Bathy Surveying & Mapping
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1 Bathy Surveying & Mapping Charles E. Wiggins Director, Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of Expertise 7225 Stennis Airport Drive, Suite 100 Kiln, MS 39556 228.252.1103 tel 228.324.9477 cell [email protected]
Transcript of Bathy Surveying & Mapping
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Bathy Surveying & Mapping
Charles E. WigginsDirector, Joint Airborne Lidar Bathymetry
Technical Center of Expertise7225 Stennis Airport Drive, Suite 100Kiln, MS 39556228.252.1103 tel228.324.9477 [email protected]
Bathy Surveying & MappingBathy Surveying & MappingBathy Surveying & Mapping
IntroIntro
TechnologyTechnology
Airborne OpsAirborne Ops
OutlineOutline
ExamplesExamples
USACE LidarUSACE Lidar
Bathy Lidar Technology
Goal: Introduce topo & bathy lidar, the physics, and the technology
USACE Navy
Operations
Coastal Measurements& Data Usage
Sensors & Systems NOAA
Technology Evolution
JALBTCX
Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of Expertise
What is LIDAR?What is LIDAR?
• LIght Detection And Ranging• 2 general types:
– Topographic– Bathymetric
New Pass, FL
Toronto, ON,CA
What is LIDAR?What is LIDAR?
• The first question might be “What is LIDAR?” Very similar to radar, lidar is a tool to measure a range. However, lidar uses light instead of radio waves to measure the range. Knowing this, the acronym lidar, LIghtDetection And Ranging, is easier to understand.
• Lidar units designed for accurate ranging fall generally into one of two categories - topographic and bathymetric. Usually the topographic units use only an infrared wavelength and operate at 10 - 50 kHz. In contrast, the bathymetric units use green and infrared wavelengths and operate between 200 and 1000Hz. Also note that the energy output from the topographic systems is significantly lower than that from the bathymetric.
Airborne Enabling TechnologiesAirborne Enabling Technologies
Diode-pumped solid state lasers
Accurate optical scanners
KGPS
Inertial measurement units
Accurate single-shot timing
electronics
Bathymetric Lidar - 1Bathymetric Lidar - 1
Puerto Rico
• Produces water elevations– Rapid, high density coverage– Yields elevation and
reflectance for each measurement
• Survey Products– Bathymetry / water depths– Navigation hazards– Navigation structures– Regions
• Requires– DGPS or KGPS– Large area
Bathymetric Lidar - 2Bathymetric Lidar - 2
• The bathymetric lidar is capable of covering a large area with dense measurements in a short time. The depths obtained from the system meet the IHO Order I survey accuracy requirements.
• Because of the advancements made while operating SHOALS, elevations can be measured for the emergent structures and beach. This capability allows the collection of one data set that contiguously covers the beach and near-shore depths.
• More details will be discussed later regarding these capabilities and specific applications.
• In this image, the brown represents elevations above 0 and the red through purple colors represent shallower to deeper depths, respectively.
Puerto Rico
Near shore
Coastal Mapping & ChartingCoastal Mapping & Charting
Deep water
On shore
NASA EAARL
TopoTopo LidarLidar10k 10k –– 20k 20k ppsppsscanning laserscanning laservery low energy IRvery low energy IR11--5m postings5m postings1010--15 cm footprint15 cm footprint100m 100m –– 1,000m alt1,000m alt
Bathy Bathy LidarLidar1k 1k –– 3k 3k ppsppsscanning laserscanning laserhigher energy greenhigher energy green1 1 --5 m postings5 m postings2 m footprint2 m footprint300m 300m –– 500m alt500m alt
Topo / Bathy LidarTopo / Bathy Lidar
Elevation Measurements
G= ([2AVf tan (ϕ/2)]/ Rp )1/2
Where: G = Spot Spacing (m)A = Altitude (m)Vf = Velocity (ms-1)ϕ = Scan Angle (°)Rp = Repetition Rate
EXAMPLE:Given:
Vf = 66 m/s (127 kts)A = 400 mϕ = 9.23° (swath width = 130 m)Rp = 1000 Hz
Resulting Spot Spacing (m) = 2.9m
(Note: 1 ms-1 = 1.924 kts)
Spot Spacing Calculation (Bathymetry Laser Systems)
Spot Spacing Calculation (Bathymetry Laser Systems)
Hydrographic Survey ParametersHydrographic Survey ParametersNominal Spacing
(m)(Nadir)Altitude
(m)Swath
(m)Spacing
(m,lateral)Spacing
(m,forward)Speed
(kn)
Scanner Frequency(
Hz)
Coverage (km2/hr)
2 x 2 400 161 2 2 125 16.2 37(20°) 300 149 2 2 130 16.8 36
3 x 3 400 303 3 3 125 10.7 70(22°) 300 226 3 3 164 14.1 69
4 x 4 400 301 4 4 219 14.1 122(22°) 300 225 3.5 4 254 16.4 106
5 x 5 400 297 4.5 4.2 262 16.1 144(22°)
Lidar Bathymetry PrinciplesLidar Bathymetry Principles
Surface Spot Diameter
(2.0m approx)
Beam Divergence(3 - 12 mrad)
50% Energy Footprint (0.5 x Depth)
Nadir Angle20º
Typically Measures2 to 3 × Secchi Depth RECEIVER FIELD OF VIEW
INCIDENTLASER PULSE
SEA SURFACE
SCATTERING ANDABSORPTION
DIFFUSE BOTTOMREFLECTION
ILLUMINATEDBOTTOM REGION
MEAN WATERNADIR ANGLE
ILLUMINATEDSURFACE AREA
VOLUMEBACKSCATTER
RETURNING BOTTOM REFLECTEDSIGNAL
UN
SCA
TT
ER
ED
RE
F PA
TH
VE
RT
ICA
L D
EPT
H
SURFACE REGIONIN RECEIVER FOV
Lidar Bathymetry PrinciplesLidar Bathymetry Principles
Surface Spot Diameter
(2.0m approx)
Beam Divergence(3 - 12 mrad)
50% Energy Footprint (0.5 x Depth)
Nadir Angle20º
Typically Measures2 to 3 × Secchi Depth RECEIVER FIELD OF VIEW
INCIDENTLASER PULSE
SEA SURFACE
SCATTERING ANDABSORPTION
DIFFUSE BOTTOMREFLECTION
ILLUMINATEDBOTTOM REGION
MEAN WATERNADIR ANGLE
ILLUMINATEDSURFACE AREA
VOLUMEBACKSCATTER
RETURNING BOTTOM REFLECTEDSIGNAL
UN
SCA
TT
ER
ED
RE
F PA
TH
VE
RT
ICA
L D
EPT
H
SURFACE REGIONIN RECEIVER FOV
SHOALS 4 Waveforms per Pulse SHOALS 4 Waveforms per Pulse
020406080
100120140160
1 51 101
151
201
251
301
351
401
451
020406080
100120140
1 51 101
151
0
50
100
150
200
1 51 101
151
010203040506070
1 26 51 76
IR Surface Raman
APD Green PMT Green
LIDAR Equation – Water ClarityLIDAR Equation – Water Clarity
K - diffuse attenuation at 532nm
D - depth
02
2 ( , , ) sec2
( ) cos( )
n s kDT P rr
w
m P F AP en H D
ω θ φηρ θπ
−=+
Bathy Bathy lidarlidar is limited by water clarity and is limited by water clarity and the laws of physicsthe laws of physics
Deep Depths / Bottom targets
Shallow Depths /Mid-water targets
Depth & Target DetectionDepth & Target Detection
Airborne Operations Considerations
Goal: Highlight the differences in airborne vsshipborne survey operations
Near shore
Coastal Mapping & ChartingCoastal Mapping & Charting
Deep water
On shore
Airborne vs Boats
Survey ConsiderationsSurvey Considerations
• Climatology– Wind– Rainfall– Temperature (ice)– Sea heights (wind waves
and swell)
• Usually an Internet source with this information
• Obstructions– Cliffs / Mountains– Man-made structures– Airspace restrictions
AirportsMilitary exercisesWildlife protection
Survey ConsiderationsSurvey Considerations
Vertical Control is Critical - 1
• Tide zones defined• Determine if existing gage
data are available• Estimate number of
additional gages needed
Survey ConsiderationsSurvey Considerations
Vertical Control is Critical - 2
• For DGPS mode of data collection, lidar bathymetry relies on tide observations to control the vertical data. If tide zones do not exist, gages must be set and data recorded for 30 days (minimum) to establish tide zones for the survey area. If the survey area is large, multiple zones may need to be established. If gages are already in place in the area, determination should be made of the operability of the gage and the availability of its data. Time should be allowed for any survey work and collection times necessary for establishment of the vertical control.
Survey Considerations - 2Survey Considerations - 2
Logistics - 1
• Acceptable airport facilities near project area
• Airport must have:– Jet fuel available– Ground power supply– Storage area for spares– Ease of shipping– Occasional hangar space– Hours of operation to match
production needs– Fast takeoff and landing
clearance
Survey ConsiderationsSurvey Considerations
Logistics - 2• An airport with sufficient
service capability should be selected near the survey area. The airport should have proper fuel, ground power supply for the aircraft, hours of operation that will not impact the collection schedule and rapid clearance for take-off and landing. Additional features that benefit the operation include secure storage space for spares, hanger space available for occasional use, and shipping facilities (FedEx or similar) on-site or nearby. For large survey requirement locations, the airport selection is critical in determining the length of survey because the transit time to and from the airport occur on every flight.
Survey ConsiderationsSurvey Considerations
USACE Lidar History & Programs
Goal: Provide background information and highlight USACE expertise
SHOALS 200Bell 212Jan 94 – Nov 98
SHOALS 200Bell 212Jan 94 – Nov 98
Lidar Program HistoryLidar Program History
SHOALS 400DHC6 Twin OtterNov 98 – Sep 2003
SHOALS 400DHC6 Twin OtterNov 98 – Sep 2003
CHARTS 1,000T10 King Air 200 Sep 2003 – Mar 2005
CHARTS 1,000T10 King Air 200 Sep 2003 – Mar 2005
Bottom Aircraft PortBottom Aircraft Port
System SpecificationsSystem Specifications3,000 Hz Pulse Rate (hydro)3,000 Hz Pulse Rate (hydro)20,000 Hz Pulse Rate (topo)20,000 Hz Pulse Rate (topo)1 Hz Digital camera (~20 cm pixel)1 Hz Digital camera (~20 cm pixel)CASICASI--1500 Hyperspectral Imager1500 Hyperspectral Imager
•• 1500 pixels1500 pixels•• 380 380 –– 1500 nm wavelength1500 nm wavelength•• 288 possible bands288 possible bands
IHO Order 1 Surveys capableIHO Order 1 Surveys capable2x2 2x2 –– 4x4 meter spot density4x4 meter spot density125 125 -- 240 kts aircraft speed240 kts aircraft speedPortable ground processing systemPortable ground processing system
Integrated Laser Integrated Laser SystemSystem
Digital CameraDigital Camera
CASICASI--1500 1500 Hyperspectral Hyperspectral
ImagerImager
Merged Hydo & Topo DataMerged Hydo & Topo Data
Digital ImageDigital Image
The CHARTS System
• > 5,500 km surveyed to date
• Topo/Bathy/Ortho/Spectral
• 2005
• > 6.5 Billion LIDAR Shots
• > 3 Terabytes of products
• > 5,500 km surveyed to date
• Topo/Bathy/Ortho/Spectral
• 2005
• > 6.5 Billion LIDAR Shots
• > 3 Terabytes of products
Background from:MS Streets & Trips 2006
Legend
2004
2005
2006
2007
2004 – 2007 NCMP Efforts
(1,000 m)(1,000 m)…………………………………………..Hydro & Topo..Hydro & Topo………………(500 m)(500 m)
USACE Coastal MappingUSACE Coastal Mapping
Hydro – waterline to 1,000 m @ 4 m spacingTopo – waterline to 500 m @ 1 m spacingImagery @ 20 cm resolutionHyperspectral - TBD
Post-Hurricane ReconstructionPost-Hurricane Reconstruction
NASSAUDUVAL
ST. JOHNS
BREVARD
MARTINPALM BEACHBROWARD
DADE
MANATEE ST. LUCIEPINELLAS
SARASOTA
LEE
FLAGLER
VOLUSIA
BAY
16 federal projects $200,000,000 reconstruction
1. Topo-bathy elevations2. LAS format elevations3. Ortho RGB imagery4. 1-m grid for GIS5. Shoreline vector6. Building footprint7. Bare earth DEM8. Bottom reflectance9. Hyperspectral cube10. Environmental TBD
Product Specifications
Data & ProductsData & Products
• Elevations, XYZ ascii files• Land @ 1m x 1m 200%• Hydro @ 4m x 4m• ~250 Meg / mile• geodetic (NAVD88 & NAD83)
• Ortho RGB Imagery (Mr. Sid)• 1-m Grid for GIS (Raster GIS)• Shoreline vector (“0” NAVD88)• Building footprint• Bare Earth• Bottom Reflectance• Hyperspectral Cube• Vulnerability Index
Bathy Examples
Goal: show examples of bathy lidar surveying & mapping
Corps of Engineers Corps of Engineers SurveySurvey
Corps of Engineers Corps of Engineers SurveySurvey
Ponce de Leon Inlet, FL
Navigation Projects
41
42
43
Topo & Hydro ElevationsTopo & Hydro Elevations
Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of Expertise ++Joint Airborne Lidar Bathymetry Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of Expertise ++Technical Center of Expertise ++
EAARL Experimental Advanced Airborne Research Lidar
Bathy Data
• Panama City Beach• Pre / Post Ivan
00US16UNCLASSIFIED
0060900US16
UNCLASSIFIED
00609
21°18'45"
21°19'00"
21°19'30"
21°20'00"
21°20'30"
21°21'00"
21°21'30"
21°22'00"
21°22'30"
21°23'00"-157°43'00" -157°42'30" -157°42'00" -157°41'30" -157°41'00" -157°40'30" -157°40'00" -157°39'30" -157°39'00"
21°18'45"
21°19'00"
21°19'30"
21°20'00"
21°20'30"
21°21'00"
21°21'30"
21°22'00"
21°22'30"
21°23'00"
-157°43'00" -157°42'30" -157°42'00" -157°41'30" -157°41'00" -157°40'30" -157°40'00" -157°39'30" -157°39'00"
2358000m 2358000m
2359000m 2359000m
2360000m 2360000m
2361000m 2361000m
2362000m 2362000m
2363000m 2363000m
2364000m 2364000m
2365000m 2365000m
634000m
634000m
635000m
635000m
636000m
636000m
637000m
637000m
638000m
638000m
639000m
639000m
640000m
11 5 1
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09
04
05
29
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219 4
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4 55
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27
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4 25
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82
02
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0 18
28
47
24
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2 73
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02
02
39
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62
75
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05
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3 26
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634
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02 7
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0 05
01
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38
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02
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11
803
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02
0 45
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72
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96
802
501
63
75
9640
454 90
41 5
248
53
92
0 12
76
105
67
7 74
78
91
07
04
04
0 51
89
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97
0 1
03
35
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76
76
04 1
606
77
75
804
0 0 1
09
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6
0 4
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306
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04
0 7 87
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25
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05
05
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9 79
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15
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58
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05
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93
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04
34
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69
04
5 66 4
3
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05
53
10 611
11
59
71
37
34
05
06
04
18
82 7
851
03
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33
99
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88
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8 95
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99 6
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773
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209
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38
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56
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1203
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18
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102
119
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1 03
63
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109
129
125
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91
04
14
2 2 2 17 7
568
09
03
61
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18
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5 61
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2 1 04
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167
175
262
321
344
2000
UNITED STATES OF AMERICA
SHOALS(SCANNING HYDROGRAPHIC OPERATIONAL AIRBORNE LIDAR SURVEY)
THE COMMANDING OFFICER, NAVALOCEANOGRAPHIC OFFICE.
APPROVED FOR PUBLIC RELEASE;DISTRIBUTION IS UNLIMITED,
REQUESTS SHOULD BE REFERRED TO
DATUM NOTEPositions obtained from satellite navigation systems
referred to the World Geodetic System 1984 (WGS-84)can be plotted directly on this chart.
UNIVERSAL TRANSVERSE MERCATOR (UTM) GRID
WORLD GEODETIC SYSTEM 1984 (WGS-84)
ZONE 4, WORLD GEODETIC SYSTEM 1984 (WGS-84) DATUM AND ELLIPSOID
HEIGHTS IN METERS ABOVE MEAN SEA LEVEL2, 5, 10, 20 and 30 meter depth contours delineated
HAWAII
SOUNDINGS IN METERSreduced to the approximate level of Mean Lower Low Water.
UNIVERSAL TRANSVERSE MERCATOR PROJECTION
SCALE 1:10,000
PRELIMINARY SHEETNOT FOR NAVIGATION
21°10'
21°20'
21°30'
21°40'
21°50'-158°30' -158°20' -158°10' -158°00' -157°50' -157°40' -157°30'
21°10'
21°20'
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21°40'
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-158°30' -158°20' -158°10' -158°00' -157°50' -157°40' -157°30'
1 2
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4
5
6
7 8
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26
27
28
2930
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32
33
34
35
36
37
BELLOWSOAHU
NAVO Smooth Sheet vs.Shaded Relief of High Density DataNAVO Smooth Sheet vs.Shaded Relief of High Density Data
00US16UNCLASSIFIED
0060900US16
UNCLASSIFIED
00609
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319
21
15
38
47
75
123
137
174
237
42
109
266
22
28
21
12
42
14
119
53
166
357
19
08
29
68
121
204
243
299
44
21
33
18
16
63
116
154
162
27
27
21
22
54
127
06 2
588
143
224
274
287
336
114
239
267
24
22
23
16
99
84
9 115
127
162
17 192
24
19
23
25
17
89
23
08
17
33
94
134
318
29
26
27
26
10 107
126
153
181
241
24
25
95
236
27
21
166
192
292
303
15
4 34
97
93
10 367
22
19
29
12 176
278
08
27
25
52
143
269
337
23
27
105
146
212
259
29
17
12
49
59
84
162
175
24
25
23
23
25
43
99
129
298
314
31
14
21
34
39
88
83
172
184
248
21
3 21
46
157
208
293 96
112
373
31
21
19
16
103
128
151
255
33 18
1
235
27 339
32
28
27
58
62
66
106
04
18
36
107
134
168
196
302
318
25
33
16
31
44
99
137
22 9
1178
226
3 28
53
12 157
175
255
268
374
32
25
23
27
32
83
188
279
25
28
49
66
71
109
339
17
28
19
61
78
127
152
246
317
24
16
16
26
82
144
171
1811
33 2
4
41
124
169
2419
21
18
31
46
73
93
99
165
289
21
33
23
244
33
15
65
66
212
267
311
338
08
08
07 7
1
105
118
151
159
176
1904
52
82
85
139
19
18
28
36
33
134
174
258
22
25
07
53
173
28
08
303
33 358
31
08
96
173
246
281
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19
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2 64
68
271
13
81
81
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126
146
216
05
28 1
355
74
142
165
188
25
31
22
24
1 09
52
13
26
28
6 104
111
137
167
175
262
321
344
2000
UNITED STATES OF AMERICA
SHOALS(SCANNING HYDROGRAPHIC OPERATIONAL AIRBORNE LIDAR SURVEY)
THE COMMANDING OFFICER, NAVALOCEANOGRAPHIC OFFICE.
APPROVED FOR PUBLIC RELEASE;DISTRIBUTION IS UNLIMITED,
REQUESTS SHOULD BE REFERRED TO
DATUM NOTEPositions obtained from satellite navigation systems
referred to the World Geodetic System 1984 (WGS-84)can be plotted directly on this chart.
UNIVERSAL TRANSVERSE MERCATOR (UTM) GRID
WORLD GEODETIC SYSTEM 1984 (WGS-84)
ZONE 4, WORLD GEODETIC SYSTEM 1984 (WGS-84) DATUM AND ELLIPSOID
HEIGHTS IN METERS ABOVE MEAN SEA LEVEL2, 5, 10, 20 and 30 meter depth contours delineated
HAWAII
SOUNDINGS IN METERSreduced to the approximate level of Mean Lower Low Water.
UNIVERSAL TRANSVERSE MERCATOR PROJECTION
SCALE 1:10,000
PRELIMINARY SHEETNOT FOR NAVIGATION
21°10'
21°20'
21°30'
21°40'
21°50'-158°30' -158°20' -158°10' -158°00' -157°50' -157°40' -157°30'
21°10'
21°20'
21°30'
21°40'
21°50'
-158°30' -158°20' -158°10' -158°00' -157°50' -157°40' -157°30'
1 2
3
4
5
6
7 8
910
11
1213141516
17181920212223
24
25
26
27
28
2930
31
32
33
34
35
36
37
BELLOWSOAHU
NAVO Smooth Sheet vs.Shaded Relief of High Density DataNAVO Smooth Sheet vs.Shaded Relief of High Density Data
020406080
100120140
1 51 101
151
“bottom peak signal”
Reflectance
Sandy Bottom Spectra
Rocky Bottom Spectra
Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of Expertise
Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of Expertise
CHARTS Hyperspectral/Reflectance (Portsmouth, NH)
Sandy Bottom Spectra
Rocky Bottom Spectra
Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of Expertise
Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of Expertise
CHARTS Hyperspectral/Reflectance (Portsmouth, NH)
Invasive Flora Species ID’d:• Australian Pine (Green)
• Brazilian Pepper Tree (Yellow)
Joint Airborne Lidar Bathymetry Technical Center of Expertise
Automated Classification Map
Classification Zoom
Hyperspectral Camera
• Classified Dry Beach (Brown)
• White Caps (Orange)
Delineation of Invasive Plant Species
W. Jeff LillycropUS Army Corps of Engineers
7225 Stennis Airport DriveKiln, MS 39556
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