Seit jeher ist die Kenntnis der Tiefe der Küstengewässer der Schlüssel für eine sichere und erfolgreiche Navigation und die Nutzung der Meeresressourcen. Heutzutage ist die Bathymetrie – die Messung der Meerestiefe – noch wichtiger und spielt eine wesentliche Rolle für unser Verständnis der Meeresumwelt und der Entwicklung großer Meeresstrukturen.
Mit der Entwicklung schiffsgestützter Echolote zu Beginn des 20. Jahrhunderts kam es bei bathymetrischen Vermessungen zu enormen Verbesserungen sowohl hinsichtlich der Genauigkeit als auch der Benutzerfreundlichkeit. Allerdings gibt es auch mit modernen Echoloten noch viele Hürden bei der Durchführung vonbathymetrischen Vermessungen zu überwinden. Dazu gehören hohe Kosten, unvorhersehbares Wetter, hoher Schiffsverkehr und potenzielle geografische oder diplomatische Probleme, um nur einige zu nennen.
Um diese Probleme anzugehen, haben Wissenschaftler auf der ganzen Welt Techniken der satellitengestützten Bathymetrie (SDB) entwickelt, die die Wassertiefe anhand multispektraler Satellitenbilder schätzen. Diese Methoden können manchmal genaue Ergebnisse liefern, insbesondere für Tiefen bis zu 20 Metern.
Leider wurden die meisten SDB-Modelle anhand von Daten aus Küstenregionen mit klarem Wasser und einer gleichmäßigen Verteilung der Meeresbodensedimente entwickelt. Da Licht je nach Wassertrübung und Zusammensetzung des Meeresbodens unterschiedlich reflektiert wird, hat sich die Entwicklung von SBD-Modellen mit gleichbleibender Leistung in verschiedenen Küstenumgebungen als Herausforderung erwiesen.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forschungsteam aus Korea ein neues SDB-Modell entwickelt, das maschinelles Lernen nutzt, um Licht auf die verschiedenen Faktoren zu werfen, die die Genauigkeit beeinträchtigen können, und so den Weg für mögliche Lösungen zu ebnen. Ihre neueste Studie, an der Dr. Tae-ho Kim von Underwater Survey Technology 21 (UST21) beteiligt war, lautet veröffentlicht im Zeitschrift für angewandte Fernerkundung.
Eines der Hauptziele dieser Studie bestand darin, zu analysieren, wie sich die einzigartigen Merkmale jeder Region auf das in verschiedenen Küstenregionen trainierte Modell auswirken würden. Zu diesem Zweck wählten sie drei Gebiete rund um die koreanische Halbinsel aus: Samcheok, das sich durch sein klares Wasser auszeichnet; Cheonsuman, bekannt für sein trübes Wasser; und Hallim, wo der Meeresboden verschiedene Arten von Sedimenten enthält.
Das Team erhielt multispektrale Satellitendaten dieser Regionen aus den Sentinel-2A/B-Missionen, die offen von der Europäischen Weltraumorganisation bereitgestellt wurden, und wählte mehrere Bilder dieser Gebiete zu unterschiedlichen Zeitpunkten bei klarem Himmel aus. Um das SDB-Modell anhand dieser Daten zu trainieren, erwarben sie außerdem von Echoloten abgeleitete Seekarten von der Korea Hydrographic and Oceanographic Agency (KHOA); Diese Diagramme wurden als Grundwahrheit verwendet.
Das SDB-Modell selbst basierte auf einem gut etablierten theoretischen Rahmen, der verknüpft, wie von der Sonne kommendes Licht von der Atmosphäre, dem Meer und dem Meeresboden reflektiert wird, bevor es einen Satelliten erreicht. Für den maschinellen Lernteil des Modells verwendete das Team einen Random-Forest-Algorithmus, da er sich bei der Verarbeitung großer Datenmengen an mehrere Variablen und Parameter anpassen kann.
Beim Training und Testen regionalspezifischer Instanzen des SDB-Modells stellten die Forscher fest, dass die Genauigkeit für Samcheok im Allgemeinen akzeptabel war, mit einem quadratischen Mittelfehler von etwa 2,6 Metern. Im Gegensatz dazu war die Genauigkeit sowohl bei Cheonsuman als auch bei Hallim deutlich geringer, da satellitengestützte Tiefenvorhersagen erheblich von KHOA-Messungen abwichen.
Um diese Diskrepanzen besser zu verstehen, versuchten die Forscher zunächst, die Vorhersagen zu korrigieren, indem sie einen Trübungsindex in die Berechnungen einbezog. Dies verbesserte die Ergebnisse vor allem für Cheonsuman. Um die Fehlerquellen weiter zu untersuchen, erfasste das Team anschließend hochauflösende Satellitenbilder der WorldView-3-Mission sowie Fotos vor Ort. Analysen ergaben, dass die Reflexionseigenschaften der Meeresbodensedimente einen großen Einfluss auf die Tiefenschätzungen hatten, wobei dunkel gefärbter Basalt zu einer konsequenten Überschätzung führte.
„Wenn wir in Zukunft zusätzliche räumliche Daten zum Meeresboden in den Trainingsdatensatz integrieren, erwarten wir eine Verbesserung der Modellleistung“, sagte Dr. Kim. „Eine Sedimentverteilungskarte, die aus hyperspektraler Luftbildgebung erstellt wird, soll im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojekts bereitgestellt werden.“
Abschließend testeten die Forscher dann die Generalisierungsfähigkeit ihres Ansatzes, indem sie regionalspezifische SDB-Modelle auf andere Küstengebiete mit ähnlichen Merkmalen anwendeten.
„Im Gegensatz zu früheren Studien, in denen SDB-Modellergebnisse nur für Gewässer mit hoher Transparenz präsentiert wurden, haben wir individuelle SDB-Modelle entwickelt, die auf Gewässer mit unterschiedlichen Eigenschaften angewendet werden können, und Methoden vorgeschlagen, um verbesserte Ergebnisse zu erzielen“, sagte Dr. Kim.
Mit etwas Glück werden diese Bemühungen zu Verbesserungen der SDB-Technologie führen und den Weg für eine bequemere Küstentiefenkartierung ebnen.
Zufrieden mit den Ergebnissen kommt Dr. Kim zu dem Schluss: „Letztendlich werden die SDB-Ergebnisse als Tiefenüberwachungsdaten verwendet, um die sichere Schiffspassage in Küstengebieten zu erleichtern, sowie als Eingabedaten für numerische Ozeanmodelle, die zu verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen beitragen.“
Mehr Informationen:
Jae-yeop Kwon et al., Schätzung der flachen Bathymetrie mithilfe von Sentinel-2-Satellitendaten und zufälligem maschinellem Waldlernen: eine Fallstudie für die Küstenmeere Cheonsuman, Hallim und Samcheok, Zeitschrift für angewandte Fernerkundung (2024). DOI: 10.1117/1.JRS.18.014522