Space-time variability of coastal morphology: results from vídeo remote sensing

A habilidade de prever mudanças morfológicas nas regiões costeiras é restringida pela falta de dados observacionais com suficiente resolução espacial e temporal. Com o desenvolvimento do sensoriamento remoto, esse problema pode ser minimizado, especialmente com o uso de câmeras de vídeo para o estudo de regiões costeiras. Os objetivos dessa tese são, através do uso de imagens de vídeo, (1) desenvolver um método robusto para extrair a localização da linha de costa; (2) analisar um conjunto de dados inéditos de 26 anos de imagens diárias; (3) caracterizar as escalas espaciais e temporais da variação da linha de costa em um local representativo, a praia de Duck, NC; (4) testar esse método em uma praia reflectiva e com cúspides, a praia de Massaguaçu localizada no litoral brasileiro; (5) descrever recentes observações de feições morfológicas de meso-escalas associadas a um canal de marés usando uma técnica óptica inovadora e documentar as taxas e padrões de migração dessas feições morfológicas em New River Inlet, NC. Um modelo foi desenvolvido, chamado ASLIM (Augmented ShoreLine Intensity Maxima) para extrair as posições da linha de costa baseado na intensidade máxima observada nas imagens de exposição (timex) através de um ajuste Gaussiano com um subsequente filtro Kalman filtro, este para reduzir incertezas e ruídos. O ASLIM quando comparado com dados do levantamentos batimétricos mostrou um boa correlação com coeficiente de 0.85, estatisticamente significativo). As ondas foram caracterizadas em termos da altura significativa e os componentes longitudinal e transversal do fluxo de energia da onda (Px e Py, respectivamente). Menos de 2\\% da altura da onda é explicada por escalas maiores do que um ano. 66\\% da variância foi explicada por períodos maiores do que o ciclo anual, apesar do fato das forçantes (ondas) serem dominadas por períodos curtos (menores que 20 dias). O primeiro modo da EOF para a variação da linha de costa contém 49\\% da variância e representou o movimento transversal da linha de costa. O segundo modo (26\\% da variância) está associado com a alternância de sinais de acresção em cada lado píer, enquanto que os modos mais altos (7\\% e 5.6\\%) descrevem os efeitos locais do píer. O píer apresentou uma influência significativa no comportamento da linha de costa, à qual estende-se a 500 metros ao norte e sul do píer, duas vezes mais do que os valores assumidos por estudos anteriores. O píer restringe o transporte longitudinal sazonal entre a parte sul (verão) e a parte norte (inverno), resultando em uma acumulação de sedimentos sazonalmente reversa no lado up-drift da deriva. Sinais de erosão foram encontrados ao lado down-drift do píer e que propagam-se 1200 m/ano para longe do píer. A linha de costa apresentou uma tendência à erosão apenas no lado norte do píer, esta erosão pode estar relacionada com a tendência de aumento do transporte longitudinal para o norte, que é bloqueado devido ao píer, gerando uma acumulação na parte sul do píer e erosão na parte norte. O método ASLIM também foi testado na Praia de Massaguaçu e mostrou ser uma valiosa ferramenta para investigar variabilidade da linha de costa. Nossas observações em New River Inlet (NC), revelaram um complexo de bancos de espraiamento e feições arenosas de meso-escalas que migraram em um padrão coerente horário onde nas regiões offshore migraram em direção contrária a desembocadura do rio enquanto que as feições na região próxima a costa, migraram em direção ao canal. Para quantificar de forma objetiva as taxas e padrões de migração um algoritmo foi desenvolvido (LLSA - Lagged Least Square Algorithm) usando sequências de imagens de exposição (timex). Esse método compara diferentes imagens que possuem diferentes intervalos de tempo, e encontra o intervalo (lag) onde essas imagens são similares. A taxa média de migração encontrada foi de 1.53 m/dia (com desvio padrão de 0.76 m/dia). 72\\% das taxas estimadas foram maiores que 1.0 m/dia, 31\\% foram maiores que 2 m/dia, e as taxas máximas encontradas foram 3.5 m/day, em 23 dias. As taxas de migração média longitudinais mostraram um nó em 110 metros da linha de costa que separa as feições que migram para longe do canal (offshore) e para a linha de costa. O padrão circular pareceu ser consistente com o fluxo residual esperado em um delta de maré vazante. Em conclusão, nossos resultados mostraram que o uso de câmeras de vídeo são uma ótima ferramenta para fornecer informações sobre a dinâmica de morfologias costeiras com alta resolução temporal e espacial, de curto à longo-prazo.The ability to predict changes of the coastal morphology has been restricted by the lack of observational data in a sufficient spatial and temporal coverage. With the advent of remote sensing, the low spatial and temporal resolution could be overcome, especially with the development of video cameras to study nearshore environments. The goals of this thesis are, using remote sensing techniques, to (1) develop a robust method for extracting shoreline locations; (2) analyze a unique 16 and 26-year record of daily to hourly video images; (3) characterize the space-time scales of shoreline variability at a representative site at Duck, NC; (4) test this method at a reflective and cuspy beach at Massaguaçu Beach located at Brazilian coast; (5) describe recent observations of meso-scales morphology associated with tidal inlets using an innovative optical method and document rates and patterns of migration of these features at New River Inlet, NC. A model was developed, called ASLIM (Augmented ShoreLine Intensity Maxima) to extract the shoreline positions based on fitting the band of high light intensity in time exposure images to a local Gaussian fit with a subsequent Kalman filter to reduce noise and uncertainty. The ASLIM model showed good agreement with survey data (correlation coefficient of 0.85, significant at 95\\% confidence level). Wave forcing was characterized in terms of the significant wave height and the cross-shore and longshore components of wave energy flux. 66\\% of the shoreline variability was explained by periods longer than the annual cycle, despite the fact that wave forcing is dominated by shorter periods. The first EOF mode of shoreline variability contained 49\\% of the variance and represented the cross-shore movement (landward- seaward) of the shoreline. The second mode (26\\% of the variance) is associated with alternating accretion signals on either side of the pier, while the next two higher EOFs (7\\% and 5.6\\%) describe the local pier effects. The pier was found to have a significant influence on shoreline behavior that extends out to 500 meters, nearly twice the length scales assumed by previous studies. The pier restricts seasonal longshore transport from the south (summer) and north (winter) sides, resulting in a seasonally-reversing sediment accumulation on the up-drift side. Erosion signals on the down-drift side of the pier were found propagate away from the pier at 1200 m/year. A shoreline erosion trend that was found only on the north side of the pier may be related to the trend found in the alongshore transport, that it is increasing toward the north and is being blocked by the pier. The ASLIM method was also tested at Massaguaçu Beach and showed to be a valuable tool to investigate shoreline variability processes. Our observations, at New Rivet Inlet (NC), revealed a complex set of swash bars and meso-scale sand banks that migrated in a coherent clockwise pattern with movement in offshore regions being away from the inlet mouth while nearshore migration was back toward the inlet. To quantify migration rates and patterns objectively based on sequences of time exposure images, a Lagged Least Squares Algorithm (LLSA) was developed that found the vector migration rate for which the suite of lagged images were most similar, computed on a tile-by-tile basis. The mean migration rate was found to be 1.53 m/day (standard deviation of 0.76 m/day). 72\\% percent of estimated rates were greater than 1.0 m/day, 31\\% percent were larger than 2.0 m/day, and the maximum rate round was 3.5 m/day, averaged over 23 days. Alongshore averages of cross-shore migration rates showed a node at 110 m from the shoreline that separates migration away from the inlet (offshore) from migration toward the inlet near the shore. The circular pattern of migration appeared to be consistent with expected residual flow on an ebb delta. In conclusion, our results showed that the use of video cameras are a useful tool for providing information about the dynamics of coastal morphologies with a high temporal and spatial resolution, from short to long-term