Методика мониторинга береговой эрозии (спутниковые снимки разного разрешения + полевые измерения) — кратко, с ключевыми шагами, формулами и ограничениями.
1) Цели и выбор показателя
- Выделить критерий «линия берега» (планшетная линия воды, граница песок/вегетация, основание обрыва) — он должен быть однозначно детектируем для выбранных данных.
- Оценка темпов: среднегодовая скорость $v=\Delta x/\Delta t$.
2) Источники данных (рекомендуемые разрешения и частота)
- Very-high-resolution (VHR) оптика: WorldView/GeoEye: разрешение $R\approx 0.3\text{–}0.5$ м, задачная съёмка (нерегулярно).
- Коммерческие констелляции: PlanetScope: $R\approx 3$ м, частота ~$1$ день.
- Открытые оптические: Sentinel-2: $R=10$ м (визуал/NIR), частота ~$5$ дней (две платформы).
- Открытые оптики: Landsat: $R=30$ м, частота ~$16$ дней.
- SAR: Sentinel-1 (C‑band): эффективное пространственное разрешение $5\text{–}20$ м, частота $6\text{–}12$ дней; полезен при облачности и зимой.
- UAV/Фотограмметрия: $R<0.1$ м — для верификации и мелкомасштабных участков.
- Полевая инструментация: RTK‑GNSS (точность $<0.05$ м), нивелиры, прибрежные датчики приливов/волны.
3) Предобработка
- Орторектификация, геопривязка к единому ГК (консистентно для всех снимков).
- Атмосферная коррекция (оптика), фильтрация шлейфов/шумов (SAR — спекл‑фильтрация).
- Приведение всех наблюдений к единой приливной базе: привязка к среднему уровню прилива или к локальному морскому реперу (обязательный шаг).
4) Извлечение линии берега
- Методы: классификация (NDWI/фичи), пороговая сегментация, под‑пиксельная интерполяция краёв, детектирование границ.
- Для разных разрешений:
- $R\le 1$ м: можно применять под‑пиксельные методы и детектирование пляжной кромки.
- $R=3\text{–}10$ м: ориентироваться на четкие индикаторы (вегетационная линия, контраст вода/песок).
- $R\ge 30$ м: годовой мониторинг лишь крупных изменений.
5) Изменение и оценка скорости
- Для серии линий берега $x(t)$ рассчитывают скорость:
$$v=\frac{x(t_2)-x(t_1)}{t_2-t_1}.$$ - Для множественных снимков используется метод берговых профилей / DSAS (transects): строятся профильные линии с постоянными азимутами, по ним вычисляют статистики изменений (EPR, linear regression).
- Неопределённость скорости:
$${\sigma }_v=\frac{\sqrt{{\sigma }_{x1}^2+{\sigma }_{x2}^2}}{\Delta t},$$ где ${\sigma }_x$ — погрешность положения линии для соответствующего изображения.
6) Предел обнаружения (минимальное различимое смещение)
- Оценка:
$${\Delta }_{\min }\approx 0.5\cdot R+E_{geo}+E_{tide},$$ где $R$ — размер пикселя, $E_{geo}$ — геопривязочная ошибка, $E_{tide}$ — остаточная ошибка после приливной коррекции.
- Практически:
- при $R=0.5$ м и $E_{geo}\approx 0.5$ м: ${\Delta }_{\min }\approx 0.75$ м;
- при $R=3$ м и $E_{geo}\approx 1$ м: ${\Delta }_{\min }\approx 2.5$ м;
- при $R=10$ м и $E_{geo}\approx 5$ м: ${\Delta }_{\min }\approx 10$ м.
- Вывод: для обнаружения годовой эрозии $\le 1$ м требуется VHR или UAV; для $1\text{–}5$ м — Planet/сентинел с хорошей геокоррекцией; для крупных изменений $>10$ м достаточно Landsat.
7) Частота съёмок и сезонность (рекомендации)
- Базовый мониторинг (тренд): сезонно, $4$ раза в год (четыри сезона).
- Повышенный мониторинг: ежемесячно ($1$ раз/месяц) для динамичных пляжей.
- Интенсивный/штормовой мониторинг: после значимых штормов — первая доступная съёмка в течение $24\text{–}72$ часов; при возможности использовать SAR (облачность).
- Учитывать сезонность волн, ледового покрова и турбулентности осадков: лучшее время для съёмки — низкие приливы и спокойная погода (чтобы отделить приливной эффект).
- Примеры спутниковых частот:
- Sentinel‑2: ~$5$ дней (с обеих платформ) — хорош для сезонного/ежемесячного мониторинга.
- Planet: ежедневно — для детектирования быстрых событий.
- Sentinel‑1 (SAR): $6\text{–}12$ дней — ключевой при плохой погоде.
8) Полевые измерения (обязательные для калибровки и валидации)
- RTK‑GNSS трансекты: профиль каждые $20\text{–}500$ м (рекомендации: для высокоразнообраз. берегов $20\text{–}50$ м; для длинных однотипных пляжей $100\text{–}500$ м).
- Пляжные профили (высота/ширина) — ежемесячно/после штормов.
- Приливная станция/датчик уровня моря для корректировки линий к единому уровню.
- Сбор образцов осадка (зернистость) — сезонно.
- Фотопривязка и UAV для локальной верификации.
9) Оценка ошибок и верификация
- Верифицировать извлечённые линии с полевыми RTK точками: средняя погрешность $RMS{E}_x$.
- Использовать бутстрэп/Monte‑Carlo для оценки неопределённости трендов с учётом ${\Delta }_{\min }$ и временной частоты.
- В отчётах указывать доверительный интервал скорости (например, $95\%$).
10) Практические ограничения и рекомендации
- Облачность и прилив — главные ограничения оптики; используйте SAR при плохих условиях.
- Геопривязка должна быть консистентной между датами (одна и та же ЦТМ/ГК).
- Для целей адаптации: комбинируйте частые среднеразреш. (Planet/Sentinel) для событий и редкие VHR для точной оценки ситуативных изменений.
- Для детекции мелкой эрозии ($<1$ м/год) — обязательны VHR/UAV + регулярные RTK-серии; для долгосрочных трендов $>5$ м/год — достаточно Sentinel/Landsat при хорошей синхронизации приливов.
Краткая формула для подбора разрешения по требуемой минимальной детекции ${\Delta }^{\ast }$:
$$R\le 2({\Delta }^{\ast }-E_{geo}-E_{tide}).$$