Компанія SBG SYSTEMS анонсувала нову компактну інерційну навігаційну систему Ekinox Micro - найновіше мініатюрне рішення для інерційної навігації за допомогою GNSS. Ekinox Micro поєднує високопродуктивний інерційний датчик MEMS з дводіапазонним GNSS приймачем з чотирма сузір'ями супутників, що робить його ідеальним для критично важливих додатків.

ІНС Ekinox Micro маленька і легка; але при цьому досить міцна, щоб працювати в найсуворіших умовах, відповідно до військових стандартів MIL-STD-461G, MIL-STD-1275E та MIL-STD-810H. Датчик не контролюється ITAR, експорт не обмежений.

Ключові особливості:

• Пристрій із визначними параметрами SWaP-C (розміри, вага, енергоспоживання та вартість) та неперевершеною продуктивністю в найсуворіших умовах.
• Придушення перешкод та спуфінгу.
• Точний розрахунок траєкторії.
• Вбудований реєстратор даних та підключення до мережі Ethernet для простоти використання та інтеграції.
• Повний набір інструментів для інтеграції: REST API, бінарні та ASCII-протоколи…
• Попередньо налаштовані профілі руху для наземних, повітряних та морських додатків для оптимальної продуктивності.
• Визначення курсу за допомогою однієї антени з повною продуктивністю.
• Для програм з низькою динамікою визначення курсу з двоантеним приймачем (розраховується менш ніж за 10 с).

Ekinox Micro буде доступна для замовлень у вересні 2023 року.

Гійом Фроман, Ніколя Ле Дантек, Франс Флок (стаття у Hydro International від 5 грудня 2022 р.)

Визначення поля концентрації завислих наносів за допомогою багатопроменевих ехолотів

Вимірювання завислих твердих частинок (ВТЧ) у товщі води, як і раніше, є серйозною проблемою, коли йдеться про охоплення великих територій у морі або річках. Тут описаний новий метод моніторингу частинок у товщі води у широкому просторовому охопленні. Він заснований на спільному використанні встановленого на корпусі судна багатопроменевого сонара, відкаліброваного на місці, і акустичного профілографа зворотного розсіювання (АПЗР), що працює на декількох частотах. Цей метод є швидким і легко застосовним і пропонує великі перспективи для отримання великомасштабної інформації про зависли тверді частинки в товщі води в прибережних районах.

Розподіл та перенесення ВТЧ може впливати на навколишнє середовище, починаючи від морського середовища проживання та якості води та закінчуючи морфологією морського дна. В останні десятиліття значні зусилля були спрямовані на моніторинг суспензії у різних часових та просторових масштабах у прибережних океанах та річках. Системи, що зазвичай використовуються в дослідженнях ВТЧ, являють собою акустичний доплерівський профілограф течії (ADCP) і АПЗР. Однак багатопроменевий ехолот (БПЕ) широко використовується для батиметричних додатків і може надавати двовимірні зображення зворотного розсіювання водяного стовпа по всій ширині смуги огляду. Таким чином, БПЕ дає можливість отримувати дані ВТЧ у товщі води з більшою просторовою репрезентативністю, ніж інші акустичні системи, такі як АПЗР та ADCP.

Однак інтерпретація вимірювань БПЕ з точки зору ВТЧ залишається складною через складні конструкції антен БПЕ, які вимагають абсолютного калібрування та його єдиної частоти випромінювання (або, принаймні, обмеженого діапазону частот у разі багаточастотних систем). Обидві проблеми можуть бути подолані для досягнення кількісного визначення ВТЧ з використанням даних водної товщі МЛЕ шляхом одноразового калібрування антени БПЕ зі стандартною метою та за умови, що виміри багаточастотних акустичних профілів регулярно повторюються під час зйомок БПЕ. Тут пропонується новий швидкий та доступний протокол кількісного визначення ВТЧ із використанням БПЕ у рамках оригінального польового експерименту.

Польовий експеримент

Мал. 1: Розташування гирла річки Ольн, Франція.

21 січня 2015 р. було проведено експеримент із невеликого судна під мостом Теренес у гирлі річки Ольн на північному заході Франції (Мал. 1а). Устя річки Ольні є мілководним макроприливним припливом Брестської затоки. Основними мінералами у завислому стані є філітові глини, які надають ВТЧ схильність флокулювати (випадати в осад). Масова концентрація завислих наносів змінюється залежно від сезону, найвищі значення спостерігаються під час зимової повені (1 г/л).

БПЕ EM3002 компанії Kongsberg на частоті 300 кГц був встановлений на забортній штанзі, розгорнутой з судна та знімал водну товщу протягом п'яти годин під час відливу з частотою пінгування 4 Гц. Діапазон швидкості вибірки БПЕ був встановлений на 15 кГц, що призвело до розміру комірки 5 см (Мал. 2b). Сирий сигнал зворотного розсіювання, що надходить на трансдьюсер, був записаний, і був згенерований 81 промінь в діапазоні від -60° до 60° з постійною відстанню між променями 1,5°. Крім того, було зібрано загалом 20 багаточастотних вимірювань за допомогою АПЗР (Aquascat 1000S), по одному кожні 15 хвилин. Aquascat вимірює об'ємний коефіцієнт зворотного розсіювання на чотирьох частотах (0,5/1/2/4 МГц) по 256 осередках по 5 мм для кожного пінгу з частотою пінгування 8 Гц. Інструмент розташовувався горизонтально, щоб можна було усереднити кожен профіль та присвоїти йому певну глибину. Проби води на місці відбиралися батометром Ніскіна через однакові проміжки часу та на постійній глибині 8 м.

Мал. 2: a) Схема протоколу калібрування на місці; b) Схема протоколу взяття вибірок на місці:
1- Рама, на якій розміщено батометр Ніскіна та АПЗР, що вимірюють горизонтальні акустичні профілі над товщею води (Aquascat 1000S) кожні 15 хвилин,
2 - БПЕ EM3002 безперервно записує сирі дані акустичного зворотного розсіювання.

«Мінімальне» калібрування БПЕ

Процес формування променя EM3002 включає управління променем, що викликає як відмінності в рівнях еха по всьому вієрному променю БПЕ, так і розширення еквівалентного тілесного кута в міру збільшення кута повороту. Крім того, існує загальне постійне усунення рівня еха для кожного променя. Всі ці ефекти зазвичай коригуються шляхом калібрування кожного променя з використанням стандартної мішені або суспензії, що контролюється. Ці протоколи забирають багато часу та потребують значних коштів. Натомість було розроблено польове напівемпіричне калібрування, спрямоване на узгодження рівнів еха ехолота, щоб він міг виконувати абсолютні вимірювання по всіх своїх вієрних променях.

Перший крок у пропонованому багатопроменевому калібруванні ВТЧ складався з корекції одного променя навколо надиру з використанням мішені (карбідно-вольфрамова сфера діаметром 38,1 мм, Мал. 2а) з відомими властивостями матеріалу для визначення постійного зміщення в дальній зоні БПЕ з точки зору відображающей здатності цілі (ВЗЦ). Відмінності в ВЗЦ по всьому вієрному променю потім були теоретично оцінені з цього єдиного променя шляхом обчислення діаграми спрямованості променя системи, а також оцінки поглинання та розповсюдження. Це призвело до однорідного виміру абсолютного об'ємного коефіцієнта зворотного розсіювання по всьому вієрному променю. Так як для одночастотного БПЕ занадто багато невідомих, щоб забезпечити пряму концентрацію ВТЧ для кожного променя з отриманої таким чином інформації, то для визначення розмірів частинок необхідна багаточастотна інформація, така як інформація, що надається АПЗР. Оскільки для оцінки концентрації та розміру завислих частинок потрібен набір частот, досить широко розкиданих в діапазоні 500 кГц - 5 МГц, то використовувати сучасні мультиспектральні багатопроменеві системи неможливо, і замість них потрібно АПЗР.

Оцінка еквівалентних сферичних радіусів суспензії та одночастотна інверсія БПЕ

АПЗР реєструє абсолютний об'ємний коефіцієнт зворотного розсіювання на чотирьох частотах. Загалом було перетворено 20 профілів АПЗР, що дало числову щільність, розподілену за 16 класами еквівалентного сферичного радіусу (ESR) з логарифмічним кроком в діапазоні від 30 - 500 мкм на кожній глибині, вибраної АПЗР (Мал. 3a).

Мал. 3: а) Рішення інверсії за розмірними класами за глибиною; b) SESR: сіра пунктирна лінія
показує межу, нижче за яку значення SESR були отримані екстраполяцією.

У цьому експерименті була розроблена модель зворотного розсіювання для врахування поточних властивостей суспензії з використанням програмного забезпечення з відкритим вихідним кодом Hydrac. Потім ESR оцінив еквівалентний сферичний радіус суспензії (SESR) для унікального розмірного класу, що враховує всю суспензію. SESR були лінійно інтерполіровані, щоб відповідати частоті зйомки БПЕ та глибині вибірки променя. Рівномірна екстраполяція застосовувалася до найглибших осередків у стовпці, коли ці осередки не покривали діапазон профілювання БПЕ.

Мал. 4: (а) Інвертована вагова процентна концентрація, що спостерігається по центральному променю ехолота;
(b) Тимчасові ряди сирих даних (суцільні лінії) та 10 хв. усереднена вагова процентна концентрація (пунктирні лінії),
оцінені за допомогою надирного променя (чорні лінії) та променя спрямованого під кутом 30° (сірі лінії),
порівняно з концентраціями вибірок на місці (червоні точки).

Інверсія інтенсивності зворотного розсіювання БПЕ

Мал. 3b ілюструє SESR, знайдений для кожного осередку глибини. Виявлені діапазони SESR становили від 70 до 170 мкм і, мабуть, постійно збільшувалися протягом усього експерименту.

На Мал. 4 представлені інвертовані часові ряди сигналу БПЕ для центрального променя вздовж товщі води, а також порівняння між двома променями під кутами 0° та 30° та спостереженнями на місці з батометра Ніскіна на фіксованій глибині 7,75 м. Розрахункова вагова процентна концентрація збільшувалася з 07:00 (початок відливу) до 09:30. Після 09:20 відбулося помірне помутніння, концентрація досягла 600 мг/л. Після 10:30 концентрація знизилася до ~100 мг/л, як і раніше, демонструючи добре помітний градієнт поблизу дна. Просторова картина оцінок вагової процентної концентрації за допомогою БПЕ та її еволюція в часі (Мал. 4b) добре узгоджуються з варіаціями вагової процентної концентрації, визначеними за вибірками води.

Зрештою, на Мал. 5 показано вагову процентну концентрацію на шести послідовних ехограмах. Виразний контраст можна спостерігати біля русла річки, де до 09:20 з лівого борту ехолота повільно формувався концентрований шар (Мал. 5а). Незважаючи на деякі артефакти калібрування, видимі з лівого боку ехолота (від 10 до 30), ехограми дають гарне уявлення про динаміку поля концентрації суспензії.

Мал. 5: Ехограми вагової процентної концентрації
у послідовні моменти часу між 09:20 та 09:50.

Висновки

Інверсія сирих даних БПЕ для кількісного визначення завислих відкладень може бути застосована до будь-якої ділянки зйомки, якщо відома несуперечлива модель, яка описує властивості розсіювання цільової суспензії, як у випадку з морськими відкладеннями. Демонструється потенціал БПЕ для кількісної оцінки ВТЧ у великому просторовому охопленні. За допомогою розробленого протоколу калібрування сирі багатопроменеві дані можуть бути перетворені на узгоджені відліки по вієру вимірювань. Результати інверсії добре узгоджуються з масовими концентраціями на місці та дають доступ до тимчасової еволюції двовимірного поля вагової процентної концентрації. Після калібрування БПЕ видає відліки. Якщо необхідно виміряти на іншому майданчику, можна застосувати ту саму методологію. Однак для правильного типу ВТЧ потрібна модель зворотного розсіювання. Це дослідження підтверджує інтерес до використання активної акустики з метою моніторингу ВЧ та наголошує на необхідності доступу до сирих даних про стовп води від комерційних систем БПЕ.

Шарль де Йонг, Сара Понт, Хулія Талая (стаття в Hydro International від 25 квітня 2023 р.)

Життєво важливий крок на шляху ефективного управління прибережною зоною

У рамках проекту уряду Каталонії щодо покращення управління морським середовищем Картографічний та геологічний інститут Каталонії (ICGC) співпрацював з компанією Field для зйомки прибережної зони Каталонії з використанням системи повітряної лідарної батиметрії (ALB). Результатом стала точна, детальна топобатиметрична модель рельєфу, яка стане основою для ефективного управління прибережною зоною.

Прибережна зона Каталонії має життєво важливе значення для біорізноманіття та діяльності людини, такої як туризм, рибальство та аквакультура. Тому уряд Каталонії становить «Карту морського ареалу проживання Каталонії», яка забезпечить точну картографію каталонського морського дна на батиметричному, геоморфологічному, осадовому та екологічному рівнях, показуючи різні місця проживання та види, а також їх розміри та розповсюдження.

Ці знання необхідні для хорошого планування та управління морським середовищем Каталонії. Це особливо актуально в контексті морських територій мережі Natura 2000 (європейська мережа природних наземних і морських об'єктів) та дотримання директиви ЄС 92/43/EEC про збереження природного довкілля та дикої фауни та флори.

Отримання точної батиметрії на глибинах до 50 м є основою цього проекту. У той час як для областей глибиною 10 – 50 м була виконана зйомка з використанням «традиційної»  гідроакустичні технології, ICGC вирішила дослідити область від 10 до 50 м глибини води з використанням ALB.

Доцільність використання повітряної лідарної батиметрії

ALB використовує лазерне випромінювання для вимірювання глибини води з повітряної платформи, такої як літак. Зазвичай він використовується для картографування щодо дрібних водойм, таких як прибережні зони, річки та озера. ICGC обрала ALB, тому що це зріла технологія, що відрізняється точністю, швидкістю та економічністю. Вона також має унікальну здатність одночасно відображати як підводні глибини, так і топографічні висоти на суші, створюючи безшовну модель рельєфу прибережної зони.

Зйомку цієї перехідної зони між сушею та водою важко виконати за допомогою інших технологій, таких як багатопроменевий ехолот, оскільки мілководні ділянки можуть бути недоступними або небезпечними для навігації. Сонарна технологія також неефективна на мілководді, оскільки ширина смуги сонара стає дуже вузькою, тому для зйомки місцевості потрібно багато часу. З ALB можна літати над територією шириною близько 300 м на швидкості близько 250 км/год, що набагато ефективніше.

У той час як ALB є вузькоспеціалізованим ринком у галузі гідрографічних зйомок, попит на нього зростає через зростаючу глобальну потребу в якіснішому картографуванні прибережних зон з екологічних та економічних причин.

Мал. 1: Фотографія літака компанії Field, що пролітає над Каталонією.

У ході конкурсного тендеру для реалізації проекту була обрана норвежська компанія Field, що займається збором і аналізом геоданних. Field спеціалізується на ALB зйомках і є єдиною європейською компанією, що використовує передній батиметричний лідарний датчик CZMIL SuperNova. CZMIL (лідар для картографування та візуалізації прибережної зони) був розроблений компанією Teledyne Optech (після об’єднання Teledyne Optech з компанією Teledyne Caris нова компанія називається Teledyne Geospatial) у співпраці з Об’єднаним технічним експертним центром повітряної лідарної батиметрії США (JALBTCX). Завдяки потужному лазерному імпульсу та передовій технології виявлення фотона (або кванта електромагнітного випромінювання) цей датчик досягає найбільшої глибини проникнення на ринку. У SuperNova інтегровані Applanix POS AV (програмно-апаратний комплекс компанії Applanix на основі інерційних технологій і GNSS для геоприв'язки даних повітряних датчиків) з GNSS і IMU (інерціальний вимірювальний пристрій) для точного позиціонування і 150-мегапіксельна RGB-камера PhaseOne.

Планування ALB зйомки

Результати глибини, які можуть бути отримані під час ALB зйомки, змінюються від кількох метрів до приблизно 60 м залежно від можливостей використовуваного датчика, здатності відображення дна і каламутності води. Якщо вода каламутна, то означає, що у воді більше частинок, які розсіюють і поглинають світ, препятствует поверненню лазерного луча до датчика для вимірювання глибини. У цих умовах ALB датчик може бути не в стані обнаружить дно далі кількох метрів. Оскільки каламутність води має значні локальні та тимчасові варіації, важливо враховувати це при плануванні ALB зйомки.

Сама висока каламутність у в районі зйомки була в дельті реки Ебро. Лето, як правило, найпосушливіший час в Каталонії, з меншим річним стоком і, відповідно, меншою кількістю наносів у частині Ебро. Маючі супутникові знімки підтвердили, що мутність була самим низьким літом, тому зйомку ALB планувалося провести в цей період.

Дальша підготовка включається в отримання дозволів на полети, оптимізацію плану полетів, установку датчиків, а також виконання топографічної та батиметричної калібрової зйомки.

Виповнення зйомки

На Мал. 1 представлений знімок, зроблений з літака компанії Field, що летить над Каталонією. Зйомка ALB охопила близько 300 км² і була виконана за 12 днів. Вся площа була покрита всього за 42 години при зборі даних від двох до п'яти годин у день із середньою продуктивністю близько 7 км²/год. Зверніть увагу, що для цієї зйомки, виконаної корабельним сонаром, знадобилося кілька місяців.

Для оцінки отриманих результатів за глибиною вимоги ICGC спочатку був виконаний заліт для зйомки з тестовими літніми галсами в мутній частині Ебро. За винятком області на південному заході, яка була занадто мутною, результати були дуже позитивними, оскільки на більшій частині території була досягнута глибина 10 м. Без сумніву, це сталося завдяки датчику CZMIL SuperNova. Виходячи з результатів виконаних тестів, ICGC вирішила продовжити зйомку залишкової частини частки Ебро, в результаті чого була створена топобатиметрична модель рельєфа, що відповідає вимогам глибини 10 м.

В інших, менш каламутних районах уздовж Каталонського узбережжя у SuperNova не виникло проблем з отриманням повного батиметричного покриття на необхідній глибині 10 м. У багатьох районах досягається повний охоп до 25-30 м при максимальній глибині близько 35 м. На Мал. 2 представлена візуалізація батиметрії навколо островів Форміг у північній Каталонії з глибинами понад 30 м, представленими самим глибоким відтінком синього.

Деякі локальні відмінності в отриманих максимальних глибинах можна частково пояснити каламутністю, а також локальним відображенням від дна: в цілому більш світле піщане дно видображає світ краще, ніж темне дно або ділянки з великою кількістю рослинності.

Мал. 2: Батиметрична карта регіону навколо островів Форміг, розташованих в північній частині Каталонії (батиметрична модель глибини забезпечує повне покриття території, при цьому самий темний синій відтенок вказує на глибину, що перевищує 30 метрів)

Обробка даних

Компанія Field розробила дані ALB за допомогою програмного забезпечення CARIS, використовуючи автоматизовані процеси та алгоритми глибокого навчання, щоб провести початкову класифікацію відражених імпульсів від землі, поверхні води чи дна. Потім було використано програмне забезпечення Terrasolid для подальшої класифікації, створення льотних галсів і перетворення еліпсоїдних висот у локальні висоти, які використовуються в Каталонії.

В результаті вийшло чиста і точна топобатиметрична хмара точок. Хоча вимагалося не менше двох точок на квадратний метр, результатний набір даних містив більше п’яти точок на квадратний метр на глибині до 10 м у більшості районів. Плотність точок зменшується зі збільшенням глибини води, але на глибині 15-20 м їх по-прежнему було 2-5 на квадратний метр. Цифрові моделі рельєфа та ізолині глибини були отримані на основі даних хмари точок і були частиною результатів.

Мал. 3: Приклади хмари точок поблизу АЕС Ванделлос
(на першому зображенні відображається хмара точок із кольорами на основі ортофотоплана,
а на другому зображенні – це хмара точок із кольорами на основі його класифікації)

Кроме того, було отримано близько 10 000 зображень RGB з високою роздільною здатністю та створені продуктивні ортофотознімки. Участок суші був переекспонований (був більш світлим) під час обробки зображення, що дало хороший вид водної поверхні та було корисно для картографування середовища життя. Кольори зображення також були додані до хмар лідарних точок.

На Мал. 3 показано облачність прикладного району навколо атомної електростанції Ванделлос. На карті червоним знаком розміщено цей район уздовж каталонського побережжя.

Поверхність води видалена, щоб була видна батиметрія. Це повна топобатиметрична модель до глибини близько 22 м (відрізана не глибиною датчика, а областью съемки). На першому зображенні показано хмара точок, пофарбоване у відповідності з ортофотопланом. На другому зображенні показана та же хмара точек на основі класифікації. Використовуючи декілька настроюваних алгоритмів для відмінності відражень від дна та морської рослинності, компанія Field може класифікувати їх окремо. Це видно на зображенні з батиметрією синього кольору та морською рослинністю темно-зеленого кольору.

Результати зйомки

ICGC був задоволений якістю та деталізацією отриманих наборів даних, таких як випуск технологічних вод із підводних лодок уздовж побережжя, які були видні в даних, і залишки старого маяка, виявлені під водою в частині Ебро. Додатковою перевагою короткої та ефективної зйомки прибрежної зони з використанням ALB є те, що результуючий набір даних є більш однорідним і взаємозв'язаним, ніж зйомка кількох учасників протягом більш тривалого періоду або кількох періодів з використанням ехолота.

Щоб перевірити точність зйомки, компанія Tecnoambiente провела зйомку тестової ділянки за допомогою багатолучевого ехолота. На Мал. 5 показані батиметричні лідарні дані 0-10 м і схема багатолучевої сонарної знімки, прикрашені відповідно до різниці між двома наборами даних. В біло-жовтій області розниця не вище кількох сантиметрів. Середнє значення середньоквадратичної розниці (RMS) між наборами даних становило 12 см, що повністю відповідало вимогам. Різні, як правило, більше на двох мелководье, чим на більш глибоких ділянках, що можна пояснити п'ятимісячним переривом між знімками, а також тим, що дно на мелководье более динамично.

У цілому результати ICGC підтверджують, що ALB - найкраща технологія для зйомки прибережної зони Каталонії, і, ймовірно, у майбутньому вона буде використовуватися частіше, наприклад, для моніторингу змін.

Інформація про грант

Цей проект управління, який здійснює Каталонський генеральний фонд екологічної політики та навколишнього середовища Департаменту по боротьбі зі зміною клімату, продовольства та сільського господарства, спільно  фінансується Європейським фондом морського та рибного господарства та Міністерством по боротьбі зі зміною клімату, з питань продовольства і сільського господарства, уряду Каталонії.

Мал. 4: Оглядова карта Каталонії
(червоним маркером позначена область, яка показана на Мал. 3)

Следующие шаги

ICGC продовжує роботу над отриманими продуктами та створює цільну топобатиметричну модель для всієї Каталонії, інтегруючи нещодавно отримані дані ALB з існуючими топографічними лідарними даними та батиметричними багатолучевими даними для більш глибоких областей. Ця інтегрована висотна модель служить основою для багатьох цілей, таких як моделювання стійкості пляжів при різних сценаріях підйому рівня моря та збільшення кількості штормів.

Таким чином, це важливий ресурс для дослідників, політиків та інших зацікавлених сторін у підтримці процесу ухвалення рішень щодо сталого управління каталонської берегової лінії та морського середовища.

Мал. 5. Батиметричні лідарні дані 0-10 м і схема зйомки багатопроменевим ехолотом
(різниця між наборами даних виділена кольором для візуального порівняння)

Стаття в Hydro International від 27 лютого 2023 р.

У цій короткій сесії у форматі "Питання-відповідь" Юрген Беренс, директор зі стратегії та розвитку бізнесу Deep BV, провідної міжнародної інжинірингової компанії, що спеціалізується на гідрографії, морській геофізиці та океанографії, ділиться своїми думками про найбільші проблеми, що стоять перед гідрографічною галуззю: технологічні розробки, що є рушієм галузі; дискусії про заміну гідрографів роботизацією та штучним інтелектом, а також про те, як він розставляє пріоритети для інвестицій у технології всередині організації.

У чому ви бачите найбільші проблеми для гідрографічної галузі в цілому в найближчі роки?
У найближчі роки гідрографічна галузь зіткнеться з двома основними проблемами: досягнення кліматичної нейтральності до 2030 року, а також зростання та збереження робочої сили на зростаючому ринку. Кліматична нейтральність є унікальною проблемою для гідрографічної галузі: морські судна нелегко переобладнати на двигуни з нульовим рівнем викидів, і навіть коли переобладнання можливе, у портах і гаванях часто не вистачає альтернативних джерел палива чи електрозарядних пристроїв. від яких вони працюють. Тим часом, галузь повинна знайти шляхи для зростання і підривання своєї робочої сили на ринку, що швидко розширюється. Завдання тут полягає у наданні навчання та можливостей для тих, хто хоче приєднатися до галузі, а також у збереженні та подальшому розвитку досвіду тих, хто вже працює.

Дивлячись на гідрографію, які технологічні розробки, на вашу думку, стануть основними рушійними силами в найближчі роки?
Основними драйверами в найближчі роки стануть автоматизація та роботизація. Я говорю тут не про повну автономію, а про будь-яку технологію, яка зменшує людський внесок і дозволяє нам робити більше з меншою кількістю людей. Використовуючи ці досягнення, ми можемо підвищити безпеку, ефективність та точність нашої роботи. Одним із основних способів, за допомогою якого ми можемо зосередитися на сталому розвитку, є роботизація. Поставивши роботизацію до центру уваги, ми справді можемо зробити великий крок до реалізації наших екологічних амбіцій.

Дебати: «Через десять років гідрографів замінить роботизація та штучний інтелект». Ви: повністю згодні, швидше за згодні, важко відповісти, швидше за не згодні або повністю не згодні? Будь ласка, поясніть.
Я повністю не згоден із затвердженням. Через десять років більша частина сумної, брудної та/або небезпечної роботи виконуватиметься безпілотними суднами з розширенням функціональних можливостей ШІ (штучного інтелекту) у робочих процесах. Замість проведення гідрографічних зйомок у морі роботизовані місії плануватимуться та контролюватимуть віддалено з центрів управління. Контроль якості обробки та доставки даних буде пріоритетом, оскільки попит на дані морського дна величезний.

Які типи проектів зйомок будуть мати першорядне значення для вашої організації в найближчі роки?
Що стосується проектів зйомок Deep BV найближчими роками, то вони будуть насамперед зосереджені на блакитній економіці. Ці проекти включають відновлювані морські джерела енергії та адаптацію до клімату, які пропонують величезний потенціал для таких компаній, як наша. Ці проекти не тільки можуть бути успішними та прибутковими, але й дають можливість принести користь навколишньому середовищу та суспільству.

Як би ви розставили пріоритети для інвестицій у технології у вашій компанії на найближчі пару років?
Ми захоплені використанням нових технологій, таких як безпілотні надводні судна. На цих судах немає екіпажу, тому фахівці можуть залишатися на березі для збирання та аналізу даних. Наші віддалені зйомки гарантують, що дані, які ми збираємо, перетворюються на цінну інформацію для наших клієнтів. Це те, що робить нашу роботу такою корисною - творчий виклик і перетворення даних на корисну інформацію, яка приносить користь нашим клієнтам. ясно: технології, які дозволяють нам виконувати більше роботи з меншою кількістю людей та допомагають нам скоротити викиди CO₂ та NO_X. Перехід до використання безпілотних суден для гідрографічних зйомок, як я згадував вище, є ефективним способом досягнення цих двох цілей. Всі наші проекти спрямовані на екологічність та створення зеленої енергії, і ми створюємо офшорні вітряні електростанції вже понад 15 років. Однак найважливішим елементом наших судів є їхня екологічність; ми віримо в електричні човни та мінімізуємо поїздки за рахунок віддаленої роботи.

Про Юргена Беренса

Юрген Беренс - директор зі стратегії та розвитку бізнесу Deep BV, провідної міжнародної інжинірингової компанії, що спеціалізується в галузі гідрографії, морської геофізики та океанографії. З моменту заснування компанії в 1999 році амстердамська компанія реалізувала проекти по всьому світу, від морських до прибережних районів, портів та внутрішніх водних шляхів. Юрген отримав ступінь бакалавра гідрографії у Морській академії Амстердама (Hogere Zeevaartschool Amsterdam).

Сем Харпер, Матіас Джонас та Сара Джонс Кутюр, МГО (стаття в Hydro International № 2 за квітень 2023 р.)

Від морських карт до морських просторових даних

У багатьох місцях по всьому світу отримані дані однозначно показують підвищення рівня моря. У низовинних прибережних районах навіть невелике збільшення водного рівня у поєднанні з високими припливами та штормовими нагонами може мати руйнівні наслідки. Гідрографія може надати низку технологічних та інформаційних рішень для моніторингу змін, визначення вразливих областей та підготовки до майбутнього. Стандарти цифрових даних, розроблені МГО (Міжнародна гідрографічна організація), також можуть допомогти впоратися з великим обсягом даних про океан, що генеруються.

Повірка вимірювача водного рівня в Антарктиді

Підвищення рівня моря в поєднанні з екстремальними погодними явищами може мати далекосяжні наслідки, такі як зміна берегової лінії, вплив на прибережну енергетичну інфраструктуру та переміщення населення. Однак не в усьому світі це буде торкнутися однаковою мірою або з однаковою швидкістю. Припливи та рівень моря визначаються багатьма факторами: гравітаційне тяжіння Сонця та Місяця, а також форма та текстура морського дна, які в деяких випадках можуть збільшувати висоту припливів та хвиль. Гідрографічні продукти та сервіси підтримують усі види діяльності, пов'язані з океанами, морями та внутрішніми водними шляхами, та можуть допомогти у вирішенні цих проблем. Гідрографічні зйомки збирають дані про різні параметри океану, включаючи глибину (батиметрію), приливні явища та рівень моря. Щоб інтегрувати ці дані з різних географічних джерел, різних дисциплін та різних пристроїв та забезпечити їхню сумісність, необхідні надійні міжнародні стандарти. В результаті стандарти та рамки, розроблені МГО для навігації, розширюються для охоплення інших програм.

Від навігаційних карт до інфраструктури морських просторових даних
Надання гідрографічної інформації розширилося від введення даних тільки навігаційних карт та сервісів до значно ширшого спектру діяльності. Оцифрування цієї інформації дозволяє гідрографам надавати морські просторові дані, які можна наносити на карту та аналізувати. Цифрові морські просторові дані були успішно стандартизовані для навігації з використанням стандартів та посібників МГО та, зокрема, за допомогою стандарту обміну даними МГО S-57 для даних електронних карт та МГО INT 1 для стандартизації морських паперових карт. Однак зростаюче значення економічних та екологічних міркувань потребує цілісного підходу. На картах показані лише деякі базові гідрографічні дані, тому вони мають великий попит для значно ширшого кола додатків, і тому функціональна сумісність цих даних важливіша, ніж будь-коли раніше.

Ілюстрація наступного покоління наборів даних, здатних відображати топографію морського дна: комбінація S-101 ENC та S-102 Bathymetric Surface

Грунтуючись на досвіді ECDIS (Електронна система відображення графічних даних та інформації) та ENC (Електронна навігаційна карта), МГО продовжує розробляти та встановлювати стандарти та випускати посібники, які гарантують, що гідрографічна інформація доступна і може надаватися користувачам за допомогою відповідних узгоджених та функціонально сумісних продуктів та послуг. Розробка цих нових стандартів обумовлена необхідністю продовжувати задовольняти вимоги SOLAS (Безпека життя на морі) щодо підвищення безпеки судноплавства та підтримувати впровадження електронної навігації під керівництвом Міжнародної морської організації (ІМО), створення глобальної системи раннього попередження про цунамі та стійке використання Світового океану в рамках програми ООН Ocean Decade (Десятиліття океану). Для цього потрібний легкий доступ до стандартизованої високоякісної цифрової геопросторової інформації, яка може підтримувати керування та контроль морським простором. Відповідно, МГО продовжує роботу над структурою стандарту S-100 (рамковий документ МГО, призначений для розробки цифрових продуктів та послуг для гідрографічних, морських та ГІС-спільнот) для підтримки створення та підтримки взаємодіючих специфікацій продуктів морських даних, що відповідають серії стандартів географічної інформації ISO- 19100. Продукти на основі S-100, включаючи стандарт S-102 Bathymetric Surface (Батиметрична поверхня) та S-111 Surface Currents (Поверхневі течії), знаходяться на початковій стадії впровадження, тестування та оцінки у рамках програм випробувальних стендів МГО. Ця серія також включає специфікацію продукту для морських нормативів/меж і кордонів (S-121) і морських районів, що охороняються (S-122).

Вимірювання водного рівня, зроблені в Бресті, ясно показують,
що рівень моря піднімається

Навігаційні карти та цифрові дані про припливні явища
Гідрографічні служби по всьому світу стежать за мареографами, які надають динамічні дані про рівень моря, які допомагають визначати тенденції течій та можуть відображатися на цифрових картах. Тим не менш, коріння цих додатків сягає 1980-х років, коли прогрес у галузі технологій представив можливість універсальної програмної програми, яка могла б у цифровому вигляді інтегрувати ряд функцій у частково інтерактивний навігаційний інструмент. IHO та IMO працювали разом, щоб втілити це бачення у життя, надавши специфікації та вимоги до продуктивності для такого додатку. У 1989 році IMO вигадала назву «ECDIS - електронна картографічна та інформаційна система» для цього інноваційного класу комп'ютерних суднових навігаційних пристроїв. Щоб забезпечити ECDIS офіційними навігаційними даними, IHO створила перші стандарти для цифрових морських карток у середині 1990-х років - «ENC - Електронні навігаційні картки». Потрібно було майже два десятиліття, перш ніж гідрографічні служби змогли налагодити регулярне надання ENC, еквівалентних паперовим картам з точки зору якості та охоплення морських районів їхньої відповідальності. Сьогодні фактично всі судноплавні води покриті ENC, яких всього близько 16 000. Існують добре продумані системи розповсюдження для ENC, які працюють у співпраці з промисловістю, які також забезпечують регулярне оновлення через супутниковий зв'язок. У 2000-х роках користувацький попит на послуги інформації про глибину в режимі реального часу для навігації в поєднанні з доступністю батиметричних даних з високою роздільною здатністю спонукав інтерес до ключової галузі роботи: впровадження динамічних припливів і відливів у цифрове довкілля, пов'язане з ECDIS. Досі МГО продовжує заохочувати використання даних про припливи та відновлення історичних записів мареографів для вивчення довгострокових змін рівня моря. Деякі з недавніх морських тестувань S-100 універсальної моделі гідрографічних даних (Universal Hydrographic Data Model), також спрямовані на отримання даних майже в реальному часі про докладну топографію морського дна і течії.

Підтримка систем раннього попередження
Гідрографічні дані також можуть допомогти передбачити екстремальні погодні явища та стихійні лиха, такі як цунамі, та підготуватися до них. На COP27 (назва щорічної конференції, де збираються всі країни, що ратифікували Рамкову конвенцію Організації Об'єднаних Націй про зміну клімату 1992 року) в Шарм-ель-Шейху, Єгипет, Генеральний секретар ООН пан Антоніу Гутерріш оголосив про план світу протягом наступних п'яти років. У плані будуть усунені «ключові прогалини у розумінні ризику лих, моніторингу та прогнозування, швидкого зв'язку, а також готовності та реагування». Для впровадження ефективних систем для океану необхідні актуальні та точні дані для відстеження змін у морському середовищі та розробки більш точних моделей майбутніх тенденцій. Зокрема, через те, що форма і текстура морського дна впливають на поширення хвиль цунамі, точніша інформація може допомогти точно визначити області для зосередження ресурсів.

Загальна батиметрична карта океану (GEBCO)
МОО працює разом з IOC UNESCO ( Міждержавна океанографічна комісія ЮНЕСКО над створенням повної карти морського дна з високою роздільною здатністю в рамках програми GEBCO. Дані зберігаються в Центрі даних цифрової батиметрії (DCDB) МОО, розташованому в Національному центрі екологічної інформації (NCEI) Національного управління з дослідження океанів та атмосфери (NOAA) в Боулдері, штат Колорадо (США). Банк батиметричних даних DCDB щорічно зростає на кілька терабайт. В результаті отримано вільно доступний грид GEBCO (глобальна модель рельєфу та суші), яка тепер щорічно оновлюється, перетворившись на інтерактивний картографічний інструмент із можливостями здійснення запитів. Однак охоплення і якість сітки залежать від даних зйомки топографії океану. Частка світового океану, нанесена на карту з високою роздільною здатністю за допомогою гриду GEBCO, збільшилася з 6% у 2017 році до майже 25% у 2022 році. Однак існує значна прогалина в повному високоякісному покритті. Програма GEBCO працює над покращенням цього за допомогою різних ініціатив. Одним із них є спільний проект Seabed 2030 (Морське дно 2030) японського фонду Nippon і GEBCO, метою якого є картографування 100% океану у форматі високої чіткості до кінця цього десятиліття . Seabed 2030 працює над виявленням існуючих наборів даних, ще не завантажених у DCDB, підтримує цивільний науковий проект МГО зі збору даних про глибину (краудсорсингова батиметрія - отримання батиметричних даних від групи безкорисливих виконавців через інтернет) і планує спонсорувати розробку нової. Мета проекту полягає в тому, щоб кожен осередок грід-сітки з певними цільовими дозволами, які різняться по глибині, містив би принаймні одне зондування глибини. Грід-сітка GEBCO, випущена у червні 2022 року, містила значно більше даних, особливо в арктичних та антарктичних регіонах, де покриття збільшилося приблизно на 15%. На знак визнання його внеску у поглиблення знань про океан програму Seabed 2030 було затверджено як акцію ООН у рамках Ocean Decade. Крім структури стандартизації S-100, грід-сітка GEBCO є одним із найбільш важливих способів, за допомогою якого гідрографія може сприяти кращому вивченню океану. Крім надання вихідних даних для відстеження змін, якісніші дані забезпечують більш точні моделі підвищення рівня моря та океанських течій. Точність моделей прогнозування впливу підйому рівня води на прибережні райони значною мірою залежить від геометрії та текстури морського дна. Гідрографія як прикладна наука є єдиною дисципліною, яка надає ці знання про океан.

Нарощування потенціалу
Нарощування потенціалу є важливим компонентом програми роботи МОО. Мета полягає в тому, щоб допомогти державам виконувати зобов'язання з гідрографії, картографії та безпеки на морі, приділяючи особливу увагу рекомендаціям UNCLOS (Конференція ООН з морського права), SOLAS (Міжнародна конвенція з охорони людського життя на морі) та інших міжнародних документів. Сфера охоплення включає безпеку судноплавства, захист морського середовища, пом'якшення наслідків зміни клімату та адаптацію до нього, розвиток національної інфраструктури, управління прибережною зоною, морські дослідження, експлуатацію морських ресурсів (корисні копалини, рибальство тощо), делімітації морських кордонів, морську оборону та безпеку, та боротьбу зі стихійними лихами у прибережних районах.

Зображення ENC покриття каналу (онлайн-каталог карт МГО)

З 2005 р.  програмою МГО з нарощування потенціалу скористалися понад 1500 учасників із 143 держав. Діапазон заходів, що підтримуються, охоплює широкий спектр не тільки за типом заходів, але і за їх тривалістю. Короткострокові заходи можуть містити технічні візити для оцінки поточного рівня знань, семінари та короткі курси. Технічні візити допомагають виявити гідрографічні можливості, необхідні для надання послуг для виконання зобов'язань, пов'язаних із конвенцією SOLAS. Практикуми, семінари та короткі курси присвячені конкретним аспектам зобов'язань, наприклад, тим, які пов'язані з інформацією про безпеку на морі, конкретними частинами гідрографічної зйомки, обробкою та управлінням даних, а також виробництвом морських карток. МОО створило та підтримує систему фінансованих освітніх курсів. З 2009 р. було організовано 27 курсів, які пройшли 137 студентів з 56 держав-членів, що зробило важливий внесок у гідрографічний потенціал у всьому світі. Програма МГО з нарощування потенціалу фінансується з бюджету МГО та доповнюється внесками держав-членів, промисловості та інших партнерів. Сюди входить постійна фінансова підтримка японського фонду Nippon і Республіки Корея. Зважаючи на зростання попиту на CB діяльність МГО (коли користувачі можуть ділитися своїми думками та подіями, а також брати участь в онлайн-дискусіях за допомогою коментарів), Секретаріат продовжує свою кампанію з пошуку додаткових держав-донорів та фінансуючих організацій .

Повірка вимірювача водного рівня за допомогою нівелювання в Монако

(за матеріалами інформаційного бюлетеня компанії Saildrone від 7 березня 2023 року)

Компанія Saildrone досліджувала понад 45 000 квадратних кілометрів раніше невідомого дна океану навколо Алеутських островів на Алясці та біля узбережжя Каліфорнії, щоб усунути прогалини досліджень океану у віддалених районах

Surveyor - найбільше у світі океанографічне безпілотне судно компанії Saildrone, завершило багатомісячну зйомку навколо Алеутських островів на Алясці та біля узбережжя Каліфорнії в рамках міжвідомчого державно-приватного партнерства, яке фінансується Національним управлінням океанічних та атмосферних досліджень США (NOAA) та Бюро з управління енергетикою океану (BOEM) для усунення прогалин у дослідженнях океану у віддалених районах за допомогою безпілотних надводних суден (USV).

Виняткова економічна зона (ІЕЗ) Сполучених Штатів, що простягається від узбережжя до 200 морських миль від берега, є однією з найбільших у світі, але в основному вона досі не нанесена на карту, не спостерігається і не досліджується. Що стосується площі, Аляска є найменш нанесеним на карту регіоном ІЕЗ США.

Saildrone Surveyor SD 1200 залишив штаб-квартиру Saildrone в Аламеді, штат Каліфорнія, і вирушив через північну частину Тихого океану в район зйомки в липні 2022 року. У період із серпня по жовтень він наніс на карту 16254 квадратних кілометри невідомого морського дна навколо Алеутських островів за 52 дні. Під час місії Surveyor також апробував технологію Дослідницького інституту MBARI (приватний некомерційний центр океанографічних досліджень у Мосс-Лендінг, Каліфорнія) для взяття ДНК проб з навколишнього середовища (eDNA). Оснащений обробником екологічних проб (ESP) - новаторською «лабораторією в банці» - Surveyor зміг зібрати важливі дані про морське біорізноманіття та здоров'я океану за генетичними «відбитками пальців», залишеними фауною та флорою океану.

Сувора погода є нормою для Алеутського регіону, але Surveyor продовжував збирати високоякісні дані навіть при вітрі зі швидкістю 35 вузлів і хвилях висотою понад 5 метрів - умовах, які виявились би надто складними для більшості знімальних суден з екіпажем.

Surveyor збільшує силу існуючої парадигми дослідження океану і може бути об'єднаний із традиційним знімальним судном для рентабельного розширення операцій: зібрані дані будуть використовуватися для оптимізації цілей занурення під час майбутніх експедицій NOAA на кораблі Okeanos Explorer.

«Кожен американець так чи інакше залежить від океану - від протеїну з риби для годування тварин чи людей до глибоководних кабелів, які уможливлюють інтернет. Єдиний спосіб, яким США можуть максимізувати наші океанські ресурси, це зрозуміти, що там є. Ця місія є першим кроком до картографування морського дна з високою роздільною здатністю ключових регіонів у водах Алеутських островів. Принадність Surveyor полягає в тому, що цей початковий етап дослідження виконується швидше, дешевше і без суттєвої кількості персоналу», - сказала доктор Аврора Елмор, менеджер Спільного інституту океанічних досліджень (OECI) NOAA.

Батиметрія морського дна в протоці Амукта (Алеутські острови, Аляска), отримана Saildrone Surveyor SD 1200
з використанням багатопроменевого ехолота EM304 компанії Kongsberg,
22 серпня - 2 вересня 2022 р.

Під час другої половини місії біля берегів Каліфорнії Surveyor завдав на карту додаткових 29720 квадратних кілометрів ІЕЗ США і виявив раніше невідому підводну гору заввишки близько 1000 метрів. Виявлення таких підводних гір покращує наше розуміння фізичних процесів в океані та визначає райони, що вимагають подальшого вивчення, як унікальні місця проживання.

«Surveyor пропонує нові захоплюючі можливості для дослідження та картографування океану. Картографування біля Алеутських островів справа непроста, і умови там можуть бути суворими будь-якої пори року. Surveyor пережив шторми, зібрав батиметричні дані з високою роздільною здатністю і не наражав людей на небезпеку. Ця місія доводить, що довговічні USV є життєздатним варіантом для досягнення цілей Національної стратегії картографування, дослідження та характеристики океану. Це майбутнє картографування океану», - сказав Браян Коннон, віце-президент Saildrone з картографування океану.

Оперативне управління проектом здійснювалося через Спільний інститут океанічних досліджень (OECI) NOAA, включаючи його партнерську установу, Університет Нью-Гемпшира. Його завдання полягало у збиранні даних про декілька великих недосліджених районів за межами Алеутської гряди, які були визначені як високопріоритетні для NOAA, BOEM, Геологічної служби США та ширшої федеральної Міжвідомчої робочої групи з дослідження та характеристики океану.

Дані, зібрані навколо Алеутських островів, будуть загальнодоступними через Національні центри екологічної інформації NOAA після того, як Центр картографування прибережних районів та океанів Університету Нью-Гемпшира завершить постобробку.

SD 1200 – перший надводний апарат Saildrone класу Surveyor. Цього року компанія Austal USA в Мобілі, штат Алабама, побудує ще чотири таких USV класу Surveyor для картографування океану, щоб задовольнити зростаючий світовий попит на безпілотні знімальні надводні судна.

Крістен Резерфорд

Між островом Елсмір і островом Девон знаходиться вузька протока Джонс, розташована в канадській Арктиці, що швидко і різко змінюється. Берегова лінія тут характеризується хитромудрими фіордами, багато з яких перебувають під сильним впливом льодовиків, що сповзають в морі (тобто льодовиків, які закінчуються на початку фіорду і скидають талу воду нижче поверхні океану). Цей регіон з особливо високим ризиком відступу та танення льодовиків та підвищеним стоком цих льодовиків неминуче впливає на морське середовище. Тим не менш, у самій протоці Джонс за останні сто років паркани проб бралися всього кілька разів, і мало що було відомо про те, як на нього впливає збільшення талої льодовикової води.

Група вчених літнього польового сезону 2022 року		Карта місцевості. На врізці у лівому верхньому куті зображена карта частини канадської Арктики з виділеним червоним кольором розташування протоки Джонса, а точки на більшій карті вказують місця вибірок.

У 2019 році багатопрофільна група вчених приступила до вирішення питань, що залишаються без відповіді в цій галузі. Д-р Майя Бхатія та д-р Ендрю Гамільтон (обидва з університету Альберти) є двома провідними вченими по взаємодії льодовиків та океану. Серед їхніх співробітників д-р Пол Майєрс (університет Альберти), д-р Ерін Бертран (університет Далхаузі), д-р Стефані Уотерман (університет Британської Колумбії), а також численні аспіранти та докторанти. Їхня спільна робота з 2019 року стартувала і за минулий час вони суттєво розширили як науковий моніторинг, так і наше розуміння системи льодовик-океан у протоці Джонс.

Вирішення комплексних дослідницьких цілей
У проекті є безліч міждисциплінарних дослідницьких питань – відображення спеціалізації багатьох залучених до проекту вчених. Однією з цілей дослідження є розуміння біогеохімічного кругообігу поживних речовин та продуктивності, функції та стану харчування фітопланктону. Нещодавно Бхатія та Гамільтон опублікували роботу, засновану на спостереженнях 2019 року, про концентрацію макроелементів, таких як азот, у вкритих льодом фіордах порівняно з фіордами, не вкритими льодом. Ця робота (Bhatia et al. 2021; Williams 2021) показала значне збільшення кількості поживних речовин у фіордах з льодовиками, що сповзають у морі, що узгоджується з попередніми дослідженнями в інших арктичних регіонах, таких як Шпіцберген та Гренландія.

Ще одна мета проекту – дослідження мінливості прісної води у протоці Джонс та вплив атлантичних вод на глибині льодовикових фіордів. У верхніх шарах на глибинах 100-150 м води холодні та прісні; нижче цієї глибини вода тепліша і солоніша через приплив атлантичних вод. «Там, де морське дно досить глибоко, щоб атлантична вода могла контактувати з льодовиками, що сповзають, - говорить д-р Гамільтон, - це може викликати посилене танення льодовиків і сприяти відступу деяких з цих льодовиків.
Ці вимірювання дозволять фізичним океанографам краще зрозуміти просторову та тимчасову мінливість атлантичного шару води в протоці Джонс та навколишніх фіордах, а також передбачати будь-які впливи, які це може вплинути на льодовики в регіоні.

Оптимізація плану вибірок даних за допомогою багатопараметричного зонда RBRmaestro^³ C.T.D
Враховуючи широту розв'язуваних дослідницьких питань, зонд RBRmaestro&C.T.D для цього проекту був загалом кращим інструментом. «Отримання багатопараметричного зонда було ключовим, тому що нас цікавила не лише фізична океанографія, а й вплив на морську екосистему харчового ланцюга», - каже д-р Бхатіа.

Робота дослідників досить непроста, тому що в їхньому розпорядженні немає великої розетки датчиків. Але за допомогою RBRmaestro³ і пов'язаного з ним мобільного пристрою з ПЗ Ruskin вони можуть переглядати свої CTD кидки в реальному часі, а потім, після швидкого аналізу CTD результатів, робити паркани пляшкових проб на точній глибині, щоб якнайкраще вирішити свої дослідницькі питання.

Станції вибірок розташовані по всій протоці Джонс, але більшість з них в основному у фіордах південної частини острова Елсмір та північно-східної частини острова Девон. Дослідників найбільше цікавлять льодовикові фіорди, але вони також вибирають ділянки, не вкриті льодовиками, як контрольні. На кожній з цих ділянок вони збирають результати CTD кидків та забори проб води в одну пляшку з певної глибини для моніторингу поживних речовин, мікробного складу та різних типів ізотопів. Крім того, вони виконують CTD закиди на поперечнику з 10 станціями через затоку Джонса між островами Елсмір і Девон, причому на п'яти з цих станцій також беруться пробки в пляшки.

Установка для здійснення CTD вибірок		Террі Ноа працює з лебідкою

Співпраця з місцевим населенням для здійснення цілорічної вибірки даних

Як і у випадку з більшою частиною океанографії, особливо в Арктиці, час збору даних спочатку був зміщений у бік літа, коли погодні умови сприятливі і вченим з півдня легко дістатися до півночі. Проте влітку 2021 року дослідники перенесли свою базу в Гріз-Фьорд на острові Елсмір, що призвело до унікального партнерства з місцевою спільнотою, що постійно розвивається. Їхній поточний план моніторингу тепер включає південних учених та аспірантів, які вирушають до Гріз-Фьорду навесні та влітку. Співробітники місцевого співтовариства, насамперед Террі Ноа зі служби сервісу Ausuittuq Adventures проводять додаткові вибірки даних восени, взимку та навесні за підтримки грантового фінансування. На станціях фіордів біля Гріз-Фьорда вибірки здійснюються сезонно, тоді як у поперечнику через протоку Джонса часто виконуються лише влітку та навесні, оскільки вибірки дуже трудомісткі. Ці вибірки доповнюються спостереженнями з причалу, оснащеного різними RBR реєстраторами, недалеко від кінця приливно-відливної води льодовика, що сповзає, а також з місця щомісячної вибірки даних, до якого Ноа може легко отримати доступ цілий рік.

Маючи можливість виконувати цілорічні вибірки даних, дослідники розширюють можливості свого устаткування. «Саме тому ми вибрали інструменти RBR, - пояснює д-р Гамільтон - це одні з небагатьох інструментів океанографічної якості, які досить надійні, щоб витримувати температуру -35°C при вибірках даних ».

Насправді, Ноа іноді здійснював вибірки взимку, в умовах снігової бурі при -37°C та у повній темряві. У таких випадках він та його польовий помічник туляться у критому фургоні за його снігоходом та здійснюють вибірки через просвердлений у морському льоду отвір. «Террі - дуже творчий і винахідливий хлопець, тому він постійно вигадує способи покращити зимовий паркан проб і переконатися, що ми зберігаємо здатність проводити вибірки практично в будь-яких умовах», - каже д-р Гамільтон. Вчені сподіваються й надалі розширювати цю співпрацю, прагнучи зробити цілорічні забір проб більш ефективними, доступними та досяжними.

Просування вперед через постійний діалог
Група населення багато інвестувала у цей проект. Грайз-Фьорд - найпівнічніша громада Канади, яка у багатьох відношеннях знаходиться на передньому краї зміни клімату, переживаючи сильні штормові нагони та зміни морського льодового покриву та погоди. Спільнота залежить від цієї швидко мінливої морської екосистеми, покладаючись на неї як на мисливські угіддя та для видобутку продовольства.

	Відкриті збори місцевої спільноти та презентація результатів проекту у 2022 р.

«У нас були формальні зустрічі в невеликому поселенні і багато розмов з людьми, просто щоб з'ясувати, що їм цікаво дізнатися, як вони хочуть, щоб їм були представлені результати, про що вони хочуть дізнатися більше, і в якому напрямку вони хочуть, щоб ми змінювалися, - каже д-р Бхат, - все це завжди в русі. Це постійне обговорення.

Щодо майбутнього наукового спрямування цього проекту, вчені сподіваються розробити чисельні моделі процесів регіону, вивчити вплив льодовиків на більш високі морські трофічні рівні (становище організму в харчовому ланцюгу) та більше співпрацювати з колегами-гляціологами, щоб краще зрозуміти самим регіональні крижані маси. Цей проект, безперечно, заповнив величезну прогалину в наших знаннях і оскільки він продовжує зростати і розвиватися, немає сумнівів, що він продовжуватиме це робити.

Італо Олівейра Феррейра, Лаура Коелью де Андраде (Стаття в Hydro International від 6 жовтня 2022 р.

З 1970-х дистанційне зондування все частіше використовується для проведення підводних зйомок. У гідрографічній зйомці використовують кілька методологій, від прямих методів, таких як забортні штанги, до більш складних методів, таких як супутникова батиметрія і альтиметричний радар. Зростання потреб у даних, які стають все більш точними та доступними з швидкою обробкою, нещодавно призвела до зусиль з розробки датчиків та альтернативних методів вимірювання глибини у всьому світі.

Платформи батиметричної зйомки включають надводні судна, підводні платформи, літаки та супутники (див. Мал. 1). Судна варіюються від великих кораблів, які у морських зйомках, до безпілотних суден (дистанційно керованих чи автономних). Найчастіше використовувані підводні платформи - це автономні підводні апарати (AUV) і дистанційно керовані підводні апарати (ROV), обидва з яких використовуються для картографування з високою роздільною здатністю в глибоких водах і можуть керуватися надводним судном. На цих платформах краще використовувати акустичні датчики, хоча AUV і ROV тепер також оснащені системами лазерного сканування (або лідарами) і фотокамерами з високою роздільною здатністю.

Мал. 1: Платформи, що використовуються у гідрографічних зйомках: (а) судно Fairweather для офшорних зйомок; (b) автономний надводний апарат EchoBoat компанії Seafloor Systems; (c) автономний підводний апарат Hugin компанії Kongsberg

Корабель Fairweather Національного управління океанічних та атмосферних досліджень (NOAA) в основному використовується для морських гідрографічних зйомок і зйомок портів і оснащений багатопроменевим ехолотом Reson Seabat 8160, який знімає глибини до трьох кілометрів. EchoBoat - це невеликий автономний надводний апарат (ASV), який використовується для батиметричних зйомок внутрішніх водойм та захищених територій, які виконуються за допомогою акустичних датчиків. Автономний підводний апарат (AUV) Hugin компанії Kongsberg має, окрім багатопроменевого ехолота EM2040, лазерний профілограф, спарену фотокамеру та гідролокатор із синтезованою апертурою HISAS 1032, а також інші системи та датчики.

Для батиметричного картування використовуються також літаки з екіпажем і без екіпажу. Ці платформи оснащені пасивними датчиками, які дозволяють робити оцінки глибини спектрального відгуку затопленого дна, і активними датчиками, такими як батиметричний лідер. Так само супутники також функціонують як батиметричні платформи для зйомки або за рахунок використання орбітальних зображень (батиметрія за спектральною характеристикою), або за рахунок використання альтиметричних радарів (активні датчики), як у проекті «Морське дно 2030». Існують також гібридні рішення, які дозволяють отримувати батиметричні дані за допомогою ехолота, що буксирується безпілотним літальним апаратом (UAV) - див. Мал. 2), або інтегрованим наземним проникаючим радаром (GPR). Також все частіше використовуються платформи на базі безпілотних надводних апаратів (USV).

Батиметричні методи зйомки
Сучасні батиметричні зйомки проводяться в різних середовищах залежно від методу, що використовується. У водному середовищі використовуються звукові хвилі, у повітрі та у водному середовищі використовується видиме світло, а у повітрі використовується батиметрія, отримана на основі інформації альтиметричних радарів.

Акустичні системи використовуються як на мілководді глибиною близько одного метра, так і на багатокілометровій глибині. Такі системи є кращими, оскільки вони забезпечують більш точні дані, ніж інші методи. Високе згасання видимого світла у водному середовищі означає, що вимірювання глибини за допомогою оптичного дистанційного зондування (активного та пасивного) обмежене невеликими глибинами. Аерофотограмметричні (короткі відстані) і орбітальні зображення використовуються для батиметрії на глибинах до десяти метрів, лідарні системи, що працюють у зеленій довжині хвилі, можуть досягати глибини до 50 метрів у чистих водах. Нарешті, альтиметричні радари можуть використовуватися для визначення глибини в глибоких водах, особливо там, де батиметрична інформація убога або відсутня.

Акустичні датчики
Перша згадка про використання ехолота, або сонара, як його зазвичай називають, відноситься до випадку, коли Леонардо да Вінчі помістив трубку у воду для виявлення великих кораблів, помістивши своє вухо до труби. Існують як пасивні, так і активні сонари, але для вимірювання глибини використовують активні сонари.

Між 1920 та 1930 роками у світі були розроблені та впроваджені однопроменеві ехолоти (ОПЕ), які використовують звук для вимірювання глибини безпосередньо під зондувальною платформою. Виконуючи серію галсів із заданим кроком, ОПЕ значно збільшили швидкість зйомки, дозволяючи збирати більше даних порівняно з прямими методами. Однак цей метод, як і раніше, залишав прогалини в даних про глибину між знімальними галсами. У період з 1950-х по 1980-і роки технологічні розробки призвели до появи систем гідролокатора бічного огляду (ГБО) і багатопроменевих ехолотів (БПЕ) або формувачів променя. Технологія ГБО запропонувала якісні засоби отримання звукового еквівалента аерофотознімку та покращила здатність ідентифікувати затонули кораблі та перешкоди. Це виявилося чудовою підмогою для однопроменевих зйомок, оскільки дозволяло шукати підводні об'єкти між навігаційними галсами. БПЕ дозволили отримати кількісну інформацію про глибину майже для 100% дна, вкритого водою.

ОПЕ ідеально підходить для зйомки на мілководді і дуже економічний. Планування, зйомка, обробка та аналіз дуже прості і існує величезний спектр обладнання, що працює на низьких частотах (12-50 кГц), високих частотах (100-700 кГц) і навіть на двох частотах (24 кГц/200 кГц, 33 кГц/200 кГц, 50 кГц/200 кГц та ін.).

	Мал. 2: Інтегрована система батиметрії з використанням ехолоту на безпілотному летальному апараті (UAV)

БПЕ традиційно вимірює глибину за допомогою процесу електронного формування променів (Demoustier, 1996). Як альтернатива, деяке обладнання використовує інтерферометрію для вимірювання глибини. Такі системи широко відомі як інтерферометричний сонар, інтерферометричний багатопроменевий ехолот, інтерферометричний гідролокатор бокового огляду, батиметричний гідролокатор бокового огляду або фазово-різницевий батиметричний сонар (PDBS). Останній термін теоретично є найбільш правильним, оскільки тільки перші системи справді використовують процес інтерферометрії.

Використання PDBS має кілька переваг, основною з яких є ширина області покриття, яка в деяких випадках у 12 разів перевищує глибину надиру (вертикальний напрямок вниз). Це означає, що на глибині 4 м PDBS повинен охоплювати діапазон, близький до 50 м, в той час як стандартний БПЕ при 120-градусній смузі охоплення на цій глибині матиме ширину смуги 12-16 м. Фактично технологія PDBS існує вже багато десятиліть, але лише недавно було вирішено деякі експлуатаційні та технічні проблеми. Можна зробити висновок, що основною перевагою систем цього є більш широка смуга охоплення, що призводить до значного збільшення продуктивності на мілководді. Проблема, яку ще потрібно вирішити, - це теоретична модель невизначеності (апріорі) PDBS.

За останні кілька років також відбулися покращення у сонарі із синтетичною апертурою. Компанія Kongsberg нещодавно випустила систему HISAS 1032, яка при швидкості 2,5 вузла може генерувати ширину смуги огляду приблизно 1000 м та зображення з роздільною здатністю 5 см. Що стосується батиметрії, то HISAS 1032 продемонстрував значне покращення порівняно з попередньою версією, в якій було отримано роздільна здатність 50 см, а тепер роздільна здатність становить 20 см. Система здатна забезпечувати покриття зі швидкістю приблизно 4,5 км²/год, що також є великим показником у порівнянні з попередніми версіями.

Нарешті, у всіх випадках основним недоліком зйомок за допомогою акустичних систем є високі витрати, пов'язані з суднами з екіпажем. На мілководді завжди потрібно більш високий рівень деталізації, що відображається у більшій кількості знімальних галсів. З іншого боку, на глибокій воді проблема полягає у більш високих витратах через використання великих кораблів з екіпажем. Навіть під час використання автономних надводних апаратів, судна необхідні управління безпілотної платформою і забезпечення акустичного позиціонування під час використання AUV.

Повітряне та космічне дистанційне зондування
Незважаючи на сильне згасання електромагнітних хвиль у воді, видима частина спектру може використовуватися для батиметричного картографування, особливо там, де акустичні методи мають обмеження. У цьому контексті глибини можуть бути виміряні або з використанням пасивних методів, які вимірюють тільки природне світло, відбите від дна (спектральна батиметрія), або з використанням активних методів, які використовують лазерні сканери для вимірювання відстані до морського дна. Велика перевага цих методів полягає у досяжній продуктивності (див. Мал. 3).

	Мал. 3: Різні методики отримання батиметрії, що ілюструють високу продуктивність оптичного дистанційного зондування

Спектральна батиметрія
Метод з використанням датчиків, вбудованих у супутники або літаки з екіпажем або без екіпажу, заснований на тому принципі, що частина сонячного світла, що досягає підводного дна, відображається і може бути виявлена ​​цими датчиками, які використовують це випромінювання для вимірювання глибини та отримання батиметричних карток.

Принцип використання орбітальних знімків та аерофотознімків для батиметричного картографування відрізняється від того, що застосовується при використанні активних датчиків. Супутникова батиметрія ґрунтується на трьох методах: емпіричних підходах, емпірично налаштованих фізичних підходах та підходах з оптимізованою фізичною інверсією.

Емпірично налаштовані фізичні підходи засновані на фізиці і дотримуються принципу, згідно з яким інтенсивність променистої енергії, що відбивається водним стовпом і приймається датчиком, є функцією глибини води; тобто частиною сонячної радіації, що проникла у товщу води. У більшості випадків використовується Нормалізований різницевий індекс води (NDWI).

Емпіричні підходи є новітнім методом (методом машинного навчання) і ще не набули широкого поширення. У підходах з оптимізованою фізичною інверсією застосування моделі потребує специфікації низки оптичних властивостей води та морського дна, але для калібрування не потрібні дані на місці.

Батиметрія спектрального відгуку дозволяє швидко збирати дані на великих площах з невеликими витратами, але максимальна глибина становить приблизно 30 метрів у чистій воді і набагато менше в каламутній воді. Крім того, інформація виходить з точністю, несумісною з поточними вимогами, що обмежує її використання з метою планування, розпізнавання та моделювання навколишнього середовища. Тому аерофотограмметричні та орбітальні зображення в основному використовуються як інструмент розпізнавання та планування в районах, де батиметрична інформація відсутня або недостатня. Однак зображення з орбітальних та бортових датчиків дуже корисні для окреслення берегових ліній та картографування портових споруд, а також як допомога при навігації.

Батиметричний лідар
Батиметричний лазерний сканер є найбільш продуктивним методом батиметричного картографування на мілководді (до 50 м), оскільки він зазвичай веде зйомку зі швидкістю 180 вузлів, а смуга охоплення більша, ніж у більшості сучасних БПЕ та PDBS. Подібно до акустичних систем, лідар визначає глибину побічно, використовуючи час проходження лазерного імпульсу. Ці системи були представлені в середині 1960-х років як інструмент для топографічного картографування. Під час польотів над озерами та прибережними районами дослідники помітили наявність подвійного ехосигналу, з чого зробили висновок, що лазер проникає у воду та може бути використаний для батиметричного картографування.

	Батиметричний лідар - це одне з рішень для задоволення державних прибережних, річкових та мілководних геопросторових та гідрографічних потреб

Основний принцип роботи полягає у випромінюванні двох лазерних імпульсів, перший в інфрачервоному діапазоні (~1064 нм), що дозволяє виявляти поверхню, оскільки проникнення у воду практично дорівнює нулю, а другий у зелено-синьому діапазоні (~532 нм), які, незважаючи на високий рівень розсіювання може досягати дна під водою. Як і у випадку з ехолотом, записується часовий ряд інтенсивності світла (замість акустичної інтенсивності). Типовий інтервал сканування становить 1 нс (10^-9 с), на відміну від ~1 мс до 10 мкс (від 10^-3 з до 10^-5 c) для акустичних сигналів. Оминаюча ехосигналу або форма хвилі потім використовується для оцінки глибини.

Проникнення зазвичай утричі перевищує глибину, що спостерігається з диском Секкі (прилад для вимірювання відносної прозорості води), і визначається на місці. Інший метод, технічно ефективніший, полягає у визначенні коефіцієнта згасання для використовуваної довжини хвилі, який описує експоненційне згасання світла з глибиною. Більш сучасні системи здатні забезпечити точність по вертикалі та горизонталі близько 20 см на відстані 1 м.

Альтиметричний радар
У 1970-х роках основною метою радіолокаційної альтиметрії було вимірювання поверхні океану, що максимально близька до геоїду. Таким чином, за минулі роки було виконано кілька альтиметричних місій для задоволення потреб у галузі геодезії, океанографії та континентальної гідрології. Прикладами цього можуть бути місії Geosat у 1985 р. та ERS-1 у 1991 р., в результаті яких були отримані якісні моделі поверхні океану. Відомо, що на поверхні океану є невеликі западини, що імітують топографію під водою. Це відбувається через додаткове гравітаційне тяжіння особливостей морського дна, таких як підводні гори, що викликають коливання сили тяжіння, які, у свою чергу, викликають невеликі коливання висоти поверхні океану. Ці западини можуть бути нанесені на карту альтиметричним радаром, встановленим на супутнику. У глибоких океанських басейнах, де донні відкладення тонкі, а морфологія проста, дані альтиметричного радара можна використовувати навіть для прогнозування поточної батиметрії.

На континентальних платформах (де товщина донних відкладень більша і поширені традиційні батиметричні зйомки) гравіметричні методи, використовувані з метою оцінки глибини, мають обмежену цінність. Однак, разом з гравіметричною інформацією, отриманою з супутників, було отримано багато батиметричних даних, що дозволило провести оптимальну інтерполяцію глибин.

Таким чином, очевидно, що інформація, отримана за допомогою альтиметричних радарів, недостатньо точна для перевірки ризиків для судноплавства, а також не працює на мілководді, де інші методи (наприклад, лідарні) дають більш надійні та кращі результати. Крім того, дані, отримані тільки за допомогою радара, не можуть дати справжню глибину і необхідна кореляція з батиметричними даними, як це робиться в методиці вимірювання батиметрії спектрального відгуку.

Висновки
За останнє сторіччя наші знання про батиметрію швидко розвивалися завдяки розвитку акустичних, оптичних та радіолокаційних методів. Були розроблені методології, здатні забезпечити кращий контроль якості інформації, що отримується, а використання більш надійних і строгих інтерполяторів призвели до більш реалістичних форм уявлення морського дна. Незважаючи на такий прогрес, все ще існує безліч технологій, які ще треба вивчати, і деякі питання ще потребують вирішення. Подальші вдосконалення повинні включати датчики руху, системи позиціонування та датчики швидкості звуку у воді, підйомні платформи та складне програмне забезпечення, у тому числі алгоритми, які динамічно компенсують та дозволяють використовувати більш вузькі промені на коротких відстанях; іншими словами, з більш високим просторовим дозволом. Іншою тенденцією є використання щільності точок з надійними методами очищення від хибних даних, а також використання більш точних моделей припливів та методів, що базуються на неконтрольованому машинному навчанні. Глибинне навчання також можна використовувати для прогнозування та класифікації морського дна за допомогою орбітальних зображень з більшою точністю та швидкістю, не покладаючись на дані на місці, що сприятиме суміжним областям, таким як біологічні, кліматологічні та седиментологічні дослідження.

Мал. 4: Прибережна батиметрія з колірною шкалою глибин (Сент-Томас, Віргінські острови США), нанесена на карту за допомогою батиметричного лідара  (фіолетовий колір - глибока вода; помаранчевий колір - мілководдя). Земельні ділянки зображені за супутниковими знімками (Джерело: Геологічна служба США)

Використана література:

Феррейра, І.О., Андраде, Л.К.Д., Тейшейра, В.Г., та Сантос, Ф.К.М. (2022). Сучасний стан батиметричних зйомок. Boletim de Ciências Geodésicas, 28.

Лаурентіу-Флорін Костянтину, Ойген Русу, Марія-Емануела Михайлова (стаття у Hydro International від 8 листопада 2022 р.)

Чорне море таїть у собі безліч таємниць, які ще належить відкрити. У цьому дослідженні представлені результати проекту зі зйомки великих боєприпасів, що не вибухнули (UXO), виконану на румунському узбережжі Чорного моря після Другої світової війни з використанням технології буксируемого гідролокатора бічного огляду (ГБО) і океанографічних спостережень Зйомка проводилася румунським Морським гідрографічним управлінням в період з 2015 по 2018 рік гідрографічним кораблем ВМС Румунії під командуванням Олександра Катуняну. Більшість виявлених об'єктів виявилися якорями, уламками затонулих кораблів або частинами ланцюгів, які не становлять небезпеки для судноплавства.

Друга світова війна та Чорне море
Експертиза документів була заснована на архівних дослідженнях, проведених румунським Центром даних про мінну війну (MWDC) Історичного військового архіву в Бухаресті. Було вивчено 112 файлів з архіву командування Королівського флоту Румунії, Морської дивізії та командування сучасного румунського військово-морського флоту, пов'язаних з діяльністю з мінування/розмінування, морськими бойовими діями та бойовими діями проти підводних човнів у західній частині Чорного моря під час Другої світової війни. Крім того, було вивчено Сповіщення мореплавцям з 1952 по 2011 рік, вилучено дані про загородження проти підводних човнів, затонулих кораблях, трубопроводів та інші цілі.

Під час Другої світової війни вздовж сучасного румунського узбережжя було встановлено понад 20 мінних загороджень, всього близько 3000 морських мін різних типів (UMA, UMB, VICKERS, EMC I, EMC II, FMB, UC та ін.) плюс більше 3000 захисних мін і засобів захисту від тралення, широко відомі як боєприпаси, що не розірвалися, (UXO). Румунські та німецькі війська встановили ці мінні поля за допомогою спеціалізованих кораблів. У той же період радянські війська встановили невідому кількість магнітних мінних полів уздовж румунського узбережжя. У період із 1946 по 1948 рік радянські війська провели перші днопоглиблювальні роботи, і значну кількість мін було знешкоджено шляхом днопоглиблювальних робіт чи підриву. Згідно з вивченими документами, у період з 1946 по 1960 рік було знищено днопоглибленням, обстрілами або підривами близько 600 хв і 300 захисних буїв.

Значна кількість невідомих об'єктів і залишків історичних мінних полів все ще лежать на дні румунської частини Чорного моря, представляючи потенційну загрозу навколишньому середовищу та небезпеку для рибальського сектору.

Зйомка боєприпасів, що не розірвалися, в Чорному морі
Відомо, що гідролокатор бокового огляду є цінним інструментом у реалізації Мер протидії морським мінам (MMCM) завдяки його здатності забезпечувати точне акустичне зображення морського дна та об'єктів над ним. Для цієї зйомки використовувався мультиімпульсний (MP) гідролокатор бокового огляду EdgeTech 4200.

Для досягнення більшої ширини смуги огляду для цієї UXO зйомки було вибрано нижчу частоту сонара (300 кГц) у конфігурації MP. Більш висока частота 900 кГц забезпечує більш високу роздільну здатність пікселів і, отже, більшу деталізацію акустичного зображення і використовувалася для обстеження залишків аварії корабля. Інформація про місцезнаходження (широта, довгота, курс, швидкість) від DGNSS приймача була об'єднана з даними датчика кутового просторового положення буксированої рибки (поперечний і поздовжній крени) для точного визначення розташування гідроакустичних ехосигналів на морському дні.

	Мал. 1: Підготовка до зйомки бокового сканування

Акустичні сигнали гідролокатора калібрувалися не менше двох разів на день з використанням профілографа швидкості звуку (SVP) компанії Valeport, який забезпечував спостереження профілю швидкості звуку на місці роботи. У північній частині обстеженого району знадобилося більше океанографічних станцій через швидку зміну галокліну (шар води, в якому солоність різко змінюється з глибиною) в результаті відтоку річки Дунай. Додатково використовувалися корабельні однопроменеві або багатопроменеві гідрографічні ехолоти для доповнення зйомки та виявлення підводних перешкод, які могли пошкодити гідролокатор, що буксирується. Всебічний аналіз об'єктів був виконаний для кожного галсу, щоб ідентифікувати та класифікувати міноподібні ехосигнали від гідролокатора на міноподібний б'єкт. Міноподібні об'єкти вибиралися шляхом оцінки інтенсивності луни гідролокатора, форми, розмірів та акустичної тіні від об'єкта.

Результати та обговорення
Результати зйомки та аналізу дозволили виявити та класифікувати понад 2000 об'єктів з використанням оброблених зображень ГБО. Більшість об'єктів становлять якорі морських заякорених мін, уламки морських мін або уламки затонулих кораблів поблизу цих місць.

Мал. 2: Міна UMA, виявлена під час зйомки

Проте кілька об'єктів були помічені та класифіковані як справжні морські міни часів Другої світової війни. Як тільки затоплений об'єкт ідентифікується як морська міна, Морське гідрографічне управління закриває район для судноплавства, випускаючи Сповіщення мореплавцям і водолази Служби знешкодження вибухонебезпечних предметів (EOD) румунського військово-морського флоту розпочинають операції з нейтралізації.

Під час цієї знімальної місії було підтверджено положення деяких відомих затонулих кораблів, але також були виявлені нові затонули кораблі та уламки затонулих кораблів.

Північно-західна частина Чорного моря має багато особливостей, що впливають на будь-які знімальні роботи з використанням звукового зондування: різні типи рельєфу морського дна, характерна структура водної товщі та параметри поверхневих вод, що швидко змінюються. Унікальні характеристики водної товщі північно-західної частини Чорного моря (низька солоність та низький вміст кисню (безкисневий шар)) означають, що металеві об'єкти добре збереглися. Таким чином, вони перебувають у хорошому стані, враховуючи умови морського середовища в цьому районі та час, що минув з моменту їх спуску у воду.

	Мал. 3:Об'єкти, виявлені на історичному мінному полі

Топографія та характер морського дна можуть створювати помилкові ехо-сигнали/об'єкти, що значно збільшує час виявлення та класифікації об'єктів; морське дно зі скельними утвореннями може легко приховати у тіні металеві предмети. Крім того, тип морського дна впливає на акустичний імпульс, що посилається гідролокатором бічного огляду: високочастотний звук ефективніше відбивається кам'янистим морським дном, а дисперсний мул і глина поглинають низькочастотний звук. Однак було помічено, що мулисті ділянки з раковинами, що застрягли, відображають більше звукової енергії, ніж чисті піщані ділянки. Отже, тип морського дна істотно впливає процес класифікації цілей, особливо у разі невеликих і частково заглиблених об'єктів. Порівняння зображень, отриманих на двох різних частотах гідролокатора показало переваги і недоліки кожної частоти: низька частота може забезпечити ширший діапазон у глибших водах і більш швидку зйомку, у той час як більш висока частота забезпечує більшу роздільну здатність на більш мілководних ділянках, але з меншими охоплення території. Тому рекомендується провести початкову зйомку з використанням низької частоти гідролокатора бокового огляду, а потім виконати детальну високочастотну зйомку об'єктів, що цікавлять (уламків кораблекрушений, міноподібних об'єктів тощо).

Історичні документи показали, що не всі морські міни було встановлено правильно. Таким чином, деякі боєприпаси, що не розірвалися, дрейфували підводними і поверхневими течіями, дотримуючись процесу термохалінної циркуляції (циркуляція створювана за рахунок перепаду щільності води) Чорного моря, викликаного градієнтами щільності. Математичні моделі хвилювань і поверхневих течій у Чорному морі можуть мати практичну цінність для румунського флоту, забезпечуючи прогнози циркуляції, які значно впливають на операції румунського військово-морського флоту.

	Мал. 4: Уламки радянського підводного човна класу Щука

Висновки
За допомогою технології гідролокатора бічного огляду на морському дні вздовж румунського узбережжя Чорного моря було виявлено значну кількість підводних об'єктів: якоря морських мін, металеві фрагменти морських мін, кораблі, що затонули, і різні уламки, а також боєприпаси, що не розірвалися. У той час як історичні UXO становлять загрозу для судноплавства через наявність вибухової речовини, але ризик морського інциденту, спричиненого зіткненням з UXO, низький. Уламки кораблів часів Другої світової війни та UXO, виявлені під час цих зйомок, можуть, однак, загрожувати навколишньому середовищу, якщо з боєприпасів випливають хімічні речовини. Потрібні додаткові дослідження, такі як велика кампанія з відбору проб біохімічних речовин, та необхідно розробити надійну політичну структуру.

Після цього дослідження наступним кроком у класифікації цілей є ідентифікація, заснована на внутрішніх фізичних характеристиках об'єктів, а не на зовнішніх характеристиках, таких як розташування та орієнтація. Крім того, методи зіставлення бібліотек для визначення подібності між існуючою базою даних і невідомими джерелами стануть потужним інструментом для класифікації боєприпасів, що не розірвалися, порівняно з безпечними об'єктами і, в деяких випадках, для визначення типу боєприпасів, що не розірвалися. Проект все ще знаходиться в стадії реалізації, оскільки значну кількість підводних об'єктів ще потрібно виявити за допомогою водолазів, ROV (дистанційно керованих апаратів) або AUV (автономних підводних апаратів), а об'єкти, ідентифіковані як морські міни, необхідно нейтралізувати за допомогою водолазів ВМС Румунія.

	Мал. 5: Уламки російського есмінця «Москва»

Подяки

Автори хотіли б подякувати капітану військово-морського флоту (у відставці) Соріну Греку - колишньому начальнику румунського Центру даних про мінну війну (MWDC) і капітан-лейтенанту Радіану Труфашу - начальнику відділу морської картографії румунського Морського гідрографічного управління, за їхні зусилля зі збору інформації з Національного військового архіву про протимінні дії вздовж румунського узбережжя Чорного моря під час та після Другої світової війни.

Автори також хотіли б подякувати лейтенанту-командеру Валентину Дементе, лейтенанту Ніну Камелію Санду, лейтенанту Фабіану Чуботаріу, лейтенанту Леонарду Джіану та старшині Маріан Сіміон за їх внесок у збір та обробку даних гідролокатора бічного огляду та океанографічних даних. Ми також дякуємо капітану ВМС (у відставці) Роджерсу Касіану, колишньому командиру румунського гідрографічного корабля Олександру Катуняну і всій команді, яка була присутня протягом довгих днів і ночей зйомок.

Каліфорнійська геодезична компанія KDD Meridian отримала контракт на виконання батиметричної зйомки соляної лагуни у південній частині затоки Сан-Дієго. Лагуна мала довжину близько 1 км і вимагалося неймовірно багато часу на зйомку за допомогою звичайних наземних GNSS вимірювань та вимірювальної вішки з пілотованого човна – тому було прийнято рішення, що єдиним реалістичним методом виконання зйомки є використання ехолота. Замість того, щоб залучати пілотований човен з парою геодезистів, KDD прийняла рішення працювати в партнерстві з CEE HYDROSYSTEMS і використовувати роботизовану систему CEE-USV (безпілотне надводне судно, оснащене ехолотом із вбудованим GNSS приймачем, навігаційним модулем та телеметрією), щоб швидко виконати зйомку з меншими витратами праці, меншою вартістю та чудовим кінцевим продуктом.

Перед початком власне зйомки USV обігнув периметр лагуни, щоб встановити безпечну межу району зйомки. Ехолот CEESCOPE LITE на борту USV був налаштований на внутрішню реєстрацію даних, і оператор швидко обійшов лагуну, а човен при цьому прямував по краю кордону при глибині близько 1-2 футів (30-60 см). Після завершення трасування кордону записані дані за допомогою USB накопичувача були передані з CEESCOPE LITE у програму збору даних Hydromagic. Коли кордон встановлено, у програмному забезпеченні Hydromagic можна створити дорожню точку судна. Після завантаження безпечного треку (який оконтурує безпечний кордон району зйомки) згодом можна було дистанційно керувати USV, не побоюючись зустрічі з несподіваними перешкодами або мілководдям, через які човен міг опинитися на мілині/березі.

Відстань між треками вибрано рівним 50 футів з перпендикулярними контрольними треками для перевірки глибин у місцях перетину. Загальний маршрут становив 29 км.

Ці зйомки були зібрані з використанням RTK поправок, наданих VRS мережею Leica через мобільний телефон, підключений до портативного комп'ютера для збору даних. NTRIP клієнт Hydromagic керує отриманням RTK поправок, які надсилаються каналом передачі даних зйомки в CEESCOPE LITE на USV. Використання цього вбудованого пристрою означає, що надання RTK поправок для USV не вимагає будь-якого окремого автономного радіозв'язку або додаткового налаштування обладнання.

Остаточні результати зйомки продемонстрували переваги використання USV для даного знімального середовища. Для зйомки був потрібний лише один оператор, і робота була виконана всього за півтора дні. Це дозволило USV швидко виконати детальну зйомку області (включаючи край лагуни), а якість даних була максимальна завдяки дотриманню постійного кроку між треками човна. Крім того, були більш докладно обмірені ділянки, що становлять особливий інтерес: біля входу в лагуну і всередині вузького каналу, недоступні для катера з екіпажем.

Близькість місця зйомки до затоки та океану означає, що в лагуні часто буває вітряно, і ця зйомка не стала винятком. Автопілот Dynautics SPECTRE, який використовується як частина роботизованого навігаційного модуля CEE-PILOT, міг утримувати USV точно на проектному треку незалежно від орієнтації.

У цих умовах ручне керування зйомкою USV без автопілота на відстані більше 19 км стало б справжнім викликом для оператора! Дійсно, для порівняння, коротка ділянка траси була пройдена з ручним керуванням на вітрі і різниця в результатах цілком очевидна (рисунок нижче праворуч).

Джуліан Ле Деунф, Мішель Легріс, Джордан Макманус (стаття в Hydro International від 29 вересня 2020 р.

Новий спосіб моніторингу ваших даних

В даний час калібрування багатопроменевих ехолотів (БПЕ) для гідрографічних зйомок засноване на традиційному методі «патч-тесту». Цей суб'єктивний метод, хоч і суворий, має серйозні недоліки, такі як трудомісткість (як збір даних, так і обробка) та припущення, що потенційні кутові зсуви можна розглядати як незв'язані. Нове алгоритмічне рішення, яке забезпечує об'єктивний та відтворюваний перший крок до автоматизації процесу калібрування, пропонується у вирішенні MSPAC.

Гідрографія необхідна для багатьох видів морської діяльності:

• Забезпечення навігаційної безпеки морських карт та днопоглиблювальних робіт.
• Отримання точних відомостей про навколишнє середовище для морських установок та днопоглиблювальних робіт.
• Моделювання морського дна для розвідки морської енергетики.

В останні роки технологія багатопроменевого ехолота швидко розвивалася (багаточастотність, багатосмугова, компенсація в реальному часі і т.д.), що призвело до значного поліпшення просторової розподільної здатності та охоплення дна. Щоб максимізувати вигоди від цих покращень, необхідно провести ретельне калібрування системи зйомки, але після робіт, проведених у 1980-х та 1990-х роках, які призвели до створення добре відомого методу патч-тесту, цьому питанню приділялася обмежена увага. Тому настав час рухатися вперед.

	Мал. 1: Зліва: вид зверху на дві протилежні лінії та праворуч: ефект кута відхилення поперечного крену на дві протилежні лінії на плоскому морському дні

Класичний патч-тест
Патч-тест поділяє три кути відхилення шляхом зйомки характерних областей за певною схемою. Для визначення кута поперечного нахилу плоске дно досліджується у протилежних напрямках. Для визначення поздовжнього крену зйомка ухилу або конкретної особливості морського дна здійснюється у протилежних напрямках. Ефект нишпорення класично визначається шляхом визначення мети над плоским дном і її зйомки з двох паралельних і перекриваються маршрутів, що йдуть в одному напрямку. Як приклад на Мал. 1 показано конфігурацію, необхідну для визначення кутів відхилення поперечного крену.

Хоча цей метод є особливо ефективним, він має ряд недоліків, таких як:

• Потрібне попереднє знання району зйомки.
• Очікується дуже точне горизонтальне позиціонування.
• Оцінка кута відхилення залежить від оператора (ручна обробка даних та коригування морфології).
• Роздільна оцінка точності кутів не проводиться.
• Розділено лише кути; плечі важеля (або лінійні офсети датчиків у системі координат судна) вважаються правильними.
• Затримка між IMU та БПЕ не усунена.

Рішення MSPAC

Щоб усунути деякі з цих недоліків, CIDCO (Центр досліджень та розробок у галузі картографування узбережжя та океану, Канада), SHOM (Гідрографічний офіс Франції) та ENSTA Bretagne (Інженерна школа, Франція) нещодавно розробили нову процедуру калібрування. Метою є нова надійна та об'єктивна методологія, яка забезпечує рішення для кутів відхилення, а також оцінки затримки передачі даних та плечей важеля на основі спеціальної процедури вибору даних для надійної моделі плоского вирівнювання методом найменших квадратів. Це рішення також заощаджує час при зборі та обробці даних. На Мал. 2 показано класичне рівняння просторової прив'язки батиметричних даних, а також величини, які MSPAC (Multibeam System Parameters Automatic Calibration - автоматичне калібрування параметрів багатопроменевої системи) вирішує за допомогою трьох підмодулів: MIBAC ( Multibeam IMU Boresight Automatic Calibration - автоматичне калібрування кутів відхилення між МЛЕ та IMU), LAAC (Lever Arms Automatic Calibration - автоматичне калібрування плечей важелів) та MILAC (Multibeam IMU Latency Automatic - автоматичне калібрування затримки між МЛЕ та IMU).

	Мал. 2: Рівняння географічної прив'язки для батиметричних даних та програмного пакету MSPAC

Результати та розподіл

Результати цих алгоритмів детально представлені у статтях [2] та [3]. Приклад вибору даних, зробленого MIBAC, показано на Рис. 3. На цьому малюнку морське дно моделюється як сітка елементів поверхні. До кожного елемента розраховується критерій чутливості, щоб вказати області, де кути відхилення викликають найбільше спотворення морського дна.

	Мал. 3: Вибір даних MIBAC у реальному наборі даних

На Мал. 4 показані результати порівняння традиційного патч-тесту та MIBAC. Ці результати були вільно поширені, тому кожен може поекспериментувати з цими алгоритмами і протестувати їх. Звіти про дослідження (під ліцензією ouverte - французька відкрита ліцензія) та вихідні коди (під ліцензією CeCILL, сумісною з ліцензією GPL) можна знайти за адресою gitlab.com/GitShom/mspac/shom-mibac. SHOM не несе жодної відповідальності за операційну передачу та обслуговування цього програмного забезпечення. Зацікавленим сторонам, звичайно ж, пропонується використовувати, покращувати та впроваджувати ці вихідні коди у промислове виробництво.

Промислове освоєння

Програмне забезпечення постійно вдосконалюється спільнотою відкритого вихідного коду, щоб забезпечити можливість налаштування різних аспектів, таких як:

• Загальне поширення невизначеності.
• Виявлення елементів плоскої поверхні.
• Оцінка методом найменших квадратів.

Це дозволить, наприклад, використовувати різні методи ідентифікації плоских елементів поверхні, такі як [4]. Деякі внутрішні параметри недоступні для користувача, наприклад:

• Ітераційні пороги.
• Статистичні параметри випробувань.
• Моделювання елементів плоскої поверхні.

Як і у всіх проектах з відкритим вихідним кодом, код може бути параметризований відповідно до конкретних потреб клієнта або CIDCO, або сторонніх розробників.

Поточний стан MSPAC доступний лише з інтерфейсу командного рядка, а графічний інтерфейс користувача значно покращує роботу користувача. Ми вітаємо цю ініціативу з публікації кодів MSPAC за ліцензіями з відкритим вихідним кодом та сподіваємося на співпрацю із заінтересованими сторонами та членами спільноти відкритого вихідного коду над подальшими розробками калібрувального набору MSPAC.

	Мал. 4. Вгорі: знімальні смуги гавані Брест МЛЕ EM2040c для порівняння методів (DTM виділяє кутові зміщення в області перекриття); внизу: різниця між значеннями патч-тесту та зміщення MIBAC на цих знімальних смугах

Висновок

Автоматизація робочого процесу калібрування є важливим кроком для безпілотних зйомок у морі. Навіть якщо результати здаються дуже цікавими, для отримання найкращих результатів також необхідно мати джерело хорошої якості позиціонування (RTK або PPP) і морфологію дна, що відповідає пологому схилу. Крім того, запропоноване рішення дозволяє забезпечити оцінку статистичної похибки виміру, а також об'єктивність, яку важко досягти за допомогою класичного патч-тесту. Це також уможливлює автоматизацію процедур калібрування, особливо для дронів. Контактна особа з індустріалізації рішення MSPAC: jordan.mcmanus@cidco.ca.

Подяки

Це рішення було розроблено в рамках дослідницького проекту NOCALIT/CALIB-1 між ENSTA Bretagne та SHOM за фінансової підтримки DGA (Міністерство оборони Франції). Дякую DGA за підтримку цього проекту та можливість розповсюдження цих результатів