《Estuarine, Coastal and Shelf Science》：Monitoring the morpho dynamics of nearshore environment utilizing a cost-effective video beach monitoring system
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低成本低成本视频海滩监测系统（VBMS）在印度东海岸Rushikonda蓝旗海滩的应用研究表明，通过安装35米高塔上的摄像头（每日06:00-18:00记录，分辨率1280×720），结合QCIT工具处理视频数据，成功实现了海滩形态（沙洲、海滩 cusps）和rip currents的动态监测。季节分析显示，季风期（TBR形态）和低能期（反射性海滩）与沙洲迁移、rip currents活动存在显著相关性，DGPS验证岸线提取精度达1.6米。漂流浮标和Rhodamine-B染色实验进一步确认了rip currents峰值流速0.34 m/s。该系统为海滩安全管理和侵蚀防治提供了实时高分辨率数据支持。
Madipally Ramesh|Chintam Venkateswarlu|Surisetty V.V. Arun Kumar|Baggu Gireesh|Chennu V. Naidu V|L. Sheela Nair|Rashmi Sharma
印度喀拉拉邦蒂鲁瓦纳坦普拉姆市，地球科学部所属的国家地球科学研究中心
摘要
本研究介绍了一种低成本的视频海滩监测系统（VBMS），用于持续实时监测印度蓝旗认证海滩Rushikonda附近的近岸地貌动态。这是印度东海岸首个此类系统，专注于近岸地貌动态和沿岸流过程的研究。该系统安装在35米高的塔上，提供了从2022年9月到2023年9月一年的高分辨率视频图像。使用定量海岸成像工具箱（QCIT）将视频数据处理成正射校正的标准图像产品，包括Timex、Bright、Dark和时间堆叠图像。我们开发了内部算法，用于从Timex图像中分析海滩地貌动态和沿岸流。该系统成功捕捉到了关键近岸过程，如海滩和冲浪区的形态、海滩尖端、沙洲和沿岸流。季节性变化分析显示，海滩宽度与冲浪区宽度之间存在反比关系，这受到季风和晴朗天气期间波浪能量的影响。海滩尖端间距得到了量化，与理论模型一致；沙洲的形成则展示了它们对波浪作用和沉积物动态的响应。从视频图像中提取的海岸线与DGPS测量结果进行了验证，RMSE约为1.6米。研究期间海滩状态分类显示，在季风季节和季风过后形成了横向沙洲和沿岸流（TBR）；在低波浪能量的晴朗天气条件下（12月至3月），海滩呈现反射特性；而在5月由于高波浪活动，海滩呈现耗散特性。2022年10月使用Timex图像识别并分析了沿岸流活动，并通过拉格朗日漂流器测量和罗丹明-B染料实验进一步验证了结果。结果证实，在高能量条件下存在持续的沿岸流通道，漂流器轨迹与视频图像中观察到的沿岸流路径高度吻合。染料追踪实验记录的沿岸流峰值速度约为0.34米/秒。本研究强调了视频图像及相关工具、分析和现场实验在高分辨率、时空监测海岸地貌动态方面的实用性。将视频数据与现场观测相结合，显著提高了对季节性和事件驱动的海岸变化的理解。最终，该研究突显了视频图像在为Rushikonda等海滩提供可持续海岸管理和侵蚀缓解策略的关键见解方面的有效性。
引言
海岸地区受到自然和人为过程的共同影响，波浪、水流、风和潮汐之间的动态相互作用决定了冲浪区的行为。海滩由从细泥到巨石不等的沉积物组成，主要受波浪作用塑造。沉积物大小、波高、周期和潮差等关键因素在决定其地貌特征方面起着重要作用（Short, 2006）。典型的海岸地貌特征包括海滩宽度、海岸线、冲浪区宽度、冲刷区、海滩尖端、沙洲和沿岸流通道。海滩宽度是一个关键维度，影响着沉积物预算、地貌演变、生态功能以及支持人类活动和基础设施的能力（Davidson-Arnott等人，2019；Davidson-Arnott, 1988）。海滩地貌动态分类描述了由破碎波高度（Hb）、峰值周期（Tp）、春潮范围（TR）和沉积物大小（Anthony, 1998；Jackson等人，2022；Levoy等人，2000）驱动的海滩状态转换。海滩尖端是呈新月形的海岸线特征，具有有节奏的起伏，其特征是角对角的序列。尖端的角部分向海突出，而海湾则是向陆地倾斜的缓坡（Komar, 1973）。尖端间距受横向冲刷运动的影响，范围从几米到几十米不等，尤其是在中等到粗粒沉积物的反射性海滩上，通常在低波浪能量和垂直于海岸的波浪作用下形成（Coco等人，2000；Holland, 1998）。冲浪区沙洲在波浪主导的沙滩上很常见，由沉积物输送和复杂的水动力过程塑造（Lippmann和Holman, 1989；Roelvink和Stive, 1989）。这些沙洲作为天然屏障，通过破碎和底部摩擦耗散波浪能量，有助于保护海岸线并减少侵蚀和海岸线变化（Angnuureng等人，2017；Phillips等人，2017；Tucker等人，1983）。然而，沙洲顶部强烈的波浪破碎会产生离岸流（回流），在风暴期间导致沙洲向海迁移（Gallagher等人，1998；Thornton等人，1996）。沿岸流对海滩游客构成重大威胁（Venkateswarlu等人，2023），在海岸线附近形成并延伸到破碎带，由于地形和波浪条件的变化而常常变得不可预测。
持续监测近岸地貌动态和季节性变化对于旅游规划、海岸工程设计、防护结构设计和长期海岸线管理至关重要。然而，传统的监测方法通常成本高昂、时间有限，并且在波浪能量大的冲浪区部署风险较高。卫星图像提供了更广泛的空间覆盖范围，但受到分辨率和天气条件的限制。相比之下，基于陆地的视频系统提供了一种低成本的选择，即使在能量大的事件期间也能进行连续的高分辨率观测，使其非常适用于研究海岸过程。20世纪80年代在俄勒冈州立大学开发的Argus视频监测系统通过自动化、长期的数据分析彻底改变了海岸研究（Aarninkhof等人，2003；Davidson等人，2007；Guedes等人，2011；Holland等人，1997；Holman等人，1993；Kroon等人，2007；Lippmann和Holman，1989；Ranasinghe等人，1999；Salmon等人，2007；Vousdoukas和Velegrakis，2009）。它启发了一系列系统的开发，如开源的SIRENA（Zarruka等人，2008）和COSMOS（Taborda和Silva，2012）等。Archetti等人（Archetti等人，2008）比较了ARGUS、EVS和KOSTA等系统（Nieto等人，2010），而Andriolo和Elena（2019）展示了“surfcam”图像在定量研究中的实用性。在印度，海滩监测技术的进步包括引入了视频海滩监测系统（VBMS）（Ramesh等人，2023, 2022, 2020）和基于智能手机的海滩监测系统（SBMS）（Surisetty等人，2024, 2023）。
当前的研究对印度东海岸一个蓝旗认证的海湾海滩的近岸地貌动态进行了全面的监测和季节性分析。它概述了使用低成本（约6,000美元）VBMS评估近岸地貌动态和分析沿岸流的系统方法。本研究的目标是提供实时数据，以监测Rushikonda海滩近岸地貌的季节性变化，并识别危险沿岸流热点区域，从而减少溺水事件。虽然主要目的是提高Rushikonda海滩的公共安全，但这些发现也可能为其他易受侵蚀和危险沿岸流影响的沿海地区提供类似措施的框架。
研究区域
Rushikonda海滩是安得拉邦著名的旅游目的地，也是该州唯一的蓝旗认证海滩，位于印度东海岸的Visakhapatnam，坐标为17° 46′ 54″ N, 83° 23′ 07″ E（图1）。这是一个海湾海滩，底部平坦，南侧有岩石露头，可自然抵御高波浪。然而，Rushikonda海滩面临季节性侵蚀和危险沿岸流的挑战（Arun Kumar等人，2021；Gireesh等人，2023；Surisetty等人
VBMS视频数据
VBMS（配备了一台分辨率为1280x720像素的Mobotix M16相机）被战略性地安装在Rushikonda海滩一个大约35米高的塔上（图2a）。该塔距离海岸线约120米。VBMS的视野（FOV）沿海岸延伸约1.2公里，横向延伸约1.0公里，在整个研究期间都能进行高质量的视频拍摄。
视频图像处理
正射校正是将倾斜的VBMS视频图像转换为海岸带准确空间表示的关键步骤（Andriolo和Elena，2019）。此过程包括相机校准和几何校正，以消除镜头畸变并确保图像中的真实空间对应关系。相机校准通过固有参数（焦距、主点、畸变系数、倾斜）和外部参数（位置和方向）定义相机模型。图像和像素产品
所有视频数据均通过标准视频图像处理程序进行了校正（见第4.1节），图3展示了在本地（图3a）和世界（图3b）坐标系中校正后的快照示例，以及相应的分辨率地图。这些校正后的图像提供了海岸线演变和水动力模式的空间一致表示，有助于进一步评估波浪行为、沉积物运动和地貌变化。讨论
本研究介绍了一种经济高效的VBMS，用于实时监测印度蓝旗海滩Rushikonda的近岸地貌动态。该系统以20分钟间隔连续记录视频（上午6:00至下午6:00），并将其处理成高分辨率图像产品。使用QCIT，校正后的视频帧被转换为统计图像产品，包括Timex、Bright、Dark和像素强度时间堆叠图像（Bruder和Brodie，2020；Holman等人，2017）。Timex图像证明了
结论
本研究展示了经济高效的VBMS在印度Rushikonda海滩提供连续高分辨率近岸地貌动态观测的能力。将Timex图像与校准的正射校正工作流程（QCIT）相结合，实现了海岸线位置、沿岸流通道几何形状、沙洲-尖端形成和冲浪区变化的准确空间重建。该系统有效检测并量化了季节性因素对海岸动态的响应。
CRediT作者贡献声明
Sheela Nair L：项目监督、项目管理、资金获取。C.V. Naidu：写作 – 审稿与编辑、监督、资源管理、资金获取。Rashmi Sharma：项目监督、项目管理、资金获取。Chintam Venkateswarlu：写作 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、数据分析、概念化。Ramesh Madipally：写作 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化。未引用的参考文献
Andriolo等人，2019；Arun Kumar等人，2021；Chickadel和Carmine，2007；Komar和Gaughan，1972。利益冲突声明
? 作者声明他们没有可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。致谢
作者衷心感谢空间应用中心（ISRO）和国家地球科学研究中心（NCESS），MoES，蒂鲁瓦纳坦普拉姆分部的资助和在整个研究过程中的坚定支持。特别感谢气象与海洋学系主任、SAC的ATVG/EPSA小组主任、安得拉邦旅游局局长以及Visakhapatnam警察局长的宝贵支持
