Post on 21-Jun-2015
description
April 13, 2023
1
A data analysis to bed dynamics in the Western Scheldt estuaryMorphological parameter estimation and deformation analysis near the shoal of Walsoorden
Scriptie Presentatie Hydrographic Society Benelux
Steven Pluymaekers
Geomatics engineering
April 13, 2023 2
Inhoud
• Westerschelde• Doel onderzoek• Data filtering• Deformatie analyse• Morfologische parameter schatting• Conclusies
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 3
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 4
Motivatie
• Westerschelde estuarium• Economische waarde: Toegangspoort tot haven
van Antwerpen• Ecologische waarde: Uniek meer-geulen
ecosysteem
• Optimale combinatie: Morfologisch management ? • Proefproject: Stort gebaggerd zand nabij de plaat
van Walsoorden
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 5
Doel onderzoek
Inzicht krijgen in het complexe morfo-dynamische gedrag
van de Westerschelde bodem aan de hand van MBES-data
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 6
Onderzoeksvragen
1. Hoe verandert de Westerschelde bodem in de tijd?
2. Hoe veranderen de morfologische parameter waarden van zandduinen in de tijd?
3. Is er een relatie tussen de morfologische veranderingen en het weer of het getij?
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 7
Plaat van Walsoorden
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 8
Detectie van veranderingen
MBES Data
Zandduinen
Globale Topografie
Classificatie
Parameterverandering
Deformatie analyse
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 9
Low pass filter
Scheiding met low pass filter uit Remote Sensing:• Definieer een kernel • Bereken de output waarde • Schuif de kernel over het gehele gebied
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 10
Resultaat data scheiding
• Gefilterde data => globale topografie• Residuen => zand duinen
Originele data
Globale topografie
Zandduinen
= +
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 11
Deformatie analyse
•Vereffingstheorie•Model :•LSQ-oplossing:
Q}{ ; y yDeAxy
xAyyye
yQAAQAx yT
yT
ˆˆˆ
)(ˆ 111
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 12
Deformatie analyse
Deformatie analyse: • Mathematisch model onbekend• Parameter vector onbekend
Oplossing: • Ontwerp verschillende model-hypotheses • Test het model door vergelijking van de fout in een bepaald model met de meet-onnauwkeurigheid• Breid het model uit• Test of de uitbreiding significant is
Ax
e
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 13
Deformatie analyse na de stort
• Stabiliteitsmodel:
• Constante snelheidsmodel:
• Constante versnellingsmodel:
x
d
d
EH
1
1
}{:
16
5
0
v
x
d
d
EH
t1
t1
}{:
16
5
16
5
0
a
v
x
tt
tt
d
d
EH
5.01
5.01
}{:21616
255
16
5
0
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 14
Resultaat verschillende modellen
Stabiel Const. Snelheid Const. Versnelling
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 15
Verplaatsing gestort zand
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 16
3 manieren parameterschatting
• Classificatie methode: Parameterschatting op basis van profiellijnen (schatting van oriëntatie, golflengte en amplitude)
• Profiellijn methode: Gebaseerd op de classificatie methode onder de aanname dat de oriëntatie voor een klein gebied stabiel blijft (Niet voor elk punt apart geschat)
• Variogram methode: Gebaseerd op ruimtelijke variabiliteit gerepresenteerd door variogrammen
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 17
Classificatie methode
• Oriëntatie = richting van profiellijn met meeste locale extremen
• Amplitude =
• Golflengte =
)(2
1
d
d
p
p
N
d
N
d
)(5.0
lengte
dp NN
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 18
Variogram methode
• Plot half het kwadraat van de hoogteverschillen tegen de horizontale onderlinge afstand
• Groepeer alle punten in regelmatige afstand blokken
• Bereken het groepsgemiddelde van elk blok
• De groepsgemiddeldes vormen het resultaat: experimenteel variogram
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 19
Experimentele variogrammen
• Richtingsafhankelijke variogrammen op verschillende tijdstippen
• Amplitude = • Golflengte = afstand tot ‘hole effect’
• Probleem: Geen eenduidige afstand tot het eerste ‘hole effect’
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
)max(
April 13, 2023 20
Continue variogrammen
• Oplossing: Schat er een continue functie doorheen
• Continue functie:
022
2
0
0
)!(2
)()1()(met
))]())((exp(1[)(
mm
mm
m
hbhbJ
hbJa
hch
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 21
Case I: Morfologische parameter schatting op de dumplocatie
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 22
Conclusies (1/2)
Deformatie analyse:
• De scheiding van de topografie en bodemvormen vormt een goede basis voor de deformatie analyse
• Het gestorte zand erodeert deels. 23% verdwijnt uit het stortgebied
• Een groot deel van het verdwenen zand stroomt naar de plaat van Walsoorden
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 23
Conclusies (2/2)
Morfologische parameter veranderingen
• De residuen van de low pass filter representeren de zandduinen goed
• De drie methodes gebruikt voor de parameterschatting geven over het algemeen hetzelfde resultaat. Dit geeft vertrouwen in de methodes en de uitkomst
• De amplitude van de zandduinen is ± 3 maanden na de zandstort volledig hersteld
• De golflengte stijgt na de zandstort
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 24
Vragen ?
April 13, 2023 25
Testen model
• Model hypotheses:
• Test statistiek:
• Hypothese test:• Verwerp als
AyTAy
Tq eQeeQeT ˆˆˆˆ 1
01
0
CAxyEH
yEH
AxyEH
A
mA
}{:
}{:
}{:0
0H kT q
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 26
Selectie stabiel gebied
• Voorkeur:• Uniforme zandduinen• Dieper • Stabiel
April 13, 2023 27
Deformatie analyse stabiel gebied
April 13, 2023 28
Case II: Morfologische parameter schatting op stabiel gebied
• Gebied gekozen op: Stabiliteit, diepte en uniformiteit van amplitude en golflengte
April 13, 2023 29
Varianties ongefilterde data
• Stochastisch model deformatie analyse
• Ongefilterde data:Zandduinen gedragen zich als ruis:
I }{ 2yD
mmbes 15.0222duinmbestotaal me
t
April 13, 2023 30
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 31
Variantie gefilterde data
• Gefilterde data • Voortplantingswet:• Low pass filter:
want ruimtelijk sterk gecorreleerd!
• Oplossing 1: Maak voor elk gefilterd punt richtingsafhankelijke covariogrammen en bereken zo de covariantie• Oplossing 2: Uitgangspunt ideale filter:
Tvu AAQQVAU
Covruwfilter
625
22
22mbestotaal
April 13, 2023 32
Morfologische operaties
Generalisatie m.b.v morfologische operaties:
• Erosion • Dilation • Closing• Majority
Westerschelde – Doel – Filtering – Classificatie – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 33
Voorbeeld erosion
Westerschelde – Doel – Filtering – Classificatie – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 34
Multi-beam echo sounding
cos2
sin2
TcD
Tcy
MBES:
• Reistijd pulse
• Hoek beam
Westerschelde – Doel – Filtering – Classificatie – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 35
Selectie stortlocatie
• A priori informatieStort zeewaarts van plaat van Walsoorden
• Verschil plots
• StabiliteitshypotheseDeformatie analyse gedurende de stort
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 36
Selectie stortlocatie
• Stabiliteitshypothese om stortlocatie te begrenzen
• A-model
mA
d
d
d
d
d
EHx
d
d
d
d
d
EH
}{: vs
1
1
1
1
1
}{:
4
3
2
1
0
4
3
2
1
0
0
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 37
Resultaat stortlocatie
Geaccepteerd VerworpenStortlocatie
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 38
Parameter schatting met classificatie methode
• Voordelen:• Uniforme gebieden met statistische stabiliteit• Goede indruk van parameterwaarden
• Nadelen:• Onnauwkeurigheid door relatief korte profiellijn: Extra
extreme waarde veel invloed op golflengte schatting• De randpunten geven slechte resultaten• Een locale extreme waarde is niet objectief
gedefinieerd
Westerschelde – Doel – Filtering – Classificatie – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 39
Hole effect variogram
• Periodieke bodemvormen leidt tot ‘hole effect’ in variogrammen
• M.b.v ‘hole effect’ kunnen amplitude en golflengte geschat worden
• Amplitude = • Golflengte = afstand tot ‘hole effect’
)max(
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 40
Morfologische parameters stortlocatie
• De drie methodes geven over het algemeen hetzelfde resultaat
• Variogram methode: Golflengte in begin slecht Amplitude
constante offset• Na ± 3 maanden is de amplitude hersteld• De golflengte stijgt licht na de zandstort
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 41
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 42
Variogram methode
• Definitie:
• Isotropie: de variabiliteit in alle richtingen is gelijk • In de Westerschelde zandduinen anisotropie
• Oplossing: Richtingsafhankelijke variogrammen
][),(
2)(2
1])([
kji hzzji
kk zz
Nh
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 43
Stromingen Westerschelde
Westerschelde – Doel – Filtering – Classificatie – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 44
Westerschelde – Doel – Filtering – Classificatie – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 45
Parameterkaart zandduinen
Amplitude Golflengte
Westerschelde – Doel – Filtering – Classificatie – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 46
Classificatie resultaat
Amplitude Golflengte
Westerschelde – Doel – Filtering – Classificatie – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies
April 13, 2023 47
Aanbevelingen voor verder onderzoek
• Formuleer in de deformatie analyse een hypothese die naast de globale topografie ook de zandduinen beschrijft
• Analyseer bij de veranderingen ook de stroming, korrelgrootte en zandduin asymmetrie
• Ondanks dat de low pass filter goede resultaten geeft, kan het te veel generaliseren. Een andere manier van data scheiding kan betere resultaten leveren
Westerschelde – Doel – Filtering – Deformatie analyse – Parameter schatting - Conclusies