Pomiary hydrograficzne - Hydrographic survey

Nostalgiczny szkic z 1985 roku dotyczący pomiarów hydrograficznych na Alasce .

Neptune , prywatny statek badawczy z siedzibą w Chicago , Illinois .

Clintons Northern Storm w porcie Ystad 7 lipca 2021 r.

Pomiary hydrograficzne to nauka o pomiarach i opisach cech, które wpływają na nawigację morską, budownictwo morskie, pogłębianie , poszukiwanie ropy naftowej na morzu / wiercenie ropy naftowej na morzu i działalność pokrewną. Duży nacisk kładzie się na sondowania, linie brzegowe, pływy, prądy, dno morskie i przeszkody podwodne, które odnoszą się do wyżej wymienionych działań. Termin hydrografia jest używany jako synonim w odniesieniu do kartografii morskiej , która w końcowych etapach procesu hydrograficznego wykorzystuje surowe dane zebrane podczas badań hydrograficznych do informacji przydatnych dla użytkownika końcowego .

Hydrografię pobiera się na zasadach, które różnią się w zależności od organu odbiorczego. Tradycyjnie prowadzone przez statki z sondowaniem liniowym lub echo , badania są coraz częściej przeprowadzane za pomocą samolotów i zaawansowanych elektronicznych systemów czujników na płytkich wodach.

Organizacje

Hydrografia morska krajowa i międzynarodowa

Biura hydrograficzne wyewoluowały z dziedzictwa morskiego i zwykle znajdują się w narodowych strukturach morskich, na przykład w hiszpańskim Instituto Hidrográfico de la Marina . Koordynacja tych organizacji i standaryzacja produktów jest dobrowolnie włączona, a celem poprawy hydrografii i bezpiecznej nawigacji jest prowadzona przez Międzynarodową Organizację Hydrograficzną (IHO). IHO publikuje normy i specyfikacje, a następnie jej państwa członkowskie, a także protokoły ustaleń i umowy o współpracy z zainteresowanymi badaniami hydrograficznymi.

Produkt takiej hydrografii jest najczęściej widywany na mapach morskich publikowanych przez agencje krajowe i wymaganych przez Międzynarodową Organizację Morską (IMO), Bezpieczeństwo Życia na Morzu (SOLAS) oraz przepisy krajowe, które należy przewozić na statkach ze względów bezpieczeństwa. Coraz częściej te wykresy są dostarczane i używane w formie elektronicznej zgodnie ze standardami IHO.

Badanie hydrograficzne prowadzone przez agencje zagraniczne

Podmioty rządowe poniżej poziomu krajowego prowadzą lub zlecają badania hydrograficzne wód w ramach swoich jurysdykcji, dysponując aktywami zarówno wewnętrznymi, jak i kontraktowymi. Badania takie są zwykle przeprowadzane przez organizacje krajowe lub pod ich nadzorem lub zgodnie z zatwierdzonymi przez nie normami, zwłaszcza gdy ich zastosowanie ma na celu tworzenie i dystrybucję map lub pogłębianie wód kontrolowanych przez państwo.

W Stanach Zjednoczonych istnieje koordynacja z National Hydrography Dataset w zakresie zbierania i publikacji badań. Państwowe organizacje ekologiczne publikują dane hydrograficzne dotyczące ich misji.

Badania hydrograficzne przez organizacje prywatne

Podmioty komercyjne prowadzą również szeroko zakrojone pomiary hydrograficzne i geofizyczne , zwłaszcza w branży pogłębiania, budownictwa morskiego, poszukiwania ropy naftowej i wiertnictwa. Podmioty przemysłowe instalujące podmorskie kable komunikacyjne lub energetyczne wymagają szczegółowych badań tras kablowych przed instalacją i coraz częściej podczas przeprowadzania badań wykorzystują sprzęt do obrazowania akustycznego, który wcześniej znajdował się tylko w zastosowaniach wojskowych. Istnieją wyspecjalizowane firmy, które dysponują zarówno sprzętem, jak i wiedzą fachową, aby zlecać przeprowadzenie takich badań podmiotom komercyjnym i rządowym.

Firmy, uniwersytety i grupy inwestycyjne często finansują badania hydrograficzne publicznych dróg wodnych przed zagospodarowaniem obszarów sąsiadujących z tymi drogami wodnymi. Firmy badawcze są również zakontraktowane do prowadzenia badań w celu wsparcia firm projektowych i inżynieryjnych, które są kontraktowane na duże projekty publiczne. Prywatne ankiety są również prowadzone przed pracami pogłębiarskimi i po ich zakończeniu. Firmy posiadające duże prywatne slipy, doki lub inne instalacje nabrzeżne regularnie sprawdzają swoje obiekty i otwarte wody w pobliżu swoich obiektów, podobnie jak wyspy na obszarach podlegających zmiennej erozji, takich jak Malediwy.

Badanie hydrograficzne przez crowdsourcing

Crowdsourcing wkracza również do geodezji hydrograficznej, z projektami takimi jak OpenSeaMap , TeamSurv i ARGUS. Tutaj statki ochotnicze rejestrują dane o pozycji, głębokości i czasie za pomocą swoich standardowych instrumentów nawigacyjnych, a następnie dane są przetwarzane w celu uwzględnienia prędkości dźwięku, pływów i innych poprawek. Dzięki takiemu podejściu nie ma potrzeby, aby na pokładzie znajdował się konkretny statek badawczy lub profesjonalnie wykwalifikowani geodeci, ponieważ wiedza specjalistyczna dotyczy przetwarzania danych, które następuje po przesłaniu danych na serwer po podróży. Oprócz oczywistych oszczędności kosztów, daje to również ciągłe badanie obszaru, ale wadami jest czas na rekrutację obserwatorów i uzyskanie wystarczająco dużej gęstości i jakości danych. Chociaż czasami z dokładnością do 0,1 – 0,2 m, podejście to nie może zastąpić rygorystycznego systematycznego badania, gdy jest to wymagane. Niemniej jednak wyniki są często więcej niż wystarczające dla wielu wymagań, w których pomiary o wysokiej rozdzielczości i wysokiej dokładności nie są wymagane lub są nieopłacalne.

Metody

Linie ołowiane, słupy sondażowe i echosondy jednowiązkowe

Historia geodezji hydrograficznych sięga niemalże czasów żeglarstwa . Przez wiele stuleci badania hydrograficzne wymagały użycia lin ołowianych – lin lub lin z oznaczeniem głębokości przymocowanych do ołowianych obciążników, aby jeden koniec opadał na dno po opuszczeniu za burtę statku lub łodzi – oraz słupów sondujących, które były słupami z oznaczeniami głębokości, które można przesunąć za burtę, aż dotkną dna. W każdym przypadku zmierzone głębokości musiały być odczytywane ręcznie i rejestrowane, podobnie jak pozycja każdego pomiaru w odniesieniu do zmapowanych punktów odniesienia, określonych przez trzypunktowe fiksacje sekstantu . Proces ten był pracochłonny i czasochłonny i chociaż każdy indywidualny pomiar głębokości mógł być dokładny, nawet dokładne badanie jako kwestia praktyczna może obejmować tylko ograniczoną liczbę pomiarów sondażowych w stosunku do badanego obszaru, nieuchronnie pozostawiając luki w pokryciu pomiędzy pojedynczymi brzmieniami.

Jednobelkową echosond i fathometers zaczęły wkraczać do służby w 1930 roku, które wykorzystywane sonar do pomiaru głębokości pod naczynia. To znacznie zwiększyło prędkość pozyskiwania danych sondażowych w porównaniu z możliwymi w przypadku linii prowadzących i słupów sondażowych, umożliwiając zbieranie informacji o głębokościach pod statkiem w serii linii rozmieszczonych w określonej odległości. Jednak podzielił słabość wcześniejszych metod, ponieważ brakowało informacji o głębokości dla obszarów pomiędzy pasami dna morskiego, na których sondował statek.

Geodezja drutowa

W 1904 roku do hydrografii wprowadzono pomiary metodą „wire-drag ”, a Nicholas H. Heck z US Coast and Geodetic Survey odegrał znaczącą rolę w rozwoju i doskonaleniu tej techniki w latach 1906-1916. przymocowany do dwóch statków lub łodzi i osadzony na pewnej głębokości za pomocą systemu obciążników i boj, był przeciągany między dwoma punktami. Gdyby drut napotkał przeszkodę, naprężyłby się i utworzył kształt litery „V”. Położenie „V” ujawniło położenie zatopionych skał, wraków i innych przeszkód, natomiast głębokość, na której ustawiono drut, wskazywała głębokość, na której napotkano przeszkodę. Metoda ta zrewolucjonizowała pomiary hydrograficzne, ponieważ umożliwiła szybsze, mniej pracochłonne io wiele pełniejsze badanie terenu niż użycie lin ołowianych i tyczek sondażowych.

Operacje badań hydrograficznych metodą wire-drag (schemat),
US Coast and Geodetic Survey , ca. 1920.
Zasada pomiarów morskich z użyciem dwóch łodzi,
Norwegian Sea Survey, 1932.
Szczegóły techniczne użytych narzędzi,
Norwegian Sea Survey, 1930.

Przed pojawieniem się sonaru bocznego , pomiary za pomocą drutu były jedyną metodą przeszukiwania dużych obszarów w poszukiwaniu przeszkód i zagubionych statków i samolotów. W latach 1906-1916 Heck rozszerzył możliwości systemów przeciągania drutu ze stosunkowo ograniczonego obszaru do zamiatania kanałów o szerokości od 2 do 3 mil morskich (3,7 do 5,6 km; 2,3 do 3,5 mil). Technika przeciągania drutu była głównym wkładem w pomiary hydrograficzne przez większą część XX wieku. Tak cenne były pomiary metodą wire-drag w Stanach Zjednoczonych, że przez dziesięciolecia US Coast and Geodetic Survey, a później Narodowa Administracja Oceaniczna i Atmosferyczna, wystawiły parę siostrzanych statków o identycznej konstrukcji specjalnie do współpracy przy takich badaniach. USC&GS Marindin i USC&GS Ogden przeprowadziły wspólnie badania typu wire-drag w latach 1919-1942, USC&GS Hilgard (ASV 82) i USC&GS Wainwright (ASV 83) przejęły je w latach 1942-1967 , a USC&GS Rude (ASV 90) (później NOAAS Rude (S 590) ) ) i USC&GS Heck (ASV 91) (później NOAAS Heck (S 591) ) pracowali razem nad operacjami przeciągania drutu od 1967 roku.

Pojawienie się nowych technologii elektronicznych – sonaru bocznego i wielowiązkowych systemów pokosu – w latach pięćdziesiątych, sześćdziesiątych i siedemdziesiątych sprawiło, że system linkowy stał się przestarzały. Sonar Sidescan może tworzyć obrazy podwodnych przeszkód z taką samą wiernością jak zdjęcia lotnicze , podczas gdy systemy wielowiązkowe mogą generować dane dotyczące głębokości dla 100% dna badanego obszaru. Technologie te pozwoliły jednemu statkowi wykonać to, czego pomiary za pomocą drążka drutowego wymagały dwa statki, a badania zaciągane drutem ostatecznie zakończyły się na początku lat 90. XX wieku. Statki zostały zwolnione ze wspólnej pracy nad pomiarami typu wire-drag, a na przykład w amerykańskiej Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA) Rude and Heck działały niezależnie w późniejszych latach.

Echosondy wielowiązkowe (MBES)

Wyraźne włączenie frazeologii, takiej jak: „Dla wszystkich ankiet MBES dla LINZ, wysoka rozdzielczość, intensywność rozproszenia wstecznego z odniesieniem geograficznym ma być rejestrowana i renderowana jako wynik ankiety”. w zestawie wymagań dotyczących badania kontraktowego, jest to wyraźna wskazówka, że szersza społeczność hydrograficzna docenia korzyści, które można osiągnąć dzięki zastosowaniu technologii MBES, a w szczególności akceptuje fakt, że MBES, który zapewnia akustyczne dane o rozproszeniu wstecznym, jest cenny narzędzie handlu.

Wprowadzenie wielospektralnych echosond wielowiązkowych kontynuuje trajektorię innowacji technologicznych, zapewniając społeczności geodezyjnej lepsze narzędzia do szybszego pozyskiwania lepszych danych do wielu zastosowań. Wielospektralna echosonda wielowiązkowa jest kulminacją wielu postępowych postępów w hydrografii od początków sondowań akustycznych, kiedy główną troską o siłę powracających ech z dna było to, czy będą wystarczająco duże, aby można je było zauważyć (wykryć) . Częstotliwości robocze wczesnych sond akustycznych opierały się przede wszystkim na zdolności materiałów magnetostrykcyjnych i piezoelektrycznych, których wymiary fizyczne można modyfikować za pomocą prądu elektrycznego lub napięcia. W końcu stało się jasne, że podczas gdy częstotliwość operacyjna wczesnych sond akustycznych z pojedynczą wiązką pionową miała niewielki wpływ lub nie miała żadnego wpływu na zmierzone głębokości, gdy dno było twarde (składające się głównie z piasku, kamyków, bruku, głazów lub skał), zauważalna była zależność częstotliwości mierzonych głębokości, gdy dno było miękkie (składające się głównie z zawiesin mułowych, mułowych lub kłaczkowatych). Zaobserwowano, że echosondy z pojedynczą wiązką pionową o wyższej częstotliwości mogą zapewniać wykrywalne amplitudy echa z osadów o dużej porowatości, nawet jeśli te osady wydają się być przezroczyste akustycznie przy niższych częstotliwościach.

Pod koniec lat sześćdziesiątych przeprowadzono jednowiązkowe pomiary hydrograficzne przy użyciu szeroko rozstawionych linii torów, a płytkie (szczytowe) sondowania w danych dennych zostały zachowane zamiast głębszych sondowań w zapisie sondażowym. W tym samym czasie sonar z wczesnym skanowaniem bocznym został wprowadzony do praktyki operacyjnej pomiarów hydrograficznych na płytkich wodach. Częstotliwości wczesnych sonarów skanowania bocznego były kwestią celowości projektu inżynierskiego, a najważniejszym aspektem ech skanowania bocznego nie była wartość ich amplitud, ale raczej to, że amplitudy były zmienne przestrzennie. W rzeczywistości wyprowadzono ważne informacje na temat kształtu dna i przedmiotów na dnie wykonanych przez człowieka, w oparciu o obszary, w których nie było wykrywalnych amplitud echa (cienie). „pływające błoto”, dyrektor National Ocean Survey (NOS) powołał zespół badawczy NOS do przeprowadzenia badań w celu określenia specyfikacji funkcjonalnych zastępczej sondy do płytkiej wody. Wynikiem badań była klasa sond głębinowych z wiązką pionową, która jest nadal szeroko stosowana. Jednocześnie pingował dwie częstotliwości akustyczne, oddzielone ponad 2 oktawami, wykonując jednocześnie pomiary głębokości i amplitudy echa, zarówno przestrzennie, jak i czasowo, aczkolwiek pod jednym pionowym kątem pasowania.

Pierwsza generacja MBES była dedykowana do mapowania dna morskiego na głębokiej wodzie. Te pionierskie MBES w niewielkim stopniu lub wcale nie wykorzystywały amplitud, ponieważ ich celem było uzyskanie dokładnych pomiarów batymetrii (reprezentujących zarówno szczyty, jak i głębokości). Ponadto ich charakterystyka techniczna nie ułatwiała obserwacji przestrzennych zmian amplitud echa. Po wczesnych pomiarach batymetrycznych MBES oraz w czasie, gdy sonar boczny o pojedynczej częstotliwości zaczął generować wysokiej jakości obrazy dna morskiego, które były w stanie zapewnić pewien stopień rozróżnienia między różnymi typami osadów, potencjał amplitud echa z MBES został rozpoznany.

Wraz z wprowadzeniem przez Marty'ego Kleina sonaru bocznego o podwójnej częstotliwości (nominalnie 100 kHz i 500 kHz) stało się jasne, że przestrzennie i czasowo zbieżne rozproszenie wsteczne z dowolnego dna morskiego przy tych dwóch szeroko oddzielonych częstotliwościach akustycznych prawdopodobnie zapewni dwa oddzielne i niepowtarzalne obrazy tego pejzaż morski. Trzeba przyznać, że nadźwiękowienie wzdłuż toru i wzorce wiązki odbiorczej były różne, a ze względu na brak danych batymetrycznych dokładne kąty rozproszenia wstecznego były nieznane. Jednak nakładające się zestawy bocznego skanowania w poprzek ścieżki kątów pasowania przy dwóch częstotliwościach były zawsze takie same.

Po uziemieniu Queen Elizabeth 2 u przylądka Cape Cod w stanie Massachusetts w 1992 r. nacisk na pomiary płytkich wód przesunął się w kierunku badań pełnego pokrycia dna poprzez zastosowanie MBES ze wzrastającymi częstotliwościami roboczymi w celu dalszej poprawy rozdzielczości przestrzennej sondowań. Biorąc pod uwagę, że sonar z bocznym skanowaniem, ze swoim wachlarzowym pasmem insonyfikacji w poprzek ścieżki, z powodzeniem wykorzystał zmienność amplitud echa w różnych ścieżkach, aby uzyskać wysokiej jakości obrazy dna morskiego, wydawało się naturalnym postępem, że wachlarzowaty w poprzek - wzór śladu insonifikacji związany z nowym monotonnym systemem MBES płytkiej wody o wyższej częstotliwości może być również wykorzystany do obrazowania dna morskiego. Obrazy uzyskane podczas początkowych prób obrazowania dna MBES były mniej niż gwiezdne, ale na szczęście nadchodziły ulepszenia.

Sonar z bocznym skanowaniem analizuje ciągłe powroty echa z wiązki odbiorczej, która jest idealnie wyrównana z wiązką insonifikacji, przy użyciu techniki czasu po transmisji, techniki niezależnej od głębokości wody i kąta otwarcia wiązki poprzecznej dla przetwornika odbiorczego sonaru. Początkowa próba obrazowania wielowiązkowego wykorzystywała wiele wiązek odbiorczych, które tylko częściowo nakładały się na wiązkę insonizacyjną w kształcie wachlarza MBES, aby podzielić ciągłe powroty echa na interwały zależne od głębokości wody i kąta otwarcia wiązki poprzecznej odbiornika. W konsekwencji segmentowane przedziały były niejednorodne zarówno pod względem długości czasu, jak i czasu po transmisji. Rozproszenie wsteczne z każdego impulsu w każdym z segmentów analizowanych wiązką zostało zredukowane do pojedynczej wartości i przypisane do tych samych współrzędnych geograficznych, co te przypisane do zmierzonego sondowania tej wiązki. W kolejnych modyfikacjach dolnego obrazowania MBES sekwencja echa w każdym z przedziałów analizowanych wiązek została oznaczona jako fragment. Przy każdym pingu każdy fragment z każdej wiązki był dodatkowo analizowany zgodnie z czasem po transmisji. Każdemu z pomiarów amplitudy echa wykonanych we fragmencie z określonej wiązki przypisano pozycję geograficzną w oparciu o liniową interpolację między pozycjami przypisanymi do sondowań zmierzonych na tym pingu w dwóch sąsiednich wiązkach przecinających się. Modyfikacja snippet do obrazów MBES znacznie poprawiła jakość obrazów poprzez zwiększenie liczby pomiarów amplitudy echa dostępnych do renderowania jako piksel na obrazie, a także poprzez bardziej równomierny rozkład przestrzenny pikseli na obrazie, który reprezentował rzeczywisty zmierzona amplituda echa.

Wprowadzenie wielospektralnych echosond wielowiązkowych stanowiło kontynuację postępu w hydrografii. W szczególności, wielospektralne echosondy wielowiązkowe nie tylko zapewniają pomiary głębokości dna morskiego typu „multi-view”, ale także zapewniają wielospektralne dane o rozproszeniu wstecznym, które są przestrzennie i czasowo zbieżne z tymi pomiarami głębokości. Wielospektralna echosonda wielowiązkowa bezpośrednio oblicza pozycję pochodzenia dla każdej z amplitud rozproszenia wstecznego w zestawie danych wyjściowych. Pozycje te opierają się na samych pomiarach rozproszenia wstecznego, a nie na interpolacji z jakiegoś innego zestawu danych pochodnych. W rezultacie wielospektralne obrazy wielowiązkowe są bardziej ostre w porównaniu z poprzednimi obrazami wielowiązkowymi. Właściwa precyzja danych batymetrycznych z wielospektralnej echosondy wielowiązkowej jest również korzystna dla tych użytkowników, którzy mogą próbować wykorzystać funkcję akustycznej odpowiedzi kątowej rozproszenia wstecznego do rozróżniania różnych typów osadów. Wielospektralne echosondy wielowiązkowe wzmacniają fakt, że przestrzennie i czasowo zbieżne rozproszenie wsteczne z dowolnego dna morskiego przy szeroko oddzielonych częstotliwościach akustycznych zapewnia oddzielne i niepowtarzalne obrazy pejzażu morskiego.

Nowoczesna geodezja

Grafika przedstawiająca hydrograficzny statek badawczy NOAA wykonujący operacje sonaru wielowiązkowego i bocznego;

W odpowiednich obszarach płytkiej wody można zastosować lidar (wykrywanie światła i określanie odległości). Sprzęt może być instalowany na nadmuchiwanych jednostkach pływających, takich jak Zodiacs , małe jednostki, autonomiczne pojazdy podwodne (AUV), bezzałogowe pojazdy podwodne (UUV), zdalnie sterowane pojazdy (ROV) lub duże statki i mogą obejmować sprzęt boczny, jednowiązkowy i wielowiązkowy . Kiedyś do zbierania danych hydrograficznych dla bezpieczeństwa morskiego oraz do naukowych lub inżynierskich map batymetrycznych stosowano różne metody i standardy gromadzenia danych , ale coraz częściej, za pomocą ulepszonych technik zbierania i przetwarzania komputerowego, dane są gromadzone w ramach jednego standardu i wyodrębniane dla szczególne zastosowanie.

Po zebraniu dane muszą zostać poddane dalszej obróbce. Podczas typowego badania hydrograficznego zbierana jest ogromna ilość danych, często kilka sondowań na metr kwadratowy . W zależności od ostatecznego przeznaczenia danych (np. mapy nawigacyjne , Numeryczny Model Terenu , obliczenia objętości do pogłębiania , topografii lub batymetrii ) dane te należy przerzedzić. Należy go również skorygować pod kątem błędów (tj. złego brzmienia) oraz skutków pływów , fal / wzniesienia , poziomu wody i termoklin (różnice temperatury wody). Zwykle geodeta ma na miejscu dodatkowe wyposażenie do zbierania danych, aby rejestrować dane wymagane do korekty sondowań. Ostateczny wynik wykresów można utworzyć za pomocą kombinacji specjalistycznego oprogramowania do tworzenia wykresów lub pakietu do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), zwykle Autocad .

Chociaż dokładność pomiarów opartych na tłumach rzadko osiąga standardy tradycyjnych metod, stosowane algorytmy opierają się na dużej gęstości danych, aby uzyskać wyniki końcowe, które są dokładniejsze niż pojedyncze pomiary. Porównanie ankiet przeprowadzonych z tłumem z ankietami wielowiązkowymi wskazuje, że dokładność ankiet przeprowadzonych z wykorzystaniem tłumu wynosi około plus minus 0,1 do 0,2 metra (około 4 do 8 cali).

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

NOAA utrzymuje ogromną bazę danych wyników ankiet, wykresów i danych na stronie NOAA .

Languages

In other projects