהווים השפעה דומיננטית באיור 8a מקבץ דגימות הידועות כחול טהור שומשו על מנת לחשב קו ישר תוך שימוש בשיפועה של הקוו הנל תרשים פיזור חולק לשלוש טווחים מקבילים אשר מתאימים לשלושה סוגי קרקעיות שונות בשלב הבא שלושה תחומים האלו קודדו על ידי צבעים והוצגו על המפה באיור 8b פרוצדורה הזאת דורשת ידעה של מידע in-situ המסופקת במקרה שלנו מהקלטה של videotape (במשך הטיסה מקליטים את המצב של הים) המלבן התוחם באיור 8a מראה שדגימות של החול הטהור אשר נקבעו במשימת ה-videotape מוחזרים בצורה טובה למרות העומק הגבולות של שלושת התחומים נבחרו על ידי ניסוי וטעיה על מנת להתאים את התאור של האצה המוצגת במשימת ה- videotape(לא מוצגת כאן) מהשוואה של מפת האצה הנדרשת על ידי FMRI איור 5 משימה videotape והמפה של קידוד צבאים של אזור 3 איור 8 מופיעה שגם רציפות וגם אי רציפות של קרקעית האצית מתוארת בעזרת ערוץ 532nm בודד מנתוני הלידר הדבר נכון גם עבור העומקים יותר גדולים איפשה-video לא יכול להציג את הניגודיות של קרקעית
איור 8
המבנה הפרטני של אי רציפות של האצה ndash לא תואר במפת FRMI ndash זה כן תואר במפת קידוד צבאים באזור 3 בתרשים פיזור ובמפת קידוד צבאים כחול מתייחס לאצה כהה ואדום לאצה בהירה אזורים עם האצה הכהה מתאימים טוב לאזורים אם האצה רציפה אזורים עם אצה בהירה מתאימים טוב לאזורים אם האצה האי-רצפה איור 5
התנהגות של תרשים פיזור המוצג באיור 8 ניתן להסביר בעזרת השימוש בקונספט של mixed sample הקרקע המוארת על ידי פולס לידר בודד מציגה דגימה אחת האצות בדרך כלל לא הומוגניות באופן מקומי עפילו במקומות הכי צפופים בדרך כלל ניתן לראות את המצע(substrate) כאשר מתבוננים דרך אצות לכן הנקודת המוארות תמיד יכילו שני חומרים חול ואצות כאשר העומק גדל פחות אור השמש מגיע לקרקעית מה שגורם לצפיפות נמוכה יותר של האצה הרפלקטנס הנראה של פיקסלים של האצות יגדל עם החול נמצא בתוך הפיקסל והיחס של שני החומרים (האצה והחול) בתוך הפקסל יקבע את הרפלקטנס של ה-seagrass המודל הזה דורש שהרפלקטנס של ה-seagrass יהיה זהה עבור שלבי חיים שונים בעומקים שונים דוח של ניסוי יתנהל בסמוך ל-Mullet Key Florida עם אצות מטיפוס Hwrightii סוג עקרי של האצות ב ndash Egmont Key הוביל לשתי מסקנות
1 הקלורופיל מיוצר באזור ירוק של ה-seagrass לא משתנה עם תנאי האור אשר מרמז שרפלקטנס של ה-seagrass לא ישתנה עם העומק
2 הביומסה הירוקה מתואמת באופן חיובי עם שקיעת ה-irradiance אשר מרמז שיותר אור יכול לתמוך ביותר ביומסה ירוקה
הביומסה הירוקה מתואמת באופן חיובי עם שקיעת ה-irradiance אשר מרמז שיותר אור יכול לתמוך ביותר ביומסה ירוקה בגלל שהמיקום של המחקר כ-15km בתוך Egmont Key הבדלים גנטייםביולוגיים מוקטנים בגלל ההפרדה הגיאוגראפית לכן הנחה שכלורופיל המיוצר ב-Egmont Key לא משתנה בגלל העומק או במשך החיים נכונה למרות זאת זה משאיר מקום למקור של טעויות לא רשומות
חיישן SHOALS אוסף מידע עי טיסה הלוך חזור מעל אזור המחקר קווי הטיסה מקבילים זה לזה במרחק של מאות מטרים ביניהם המרחק המדויק ביניהם תלוי בתכנון של המשימה בין שטחים הממופים הסמוכים ישנה חפיפה לפחות כמה מטרים על מנת להבטיח שלא יהיו פערים באזורי המחקר תבנית של הטיסה תלויה בשינוי כיוון הצפייה של ה-Lidar כלומר ישנו טווח משמעותי של כיוון הצפייה לאורך קו הטיסה וכאשר קווי הטיסה חופפים אותה נקודה על פני המים מוצגת מכיוונים שונים
על מנת לבחון את השפעה של כיווני צפייה מנוגדים נבחרו שלושה אתרי מחקר אתרי מחקר 1 2 ו-6 אתר מחקר 1 נמצא בעומק של 3 מ עד 7 מ אתר מחקר 6 הוא הכי קרוב לחוף עם עומק של 25 מ עד 35 מ אתר מחקר 2 נמצא בין עומקים 26 מ עד 45 מ עבור כל אתר מחקר נתונים נכללים מהקצוות החופפים בשני קווי טיסה המכוונים לכיוונים מנוגדים למשל כיוון טיסה אחד לכיוון הדרום וכיוון טיסה שני לכיוון הצפון ניתן לראות את תרשים הפיזור וקווים המתאימים ביותר לנתונים האלו באיור 12 ndash a b ו-c האזורים שנבחרו מכילים רק קרקעיות מסוג חול
איור10 תרשימי הפיזור של log טבעי של תיקון לאחזר מקרקעית לעומת עומק המים (a) ndash אתר 6 (b) ndash אתר 2 (c) ndash אתר 1 שימוש בנתונים מקווי טיסה מנוגדים קווים רציפים ומקווקווים מייצגים את הקווים המתאימים ביותר לנתונים מקווי הטיסה לכיוון הצפון (נקודות) ולכיוון הדרום (צלבים) בהתאמה
כפי שמוצג באיור 10a (אתר מחקר 6) החזר מקרקעית של סיגנל אינפרה-אדום על פי קו המתאים ביותר (best-fit line) של כיוון הטיסה לכיוון הדרום יותר גדול מזה של כיוון הצפון בכל העומקים בגלל יכולת מדידת עומקי מים מוגבלת לעומקים רדודים ואפקט השפעה של מרכוז כפול של פני המים שיפועים של שני קווים המתאימים ביותר הם מפוקפקים הם רק אינדיקציה של ההבדלים בין הנתונים שנאספו מטיסה עבור אתר מחקר הזה
באיור 10b תרשים פיזור של אתר מחקר 2 הסיגנל של החזר מהקרקעית נאסף מקו טיסה בכיוון דרום באופן ניכר יותר גדול מקו טיסה בכיוון הצפון הנטיות של שני סטים של מידע מתחילים להתמזג בעומקים יותר גדולים בערך מ-4 מ
באיור 10c תרשים הפיזור של אתר מחקר 1 מציג בבירור ששני נטיות של מידע מתמזגות מעומקים של 3 מ עד 7 מ גידול הערך ווריאציה של סיגנל החזר מקרקעית בעומקים של 325 מ ו-4 מ יכולים להיות מוסבר עי אפקט של מרכוז כפול
בעומקים רדודים (הקטנים מ-4m) עקב מחסור בידע של כיוון הרוח ישנו חשד של אי התאמה בנטייה ש סיגנלים המוחזרים מקרקעית מקווי טיסה סמוכים אשר כיוונם מנוגד אי-התאמה נגזרת מהקו המתאים ביותר (best-fit lines) בגלל אסימטריה שנגרמת מגיאומטריה של הגלים על פני המים יחסית לכיוון הסתכלות של הלידר משטח גלי יכול לשנות את ההחזר הנראה בהתאם לסימטריה של הגלים וכיוונם שניהם חוזק וכיוון הרוח וגיאומטריה של מפלס האוקיינוס יכולים לגרום לאסימטריה של גלים על פני המים
באיור 11 מציגים את השבירה של 10 קרני אור המציגים את השטח המואר של הלייזר באיור הזה מציגים את המימוש הסכמתי של גל אסימטרי לשני הגלים ישנה אותה גיאומטריה חוץ מזה משהם הפוכים באופן אופקי או אקוויוולנטיים אותו גל נמדד מכיוונים מנוגדים כתוצאה ממרכוז כפול של הגל הסיגנל המוחזר מקרקעית יהיה מושפע באופן שונה בכל מקרה כפי שראינו עם מרכוז הכפול של גל כאשר עומק המים גדל ההשפעה של אסימטריה של הגלים על פני המים נחלשת
שני תיקונים הופעלו על נתוני לידר על מנת לתקן את ההשפעות אשר נגרמו עקב קרקעית ים משופעת גם האמפליטודה וגם צורה של הגלים הנקלטים התלויים בשיפוע של הקרקעית יחסית לזווית ההסתכלות של מערכת לידר התוצאות של סימולציות אנליטיות שהופעלו על צורות הגלים המעוותים שנגרמו על ידי השיפוע של הקרקעית הביאו למצב של נרמול סיגנל לערך של נדיר בצורה כזאת תוקן הסיגנל למצב שבו היה פוגע במשטח לא - למברטיני התיקון הזה מבוסס על תוצאות מעבדתיות
חוץ מתיקון של השיפוע ישנם עוד מספר גורמים אשר מסבכים את ההבחנה של סוג הקרקעית המבוססת על האמפליטודה המתוקנת של הגל המוחזר היות ומספר מהגורמים האלו רגישים לכיוון של ההתבוננות הוחלט על שני מצבים שונים בדיקה במהלך אותה טיסה ובדיקה בין טיסות שונות
באמצעות חקירה של המידע במהלך טיסה אחת האוריינטציה ואסימטריות של פני המים גרמה לבלבול (confusion) של הגל במצב כזה הסיגנל רגיש מאוד לשינוים סביבתיים ומאפיינים גיאולוגיים וזה יכול להביא לטעויות בקלסיפיקציה של החומרים מהם מורכבת הקרקעית הבעיה הכי אופיינית נקראת Mixed Pixel ה- footprint של סיגנל בודד יכול להכיל יותר מסוג אחד של הקרקעית (אצהחול) שגיאה באמפליטודה יכולה להשתנות מחול טהור ועד אצה צפופה כמו כן ישנה בעיה נוספת בלהבחין בין אצה צפופה לאצה דלילה הנמצאת על החול כאשר שתי קבוצות האלו תופסות אותו אחוז מהשטח של ה-לידר footprint זה בא להדגיש שרוב סיגנלים המוחזרים מהקרקעיות הם חד-ערוציים לצורך הערכה של ה-reflectance וכל שתי סוגי קרקעיות עם מאפייני reflectance דומים לאותו ערוץ יהיו בלתי ניתנים לזיהוי