Гидрографические исследования

редактировать
Для более широкого охвата этой темы см. Гидрография. Ностальгический очерк гидрографических съемок Аляски 1985 года. Neptune, частное исследовательское судно, базирующееся в Чикаго, штат Иллинойс. Клинтон Северный шторм в гавани Истада 7 июля 2021 года.

Гидрографические исследования - это наука об измерениях и описании характеристик, которые влияют на морское судоходство, морское строительство, дноуглубительные работы, разведку нефти на море / бурение нефтяных скважин и связанные с ними виды деятельности. Особое внимание уделяется измерениям, береговой линии, приливам, течениям, морскому дну и подводным препятствиям, которые имеют отношение к ранее упомянутым видам деятельности. Термин « гидрография» используется как синоним для описания морской картографии, которая на заключительных этапах гидрографического процесса использует необработанные данные, собранные посредством гидрографической съемки, в информацию, доступную конечному пользователю.

Гидрография собирается в соответствии с правилами, которые различаются в зависимости от принимающего органа. Исследования, которые традиционно проводятся судами с использованием линии зондирования или эхолота, все чаще проводятся с помощью самолетов и сложных электронных сенсорных систем на мелководье.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Организации
    • 1.1 Национальная и международная морская гидрография
    • 1.2 Гидрографические исследования, проведенные негосударственными агентствами
    • 1.3 Гидрографические исследования частными организациями
  • 2 Гидрографические исследования краудсорсингом
  • 3 метода
    • 3.1 Выводные линии, измерительные опоры и однолучевые эхолоты
    • 3.2 Геодезическая съемка с проволочным протягиванием
    • 3.3 Многолучевые эхолоты (MBES)
    • 3.4 Современная геодезия
  • 4 См. Также
  • 5 ссылки
  • 6 Внешние ссылки

Организации

Национальная и международная морская гидрография

Основная статья: Гидрографический офис

Гидрографические офисы возникли из военно-морского наследия и обычно находятся в национальных военно-морских структурах, например, в Испанском Институте гидрографии де ла Марина. Координация этих организаций и стандартизация продукции добровольно объединяются с целью улучшения гидрографии и безопасной навигации, проводимой Международной гидрографической организацией (МГО). IHO публикует стандарты и спецификации, которым следуют его государства-члены, а также меморандумы о взаимопонимании и соглашения о сотрудничестве с интересами гидрографических исследований.

Результат такой гидрографии чаще всего можно увидеть на морских картах, публикуемых национальными агентствами и требуемых Международной морской организацией (ИМО), Службой безопасности человеческой жизни на море (СОЛАС) и национальными правилами, которые должны иметься на судах в целях безопасности. Эти диаграммы все чаще предоставляются и используются в электронной форме в соответствии со стандартами МГО.

Гидрографические исследования, проведенные негосударственными агентствами

Государственные организации ниже национального уровня проводят или заключают контракты на гидрографические исследования вод в пределах их юрисдикции как с внутренними, так и с контрактными активами. 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 распределения карт или дноуглубительных работ в водах, контролируемых государством.

В Соединенных Штатах существует координация с Национальным набором данных гидрографии при сборе и публикации обзоров. Государственные экологические организации публикуют гидрографические данные, относящиеся к их предназначению.

Гидрографические изыскания частными организациями

Коммерческие организации также проводят крупномасштабные гидрографические и геофизические изыскания, особенно в дноуглубительных, морских, нефтяных и буровых отраслях. Промышленные предприятия, устанавливающие подводные кабели связи или электропитание, требуют подробного обследования кабельных трасс перед установкой и все чаще используют оборудование для получения акустических изображений, которое ранее использовалось только в военных целях, при проведении своих изысканий. Существуют специализированные компании, у которых есть как оборудование, так 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. С сюрвейерскими фирмами также заключаются контракты на проведение изысканий в поддержку проектных и инженерных фирм, с которыми заключены контракты на крупные государственные проекты. Частные изыскания также проводятся перед дноуглубительными работами и после их завершения. Компании с большими частными причалами, доками или другими сооружениями на береговой линии регулярно обследуют свои объекты и открытую воду возле своих объектов, как и острова в районах, подверженных переменной эрозии, например, на Мальдивах.

Гидрографические исследования краудсорсингом

Краудсорсинг также начинает гидрографические исследования с такими проектами, как OpenSeaMap, TeamSurv и ARGUS. Здесь суда-добровольцы записывают данные о местоположении, глубине и времени с помощью своих стандартных навигационных инструментов, а затем данные обрабатываются для учета скорости звука, приливов и других поправок. При таком подходе нет необходимости в конкретном исследовательском судне или в профессионально квалифицированных геодезистах на борту, поскольку опыт заключается в обработке данных, которая происходит после того, как данные загружаются на сервер после рейса. Помимо очевидной экономии затрат, это также дает возможность непрерывного обследования местности, но недостатком является 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 тщательного систематического обследования там, где это необходимо. Тем не менее, результаты часто более чем достаточны для многих требований, когда съемка с высоким разрешением и высокой точностью не требуется или недоступна.

Методы

Выводные линии, измерительные опоры и однолучевые эхолоты

История гидрографических изысканий началась почти так же, как и мореходство. На протяжении многих веков гидрографические исследования требовали использования выводных тросов - тросов или тросов с отметками глубины, прикрепленных к свинцовым грузам, чтобы один конец опускался на дно при опускании через борт корабля или лодки, - и измерительных столбов, которые были полюсами. с отметками глубины, которые можно было перебросить через борт, пока они не коснулись дна. В любом случае измеренные глубины необходимо было считать вручную и записать, как и положение каждого измерения относительно нанесенных на карту контрольных точек, как это было определено с помощью трехточечных фиксаций секстанта. Процесс был трудоемким и занимал много времени, и, хотя каждое отдельное измерение глубины могло быть точным, даже тщательная съемка на практике могла включать только ограниченное количество измерений зондирования относительно исследуемой области, неизбежно оставляя пробелы в покрытии. между одиночными зондированиями.

Однолучевые эхолоты и fathometers начали поступать на вооружение в 1930 - х годах, которые использовали гидролокатор для измерения глубины под судном. Это значительно увеличило скорость сбора данных зондирования по сравнению с возможной с помощью направляющих линий и измерительных вех, позволяя собирать информацию о глубинах под судном в серии линий, расположенных на определенном расстоянии. Тем не менее, он разделял слабость более ранних методов, заключающуюся в отсутствии информации о глубине для участков между полосами морского дна, которые судно зондировало.

Проволочная съемка

В 1904 годе исследование проволоки сопротивлений было введены в гидрографию, а также побережье и геодезический Соединенные Штаты 's Николас Х. Хек играл видную роль в развитии и совершенствовании техники между 1906 и 1916. В методе проволоки сопротивления, провод прикрепленный к двум кораблям или лодкам и установленный на определенной глубине с помощью системы грузиков и буев, перемещался между двумя точками. Если бы проволока натолкнулась на препятствие, она бы натянулась и образовала V-образную форму. Расположение буквы «V» показало положение затопленных скал, обломков и других препятствий, а глубина, на которой был установлен трос, показала глубину, на которой было обнаружено препятствие. Этот метод произвел революцию в гидрографических съемках, поскольку он позволил сделать съемку местности более быстрой, менее трудоемкой и гораздо более полной, чем использование направляющих линий и измерительных вех.

  • Проволочные гидрографические исследования (диаграмма), Береговая и геодезическая служба США, ок. 1920 г.

  • Принцип морской съемки с двух лодок, Норвежское морское обозрение, 1932 г.

  • Технические подробности используемых инструментов, Norwegian Sea Survey, 1930.

До появления гидролокатора бокового обзора съемка с проволочным перетаскиванием была единственным методом поиска больших площадей на предмет препятствий и потерянных судов и самолетов. Между 1906 и 1916 годами Хек расширил возможности тросовых систем с относительно ограниченной территории до зачисток, охватывающих каналы шириной от 2 до 3 морских миль (от 3,7 до 5,6 км; от 2,3 до 3,5 миль). Техника протягивания проволокой была основным вкладом в гидрографические исследования на протяжении большей части оставшейся части 20-го века. Геодезическая съемка в Соединенных Штатах была настолько ценна, что на протяжении десятилетий Береговая и геодезическая служба США, а затем и Национальное управление океанических и атмосферных исследований, специально для совместной работы над такими съемками выставили на вооружение пару родственных кораблей идентичной конструкции. USC amp; GS Marindin и USC amp; GS Ogden вместе с 1919 по 1942 гг. Проводили съемку проводов, USC amp; GS Hilgard (ASV 82) и USC amp; GS Wainwright (ASV 83) вступили во владение с 1942 по 1967 год, а USC amp; GS Rude (ASV 90) (позже NOAAS Rude (S 590).) ) и USC amp; GS Heck (ASV 91) (позже NOAAS Heck (S 591) ) работали вместе над перетягиванием троса с 1967 года.

Появление новых электронных технологий - гидролокаторов бокового обзора и систем многолучевого обзора - в 1950-х, 1960-х и 1970-х годах в конечном итоге привело к тому, что проволочная система устарела. Гидролокатор бокового обзора может создавать изображения подводных препятствий с той же точностью, что и аэрофотосъемка, в то время как многолучевые системы могут генерировать данные о глубине для 100 процентов дна в исследуемой области. Эти технологии позволили одному судну делать то, что для съемок проводов требовалось два судна, а съемка проводов окончательно прекратилась в начале 1990-х годов. Суда были освобождены от совместной работы над съемками с помощью проволоки, а в Национальном управлении океанических и атмосферных исследований США (NOAA), например, Руд и Хек работали независимо в последующие годы.

Многолучевые эхолоты (МБЭС)

Явное включение фразеологии, например: «Для всех опросов MBES для LINZ, интенсивность обратного рассеяния с высокой разрешающей способностью и географической привязкой должна регистрироваться и отображаться как результат опроса». В наборе требований к контракту на съемку это явное указание на то, что более широкое гидрографическое сообщество осознает преимущества, которые можно получить за счет использования технологии MBES, и, в частности, принимает как факт, что MBES, которая предоставляет данные акустического обратного рассеяния, является ценным инструмент торговли.

Внедрение многоспектральных многолучевых эхолотов продолжает путь технологических инноваций, предоставляя сообществу гидрографических съемок более совершенные инструменты для более быстрого получения более качественных данных для различных целей. Многоспектральный многолучевой эхолот является кульминацией многих прогрессивных достижений в гидрографии с первых дней акустических зондирований, когда основной проблемой, связанной с силой отраженных от дна эхосигналов, было то, будут ли они достаточно большими, чтобы их можно было заметить (обнаружить).. 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, хотя рабочая частота ранних однолучевых акустических эхолотов мало или совсем не влияла 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, ила или хлопьевидных взвесей). Было замечено, что высокочастотные однолучевые эхолоты с вертикальным лучом могут обеспечивать обнаруживаемые амплитуды эхо-сигналов от высокопористых отложений, даже если эти отложения оказываются акустически прозрачными на более низких частотах.

В конце 1960-х годов однолучевые гидрографические исследования проводились с использованием широко разнесенных трековых линий, и мелкие (пиковые) зондирования в данных дна были сохранены, а не более глубокие зондирования в записи зондирования. В тот же период времени первые гидролокаторы бокового обзора были внедрены в оперативную практику гидрографических исследований мелководья. Частоты ранних гидролокаторов бокового обзора были вопросом инженерной целесообразности, и наиболее важным аспектом эхосигналов бокового обзора была не величина их амплитуд, а то, что амплитуды были пространственно переменными. Фактически, важная информация была получена о форме дна и искусственных предметах на дне, исходя из областей, где отсутствовали обнаруживаемые амплитуды эхо-сигналов (тени). В 1979 году в надежде на технологическое решение проблем съемки в «плавающий ил», директор Национального океанографического исследования (NOS) создал исследовательскую группу NOS для проведения исследований с целью определения функциональных характеристик заменяющего эхолота для мелководья. Результатом исследования стал класс глубиномеров с вертикальным лучом, который до сих пор широко используется. Он одновременно издавал сигнал на двух акустических частотах, разделенных более чем на 2 октавы, производя измерения глубины и амплитуды эхо-сигнала, которые были одновременными, как в пространстве, так и во времени, хотя и под одним вертикальным углом скольжения.

Первое поколение MBES было посвящено картированию морского дна на глубокой воде. Первопроходцы MBES мало или совсем не использовали явно 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 вариации амплитуд эхо-сигналов. После ранних батиметрических съемок 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 амплитуд эхо-сигналов от MBES был признан.

С введением Марти Кляйном двухчастотного (номинально 100 кГц и 500 кГц) гидролокатора бокового обзора стало очевидно, что совпадающее во времени и пространстве обратное рассеяние от любого данного морского дна на этих двух широко разделенных акустических частотах, вероятно, обеспечит два отдельных и уникальных изображения этого морской пейзаж. По общему признанию, диаграммы направленности лучей для озвучивания и приема были разными, и из-за отсутствия батиметрических данных точные углы скольжения обратного рассеяния были неизвестны. Однако перекрывающиеся наборы бокового сканирования по углам скольжения на двух частотах всегда были одинаковыми.

После посадки на мель « Королевы Елизаветы-2» у Кейп-Код, штат Массачусетс, в 1992 году акцент на мелководных съемках сместился в сторону съемок с полным покрытием дна за счет использования MBES с увеличивающимися рабочими частотами для дальнейшего улучшения пространственного разрешения зондирования. Учитывая, что этот гидролокатор бокового обзора с его веерообразной полосой звукового сопровождения успешно использовал поперечное изменение амплитуд эхо-сигналов для получения высококачественных изображений морского дна, казалось естественным прогрессом, что веерообразная поперечная Схема звукового сопровождения, связанная с новым монотонным высокочастотным МБЭС на мелководье, также может быть использована для получения изображений морского дна. Изображения, полученные в ходе первоначальных попыток получения изображений дна с помощью MBES, были менее звездными, но, к счастью, улучшения были в ближайшее время.

Гидролокатор бокового обзора анализирует непрерывные отраженные эхо от приемного луча, который идеально выровнен с лучом озвучивания, используя время после передачи, метод, который не зависит от глубины воды и угла раскрытия луча поперечного сечения приемного преобразователя гидролокатора. Первоначальная попытка получения многолучевых изображений использовала несколько приемных лучей, которые только частично перекрывали веерообразный луч озвучивания MBES, чтобы сегментировать непрерывные эхо-сигналы на интервалы, которые зависели от глубины воды и угла раскрытия луча в поперечном направлении приемника. Следовательно, сегментированные интервалы были неоднородными как по продолжительности, так и по времени после передачи. Обратное рассеяние от каждого эхо-сигнала в каждом из анализируемых сегментов луча было уменьшено до единственного значения и присвоено тем же географическим координатам, что и те, которые были присвоены измеренному зондированию этого луча. В последующих модификациях изображения дна с помощью MBES последовательность эхо-сигналов в каждом из анализируемых лучом интервалов была обозначена как фрагмент. При каждом эхо-запросе каждый фрагмент из каждого луча дополнительно анализировался в соответствии с временем после передачи. Каждому измерению амплитуды эхо-сигнала, выполненному в фрагменте от конкретного луча, было присвоено географическое положение на основе линейной интерполяции между позициями, назначенными для измерений, измеренных на этом эхо-сигнале, 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 в изображении, а также за счет более равномерного пространственного распределения пикселей в изображении, которое представляет собой фактическое измеренная амплитуда эхо-сигнала.

Внедрение многоспектральных многолучевых эхолотов продолжило прогрессивные достижения в гидрографии. В частности, многоспектральные многолучевые эхолоты не только обеспечивают многоспектральные измерения глубины морского дна, они также предоставляют данные многоспектрального обратного рассеяния, которые пространственно и временно совпадают с этими измерениями глубины. Мультиспектральный многолучевой эхолот непосредственно вычисляет положение источника для каждой из амплитуд обратного рассеяния в выходном наборе данных. Эти позиции основаны на самих измерениях обратного рассеяния, а не на интерполяции из какого-либо другого производного набора данных. Следовательно, многоспектральные 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 пытаться использовать функцию углового отклика акустического обратного рассеяния для различения различных типов отложений. Многоспектральные многолучевые эхолоты подтверждают тот факт, что совпадающее по пространству и времени обратное рассеяние от любого заданного морского дна на широко разделенных акустических частотах обеспечивает отдельные и уникальные изображения морского пейзажа.

Современная геодезия

Графика, изображающая гидрографическое судно NOAA, проводящее операции многолучевого гидролокатора и гидролокатора бокового обзора

На подходящих мелководных участках можно использовать лидар (световое обнаружение и определение дальности). Оборудование может быть установлено на надувных судах, таких как зодиаки, малые суда, автономные подводные аппараты (АНПА), беспилотные подводные аппараты (БПА), дистанционно управляемые аппараты (ДУ) или большие корабли, и может включать в себя оборудование бокового обзора, однолучевое и многолучевое оборудование.. В свое время при сборе гидрографических данных для обеспечения безопасности на море и для научных или инженерных батиметрических карт использовались разные методы и стандарты сбора данных, но все чаще с помощью улучшенных методов сбора и компьютерной обработки данные собираются в соответствии с одним стандартом и извлекаются для конкретное использование.

После того, как данные собраны, они должны пройти постобработку. Во время типичной гидрографической съемки собирается огромный объем данных, часто несколько зондирований на квадратный фут. В зависимости от конечного использования, предназначенного для данных (например, навигационных карт, цифровой модели местности, расчета объема для дноуглубительных работ, топографии или батиметрии ), эти данные необходимо прореживать. Он также должен быть исправлен на ошибки (например, плохие зондирования) и на влияние приливов, волн / качки, уровня воды и термоклина (разницы температур воды). Обычно у геодезиста есть дополнительное оборудование для сбора данных на месте для записи данных, необходимых для корректировки зондирования. Окончательный вывод диаграмм может быть создан с помощью комбинации специального программного обеспечения для построения диаграмм или пакета автоматизированного проектирования (САПР), обычно Autocad.

Хотя точность краудсорсинговой съемки редко может достигать стандартов традиционных методов, используемые алгоритмы полагаются на высокую плотность данных для получения более точных конечных результатов, чем отдельные измерения. Сравнение краудсорсинговых исследований с многолучевыми исследованиями показывает, что точность краудсорсинговых исследований составляет примерно от плюс-минус 0,1 до 0,2 метра (примерно от 4 до 8 дюймов).

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

NOAA поддерживает обширную базу данных результатов опросов, диаграмм и данных на сайте NOAA.

Последняя правка сделана 2023-04-21 02:32:46
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте