З в о р о т н і й д з в і н о к
Запросити зворотній дзвінок
Ім'я*
Телефон*
Коментар
(044) 390-71-26 (044) 495-28-29

Новини

 

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 RBRmaestro³ 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

 

Алекс Бастос, Педро Менандро (стаття в Hydro International від 25 січня 2022 р.)

 

Еволюція зйомки морського дна

Останні кілька століть картографування морського дна океану стало серйозною проблемою для морських геологів. Океанічні батиметричні карти та підводна геоморфологія значно вплинули на наше розуміння нашої планети, від тектоніки плит до глибоководних екосистем. Історію картографування океану можна розглядати через наукові тенденції, що базуються на словах, що використовуються в науковій літературі. З цією метою було проведено аналіз даних за 454 документами, датованими періодом з 1930-х по 2019 рік, з використанням ключової фрази картографування морського дна.

Перші батиметричні карти були засновані на вимірах по лінії (виску). В 1855 перший батиметричний профіль Атлантичного океану був показаний в підручнику, опублікованому Метью Фонтейном Морі. З 1873 по 1876 рік експедиція HMS Challenger (експедиція була названа на честь військового корабля, що здійснив подорож - парового корвета HMS Challenger) зібрала більше 500 вертикальних вимірів, показавши глибину Маріанської западини і більш повну карту Атлантичного океану. як Серединно-Атлантичний хребет. Батиметричні карти стали важливим надбанням у всьому світі, і вже в 1903 князь Монако Альбер I випустив перші Загальні батиметричні карти океану (GEBCO).

Початок 20 століття ознаменувався зміною підходу до картографування морського дна. Розвиток акустичних технологій призвело до використання ехолотів, що дозволяють збирати набагато більше даних набагато менше часу. Після Другої світової війни, коли широко використовувалися ехолоти, Моріс Юінг, Брюс Хізен та Марі Тарп створили серію батиметричних карт, що розкривають фізико-географічні особливості дна океану, опубліковані в основному Спеціальному документі Геологічного товариства Америки (1959).  Морфологія дна океану надала ключову інформацію для вирішення загадки тектоніки плит, а також підтвердила гіпотезу Вегенера про дрейф континентів. У 1977 році глобальна карта морського дна "Дно океанів", складена Хізеном і Тарпом і намальована художником Тангі де Ремюром, стала важливою віхою у картографуванні морського дна та фізіографії.

Безперервний розвиток акустичних технологій приніс новизну в картографування морського дна революційну багатопроменеву батиметричну систему. Перша невоєнна багатопроменева система була використана у 1977 році під час експедиції Жана Шарка (Seabeam та Hydrochart). В останні десятиліття ми стали свідками разючого технологічного розвитку акустичних та неакустичних методів та систем картографування морського дна.

 

Актуальна батиметрична карта дна Світового океану: світлими кольорами показані нанесені на карту обстежені області, тоді як чорним кольором показані області, які ще належить нанести на карту (карта надана The Nippon Foundation-GEBCO Seabed Project 2030)

 

 

Дивитись повну версію статті   >>