MONITORING BARCELONA CITY BEACHES USING VIDEO (ARGUS) AND LASER (LIDAR) METHODS

Elena Ojeda

1*

, Jorge Guillén

1

and Antoni Ruiz

2

1

Dept. de Geología Marina y Oceanografía Física - Instituto de Ciencias del Mar (CMIMA-CSIC), Barcelona, Spain 

* eojeda@icm.csic.es

2

Institut Cartografic de Catalunya, Barcelona, Spain

Abstract

This contribution presents video camera and laser techniques describing the coastline evolution in Barcelona city beaches over a 4-month

period during 2002. LIght Detection And Ranging (LIDAR) measurements were obtained by the Institut Cartografic de Catalunya in April,

17 and July, 23, whilst Argus measurements were obtained from Mapfre station by the Instituto de Ciencias del Mar hourly from April to

July. Both techniques’ability to locate the coastline is compared, obtaining similar results. Argus high temporal resolution sampling in

conjunction with LIDAR three-dimensional view of the emerged beaches, more spaced in time, appears to be a valuable procedure for

monitoring the beaches.

Keywords: Argus, LIDAR, coastline evolution, Barcelona

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

61

Introduction

The objective of this study is to examine the evolution of three

beaches of Barcelona (Barceloneta, Nova Icaria and Bogatell) using

the technology provided by Argus and LIDAR (Fig. 1). 

Coastal cartography is one of the main applications of LIDAR. It

has many advantages over aerial photogrammetry in coastal areas,

accuracies around 10 cm in height and sampling densities around 1

point/m

2

are easy to achieve with the system.

Fig. 1. Top: studied beaches in Barcelona (UTM). Bottom. LIDAR and

Argus coastlines represented in local coordinates (meter). LIDAR in light

black line, Argus in bolded line.

Two ?ights were done in 2002, at an altitude of 2,300 m over the

coast of Barcelona to demonstrate the possibilities of this technique:

on April 17 and July 23. In both cases the point density was 0.5

point/m

2

and a digital terrain model (DTM) of 1-m grid step was

computed (1). 

The ARGUS system (2) is an automated video station, comprising

five video cameras connected to an image processor, which controls

the communication to the outside world. The station placed on 21

st

October 2001, monitors Barcelona city beaches (3). It is located atop

Mapfre building (approximately 146-m high) covering a 2-km radio

and spanning a 180º view. Sampling every daylight hour in a ten

minutes register (http://argus.cmima.csic.es).

Since Argus installation in October 2001, a highly energetic period

occurred in the region with important storms (November, December

2001; January, March 2002) producing extensive sediment transport

and severe erosion problems. Approximately a week prior to the first

?ight with LIDAR, a storm with E direction and significant wave

height (Hs) of 2.6 m (4)took place in the region (April, 11-12).

Moreover the beaches situation changed over the study period, due to

a second storm coming from the East (May 7-8), with maximum Hs

reaching 3.8 m (4). Finally, a beach nourishment (150 000 m

3

) was

carried out in Barceloneta and Bogatell beaches (June 13 to July 17). 

Coastline evolution

The impact of single storm events is derived from Argus images.

Extraction of coastlines and images examination reveals that, as

pointed above, the coastline previous to the May storm find an eroded

beach due to the unusually energetic wave pattern. This can explain

the fact that the beach erosion was of the same magnitude than during

the less energetic storm taken place in April. 

The storm occurred in May produced three different erosion patterns

on each of the beaches. Bogatell´s coastline suffered erosion/accretion,

eroding 10 m in the northern side and accreting around 5 m in southern

part. Nova Icaria did not show significant differences, whilst

Barceloneta suffered a landward migration of about 5 m. 

Nourishment took place from June 13 to July 5 in Bogatell and July

5 to 17 in Barceloneta. Using Argus images the nourishment effecti-

veness have been studied by means of temporal variations of the

coastline in given locations of Bogatell and Barceloneta. It has been

seen that the replenishment of the beaches evolves, with erosion

happening until some stabilization is reached. 

LIDAR versusArgus coastlines

An important point in this study is the comparison of the results

obtained using both methodologies. Two different coastlines were

derived from LIDAR. The first one using the texture of the DTM to

discriminate the sand from the sea. A shadow map was computed

from the DTM with a very low illumination source and the coastline

was drawn from this image. The second coastline was derived from

the intensity map of the pulse return. The most similar results were

obtained using the second method (Fig. 1).

With LIDAR the volumes of sand displaced can be accurately

measured from the differences of DTMs. As the sensor cannot take

bathymetric measurements, the sand added or removed under water is

not taken into account in the calculations. Using this method and the

LIDAR-derived coastlines it has been estimated in Bogatell an

increase in volume of around 24000 m

3

corresponding to an increase

in surface of 12000 m

2

. This corresponds to 2 m

3

/m of sand necessary

to get a coastline accretion of 1m. 

Conclusions

The study of Barcelona beaches using video images reveals that,

despite the fact that they are closed beaches due to man-made

structures, they have differential morphological evolution. Argus

provides high-resolution information about shoreline changes after

storms and beach nourishment. 

Argus and LIDAR methods offer similar results for measuring the

coastline position. LIDAR capability to measure 3D characteristics

supplies accurate measurement of volume changes in the emerged

beach.

Argus and LIDAR are complementary methods in morphodynamic

studies. It is suggested to combine both techniques in order to obtain

precise information of the beach evolution, persist in Argus continuous

sampling, adding 3D information from specific LIDAR surveys. 

References

1-Ruiz A., Kornus W.  2003 Experiencias y aplicaciones del LIDAR. V

Semana Geomática, 11.2.03 - 14.2.03, Barcelona.

2-Holman, R.A., Sallenger, A.H., Lippmann, T.C., Haines, J., 1993. The

application of video image processing to the study of nearshore processes.

Oceanography, 6(3): 78-85.

3-Guillén, J., Chic, O., Ojeda, E., Palanques, A., Aarnikhoff, S., 2003.

Monitorización de las playas de la ciudad de Barcelona utilizando

imágenes de video: evolución de la línea de costa en respuesta a

temporales y regeneración artificial (2001-2002). VII Jornadas Españolas

de Ingeniería de Costas y Puertos, Libro de Resúmenes, M. Losada,

M.Castillo (eds.) pp. 254-256.

4-Banco de Datos Oceanográficos de la Dirección General de Puertos y

Costas. Modelo WANA de generación de oleaje. Punto 2066051.