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

Новость добавлена 12.11.2022

Батиметрические съемки: улучшения и препятствия

 

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.