Feasibility of close-range thermal infrared remote sensing for monitoring cold climate rivers: Methodology for assessing thermal and hydraulic properties of flowing water surfaces

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2024-06-10

Department

Major/Subject

Water and Environmental Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Water and Environmental Engineering (WAT)

Language

en

Pages

78

Series

Abstract

River water temperature and flow rate are fundamental variables driving riverine processes studied by scientific community and considered in water resources and river basin management. As a result of recent advances in sensor technology, photogrammetry and image velocimetry techniques, close-range remote sensing using thermal infrared cameras offers an alternative approach for conventional temperature and flow monitoring techniques. This study tests feasibility of thermal infrared imaging in river water surface temperature and flow monitoring in sparsely studied northern latitudes where hydrological and thermal regime is dominated by large seasonal variation, and the amount of visible light is seasonally limited. Thermal imaging data from unmanned aerial vehicle (UAV) and statically installed cameras were acquired from two hydrologically different Finnish river sites. These were coupled with reference data measured with handheld temperature sensor, acoustic doppler current profiler (ADCP) and RTK-GPS. Workflows combining photogrammetry, image velocimetry and post-processing of the images were applied for retrieval of river water temperatures and surface flow velocities from the datasets. Validation of the water surface temperatures of orthorectified mosaics from aerial thermal imagery showed mean absolute error (MAE) of 0.33–0.62 °C with respect to temperature reference measurements. Image velocimetry analyses of surface flow velocities from static camera videos showed good validation accuracy against ADCP measurements with space time image velocimetry (STIV) method (0.2 %–16.0 % deviation) and weak accuracy with large scale image velocimetry (LSPIV) method (87 %–100 % deviation). Using validated parametrisation of STIV method, analyses of the hourly time series revealed seasonal variations of surface flow velocities and hydro-climatological differences between the two sites. Major limitations of the demonstrated approach in temperature retrieval were related to margin of uncertainty, extensive post-processing and dependence on in-situ reference measurements for validation. Image velocimetry approach employing STIV proved as computationally efficient and robust in all lighting conditions. Outcome of the study proposes close ranging thermal infrared remote sensing as a promising novel approach for upscaling spatial resolution of conventional temperature measurements and spatio-temporal resolution of conventional flow monitoring.

Jokivesien lämpötila ja virtaama ovat keskeisiä virtaavan veden prosesseja ohjaavia muuttujia, joita tarvitaan tieteellisessä tutkimuksessa ja vesivarojen hallinnassa. Viimeisin kehitys sensoriteknologiassa, fotogrammetriassa sekä kuvantulkintaan perustuvissa virtausnopeuden määritysmenetelmissä tarjoavat vaihtoehtoisen lähestymistavan perinteisille veden lämpötilan ja virtaaman mittausmenetelmille. Tässä työssä arvioidaan lämpökuvaamisen soveltuvuutta jokivesien pintalämpötilojen ja -virtausten tarkkailussa vähän tutkituilla pohjoisilla leveysasteilla, joissa vuodenaikojen vaihtelulla on suuri vaikutus vallitsevaan hydrologiaan ja veden lämpötiloihin sekä näkyvän valon määrä on kausittaisesti rajallista. Tutkimusaineisto hankittiin lämpökameroilla kuvaamalla miehittämättömästä ilma-aluksesta sekä staattisesti asennetuista lämpökameroista kahdelta hydrologisesti erilaiselta jokikohteelta Suomessa. Täydentävää referenssiaineistoa kerättiin käsikäyttöisellä lämpötila-anturilla, ultraäänitutkalla (ADCP) sekä RTK-GPS-paikannuslaitteella. Jokivesien lämpötilat ja pintavirtausnopeudet analysoitiin soveltamalla fotogrammetriaa, kuvantulkintaan perustuvia virtausanalyyseja sekä kuvien jälkikäsittelyä. Ilmakuvamosaiikeista analysoitujen jokivesien lämpötilojen keskimääräinen absoluuttinen virhe referenssimittauksiin nähden oli 0.33–0.62 °C. Kuvatulkintaan perustuvat pintavirtausanalyysit staattisesti asennettujen lämpökameroiden videoista ilmensivät hyvää tarkkuutta (0.2 %–16.0 % poikkeama) space time image velocimetry (STIV)-menetelmällä ja heikkoa tarkkuutta (87 %–100 % poikkeama) large scale image velocimetry (LSPIV)-menetelmällä verrattuna ADCP mittauksiin. STIV-pintavirtausanalyysi tunnittaisista aikasarjoista ilmensi onnistuneesti kausittaisia hydroklimatologisia eroja tutkimusjokien välillä. Merkittävimmät rajoittavat tekijät jokivesien lämpötilojen analysoinnissa liittyivät mittaustulosten virhemarginaaliin, työlääseen jälkikäsittelyyn sekä riippuvuuteen kentällä tehtävistä referenssimittauksista. Kuvatulkintaan perustuva pintavirtausanalyysi STIV-menetelmällä osoittautui laskennallisesti tehokkaaksi ja vakaaksi vaihtelevissa valaistusolosuhteissa. Työn tulosten perusteella lämpösäteilyyn perustuva lyhyen etäisyyden kaukokartoitus näyttäytyy lupaavana uutena lähestymistapana perinteisten lämpötila- ja virtaamamittausten ajallisen ja paikallisen tarkkuuden lisäämisessä.

Description

Supervisor

Lotsari, Eliisa

Thesis advisor

Välimäki, Juha-Matti

Keywords

remote sensing, thermal imaging, hydrology, ecohydraulics, photogrammetry, image velocimetry

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202406164357

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG