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Estimating wave runup using satellite multi-spectral imagery
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Authors
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Abstract(s)
The wave runup is one of the most important processes responsible for coastal hazards, including overtopping or erosion. Understanding and predicting wave runup in any coastal environment is crucial for risk and vulnerability assessment studies. Nevertheless, the lack of field observations of wave runup is one of the main limitations of the predictability of this process. Past studies have used shore-based video monitoring techniques to observe wave runup in coastal areas. However, these studies were limited in time (data acquisition periods of several months or years) and space (spatial coverage of a single beach or extension of hundreds of meters or a few kilometres). In recent years, remote sensing, in particular Satellite Imagery, have improved the capability of the onboard sensor (e.g., improved spatial resolution of optical sensors) and revisit times (time between consecutive data collection in the same point on the earth’s surface), making of this technology one with the most significant potential to overcome earth sciences challenges. The present project’s general objective is to utilize multi-spectral imagery to monitor wave runup in coastal areas, representing a novel approach compared to past runup monitoring methodologies. Wetsand (boundary between the dry and wet beach) and Waterline (boundary between the water and the beach) were extracted from the satellite images as potential runup proxies. The satellite-derived runup proxies were compared to existing wave runup formulations. The error quantification was performed using statistical descriptive parameters (e.g., RMSE, correlation coefficient, and Bias). The waterline-derived runup proxies demonstrated high correlation (Bias = 0.35, R² = 0.63, RMSE = 0.65) with the existing runup formulation, whereas the Wetsand proxies exhibited lower correlation (Bias = -0.41, R² = 0.17, RMSE = 0.95). Averaging the Wetsand and Waterline proxies improved the Bias and RMSE to 0.12 and 0.611, respectively. The optimal formulation for each proxy was employed to correct the runup formulation, which was then used to compute the 𝑅2, resulting in a refined runup formulation. The corrected formulations for each proxy were utilized to predict extreme runup events. The waterline and the average Wetsand/Waterline proxies outperformed the Wetsand proxies during low wave and tide conditions. In contrast, the Wetsand proxy outperformed both alternatives in predicting extreme runup under high wave and tide conditions. Overall, the study noted the prospect of using satellites to measure and estimate runup globally.
O espraio induzido pelas ondas é um dos processos mais importantes responsáveis pelos perigos em zonas costeiras, incluindo o galgamento e a erosão. Compreender e prever o espraio induzido pelas ondas em qualquer ambiente costeiro é crucial para estudos de avaliação de risco e vulnerabilidade. No entanto, a falta de observações de campo do espraioé uma das principais limitações da previsibilidade deste processo. Estudos anteriores utilizaram técnicas de monitorização com base em vídeo-monitorização para observar o espraio em zonas costeiras. No entanto, esses estudos foram limitados no tempo (períodos de aquisição de dados de vários meses ou anos) e no espaço (cobertura espacial de uma única praia). Nos últimos anos, a deteção remota, em particular o uso de imagens de satélite, melhorou a capacidade dos sensores a bordo (por exemplo, melhoria da resolução espacial dos sensores ópticos) e os tempos de revisita (tempo entre coletas de dados consecutivas no mesmo ponto da superfície da Terra), tornando esta tecnologia uma das mais promissoras para superar os desafios das ciências da Terra. O objetivo geral do presente trabalho é utilizar imagens multiespectrais para monitorizar o espraio induzido pelas ondas em zonas costeiras, representando uma abordagem inovadora em comparação com metodologias passadas de monitorização do espraio. Para concretizar o objetivo, foram descarregadas imagens de satélite da missão Planetscope e da missão Sentinel-2.. A linha seco-molhado (a fronteira entre a praia seca e molhada) e a linha de água instantânea (a fronteira entre a água e a praia) foram delineadas no QGIS e extraídas das imagens de satélite como possíveis indicadores do espraio. As posições horizontais da linha de água e da linha do seco-molhado foram convertidas para elevação vertical com perfis topográficos atualizados e descarregados a partir do portal web do Programa de Monitorização Costeira de Portugal Continental (COSMO). Os indicadores de espraio derivados de satélite foram comparados com formulações de espraio de ondas existentes, incluindo Holman (1986), Stockdon et al. (2006), e Vousdoukas et al. (2012). A quantificação do erro foi realizada utilizando parâmetros estatísticos descritivos (por exemplo, RMSE, coeficiente de correlação e Bias). Os proxies derivados da linha de água demonstraram uma correlação mais alta (Bias = 0,35, R² = 0,63, RMSE = 0,65) com a formulação de espraio existente, enquanto os proxies da linha de seco-molhado exibiram menor correlação (Bias = -0,41, R² = 0,17, RMSE = 0,95). A elevada correlação entre o espraio e linha de água foi atribuída ao facto de a linha de água capturada no momento da aquisição da imagem, estar altamente correlacionada com as condições das ondas no momento da aquisição da imagem. Já a linha de seco-molhado pode estar relacionada a um evento de ondas que ocorreu horas antes do momento da aquisição da imagem, e por esse motivo as correlações serem mais baixas. As formulações corrigidas para cada indicador de epsraio foram utilizadas para prever o espraio durante um evento extremo, para avaliar o desempenho das formulações corrigidas em eventos extremos. O evento extremo foi a tempestade Hércules, que ocorreu entre 5 e 7 de janeiro de 2014, causando danos ao longo da costa portuguesa. Os indicadores da linha de água e a média da linha de seco-molhado superaram os proxies da linha de humidade durante condições de ondas e marés baixas. Em contraste, o proxy da linha de humidade superou ambas as alternativas na previsão de runup extremo sob condições de ondas e marés altas. A linha d'água e a média da linha de humidade/linha d'água mostraram ser melhores indicadores de runup para prever o runup extremo sob condições mínimas, e a linha de humidade para condições extremas máximas. O estudo mostrou que, embora a medição e estimativa do espraio com satélites seja nova, a possibilidade de medir e estimar o espraio é viável globalmente. No entanto, para estender a abordagem para uma nova área de estudo, é necessário ter disponíveis certos parâmetros. Estes incluem parâmetros consistentes de boias de ondas locais que capturam os processos locais, perfis abundantes e morfologicamente mutáveis para converter a extensão horizontal para vertical, e uma plataforma de imagens de satélite com pouca ou nenhuma cobertura de nuvens, o que pode melhorar o número de imagens descarregadas. Além disso, os indicadores de espraio serão validados com medições de espraio de campo da área de estudo.
O espraio induzido pelas ondas é um dos processos mais importantes responsáveis pelos perigos em zonas costeiras, incluindo o galgamento e a erosão. Compreender e prever o espraio induzido pelas ondas em qualquer ambiente costeiro é crucial para estudos de avaliação de risco e vulnerabilidade. No entanto, a falta de observações de campo do espraioé uma das principais limitações da previsibilidade deste processo. Estudos anteriores utilizaram técnicas de monitorização com base em vídeo-monitorização para observar o espraio em zonas costeiras. No entanto, esses estudos foram limitados no tempo (períodos de aquisição de dados de vários meses ou anos) e no espaço (cobertura espacial de uma única praia). Nos últimos anos, a deteção remota, em particular o uso de imagens de satélite, melhorou a capacidade dos sensores a bordo (por exemplo, melhoria da resolução espacial dos sensores ópticos) e os tempos de revisita (tempo entre coletas de dados consecutivas no mesmo ponto da superfície da Terra), tornando esta tecnologia uma das mais promissoras para superar os desafios das ciências da Terra. O objetivo geral do presente trabalho é utilizar imagens multiespectrais para monitorizar o espraio induzido pelas ondas em zonas costeiras, representando uma abordagem inovadora em comparação com metodologias passadas de monitorização do espraio. Para concretizar o objetivo, foram descarregadas imagens de satélite da missão Planetscope e da missão Sentinel-2.. A linha seco-molhado (a fronteira entre a praia seca e molhada) e a linha de água instantânea (a fronteira entre a água e a praia) foram delineadas no QGIS e extraídas das imagens de satélite como possíveis indicadores do espraio. As posições horizontais da linha de água e da linha do seco-molhado foram convertidas para elevação vertical com perfis topográficos atualizados e descarregados a partir do portal web do Programa de Monitorização Costeira de Portugal Continental (COSMO). Os indicadores de espraio derivados de satélite foram comparados com formulações de espraio de ondas existentes, incluindo Holman (1986), Stockdon et al. (2006), e Vousdoukas et al. (2012). A quantificação do erro foi realizada utilizando parâmetros estatísticos descritivos (por exemplo, RMSE, coeficiente de correlação e Bias). Os proxies derivados da linha de água demonstraram uma correlação mais alta (Bias = 0,35, R² = 0,63, RMSE = 0,65) com a formulação de espraio existente, enquanto os proxies da linha de seco-molhado exibiram menor correlação (Bias = -0,41, R² = 0,17, RMSE = 0,95). A elevada correlação entre o espraio e linha de água foi atribuída ao facto de a linha de água capturada no momento da aquisição da imagem, estar altamente correlacionada com as condições das ondas no momento da aquisição da imagem. Já a linha de seco-molhado pode estar relacionada a um evento de ondas que ocorreu horas antes do momento da aquisição da imagem, e por esse motivo as correlações serem mais baixas. As formulações corrigidas para cada indicador de epsraio foram utilizadas para prever o espraio durante um evento extremo, para avaliar o desempenho das formulações corrigidas em eventos extremos. O evento extremo foi a tempestade Hércules, que ocorreu entre 5 e 7 de janeiro de 2014, causando danos ao longo da costa portuguesa. Os indicadores da linha de água e a média da linha de seco-molhado superaram os proxies da linha de humidade durante condições de ondas e marés baixas. Em contraste, o proxy da linha de humidade superou ambas as alternativas na previsão de runup extremo sob condições de ondas e marés altas. A linha d'água e a média da linha de humidade/linha d'água mostraram ser melhores indicadores de runup para prever o runup extremo sob condições mínimas, e a linha de humidade para condições extremas máximas. O estudo mostrou que, embora a medição e estimativa do espraio com satélites seja nova, a possibilidade de medir e estimar o espraio é viável globalmente. No entanto, para estender a abordagem para uma nova área de estudo, é necessário ter disponíveis certos parâmetros. Estes incluem parâmetros consistentes de boias de ondas locais que capturam os processos locais, perfis abundantes e morfologicamente mutáveis para converter a extensão horizontal para vertical, e uma plataforma de imagens de satélite com pouca ou nenhuma cobertura de nuvens, o que pode melhorar o número de imagens descarregadas. Além disso, os indicadores de espraio serão validados com medições de espraio de campo da área de estudo.
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Zonas costeiras Galgamento Erosão Avaliação de risco