Гидрографическая съемка — это наука об измерении и описании особенностей, которые влияют на морскую навигацию, морское строительство, дноуглубительные работы , морские ветровые электростанции, морскую разведку нефти и бурение и связанную с этим деятельность. Обследования также могут проводиться для определения маршрута подводных кабелей, таких как телекоммуникационные кабели, кабели, связанные с ветровыми электростанциями, и силовые кабели HVDC. Особое внимание уделяется зондированиям, береговым линиям, приливам, течениям, морскому дну и подводным препятствиям, которые связаны с ранее упомянутыми видами деятельности. Термин гидрография используется как синоним для описания морской картографии , которая на заключительных этапах гидрографического процесса использует необработанные данные, собранные в ходе гидрографической съемки, в информацию, пригодную для использования конечным пользователем .
Гидрография собирается по правилам, которые различаются в зависимости от органа, принимающего решение. Традиционно проводимые судами с помощью промерной линии или эхолота , обследования все чаще проводятся с помощью самолетов и сложных электронных сенсорных систем на мелководье. [ необходима цитата ]
Морская съемка — это особая дисциплина гидрографической съемки, в первую очередь занимающаяся описанием состояния морского дна и состояния взаимодействующей с ним подводной инфраструктуры нефтяных месторождений .
Гидрографические службы произошли от военно-морского наследия и обычно находятся в национальных военно-морских структурах, например, в испанском Instituto Hidrográfico de la Marina . [1] Координация этих организаций и стандартизация продукции добровольно объединяются с целью улучшения гидрографии и безопасного судоходства и осуществляется Международной гидрографической организацией (МГО). МГО публикует стандарты и спецификации [2], которым следуют ее государства-члены, а также меморандумы о взаимопонимании и соглашения о сотрудничестве [3] с интересами гидрографических исследований.
Продукт такой гидрографии чаще всего можно увидеть на морских картах, издаваемых национальными агентствами и требуемых Международной морской организацией (ИМО), [4] Конвенцией по безопасности человеческой жизни на море (СОЛАС) [5] и национальными правилами для перевозки на судах в целях безопасности. Все чаще эти карты предоставляются и используются в электронной форме в соответствии со стандартами МГО.
Государственные организации ниже национального уровня проводят или заключают контракты на гидрографические исследования вод в пределах своей юрисдикции с использованием как внутренних, так и контрактных активов. Такие исследования обычно проводятся национальными организациями или под их контролем или в соответствии со стандартами, которые они одобрили, особенно когда они используются для целей составления и распространения карт или дноуглубления контролируемых государством вод.
В Соединенных Штатах существует координация с Национальным набором гидрологических данных по сбору и публикации данных обследований. [6] Государственные природоохранные 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 организации, устанавливающие подводные кабели связи [8] или электропитания [9], требуют детального обследования кабельных трасс перед установкой и все чаще используют оборудование для акустической визуализации, ранее применявшееся только в военных целях, при проведении своих обследований. [10] Существуют специализированные компании, которые имеют как оборудование, так и опыт для заключения контрактов как с коммерческими, так и с государственными организациями на выполнение таких обследований.
Компании, университеты и инвестиционные группы часто финансируют гидрографические исследования общественных водных путей перед разработкой территорий, прилегающих к этим водным путям. Изыскательские фирмы также заключают контракты на проведение исследований в поддержку проектных и инжиниринговых фирм, которые работают по контракту на крупные общественные проекты. [11] Частные исследования также проводятся перед дноуглубительными работами и после их завершения. Компании с большими частными причалами, доками или другими прибрежными сооружениями регулярно обследуют свои объекты и открытую воду около своих объектов, как и острова в районах, подверженных переменной эрозии, таких как Мальдивы.
История гидрографической съемки восходит почти к истории парусного спорта . [12] На протяжении многих столетий гидрографическая съемка требовала использования свинцовых линий — канатов или линий с отметками глубины, прикрепленных к свинцовым грузилам, чтобы один конец опускался на дно при опускании за борт корабля или лодки, — и измерительных шестов, которые представляли собой шесты с отметками глубины, которые можно было засунуть за борт, пока они не коснутся дна. В любом случае измеренные глубины приходилось считывать вручную и записывать, как и положение каждого измерения относительно нанесенных на карту опорных точек, определенных с помощью трехточечных секстантов . Процесс был трудоемким и отнимал много времени, и, хотя каждое отдельное измерение глубины могло быть точным, даже тщательное обследование на практике могло включать только ограниченное количество измерений глубины относительно обследуемой области, что неизбежно оставляло пробелы в охвате между измерениями. [12]
В 1904 году в гидрографию были введены исследования с помощью троса-волочения, и Николас Х. Хек из Береговой и геодезической службы США сыграл видную роль в разработке и совершенствовании техники в период с 1906 по 1916 год. [13] В методе троса-волочения трос, прикрепленный к двум кораблям или лодкам и установленный на определенной глубине системой грузов и буев, протаскивался между двумя точками. Если трос встречал препятствие, он натягивался и принимал форму буквы «V». Расположение буквы «V» показывало положение подводных камней, затонувших кораблей и других препятствий, в то время как глубина, на которой был установлен трос, показывала глубину, на которой было встречено препятствие. [12] Этот метод произвел революцию в гидрографической съемке, поскольку он позволял проводить более быстрое, менее трудоемкое и гораздо более полное обследование местности, чем использование свинцовых линий и измерительных шестов. С точки зрения безопасности мореплавания, съемка с помощью троса не пропустит опасность для судоходства, которая выступает выше глубины залегания троса.
До появления гидролокатора бокового обзора , съемка с помощью троса была единственным методом поиска больших площадей на предмет препятствий и потерянных судов и самолетов. [14] В период с 1906 по 1916 год Хек расширил возможности систем троса с помощью троса с относительно ограниченной области до охвата каналов шириной от 2 до 3 морских миль (от 3,7 до 5,6 км; от 2,3 до 3,5 миль). [15] Метод троса с помощью троса внес большой вклад в гидрографическую съемку в течение большей части оставшейся части 20-го века. Настолько ценной была съемка с помощью троса в Соединенных Штатах, что в течение десятилетий Береговая и геодезическая служба США, а позднее Национальное управление океанических и атмосферных исследований, выставляли пару однотипных судов одинаковой конструкции специально для совместной работы над такими съемками. USC&GS Marindin и USC&GS Ogden проводили совместные исследования методом протаскивания троса с 1919 по 1942 год, USC&GS Hilgard (ASV 82) и USC&GS Wainwright (ASV 83) работали 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 протаскиванию троса с 1967 года. [12] [14] [16] [17] [18] [19]
Рост новых электронных технологий — гидролокатора бокового обзора и многолучевых систем захвата — в 1950-х, 1960-х и 1970-х годах в конечном итоге сделал систему проволочного драгирования устаревшей. Гидролокатор бокового обзора мог создавать изображения подводных препятствий с той же точностью, что и аэрофотосъемка , в то время как многолучевые системы могли генерировать данные о глубине для 100 процентов дна в обследованной области. Эти технологии позволили одному судну делать то, что для обследования проволочным драгированием требовалось два судна, и обследования проволочным драгированием наконец прекратились в начале 1990-х годов. [12] [15] Суда были освобождены от совместной работы над обследованиями проволочным драгированием, и в Национальном управлении океанических и атмосферных исследований США (NOAA), например, Руд и Хек работали независимо в последние годы. [14] [19]
Однолучевые эхолоты и эхолоты начали вводиться в эксплуатацию в 1930-х годах, в которых для измерения глубины под судном использовался сонар . Это значительно увеличило скорость получения данных зондирования по сравнению с тем, что было возможно с помощью направляющих линий и измерительных шестов, позволяя собирать информацию о глубине под судном в серии линий, расположенных на определенном расстоянии. Однако он разделял слабость более ранних методов, поскольку не давал информации о глубине для областей между полосами морского дна, которые зондировало судно. [12]
Многолучевой эхолот (MBES) — это тип сонара , который используется для картирования морского дна . Он испускает акустические волны в форме веера под своим трансивером . Время , необходимое звуковым волнам для отражения от морского дна и возвращения к приемнику, используется для расчета глубины воды. В отличие от других сонаров и эхолотов , MBES использует формирование луча для извлечения направленной информации из возвращающихся звуковых волн, создавая полосу глубинных зондирований из одного сигнала.
Явное включение фразеологии, например: «Для всех съемок MBES для LINZ, интенсивность обратного рассеяния с высоким разрешением и географической привязкой должна регистрироваться и предоставляться в качестве результата съемки» [20] в набор требований к контрактным съемкам, является явным указанием на то, что более широкое гидрографическое сообщество принимает преимущества, которые могут быть получены за счет использования технологии MBES, и, в частности, принимает как факт, что MBES, которая предоставляет данные акустического обратного рассеяния, является ценным инструментом в отрасли. [ необходима цитата ] [ необходима уточнение ]
Внедрение многоспектральных многолучевых эхолотов [21] продолжает траекторию технологических инноваций, предоставляя сообществу гидрографической съемки лучшие инструменты для более быстрого получения лучших данных для многократного использования. Многоспектральный многолучевой эхолот является кульминацией многих прогрессивных достижений в гидрографии с первых дней акустического зондирования, когда основной заботой о силе возвращающихся от дна эхосигналов было то, будут ли они достаточно большими, чтобы быть замеченными (обнаруженными). Рабочие частоты ранних акустических эхолотов в первую очередь основывались на способности магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов, физические размеры которых можно было изменять с помощью электрического тока или напряжения. В конце концов стало очевидно, что в то время как рабочая частота ранних однолучевых вертикальных акустических зондов имела мало или вообще не имела никакого влияния на измеренные глубины, когда дно было твердым (состоящим в основном из песка, гальки, булыжников, валунов или камней), наблюдалась заметная частотная зависимость измеренных глубин, когда дно было мягким (состоящим в основном из ила, грязи или хлопьевидных суспензий). [22] Было отмечено, что более высокочастотные однолучевые вертикальные эхолоты могли обеспечивать обнаруживаемые амплитуды эхо-сигналов от высокопористых осадков, даже если эти осадки казались акустически прозрачными на более низких частотах.
В конце 1960-х годов однолучевые гидрографические исследования проводились с использованием широко разнесенных линий пути, и неглубокие (пиковые) зондирования в данных о дне сохранялись в приоритете перед более глубокими зондированиями в записи зондирования. В тот же период времени ранний гидролокатор бокового обзора был введен в оперативную практику гидрографической съемки мелководья. Частоты ранних гидролокаторов бокового обзора были вопросом целесообразности инженерного проектирования, и наиболее важным аспектом эхосигналов бокового обзора было не значение их амплитуд, а скорее то, что амплитуды были пространственно изменчивы. Фактически, была получена важная информация о форме дна и искусственных предметах на дне на основе регионов, где отсутствовали обнаруживаемые амплитуды эхосигналов (тени) [23] В 1979 году, в надежде на технологическое решение проблем съемки в «плавающем иле», директор Национального океанического исследования (NOS) создал исследовательскую группу NOS для проведения исследований с целью определения функциональных спецификаций для замены эхолота для мелководья. [24] Результатом исследования стал класс глубинных зондов с вертикальным лучом, который до сих пор широко используется. Он одновременно издавал сигналы на двух акустических частотах, разделенных более чем 2 октавами, производя измерения глубины и амплитуды эха, которые были параллельными, как в пространстве, так и во времени, хотя и под одним вертикальным углом скольжения. [ требуется разъяснение ]
Первое поколение MBES было посвящено картированию морского дна в глубокой воде. Эти пионеры MBES мало или вообще не использовали амплитуды, поскольку их целью было получение точных измерений батиметрии (представляющих как пики, так и глубины). Кроме того, их технические характеристики не позволяли легко наблюдать пространственные изменения амплитуд эхо-сигналов. [25] После первых батиметрических исследований MBES и в то время, когда одночастотный гидролокатор бокового обзора начал производить высококачественные изображения морского дна, которые были способны обеспечить определенную степень дискриминации между различными типами осадков, был признан потенциал амплитуд эхо-сигналов от MBES. [26]
С введением Марти Кляйном двухчастотного (номинально 100 кГц и 500 кГц) гидролокатора бокового обзора стало очевидно, что пространственно и временно совпадающие обратные рассеяния от любого заданного морского дна на этих двух широко разнесенных акустических частотах, вероятно, дадут два отдельных и уникальных изображения этого морского ландшафта. По общему признанию, вдольпутевая инсонификация и приемные лучевые диаграммы 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. [ необходимо разъяснение ]
После того, как в 1992 году Queen Elizabeth 2 села на мель у мыса Код , штат Массачусетс , [27] акцент на мелководной съемке сместился в сторону съемок с полным покрытием дна с использованием MBES с более высокими рабочими частотами для дальнейшего улучшения пространственного разрешения зондирований. Учитывая, что гидролокатор бокового обзора с его поперечной веерообразной полосой озвучивания успешно использовал поперечное изменение амплитуд эхосигналов для получения высококачественных изображений морского дна, казалось естественным, что веерообразная поперечная схема озвучивания, связанная с новым монотонным более высокочастотным мелководным MBES, также может быть использована для получения изображений морского дна. Изображения, полученные при первых попытках получения изображений дна с помощью MBES, были не совсем блестящими, но, к счастью, улучшения были на подходе.
Гидролокатор бокового обзора анализирует непрерывные эхо-возвраты от приемного луча, который идеально совмещен с инсонифицирующим лучом, используя время после передачи, метод, который не зависит от глубины воды и угла раскрытия поперечного луча приемного преобразователя сонара. Первоначальная попытка многолучевой визуализации использовала несколько приемных лучей, которые лишь частично перекрывали веерообразный инсонифицирующий луч MBES, для сегментации непрерывных эхо-возвратов на интервалы, которые зависели от глубины воды и угла раскрытия поперечного луча приемника. Следовательно, сегментированные интервалы были неравномерными как по своей продолжительности, так и по времени после передачи. Обратное рассеяние от каждого пинга в каждом из сегментов, проанализированных лучом, было уменьшено до одного значения и присвоено тем же географическим координатам, что и назначенные измеренному зондированию этого луча. В последующих модификациях донной визуализации MBES последовательность эхо-сигналов в каждом из интервалов, проанализированных лучом, была обозначена как фрагмент. [28] На каждом пинге каждый фрагмент из каждого луча дополнительно анализировался в соответствии со временем после передачи. Каждому из измерений амплитуды эха, сделанных в пределах фрагмента из конкретного луча, была назначена географическая позиция на основе линейной интерполяции между позициями, назначенными для зондирований, измеренных на этом пинге, в двух соседних поперечных лучах. Модификация фрагмента для изображений MBES значительно улучшила качество изображений за счет увеличения количества измерений амплитуды эха, доступных для визуализации в виде пикселя на изображении, а также за счет более равномерного пространственного распределения пикселей на изображении, которые представляли фактическую измеренную амплитуду эха.
Введение многоспектральных многолучевых эхолотов [ необходимо разъяснение ] [29] продолжило прогрессивные достижения в гидрографии. В частности, многоспектральные многолучевые эхолоты не только обеспечивают измерения глубины морского дна «множественным взглядом», но и предоставляют данные многоспектрального обратного рассеяния, которые пространственно и временно совпадают с этими измерениями глубины. Многоспектральный многолучевой эхолот напрямую вычисляет положение источника для каждой из амплитуд обратного рассеяния в выходном наборе данных. Эти положения основаны на самих измерениях обратного рассеяния, а не на интерполяции из какого-либо другого производного набора данных. Следовательно, многоспектральные многолучевые изображения более точны по сравнению с предыдущими многолучевыми изображениями. Присущая точность батиметрических данных многоспектрального многолучевого эхолота также является преимуществом для тех пользователей, которые могут пытаться использовать функцию углового отклика акустического обратного рассеяния для различения различных типов осадков. Многоспектральные многолучевые эхолоты подтверждают тот факт, что пространственно и временно совпадающее обратное рассеяние от любого заданного морского дна на широко разнесенных акустических частотах обеспечивает отдельные и уникальные изображения морского ландшафта. [30]
Краудсорсинг также проникает в гидрографическую съемку с такими проектами, как OpenSeaMap , [31] TeamSurv Архивировано 29 декабря 2020 года в Wayback Machine и ARGUS. Здесь суда-волонтеры регистрируют данные о местоположении, глубине и времени с помощью своих стандартных навигационных приборов, а затем данные подвергаются постобработке для учета скорости звука, приливов и других поправок. При таком подходе нет необходимости в специальном исследовательском судне или в наличии на борту профессионально квалифицированных инспекторов, поскольку экспертиза заключается в обработке данных, которая происходит после загрузки данных на сервер после рейса. Помимо очевидной экономии средств, это также обеспечивает непрерывное обследование района, но недостатками являются время на набор наблюдателей и получение достаточно высокой плотности и качества данных. Хотя иногда точность составляет 0,1–0,2 м, этот подход не может заменить строгое систематическое обследование, где это требуется. Тем не менее, результаты часто оказываются достаточными для многих задач, когда съемка с высоким разрешением и точностью не требуется, нецелесообразна или просто еще не проводилась.
В подходящих мелководных районах может использоваться лидар (обнаружение света и определение дальности). [32] Оборудование может быть установлено на надувных судах, таких как зодиаки , малые суда, автономные подводные аппараты (AUV), беспилотные подводные аппараты (UUV), дистанционно управляемые аппараты (ROV) или большие корабли, и может включать боковое сканирование, однолучевое и многолучевое оборудование. [33] Когда-то при сборе гидрографических данных для морской безопасности и для научных или инженерных батиметрических карт использовались различные 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. Огромное количество данных собирается во время типичной гидрографической съемки, часто несколько зондирований на квадратный фут . В зависимости от конечного использования, которое предполагается для данных (например, навигационные карты , цифровая модель рельефа , расчет объема для дноуглубительных работ , топография или батиметрия ), эти данные должны быть прорежены. [ необходимо разъяснение ] Они также должны быть скорректированы на ошибки (например, плохие зондирования) и на влияние приливов , качки , уровня воды [34] [35] [36] солености и термоклинов (разницы температуры воды), поскольку скорость звука меняется в зависимости от температуры и солености и влияет на точность. Обычно у геодезиста есть дополнительное оборудование для сбора данных на месте для измерения и записи данных, необходимых для исправления зондирований. Окончательный вывод карт может быть создан с помощью комбинации специального программного обеспечения для построения карт или пакета автоматизированного проектирования (САПР), обычно Autocad . [ необходимо цитирование ]
Хотя точность краудсорсингового обследования редко достигает стандартов традиционных методов, используемые алгоритмы полагаются на высокую плотность данных для получения конечных результатов, которые точнее, чем отдельные измерения. Сравнение краудсорсинговых обследований с многолучевыми обследованиями показывает точность краудсорсинговых обследований около плюс-минус 0,1–0,2 метра (примерно от 4 до 8 дюймов). [ необходима цитата ]
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )NOAA ведет обширную базу данных результатов исследований, диаграмм и данных на своем сайте.