Visualisatie van de kust in 3D-puntenwolken

De Nederlandse kust wordt sinds de 19e eeuw gemonitord en de variaties worden in kaart gebracht om de veiligheid te bewaken. Met de zeespiegelstijging wordt dit nog belangrijker. Nieuwe visualisatietechnieken helpen hierbij.

Om te kunnen inspelen op de zeespiegelstijging en om de waterveiligheid te garanderen wordt de kustontwikkeling nauwlettend gemonitord. De hoogte van de kust, vanaf 20 meter waterdiepte tot de top van de duinen, wordt jaarlijks met hydrografie, vliegtuigen en laserapparatuur in kaart gebracht. Deze metingen leveren grote 3D-puntenwolken op. Gewoonlijk worden de puntenwolken omgezet naar een raster en gevisualiseerd in een hoogtekaart. Nieuwe visualisatietechnieken kunnen echter meer informatie uit de 3D-puntenwolken halen.

Strandpalen

Rond 1840 werden op initiatief van waterbouwkundige Jan Blanken op het strand en in de duinen de eerste houten palen geplaatst. Ze maakten deel uit van het zogeheten Rijksstrandpalenstelsel. De afstand van de strandpaal tot de zee en tot het duin werd jaarlijks gemeten en genoteerd in strandboeken.

Rond 1880 kregen de strandpalen bouten om ook een indicatie van de hoogte van het strand vast te leggen – eerst ten opzichte van de hoogwaterstanden, later ten opzichte van het NAP (Normaal Amsterdams Peil).

Sinds 1964 houdt Rijkswaterstaat de stranden en duinen uitgebreider in de gaten en meet jaarlijks de hoogte langs 2370 zogeheten Jarkus-profielen, dit zijn meetpunten met een onderlinge afstand van 5 meter op een denkbeeldige profiellijn. Dat gebeurde aanvankelijk met waterpassing en tegenwoordig met laseraltimetrie (hoogtebepaling met laser) vanuit een vliegtuig.

Puntenwolken

De puntenwolken die met de laserscanner zijn ingemeten worden doorgaans omgezet naar een raster dataset. De honderden miljoenen punten worden via interpolatie teruggebracht tot een behapbaar aantal. Daarbij wordt de waarde van een rastercel berekend door het gemiddelde te nemen van de ‘ruwe’ punten binnen het gekozen rastervlak (figuur 1). Bij de interpolatie gaan echter wel veel details verloren en wordt er informatie ‘bij verzonnen’.

Dankzij recente ontwikkelingen in de hard- en software is het steeds beter mogelijk om rechtstreeks met ruwe puntenwolken te werken. Dat levert detailwinst op, waarmee je nieuwe aspecten kunt monitoren. Zoals kortetermijnontwikkelingen in een relatief klein gebied.

Visualisatie

Van een behoorlijke afstand bekeken lijkt er weinig verschil tussen het raster en de puntenwolk. Maar ingezoomd is veel meer detail zichtbaar wanneer de puntenwolk direct wordt omgezet in een topografisch beeld.

Om veranderingen in hoogte beter te visualiseren, kun je allerlei technieken gebruiken. Denk aan de hoogte overdrijven, verschillende kleurcontrasten gebruiken en schaduwtechnieken toepassen. In figuur 2 zijn de hoogteverschillen in een deel van de Hondsbossche duinen bij Camperduin in beeld gebracht met een schaduwtechniek. Figuur 2a-b is gebaseerd op een raster dataset. Figuur 2c-d op een puntenwolk dataset. In de puntenwolk is veel meer detail in de duinen te zien. Zo is er langs de duinrand een rietscherm geplaatst om zand in te vangen. Dit rietscherm is veel helderder zichtbaar in de puntenwolk. Vóór het rietscherm is de aangroei van embryonale duintjes zichtbaar.

Met de 3D-puntenwolk zijn kleine morfologische veranderingen dus goed in beeld te brengen. De verandering in de tijd kan hier nog een vierde dimensie vormen, waarbij je kijkt op korte en/of lange termijn. Zo kun je dus ook nagaan op welke plekken er in een bepaalde periode veel zand wegspoelt en waar er zand bijkomt. Figuur 3 toont opnieuw de Hondsbossche duinen met het rietscherm. Dit keer is het verschil in hoogte tussen 2017 en 2018 gevisualiseerd. Ook hier geeft de puntenwolk duidelijk meer detail.

In Noordwijk wordt puntenwolkmonitoring uitgevoerd vanaf een vast meetpunt op de grond. Hier staat een laserscanner op het balkon van hotel Huis ter duin. De scanner is van het onderzoeksproject Coastscan van de Technische Universiteit Delft en maakt elk uur een opname op centimeterschaal. Zo kunnen de Delftse onderzoekers over een korte periode naar (kleine) veranderingen kijken. Dit is bijvoorbeeld interessant tijdens een storm. Figuur 4 geeft de hoogte van de kust vóór de storm Ciara (februari 2020) en tijdens de storm weer. Tijdens deze storm ontstonden ribbels op het strand, die na de storm niet meer te zien waren.

Puntenwolken zijn vooral interessant voor onderzoek op een klein oppervlak. Sommige details kunnen namelijk belangrijk zijn om de dynamiek van de kust over een groot gebied beter te begrijpen. Het direct gebruik van puntenwolken in plaats van geïnterpoleerde raster datasets kan dan zeer interessante extra informatie opleveren op korte termijn voor onderzoek van kustdynamiek en beleidsontwikkeling.

Ynke Schreijer rondde in 2021 haar master Geographical Information Management and Applications (GIMA) af en Sander Vos is werkzaam aan de Technische Universiteit Delft en onderzoeksbureau Baars-CIPRO in Lijnden.