О б р а т н а я с в я з ь
Заказать обратный звонок
Имя*
Телефон*
Комментарий
(044) 390-71-26 (044) 495-28-29

Новости

 

Кристен Резерфорд

 

Между островом Элсмир и островом Девон находится узкий пролив Джонс, расположенный в быстро и резко меняющейся канадской Арктике. Береговая линия здесь характеризуется замысловатыми фьордами, многие из которых находятся под сильным влиянием сползающих в море ледников (т.е. ледников, которые заканчиваются в истоке фьорда и сбрасывают талую воду ниже поверхности океана). Этот регион с особенно высоким риском отступления и таяния ледников и повышенным стоком этих ледников неизбежно влияет на морскую среду. Тем не менее, в самом проливе Джонс за последние сто лет заборы проб брались всего несколько раз, и мало что было известно о том, как на него влияет увеличение талой ледниковой воды.

 
Группа ученых летнего полевого сезона 2022 года   Карта местности. На врезке в левом верхнем углу изображена карта части канадской Арктики с выделенным красным цветом расположения пролива Джонса, а точки на более крупной карте указывают места выборок.

 

В 2019 году многопрофильная группа ученых приступила к решению остающихся без ответа вопросов в этой области. Д-р Майя Бхатия и д-р Эндрю Гамильтон (оба из университета Альберты), являются двумя ведущими учеными по взаимодействию ледников и океана. Среди их сотрудников д-р Пол Майерс (университет Альберты), д-р Эрин Бертран (университет Далхаузи), д-р Стефани Уотерман (университет Британской Колумбии), а также многочисленные аспиранты и докторанты. Их совместная работа с 2019 года стартовала и за прошедшее время они существенно расширили как научный мониторинг, так и наше понимание системы ледник-океан в проливе Джонс.

 

Решение комплексных исследовательских целей
В проекте есть множество междисциплинарных исследовательских вопросов - отражение специализации многих вовлеченных в проект ученых. Одной из целей исследования является понимание биогеохимического круговорота питательных веществ и продуктивности, функции и состояния питания фитопланктона. Недавно Бхатия и Гамильтон опубликовали работу, основанную на наблюдениях 2019 года, о концентрации макроэлементов, таких как азот, в покрытых льдом фьордах по сравнению с фьордами, не покрытыми льдом. Эта работа (Bhatia et al. 2021; Williams 2021) показала значительное увеличение количества питательных веществ во фьордах с ледниками, сползающими в море , что согласуется с предыдущими исследованиямими в других арктических регионах, таких как Шпицберген и Гренландия.

Еще одна цель проекта - исследования изменчивости пресной воды в проливе Джонс и влияние атлантических вод на глубине ледниковых фьордов. В верхних слоях на глубинах 100-150 м воды холодные и пресные; ниже этой глубины вода теплее и соленее из-за притока атлантических вод. «Там, где морское дно достаточно глубоко, чтобы атлантическая вода могла контактировать со сползающими ледниками, - говорит д-р Гамильтон, - это может вызвать усиленное таяние ледников и способствовать отступлению некоторых из этих ледников».
Эти измерения позволят физическим океанографам лучше понять пространственную и временную изменчивость атлантического слоя воды в проливе Джонс и окружающих фьордах, а также предвидеть любые воздействия, которые это может оказать на ледники в регионе.

 

Оптимизация плана выборок данных с помощью многопараметрического зонда RBRmaestro³ C.T.D
Учитывая широту решаемых исследовательских вопросов, зонд RBRmaestro³C.T.D для этого проекта был в целом предпочтительным инструментом. «Получение многопараметрического зонда было ключевым, потому что нас интересовала не только физическая океанография, но и воздействие на морскую экосистему пищевой цепи», - говорит д-р Бхатиа.

Работа исследователей довольно непростая, так как в их распоряжении нет большой розетки датчиков. Но с помощью RBRmaestro³ и связанного с ним мобильного устройства с ПО Ruskin они могут просматривать свои CTD броски в реальном времени, а затем, после быстрого анализа CTD результатов, делать заборы бутылочных проб на точной глубине, чтобы наилучшим образом решить свои исследовательские вопросы.

Станции выборок расположены по всему проливу Джонс, но большинство из них в основном в фьордах южной части острова Элсмир и северо-восточной части острова Девон. Исследователей больше всего интересуют ледниковые фьорды, но они также выбирают участки, не покрытые ледниками, в качестве контрольных. На каждом из этих участков они собирают результаты CTD бросков и заборы проб воды в одну бутылку с определенной глубины для мониторинга питательных веществ, микробного состава и различных типов изотопов. Кроме того, они выполняют CTD забросы на поперечнике с 10 станциями через залив Джонса между островами Элсмир и Девон, причем на пяти из этих станций также берутся заборы проб в бутылки.

   
Установка для осуществления CTD выборок   Терри Ноа работает с лебедкой

 

Сотрудничество с местным населением для осуществления круглогодичной выборки данных

Как и в случае с большей частью океанографии, особенно в Арктике, время сбора данных изначально было смещено в сторону лета, когда погодные условия благоприятны и ученым с юга легче добраться до севера. Однако летом 2021 года исследователи перенесли свою базу в Гриз-Фьорд на острове Элсмир, что привело к уникальному и постоянно развивающемуся партнерству с местным сообществом. Их текущий план мониторинга теперь включает южных ученых и аспирантов, отправляющихся в Гриз-Фьорд весной и летом. Сотрудники местного сообщества, в первую очередь Терри Ноа из службы сервиса Ausuittuq Adventures проводят дополнительные выборки данных осенью, зимой и весной при поддержке грантового финансирования. На станциях фьордов возле Гриз-Фьорда выборки осуществляются сезонно, в то время как в поперечнике через пролив Джонса часто выполняются только летом и весной, поскольку выборки очень трудоемки. Эти выборки дополняются наблюдениями с причала, оснащенного различными RBR регистраторами, недалеко от конца приливно-отливной воды сползающего ледника, а также с места ежемесячной выборки данных, к которому Ноа может легко получить доступ круглый год.

Имея возможность выполнять круглогодичные выборки данных, исследователи расширяют возможности своего оборудования. «Именно поэтому мы выбрали инструменты RBR, - объясняет д-р Гамильтон - это одни из немногих инструментов океанографического качества, которые достаточно надежны, чтобы выдерживатьтемпературу -35°C при выборках данных ».

На самом деле, Ноа иногда осуществлял выборки зимой, в условиях снежной бури при -37°C и в полной темноте. В таких случаях он и его полевой помощник ютятся в крытом фургоне за его снегоходом и осуществляют выборки через просверленное в морском льду отверстие. «Терри - очень творческий и находчивый парень, поэтому он постоянно придумывает способы улучшить зимний забор проб и убедиться, что мы сохраняем способность проводить выборки практически в любых условиях», - говорит д-р Гамильтон. Ученые надеются и дальше расширять это сотрудничество, стремясь сделать круглогодичные забор проб более эффективными, доступными и достижимыми.

 

Продвижение вперед через постоянный диалог
Группа населения много инвестировала в этот проект. Грайз-Фьорд - самая северная община Канады, которая во многих отношениях находится на переднем крае изменения климата, переживая сильные штормовые нагоны и изменения морского ледового покрова и погоды. Сообщество зависит от этой быстро меняющейся морской экосистемы, полагаясь на нее как на охотничьи угодья и для добычи продовольствия.

   
  Открытое собрание местного сообщества и презентация результатов проекта в 2022 г.  

 

«У нас были формальные встречи в небольшом поселении и много бесед с людьми, просто чтобы выяснить, что им интересно узнать, как они хотят, чтобы им были представлены результаты, о чем они хотят узнать больше, и в каком направлении они хотят, чтобы мы менялись, - говорит д-р Бхатия, - все это всегда в движении. Это постоянное обсуждение».

Что касается будущего научного направления этого проекта, ученые надеются разработать численные модели процессов региона, изучить влияние ледников на более высокие морские трофические уровни (положение организма в пищевой цепи) и больше сотрудничать с коллегами-гляциологами, чтобы лучше понять самим региональные ледяные массы. Этот проект, несомненно, заполнил огромный пробел в наших знаниях и поскольку он продолжает расти и развиваться, нет сомнений, что он будет продолжать это делать.

 

Итало Оливейра Феррейра, Лаура Коэлью де Андраде (Статья в Hydro International от 6 октября 2022 г.

 

С 1970-х годов дистанционное зондирование все чаще используется для проведения подводных съемок. В гидрографической съемке используется несколько методологий, от прямых методов, таких как забортные штанги, до более сложных методов, таких как спутниковая батиметрия и альтиметрический радар. Растущая потребность в данных, которые становятся все более точными и доступными с быстрой обработкой, недавно привела к усилиям по разработке датчиков и альтернативных методов измерения глубины во всем мире.

Платформы батиметрической съемки включают надводные суда, подводные платформы, самолеты и спутники (см. Рис. 1). Суда варьируются от больших кораблей, используемых в морских съемках, до беспилотных судов (дистанционно управляемых или автономных). Наиболее часто используемые подводные платформы - это автономные подводные аппараты (AUV) и дистанционно управляемые подводные аппараты (ROV), оба из которых используются для картографирования с высоким разрешением в глубоких водах и могут управляться с надводного судна. На этих платформах предпочтительнее использовать акустические датчики, хотя AUV и ROV теперь также оснащены системами лазерного сканирования (или лидарами) и фотокамерами с высоким разрешением.

 

Рис. 1: Платформы, используемые в гидрографических съемках: (а) судно Fairweather для оффшорных съемок; (b) автономный надводный аппарат EchoBoat компании Seafloor Systems; (c) автономный подводный аппарат Hugin компании Kongsberg

 

Корабль Fairweather Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) в основном используется для морских гидрографических съемок и съемок портов и оснащен многолучевым эхолотом Reson Seabat 8160, который снимает глубины до трех километров. EchoBoat - это небольшой автономный надводный аппарат (ASV), используемый для батиметрических съемок внутренних водоемов и защищенных территорий, которые выполняются с помощью акустических датчиков. Автономный подводный аппарат (AUV) Hugin компании Kongsberg имеет, помимо многолучевого эхолота EM2040, лазерный профилограф, спаренную фотокамеру и гидролокатор с синтезированной апертурой HISAS 1032, а также другие системы и датчики.

Для батиметрического картирования используются также и самолеты с экипажем и без экипажа. Эти платформы оснащены пассивными датчиками, которые позволяют делать оценки глубины по спектральному отклику затопленного дна, и активными датчиками, такими как батиметрический лидар. Точно так же спутники также функционируют в качестве батиметрических платформ для съемки либо за счет использования орбитальных изображений (батиметрия по спектральной характеристике), либо за счет использования альтиметрических радаров (активные датчики), как в проекте «Морское дно 2030». Существуют также гибридные решения, которые позволяют получать батиметрические данные с помощью эхолота, буксируемого низколетящим беспилотным летательным аппаратом (UAV) - см. Рис. 2), или интегрированным наземным проникающим радаром (GPR). Также все чаще используются платформы на базе беспилотных надводных аппаратов (USV).

 

Батиметрические методы съемки
Современные батиметрические съемки проводятся в различных средах в зависимости от используемого метода. В водной среде используются звуковые волны, в воздухе и в водной среде используется видимый свет, а в воздухе используется батиметрия, полученная на основе информации альтиметрических радаров.

Акустические системы используются как на мелководье глубиной около одного метра, так и на многокилометровой глубине. Такие системы предпочтительны, поскольку они обеспечивают более точные данные, чем другие методы. Высокое затухание видимого света в водной среде означает, что измерение глубины с помощью оптического дистанционного зондирования (активного и пассивного) ограничено небольшими глубинами. В то время как аэрофотограмметрические (короткие расстояния) и орбитальные изображения используются для батиметрии на глубинах до десяти метров, лидарные системы, работающие в зеленой длине волны, могут достигать глубины до 50 метров в чистых водах. Наконец, альтиметрические радары могут использоваться для определения глубины в глубоких водах, особенно там, где батиметрическая информация скудна или отсутствует.

 

Акустические датчики
Первое упоминание об использовании эхолота, или сонара, как его обычно называют, относится к случаю, когда Леонардо да Винчи поместил трубку в воду для обнаружения больших кораблей, поместив свое ухо к трубе. Существуют как пассивные, так и активные сонары, но для измерения глубины используется активные сонары.

Между 1920 и 1930 годами в мире были разработаны и внедрены однолучевые эхолоты (ОЛЭ), которые используют звук для измерения глубины непосредственно под зондирующей платформой. Выполняя серию галсов с заданным шагом, ОЛЭ значительно увеличили скорость съемки, позволяя собирать больше данных по сравнению с прямыми методами. Однако этот метод по-прежнему оставлял пробелы в данных о глубине между съемочными галсами. В период с 1950-х по 1980-е годы технологические разработки привели к появлению систем гидролокатора бокового обзора (ГБО) и многолучевых эхолотов (МЛЭ) или формирователей луча. Технология ГБО предложила качественные средства получения звукового эквивалента аэрофотоснимку и улучшила способность идентифицировать затонувшие корабли и препятствия. Это оказалось отличным подспорьем для однолучевых съемок, поскольку позволяло искать подводные объекты между навигационными галсами. МЛЭ позволили получить количественную информацию о глубине почти для 100% дна, покрытого водой.

ОЛЭ идеально подходит для съемки на мелководье и очень экономичен. Планирование, съемка, обработка и анализ очень просты и существует огромный спектр оборудования, работающего на низких частотах (12–50 кГц), высоких частотах (100–700 кГц) и даже на двух частотах (24 кГц/200 кГц, 33 кГц/200 кГц, 50 кГц/200 кГц и др.).

 

   
  Рис. 2: Интегрированная система батиметрии с использованием эхолота на беспилотном летальном аппарате (UAV)  

 

МЛЭ традиционно измеряет глубину с помощью процесса электронного формирования лучей (Demoustier, 1996). В качестве альтернативы, некоторое оборудование использует интерферометрию для измерения глубины. Такие системы широко известны как интерферометрический сонар, интерферометрический многолучевой эхолот, интерферометрический гидролокатор бокового обзора, батиметрический гидролокатор бокового обзора или фазово-разностный батиметрический сонар (PDBS). Последний термин теоретически является наиболее правильным, так как только первые системы действительно используют процесс интерферометрии.

Использование PDBS имеет несколько преимуществ, основным из которых является ширина области покрытия, которая в некоторых случаях в 12 раз превышает глубину надира (вертикальное направление вниз). Это означает, что на глубине 4 м PDBS должен охватывать диапазон, близкий к 50 м, в то время как стандартный МЛЭ при 120-градусной полосе охвата на этой глубине будет иметь ширину полосы 12–16 м. Фактически технология PDBS существует уже много десятилетий, но лишь недавно были решены некоторые эксплуатационные и технические проблемы. Можно сделать вывод, что основным преимуществом систем этого типа является более широкая полоса охвата, что приводит к значительному увеличению производительности на мелководье. Проблема, которую еще предстоит решить, - это теоретическая модель неопределенности (априори) PDBS.

За последние несколько лет также произошли улучшения в сонаре с синтетической апертурой. Компания Kongsberg недавно выпустила систему HISAS 1032, котрая при скорости 2,5 узла может генерировать ширину полосы обзора примерно 1000 м и изображения с разрешением 5 см. Что касается батиметрии, то HISAS 1032 продемонстрировал значительное улучшение по сравнению с предыдущей версией, в которой было получено разрешение 50 см, а теперь разрешение составляет 20 см. Система способна обеспечивать покрытие со скоростью примерно 4,5 км2/ч, что также является большим показателем по сравнению с предыдущими версиями.

Наконец, во всех случаях основным недостатком съемок с помощью акустических систем являются высокие затраты, связанные с судами c экипажем. На мелководье всегда требуется более высокий уровень детализации, что отражается в большем количестве съемочных галсов. С другой стороны, на глубокой воде проблема заключается в более высоких затратах из-за использования больших кораблей с экипажем. Даже при использовании автономных надводных аппаратов, суда необходимы для управления беспилотной платформой и обеспечения акустического позиционирования при использовании AUV.

 

Воздушное и космическое дистанционное зондирование
Несмотря на сильное затухание электромагнитных волн в воде, видимая часть спектра может использоваться для батиметрического картографирования, особенно там, где акустические методы имеют ограничения. В этом контексте глубины могут быть измерены либо с использованием пассивных методов, которые измеряют только естественный свет, отраженный от дна (спектральная батиметрия), либо с использованием активных методов, которые используют лазерные сканеры для измерения расстояния до морского дна. Большое преимущество этих методов заключается в достижимой производительности (см. Рис. 3).

 

   
  Рис. 3: Различные методики получения батиметрии, иллюстрирующие высокую производительность оптического дистанционного зондирования  

 

Спектральная батиметрия
Метод с использованием датчиков, встроенных в спутники или самолеты с экипажем или без экипажа, основан на том принципе, что часть солнечного света, достигающего подводного дна, отражается и может быть обнаружена этими датчиками, которые используют это излучение для измерения глубины и получения батиметрических карт.

Принцип использования орбитальных снимков и аэрофотоснимков для батиметрического картографирования отличается от того, что применяется при использовании активных датчиков. Спутниковая батиметрия основана на трех методах: эмпирических подходах, эмпирически настроенных физических подходах и подходах с оптимизированной физической инверсией.

Эмпирически настроенные физические подходы основаны на физике и следуют принципу, согласно которому интенсивность лучистой энергии, которая отражается водным столбом и принимается датчиком, является функцией глубины воды; то есть частью солнечной радиации, проникшей в толщу воды. В большинстве случаев используется Нормализованный разностный индекс воды (NDWI).

Эмпирические подходы являются новейшим методом (методом машинного обучения) и еще не получили широкого распространения. В подходах с оптимизированной физической инверсией применение модели требует спецификации ряда оптических свойств воды и морского дна, но для калибровки не требуются данные на месте.

Батиметрия спектрального отклика позволяет быстро собирать данные на больших площадях с небольшими затратами, но максимальная глубина при этом составляет примерно 30 метров в чистой воде и намного меньше в мутной воде. Кроме того, информация получается с точностью, несовместимой с текущими требованиями, что ограничивает ее использование для целей планирования, распознавания и моделирования окружающей среды. Поэтому аэрофотограмметрические и орбитальные изображения в основном используются в качестве инструмента распознавания и планирования в районах, где батиметрическая информация отсутствует или недостаточна. Однако изображения с орбитальных и бортовых датчиков очень полезны для очерчивания береговых линий и картографирования портовых сооружений, а также в качестве помощи при навигации.

 

Батиметрический лидар
Батиметрический лазерный сканер является наиболее производительным методом батиметрического картографирования на мелководье (до 50 м), так как он обычно ведет съемку со скоростью 180 узлов, а полоса охвата больше, чем у большинства современных МЛЭ и PDBS. Подобно акустическим системам, лидар определяет глубину косвенно, используя время прохождения лазерного импульса. Эти системы были впервые представлены в середине 1960-х годов как инструмент для топографического картографирования. Во время полетов над озерами и прибрежными районами исследователи заметили наличие двойного эхосигнала, из чего сделали вывод, что лазер проникает в воду и может быть использован для батиметрического картографирования.

 

   
  Батиметрический лидар - это одно из решений для удовлетворения государственных прибрежных, речных и мелководных геопространственных и гидрографических потребностей  

 

Основной принцип работы заключается в излучении двух лазерных импульсов, первый в инфракрасном диапазоне (~1064 нм), что позволяет обнаруживать поверхность, поскольку проникновение в воду практически равно нулю, а второй в зелено-синем диапазоне (~ 532 нм), которые, несмотря на высокий уровень рассеивания, может достигать дна под водой. Как и в случае с эхолотом, записывается временной ряд интенсивности света (вместо акустической интенсивности). Типичный интервал сканирования составляет 1 нс (10-9 с), в отличие от ~1 мс до 10 мкс (от 10-3 с до 10-5 с) для акустических сигналов. Огибающая эха или форма волны затем используется для оценки глубины.

Проникновение обычно в три раза превышает глубину, наблюдаемую с диском Секки (прибор для измерения относительной прозрачности воды), и определяется на месте. Другой метод, технически более эффективный, заключается в определении коэффициента затухания для используемой длины волны, который описывает экспоненциальное затухание света с глубиной. Более современные системы способны обеспечить точность по вертикали и горизонтали около 20 см на расстоянии 1 м.

 

Альтиметрический радар
В 1970-х годах основной целью радиолокационной альтиметрии было измерение поверхности океана, максимально близкой к геоиду. Таким образом, за прошедшие годы было выполнено несколько альтиметрических миссий для удовлетворения потребностей в области геодезии, океанографии и континентальной гидрологии. Примерами этого могут служить миссии Geosat в 1985 г. и ERS-1 в 1991 г., в результате которых были получены качественные модели поверхности океана. Известно, что на поверхности океана есть небольшие впадины, имитирующие топографию дна под водой. Это происходит из-за дополнительного гравитационного притяжения особенностей морского дна, таких как подводные горы, вызывающих колебания cилы тяжести, которые, в свою очередь, вызывают небольшие колебания высоты поверхности океана. Эти впадины могут быть нанесены на карту альтиметрическим радаром, установленным на спутнике. В глубоких океанских бассейнах, где донные отложения тонкие, а морфология простая, данные альтиметрического радара можно использовать даже для прогнозирования текущей батиметрии.

На континентальных платформах (где толщина донных отложений больше и широко распространены традиционные батиметрические съемки) гравиметрические методы, используемые для оценки глубины, имеют ограниченную ценность. Однако вместе с гравиметрической информацией, полученной со спутников, было получено много батиметрических данных, что позволило провести оптимальную интерполяцию глубин.

Таким образом, очевидно, что информация, полученная с помощью альтиметрических радаров, недостаточно точна для проверки рисков для судоходства, а также не работает на мелководье, где другие методы (например, лидарные) дают более надежные и лучшие результаты. Кроме того, данные, полученные только с помощью радара, не могут дать истинную глубину и необходима корреляция с батиметрическими данными, как это делается в методике измерения батиметрии по спектральному отклику.

 

Выводы
За последнее столетие наши знания о батиметрии быстро развивались благодаря развитию акустических, оптических и радиолокационных методов. Были разработаны методологии, способные обеспечить лучший контроль качества получаемой информации, а использование более надежных и строгих интерполяторов привели к более реалистичным формам представления морского дна. Несмотря на такой прогресс, все еще существует множество технологий, которые еще надо изучать, и некоторые вопросы еще требуют решения. Дальнейшие усовершенствования должны включать датчики движения, системы позиционирования и датчики скорости звука в воде, подъемные платформы и сложное программное обеспечение, в том числе алгоритмы, которые динамически компенсируют и позволяют использовать более узкие лучи на коротких расстояниях; другими словами, с более высоким пространственным разрешением. Другой тенденцией является использование плотности точек с надежными методами очистки от ложных данных, а также использование более точных моделей приливов и методов, основанных на неконтролируемом машинном обучении. Глубинное обучение также можно использовать для прогнозирования и классификации морского дна с помощью орбитальных изображений с большей точностью и скоростью, не полагаясь на данные на месте, что будет способствовать смежным областям, таким как биологические, климатологические и седиментологические исследования.

 

Рис. 4: Прибрежная батиметрия с цветовой шкалой глубин (Сент-Томас, Виргинские острова США), нанесенная на карту с помощью батиметрического лидара  (фиолетовый цвет - глубокая вода; оранжевый цвет - мелководье). Земельные участки изображены по спутниковым снимкам (Источник: Геологическая служба США)

 

Использованная литература:

Феррейра, И.О., Андраде, Л.К.Д., Тейшейра, В.Г., и Сантос, Ф.К.М. (2022). Современное состояние батиметрических съемок. Boletim de Ciências Geodésicas, 28.

 

Лаурентиу-Флорин Константину, Ойген Русу, Мария-Эмануэла Михайлова (статья в Hydro International от 8 ноября 2022 г.)

 

Черное море таит в себе множество тайн, которые еще предстоит открыть. В этом исследовании представлены результаты проекта по съемке больших неразорвавшихся боеприпасов (UXO), выполненную на румынском побережье Черного моря после Второй мировой войны с использованием технологии буксируемого гидролокатора бокового обзора (ГБО) и океанографических наблюдений. Съемка проводилась румынским Морским гидрографическим управлением в период с 2015 по 2018 год гидрографическим кораблем ВМС Румынии под командованием Александра Катуняну. Большинство обнаруженных объектов оказались якорями, обломками затонувших кораблей или частями цепей, не представляющими опасности для судоходства.

 

Вторая мировая война и Черное море
Экспертиза документов была основана на архивных исследованиях, проведенных румынским Центром данных о минной войне (MWDC) Исторического военного архива в Бухаресте. Было изучено 112 файлов из архива командования Королевского флота Румынии, Морской дивизии и командования современного румынского военно-морского флота, связанных с деятельностью по минированию/разминированию, морскими боевыми действиями и боевыми действиями против подводных лодок в западной части Черного моря во время Второй мировой войны. Кроме того, были изучены Извещения мореплавателям с 1952 по 2011 год, извлечены данные о заграждениях против подводных лодок, затонувших кораблях, трубопроводах и других целях.

Во время Второй мировой войны вдоль современного румынского побережья было установлено более 20 минных заграждений, всего около 3000 морских мин различных типов (UMA, UMB, VICKERS, EMC I, EMC II, FMB, UC и др.), плюс более 3000 защитных мин и средств защиты от траления, широко известные как неразорвавшиеся боеприпасы (UXO). Румынские и немецкие войска установили эти минные поля с помощью специализированных кораблей. В тот же период советские войска установили неизвестное количество магнитных минных полей вдоль румынского побережья. В период с 1946 по 1948 год советские войска провели первые дноуглубительные работы, и значительное количество мин было обезврежено путем дноуглубительных работ или подрыва. Согласно изученных документов, в период с 1946 по 1960 год были уничтожены дноуглублением, обстрелами или подрывами около 600 мин и 300 защитных буев.

Значительное количество неопознанных объектов и остатков исторических минных полей все еще лежат на дне румынской части Черного моря, представляя потенциальную угрозу окружающей среде и опасность для рыболовного сектора.

 

Съемка неразорвавшихся боеприпасов в Черном море
Известно, что гидролокатор бокового обзора является ценным инструментом в реализации Мер противодействия морским минам (MMCM) благодаря его способности обеспечивать точное акустическое изображение морского дна и объектов над ним. Для этой съемки использовался мультиимпульсный (MP) гидролокатор бокового обзора EdgeTech 4200.

Для достижения большей ширины полосы обзора для этой UXO съемки была выбрана более низкая частота сонара (300 кГц) в конфигурации MP. Более высокая частота 900 кГц обеспечивает более высокое разрешение пикселей и, следовательно, большую детализацию акустического изображения и использовалась для обследования остатков кораблекрушения. Информация о местоположении (широта, долгота, курс, скорость) от DGNSS приемника была объединена с данными датчика углового пространственного положения буксируемой рыбки (поперечный и продольный крены) для точного определения местоположения гидроакустических эхосигналов на морском дне.

 

   
  Рис. 1: Подготовка к съемке бокового сканирования  

 

Акустические сигналы гидролокатора калибровались не менее двух раз в день с использованием профилографа скорости звука (SVP) компании Valeport, который обеспечивал наблюдения профиля скорости звука на месте работы. В северной части обследованного района потребовалось больше океанографических станций из-за быстрого изменения галоклина (слой воды, в котором солёность резко изменяется с глубиной) в результате оттока реки Дунай. Дополнительно использовались корабельные однолучевые или многолучевые гидрографические эхолоты для дополнения съемки и обнаружения подводных препятствий, которые могли повредить буксируемый гидролокатор. Всесторонний анализ объектов был выполнен для каждого галса, чтобы идентифицировать и классифицировать миноподобные эхосигналы от гидролокатора на миноподобный бъект. Миноподобные объекты выбирались путем оценки интенсивности эха гидролокатора, формы, размеров и акустической тени от объекта.

 

Результаты и обсуждение
Результаты съемки и анализа позволили обнаружить и классифицировать более 2000 объектов с использованием обработанных изображений ГБО. Большую часть объектов составляют якоря морских заякоренных мин, обломки морских мин или обломки затонувших кораблей вблизи этих мест.

 

Рис. 2: Мина UMA, обнаруженная во время съемки

 

Тем не менее, несколько объектов были замечены и классифицированы как настоящие морские мины времен Второй мировой войны. Как только затопленный объект идентифицируется как морская мина, Морское гидрографическое управление закрывает район для судоходства, выпуская Извещения мореплавателям, и водолазы Службы по обезвреживание взрывоопасных предметов (EOD) румынского военно-морского флота начинают операции по нейтрализации.

Во время этой съемочной миссии были подтверждены положения некоторых известных затонувших кораблей, но также были обнаружены новые затонувшие корабли и обломки затонувших кораблей.

Северо-западная часть Черного моря имеет много особенностей, влияющих на любые съемочные работы с использованием звукового зондирования: различные типы рельефа морского дна, характерная структура водной толщи и быстро меняющиеся параметры поверхностных вод. Уникальные характеристики водной толщи северо-западной части Черного моря (низкая соленость и низкое содержание кислорода (бескислородный слой)) означают, что металлические объекты хорошо сохранились. Таким образом, они находятся в хорошем состоянии, учитывая условия морской среды в этом районе и время, прошедшее с момента их спуска в воду.

 

   
  Рис. 3: Объекты, обнаруженные на историческом минном поле  

 

Топография и характер морского дна могут создавать ложные эхо-сигналы/объекты, что значительно увеличивает время обнаружения и классификации объектов; морское дно со скальными образованиями может легко скрыть в своей тени металлические предметы. Кроме того, тип морского дна влияет на акустический импульс, посылаемый гидролокатором бокового обзора: высокочастотный звук эффективнее отражается каменистым морским дном, а дисперсный ил и глина поглощают низкочастотный звук. Однако было замечено, что илистые участки с застрявшими раковинами отражают больше звуковой энергии, чем чистые песчаные участки. Таким образом, тип морского дна существенно влияет на процесс классификации целей, особенно в случае небольших и частично заглубленных объектов. Сравнение изображений, полученных на двух разных частотах гидролокатора показало преимущества и недостатки каждой частоты: низкая частота может обеспечить более широкий диапазон в более глубоких водах и более быструю съемку, в то время как более высокая частота обеспечивает большее разрешение на более мелководных участках, но с меньшими охватом территории. Поэтому рекомендуется провести первоначальную съемку с использованием низкой частоты гидролокатора бокового обзора, а затем выполнить детальную высокочастотную съемку интересующих объектов (обломков кораблекрушений, миноподобных объектов и т.п.).

Исторические документы показали, что не все морские мины были установлены правильно. Таким образом, некоторые неразорвавшиеся боеприпасы дрейфовали подводными и поверхностными течениями, следуя процессу термохалинной циркуляции (циркуляция создаваемая за счет перепада плотности воды) Черного моря, вызванному градиентами плотности. Математические модели волнений и поверхностных течений в Черном море могут иметь практическую ценность для румынского флота, обеспечивая прогнозы циркуляции, которые оказывают значительное влияние на операции румынского военно-морского флота.

 

   
  Рис. 4: Обломки советской подводной лодки класса Щука  

 

Выводы
С помощью технологии гидролокатора бокового обзора на морском дне вдоль румынского побережья Черного моря было обнаружено значительное количество подводных объектов: якоря морских мин, металлические фрагменты морских мин, затонувшие корабли и разные обломки, а также неразорвавшиеся боеприпасы. В то время как исторические UXO представляют угрозу для судоходства из-за наличия взрывчатого вещества, но риск морского инцидента, вызванного столкновением с UXO, низок. Обломки кораблей времен Второй мировой войны и UXO, обнаруженные в ходе этих съемок, могут, однако, представлять угрозу для окружающей среды, если из боеприпасов вытекают химические вещества. Требуются дополнительные исследования, такие как обширная кампания по отбору проб биохимических веществ, и необходимо разработать надежную политическую структуру.

После этого исследования следующим шагом в классификации целей является идентификация, основанная на внутренних физических характеристиках объектов, а не на внешних характеристиках, таких как местоположение и ориентация. Кроме того, методы сопоставления библиотек для определения сходства между существующей базой данных и неизвестными источниками станут мощным инструментом для классификации неразорвавшихся боеприпасов по сравнению с неопасными объектами и, в некоторых случаях, для определения типа неразорвавшихся боеприпасов. Проект все еще находится в стадии реализации, так как значительное количество подводных объектов еще предстоит выявить с помощью водолазов, ROV (дистанционно управляемых аппаратов) или AUV (автономных подводных аппаратов), а объекты, идентифицированные как настоящие морские мины, необходимо нейтрализовать с помощью водолазов ВМС Румынии.

 

   
  Рис. 5: Обломки российского эсминца «Москва»  

 

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить капитана военно-морского флота (в отставке) Сорина Греку - бывшего начальника румынского Центра данных о минной войне (MWDC) и капитан-лейтенанта Радиана Труфашу - начальника отдела морской картографии румынского Морского гидрографического управления, за их усилия по сбору информации из Национального военного архива о противоминных действиях вдоль румынского побережья Черного моря во время и после Второй мировой войны.

Авторы также хотели бы поблагодарить лейтенанта-коммандера Валентина Дементе, лейтенанта Нину Камелию Санду, лейтенанта Фабиана Чуботариу, лейтенанта Леонарда Джиану и старшину Мариан Симион за их вклад в сбор и обработку данных гидролокатора бокового обзора и океанографических данных. Мы также благодарим капитана ВМС (в отставке) Роджерса Касиана, бывшего командира румынского гидрографического корабля Александру Катуняну и всю команду, присутствовавшую в течение долгих дней и ночей съемок.

 

Калифорнийская геодезическая компания KDD Meridian получила контракт на выполнение батиметрической съемки соляной лагуны в южной части залива Сан-Диего. Лагуна имела длину около 1 км и требовалось невероятно много времени на съемку с помощью обычных наземных GNSS измерений и измерительной вешки с пилотируемой лодки - поэтому было принято решение, что единственным реалистичным методом выполнения съемки является использование эхолота. Вместо того, чтобы привлекать пилотируемую лодку с парой геодезистов, KDD приняла решение работать в партнерстве с CEE HYDROSYSTEMS и использовать роботизированную систему CEE-USV (беспилотное надводное судно, оснащенное эхолотом со встроенным GNSS приемником, навигационным модулем и телеметрией), чтобы быстро выполнить съемку с меньшими затратами труда, меньшей стоимостью и превосходным конечным продуктом.

Перед началом сpобственно съемки USV обогнул периметр лагуны, чтобы установить безопасную границу района съемки. Эхолот CEESCOPE LITE на борту USV был настроен на внутреннюю регистрацию данных, и оператор быстро обошел лагуну, а лодка при этом следовала по краю границы при глубине около 1-2 футов (30-60 см). По завершении трассировки границы записанные данные с помощью USB накопителя были переданы из CEESCOPE LITE в программу сбора данных Hydromagic. Когда граница установлена, в программном обеспечении Hydromagic можно создать путевую точку судна. После загрузки безопасного трека (оконтурирующим безопасную границу района съемки) впоследствии можно было дистанционно управлять USV, не опасаясь встречи с неожиданными препятствиями или мелководьем, из-за которых лодка могла оказаться на мели/берегу.

Расстояние между треками было выбрано равным 50 футов с перпендикулярными контрольными треками для проверки глубин в местах пересечения. Общий маршрут составил 29 км.

Данные съемки были собраны с использованием RTK поправок, предоставленных VRS сетью Leica через сотовый телефон, подключенный к портативному компьютеру для сбора данных. NTRIP клиент Hydromagic управляет получением RTK поправок, которые отправляются по каналу передачи данных съемки в CEESCOPE LITE на USV. Использование этого встроенного подключаемого устройства означает, что предоставление RTK поправок для USV не требует какой-либо отдельной автономной радиосвязи или дополнительной настройки оборудования.

 

Окончательные результаты съемки продемонстрировали преимущества использования USV для данной съемочной среды. Для съемки требовался всего один оператор, и работа была выполнена всего за полтора дня. Это позволило USV быстро выполнить детальную съемку области (включая край лагуны), а качество данных при этом было максимальным благодаря соблюдению постоянного шага между треками лодки. Кроме того, были более подробно обмерены участки, представляющие особый интерес: у входа в лагуну и внутри узкого канала, недоступные для катера с экипажем.

 

Близость места съемки к заливу и океану означает, что в лагуне часто бывает ветрено, и эта съемка не стала исключением. Автопилот Dynautics SPECTRE, используемый как часть роботизированного навигационного модуля CEE-PILOT, мог удерживать USV точно на проектном треке независимо от ориентации.

В этих условиях ручное управление съемкой USV без автопилота на расстоянии более 19 км стало бы настоящим вызовом для оператора! Действительно, для сравнения, короткий участок трассы был пройден с ручным управлением на ветру и разница в результатах вполне очевидна (рисунок ниже справа).

 

 

Джулиан Ле Деунф, Мишель Легрис, Джордан Макманус (статья в Hydro International от 29 сентября 2020 г.)

 

Новый способ мониторинга ваших данных

В настоящее время калибровка многолучевых эхолотов (МЛЭ) для гидрографических съемок основана на традиционном методе «патч-теста». Этот субъективный метод, хотя и строгий, имеет серьезные недостатки, такие как трудоемкость (как сбор данных, так и обработка) и предположение, что потенциальные угловые смещения можно рассматривать как несвязанные. Новое алгоритмическое решение, обеспечивающее объективный и воспроизводимый первый шаг к автоматизации процесса калибровки, предлагается в решении MSPAC.

Гидрография необходима для многих видов морской деятельности:

  • Обеспечение навигационной безопасности морских карт и дноуглубительных работ.
  • Получение точных сведений об окружающей среде для морских установок и дноуглубительных работ.
  • Моделирование морского дна для разведки морской энергетики.

В последние годы технология многолучевого эхолота быстро развивалась (многочастотность, многополосность, компенсация в реальном времени и т.д.), что привело к значительному улучшению пространственного разрешения и охвата дна. Чтобы максимизировать выгоды от этих улучшений, необходимо провести тщательную калибровку системы съемки, но после работ, проведенных в 1980-х и 1990-х годах, которые привели к созданию хорошо известного метода патч-теста, этому вопросу уделялось ограниченное внимание. Поэтому пришло время двигаться вперед.

 

   
  Рис. 1: Слева: вид сверху на две противоположные линии и справа: эффект угла отклонения поперечного крена на две противоположные линии на плоском морском дне  

 

Классический патч-тест
Патч-тест разделяет три угла отклонения путем съемки характерных областей по определенной схеме. Для определения угла поперечного крена плоское дно исследуется в противоположных направлениях. Для определения продольного крена съемка уклона или конкретной особенности морского дна осуществляется в противоположных направлениях. Эффект рыскания классически определяется путем определения цели над плоским дном и ее съемки с двух параллельных и перекрывающихся маршрутов, идущих в одном направлении. В качестве примера на Рис. 1 показана конфигурация, необходимая для определения углов отклонения поперечного крена.

Хотя этот метод особенно эффективен, он имеет ряд недостатков, таких как:

  • Требуется предварительное знание района съемки.
  • Предполагается очень точное горизонтальное позиционирование.
  • Оценка угла отклонения зависит от оператора (ручная обработка данных и корректировка морфологии).
  • Раздельная оценка точности углов не производится.
  • Разделены только углы; плечи рычага (или линейные оффсеты датчиков в системе координат судна) считаются правильными.
  • Задержка между IMU и МЛЭ не устранена.

 

Решение MSPAC

Чтобы устранить некоторые из этих недостатков, CIDCO (Центр исследований и разработок в области картографирования побережья и океана, Канада), SHOM (Гидрографический офис Франции) и ENSTA Bretagne (Инженерная школа, Франция) недавно разработали новую процедуру калибровки. Целью является новая надежная и объективная методология, которая обеспечивает решение для углов отклонения, а также оценки задержки передачи данных и плеч рычага на основе специальной процедуры выбора данных для надежной модели плоского уравнивания методом наименьших квадратов. Это решение также экономит время при сборе и обработке данных. На Рис. 2 показано классическое уравнение пространственной привязки батиметрических данных, а также величины, которые MSPAC (Multibeam System Parameters Automatic Calibration - автоматическая калибровка параметров многолучевой системы) решает с помощью трех подмодулей: MIBAC (Multibeam IMU Boresight Automatic Calibration - автоматическая калибровка углов отклонения между МЛЭ и IMU), LAAC (Lever Arms Automatic Calibration - автоматическая калибровка плеч рычагов) и MILAC (Multibeam IMU Latency Automatic Calibration - автоматическая калибровка задержки между МЛЭ и IMU).

 

   
  Рис. 2: Уравнение географической привязки для батиметрических данных и программного пакета MSPAC  

 

Результаты и распределение

Результаты этих алгоритмов подробно представлены в статьях [2] и [3]. Пример выбора данных, сделанного MIBAC, показан на Рис. 3. На этом рисунке морское дно моделируется как сетка элементов поверхности. Для каждого элемента рассчитывается критерий чувствительности, чтобы указать области, где углы отклонения вызывают наибольшее искажение морского дна.

 

   
  Рис. 3: Выбор данных MIBAC в реальном наборе данных  

 

На Рис. 4 показаны результаты сравнения традиционного патч-теста и MIBAC. Эти результаты были свободно распространены, так что каждый может поэкспериментировать с этими алгоритмами и протестировать их. Отчеты об исследованиях (под лицензией ouverte - французская открытая лицензия) и исходные коды (под лицензией CeCILL, совместимой с GPL лицензией) можно найти по адресу gitlab.com/GitShom/mspac/shom-mibac. SHOM не несет никакой ответственности за операционную передачу, а также обслуживание этого программного обеспечения. Заинтересованным сторонам, конечно же, предлагается использовать, улучшать и внедрять эти исходные коды в промышленное производство.

 

Промышленное освоение

Программное обеспечение постоянно совершенствуется сообществом открытого исходного кода, чтобы обеспечить возможность настройки различных аспектов, таких как:

  • Общее распространение неопределенности.
  • Обнаружение элементов плоской поверхности.
  • Оценка методом наименьших квадратов.

Это позволит, например, использовать различные методы идентификации плоских элементов поверхности, такие как [4]. Некоторые внутренние параметры в настоящее время недоступны для пользователя, такие как:

  • Итерационные пороги.
  • Статистические параметры испытаний.
  • Моделирование элементов плоской поверхности.

Как и во всех проектах с открытым исходным кодом, код может быть параметризован в соответствии с конкретными потребностями клиента либо CIDCO, либо сторонними разработчиками.

Текущее состояние MSPAC доступно только из интерфейса командной строки, а графический пользовательский интерфейс значительно улучшает работу пользователя. Мы приветствуем эту инициативу по публикации кодов MSPAC по лицензиям с открытым исходным кодом и надеемся на сотрудничество с заинтересованными сторонами и членами сообщества открытого исходного кода над дальнейшими разработками калибровочного набора MSPAC.

 

   
  Рис. 4. Вверху: cъемочные полосы гавани Брест МЛЭ EM2040c для сравнения методов (DTM выделяет угловые смещения в области перекрытия);
внизу: разница между значениями патч-теста и смещения MIBAC на этих съемочных полосах
 

 

Вывод

Автоматизация рабочего процесса калибровки является важным шагом для беспилотных съемок в море. Даже если результаты кажутся очень интересными, для получения наилучших результатов также необходимо иметь источник позиционирования хорошего качества (RTK или PPP) и морфологию дна, соответствующую пологому склону. Кроме того, предлагаемое решение позволяет обеспечить оценку статистической погрешности измерения, а также объективность, которую трудно достичь с помощью классического патч-теста. Это также делает возможной автоматизацию процедур калибровки, особенно для дронов. Контактное лицо по индустриализации решения MSPAC: jordan.mcmanus@cidco.ca.

 

Благодарности

Это решение было разработано в рамках исследовательского проекта NOCALIT/CALIB-1 между ENSTA Bretagne и SHOM при финансовой поддержке DGA (Министерство обороны Франции). Спасибо DGA за поддержку этого проекта и возможность распространения этих результатов.

 

Алекс Бастос, Педро Менандро (статья в Hydro International от 25 января 2022 г.)

 

Эволюция съемки морского дна

За последние несколько столетий картографирование морского дна океана стало серьезной проблемой для морских геологов. Океанические батиметрические карты и подводная геоморфология значительно повлияли на наше понимание нашей планеты, от тектоники плит до глубоководных экосистем. Историю картографирования океана можно рассматривать через научные тенденции, основанные на словах, используемых в научной литературе. С этой целью был проведен анализ данных по 454 документам, датированным периодом с 1930-х по 2019 год, с использованием ключевой фразы картографирование морского дна.

Первые батиметрические карты были основаны на измерениях по линии (отвесу). В 1855 году первый батиметрический профиль Атлантического океана был показан в учебнике, опубликованном Мэтью Фонтейном Мори. С 1873 по 1876 год экспедиция HMS Challenger (экспедиция была названа в честь совершившего путешествие военного корабля - парового корвета HMS Challenger) собрала более 500 отвесных измерений, показав глубину Марианской впадины и более полную карту Атлантического океана с хребтами Dolphin, Connecting и Challenge, известными сегодня как Срединно-Атлантический хребет. Батиметрические карты стали важным достоянием во всем мире, и уже в 1903 году князь Монако Альбер I выпустил первые Общие батиметрические карты океана (GEBCO).

Начало 20 века ознаменовалось изменением подхода к картографированию морского дна. Развитие акустических технологий привело к использованию эхолотов, позволяющих собирать гораздо больше данных за гораздо меньшее время. После Второй мировой войны, когда широко использовались эхолоты, Морис Юинг, Брюс Хизен и Мари Тарп создали серию батиметрических карт, раскрывающих физико-географические особенности дна океана, опубликованных в основополагающем Специальном документе Геологического общества Америки (1959).  Морфология дна океана предоставила ключевую информацию для решения загадки тектоники плит, а также подтвердила гипотезу Вегенера о дрейфе континентов. В 1977 году глобальная карта морского дна "Дно океанов", составленная Хизеном и Тарпом и нарисованная художником Танги де Ремюром, стала важной вехой в картографированию морского дна и физиографии.

Непрерывное развитие акустических технологий принесло новизну в картографирование морского дна - революционную многолучевую батиметрическую систему. Первая невоенная многолучевая система была использована в 1977 году во время экспедиции Жана Шарко (Seabeam и Hydrochart). В последние десятилетия мы стали свидетелями поразительного технологического развития акустических и неакустических методов и систем картографирования морского дна.

 

Актуальная батиметрическая карта дна Мирового океана: светлыми цветами показаны нанесенные на карту обследованные области, тогда как черным цветом показаны области, которые еще предстоит нанести на карту (карта предоставлена The Nippon Foundation-GEBCO Seabed Project 2030)

 

 

Смотреть полную версию статьи   >>