Гидрографическая съемка — это наука об измерении и описании особенностей, которые влияют на морское судоходство, морское строительство, дноуглубительные работы, морские ветряные электростанции, морскую разведку нефти , бурение и связанную с ними деятельность. Также могут проводиться исследования для определения маршрута подводных кабелей, таких как телекоммуникационные кабели, кабели, связанные с ветряными электростанциями, и силовые кабели высокого напряжения постоянного тока. Особое внимание уделяется зондированию, береговой линии, приливам, течениям, морскому дну и подводным препятствиям, которые связаны с ранее упомянутой деятельностью. Термин «гидрография» используется как синоним для описания морской картографии , которая на заключительных стадиях гидрографического процесса использует необработанные данные, собранные в ходе гидрографических исследований, в информацию, пригодную для использования конечным пользователем .
Гидрографические данные собираются в соответствии с правилами, которые различаются в зависимости от принимающего органа. Исследования , которые традиционно проводились судами с помощью зонда или эхолота , на мелководье все чаще проводятся с помощью самолетов и сложных электронных сенсорных систем. [ нужна цитата ]
Морская съемка — это особая дисциплина гидрографических исследований, в первую очередь занимающаяся описанием состояния морского дна и состояния подводной нефтепромысловой инфраструктуры, которая с ним взаимодействует.
Гидрографические управления произошли от военно-морского наследия и обычно находятся в национальных военно-морских структурах, например, в испанском Instituto Hidrográfico de la Marina . [1] Координация деятельности этих организаций и стандартизация продукции добровольно объединяются с целью улучшения гидрографии и безопасного мореплавания, проводимой Международной гидрографической организацией (МГО). МГО публикует стандарты и спецификации [2] , за которыми следуют ее государства-члены, а также меморандумы о взаимопонимании и соглашения о сотрудничестве [3] с интересами гидрографических исследований.
Результат такой гидрографии чаще всего можно увидеть на морских картах, публикуемых национальными агентствами и требуемых Международной морской организацией (ИМО), [4] Безопасностью человеческой жизни на море (СОЛАС) [5] и национальными правилами, которые необходимо соблюдать. суда в целях безопасности. Эти диаграммы все чаще предоставляются и используются в электронной форме в соответствии со стандартами МГО.
Государственные учреждения ниже национального уровня проводят или заключают контракты на гидрографические исследования вод, находящихся под их юрисдикцией, используя как внутренние, так и контрактные активы. Такие исследования обычно проводятся национальными организациями или под их контролем или в соответствии с утвержденными ими стандартами, особенно когда они используются для целей составления и распространения карт или дноуглубительных работ в водах, контролируемых государством.
В Соединенных Штатах сбор и публикация данных исследований координируются с Национальным набором гидрографических данных. [6] Государственные экологические организации публикуют гидрографические данные, относящиеся к их миссии. [7]
Коммерческие организации также проводят крупномасштабные гидрографические и геофизические исследования, особенно в дноуглубительных работах, морском строительстве, разведке нефти и бурении. Промышленные предприятия, прокладывающие подводные кабели связи [8] или энергетические [9], требуют детального обследования кабельных трасс перед прокладкой и все чаще используют при проведении исследований оборудование акустической съемки, ранее использовавшееся только в военных целях. [10] Существуют специализированные компании, у которых есть оборудование и опыт для заключения контрактов как с коммерческими, так и с государственными организациями для проведения таких исследований.
Компании, университеты и инвестиционные группы часто финансируют гидрографические исследования общественных водных путей до освоения территорий, прилегающих к этим водным путям. Изыскательские фирмы также заключают контракты на проведение изысканий в поддержку проектных и инжиниринговых фирм, которые работают по контракту на крупные государственные проекты. [11] Частные изыскания также проводятся перед дноуглубительными работами и после их завершения. Компании, имеющие большие частные причалы, доки или другие прибрежные сооружения, регулярно обследуют свои объекты и открытую воду возле своих объектов, равно как и острова в районах, подверженных переменной эрозии, например, на Мальдивах.
История гидрографических исследований восходит почти к истории мореплавания . [12] На протяжении многих столетий гидрографические исследования требовали использования поводковых тросов – веревок или тросов с маркировкой глубины, прикрепленных к свинцовым грузам, чтобы один конец опускался на дно при спуске с борта корабля или лодки – и измерительных столбов. это были шесты с отметками глубины, которые можно было высовывать за борт до тех пор, пока они не коснулись дна. В любом случае измеренные глубины приходилось считывать и записывать вручную, как и положение каждого измерения относительно нанесенных на карту опорных точек, определяемых трехточечными фиксациями секстанта . Этот процесс был трудоемким и длительным, и, хотя каждое отдельное измерение глубины могло быть точным, даже тщательное обследование на практике могло включать лишь ограниченное количество измерений зондирования относительно обследуемой территории, что неизбежно оставляло пробелы в охвате. между зондированиями. [12]
В 1904 году в гидрографию были введены проводные исследования, и Николас Х. Хек из Береговой и геодезической службы США сыграл заметную роль в разработке и совершенствовании этой техники в период с 1906 по 1916 год . Между двумя точками протягивался трос, прикрепленный к двум кораблям или лодкам и установленный на определенной глубине системой грузов и буев. Если бы проволока столкнулась с препятствием, она натянулась бы и приняла бы V-образную форму. Расположение буквы «V» показывало положение затопленных камней, затонувших кораблей и других препятствий, а глубина, на которой был установлен трос, показывала глубину, на которой было обнаружено препятствие. [12] Этот метод произвел революцию в гидрографических съемках, поскольку позволил провести более быстрое, менее трудоемкое и гораздо более полное обследование территории, чем использование направляющих линий и зондирующих столбов. С точки зрения навигационной безопасности, исследование с помощью троса не упустит опасность для навигации, выступающую за пределы глубины троса.
До появления гидролокатора бокового обзора съемка с помощью провода была единственным методом поиска на больших площадях препятствий и потерянных судов и самолетов. [14] Между 1906 и 1916 годами Хек расширил возможности систем протаскивания проводов с относительно ограниченной территории до зачистки каналов шириной от 2 до 3 морских миль (от 3,7 до 5,6 км; от 2,3 до 3,5 миль). [15] Техника перетаскивания проводов была важным вкладом в гидрографические исследования на протяжении большей части оставшейся части 20-го века. Исследование с помощью проволочного кабеля в Соединенных Штатах было настолько ценным, что на протяжении десятилетий Береговая и геодезическая служба США, а затем Национальное управление океанических и атмосферных исследований выставила на вооружение пару однотипных кораблей идентичной конструкции специально для совместной работы над такими исследованиями. USC&GS Marindin и USC&GS Ogden вместе проводили проволочные исследования с 1919 по 1942 год, USC&GS Hilgard (ASV 82) и USC&GS Wainwright (ASV 83) вступили во владение с 1942 по 1967 год, а USC&GS Rude (ASV 90) (позже NOAAS Rude (S 590) ) ) и USC&GS Heck (ASV 91) (позже NOAAS Heck (S 591) ) работали вместе над операциями по перетаскиванию проводов с 1967 года. [12] [14] [16] [ 17] [18] [19]
Появление новых электронных технологий – гидролокаторов бокового обзора и многолучевых систем обзора – в 1950-х, 1960-х и 1970-х годах в конечном итоге сделало систему протаскивания устаревшей. Сонар бокового обзора может создавать изображения подводных препятствий с той же точностью, что и аэрофотосъемка , а многолучевые системы могут генерировать данные о глубине для 100 процентов дна на исследуемой территории. Эти технологии позволили одному судну делать то, что для проволочной съемки требовалось сделать двум судам, и в начале 1990-х годов исследования с протаскиванием наконец прекратились. [12] [15] Суда были освобождены от совместной работы над проводными исследованиями, а в Национальном управлении океанических и атмосферных исследований США (NOAA), например, Руд и Хек в последние годы своей жизни действовали независимо. [14] [19]
Однолучевые эхолоты и саженемеры начали поступать на вооружение в 1930-х годах, которые использовали гидролокатор для измерения глубины под судном. Это значительно увеличило скорость получения данных зондирования по сравнению с возможной с помощью направляющих линий и измерительных столбов, поскольку позволило собирать информацию о глубинах под судном в серии линий, расположенных на определенном расстоянии. Однако он имел слабость более ранних методов, поскольку не имел информации о глубине для участков между полосами морского дна, которые прощупывало судно. [12]
Многолучевой эхолот (MBES) — это тип гидролокатора , который используется для картографирования морского дна . Он излучает акустические волны в форме веера под приемопередатчиком . Время , необходимое звуковым волнам для отражения от морского дна и возвращения в приемник, используется для расчета глубины воды . В отличие от других гидролокаторов и эхолотов , MBES использует формирование луча для извлечения информации о направлении из возвращающихся звуковых волн, создавая серию измерений глубины из одного сигнала.
Явное включение таких фраз, как: «Для всех исследований MBES в LINZ интенсивность обратного рассеяния с географической привязкой и высоким разрешением должна регистрироваться и отображаться как результаты исследования». [20] . является ценным инструментом торговли. [ нужна ссылка ] [ нужны разъяснения ]
Внедрение мультиспектральных многолучевых эхолотов [21] продолжает траекторию технологических инноваций, предоставляя гидрографическому сообществу более совершенные инструменты для более быстрого получения более качественных данных для многократного использования. Многоспектральный многолучевой эхолот является кульминацией многих прогрессивных достижений в гидрографии с первых дней акустических зондирований, когда основной проблемой силы отраженных от дна эхосигналов было то, будут ли они достаточно большими, чтобы их можно было заметить (обнаружить). . Рабочие частоты первых акустических зондов были в первую очередь основаны на способности магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов, физические размеры которых можно было изменять с помощью электрического тока или напряжения. В конце концов стало очевидно, что, хотя рабочая частота первых однолучевых акустических эхолотов практически не влияла или вообще не влияла на измеренные глубины, когда дно было твердым (состоящим в основном из песка, гальки, булыжника, валунов или камня), наблюдалась заметная частотная зависимость измеренных глубин при мягком дне (состоящем преимущественно из ила, ила или хлопьевидных взвесей). [22] Было замечено, что высокочастотные однолучевые эхолоты с вертикальным лучом могут обеспечивать обнаруживаемые амплитуды эха от отложений с высокой пористостью, даже если эти отложения кажутся акустически прозрачными на более низких частотах.
В конце 1960-х годов однолучевые гидрографические исследования проводились с использованием широко разнесенных линий пути, и в придонных данных сохранялись мелководные (пиковые) зондирования, а не более глубокие зондирования в записи зондирования. В тот же период первый гидролокатор бокового обзора был внедрен в оперативную практику гидрографических съемок на мелководье. Частоты первых гидролокаторов бокового обзора были вопросом инженерной целесообразности, и наиболее важным аспектом эхо-сигналов бокового обзора была не величина их амплитуд, а то, что амплитуды были пространственно переменными. Действительно, по областям отсутствия обнаруживаемых амплитуд эха (теней) [23] в 1979 г. в надежде на технологическое решение проблемы была получена важная информация о форме дна и искусственных объектах на дне. Для проведения исследований в «плавучей грязи» директор Национальной службы океанических исследований (NOS) создал исследовательскую группу NOS для проведения исследований с целью определения функциональных характеристик сменного эхолота для мелководья. [24] Результатом исследования стал класс эхолотов с вертикальным лучом, который до сих пор широко используется. Он одновременно подавал сигналы на двух акустических частотах, разделенных более чем двумя октавами, производя измерения глубины и амплитуды эха, которые были одновременными как в пространстве, так и во времени, хотя и под одним вертикальным углом скольжения. [ нужны разъяснения ]
Первое поколение MBES было посвящено картированию морского дна на большой глубине. Первопроходцы MBES практически не использовали амплитуды или вообще не использовали их, поскольку их целью было получение точных измерений батиметрии (представляющей как пики, так и глубины). Кроме того, их технические характеристики не позволяли легко наблюдать пространственные изменения амплитуд эха. [25] После первых батиметрических исследований MBES и в то время, когда одночастотный гидролокатор бокового обзора начал давать высококачественные изображения морского дна, которые были способны обеспечить определенную степень различения между различными типами отложений, потенциал эхосигнала были распознаны амплитуды от MBES. [26]
С введением Марти Кляйном двухчастотного (номинально 100 кГц и 500 кГц) гидролокатора бокового обзора стало очевидно, что совпадающее в пространстве и времени обратное рассеяние от любого данного морского дна на этих двух широко разнесенных акустических частотах, вероятно, обеспечит два отдельных и уникальных изображения этого морской пейзаж. Следует признать, что озвучивание вдоль пути и диаграммы направленности приемного луча были разными, и из-за отсутствия батиметрических данных точные углы скольжения обратного рассеяния были неизвестны. Однако перекрывающиеся наборы углов скольжения бокового сканирования поперек пути на двух частотах всегда были одинаковыми. [ нужны разъяснения ]
После того, как в 1992 году судно «Куин Элизабет-2» село на мель у Кейп-Код , штат Массачусетс , [27] акцент на съемках на мелководье сместился в сторону съемок с полным охватом дна за счет использования MBES с увеличением рабочих частот для дальнейшего улучшения пространственного разрешения зондирований. Учитывая, что гидролокатор бокового обзора с его веерообразной полосой озвучивания поперек пути успешно использовал поперечные вариации амплитуд эхо-сигнала для получения высококачественных изображений морского дна, казалось естественным развитием Модель озвучивания, связанная с новым монотонным высокочастотным MBES на мелководье, также может быть использована для получения изображений морского дна. Изображения, полученные в ходе первоначальных попыток получения изображений дна с помощью MBES, были не столь блестящими, но, к счастью, улучшения не замедлили произойти.
Сонар бокового обзора анализирует непрерывные отраженные эхо-сигналы от приемного луча, который идеально совмещен с лучом озвучивания, используя время после передачи - метод, который не зависит от глубины воды и угла раскрытия поперечного луча приемного преобразователя сонара. Первоначальная попытка создания многолучевых изображений использовала несколько приемных лучей, которые лишь частично перекрывали веерообразный луч озвучивания MBES, чтобы сегментировать непрерывные отраженные эхо-сигналы на интервалы, которые зависели от глубины воды и угла раскрытия поперечного луча приемника. Следовательно, сегментированные интервалы были неоднородными как по продолжительности, так и по времени после передачи. Обратное рассеяние от каждого сигнала в каждом из анализируемых сегментов луча было уменьшено до одного значения и присвоено тем же географическим координатам, что и координаты измеренного зондирования этого луча. В последующих модификациях изображений дна MBES последовательность эхо-сигналов в каждом интервале анализа луча была обозначена как фрагмент. [28] При каждом пинге каждый фрагмент каждого луча дополнительно анализировался в соответствии со временем после передачи. Каждому из измерений амплитуды эха, выполненных в рамках фрагмента конкретного луча, было присвоено географическое положение на основе линейной интерполяции между позициями, присвоенными измерениям, измеренным в этом импульсе в двух соседних поперечных лучах. Модификация фрагмента изображения MBES значительно улучшила качество изображения за счет увеличения количества измерений амплитуды эхо-сигнала, доступных для визуализации в виде пикселя изображения, а также за счет более равномерного пространственного распределения пикселей в изображении, которое представляет собой фактическое изображение. измеренная амплитуда эха.
Внедрение мультиспектральных многолучевых эхолотов [ необходимы разъяснения ] [29] продолжило прогрессивное развитие гидрографии. В частности, многоспектральные многолучевые эхолоты не только обеспечивают «множественные» измерения глубины морского дна, но также предоставляют данные многоспектрального обратного рассеяния, которые пространственно и временно совпадают с этими измерениями глубины. Многоспектральный многолучевой эхолот напрямую вычисляет положение начала каждой амплитуды обратного рассеяния в наборе выходных данных. Эти положения основаны на самих измерениях обратного рассеяния, а не на интерполяции из какого-либо другого производного набора данных. Следовательно, мультиспектральные многолучевые изображения более четкие по сравнению с предыдущими многолучевыми изображениями. Присущая точность батиметрических данных многоспектрального многолучевого эхолота также является преимуществом для тех пользователей, которые могут попытаться использовать функцию углового отклика акустического обратного рассеяния для различения различных типов отложений. Многоспектральные многолучевые эхолоты подтверждают тот факт, что совпадающее в пространстве и времени обратное рассеяние от любого морского дна на широко разнесенных акустических частотах дает отдельные и уникальные изображения морского ландшафта. [30]
Краудсорсинг также проникает в гидрографическую съемку с такими проектами, как OpenSeaMap , [31] TeamSurv и ARGUS. Здесь суда-добровольцы записывают данные о местоположении, глубине и времени, используя свои стандартные навигационные инструменты, а затем данные подвергаются постобработке для учета скорости звука, приливов и других поправок. При таком подходе нет необходимости в специальном исследовательском судне или в присутствии на борту профессиональных геодезистов, поскольку их опыт заключается в обработке данных, которая происходит после загрузки данных на сервер после рейса. Помимо очевидной экономии средств, это дает еще и непрерывное обследование территории, но недостатками являются время на набор наблюдателей и получение достаточно высокой плотности и качества данных. Хотя иногда этот подход имеет точность до 0,1–0,2 м, он не может заменить строгое систематическое обследование там, где это необходимо. Тем не менее, результаты часто достаточны для многих требований, когда исследования с высоким разрешением и высокой точностью не требуются, недоступны или просто еще не проводились.
В подходящих мелководных районах можно использовать лидар (обнаружение света и определение дальности). [32] Оборудование может быть установлено на надувных судах, таких как «Зодиаки» , малые суда, автономные подводные аппараты (АНПА), необитаемые подводные аппараты (НПА), аппараты с дистанционным управлением (ROV) или большие корабли, и может включать в себя системы бокового обзора, однолучевые и многолучевое оборудование. [33] Когда-то при сборе гидрографических данных для обеспечения безопасности на море, а также для научных или инженерных батиметрических карт использовались разные методы и стандарты сбора данных, но все чаще, с помощью усовершенствованных методов сбора и компьютерной обработки, данные собираются в соответствии с одним стандартом. и извлекаются для конкретного использования.
После сбора данных они должны пройти постобработку. Во время типичного гидрографического исследования собирается огромный объем данных, часто несколько зондирований на квадратный фут . В зависимости от конечного использования данных (например, навигационные карты , цифровая модель местности , расчет объема для дноуглубительных работ , топография или батиметрия ) эти данные должны быть прорежены. [ необходимы разъяснения ] Также необходимо исправить ошибки (т. е. неправильные измерения), а также влияние приливов , качки , уровня воды [34] [35] [36] солености и термоклинов (разниц температуры воды), таких как скорость Звук меняется в зависимости от температуры и солености и влияет на точность. Обычно геодезист имеет на месте дополнительное оборудование для сбора данных для измерения и записи данных, необходимых для корректировки измерений. Окончательный результат диаграмм может быть создан с помощью комбинации специального программного обеспечения для построения диаграмм или пакета автоматизированного проектирования (САПР), обычно Autocad . [ нужна цитата ]
Хотя точность краудсорсинговых исследований редко может достигать стандартов традиционных методов, используемые алгоритмы полагаются на высокую плотность данных для получения окончательных результатов, которые более точны, чем одиночные измерения. Сравнение краудсорсинговых опросов с многолучевыми опросами показывает, что точность краудсорсинговых опросов составляет от плюс-минус 0,1 до 0,2 метра (около 4-8 дюймов). [ нужна цитата ]
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)NOAA поддерживает огромную базу данных результатов исследований, диаграмм и данных на сайте NOAA.