Hodnocení přesnosti sonaru Deeper CHIRP+ pro batymetrické mapování

Cílem bakalářské práce je otestovat levné sonarové zařízení Deeper CHIRP+ pro batymetrické mapování na tekoucích a stojatých plochách různého druhu. Toto testování proběhne ve třech případových studiích, jejichž výsledkem budou profily nebo 3D modely dna. Tyto případové studie ověří vliv použití různých paprsků sonaru na jeho přesnost a jeho přesnost bude srovnána s geodetickým měřením, které bude bráno jako referenční.

Jedna případová studie bude zaměřena na použití sonaru na tekoucí vodní ploše (řece), kde bude naměřen její příčný a podélný profil v části jejího toku. Sonarové měření zde bude srovnáno s měřením totální stanicí.

Další případová studie se zaměří na vodní plochu s co nejvíce klidnou hladinou, kde bude autorem práce přímo z vody opět naměřeno několik profilů a zároveň alespoň část vodní plochy bude zmapována plošně. Zde použitá geodetická metoda ke srovnání bude přesná poloha získaná GNSS přijímačem, konkrétně metodou RTK GPS.

Ve třetí případové studii se z lodi, ale opět na klidné hladině vodní plochy, provede porovnání mezi všemi třemi paprsky sonaru, bude zjištěno, nakolik a zda významně se liší změřená hloubka podle toho, jakým paprskem byla změřena a hodnoty kterého paprsku nejvíce kolísají v průběhu měření daným paprskem.

Výsledky práce umožní získat povědomí o tom, nakolik sonar z levnější cenové kategorie, který není primárně určen pro přesná batymetrická mapování, obstojí před různými variantami tohoto úkolu. Pokud bude jeho přesnost uspokojivá, dal by se využívat jako relativně levná, jednoduchá a rychlá alternativa k profesionálním řešením při zjišťování hloubek vodních útvarů – ať už tekoucích či stojatých.

Použité metody

Na počátku řešení proběhla rešerše současného stavu problematiky. Po navržení případových studií byla jedna po druhé provedena. Byla pořízena sonarová data a ve většině případů k nim i data geodetická, která sloužila jako referenční. Zde tedy byly použity metody měření s danými přístroji (viz dále) – zaznamenávání hloubky sonarem, určování polohy totální stanicí a metoda RTK GPS pro určení polohy GNSS přijímačem. Na pořízená data byly aplikovány metody zpracování dat vedoucí k možnosti porovnání sonarových dat s referenčními. Většina výstupů je ve formě grafů zobrazujících určitým způsobem hloubku. Vyhodnocení přesnosti je na základě různých statistických ukazatelů či testů hypotéz. Například byla použita metoda analýzy rozptylu, což je statistický test, kterým bylo ověřováno, jestli se významně liší měření různými paprsky použitého sonaru. Při vytváření výsledných map z plošného mapování byla několikrát použita metoda interpolace reliéfu, dále rastrová kalkulačka pro odečítání povrchů od sebe, čímž byly získány výsledné rozdílové rastry.

Použitá data a přístroje

Všechna data, se kterými bylo v práci operováno, jsou daty primárními, tedy všechna byla pořízena autorem přímo pro tuto práci.

• Sonarová data
• Geodetická (referenční) data

Dále byla využita doplňková data pro náhledové mapy:

• ČÚZK: Základní mapa České republiky
• ARCDATA PRAHA, ZÚ, ČSÚ: ArcČR® 500 verze 3.3

Přístroje:

• sonar Deeper Smart Sonar CHIRP+
• totální stanice Trimble S3 Robotic
• GNSS přijímač Trimble R4 GNSS System

Použité programy

• Fish Deeper – mobilní aplikace pro veškeré nastavení, správu a ovládání měření sonaru
• Trimble Access – programové vybavení od společnosti Trimble pro měření použitou totální stanicí i GNSS přijímačem
• Microsoft Excel – tabulkový procesor, použit ke zpracování dat
• ArcGIS Pro – geografický informační systém, využit především pro zpracování plošného mapování, částečně i pro zpracování sonarových dat či k tvorbě náhledových map

Postup zpracování

Postup zpracování je znázorněn na následujícím obrázku:

Výsledkem práce jsou výstupy z měření v jednotlivých případových studiích. Podle toho, v jakých podmínkách byl daný sonar testován, takovou mají povahu i výsledky – bylo zjištěno, jaká je přesnost a zda je dostačující v různých podmínkách a různých parametrech použití.

Případová studie řeka Morava

Rozdíl v naměřené hloubce byl ve srovnání s referenční geodetickou metodou (totální stanicí) natolik malý, že i po ověření t-testem na shodnost středních hodnot bylo konstatováno, že přesnost sonaru v těchto podmínkách je dostačující.
V případě příčného profilu byla sice nulová hypotéza zamítnuta, ale po posouzení nízké hodnoty ukazatele RMSE a na základě malého množství dat bylo rozhodnuto, že i příčný profil byl sonarem zaměřen dostatečně přesně.

Případová studie Opatovický a Velký písník I

Příčné profily

Zaměření profilů úzkým a středním paprskem

Srovnání profilu naměřeného úzkým paprskem s RTK GPS pomocí párového t-testu (ale i prostý pohled na průběh grafu profilu) jasně potvrzuje, že v této situaci byl úzký paprsek sonaru velmi přesný.
Oproti tomu hloubky naměřené středním paprskem dosahovaly ve srovnání s referenčním měřením již na první pohled na graf průběhu profilu takových odchylek, že v daných podmínkách byla přesnost tohoto měření hodnocena jako nedostatečná. Tento závěr potvrdil opět i párový t-test.

Opakované zaměření jednoho profilu úzkým paprskem

U obou zaměření dalšího příčného profilu úzkým paprskem byla sice nejdříve párovým t-testem zamítnuta hypotéza o shodnosti středních hodnot výběrů (hloubky ze sonaru z GPS), ale přesto na základě posouzení ukazatele RMSE a velmi malého průměrného rozdílu hloubek z obou metod měření bylo rozhodnuto, že onen rozdíl je natolik malý, že jej v daných podmínkách lze akceptovat a měření hodnotit jako dostatečně přesné.

Porovnání sonarových měření z opakovaného profilu

Při srovnávání samotných sonarových měření mezi sebou z totožných profilů bylo dosaženo uspokojivého výsledku, který potvrdil, že se dvě sonarová měření ve stejných podmínkách od sebe neliší. Toto bylo potvrzeno oboustranným nepárovým t-testem. Mimo jiné i křivky v grafu obou sonarových měření se takřka shodují.

Plošné mapování

Rozdílový rastr je mapa, v níž lze sledovat, jak velké odchylky mezi sonarovým měřením a referenčním GPS měřením v zájmové oblasti nastávaly. Zatímco u úzkého paprsku se výsledná odchylka pohybovala mezi -11 a +10 cm (záporná hodnota znamená, že v daném místě sonar naměřil menší hloubku než GPS a opačně v případě kladné hodnoty odchylky), u středního se nacházela pouze v kladných hodnotách – +2 až +24 cm. Na základě těchto maximálních odchylek bylo usouzeno, že měření úzkým paprskem sonaru je díky menší odchylce (a ještě téměř stejné na obě strany) přesnější než měřením středním paprskem, jehož maximální odchylka je více než dvakrát větší, a dokonce v celé zájmové oblasti naměřil střední paprsek větší hloubku než referenční GPS – nebylo jediné místo, kde by si hloubky z obou přístrojů odpovídaly.

Případová studie Velký písník II

Zprůměrované naměřené hloubky [m] v bodech v tabulce a grafu. Tabulka obsahuje rovněž hodnoty rozptylu a směrodatné odchylky, ale vždy ze všech měření, nikoli pouze z těchto tabelovaných průměrů. Graf názorně zobrazuje, že až na dvě těsné výjimky – bod 4 a 5 – je ve všech bodech největší hloubka změřena středním paprskem.

Dále byl pro každý bod zpracován graf rozkolísanosti všech paprsků při měření vyjadřující jak intenzivně a v jakém rozsahu se měnila měřená hodnota jednotlivými paprsky v průběhu cca 30 sekund měření. Zde byly vybrány grafy rozkolísanosti pro dva body, v nichž mělo měření podle výše uvedené tabulky největší – bod č. 2 – a nejmenší – bod č. 4 – rozptyl. Grafy rozkolísanosti pro všechny body jsou uvedeny v přílohách práce. Z pohledu na všechny grafy rozkolísanosti vyplývá, že ve většině případů nejméně rozkolísaným paprskem byl široký paprsek, a naopak nejvíce rozkolísaným byl střední paprsek sonaru.

Na závěr byla vypracována analýza rozptylu (angl. ANOVA), jejíž nulová hypotéza předpokládala, že výběry tvořené zprůměrovanými měřeními v jednotlivých bodech za každý paprsek mají stejné střední hodnoty a rozptyly (jeden výběr odpovídá jednomu sloupci (jednomu paprsku) v tabulce průměrných hodnot) – tedy že se hloubky naměřené různými paprsky ve všech bodech významně neliší. Tato hypotéza byla po výsledku analýzy rozptylu přijata, čímž bylo potvrzeno, že za těchto podmínek není na dané hladině významnosti rozdíl mezi měřeními různými paprsky signifikantní.

Hlavním cílem bakalářské práce bylo zhodnotit přesnost sonaru Deeper Smart Sonar CHIRP+ pro batymetrické mapování za použití různých nastavení (různých paprsků sonaru) a v různých podmínkách – na tekoucích i klidných vodách.

Za tímto účelem byly vypracovány tři případové studie s různým zaměřením. V nich byla hloubka naměřená sonarem buď porovnávána s referenční geodetickou metodou, a sice s měřením totální stanicí nebo metodou velmi přesného určování polohy RTK GPS, nebo byla porovnávána sonarová měření různými paprsky mezi sebou. Všechny výstupy z těchto měření byly podrobeny statistickému testování hypotéz, převážně kterým bylo rozhodováno, zda je přesnost sonaru v dané situaci a s daným nastavením dostatečná.

Nejdříve byla zpracována případová studie zaměřená na tekoucí řeku. V rámci této studie byly zaměřeny dva profily úzkým paprskem sonaru a totální stanicí na řece Moravě v Litovelském Pomoraví. Ačkoli výsledek testu hypotézy o shodnosti středních hodnot mezi sonarovým měřením a totální stanicí doporučil u jednoho ze dvou profilů vyjádřit, že přesnost nebyla dostatečná, po posouzení nízké hodnoty ukazatele RMSE, malého počtu bodů a malého rozdílu mezi naměřenými hloubkami oběma přístroji bylo rozhodnuto, že v obou případech za použití úzkého paprsku je přesnost sonaru na tekoucí řece dostatečná.

Druhá případová studie orientovaná na posouzení přesnosti sonaru na vodách s klidnou hladinou byla rozdělena na dvě téměř samostatné části, v obou částech ale byla hloubka ze sonaru porovnávána s metodou RTK GPS. Obsáhlejší první část, která proběhla na Velkém písníku, si kladla za cíl zaměřit na klidné hladině opět (příčné) profily s různým nastavením sonaru. V druhé části, uskutečněné na Opatovickém písníku, proběhl sběr bodů opět s různým nastavením sonaru pro plošné mapování. V rámci první části byly zaměřeny profily za použití úzkého a středního paprsku sonaru, dále byl v jednom místě zaměřen dvakrát tentýž profil úzkým paprskem z toho důvodu, aby byla porovnána mezi sebou i samotná sonarová měření a mohlo být rozhodnuto, jestli si odpovídají. Nakonec u všech profilů zaměřených úzkým paprskem sonaru bylo rozhodnuto, že jejich přesnost je dostatečná. Naproti tomu profil zaměřený středním paprskem propadl jako značně nepřesný. Z porovnání samotných sonarových měření bylo jasně stanoveno, že si odpovídají a že tedy při měření sonarem za použití stejného nastavení (úzký paprsek) a ve stejných podmínkách (totožné místo) nedochází k rozdílům. Z naměřených bodů pro plošné mapování byly interpolovány modely reliéfu. Odečtením modelu interpolovaného z hodnot nadmořských výšek ze sonaru a modelu s nadmořskými výškami z GPS vznikl tzv. rozdílový rastr hloubek, který ukazoval, o kolik a v jakých oblastech naměřil sonar větší či menší hloubku oproti referenční RTK GPS. Tento rozdílový rastr byl sestaven opět pro úzký a střední paprsek. Znovu se ukázalo, že při použití středního paprsku je dosahováno mnohem horších výsledků. V případě středního paprsku sonaru byly odchylky až dvakrát větší (max. 24 cm) ve srovnání s úzkým paprskem (max. 11 cm). Navíc v celé oblasti naměřil střední paprsek větší hloubku než GPS, nebylo jediné místo, kde by si hodnoty odpovídaly.

Na porovnání všech paprsků mezi sebou byla zaměřena třetí případová studie, která proběhla opět na Velkém písníku. Ve 13 bodech byla zaměřena hloubka všemi třemi paprsky sonaru, každým bylo měřeno cca 30 sekund. Měření za jednotlivé paprsky v jednotlivých bodech byla zprůměrována a byl sestaven shrnující graf. Z něj vyplývá, že až na dvě těsné výjimky byla největší hloubka naměřena vždy středním paprskem. Dále byly sestaveny grafy rozkolísanosti měření ve všech bodech pro všechny paprsky. Tyto grafy naznačují, že nejstálejší měření probíhalo širokým paprskem a nejrozkolísanějším byl střední paprsek. Nakonec zprůměrované hodnoty hloubek vstoupily do analýzy rozptylu (angl. ANOVA). Na základě výsledku tohoto statistického testu byla přijata hypotéza, že se střední hodnoty a rozptyly hloubek naměřených různými paprsky ve všech bodech významně neliší.

Z výsledků celé práce vyplynulo, že v testovaných podmínkách je přesnější použití úzkého paprsku pro batymetrická mapování oproti střednímu, jehož měření je značně rozkolísané, a ještě často nepřesné. Ovšem ne natolik, aby se měření všemi třemi paprsky významně lišila.

Přesto po posouzení veškerých okolností, výsledků a nabytých zkušeností autora je přesnost měření hloubky při použití úzkého paprsku srovnatelná s geodetickými metodami a tím pádem lze považovat úzký paprsek za nejpřesnější.

The results of the whole work showed that in the tested conditions, the use of a narrow beam for bathymetric mapping is more accurate than the medium one, the measurement of which is considerably fluctuating, and still often inaccurate. However, not so much that the measurements with all three beams differed significantly.
Nevertheless, after assessing all the circumstances, results and acquired experience of the author, the accuracy of depth measurement using a narrow beam is comparable to geodetic methods and thus the narrow beam can be considered the most accurate.

Zde je možné stáhnout celý text práce a poster: