Using images obtained from UAVs to construct a DEM of riverbed territories with complex hydromorphological characteristics

Abstract

Метою роботи є дослідження точності побудови ЦМР прируслових територій із використанням матеріалів БПЛА. Одним із важливих питань гідрологічного моделювання затоплень є високоточне створення ЦМР. За складного типу рельєфу, який пов’язаний із меандруванням русла річки, запропоновано для створення ЦМР використовувати знімання з БПЛА. Гідрологічне моделювання передбачає такі основні етапи: створення високоточних ЦМР, визначення коефіцієнтів Маннінга з метою врахування впливу підстильної поверхні та визначення змін рівня води на підставі графу, отриманого із спостережень на гідрометеорологічних пунктах. В цьому дослідженні подано побудову високоточної ЦМР на підставі знімання з БПЛА. Для високоточної побудови моделі принциповим питанням є врахування рослинності в приберегових ділянках і вибір оптимального часового періоду знімання. Завдання дослідження полягає в опрацюванні методики побудови високоточної ЦМР за матеріалами, отриманими з БПЛА, дослідження можливостей усунення впливу рослинності на позначки точок з використанням програмних методів, визначенні планових зміщень русла та порівнянні точності побудови ЦМР за зніманнями, проведеними у червні 2017 року та у листопаді 2021 року. Об’єктом досліджень слугувала ділянка при переході від гірської до болотисто-горбистої частини річки Дністер поблизу міста Старий Самбір, із складними морфометричними та гідрологічними характеристиками русла та берегів в місці складного меандрування річки в перетятій ярами місцевості. Результати: встановлено, що за 4 роки між двома зніманнями планові зміщення деяких точок становлять до 25–31 метрів. Здійснено апріорну оцінку визначення координат за точками з ГНСС-приймача, точність визначення координат точок якого становить 2–3 см. Апріорна оцінка точності визначення координат точок за вхідними даними знімання становить: для планових координат – 4–6 см для двох періодів знімання, похибка визначення позначок точок для різних значень базису – 21–31 см. Встановлено, що програмні методи врахування впливу високої рослинності не дають можливості повного її врахування, середня квадратична помилка, у місцях такої рослинності становить 0,64 м. Тому, знімання з БПЛА необхідно проводити в безлистяний період року, ранньою весною або пізно восени. Наукова новизна полягає у дослідженні можливостей побудови високоточної ЦМР для різного типу рослинності за матеріалами, отриманими з БПЛА. Результати можуть бути використані для гідрологічного моделювання русел рік із складними гідроморфологічними характеристиками.

The aim of the work is to investigate the accuracy of the DEM of nearshore areas using UAV material. One of the important issues in hydrological flood modelling is the high accuracy of the DEM. In the case of a complex relief type, which is associated with meandering riverbeds, it is proposed to use UAV surveys to create a DEM. Hydrological modelling involves the following main steps: creation of high precision DEMs, determination of Manning coefficients to account for the influence of the underlying surface and determination of water level changes based on the water level graph derived from observations at hydrometeorological stations. This research presents the construction of a highprecision DEM, based on a UAV survey. For high-precision modeling, the fundamental issue is the consideration of vegetation in the nearshore areas and the choice of the optimal time period for the survey. The aim of the study is to develop a methodology for the construction of a high-precision DEM from UAV data, investigate the possibilities of eliminating the influence of vegetation on point marks using software methods, determine planned channel shifts and compare the accuracy of DEM construction for surveys conducted in June 2017 and in November 2021. The section at the transition from the mountainous to marshy-hilly part of the Dniester River near the town of Stary Sambir, with complex morphometric and hydrological characteristics of the channel and banks at the site of the complex meandering of the river in a rugged ravine area was the study object of this work. Results. It was found that for 4 years between two surveys, the planned displacements of some points are up to 25–31 meters. A priori estimation of coordinates determination by points from the GNSS-receiver was carried out, the accuracy of point coordinates determination is 2-3 cm. The a priori estimate of the accuracy of determining the coordinates of points from the input survey data is: for plan coordinates – 4–6 cm for two survey periods, the error in determining the marks of points for different values of the baseline – 21–31 cm. It has been established, that the program methods of accounting of influence of high vegetation do not give the possibility of its full accounting, the average square error, in places of such vegetation makes 0.64 m. Therefore, it is necessary to carry out UAV survey in the leafless period of the year, early spring or late autumn. Scientific novelty consists in the study of the possibility of constructing a high-precision DEM for different types of vegetation from materials obtained from UAVs. The results can be used for hydrological modeling of river channels with complex hydromorphological characteristics.