Monitoring ephemeral river changes during floods with SfM photogrammetry

[EN]: Monitoring detailed topographic changes in rivers is an essential tool for understanding the morpho-sedimentary behavior of rivers. However, as the resolution of topographic reconstruction techniques improves, survey costs and the time consumed increase. In this paper, the emerging Structure from Motion Multi-View Stereo (SfM-MVS), a high resolution but low cost technique, is scrutinized to assess whether it constitutes a viable option for ‘change detection’ in ephemeral rivers. To that end, three photogrammetric flights were carried out to reconstruct the subsequent digital elevation models (DEMs) and quantify fluvial change caused by two floods in 2015 along a 6.5 km reach in an ephemeral gravel-bed river (Rambla de la Viuda; eastern Spain). The application of SfM-MVS resulted in a maximum point cloud density of 1295.4 pts/m2 and a DEM resolution of 3.11 cm/pix. Individual flights registered errors of 0.101, 0.171 and 0.083 m. Level of detection (LoD) of DEMs of difference (DoDs), i.e. topographic change detection, resulted in 0.198 and 0.190 between the first and second, and second and third flights respectively. Orthomosaics were also successfully created at a maximum resolution of 2.50 cm/pix. Analysis of the best configuration of SfM-MVS for ephemeral river monitoring indicated that a high overlap of photographs and, therefore, a large number of projections were critical for an efficient workflow and a high-quality model. To ensure model quality and survey efficiency, the following configuration is recommended: (1) overlap index of more than 20 projections, (2) flight distribution at two heights, and (3) the use of ground control points. SfM-MVS topographies and DoDs showed a discontinuous pattern represented by a succession of erosive-depositional sequences. Evolution of one of these sequences has been studied in detail and the legacy of a past mining pit was pointed out to be the principal driver for this morphosedimentary pattern. Change detection qua
[ES]: Para llegar a comprender el comportamiento morfosedimentario de los ríos es necesario realizar un seguimiento detallado de los cambios topográficos que tienen lugar en sus cauces. Sin embargo, cuanto mayor es la resolución de la técnica utilizada para la reconstrucción topográfia, el coste y el tiempo necesario para cubrir una cierta superficie se incrementa. En este trabajo se ha utilizado y comprobado la utilidad de la fotogrametría digital automática (Structure from Motion Multi-View Stereo: SfM-MVS), una técnica que puede alcanzar gran resolución a un bajo coste. Para ello se han llevado a cabo tres vuelos fotográficos para reconstruir el modelo digital de elevaciones (MDE) de un tramo de 6.5 km de la Rambla de la Viuda, un río efímero situado en el Levante español. Estos MDE fueron comparados entre sí para cuantificar las modificaciones producidas por dos inundaciones ocurridas en 2015. Se obtuvo una nube de puntos con una densidad máxima de 1295.4 pts/m2 y una resolución para el MDE de 3.11 cm/pixel. Los errores asociados a las tres topografías fueron de 0.101, 0.171 y 0.083 m, respectivamente. El nivel de detección de cambios (LoD) fue de ±0.198 y ±0.190 para los modelos digitales de las diferencias entre las superficies (DoDs), obtenidos entre el primero y el segundo, y el segundo y el tercer vuelo respectivamente. Como subproducto del procesamiento de las topografías se obtuvieron ortofotos con una resolución máxima de 2.50 cm/pix. En relación a la metodología se observó que para un flujo de trabajo eficiente y una reproducción topográfica fidedigna es crucial seguir estas recomendaciones: (1) mantener un alto grado de superposición entre fotografías, manteniendo un valor de número de proyecciones superior a 20, (2) distribuir el plan de vuelo en dos pasadas a dos alturas distintas, para ganar resolución a la par que superposición y (3) el uso de puntos de control fijos al sustrato rocoso, para evitar la gran inversión de tiempo que supone desplegar l