The sediment dynamics along the Belgian shoreline, studied with airborne imaging spectroscopy ...

223 Pages·2007·10.25 MB·English

Universiteit Gent
Faculteit Wetenschappen
Vakgroep Geologie en Bodemkunde
Renard Centre of Marine Geology

The sediment dynamics along the Belgian
shoreline, studied with airborne imaging
spectroscopy and LIDAR

Bart Deronde

Scriptie voorgedragen tot het behalen van
de graad van Doctor in de Wetenschappen,
Richting Geologie

Gent, 2007
The sediment dynamics along the Belgian
shoreline, studied with airborne imaging
spectroscopy and LIDAR

Bart Deronde

Promotor
Prof. Dr. Jean-Pierre Henriet
Vakgroep Geologie en Bodemkunde
Renard Centre of Marine Geology
Krijgslaan 281- S8
9000 Gent

Co-promotor Co-promotor
Dr. Vera Van Lancker Dr. Rik Houthuys
Vakgroep Geologie en Bodemkunde Zelfstandig Geograaf
Renard Centre of Marine Geology Suikerkaai 8
Krijgslaan 281- S8 1500 Halle
9000 Gent
Dankwoord
September 2000, een
mooie nazomerdag,
ergens in duinen van
Oostduinkerke…
Ik zat de
doctoraatsthesis van
Valéry Gond te
lezen, een boeiend
werk over het
gebruik van lage
resolutie teledetectie
voor de opvolging
van de Afrikaanse
Savanne. Als logisch vervolg op mijn licentiaatverhandeling zou ik ook een doctoraat
maken, toegepast op de vegetatie in Afrika. Nu ik zeven jaar later in diezelfde duinen
rondloop, kan ik niet anders dan erom glimlachen. Van de vegetatie in Zuidoost-Afrika
naar het strand aan onze Belgische kust. Van de verre droom terug stevig met mijn
voeten op de grond, de grond waar ik als kleine rakker graag rondliep. Het kan
verkeren…
Eén en ander heb ik te danken aan een aantal mensen bij de Afdeling Kust (Vlaamse
Overheid) in Oostende. Ik denk hierbij in het bijzonder aan ir. Peter De Wolf, ir. Toon
Verwaest, ir. Stefaan Gysens, en ir. Kevin Delecluyse, die VITO een aantal jaren
onderzoeksopdrachten toevertrouwden i.v.m. de opvolging van onze stranden d.m.v.
hyperspectrale teledetectie. Dit onderzoek vormde de basis voor deze thesis en ik ben
deze personen daar dan ook oprecht dankbaar voor. Maar, mijn collega’s zullen het
beamen, vooraleer je op VITO een leuk onderzoeksproject kan uitvoeren, moet je het
eerst zien binnen te halen! De onderzoeker als sales manager… dit ware echter nooit
gelukt zonder de steun van een aantal gedreven VITO’ers; ik denk hierbij in de eerste
plaats aan Dirk Fransaer die ondanks zijn functie van afgevaardigd bestuurder steeds
de tijd vond om me te helpen dit onderzoek naar VITO te halen en het met interesse op
te volgen. Maar op VITO zijn er nog veel meer mensen die ik van harte wil danken en
zonder wie dit werk er nooit was geweest. Het is een cliché zo hoog als de
appartementen op de zeedijk, maar het is de enige waarheid. In de eerste plaats mijn
schitterende collega’s van de hyperspectrale groep, Koen, Els, Sindy, Ils, Luc, Pieter,
Marcel en Johan. Hun vakkennis heeft mij vaak de nodige duw in de rug gegeven op
de punten waar ik tekort schoot. Mijn zeer sterke appreciatie hiervoor. Ook Walter, die
aan de basis ligt van het hyperspectrale gebeuren in VITO, verdient een bijzonder
woord van dank, net als Jurgen, Gil en Dirk. Stuk voor stuk steengoede en fijne
collega’s waar ik dagelijks veel van opsteek en die ik erg waardeer.
Een bijzondere vermelding in dit rijtje verdient Rik Houthuys. Deze halve VITO’er,
die net iets te ver van VITO woont om een hele VITO’er te worden, heeft me
eenvoudigweg álles over de kust geleerd. Als er al iemand is waarmee dit doctoraat
staat of valt, is het zeker Rik. Rik, ik ben je hiervoor als collega en als vriend uiterst
dankbaar.
Maar, -vergeef me de volgorde, in een verhaal staat de ‘clou’ ook nooit vooraan- er is
nog een belangrijke schakel in dit verhaal. En ik zou geen goede geograaf zijn als ik
deze niet halverwege tussen VITO en de kust zou hebben gezocht. Prof. Jean-Pierre
Henriet en dr. Vera Van Lancker van het Renard Centre of Marine Geology in Gent
ben ik erg dankbaar omdat zij me de kans hebben geboden dit doctoraat uit te werken.
Ondanks het feit dat ik niet volledig in het plaatje van de vakgroep paste -ik zat immers
in een vliegtuig en niet op een boot-, hebben zij dit doctoraat steeds loyaal gesteund.
Een oprechte dank u, Vera en Prof. Henriet!
En dan, “Doe er toch maar mee voort”, “Je weet nooit waarvoor dat goed kan zijn”, “Je
hebt er nu al zo veel voor gedaan”, “Komaan Bart!”. Zonder twijfel waren mijn ouders,
mijn kameraden (dank voor de leuke cartoon, Bart!) en vooral mijn Liesbetje in dit
werk de belangrijkste schakels. Hen voldoende bedanken is niet eens mogelijk op dit
A4’tje…
Tot slot dank ik alle nalezers van dit werk en alle leden van de lees- en
examencommissie voor hun waardevolle bijdrage.

Mol, juni 2007
Contents
List of Acronyms.............................................................................................................1
Summary.........................................................................................................................3
Samenvatting..................................................................................................................7
Structure of the thesis...................................................................................................11
Chapter 1 Introduction...............................................................................................15
1.1 Background and motivation..........................................................................15
1.2 Introduction to airborne imaging spectroscopy..............................................18
1.2.1 Historical development.............................................................................18
1.2.2 Fundamental principles............................................................................20
1.2.3 Applications.............................................................................................23
1.3 Introduction to LIDAR.................................................................................25
1.4 Introduction to classification techniques........................................................28
Chapter 2 Study area: the Belgian North Sea Beach..................................................31
2.1 Geological background.................................................................................31
2.1.1 Introduction and literature overview.........................................................31
2.1.2 Palaeogene Deposits.................................................................................32
2.1.3 Quaternary Sediments..............................................................................33
2.2 Present-day geomorphological characteristics................................................35
2.3 Man made structures and interventions..........................................................38
2.4 Reference TAW levels..................................................................................42
Chapter 3 Airborne and ground truth data................................................................45
3.1 Airborne data................................................................................................45
3.2 Ground truth data..........................................................................................46
3.2.1 Sedimentological analysis of the ground truth data....................................47
3.2.2 The spatial variation of the median grain size............................................49
3.2.3 The spatial variation of the sorting............................................................49
3.2.4 The spatial variation of the total carbonates content...................................53
3.2.5 The spatial variation of the total organic matter content.............................53
3.2.6 The spatial variation of the total iron content.............................................53
Chapter 4 SAM classifier applied to beach sand classification and combination of
imaging spectroscopy & LIDAR for sediment transport monitoring..........................55
4.1 Abstract........................................................................................................55
4.2 Introduction..................................................................................................56
4.3 Methodology................................................................................................56
4.4 Results of hyperspectral data analysis............................................................60
4.5 Results of LIDAR data analysis.....................................................................64
4.6 Combination of LIDAR data and hyperspectral data......................................65
4.7 Discussion....................................................................................................70
4.8 Conclusions..................................................................................................71
Chapter 5 Linear discriminant classifier and feature selection in support of sediment
ecotope mapping............................................................................................................73
5.1 Abstract........................................................................................................73
5.2 Introduction..................................................................................................74
5.3 Study area.....................................................................................................75
5.4 Methodology................................................................................................77
5.4.1 Instrumentation and data collection...........................................................77
5.4.2 Image Analysis.........................................................................................78
5.4.3 Ground truthing........................................................................................79
5.5 Results..........................................................................................................80
Contents
5.5.1 Median grain size.....................................................................................81
5.5.2 Water content...........................................................................................84
5.5.3 Chlorophyll-a concentration.....................................................................84
5.5.4 Total organic matter content.....................................................................86
5.5.5 Ecotope map............................................................................................89
5.6 Discussion....................................................................................................90
5.7 Conclusions..................................................................................................90
Chapter 6 Sediment facies classification of a sandy shoreline by means of airborne
imaging spectroscopy....................................................................................................90
6.1 Abstract........................................................................................................90
6.2 Airborne datasets..........................................................................................90
6.2.1 AISA-Eagle.............................................................................................90
6.2.2 HyMap....................................................................................................90
6.3 Ground truthing............................................................................................90
6.4 Methodology................................................................................................90
6.4.1 Linear Discriminant Analysis (LDA)........................................................90
6.4.2 SAM classifier.........................................................................................90
6.4.3 Feature selection by means of sequential floating forward search (SFFS)..90
6.5 Results.........................................................................................................90
6.5.1 Linear Discriminant Classifier in combination with SFFS.........................90
6.5.2 SAM classifier.........................................................................................90
6.5.3 Impact of the band width on the classification accuracy............................90
6.5.4 Impact of the spectral range on the classification accuracy........................90
6.6 Discussion....................................................................................................90
6.7 Conclusions..................................................................................................90
Chapter 7 Monitoring of the sediment dynamics along a sandy shoreline by means of
airborne hyperspectral remote sensing and LIDAR, a case study in Belgium............90
7.1 Abstract........................................................................................................90
7.2 Methodology................................................................................................90
7.3 Results.........................................................................................................90
7.3.1 Case study: The West Coast in Koksijde...................................................90
7.3.2 Case study: The Middle Coast in Zeebrugge.............................................90
7.3.3 Case study: The East Coast in Knokke-Heist.............................................90
7.4 Discussion....................................................................................................90
7.5 Considerations regarding future monitoring strategies....................................90
7.6 Conclusions..................................................................................................90
Chapter 8 Analysis of the sediment transport along the Belgian shoreline in the
period 2000 – 2006.........................................................................................................90
8.1 Introduction to the methodology....................................................................90
8.2 Information on the maps produced................................................................90
8.3 Analysis per coastal unit...............................................................................90
8.3.1 French border – Nieuwpoort.....................................................................90
8.3.2 Nieuwpoort – Oostende............................................................................90
8.3.3 Oostende – Blankenberge.........................................................................90
8.3.4 Blankenberge – Zeebrugge.......................................................................90
8.3.5 Heist – Zwin channel................................................................................90
8.4 Summary of the sediment transport in the period 2000-2006..........................90
Chapter 9 Discussion...................................................................................................90
9.1 The beach dynamic behaviour in the period 2000 – 2006...............................90
9.2 Hyperspectral remote sensing for beach monitoring.......................................90
9.3 Future monitoring strategy............................................................................90
Conclusions...................................................................................................................90
References.....................................................................................................................90
List of publications........................................................................................................90
List of Acronyms
AISA Airborne Imaging Spectrometer for Applications
ASD Analytical Spectral Devices, Inc.
BSI Beach State Index
CAR Carbonates
CASI Compact Airborne Spectrographic Imager
D50 Median Grain Size
DEM Digital Elevation Model
DTM Digital Terrain Model
ED-XRF Energy Dispersive X-Ray Fluorescence
FA Factor Analysis
FWHM Full Width at Half of Maximum
GPS Global Positioning System
1
HALE-UAV High Altitude Long Endurance – Unmanned Aerial Vehicle
HyMap Hyperspectral Mapper
ICZM Integrated Coastal Zone Management
IMU Inertial Measurement Unit
INS Inertial Navigation System
IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change
IS Imaging Spectroscopy
LDA Linear Discriminant Analysis
LDC Linear Discriminant Classifier
LIDAR LIght Detection And Ranging
ORG Organic Matter
NAP Nieuw Amsterdams Peil
PCA Principal Component Analysis
PDF Probability Density Function
S Sorting
SAM Spectral Angle Mapper
SFFS Sequential Floating Forward Search
SWIR Short-Wave InfraRed light
TAW Tweede Algemene Waterpassing
VIS VISible light
VNIR Visible and Near InfraRed light

2