MiSMoS (MicroScale Morphology System): an inexpensive new method to survey 3D surface micromorphology

Yajaira Cristina Alquinga Salazar; Sibila A. Genchi; Lucas Nuciari; Vanesa L. Perillo; M. Cintia Piccolo; Gerardo M. E.  Perillo

Autores/as

Yajaira Cristina Alquinga Salazar Departamento de Geografía y Turismo, Universidad Nacional del Sur, Bahía Blanca, Argentina
Sibila A. Genchi Departamento de Geografía y Turismo, Universidad Nacional del Sur, Bahía Blanca, Argentina
Lucas Nuciari Instituto Argentino de Oceanografía (IADO, CONICET/UNS), Bahía Blanca, Argentina
Vanesa L. Perillo Departamento de Biología, Bioquímica y Farmacia, Universidad Nacional del Sur, Bahía Blanca
M. Cintia Piccolo Instituto Argentino de Oceanografía (IADO, CONICET/UNS), Bahía Blanca, Argentina
Gerardo M. E. Perillo Departamento de Geología, Universidad Nacional del Sur, Bahía Blanca, Argentina

Palabras clave:

Sistema de relevamiento portátil, pruebas de MiSMoS, mapeo de micromorfología, playa

Resumen

La geomorfología a microescala en ambientes costeros es compleja de estudiar debido a su gran variabilidad espacio-temporal. De hecho, no se puede emplear instrumentación directa para mapear la micromorfología en detalle. El objetivo de este artículo es describir la aplicación de la metodología MiSMoS (MicroScale Morphology System), recientemente desarrollada para el mapeo de superficies y características morfológicas a pequeña escala, como ondulaciones y pequeños cursos, así como demostrar sus ventajas y limitaciones. Se llevó a cabo un conjunto de mediciones en una playa encaramada que ofrece microformas variadas como ejemplo de estudio de caso. MiSMoS consiste en una mesa de estructura cuadrada de aluminio de 1,6 m x 1,6 m con seis rieles en forma de L en la parte superior para movilizar una estructura portadora de sensores, que se apoya en 4 patas (0,60 m de alto). La estructura portadora de sensores consiste de dos cámaras y un medidor de distancia láser (LDM), cuyas cámaras tienen un ángulo fijo de 20°. En el procedimiento operativo para el mapeo de alta resolución, la estructura que lleva el sensor se mueve manualmente capturando secuencialmente imágenes que cubren una superficie de 0,60 x 0,60 m, con una superposición del 75%. Se generaron modelos 3D de alta resolución a partir de las imágenes utilizando la técnica Structure-from-Motion, Multi-View-Stereo (SfM-MVS). MiSMoS tiene numerosas ventajas sobre instrumentos comerciales: 1) puede mapear la topografía en alta resolución, 2) es fácil de construir e implementar, 3) es económico y 4) en una operación, se puede obtener un mapa de alta resolución de un área de 2,25 m² en aproximadamente 15-20 min, mientras que otros sistemas generalmente solo proporcionan perfiles.

Citas

Agüera Vega, F., Agüera Puntas, M., Martínez Carricondo, P., Mancini, F. and Carvajal, F. (2020). Effects of point cloud density, interpolation method, and grid size on derived Digital Terrain Model accuracy at micro topography level. International Journal of Remote Sensing, 41(21), 8281–8299. DOI: 10.1080/01431161.2020.1771788

Andes, T. (2018). Caracterización físico-química de la descarga de agua subterránea en la playa de Pehuén Co: influencia ambiental y geomorfológica [Unpublished Licentiate Thesis]. Universidad Nacional del Sur, 32 pp.

BOSCH, (2017). Instrucciones de Servicio. https://www.bosch-professional.com/es/es/archive/dle-50-9947-p/

Bupo, M. and Weber, J. F. (2017). Methodology for measuring micro topographies in laboratory channels with a motion sensor. Ribagua, 4(2), 99–109. https://doi.org/10.1080/23863781.2017.1381454

Bustos, M.L., Zilio, M., Ferrelli, F., Piccolo, M.C., Mavo Manstretta, G.M. and Perillo, G.M.E. (2021). Tourism in the COVID-19 context in mesotidal beaches: Carrying capacity for the 2020/2021 summer season in Pehuén Co, Argentina. Ocean and Coastal Management 206, 105584. DOI 10.1016/j.ocecoaman.2021.105584

Dagnino, J. (2014). Regresión lineal. Revista chilena de anestesia, 43(2), 150–153. https://doi.org/10.25237/revchilanestv43n02.15

Ehrhardt, A., Deumlich, D. and Gerke, H.H. (2022). Soil surface micro-topography by structure-from-motion photogrammetry for monitoring density and erosion dynamics. Frontiers in Environmental Science, 9, 737702. doi: 10.3389/fenvs.2021.737702

Foulds, S.A. and Warburton, J. (2007). Wind erosion of blanket peat during a short period of surface desiccation (North Pennines, Northern England). Earth Surface Processes and Landforms, 32, 481–488. https://doi.org/10.1002/esp.1422

Genchi, S., Vitale, A., Perillo, G. and Delrieux, C. (2015). Structure-from-Motion Approach for Characterization of Bioerosion Patterns Using UAV Imagery. Sensors, 15(2), 3593–3609. doi:10.3390/s150203593

Gómez-Gutiérrez, A., Schnabel, S., Berenguer Sempere, F., Lavado Contador, F., Rubio and Delgado, J. (2014). Using 3D photo-reconstruction methods to estimate gully headcut erosion. Catena 120, 91–101. doi:10.1016/j.catena.2014.04.004

Hasmanda, M., and Riha, K. (2012). The modelling of stereoscopic 3D scene acquisition. Radioengineering, 21(1), 134–142. ISSN 1805-9600

James, M.R., and Robson, S. (2014). Mitigating systematic error in topographic models derived from UAV and ground-based image networks. Earth Surf. Process. Landforms, 39, 1413–1420. https://doi.org/10.1002/esp.3609

Lane, S.N., Richards, K.S., and Chandler, J.H. (1994). Developments in monitoring and modelling small-scale river bed topography. Earth Surface Processes and Landforms, 19(4), 349–368. https://doi.org/10.1002/esp.3290190406

Li, Y., Lu, X., Washington Allen, R. A., and Li, Y. (2022). Microtopographic controls on erosion and deposition of a rilled hillslope in eastern Tennessee, USA. Remote Sensing, 14(6), 1315. https://doi.org/10.3390/rs14061315

Matias, B., Oliveira, H., Almeida, J., Dias, A., Ferreira, H., Martins, A., and Silva, E. (2015). High-accuracy low-cost RTK-GPS for an unmanned surface vehicle. Oceans, Genova, Italy, 1–4, doi: 10.1109/OCEANS-Genova.2015.7271673.

Miles, J., Thorpe, A., Russell, P., and Masselink, G. (2014). Observations of bedforms on a dissipative macrotidal beach. Ocean Dynamics 64, 225–239. https://doi.org/10.1007/s10236-013-0677-2

Nakata, Y., Iwasaki, K., Shimoda, S., and Torita, H. (2023). Understanding microtopography changes in agricultural landscapes through precision assessments of digital surface models by the UAV-RTK-PPK method without ground control points. Smart Agricultural Technology, 100–269. https://doi.org/10.1016/j.atech.2023.100269

Nesbit, P.R., and Hugenholtz, C.H. (2019). Enhancing UAV-SfM 3D Model Accuracy in High-Relief Landscapes by Incorporating Oblique Images. Remote Sensing, 11(3), 1–24. doi:10.3390/rs11030239

Nouwakpo, S. K., James, M. R., Weltz, M. A., Huang, C. H., Chagas, I., and Lima, L. (2014). Evaluation of structure from motion for soil microtopography measurement. The photogrammetric record, 29(147), 297–316. DOI:10.1111/phor.12072

Nouwakpo, S. K., Weltz, M.A., and McGwire, K. (2016). Assessing the performance of structure-from-motion photogrammetry and terrestrial LiDAR for reconstructing soil surface microtopography of naturally vegetated plots. Earth Surfaces Processes and Landforms 41, 308–322. DOI: 10.1002/esp.3787

Nouwakpo, S.K., Toledo, D., Sanderson, M., and Weltz, M. (2019). Understanding the effects of grazing and prescribed fire on hydrology of Kentucky bluegrass–dominated rangelands in the northern Great Plains. Journal of Soil and Water Conservation, 74, 360-371. 10.2489/jswc.74.4.360.

Otvos, E.G. (1999). Rain-induced beach processes; landforms of ground water sapping and surface runoff. Journal of Coastal Research, 15(4), 1040–1054. https://www.jstor.org/stable/4299023

Passalacqua, P., Belmont, P., Staley, D. M., Simley, J. D., Arrowsmith, J. R., Bode, C. A., Crosby, C, DeLong, S. B., Glenn, N. F., Kelly S. A., and Lague, D. (2015). Analyzing high resolution topography for advancing the understanding of mass and energy transfer through landscapes: A review. Earth-Science Reviews, 148, 174–193. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2015.05.012

Perillo, G.M.E., and Piccolo, M.C (2011). Global Variability in Estuaries and Coastal Settings. In: E. Wolanski and D.S. McLusky (eds.), Treatise on Estuarine and Coastal Science, Vol 1, pp. 7–36. Waltham: Academic Press. 10.1016/B978-0-12-374711-2.00102-9.

Perillo, G.M.E., Nuciari, L., Alquinga Salazar, Y.C., Genchi, S.A., Perillo, V.L., and Piccolo, M.C. (2022). MiSMoS: a microscale morphology system. In Proceedings of the II Particles in the Americas Conference: 24.

Remondino, F., and Fraser, C. (2006). Digital Camera Calibration Methods: Considerations and Comparisons. International Archives of Photogrammetry. Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 36(5), 266–27. https://doi.org/10.3929/ethz-b-000158067

Sherman, D. J., Short, A. D., and Takeda, I. (1993). Sediment mixing-depth and bedform migration in rip channels. Journal of coastal research 15, 39–48. ISSN 0749-0208. DOI: 10.2307/25735722

Shukla, T., Tang, W., Trettin, C. C., Chen, G., Chen, S., and Allan, C. (2023). Quantification of microtopography in natural ecosystems using close-range remote sensing. Remote Sensing, 15(9), 2387. DOI:10.3390/rs15092387

Turner, I. L., Russell, P. E., and; Butt, T. (2008). Measurement of wave-by-wave bed-levels in the swash zone. Coastal Engineering, 55(12), 1237–1242. doi:10.1016/j.coastaleng.2008.09.009