CCMORPH：海岸悬崖形态分析软件

软件X 22（2023）101386原始软件出版物CCMORPH-海岸悬崖形态分析Andrzej yskoa，，Witold Makówa，PaweForczmaskia，PaweTerefenkob，Andrzej Gizab，Jakub Gleledziowskib，Grzegorz Stalpiezovc，Arkadiusz Tomczakca计算机科学和信息技术学院，西波美拉尼亚理工大学，波兰什切青，邮编：71-210，b什切青大学海洋与环境科学研究所，波兰什切青，Mickiewicza 16，70-383c什切青海事大学航海系，波兰什切青，Waidoy Chrobrego 1/2，70-500ar t i cl e i nf o文章历史记录：2023年1月11日收到收到修订版，2023年3月23日接受，2023年数据集链接：https：//github。com/ZSIP/CCMORPH保留字：PythonJavaScript悬崖波罗的海沿岸监测队a b st ra ct海岸悬崖形态分析（CCMORPH）是一个PYTHON脚本和JavaScript工具的集合，用于生成专门针对海岸悬崖形态生成和定量分析的尽管专家们采用了许多方法从数字高程模型中提取沿海指标，但大多数方法都无法使软件代码重复所提出的过程。在这里，我们提供了一个易于访问的软件解决方案，演示了如何使用不同的科学方法从数字高程模型中自动提取线指标，并生成代表沿海悬崖动态的可比数据集版权所有2023作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本0.9用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-23-00029可复制胶囊的永久链接法律代码许可证MIT许可证使用git的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用Python、pandas、pandas、gdal、rasterio、numpy、fiona、shapely、scipy、JavaScript、leaflet.js编译要求、操作环境和依赖关系（如果可用），请链接到开发人员文档/手册问题支持电子邮件wmackow@zut.edu.pl1. 动机和意义悬崖海岸的形态变化的动力学往往非常强烈。沿海地区经常受到风、浪、风暴和潮汐。持续监测和研究这些变化对于管理和维持不同海岸保护系统与海洋活动自然进程之间的平衡极为重要[1海岸形态监测的第一个低成本方法之一是由Emery [6]提出的海滩剖面法，该方法使用两个极点进行测量。目前，海滩横截面数据是使用更现代的测量技术收集的，*通讯作者。电子邮件地址：andrzej. zut.edu.pl（Andrzej ysko）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2023.101386从传统的经纬仪或全站仪（测量水平和垂直角度、高度和距离），到当今最流行的测量方法之一，使用实时动态全球定位系统（GPS-RTK）[7]。在更先进的技术中，从摄影测量突袭、低成本无人机（UAV）和具有嵌入式GPS-RTK的更先进的UAV解决方案获取的航空图像这些解决方案适用于分析中等中尺度地区，并允许使用运动结构技术的海岸变化模型的比较。这些数据可用于创建点云，也可以进行3D可视化。然而，用于分析的初始材料是数字表面模型（DSM），其中还包括沙丘上生长的植被。获得准确的数字地形模型（DTM）需要使用GPS进行额外的测量，通常需要对点云进行手动分类[82352-7110/©2023作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxAndrzej Jumysko，Witold Majków，PawejForczmajkowski et al.软件X 22（2023）1013862最后，使用地面激光扫描（TLS）技术和航空光探测和测距（LiDAR）测量对海岸地貌进行测量和分析越来越受欢迎[15这些措施的优点包括快速收集高度精确的数据，并能够轻松地对点云进行分类，从而可以轻松获得详细的地形模型，不包括正在生长的植被。对于数据采集，最常分析的海岸悬崖变化要素（与上述测量结果相同）是通常使用海岸横截面获得的剖面和坡度特征[22这些后来被用于沿海悬崖环境中描述悬崖形态通过使用线条指标提取地貌特征，以便进行进一步的统计分析。这些包括海岸线后退和海滩宽度[25]，海滩和悬崖体积平衡[26]，悬崖脚和顶部后退[27]，以及悬崖坡度[28]。尽管有几项研究分析了悬崖上的体积变化，但大多数研究都假设操作员参与了悬崖底部和顶线识别程序，这些程序主要依赖于航空照片、地形图或现场调查[29通过近似海岸线和悬崖顶部之间的距离[33]或识别海滩剖面的坡度和曲率[27]，进行了几次自动划定的尝试。更先进的方法包括实施特定的解决方案，以解决具有许多海湾和海角的非常不规则的平面形状海岸线[34]，或使用从复杂悬崖的数字高程模型（DEM）中提取的跨海岸断面[35]。只有最后两个出版物启用了软件代码，允许重复拟议的过程。不幸的是，对大多数沿海科学家来说，地理和海洋学课程通常不包括信息学。这可能是在他们的项目中使用自动化的障碍。因此，尽管其优点和就业多年，定量海岸分析的自动化并不普遍的狭隘的学术研究谱系之外最后，在许多项目中，在不同的地理信息系统（GIS）软件包中手动提取了悬崖脚和悬崖边缘等形态指标认识到这一点，来自波兰三所大学（什切青西波美拉尼亚理工大学、什切青大学和什切青海事大学）的专题专家组成了波罗的海沿岸监测小组。他们开发了一个计划，旨在教地理和海洋学的学生信息基础知识和更先进的海岸分析自动化技术。伴随着开发的程序，代码库的开发，以展示一个端到端的自动化过程，以划定沿海悬崖海岸悬崖形态分析工具箱是一个软件开发工具包，适用于广泛的海岸变化应用。所设计的工具箱是一组相互关联的脚本，用于基于各种可用方法为沿海悬崖实现自动化过程。它有助于剖面的自动生成，用不同的技术从DEM中提取线指标，并生成代表海岸悬崖动态的可比数据集其结果是，所提出的工具箱作为一个交钥匙的应用程序，为新手用户，但也提供了一个存储库的关键子功能，用户获得更多的经验，开发他们的代码。计划在存储库中添加额外的脚本，这些脚本代表BCMT成员和外部用户描绘沿海指标的最终，所提出的工具的目标是绕过许多沿海地质学家和海洋学家的自动化过程这也提高了处理大型数据集的效率2. 软件描述CCMORPH工具箱是一系列Python脚本，配有一个JavaScript工具，可用于基于不同来源（如GPS-RTK、UAV和空中或地面LiDAR扫描仪）的DEM分析海岸悬崖的动态。Python脚本是基于客户端的（在本地运行），而JavaScript工具可以作为基于服务器的应用程序运行（在Web浏览器环境中）。这些脚本突出地实现了由子功能组成的处理管道，这些子功能实现了基本的海岸地貌指标计算。它们预先填充了示例性悬崖DEM，可以在下载后运行。为了适应其他数据集，用户需要提供海岸的DEM模型（GeoTIFF文件），与模型重合的海岸线（SHP文件）和感兴趣的区域（SHP文件）。2.1. 软件构架CCMORPH工具可分为四个部分：用户输入、数据预处理、形态指标计算和海岸形态特征生成（图1）。①的人。CCMORPH断面是根据海岸线生成的。样条的长度和间距等参数在程序配置中进行设置，并可根据需要手动更改。在每个样带周围设置缓冲区，并在此基础上对输入的DEM进行切割。进一步的样带叠加在裁剪的DEM模型上，并确定高度剖面。最后，轮廓被剪切到感兴趣的输入区域，并生成为CSV和GeoJSON文件。Generator-py输出记录包括裁剪的DEM模型、与其对应的边界框（BBOX）参数、面积和修剪的立面纵断面。计算形态指示器分量提供了用于计算崖脚和顶点的原点的各种数学函数。使用shaper-py子组件，用户可以使用以下两种方法之一来自动确定每个剖面上悬崖的底部和顶部：（1）通过近似海岸线和悬崖顶部之间的距离，以及（2）通过识别悬崖剖面的一阶和二阶导数。对于具有非常复杂形态的悬崖，自动方法无法在clik-the-coast. js上正确生成兴趣点，clik-the-coast. js是一个JavaScript程序，用户在其中手动选择每个剖面上悬崖的底部和顶部最后，CCMORPH为用户输出为每个剖面段确定的海岸地貌特征（analyzer-py）。计算了海滩和悬崖面的距离和体积以及悬崖坡度。结果输出保存为CSV文件，并将带有地理标记的底点和顶点列表（SHP格式）导出到用户指定的目录。3. 说明性实例该存储库有两组演示数据，并为处理这两组数据而预先填充。它们代表了在不同时间记录的同一段海岸，以便进行海岸变化比较。本节演示了使用所有方法来描绘沿海指标的两个数据集的处理顺序。示例数据集代表Miriddzyzdroje（波兰）的沿海悬崖。它由两个DEM模型组成，以光栅TIF文件的形式提供，并附有表示海岸线和感兴趣区域的shapefile（SHPAndrzej Jumysko，Witold Majków，PawejForczmajkowski et al.软件X 22（2023）1013863Fig. 1. 海岸悬崖形态分析（CCMORPH）工具箱存储库和工作流程。数据预处理流程：（1）样条生成，（2）缓冲区设置，（3）DEM裁剪，（4）样条叠加，（5）剖面高度确定，（6）剖面感兴趣区的实现，（7）裁剪剖面的输出。计算形态指标过程：（8）从生成器-py中拾取轮廓，（9）执行形态计算，（10）绘制顶部和用于click-the-coat.js应用程序的侧视图，（11）可选地手动选择悬崖的底部和顶部，（12）生成具有海岸形态特征的输出Andrzej Jumysko，Witold Majków，PawejForczmajkowski et al.软件X 22（2023）1013864安哥拉2+21±）h图二. 数据预处理结果的简化表示：A.垂直于输入海岸线（黑线）生成的横断面（红线），B.每个样带的数字高程模型，C.样条（黑线）和输入BBOX（绿色区域），以及D。悬崖纵断面的修剪高程示例（黑线）对于选定的样带（蓝色虚线）。（关于此图例中颜色的参考解释，请读者参考本文的网络版本用户首先运行数据预处理组件。的generator.py脚本创建了一系列的沿海配置文件perpendic-其中，a=h2−h1 b=h-h2−h1·d1（四）与特定海岸线点的切线垂直。 样带长度和它们之间的距离被设置为500，d2−d1d2−d150米，分别。 根据样带，确定DEM模型高度剖面，并将其保存在CSV文件中，其中包含裁剪后的DEM片段（图1）。 2）的情况。此外，脚本shaper-py加载输出数据并计算形态指示器。它会自动决定各点到直线的距离，对于以复合形式定义的直线的参数并且由于系数b（4）的零值-没有加法常数（直线通过起始点）-该距离由下式和悬崖顶部的每一个配置文件与两个选定的方法之一。第一种方法确定底部和顶部Di=−a·di+hi（五）点的悬崖，通过确定第一和第二衍生的配置文件（图。3）。在这种方法中，悬崖边D高通过确定最高负曲率值来定义，该最高负曲率值同时与轮廓上的高高度值相关联。同时，所确定的值高于所建立的阈值（在程序配置中设置），对于所分析的示例，该阈值为4 m为了澄清该点的位置，还假设，D高的值将被选择为对应于最高负曲率值的轮廓上的高度值，使得它将是5个测量点，其中心该区间是对应于最高负曲率值的点：Dhigh=hmax（hi−5，hi+5）（1）其中，i是确定最高负曲率值kmin的点的索引（编号）。使用以下公式确定曲率（kminh′′在实地勘测期间，操作员甚至可以在现场同样，在拟议的方法中，两种方法产生的结果可能因底点和顶点的位置而异。尽管如此，对于地形非常复杂的悬崖，自动方法无法正确确定搜索点，用户可以运行clik-the-coast.js。用户可以在这个JavaScript程序中为每个剖面手动选择悬崖的底部和顶部（图2）。 5）。数学函数和JavaScript程序生成输出，该输出包含保存到用户指定目录的底部和顶部点的导出地理标记列表（SHP格式），并且可以根据需要在地理信息系统软件中可视化（图1）。 6）。最后，CCMORPH用户运行最后一个脚本分析器-py来收集关于海岸特征的特定信息在此步骤中计算了海滩包含结果的输出保存为CSV文件。4. 影响k=（13′22（二）CCMORPH工具的主要影响是消除了许多地球科学家面临的自动化障碍，其中，h′是长度之后的高度的一阶导数，斜率（Slope）h"“是剖面长度后高度的二阶导数（斜率变化率第二种方法近似计算海岸线和悬崖顶部之间的距离（图4）。确定连接轮廓上的第一个点和最后一个点的直线，并计算位于轮廓上的各个点与该直线的距离。悬崖的底部位于距离具有最大负值的点处，边缘位于距离所确定的线具有最大正值的点处。基于两个点的知识，直线的一般方程的系数由以下关系式确定，其中点一对应于轮廓的开始，点二对应于轮廓的结束h=a·d+b（3）海洋学家和海岸工程师在他们的工作中实施例如，CCMOPH初始代码版本已被用于分析德国和波兰沿海悬崖侵蚀速率与选定变量之间的关系[36，37]，从而揭示了影响海滩和悬崖侵蚀的物理过程的复杂性和多样性海岸监测的定量技术是许多工程和研究项目的主要分析类型[38]。海岸的三维模型可以定量地用于提供有关海岸过程、海滩和悬崖地形、波浪和上升高度以及海岸侵蚀值估计的信息。最后，它们用于沿海决策过程，特别是在沿海保护规划期间[39]。最近出现的低成本和高质量的技术，如GPS-RTK接收器、带激光扫描仪的无人机和运动技术结构，使得监测过程1+Andrzej Jumysko，Witold Majków，PawejForczmajkowski et al.软件X 22（2023）1013865图三. 通过识别悬崖剖面的一阶导数和二阶导数，从两个数据集提取的海岸悬崖剖面上的底点和顶点位置示例：配置属性号7（2011），B.配置属性号16（2011），C.配置属性号7（2017）和D.配置属性号16（2017）。比以往任何时候都更容易获得。科学家和沿海官员现在可以及时对近岸进程作出反应和监测。所介绍的工具箱旨在为他们提供一个同样可访问的软件解决方案，使他们能够以较低的财务和时间运营成本对所获得的数据集CCMORPH海岸悬崖形态分析工具的开发对于从海岸三维数据集中提取形态参数的实际应用和研究是必要的例如，波兰海事办公室获得的沿海监测数据现在可以在获得数据后直接进行分析，因此，建议的工具箱旨在提供一个同样可访问的软件解决方案。其影响将是在不同空间尺度的多个地点增加定量沿海分析，这最终可能有助于减少全世界的沿海灾害。最后，快速和可访问的免费工具可以为验证沿海保护活动提供信息。5. 结论CCMORPH -沿海悬崖形态分析工具是一个软件开发工具包，适用于广泛的沿海变化应用。 它作为一系列Python脚本和JavaScript工具构建，旨在分析Andrzej Jumysko，Witold Majków，PawejForczmajkowski et al.软件X 22（2023）1013866见图4。 从两个数据集中提取的海岸悬崖剖面上的底点和顶点的位置示例，通过近似海岸线与崖顶A.配置属性号7（2011），B.配置属性号16（2011），C.配置属性号7（2017），D.配置属性号16（2017）。基于不同来源的DEM（如GPS-RTK、无人机和空中或地面激光雷达扫描仪）的海岸悬崖动态。专家们采用了许多方法从不同的DEM中提取海岸指标，除了CliffMetrics [34]和CliffDelineaTool [35]之外，所有这些方法都没有启用允许重复拟议过程的软件代码。该工具箱使三种不同的方法能够在操作上划定沿海指标。演示数据教授基础知识，但也可以很容易地过渡到操作数据处理的应用程序竞合利益作者声明以下经济利益/个人关系可能被视为潜在的竞争利益：Terefenko报告说，波兰国家科学中心提供了财政支持。吉萨报告说，欧洲区域发展基金提供了财政支持。数据可用性https://github.com/ZSIP/CCMORPH致谢这项研究由波兰国家科学中心资助，项目编号为2020/39/B/ST10/01122，项目名称为用于软件测试的数据储存库由欧洲联盟通过“海洋学数据和信息系统eCUDO.pl”项目（合同号POPC.02.03.01- 00-0062/18-00）供资，该项目在Andrzej Jumysko，Witold Majków，PawejForczmajkowski et al.软件X 22（2023）1013867图五. clik-the-coastJavaScript应用程序的示例图形用户界面（GUI）见图6。数字高程模型数据集中底部（绿点）和顶部（红点）的可视化示例。蓝线表示输入海岸线位置。使用Qgis2threejs在QGIS中可视化。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版。）Andrzej Jumysko，Witold Majków，PawejForczmajkowski et al.软件X 22（2023）1013868引用[1] 作者：J.J. 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