Батиметричні зйомки: покращення та перешкоди
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.
