Компания SBG SYSTEMS анонсировала новую компактную инерциальную навигационную систему Ekinox Micro - новейшее миниатюрное решение для инерциальной навигации с помощью GNSS. Ekinox Micro сочетает в себе высокопроизводительный инерциальный датчик MEMS с двухдиапазонным GNSS приемником с четырьмя созвездиями спутников, что делает его идеальным для критически важных приложений.

ИНС Ekinox Micro маленькая и легкая; но при этом достаточно прочная, чтобы работать в самых суровых условиях, в соответствии с военными стандартами MIL-STD-461G, MIL-STD-1275E и MIL-STD-810H. Датчик не подлежит контролю ITAR, экспорт не ограничен.

Ключевые особенности:

• Устройство с выдающимися параметрами SWaP-C (размеры, вес, энергопотребление и стоимость) и непревзойденной производительностью в самых суровых условиях.
• Подавление помех и спуфинга.
• Точный расчёт траектории.
• Встроенный регистратор данных и подключение к сети Ethernet для простоты использования и интеграции.
• Полный набор инструментов для интеграции: REST API, бинарные и ASCII-протоколы…
• Предварительно настроенные профили движения для наземных, воздушных и морских приложений для оптимальной производительности.
• Определение курса с помощью одной антенны с полной производительностью.
• Для приложений с низкой динамикой определение курса с двухантенным приемником (рассчитывается менее чем за 10 с).

Ekinox Micro будет доступна для заказов в сентябре 2023 года.

Гийом Фроман, Николя Ле Дантек, Франс Флок (статья в Hydro International от 5 декабря 2022 г.)

Определение поля концентрации взвешенных наносов с помощью многолучевых эхолотов

Измерение взвешенных твердых частиц (ВТЧ) в толще воды по-прежнему представляет собой серьезную проблему, когда речь идет об охвате больших территорий в море или реках. Здесь описан новый метод мониторинга частиц в толще воды в широком пространственном охвате. Он основан на совместном использовании установленного на корпусе  судна многолучевого сонара, откалиброванного на месте, и акустического профилографа обратного рассеяния (АПОР), работающего на нескольких частотах. Этот метод является быстрым и легко применимым и предлагает большие перспективы для получения крупномасштабной информации о взвешенных твердых частицах в толще воды в прибрежных районах.

Распределение и перенос ВТЧ может воздействовать на окружающую среду, начиная от морской среды обитания и качества воды и заканчивая морфологией морского дна. В последние десятилетия значительные усилия были направлены на мониторинг взвеси в различных временных и пространственных масштабах в прибрежных океанах и реках. Системы, обычно используемые в исследованиях ВТЧ, представляют собой акустический доплеровский профилограф течения (ADCP) и АПОР. Однако многолучевой эхолот (МЛЭ) широко используется для батиметрических приложений и может предоставлять двумерные изображения обратного рассеяния водяного столба по всей ширине полосы обзора. Таким образом, МЛЭ дает возможность получать данные ВТЧ в толще воды с большей пространственной репрезентативностью, чем другие акустические системы, такие как АПОР и ADCP.

Однако интерпретация измерений МЛЭ с точки зрения ВТЧ остается сложной из-за сложных конструкций антенн МЛЭ, которые требуют абсолютной калибровки и ее единственной частоты излучения (или, по крайней мере, ограниченного диапазона частот в случае многочастотных систем). Обе проблемы могут быть преодолены для достижения количественного определения ВТЧ с использованием данных водной толщи МЛЭ путем однократной калибровки антенны МЛЭ со стандартной целью и при условии, что измерения многочастотных акустических профилей регулярно повторяются во время съемок МЛЭ. Здесь предлагается новый быстрый и доступный протокол количественного определения ВТЧ с использованием МЛЭ в рамках оригинального полевого эксперимента.

Полевой эксперимент

Рис. 1: Расположение устья реки Ольн, Франция.

21 января 2015 г. был проведен эксперимент с небольшого судна под мостом Теренес в устье реки Ольн на северо-западе Франции (Рис. 1а). Устье реки Ольне является мелководным макроприливным притоком Брестского залива. Основными минералами во взвешенном состоянии являются филитовые глины, которые придают ВТЧ склонность флокулировать (выпадать в осадок). Массовая концентрация взвешенных наносов меняется в зависимости от сезона, самые высокие значения наблюдаются во время зимнего половодья (>1 г/л).

МЛЭ EM3002 компании Kongsberg на частоте 300 кГц был установлен на забортной штанге, развернут с судна и снимал водную толщу в течение пяти часов во время отлива с частотой пингования 4 Гц. Диапазон скорости выборки МЛЭ был установлена на 15 кГц, что привело к размеру ячейки 5 см (Рис. 2b). Сырой сигнал обратного рассеяния, поступающий на трансдьюсер, был записан, и был сгенерирован 81 луч в диапазоне от -60° до 60° с постоянным расстоянием между лучами 1,5°. Кроме того, было собрано в общей сложности 20 многочастотных измерений с помощью АПОР (Aquascat 1000S), по одному каждые 15 минут. Aquascat измеряет объемный коэффициент обратного рассеяния на четырех частотах (0,5/1/2/4 МГц) по 256 ячейкам по 5 мм для каждого пинга с частотой пингования 8 Гц. Инструмент располагался горизонтально, чтобы можно было усреднить каждый профиль и присвоить ему определенную глубину. Пробы воды на месте отбирались батометром Нискина через одинаковые промежутки времени и на постоянной глубине 8 м.

Рис. 2: a) Схема протокола калибровки на месте, b) Схема протокола взятия выборок на месте:
1- Рама, на которой размещен батометр Нискина и АПОР, измеряющие горизонтальные акустические профили над толщей воды (Aquascat 1000S) каждые 15 минут,
2 - МЛЭ EM3002 непрерывно записывает сырые данные акустического обратного рассеяния.

«Минимальная» калибровка МЛЭ

Процесс формирования луча EM3002 включает в себя управление лучом, что вызывает как различия в уровнях эха по всему веерному лучу МЛЭ, так и расширение эквивалентного телесного угла по мере увеличения угла поворота. Кроме того, существует общее постоянное смещение уровня эха для каждого луча. Все эти эффекты обычно корректируются путем калибровки каждого луча с использованием стандартной мишени или контролируемой взвеси. Эти протоколы отнимают много времени и требуют значительных средств. Вместо этого была разработана полевая полуэмпирическая калибровка, направленная на согласование уровней эха эхолота, чтобы он мог выполнять абсолютные измерения по всем своим веерным лучам.

Первый шаг в предлагаемой многолучевой калибровке ВТЧ состоял из коррекции одного луча вокруг надира с использованием мишени (карбидно-вольфрамовая сфера диаметром 38,1 мм, Рис. 2а) с известными свойствами материала для определения постоянного смещения в дальней зоне МЛЭ с точки зрения отражающей способности цели (ОСЦ). Различия в ОСЦ по всему веерному лучу затем были теоретически оценены по этому единственному лучу путем вычисления диаграммы направленности луча системы, а также оценки поглощения и распространения. Это привело к однородному измерению абсолютного объемного коэффициента обратного рассеяния по всему веерному лучу. Так как для одночастотного МЛЭ слишком много неизвестных, чтобы обеспечить прямую концентрацию ВТЧ для каждого луча из полученной таким образом информации, то поэтому для определения размеров частиц необходима многочастотная информация, такая как информация, предоставляемая АПОР. Поскольку для оценки концентрации и размера взвешенных частиц требуется набор частот, достаточно широко разбросанных в диапазоне 500 кГц - 5 МГц, то использовать современные мультиспектральные многолучевые системы невозможно, и вместо них требуется АПОР.

Оценка эквивалентных сферических радиусов взвеси и одночастотная инверсия МЛЭ

АПОР регистрирует абсолютный объемный коэффициент обратного рассеяния на четырех частотах. В общей сложности было преобразовано 20 профилей АПОР, что дало числовую плотность, распределенную по 16 классам эквивалентного сферического радиуса (ESR) с логарифмическим шагом в диапазоне от 30 - 500 мкм на каждой глубине, выбранной АПОР (Рис. 3a).

Рис. 3: а) Решение инверсии по размерным классам по глубине, b) SESR: серая пунктирная линия
показывает предел, ниже которого значения SESR были получены экстраполяцией.

В этом эксперименте была разработана модель обратного рассеяния для учета текущих свойств взвеси с использованием программного обеспечения с открытым исходным кодом Hydrac. Затем по ESR был оценен эквивалентный сферический радиус взвеси (SESR) для уникального размерного класса, учитывающего всю взвесь. SESR были линейно интерполированы, чтобы соответствовать частоте съемки МЛЭ и глубине выборки луча. Равномерная экстраполяция применялась к самым глубоким ячейкам в столбце, когда эти ячейки не покрывали диапазон профилирования МЛЭ.

Рис. 4: (а) Инвертированная весовая процентная концентрация, наблюдаемая по центральному лучу эхолота;
(b) Временные ряды сырых данных (сплошные линии) и 10 мин. усредненная весовая процентная концентрация (пунктирные линии),
оцененные с помощью надирного луча (черные линии) и луча направленного под углом 30° (серые линии),
по сравнению с концентрациями выборок на месте (красные точки).

Инверсия интенсивности обратного рассеяния МЛЭ

Рис. 3b иллюстрирует SESR, найденный для каждой ячейки глубины. Обнаруженные диапазоны SESR составляли от 70 мкм до 170 мкм и, по-видимому, постоянно увеличивались на протяжении всего эксперимента.

На Рис. 4 представлены инвертированные временные ряды сигнала МЛЭ для центрального луча вдоль толщи воды, а также сравнение между двумя лучами под углами 0° и 30° и наблюдениями на месте из батометра Нискина на фиксированной глубине 7,75 м. Расчетная весовая процентная концентрация увеличивалась с 07:00 (начало отлива) до 09:30. После 09:20 произошло умеренное помутнение, концентрация достигла 600 мг/л. После 10:30 концентрация снизилась до ~100 мг/л, по-прежнему демонстрируя хорошо заметный градиент вблизи дна. Пространственная картина оценок весовой процентной концентрации с помощью МЛЭ и ее эволюция во времени (Рис. 4b) хорошо согласуются с вариациями весовой процентной концентрации, определенными по выборкам воды.

Наконец, на Рис. 5 показана весовая процентная концентрация на шести последовательных эхограммах. Отчетливый контраст можно наблюдать у русла реки, где до 09:20 с левого борта эхолота медленно формировался более концентрированный слой (Рис. 5а). Несмотря на некоторые артефакты калибровки, видимые с левой стороны эхолота (от 10° до 30°), эхограммы дают хорошее представление о динамике поля концентрации взвеси.

Рис. 5: Эхограммы весовой процентной концентрации
в последовательные моменты времени между 09:20 и 09:50.

Выводы

Инверсия сырых данных МЛЭ для количественного определения взвешенных отложений применима к любому участку съемки, если известна непротиворечивая модель, описывающая свойства рассеяния целевой взвеси, как в случае с морскими отложениями. Демонстрируется потенциал МЛЭ для количественной оценки ВТЧ в большом пространственном охвате. С помощью разработанного протокола калибровки сырые многолучевые данные могут быть преобразованы в согласованные отсчеты по вееру измерений. Результаты инверсии хорошо согласуются с массовыми концентрациями на месте и дают доступ к временной эволюции двумерного поля весовой процентной концентрации. После калибровки МЛЭ выдает отсчеты. Если необходимо измерить на другой площадке, можно применить ту же методологию. Однако тогда для правильного типа ВТЧ требуется модель обратного рассеяния. Это исследование подтверждает интерес к использованию активной акустики для целей мониторинга ВЧ и подчеркивает необходимость доступа к сырым данным о столбе воды от коммерческих систем МЛЭ.

Шарль де Йонг, Сара Понт, Хулия Талая (статья в Hydro International от 25 апреля 2023 г.)

Жизненно важный шаг на пути к эффективному управлению прибрежной зоной

В рамках проекта правительства Каталонии по улучшению управления морской средой Картографический и геологический институт Каталонии (ICGC) сотрудничал с компанией Field для съемки прибрежной зоны Каталонии с использованием системы воздушной лидарной батиметрии (ALB). Результатом стала точная, подробная топобатиметрическая модель рельефа, которая послужит основой для эффективного управления прибрежной зоной.

Прибрежная зона Каталонии имеет жизненно важное значение для биоразнообразия и деятельности человека, такой как туризм, рыболовство и аквакультура. Поэтому правительство Каталонии составляет «Карту морского ареала обитания Каталонии», которая обеспечит точную картографию каталонского морского дна на батиметрическом, геоморфологическом, осадочном и экологическом уровнях, показывая различные места обитания и виды, а также их размеры и распространение.

Эти знания необходимы для хорошего планирования и управления морской средой Каталонии. Это особенно актуально в контексте охраняемых морских территорий сети Natura 2000 (европейская сеть природных наземных и морских объектов) и соблюдения директивы ЕС 92/43/EEC о сохранении естественной среды обитания и дикой фауны и флоры.

Получение точной батиметрии на глубинах до 50 м является основой задачей этого проекта. В то время как для областей глубиной 10–50 м была выполнена съемка с использованием «традиционной» гидроакустической технологии, ICGC решила исследовать область от 10 до 50 м глубины воды с использованием ALB.

Целесообразность использования водушной лидарной батиметрии

ALB использует лазерное излучение для измерения глубины воды с воздушной платформы, такой как самолет. Обычно он используется для картографирования относительно мелких водоемов, таких как прибрежные зоны, реки и озера. ICGC выбрала ALB, потому что это зрелая технология, отличающаяся точностью, скоростью и экономичностью. Она также обладает уникальной способностью одновременно отображать как подводные глубины, так и топографические высоты на суше, создавая бесшовную модель рельефа прибрежной зоны.

Съемку этой переходной зоны между сушей и водой трудно выполнить с помощью других технологий, таких как многолучевой эхолот, поскольку мелководные участки могут быть недоступны или опасны для навигации. Сонарная технология также неэффективна на мелководье, поскольку ширина полосы сонара становится очень узкой, так что для съемки местности требуется много времени. С ALB можно летать над территорией шириной около 300 м на скорости около 250 км/час, что намного эффективнее.

В то время как ALB является узкоспециализированным рынком в отрасли гидрографических съемок, спрос на него растет из-за растущей глобальной потребности в более качественном картографировании прибрежных зон по экологическим и экономическим причинам.

Рис. 1: Фотография самолета компании Field, пролетающего над Каталонией

В ходе конкурсного тендера для реализации проекта была выбрана норвежская компания Field, занимающаяся сбором и анализом геоданных. Field специализируется на ALB съемках и является единственной европейской компанией, использующей передовой батиметрический лидарный датчик CZMIL SuperNova. CZMIL (лидар для картографирования и визуализации прибрежной зоны) был разработан компанией Teledyne Optech (после объединения Teledyne Optech с компанией Teledyne Caris новая компания называется Teledyne Geospatial) в сотрудничестве с Объединенным техническим экспертным центром воздушной лидарной батиметрии США (JALBTCX). Благодаря мощному лазерному импульсу и передовой технологии обнаружения фотона (или кванта электромагнитного излучения) этот датчик достигает наибольшей глубины проникновения на рынке. В SuperNova интегрированы Applanix POS AV (программно-аппаратный комплекс компании Applanix на основе инерциальной технологии и GNSS для геопривязки данных воздушных датчиков) с GNSS и IMU (инерциальное измерительное устройство) для точного позиционирования и 150-мегапиксельная RGB-камера PhaseOne.

Планирование ALB съемки

Результаты глубины, которые могут быть получены во время ALB съемки, варьируются от нескольких метров до примерно 60 м, в зависимости от возможностей используемого датчика, отражательной способности дна и мутности воды. Если вода мутная, то значит, что в воде больше частиц, которые рассеивают и поглощают свет, препятствуя возвращению лазерного луча к датчику для измерения глубины. В этих условиях ALB датчик может быть не в состоянии обнаружить дно дальше нескольких метров. Поскольку мутность воды имеет значительные локальные и временные вариации, важно учитывать это при планировании ALB съемки.

Самая высокая мутность в районе съемки была в дельте реки Эбро. Лето, как правило, самое засушливое время в Каталонии, с меньшим речным стоком и, следовательно, меньшим количеством наносов в дельте Эбро. Имеющиеся спутниковые снимки подтвердили, что мутность была самой низкой летом, поэтому ALB съемку планировалось провести в этот период.

Дальнейшая подготовка заключалась в получении разрешений на полеты, оптимизации плана полетов, установке датчиков, а также выполнении топографической и батиметрической калибровочной съемок.

Выполнение съемки

На Рис. 1 представлен снимок, сделанный с самолета компании Field, летящего над Каталонией. ALB съемка охватила около 300 км² и была выполнена за 12 дней. Вся площадь была покрыта всего за 42 часа при сборе данных от двух до пяти часов в день со средней производительностью около 7 км²/час. Обратите внимание, что для той же съемки, выполненной корабельным сонаром, потребовалось бы несколько месяцев.

Для оценки полученных результатов по глубине требованием ICGC первоначально был выполнен залет для съемки с тестовыми полетными галсами в мутной дельте Эбро. За исключением области на юго-западе, которая была слишком мутной, результаты были очень положительными, поскольку на большей части территории была достигнута глубина 10 м. Без сомнения, это произошло благодаря датчику CZMIL SuperNova. Основываясь на результатах выполненных тестов, ICGC решила продолжить съемку остальной части дельты Эбро, в результате чего была создана топобатиметрическая модель рельефа, соответствующая требованиям глубины 10 м.

В других, менее мутных районах вдоль каталонского побережья у SuperNova не возникло проблем с получением полного батиметрического покрытия на требуемой глубине 10 м. Во многих районах был достигнут полный охват до 25-30 м при максимальной глубине около 35 м. На Рис. 2 представлена визуализация батиметрии вокруг островов Формиг в северной Каталонии с глубинами более 30 м, представленными самым глубоким оттенком синего.

Некоторые локальные различия в полученных максимальных глубинах можно частично объяснить мутностью, а также локальным отражением от дна: в целом более светлое песчаное дно отражает свет лучше, чем темное дно или участки с большим количеством растительности.

Рис. 2: Батиметрическая карта региона вокруг островов Формиг, расположенных в северной части Каталонии (батиметрическая модель глубины обеспечивает полное покрытие территории, при этом самый темный синий оттенок указывает на глубину, превышающую 30 метров)

Обработка данных

Компания Field обработала ALB данные с помощью программного обеспечения CARIS, используя автоматизированные процессы и алгоритмы глубокого обучения, чтобы провести первоначальную классификацию отраженных импульсов от земли, поверхности воды или дна. Затем использовалось программное обеспечение Terrasolid для дальнейшей классификации, сопоставления полетных галсов и преобразования эллипсоидальных высот в локальные высоты, используемые в Каталонии.

В результате получилось чистое и точное топобатиметрическое облако точек. Хотя требовалось не менее двух точек на квадратный метр, результирующий набор данных содержал более пяти точек на квадратный метр на глубине до 10 м в большинстве районов. Плотность точек уменьшается с увеличением глубины воды, но на глубинах 15-20 м их по-прежнему было 2-5 на квадратный метр. Цифровые модели рельефа и изолинии глубины были получены на основе данных облака точек и являлись частью результатов.

Рис. 3: Примеры облака точек вблизи АЭС Ванделлос
(на первом изображении отображается облако точек с цветами на основе ортофотоплана,
а на втором изображении то же облако точек с цветами на основе его классификации)

Кроме того, было получено около 10 000 RGB изображений с высоким разрешением и созданы производные ортофотоснимки. Участок суши был переэкспонирован (был более светлым) во время обработки изображения, что дало хороший вид водной поверхности и было полезно для картографирования среды обитания. Цвета изображения также были добавлены к облакам лидарных точек.

На Рис. 3 показано облако точек примерного района вокруг атомной электростанции Ванделлос. На карте красным обозначено расположение этого района вдоль каталонского побережья.

Поверхность воды удалена, чтобы была видна батиметрия. Это полная топобатиметрическая модель до глубины около 22 м (отрезанная не глубиной датчика, а областью съемки). На первом изображении показано облако точек, окрашенное в соответствии с ортофотопланом. На втором изображении показано то же облако точек на основе классификации. Используя несколько настраиваемых алгоритмов для различения отражений от дна и морской растительности, компания Field может классифицировать их по отдельности. Это видно на изображении с батиметрией синего цвета и морской растительностью темно-зеленым цветом.

Результаты съемки

ICGC был удовлетворен качеством и детализацией полученных наборов данных, таких как выпуск технологических вод из подводных лодок вдоль побережья, которые были видны в данных, и остатки старого маяка, обнаруженные под водой в дельте Эбро. Дополнительным преимуществом короткой и эффективной съемки прибрежной зоны с использованием ALB является то, что результирующий набор данных является более однородным и взаимосвязанным, чем съемка нескольких участков в течение более длительного периода или нескольких периодов с использованием эхолота.

Чтобы проверить точность съемки, компания Tecnoambiente провела съемку тестового участка с помощью многолучевого эхолота. На Рис. 4 показаны батиметрические лидарные данные 0-10 м и схема многолучевой сонарной съемки, окрашенные в соответствии с разницей между двумя наборами данных. В бело-желтой области разница не превышает нескольких сантиметров. Среднее значение среднеквадратичной разницы (RMS) между наборами данных составило 12 см, что полностью соответствовало требованиям. Различия, как правило, больше на мелководье, чем на более глубоких участках, что можно объяснить пятимесячным перерывом между двумя съемками, а также тем, что дно на мелководье более динамично.

В целом для ICGC результаты подтверждают, что ALB - лучшая технология для съемки прибрежной зоны Каталонии, и, вероятно, в будущем она будет использоваться чаще, например, для мониторинга изменений.

Информация о гранте

Этот проект, осуществляемый Каталонским генеральным управлением экологической политики и окружающей среды Департамента по борьбе с изменением климата, продовольствия и сельского хозяйства, совместно финансируется Европейским фондом морского и рыбного хозяйства и Министерством по борьбе с изменением климата, по вопросам продовольствия и сельского хозяйства, правительства Каталонии.

Рис. 4: Обзорная карта Каталонии
(красным маркером обозначена область, показанная на Рис. 3)

Следующие шаги

ICGC продолжит работу над получеными продуктами и создаст цельную топобатиметрическую модель для всей Каталонии, интегрируя недавно полученные ALB данные с существующими топографическими лидарными данными и батиметрическими многолучевыми данными для более глубоких областей. Эта интегрированная высотная модель послужит основой для многих целей, таких как моделирование устойчивости пляжей при различных сценариях подъема уровня моря и увеличения количества штормов.

Таким образом, это важный ресурс для исследователей, политиков и других заинтересованных сторон в поддержке процессов принятия решений для устойчивого управления каталонской береговой линией и морской средой.

Рис. 5. Батиметрические лидарные данные 0-10 м и схема съемки многолучевым эхолотом
(различия между наборами данных выделены цветом для визуального сравнения)

Статья в Hydro International от 27 февраля 2023 г.

В этой короткой сессии в формате "Вопрос-ответ" Юрген Беренс, директор по стратегии и развитию бизнеса Deep BV, ведущей международной инжиниринговой компании, специализирующейся на гидрографии, морской геофизике и океанографии, делится своими мыслями о самых больших проблемах, стоящих перед гидрографической отраслью: технологических разработках, являющихся движителем отрасли; дискуссии о замене гидрографов роботизацией и искусственным интеллектом, а также о том, как он расставляет приоритеты для инвестиций в технологии внутри организации.

В чем вы видите самые большие проблемы для гидрографической отрасли в целом в ближайшие годы?
В ближайшие годы гидрографическая отрасль столкнется с двумя основными проблемами: достижение климатической нейтральности к 2030 году, а также рост и сохранение рабочей силы на растущем рынке. Климатическая нейтральность представляет собой уникальную проблему для гидрографической отрасли: морские суда нелегко переоборудовать на двигатели с нулевым уровнем выбросов, и даже когда переоборудование возможно, в портах и гаванях часто не хватает альтернативных источников топлива или электрозарядных устройств. от которых они работают. Между тем,отрасль должна найти пути для роста и поддерки своей рабочей силы на быстро расширяющемся рынке. Задача здесь заключается в предоставлении обучения и возможностей для тех, кто хочет присоединиться к отрасли, а также в сохранении и дальнейшем развитии опыта тех, кто уже работает.

Глядя на гидрографию, какие технологические разработки, по вашему мнению, станут основными движущими силами в ближайшие годы?
Основными драйверами в ближайшие годы станут автоматизация и роботизация. Я говорю здесь не о полной автономии, а о любой технологии, которая уменьшает человеческий вклад и позволяет нам делать больше с меньшим количеством людей. Используя эти достижения, мы можем повысить безопасность, эффективность и точность нашей работы. Одним из основных способов, с помощью которого мы можем сосредоточиться на устойчивом развитии, является роботизация. Поставив роботизацию в центр внимания, мы действительно можем сделать большой шаг к реализации наших экологических амбиций.

Дебаты: «Через десять лет гидрографов заменит роботизация и искусственный интеллект». Вы: полностью согласны, скорее согласны, затрудняетесь ответить, скорее не согласны или полностью не согласны? Пожалуйста, поясните.
Я полностью не согласен с утверждением. Через десять лет большая часть унылой, грязной и/или опасной работы будет выполняться беспилотными судами с расширением функциональных возможностей ИИ (искусственного интеллекта) в рабочих процессах. Вместо проведения гидрографических съемок в море роботизированные миссии будут планироваться и контролироваться удаленно из центров управления. Контроль качества обработки и доставки данных будет приоритетом, поскольку спрос на данные морского дна огромен.

Какие типы проектов съемок будут иметь первостепенное значение для вашей организации в ближайшие годы?
Что касается проектов съемок Deep BV в ближайшие годы, то они будут в первую очередь сосредоточены на голубой экономике. Эти проекты включают морские возобновляемые источники энергии и адаптацию к климату, которые предлагают огромный потенциал для таких компаний, как наша. Эти проекты не только могут быть успешными и прибыльными, но и дают возможность принести пользу окружающей среде и обществу.

Как бы вы расставили приоритеты для инвестиций в технологии в вашей компании на ближайшие пару лет?
Мы увлечены использованием новых технологий, таких как беспилотные надводные суда. На этих судах нет экипажа, поэтому специалисты могут оставаться на берегу для сбора и анализа данных. Наши удаленные съемки гарантируют, что данные, которые мы собираем, преобразуются в ценную информацию для наших клиентов. Это то, что делает нашу работу такой полезной - творческий вызов и преобразование данных в полезную информацию, которая приносит пользу нашим клиентам.
Если бы я расставил приоритеты для инвестиций в технологии в нашей организации сейчас и в ближайшем будущем, это было бы ясно: технологии, которые позволяют нам выполнять больше работы с меньшим количеством людей и помогают нам сократить выбросы CO₂ и NO_X. Переход к использованию беспилотных судов для гидрографических съемок, как я упоминал выше, является эффективным способом достижения этих двух целей. Все наши проекты направлены на экологичность и создание зеленой энергии, и мы создаем оффшорные ветряные электростанции уже более 15 лет. Однако самым важным элементом наших судов является их экологичность; мы верим в электрические лодки и минимизируем поездки за счет удаленной работы.

О Юргене Беренсе

Юрген Беренс - директор по стратегии и развитию бизнеса Deep BV, ведущей международной инжиниринговой компании, специализирующейся в области гидрографии, морской геофизики и океанографии. С момента основания компании в 1999 году амстердамская компания реализовала проекты по всему миру, от морских до прибрежных районов, портов и внутренних водных путей. Юрген получил степень бакалавра гидрографии в Морской академии Амстердама (Hogere Zeevaartschool Amsterdam).

Сэм Харпер, Матиас Джонас и Сара Джонс Кутюр, МГО (cтатья в Hydro International № 2 за апрель 2023 г.)

От морских карт к морским пространственным данным

Во многих местах по всему миру получаемые данные однозначно показывают повышение уровня моря. В низменных прибрежных районах даже небольшое увеличение водного уровня в сочетании с высокими приливами и штормовыми нагонами может иметь разрушительные последствия. Гидрография может предоставить ряд технологических и информационных решений для мониторинга изменений, определения уязвимых областей и подготовки к будущему. Стандарты цифровых данных, разработанные МГО (Международная гидрографическая организация), также могут помочь справиться с большим объемом генерируемых данных об океане.

Поверка измерителя водного уровня в Антарктиде

Повышение уровня моря в сочетании с экстремальными погодными явлениями может иметь далеко идущие последствия, такие как изменение береговой линии, воздействие на прибрежную энергетическую инфраструктуру и перемещение населения. Однако не во всем мире это будет затронуто в одинаковой степени или с одинаковой скоростью. Приливы и уровень моря определяются многими факторами: гравитационное притяжение Солнца и Луны, а также форма и текстура морского дна, которые в некоторых случаях могут увеличивать высоту приливов и волн. Гидрографические продукты и сервисы поддерживают все виды деятельности, связанные с океанами, морями и внутренними водными путями, и могут помочь в решении этих проблем. Гидрографические съемки собирают данные о различных параметрах океана, включая глубину (батиметрию), приливные явления и уровень моря. Чтобы интегрировать эти данные из разных географических источников, разных дисциплин и разных устройств и обеспечить их совместимость, необходимы надежные международные стандарты. В результате стандарты и рамки, разработанные МГО для навигации, расширяются для охвата других приложений.

От навигационных карт к инфраструктуре морских пространственных данных
Предоставление гидрографической информации расширилось от ввода данных только навигационных карт и сервисов до гораздо более широкого спектра деятельности. Оцифровка этой информации позволяет гидрографам предоставлять морские пространственные данные, которые можно наносить на карту и анализировать. Цифровые морские пространственные данные были успешно стандартизированы для навигации с использованием стандартов и руководств МГО и, в частности, с помощью стандарта обмена данными МГО S-57 для данных электронных карт и МГО INT 1 для стандартизации морских бумажных карт. Однако растущее значение экономических и экологических соображений требует более целостного подхода. На картах показаны лишь некоторые базовые гидрографические данные, поэтому они пользуются большим спросом для гораздо более широкого круга приложений, и поэтому функциональная совместимость этих данных важнее, чем когда-либо прежде.

Иллюстрация следующего поколения наборов данных, способных отображать топографию морского дна: комбинация S-101 ENC и S-102 Bathymetric Surface

Основываясь на опыте ECDIS (Электронная система отображения графических данных и информации) и ENC (Электронная навигационная карта), МГО продолжает разрабатывать и устанавливать стандарты и выпускать руководства, которые гарантируют, что гидрографическая информация доступна и может предоставляться пользователям посредством соответствующих согласованных и функционально совместимых продуктов и услуг. Разработка этих новых стандартов обусловлена необходимостью продолжать удовлетворять требования SOLAS (Безопасность жизни на море) по повышению безопасности судоходства и поддерживать внедрение электронной навигации под руководством Международной морской организации (ІМО), создание глобальной системы раннего предупреждения о цунами и устойчивое использование Мирового океана в рамках программы ООН Ocean Decade (Десятилетие океана). Для этого требуется легкий доступ к стандартизированной высококачественной цифровой геопространственной информации, которая может поддерживать управление и контроль морским пространством. Соответственно, МГО продолжает работу над структурой стандарта S-100 (рамочный документ МГО, предназначенный для разработки цифровых продуктов и услуг для гидрографических, морских и ГИС-сообществ) для поддержки создания и поддержки взаимодействующих спецификаций продуктов морских данных, соответствующих серии стандартов географической информации ISO-19100. Продукты на основе S-100, включая стандарт S-102 Bathymetric Surface (Батиметрическая поверхность) и S-111 Surface Currents (Поверхностные течения), находятся на начальной стадии внедрения, тестирования и оценки в рамках программ испытательных стендов МГО. Эта серия также включает спецификацию продукта для морских нормативов/пределов и границ (S-121) и морских охраняемых районов (S-122).

Измерения водного уровня, сделанные в Бресте, ясно показывают,
что уровень моря поднимается

Навигационные карты и цифровые данные о приливных явлениях
Гидрографические службы по всему миру следят за мареографами, которые предоставляют динамические данные об уровне моря, которые помогают определять тенденции течений и могут отображаться на цифровых картах. Тем не менее, корни этих приложений восходят к 1980-м годам, когда прогресс в области технологий представил возможность универсального программного приложения, которое могло бы в цифровом виде интегрировать ряд функций в частично интерактивный навигационный инструмент. IHO и IMO работали вместе, чтобы воплотить это видение в жизнь, предоставив спецификации и требования к производительности для такого приложения. В 1989 году IMO придумала название «ECDIS - электронная картографическая и информационная система» для этого инновационного класса компьютерных судовых навигационных устройств. Чтобы снабдить ECDIS официальными навигационными данными, IHO создала первые стандарты для цифровых морских карт в середине 1990-х годов - «ENC - Электронные навигационные карты». Потребовалось почти два десятилетия, прежде чем гидрографические службы смогли наладить регулярное предоставление ENC, эквивалентных бумажным картам с точки зрения качества и охвата морских районов их ответственности. Сегодня фактически все судоходные воды покрыты ENC, которых всего около 16 000. Существуют хорошо продуманные системы распространения для ENC, работающие в сотрудничестве с промышленностью, которые также обеспечивают регулярное обновление через спутниковую связь. В 2000-х годах пользовательский спрос на услуги информации о глубине в режиме реального времени для навигации в сочетании с доступностью батиметрических данных с высоким разрешением побудил интерес к ключевой области работы: внедрению динамических приливов и отливов в цифровую окружающую среду, связанную с ECDIS. По сей день МГО продолжает поощрять использование данных о приливах и восстановлению исторических записей мареографов для изучения долгосрочных изменений уровня моря. Некоторые из недавних морских тестирований S-100 универсальной модели гидрографических данных (Universal Hydrographic Data Model), также направлены на получение данных почти в реальном времени о подробной топографии морского дна и течениях.

Поддержка систем раннего предупреждения
Гидрографические данные также могут помочь предвидеть экстремальные погодные явления и стихийные бедствия, такие как цунами, и подготовиться к ним. На COP27 (название ежегодной конференции, где собираются все страны, ратифицировавшие Рамочную конвенцию Организации Объединённых Наций об изменении климата 1992 года) в Шарм-эль-Шейхе, Египет, Генеральный секретарь ООН г-н Антониу Гутерриш объявил о плане внедрения систем раннего предупреждения по всему миру в течение следующих пяти лет. В плане будут устранены «ключевые пробелы в понимании риска бедствий, мониторинга и прогнозирования, быстрой связи, а также готовности и реагирования». Для внедрения эффективных систем для океана необходимы актуальные и точные данные для отслеживания изменений в морской среде и разработки более точных моделей будущих тенденций. В частности, из-за того, что форма и текстура морского дна влияют на распространение волн цунами, более точная информация может помочь точно определить области для сосредоточения ресурсов.

Общая батиметрическая карта океана (GEBCO)
МГО работает вместе с IOC UNESCO (Межгосударственная океанографическая комиссия ЮНЕСКО) над созданием полной карты морского дна с высоким разрешением в рамках программы GEBCO. Данные хранятся в Центре данных по цифровой батиметрии (DCDB) МГО, расположенном в Национальном центре экологической информации (NCEI) Национального управления по исследованию океанов и атмосферы (NOAA) в Боулдере, штат Колорадо (США). Банк батиметрических данных DCDB ежегодно увеличивается на несколько терабайт. В результате получен свободно доступный грид GEBCO (глобальная модель рельефа и суши), которая теперь ежегодно обновляется, превратившись в интерактивный картографический инструмент с возможностями осуществления запросов. Однако охват и качество сетки зависят от поступающих данных съемки топографии океана. Доля мирового океана, нанесенная на карту с высоким разрешением с помощью грида GEBCO, увеличилась с 6% в 2017 году до почти 25% в 2022 году. Однако существует значительный пробел в полном высококачественном покрытии. Программа GEBCO работает над улучшением этого с помощью различных инициатив. Одним из них является совместный проект совместный проект Seabed 2030 (Морское дно 2030) японского фонда Nippon и GEBCO, целью которого является картографирование 100% океана в формате высокой четкости к концу этого десятилетия. Seabed 2030 работает над обнаружением существующих наборов данных, еще не загруженных в DCDB, поддерживает гражданский научный проект МГО по сбору данных о глубине («краудсорсинговая батиметрия» - получение батиметрических данных от группы бескорыстных исполнителей через интернет) и планирует спонсировать разработку новой технологии съемки. Цель проекта состоит в том, чтобы каждая ячейка грид-сетки с определенными целевыми разрешениями, которые различаются по глубине, содержала бы по крайней мере одно зондирование глубины. Грид-сетка GEBCO, выпущенная в июне 2022 года, содержала значительно больше данных, особенно в арктических и антарктических регионах, где покрытие увеличилось примерно на 15%. В знак признания его вклада в углубление знаний об океане программа Seabed 2030 была утверждена в качестве акции ООН в рамках Ocean Decade. Помимо структуры стандартизации S-100, грид-сетка GEBCO является одним из наиболее важных способов, с помощью которого гидрография может способствовать лучшему изучению океана. Помимо предоставления исходных данных для отслеживания изменений, более качественные данные обеспечивают более точные модели повышения уровня моря и океанских течений. Точность моделей прогнозирования воздействия подъема уровня воды на прибрежные районы в значительной степени зависит от геометрии и текстуры морского дна. Гидрография как прикладная наука является единственной дисциплиной, предоставляющей эти знания об океане.

Наращивание потенциала
Наращивание потенциала является важным компонентом программы работы МГО. Цель состоит в том, чтобы помочь государствам выполнять обязательства по гидрографии, картографии и безопасности на море, уделяя особое внимание рекомендациям UNCLOS (Конференция ООН по морскому праву), SOLAS (Международная конвенция по охране человеческой жизни на море) и другим международным документам. Сфера охвата включает безопасность судоходства, защиту морской среды, смягчение последствий изменения климата и адаптацию к нему, развитие национальной инфраструктуры, управление прибрежной зоной, морские исследования, эксплуатацию морских ресурсов (полезные ископаемые, рыболовство и т.д.), делимитации морских границ, морскую оборону и безопасность. и борьба со стихийными бедствиями в прибрежных районах.

Изображения ENC покрытия канала (онлайн-каталог карт МГО)

С 2005 г. программой МГО по наращиванию потенциала воспользовались более 1500 участников из 143 государств. Диапазон поддерживаемых мероприятий охватывает широкий спектр не только по типу мероприятий, но и по их продолжительности. Краткосрочные мероприятия могут включать технические визиты для оценки текущего уровня знаний, семинары и краткие курсы. Технические визиты помогают выявить гидрографические возможности, необходимые для предоставления услуг для выполнения обязательств, связанных с конвенцией SOLAS. Практикумы, семинары и краткие курсы посвящены конкретным аспектам обязательств, например, тем, которые связаны с информацией о безопасности на море, конкретными частями гидрографической съемки, обработкой и управлением данных, а также производством морских карт. МГО создала и поддерживает систему финансируемых образовательных курсов. С 2009 г. было организовано 27 курсов, которые прошли 137 студентов из 56 государств-членов, что внесло важный вклад в гидрографический потенциал по всему миру. Программа МГО по наращиванию потенциала финансируется из бюджета МГО и дополняется взносами государств-членов, промышленности и других партнеров. Сюда входит постоянная финансовая поддержка со стороны японского фонда Nippon и Республики Корея. Принимая во внимание растущий спрос на CB деятельность МГО (когда пользователи могут делиться своими мыслями и событиями, а также участвовать в онлайн-дискуссиях посредством комментариев), Секретариат продолжает свою кампанию по поиску дополнительных государств-доноров и финансирующих организаций.

Поверка измерителя водного уровня с помощью нивелирования в Монако

(по материалам информационного бюллетеня компании Saildrone от 7 марта 2023 года)

Компания Saildrone исследовала более 45 000 квадратных километров ранее неизвестного дна океана вокруг Алеутских островов на Аляске и у побережья Калифорнии, чтобы устранить пробелы исследованиях океана в отдаленных районах

Surveyor - крупнейшее в мире океанографическое беспилотное судно компании Saildrone, завершило многомесячную съемку вокруг Алеутских островов на Аляске и у побережья Калифорнии в рамках межведомственного государственно-частного партнерства, финансируемого Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA) и Бюро по управлению энергетикой океана (BOEM) для устранения пробелов в исследованиях океана в отдаленных районах с помощью беспилотных надводных судов (USV).

Исключительная экономическая зона (ИЭЗ) Соединенных Штатов, простирающаяся от побережья до 200 морских миль от берега, является одной из крупнейших в мире, но в основном она до сих пор не нанесена на карту, не наблюдается и не исследуется. В том, что касается площади, Аляска является наименее нанесенным на карту регионом ИЭЗ США.

Saildrone Surveyor SD 1200 покинул штаб-квартиру Saildrone в Аламеде, штат Калифорния, и отправился через северную часть Тихого океана в район съемки в июле 2022 года. В период с августа по октябрь он нанес на карту 16254 квадратных километра неизвестного морского дна вокруг Алеутских островов за 52 дня. Во время миссии Surveyor также апробировал технологию Исследовательского института MBARI (частный некоммерческий центр океанографических исследований в Мосс-Лэндинге, Калифорния) для взятия ДНК проб из окружающей среды (eDNA). Оснащенный обработчиком экологических проб (ESP) - новаторской «лабораторией в банке» - Surveyor смог собрать важные данные о морском биоразнообразии и здоровье океана по генетическим «отпечаткам пальцев», оставленным фауной и флорой океана.

Суровая погода является нормой для Алеутского региона, но Surveyor продолжал собирать высококачественные данные даже при ветре со скоростью 35 узлов и волнах высотой более 5 метров - условиях, которые оказались бы слишком сложными для большинства съемочных судов с экипажем.

Surveyor увеличивает силу существующей парадигмы исследования океана и может быть объединен с традиционным съемочным судном для рентабельного расширения операций: собранные данные будут использоваться для оптимизации целей погружения во время предстоящих экспедиций NOAA на корабле Okeanos Explorer.

«Каждый американец так или иначе зависит от океана - от протеина из рыбы для кормления животных или людей до глубоководных кабелей, которые делают возможным интернет. Единственный способ, которым США могут максимизировать наши океанские ресурсы, - это понять, что там есть. Эта миссия является первым шагом к картографированию морского дна с высоким разрешением ключевых регионов в водах Алеутских островов. Прелесть Surveyor заключается в том, что этот начальный этап исследования выполняется быстрее, дешевле и без существенного количества персонала», - сказала доктор Аврора Элмор, менеджер Совместного института океанических исследований (OECI) NOAA.

Батиметрия морского дна в проливе Амукта (Алеутские острова, Аляска), полученная Saildrone Surveyor SD 1200
с использованием многолучевого эхолота EM304 компании Kongsberg,
22 августа - 2 сентября 2022 г.

Во время второй половины миссии у берегов Калифорнии Surveyor нанес на карту дополнительные 29720 квадратных километров ИЭЗ США и обнаружил ранее неизвестную подводную гору высотой около 1000 метров. Выявление таких подводных гор улучшает наше понимание физических процессов в океане и определяет районы, требующие дальнейшего изучения, как уникальные места обитания.

«Surveyor предлагает новые захватывающие возможности для исследования и картографирования океана. Картографирование у Алеутских островов дело непростое, и условия там могут быть суровыми в любое время года. Surveyor пережил штормы, собрал батиметрические данные с высоким разрешением и не подвергал людей опасности. Эта миссия доказывает, что долговечные USV представляют собой жизнеспособный вариант для достижения целей Национальной стратегии картографирования, исследования и характеристики океана. Это будущее картографирования океана», - сказал Брайан Коннон, вице-президент Saildrone по картографированию океана.

Оперативное управление проектом осуществлялось через Совместный институт океанических исследований (OECI) NOAA, включая его партнерское учреждение, Университет Нью-Гэмпшира. Его задача заключалась в сборе данных о нескольких крупных неисследованных районах за пределами Алеутской гряды, которые были определены как высокоприоритетные для NOAA, BOEM, Геологической службы США и более широкой федеральной Межведомственной рабочей группы по исследованию и характеристике океана.

Данные, собранные вокруг Алеутских островов, будут общедоступны через Национальные центры экологической информации NOAA после того, как Центр картографирования прибрежных районов и океанов Университета Нью-Гэмпшира завершит постобработку.

SD 1200 - первый надводный аппарат Saildrone класса Surveyor. В этом году компания Austal USA в Мобиле, штат Алабама, построит еще четыре таких же USV класса Surveyor для картографирования океана, чтобы удовлетворить растущий мировой спрос на беспилотные съемочные надводные суда.

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 RBRmaestro^³ 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.