A Synoptic Review on Deriving Bathymetry Information Using Remote Sensing Technologies: Models, Methods and Comparisons

Abstract

This paper discusses the bathymetric mapping technologies by means of satellite remote sensing (RS) with special emphasis on bathymetry derivation models, methods, accuracies, advantages, limitations, and comparisons. Traditionally, bathymetry can be mapped using echo sounding sounders. However, this method is constrained by its inefficiency in shallow waters and very high operating logistic costs. In comparison, RS technologies present efficient and cost-effective means of mapping bathymetry over remote and broad areas. RS of bathymetry can be categorised into two broad classes: active RS and passive RS. Active RS methods are based on active satellite sensors, which emit artificial radiation to study the earth surface or atmospheric features, e.g. light detection and ranging (LIDAR), polarimetric synthetic aperture radar (SAR), altimeters, etc. Passive RS methods are based on passive satellite sensors, which detect sunlight (natural source of light) radiation reflected from the earth and thermal radiation in the visible and infrared portion of the electromagnetic spectrum, e.g. multispectral or optical satellite sensors. Bathymetric methods can also be categorised as imaging methods and non-imaging methods. The non-imaging method is elucidated by laser scanners or LIDAR, which measures the distance between the sensor and the water surface or the ocean floor using a single wave pulse or double waves. On the other hand, imaging methods approximate the water depth based on the pixel values or digital numbers (DN) (representing reflectance or backscatter) of an image. Imaging methods make use of the visible and/or near infrared (NIR) and microwave radiation. Imaging methods are implemented with either analytical modelling or empirical modelling, or by a blend of both. This paper presents the development of bathymetric mapping technology by using RS, and discusses the state-of-the-art S. D. Jawak et al. 148bathymetry derivation methods/algorithms and their implications in practical applications.

Use of Bathymetric and LiDAR Data in Generating Digital Elevation Model over the Lower Athabasca River Watershed in Alberta, Canada

“…In the literature, we observed that several spatial interpolation techniques were used to generate the bathymetry data based on survey samples depth, topographic data, and remote sensing based data, respectively [18,[26][27][28][29]. Among those, sample depths collected at various reaches of the river have been widely used for river bathymetry generation and hydrodynamic studies [30,31].…”

Research Bathymetry Mapping of Shallow Water Areas around Islands in the Truong Sa Archipelago by Deep - Remote sensing technology

“…Dữ liệu", sử dụng phần mềm ArcGIS tính hiện hiệu chỉnh bức xạ các kênh B2 và B3 theo công thức (1) và (2). Sau đó tính ảnh tỷ số theo công thức (9) với đầu vào là hai kênh ảnh B2 và B3 đã được hiệu chỉnh bức xạ, tức là: AnhTS = ln(B2)/ln(B3).…”

“…Theo truyền thống, chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp đo đạc trực tiếp sử dụng máy đo sâu hồi âm có khả năng tạo ra các điểm đo hoặc các trắc diện theo lát cắt có độ chính xác cao. Tuy nhiên, phương pháp này thường tốn kém, chịu ảnh hưởng của điều kiện khí hậu trên biển và cần phải tiếp xúc trực tiếp với các khu vực cần khảo sát, độ phân giải thời gian và không gian thấp [2]. Đối với các khu vực có điều kiện địa hình tự nhiên phức tạp không có sự sống hoặc các đảo đang tranh chấp có quân đội đồn trú tại nhiều căn cứ trên các đảo nhỏ và bãi đá ngầm, việc tiếp cận khu vực khảo sát gặp nhiều khó khăn.…”

A review of marine geomorphometry, the quantitative study of the seafloor

“…Methods based on electromagnetic radiations are limited to shallow waters because of light attenuation within the water column (Jawak et al, 2015). In theory, based on light penetration in coastal waters, depths down to 50 m could be retrieved (Speight and Henderson, 2010).…”

“…However, the practical limit varies with local sea conditions. A maximum of 30 m deep is usually achieved when local conditions are exceptionally good (Collet et al, 2000;Jawak et al, 2015), and most often a depth of 15 m is reported as being the performance limit of optical remote sensing for bathymetry retrieval (e.g. Stumpf et al, 2003).…”