PODSTAWY HYDROGRAFII INSTYTUT GEOINFORMATYKI ZAKŁAD GEODEZJI I HYDROGRAFII

1

Skrypt do zajęć z przedmiotu

PODSTAWY HYDROGRAFII

mgr inż. Izabela Bodus-Olkowska

AKADEMIA MORSKA W SZCZECINIE

INSTYTUT GEOINFORMATYKI ZAKŁAD GEODEZJI I HYDROGRAFII

Szczecin 2018

2

3

SPIS TREŚCI

1. Wstęp ... 4

2. Definicje, normy i standardy hydrograficzne ... 5

3. Akustyka podwodna ... 10

3.1. Zasady rozchodzenia się dźwięku w wodzie ... 10

3.2. Parametry wiązki akustycznej ... 11

3.3. Prędkość dźwięku w wodzie ... 12

4. Pomiar prędkości dźwięku w wodzie ... 15

4.1. Urządzenia i zasada pomiaru ... 15

4.2. Kiedy wykonywać i częstotliwość pomiaru ... 18

5. Pomiary batymetryczne ... 19

5.1. Pomiar głębokości za pomocą przyrządów hydrograficznych ... 19

5.2. Pomiar głębokości za pomocą echosondy jednowiązkowej ... 21

5.3. Pomiar głębokości za pomocą echosondy wielowiązkowej ... 30

5.4. Pozostałe hydrograficzne systemy batymetryczne ... 43

5.4.1. Echosonda wieloprzetwornikowa – Multi Transducer Echosounder ... 43

5.4.2. Batymetryczne systemy interferometryczne ... 44

5.4.3. Lotnicze systemy batymetryczne – Lidar ... 45

5.4.4. Techniki fotogrametryczne i satelitarne ... 47

4

1. Wstęp

Celem niniejszego opracowania jest dostarczenie informacji oraz usystematyzowanie wiedzy z zakresu podstaw hydrografii. Skrypt dedykowany jest studentom Akademii Morskiej w Szczecinie, kierunków: PHiON, GiK i Offshore.

W opracowaniu „Podstawy hydrografii” zebrane zostały podstawowe informacje, które w sposób jasny prezentują wszelkie zagadnienia związane z hydrografią wymagane na zajęciach laboratoryjnych i ćwiczeniowych. Są to między innymi:

- podstawowe definicje,

- obowiązujące normy i standardy hydrograficzne, - rodzaje pomiarów hydrograficznych,

- metodykę i zasadę działania sprzętu hydrograficznego, - oraz instrukcje do realizacji zajęć laboratoryjnych.

Zajęcia laboratoryjne realizowane są z wykorzystaniem specjalistycznych oprogramowań hydrograficznych, z zakresu akwizycji i processingu danych:

- EA400,

- Qinsy Console, - GS+,

- MS1000,

- Discovery Edgetech, - Triton Perspective Imaging,

Oprogramowania oraz dane do realizacji zajęć dostępne są w salach laboratoryjnych w budynku na ul. Żołnierskiej 46, Szczecin.

5

2. Definicje, normy i standardy hydrograficzne

Hydrografia jest nauką zajmującą się badaniem akwenów i dróg wodnych dla celów żeglugi oraz działalność dotycząca ustawiania znaków nawigacyjnych, wydawania map i pomocy nawigacyjnych.

W zakres pomiarów hydrograficznych należy uwzględnić pomiary:

- batymetryczne, - sonarowe, - geofizyczne, - oceanograficzne, - geodezyjne – pozycji,

- towarzyszące/ uzupełniające.

Pomiary batymetryczne polegają na określeniu rozkładu głębokości na akwenie, położeniu naturalnych i sztucznych obiektów podwodnych istotnych dla bezpieczeństwa żeglugi, określeniu przebiegu izobat, określeniu położenia i wartości najmniejszych głębokości. Pomiary batymetryczne można wykonywać za pomocą: technik hydroakustycznych – echosond, systemów laserowych – lotnicze ALB/ALH oraz przyrządów ręcznych – sonda ręczna, tyczna nurtomiernicza. W dalszej części opracowania wyżej wymienione systemy zostaną opisane szczegółowo.

Głównym zadaniem pomiarów sonarowych jest uzyskanie wiarygodnej informacji o obiektach zalegających na dnie akwenu, w tym ich lokalizacji oraz podstawowych cech geometrycznych: szerokości, długości i wysokości wystawania ponad dno. Pomiary sonarowe wykonywane są również w celu poszukiwania, lokalizacji i weryfikacji wraz z identyfikacją obiektów podwodnych. Pomiary sonarowe realizowane są w oparciu o sonary: bocznych

http://www.hypack.com/new/News/Ratpack/tabid/88/Default.aspx

6 kadłubowych HMS – Hull Mounted Sonar, bocznych holowanych SSS – Side Scan Sonar, opuszczanych stacjonarnych skanujących VDS – Variable Depth Sonar. W dalszej części opracowania wyżej wymienione systemy zostaną opisane szczegółowo.

Nadrzędnym celem wykonywania pomiarów geofizycznych jest uzyskanie danych niezbędnych do określenia rodzaju dna oraz jego struktury – zasięgu występowania określonych form geomorfologicznych dna oraz pozyskiwanie informacji na temat zmian wielkości i kierunku ziemskiego pola magnetycznego, na podstawie którego lokalizowane są obiekty poddenne mających cechy ferromagnetyków. Niniejsze pomiary wykonuje się w oparciu o echosondy bardzo niskiej częstotliwości – Sub Bottom Profiler oraz magnetometry i gradiometry.

Pomiary oceanograficzne stanowią wsparcie informacyjne dla wyżej wymienionych podstawowych działalności hydrograficznych. Z punktu widzenia hydrografii, pomiary oceanograficzne dotyczą w zasadzie pomiaru:

- prędkości dźwięku w wodzie, - barwy i przeźroczystości wody, - kierunku i prędkości prądów, - wahań poziomów wody,

- fizycznych właściwości wody morskiej, głównie zasolenie, temperatury, ciśnienia.

Pomiary geodezyjne stanowią uzupełnienie pomiarów batymetrycznych i sonarowych w zakresie pozycjonowania. Pomiary geodezyjne pozwalają na powiązanie wartości mierzonego parametru hydrograficznego, np.: głębokości czy obiektu podwodnego z jego lokalizacją w przestrzeni, tak by możliwa była ich prezentacja w opracowaniach kartograficznych czy systemach nawigacyjnych, z uwzględnieniem obowiązujących odwzorowań kartograficznych oraz obowiązujących układów odniesienia współrzędnych. Pomiary geodezyjne realizowane są w oparciu o systemy satelitarne: GPS, GPS-RTK, DGPS oraz systemy nawigacji podwodnej: USBL, LBL, SBL.

Pomiary towarzyszące/ uzupełniające stanowią dopełnienie informacji hydrograficznej w zakresie weryfikacji i identyfikacji wykrytych obiektów czy przeszkód podwodnych. Pomiary te realizowane są w oparciu o wykorzystanie podwodnej TV zamontowanej na zdalnie sterowanych pojazdach podwodnych ROV – Remotly Operated Vehicle, AUV – Autonomous Underwater Vehicle lub wizualnej weryfikacji prowadzonej przez nurka.

7 Minimalne wymagania dokładności i szczegółowości dla pomiarów hydrograficznych wykonywanych na polskich akwenach reguluje standard Międzynarodowej Organizacji Hydrograficznej IHO S-44 (aktualna wersja dostępna na stronie: http://www.iho.int/iho_pubs/IHO_Download.htm).

Akweny podzielone zostały na 4 klasy, według stopnia szczegółowości pokrycia danymi oraz wymaganiami co do dokładności:

- klasa specjalna dotycząca akwenów, gdzie zapas wody pod stępką jest krytyczny, m.in. akweny portowe, podejścia do portów, baseny portowe, kanały, tory wodne, itp., najbardziej rygorystyczna pod względem dokładności pomiarów;

- klasa 1a, dotycząca akwenów z głębokościami mniejszymi niż 100 m, zapas wody pod stępką jest mniej krytyczny, ale mogą istnieć obiekty istotne dla żeglugi;

- klasa 1b, akweny z głębokościami mniejszymi niż 100 m, gdzie zapas wody pod stępką nie stanowi utrudnienia dla żeglugi;

- klasa 2, akweny z głębokościami ponad 100 m, gdzie ogólny opis dna morskiego uważa się za wystarczający; najmniej rygorystyczna.

Poniższa tabela stanowi wyciąg ze standardu IHO S-44 5^th edycja z 2008 roku i prezentuje minimalne wymagania zalecane przez organizację IHO.

http://www.hypack.com/new/News/Ratpack/tabid/88/Default.aspx

8 Tab. 1. Minimalne wymagania dokładnościowe dla pomiarów hydrograficznych wg standardu IHO S-44 [1]

±√𝑎²+ (𝑏 ∙ 𝑑)²

a: składnik niedokładności, który nie zależy od głębokości;

b: współczynnik reprezentujący składnik niedokładności zależny od głębokości;

d: głębokość, w metrach;

9 Częstotliwość pomiarów wykonywania pomiarów hydrograficznych w Polsce reguluje Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej z dnia 23 października 2006 r. w sprawie warunków technicznych użytkowania oraz szczegółowego zakresu kontroli morskich budowli hydrotechnicznych (aktualny na stan sporządzenia niniejszego opracowania), dział IV:

- Rozdział 3: Plan batymetryczny akwenu, podający definicję planu batymetrycznego, jego rodzaje oraz częstotliwość wykonywania;

- Rozdział 4: Atest badania podwodnego, definiujący czynności wynikające z tego rodzaju kontroli;

- Rozdział 5: Sprawozdanie z badania dna, określający warunki sporządzenia;

- Rozdział 6: Atest czystości dna.

Kolejnym istotnym dokumentem regulującym działalność hydrograficzną w Polsce jest Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 15 października 2012 r. w sprawie państwowego systemu odniesień przestrzennych (aktualny na stan sporządzenia niniejszego opracowania), w którym to określono jednoznacznie państwowy system odniesień przestrzennych i wysokościowych.

Podstawowym podręcznikiem do hydrografii jest Manual on Hydrography wydany przez IHO jako publikacja C-13, dostępny bezpośrednio ze strony internetowej organizacji. W podręczniku wyjaśnione zostały podstawowe pojęcia związane z hydrografią, w tym zasady akustyki podwodnej, omówione zostały szczegółowo rodzaje prac hydrograficznych oraz sprzęt hydrograficzny wraz z zasadą działania i przeprowadzania pomiarów.

10

3. Akustyka podwodna

3.1. Zasady rozchodzenia się dźwięku w wodzie

Dźwięk rozchodzi się w środowisku wodnym znacznie szybciej niż w powietrzu, na dalsze odległości oraz ulega odbiciu od obiektów nieprzenikliwych – tzw. twardych hydroakustycznie. Właściwości te sprawiają, że akustyka podwodna jest jedną z podstawowych technik pomiarowych wykorzystywanych w hydrografii. Fala hydroakustyczna podlega takim samym prawom, co fala akustyczna – ulega odbiciu, refrakcji, interferencji, rewerberacji i tłumieniu.

Znajomość właściwości rozchodzenia się dźwięku w wodzie i parametrów wiązki akustycznej oraz świadomość wpływu temperatury, zasolenia i głębokości na prędkość rozchodzenia się dźwięku, jest podstawą wiedzą w zakresie pomiarów hydrograficznych metodami hydroakustycznymi.

Falę akustyczną można opisać za pomocą wzoru na równanie sonarowe [2]:

𝑬𝑬 = 𝑺𝑳 − 𝟐𝑻𝑳 − (𝑵𝑳 − 𝑫𝑰) + 𝑩𝑺 − 𝑫𝑻 (1)

gdzie:

EE – ang. Echo Excess – siła odbitego sygnału;

SL – ang. Source Level – siła transmisji sygnału;

TL- ang. Transmission Loss – straty siły sygnału;

NL – ang. Noise Level – poziom zakłóceń;

DI – ang. Directivity Index – indeks kierunkowości sygnału;

BS - ang. Bottom Backscattering Strenght – siła rozproszenia sygnału z uwagi na rodzaj dna;

DT – ang. Detection Threshold – próg detekcji.

Tłumieniem nazywa się zmniejszenie amplitudy sygnału akustycznego. Straty energii wysłanej fali dźwiękowej spowodowane są w głównej mierze:

- absorpcją - pochłanianiem, - rozprzestrzenianiem, - rozproszeniem.

Na tłumienie fali dźwiękowej wpływają własności wody morskiej, m.in. zmiany temperatury, zasolenia, ciśnienia hydrostatycznego oraz ruchu mas wodnych, zmieniająca się zawartość ciał obcych w wodzie (np. pęcherzy powietrza), jak również organizmy żywe. Wartość tłumienia rośnie wraz z liczbą

11 drgań na jednostkę czasu, co oznacza, że fale dźwiękowe o wyższych częstotliwościach są podatne na tłumienie znacznie bardziej niż te o niższej częstotliwości.

Rozproszenie się sygnału i jego pochłanianie powodowane jest głównie przez obecność różnych obiektów w toni wodnej – organizmów żywych:

zwierząt i roślinności, ale również pęcherzyków powietrza i rodzaju dna, na które trafia wiązka akustyczna. Na skutek rozproszenia energia fali przechodzącej przez ciało obce ulega zmniejszeniu, powodując stratę energii sygnału.

Warto zauważyć, że wartość absorpcji i rozproszenia sygnału jest współzależna do częstotliwości emitowanego sygnału akustycznego. W związku z tym, aby uzyskać jak najlepsze efekty, częstotliwość pracy systemu hydroakustycznego należy dobrać zgodnie z właściwościami fizykochemicznymi akwenu pracy.

W celu uzyskania prawidłowych wyników pomiarów należy być świadomym źródeł zakłóceń sygnału hydroakustycznego, pochodzących z otoczenia ponad i pod powierzchnią wody.

Podstawowym źródłem zakłóceń sygnału akustycznego w ośrodku wodnym są [3]:

- stan wody: falowanie, opady deszczu;

- pęcherzyki powietrza w wodzie;

- aktywność sejsmiczna ziemi;

- organizmy żywe;

- samo urządzenie hydroakustyczne wraz z urządzeniami peryferyjnymi;

- inne jednostki w ruchu – wpływ pracy śruby.

Organizmy żywe i zakłócenia generowane w wyniku wysokiego stanu wody, występowania pęcherzyków powietrza czy aktywność sejsmiczną powodują tzw. dudnienie i pogłos sygnału akustycznego. Przyczyną zjawiska dudnienia jest nakładanie się – interferencja – kilku odbitych fal akustycznych o zbliżonych częstotliwościach, w wyniku którego następuje kolejno zwiększanie się i zmniejszanie amplitudy fali wypadkowej. Pogłos sygnału akustycznego – tzw. rewerberacja – to zjawisko stopniowego zanikania energii dźwięku po ucichnięciu źródła, związane z występowaniem dużej liczby fal odbitych od powierzchni obiektu twardego hydroakustycznie – np. ławicy ryb, pęcherzyków powietrza.

3.2. Parametry wiązki akustycznej

Podstawowymi parametrami definiującymi falę akustyczną są:

• częstotliwość,

12

• szerokość pasma,

• długość impulsu.

Częstotliwość systemu hydroakustycznego określa zasięg i zdolność penetracji dna przez sygnał akustyczny. Poziom absorpcji sygnału akustycznego jest wprost proporcjonalny do częstotliwości pracy – im wyższa częstotliwość tym większe pochłanianie sygnału. Zatem im niższa częstotliwość tym głębsza penetracja warstw dna, z uwagi na mniejszy współczynnik absorpcji.

Częstotliwości pracy urządzeń hydroakustycznych podzielić zatem można ze względu na głębokość akwenu [2]:

• płytsze niż 100 m – częstotliwość wyższa niż 200 kHz,

• płytsze niż 1500 m – częstotliwość pomiędzy 50 – 200 kHz,

• głębsze niż 1500 m – częstotliwość pomiędzy 12 – 50 khz.

Do określania sedymentacji dna wykorzystuje się bardzo niskie częstotliwości, rzędu 8 – 12 khz.

Szerokość pasma jest różnicą pomiędzy najwyższą częstotliwością wykorzystania sygnału i najniższą której system akustyczny używa. Szerokość pasma przetwornika hydroakustycznego określona jest za pomocą współczynnika jakości, wzór 2 [2]:

𝑸 = 𝒇_𝟎/𝑾 (2)

gdzie:

f0 – częstotliwość operacyjna przetwornika.

W = f2-f1 – szerokość pasma określona przez różnicę częstotliwości najwyższej i najniższej transmitowanej przez przetwornik.

Optymalnym rozwiązaniem dla systemów hydroakustycznych jest posiadanie transmitera o wysokim współczynniku Q, a odbiornika o niskim.

Długość impulsu określa energię transmitowanego sygnału. Przy tym samym poziomie mocy sygnału, lecz nastawie dłuższego impulsu – większa energia zostanie wysłana, co pozwoli na osiągnięcie większego zasięgu i odbicia od obiektu/ dna.

3.3. Prędkość dźwięku w wodzie

Prędkość fali hydroakustycznej zależna jest głównie od temperatury i rośnie wraz z jej wzrostem. Każda zmiana temperatury wody o 1°C, wpływa na zmianę prędkości dźwięku w wodzie średnio o 4,5 m/s.

13 Prędkość dźwięku w wodzie zależy również od zasolenia i ciśnienia. Wahanie zasolenia (parametr określający gęstość wody) akwenu o 1‰ przekłada się na zmianę prędkości dźwięku w wodzie o średnio 1,3 m/s.

Zmiana ciśnienia o 10 atmosfer wpływa na zmianę prędkości dźwięku o 1,6 m/s. Prędkość dźwięku na akwenach pełnomorskich i oceanicznych rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia w funkcji głębokości.

Podstawowy wzór na prędkość dźwięku w wodzie przedstawia wzór 3 (źródło: http://arc.id.au/UWAcoustics.html):

𝑪(𝑻, 𝑷, 𝑺) = 𝟏𝟒𝟒𝟗. 𝟐 + 𝟒. 𝟔𝑻 + 𝟎. 𝟎𝟓𝟓𝑻^𝟐+ 𝟏. 𝟑𝟗(𝑺 − 𝟑𝟓) + 𝟎. 𝟎𝟏𝟔𝑫 (3)

gdzie:

C – prędkość dźwięku w wodzie [m/s]

T – temperatura [°C]

S – zasolenie [ppt]

D – głębokość [m]

Pod wpływem zmiany prędkości dźwięku w wodzie ulega zmianie kierunek sygnału akustycznego. Zjawisko to nazywa się refrakcją i zostało zilustrowane na rys.1.

14 Rys. 1. Refrakcja wiązki akustycznej w związku ze zmianą prędkości dźwięku (opracowanie własne).

15

4. Pomiar prędkości dźwięku w wodzie

Znajomość prędkości dźwięku w wodzie w profilu pionowym jest kluczową informacją dla hydrografów wykorzystujących systemy hydroakustyczne.

Ugięcie się fali dźwiękowej, jej rozproszenie i tłumienie w związku z termokliną, zmianą zasolenia i gęstością wody, obarczają błędem pomiar właściwy:

głębokości czy odległości. Wpływ znajomości prędkości dźwięku w wodzie na dokładność pomiaru prezentuje rys. 2.

4.1. Urządzenia i zasada pomiaru

Wyróżniamy następujące urządzenia do pomiaru prędkości dźwięku w wodzie:

▪ SVP – Sound Velocity Profiler, które mierzy prędkość dźwięku w rozkładzie pionowym. Urządzenie ma wbudowany czujnik ciśnieniowy do pomiaru głębokości, przetwornik generujący sygnał akustyczny i element odbijający – twardy hydroakustycznie. Przetwornik i element odbijający sygnał umieszczone są w znanej odległości, d. Prędkość wyliczana jest na podstawie wzoru:

𝒄 = 𝟐𝒅/∆𝒕 (4)

Rys. 2. Wpływ prędkości dźwięku w wodzie na dane batymetryczne na przykładzie oprogramowania GS+ Kongsberg:

lewe – bez wartości prędkości dźwięku w wodzie, prawe – z uwzględnioną poprawką

(źródło: oprogramowanie GS+ v. 3.60).

16 gdzie Δt jest różnicą czasu pomiędzy wysłaniem sygnału a jego powrotem po odbiciu do przetwornika hydroakustycznego. Przykładową sondę SVP prezentuje rys. 3.

Rys. 3. Sonda do pomiaru prędkości dźwięku w wodzie w rozkładzie pionowym – firmy Valeport model MiniSVP (źródło: http://www.valeport.co.uk)

▪ CTD/ STD – Conducticvity/Salinity, Temperature, Depth – echosonda do pomiaru trzech zasadniczych właściwości wody: przewodności/zasolenia, temperatury i głębokości. Znajomość tych trzech parametrów pozwala na wyliczenie prędkości dźwięku w wodzie bazując na konkretnych formułach obliczeniowych. Równania można podzielić ze względu na głębokość akwenu, m.in. na formuły [4]:

- Chen & Millero dla głebokości mniejszych niż 1000 m (1977), - Del Grosso dla głębokości większych niż 1000 m (1974),

- Mackenzie, dla potrzeb szybkiego pomiaru na wodach oceanicznych do głebokości 8000 m (1981), - Coppens, , dla potrzeb szybkiego pomiaru na wodach oceanicznych do głebokości 4000 m (1981), - Medwin , dla potrzeb szybkiego pomiaru na wodach do głebokości 1000 m (1975).

Do najpopularniejszych zalicza się [2]:

Mackenzie

𝒄(𝑫, 𝑺, 𝑻) = 𝟏𝟒𝟒𝟖. 𝟗𝟔 + 𝟒. 𝟓𝟗𝟏𝑻 − 𝟓. 𝟑𝟎𝟒 · 𝟏𝟎^−𝟐· 𝑻^𝟐+ 𝟐. 𝟑𝟕𝟒 · 𝟏𝟎^−𝟒· 𝑻^𝟑+ 𝟏. 𝟑𝟒𝟎(𝑺 − 𝟑𝟓) + 𝟏. 𝟔𝟑𝟎 · 𝟏𝟎^−𝟐𝑫 + 𝟏. 𝟔𝟕𝟓 · 𝟏𝟎^−𝟕𝑫^𝟐− 𝟏. 𝟎𝟐𝟓 · 𝟏𝟎^−𝟐𝑻(𝑺 − 𝟑𝟓) − 𝟕. 𝟏𝟑𝟗 · 𝟏𝟎^−𝟏𝟑𝑻𝑫^𝟑

(5)

gdzie:

17 T – temperaturę [°C],

D – głębokość [m], S – zasolenie [ppt].

!!UWAGA!! Równanie jest prawdziwe dla warunków: temperatura w zakresie 2 - 30 °C, zasolenie 25 - 40 ppt, głębokość 0 - 8000 m.

Medwin

𝒄(𝑻, 𝑺, 𝑫) = 𝟏𝟒𝟒𝟗. 𝟐 + 𝟒. 𝟔𝑻 − 𝟎. 𝟎𝟓𝟓𝑻^𝟐+ 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟐𝟗𝑻^𝟑+ (𝟏. 𝟑𝟒 − 𝟎. 𝟎𝟏𝟎𝑻)(𝑺 − 𝟑𝟓) + 𝟎. 𝟎𝟏𝟔𝑫 (6) gdzie:

T – temperatura [°C], D – głebokość [m], S – zasolenie [ppt].

!!UWAGA!! Równanie jest prawdziwe dla warunków: Temperatura w zakresie 0 - 35°C, zasolenie 0 – 45 ppt, głębokość 0-1000m.

Przykładową sondę CTD prezentuje rys. 4.

Rys. 4. Sonda CTD firmy Valeport model Monitor CTD (źródło: http://www.valeport.co.uk)

▪ połączenie SVP i CTD w jednym urządzeniu. Pomiar bezpośredni prędkości dźwięku w wodzie w rozkładzie pionowym oraz dodatkowo możliwość uzyskania pomiarów parametrów wody: przewodności i temperatury. Przykładową echosondę SVP/CTD prezentuje rys. 5.

18 Rys. 5. Sonda CTD/SVP firmy Valeport model Midas SVX2 (źródło: http://www.valeport.co.uk)

4.2. Kiedy wykonywać i częstotliwość pomiaru

Dobra praktyka hydrograficzna mówi, że pomiar prędkości dźwięku w wodzie należy wykonywać zawsze przed rozpoczęciem pomiarów właściwych, celem zaimplementowania profilu dźwięku w wodzie do oprogramowani hydrograficznych związanych z akwizycją danych.

Ilekroć hydrograf zaobserwuje na ekranie monitora efekt zaprezentowany na rys. 2, powinien wykonać nowy pomiar prędkości dźwięku i wczytać go do oprogramowania.

19

5. Pomiary batymetryczne

Pomiary batymetryczne to działalność pomiarowa hydrograficzna polegająca na pozyskaniu odpowiednio przetworzonej informacji o rozkładzie głębokości na danym akwenie. Ten rodzaj pomiarów służy głównie do tworzenia, opracowania i aktualizacji opracowań kartograficznych i systemów baz danych systemu ECDIS w zakresie aktualizacji punktów głębokości.

Pomiary batymetryczne realizowane są poprzez określenie wartości głębokości rozumianej jako odległość pionowa od ustalonego poziomu wody do dna lub obiektu, izobat oraz położenia naturalnych bądź sztucznych obiektów podwodnych oraz lokalizacji powyższych.

Pomiary batymetryczne realizowane są poprzez:

- przyrządy do pomiaru głębokości: sondy ręczne, drążkowe, tyczki nurtomiernicze;

- systemy hydroakustyczne: echosondy jedno- i wielowiązkowe, echosondy wieloprzetwornikowe lub interferometryczne systemy batymetryczne;

- systemy lotnicze laserowe: ALB/ ALH;

- systemy satelitarne.

5.1. Pomiar głębokości za pomocą przyrządów hydrograficznych

Mała głębokość akwenu, rzędu 0 – 3 m, w stosunku do zanurzenia jednostki i przetworników systemów hydroakustycznych stanowi spore zagrożenie uszkodzeniem głowic pomiarowych lub jednostki. W takich przypadkach wykorzystuje się przyrządy do pomiaru głębokości, które zasadniczo podzielić można na sondy ręczne i tyczki nurtomiernicze.

▪ Sonda ręczna to ciężarek o wadze kilku kilogramów i lina lub metalowa taśma z oznakowaną długością (rys. 6).

- Ciężarek jest na ogół ołowiany, z uwagi na to, że metal ten nie wchodzi w reakcję z wodą morską (nie rdzewieje) i jest przy małej objętości swojej masy bardzo ciężki. Przed sondowaniem spód ciężarka można posmarować tłuszczem, do którego przykleja się podłoże, co umożliwia rozeznanie jaki rodzaj dna morskiego jest pod kadłubem - piasek, glina, muszelki, itp.

- Linka – o odpowiedniej średnicy i na ogół nylonowa. Nanosi się na nią trwałe znaki głębokości w systemie metrycznym, na ogół co jeden metr. Jest ona odporna na wodę morską.

- Taśma – zazwyczaj metalowa z naniesioną już na nią miarką w systemie metrycznym. Identyczna jak w przypadku metrówki budowlanej.

20

▪ Tyczka nurtomiernicza (rys. 7) jest to sztywny aluminiowy, stalowy lub mosiężny drążek z naniesioną 1-, 5- lub 10-centymetrową podziałką, zakończony talerzem lub szpikulcem. Zakończenie talerzem pozwala na oparcie tyczki na miękkim mulistym dnie, bez zagłębiania się w miękki materiał denny. Zakończenie szpikulcem pozwala na pomiar w przypadku dna kamienistego. Często do pozycjonowania pomiaru wykonanego za pomocą tyczki nurtomierniczej wykorzystuje się system GPS-RTK, którego antena i kontroler są przymocowane na tyczce.

http://www.hypack.com/new/News/Ratpack/tabid/88/Default.aspx Rys. 7. Sonda ręczna - linka z

oznaczeniem metrycznym (źródło: http://www.bakista.pl)

Rys. 6. Sonda ręczna taśmowa (źródło: opracowanie własne)

21

5.2. Pomiar głębokości za pomocą echosondy jednowiązkowej

Echosonda jest to urządzenie hydrograficzne wykorzystujące propagację fali dźwiękowej do pomiaru głębokości. Echosonda jednowiązkowa – Single Beam Echosounder – SBES – generuje jedną, wąską kątowo, pionowo w dół wiązkę akustyczną. System batymetryczny jednowiązkowy, oprócz echosondy jednowiązkowej, musi się składać również z systemu pozycjonowania. Obecnie najczęściej jest to system GPS-RTK.

Rys. 8. Komponenty batymetrycznego systemy jednowiązkowego (źródło: www.ris-project.info)

22 Zasada pomiaru głębokości za pomocą systemów hydroakustycznych polega na pomiarze czasu t [s] w jakim impuls fali hydroakustycznej przebył drogę od przetwornika do dna i z powrotem. Znając prędkość dźwięku w wodzie w profilu pionowym Vdź [m/s] (kwestia pomiaru omówiona została w rozdziale 4), głębokość dp [m] określa się wzorem:

𝑑_𝑝 =1

2∙ 𝑡 ∙ 𝑉_𝑑ź [𝑚]

Przez głębokość akwenu rozumiana jest wartość od powierzchni wody dw [m] (przy ustalonym poziomie odniesienia) do dna. Mając na uwadze fakt, że echosonda jednowiązkowa mierzy głębokość od przetwornika do dna dp [m], uzyskaną wartość pomiaru należy poprawić o wartość zanurzenia przetwornika h [m].

𝑑_𝑤 = 𝑑_𝑝+ ℎ [𝑚]

Rys. 9. Pomiar głębokości (źródło: opracowanie własne)

23 Z uwagi na fakt wysyłania jednej wąskiej wiązki, echosonda jednowiązkowa uzyskuje małe pokrycie dna akwenu. Pod pokryciem dna (coverage) należy rozumieć obszar dna, który został przez wiązkę akustyczną „oświetlony”.

Pomiary batymetryczne w oparciu o echosondę jednowiązkową uzyskują małe pokrycie dna, badania te nie spełniają minimalnych wymagań co do szczegółowości sondażu wg IHO S-44 klasy specjalnej i 1a (wymagane 100% pokrycie dna). Plan batymetryczny akwenu może zostać wówczas uzupełniony o trałowanie hydroakustyczne.

Jak każdy pomiar, pomiar głębokości obarczony jest błędami. Wśród błędów składających się na całkowity błąd pomiaru należy wyszczególnić (więcej informacji w IHO C-13):

Rys. 10. Pokrycie echosondy jednowiązkowej

(źródło: a) Kongsberg GS+ Operation Manual; b) http://www.nauticalcharts.noaa.gov/mcd/images/nNTC_Hydro.jpg; c) IHO C-13)

a) b) c)

24 - związany z prędkością dźwięku w wodzie – dzc;

- związany z nachyleniem dna – dzslope;

- ze względu na czas pomiaru – dzt;

- ze względu na ruch statku na fali: roll – dzroll; pitch – dzpitch, heave – dzh (rys. 11);

- związany z zanurzeniem przetwornika – dzi; - ze względu na redukcję głębokości –dztide.

Błąd całkowity pomiaru głębokości na poziomie zaufania 68% można wyliczyć ze wzoru (źródło: IHO C-13):

𝑑𝑧_68%= √𝑑𝑧_𝑐²+ 𝑑𝑧_{𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒}² + 𝑑𝑧_𝑡²+ 𝑑𝑧_{𝑟𝑜𝑙𝑙}² + 𝑑𝑧_{𝑝𝑖𝑡𝑐ℎ}² + 𝑑𝑧_ℎ²+ 𝑑𝑧_𝑖²+ 𝑑𝑧_{𝑡𝑖𝑑𝑒}²

W celu kontroli poprawności pomiaru głębokości poprzez porównanie wyniku z minimalnymi wymaganiami co do dokładności pomiaru głębokości wg IHO S-44 (parametr TVU) na poziomie zaufania 95% należy:

𝑑𝑧_95% = 2 ∙ 𝑑𝑧_68%

Wpływ na dokładność pomiaru ma również kalibracja, którą można przeprowadzić na 3 sposoby:

Rys. 11. Wpływ kołysania jednostki na przemieszczenia wiązki akustycznej (źródło: opracowanie własne)

25 - tzw. bar – check – polegający na opuszczaniu pod przetwornik echosondy specjalnej deski kalibracyjnej, co ustaloną wartość np.: co

1m i zapisywaniu prędkości dźwięku w wodzie. Poprawkę kalibracyjną stanowić będzie wartość średnia prędkości dźwięku w wodzie;

- za pomocą specjalnego przetwornika kalibracyjnego. Proces kalibracji polega na przyłączeniu przetwornika kalibracyjnego do echosondy, ustawieniu echosondy w tryb „kalibracja” i opuszczaniu przetwornika na kilku zadanych głębokościach, na których mierzy rzeczywiste wartości prędkości dźwięku w wodzie. Zarejestrowane wartości składają się na wartość średnią pomiaru. Poprawkę kalibracyjną stanowić będzie wartość średnia prędkości dźwięku w wodzie;

- metoda kombinowana: bar – check + przetwornik kalibracyjny.

Rys. 12. Kalibracja echosondy jednowiązkowej za pomocą deski kalibracyjnej (źródło: [6])

26 Najczęściej echosondy jednowiązkowe działają na dwóch częstotliwościach jednocześnie, np.: Simrad EA400 38 kHz/200 kHz. Warto pamiętać, iż niższa częstotliwość przejdzie przez pierwszą warstwę dna i ulegnie odbiciu od materiału dennego twardszego hydroakustycznie niż muł czy drobny piasek. W związku z tą właściwością głębokość mierzona na podstawie częstotliwości niższej będzie różniła się kilkoma cm od głębokości mierzonej przez wiązkę hydroakustyczną wyższej częstotliwości.

a) b)

27 c)

Rys. 13. Przykładowy echogram SBES (źródło: a) oprogramowanie EA400, b) oprogramowanie GS+, c) oprogramowanie Qinsy Console)

Processing danych batymetrycznych pochodzących z echosondy jednowiązkowej jest prosty i zajmuje mało czasu. Spowodowane jest to małą liczbą zarejestrowanych danych, które dodatkowo nie są obarczonych dużą liczbą błędów pomiarowych. Z uwagi na fakt małego pokrycia, dane pomiarowe powinny być rozpatrywane po kilka profili na raz, aby uniknąć sytuacji usunięcia danych, na pierwszy rzut oka wyglądających jak spike, a w rzeczywistości układających się w ogólną tendencję.

Produktem końcowym pomiarów batymetrycznych jest plan batymetryczny – planszet hydrograficzny, z głębokościami minimalnymi oraz izobatami.

Według Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej z dnia 23 października 2006 r. w sprawie warunków technicznych użytkowania oraz szczegółowego zakresu kontroli morskich budowli hydrotechnicznych (aktualny na stan sporządzenia niniejszego opracowania), dział IV, rozdział 3:

§ 88. 1. Plan batymetryczny akwenu jest zapisem wykonanych pomiarów hydrograficznych, opracowanym zgodnie z obowiązującymi przepisami służby hydrograficznej, służącym w szczególności do ustalenia:

1) głębokości nawigacyjnej (Hn);

2) głębokości nawigacyjnej aktualnej (Hna);

3) przegłębień dna;

28 4) spłyceń dna.

Przykładowy planszet hydrograficzny sporządzony na podstawie danych zarejestrowanych echosondą jednowiązkową prezentuje rys. 14. Głębokości pomierzone charakteryzują się małą gęstością (z uwagi na fakt małego pokrycia echosondy) oraz obarczone są małymi błędami – z uwagi na fakt prostopadłego w kierunku dna padania wiązki – występuje nieznaczna liczba spike`ów, błędów grubych. Z uwagi na małą gęstość danych, wyniki pomiarów odzwierciedlają układ zrealizowanych profili pomiarowych (rys. 15).

Rys. 14. Plan batymetryczny na podstawie danych zarejestrowanych echosondą jednowiązkową – fragmentu portu LNG w Świnoujściu (źródło: opracowanie własne)

29

a) b)

Rys. 15. Numeryczny model dna opracowany na podstawie danych zarejestrowanych echosonda jednowiązkową (źródło: a) GRID, oprogramowanie Qinsy Console, b) powierzchnia 3D, oprogramowanie Qinsy Qloud)

30

5.3. Pomiar głębokości za pomocą echosondy wielowiązkowej

Echosonda wielowiązkowa – Multi Beam Echosounder – MBES – stanowi kombinację rozwiązań sprzętowych i programowych, wykorzystujących m.in.

technikę elektronicznego formowania i śledzenia wiązki fali hydroakustycznej oraz technikę sygnałowej obróbki danych. Przetwornik wysyła wiele wiązek akustycznych pod różnym kątem, formując tzw. swath – wachlarz z wiązek akustycznych, osiągając w ten sposób znaczny pas pokrycia dna, gwarantujący nawet 100% pokrycie danymi badanego akwenu.

System batymetryczny wielowiązkowy składa się z głowicy echosondy wielowiązkowej i systemu pozycjonowania. Głowica echosondy wielowiązkowej z reguły zintegrowana jest z czujnikiem ruchu – który kompensuje błędy spowodowane ruchem jednostki na wodzie oraz z czujnikiem pomiaru przypowierzchniowej prędkości dźwięku w wodzie – z uwagi na fakt wysyłania wielu wiązek, każdej w innym kierunku.

Rys. 16. Komponenty batymetrycznego systemy wielowiązkowego

31 (źródło: www.hydrogeo.am.szczecin.pl, www.ris-project.info, www.km.kongsberg.com, www.vebidoo.com)

Szerokość „swath” przedstawiana jest przez producentów echosond wielowiązkowych jako współczynnik wielokrotności mierzonej głębokości wynosi od 1 do 8.

Dla przykładu: GS+ firmy Kongsberg, system dwu-przetwornikowy, z których każdy emituje 160 wiązek, każda o szerokości kątowej 0.75°. W celu wyliczenia pokrycia, za wartość kąta

θ

a)

b) c)

Pomiar głębokości polega na określeniu czasu, jakiego impuls fali hydroakustycznej potrzebuje na przebycie drogi od przetwornika do dna i z powrotem – identycznie jak w przypadku SBES. Wartość pomierzonej głębokości obarczona jest tymi samymi błędami co w przypadku wskazania głębokości za pomocą SBES oraz dodatkowo z uwagi na charakterystykę „swath” rejestrowane są wszelkie zakłócenia i szumy, które należy wyeliminować podczas opracowywania danych.

MBES znacznie skraca czas potrzebny na akwizycję danych w terenie – znaczne pokrycie danymi, jednocześnie wydłużając czas potrzebny na opracowanie Rys. 17. Pokrycie echosondy wielowiązkowej

(źródło: a) Kongsberg GS+ Operation Manual, b) http://www.nauticalcharts.noaa.gov/mcd/images/nNTC_Hydro.jpg; c) IHO C-13)

32 danych – zbierane są miliardy punktów, w tym właściwych głębokości, błędów, szumów i zakłóceń (rys. 18, 19 a i b). Z uwagi na charakterystykę danych, znaczna część oprogramowani hydrograficznych ma wbudowane algorytmy do automatycznej filtracji danych, co ułatwia zadanie postprocessingu.

Rys. 18. Reprezentacja danych batymetrycznych pochodzących z echosondy wielowiązkowej (źródło: oprogramowanie Qinsy Console Validator)

33 a)

34 b)

Rys. 19. Ilustracja graficzna spike`ów (źródło: a) oprogramowanie Qinsy Console Validator, b) oprogramowanie Qinsy Qloud)

35 Przed przystąpieniem do prac hydrograficznych batymetrycznych za pomocą echosondy wielowiązkowej należy wykonać kalibrację systemu, celem weryfikacji poprawności działania i eliminacji ewentualnych błędów wskazań. W tym celu należy wykonać:

- pomiar prędkości dźwięku w wodzie w profilu pionowym, - dokonać kalibracji echosondy – tzw. patch test oraz - skontrolować wskazania echosondy – cross check,

- wprowadzić poprawkę na dynamiczne zanurzenie jednostki – squat.

Patch test stanowi zestaw czynności pomiarowych dzięki którym określone zostaną poprawki kalibracyjne na (IHO C-13):

- opóźnienie czasowe – latency, - przegłębienie – pitch,

- przechyły poprzeczne – roll, - wskazanie kursu – yaw/ heading.

W przypadku systemów dwuprzetwornikowych, proces kalibracji należy przeprowadzić dla każdego przetwornika oddzielnie.

• Latency time – określa opóźnienie czasowe Δt między czasem określenia pozycji za pomocą systemu pozycjonowania, a czasem określenia głębokości za pomocą echosondy. Wartość tej poprawki nie powinna przekraczać 0,5 s.

Wyznaczenie wartości poprawki polega na akwizycji danych na dwóch profilach pomiarowych zaprojektowanych nad charakterystycznym obiektem lub nad uskokiem dna, w tym samym kierunku, z różnymi prędkościami, np.: 3W/ 6W.

36

• Pitch – jest to kąt pomiędzy czujnikiem ruchu a liną swath echosondy, w odniesieniu dziób – rufa.

Wyznaczenie wartości poprawki polega na akwizycji danych na dwóch profilach pomiarowych zaprojektowanych nad charakterystycznym obiektem podwodnym lub uskokiem dna, z tą samą prędkością, ale w przeciwnych kierunkach.

a) b)

• Roll – jest to kąt zawarty pomiędzy czujnikiem ruchu a linią swath echosondy, w odniesieniu na prawą – lewą burtę.

Wyznaczenie wartości poprawki polega na akwizycji danych na dwóch profilach pomiarowych zaprojektowanych nad płaskim obszarem dna, w przeciwnych kierunkach, z tą samą prędkością.

Rys. 20. Procedura rejestracji danych dla uzyskania poprawki na opóźnienie czasowe [6]

Rys. 21. a) Wizualizacja parametru Pitch (źródło: opracowanie własne);

b) Procedura rejestracji danych dla uzyskania poprawki na przegłębienie [6]

37

a) b)

• Yaw/ Heading – jest to kąt pomiędzy linią wskaźnika kursu a linią swath echosondy.

Wyznaczenie tej poprawki polega na akwizycji danych na dwóch profilach pomiarowych nad charakterystycznym uskokiem lub obiektem podwodnym, w przeciwnych odległościach, z tą samą prędkością. Profile muszą być zaprojektowane w odległości co najmniej połowy wartości swath echosondy. Następnie należy dokonać akwizycji danych na dodatkowym profilu, między dwoma poprzednimi, zaprojektowanym nad obiektem i pod kątem 45° do kierunku ruchu, ze stałą prędkością.

Rys. 22. a) Wizualizacja parametru Roll (źródło: opracowanie własne);

b) Procedura rejestracji danych dla uzyskania poprawki na przechyły boczne [6]

38

a) b)

Rys. 23. a) Wizualizacja parametru Yaw/ Heading (źródło: opracowanie własne);

b) Procedura rejestracji danych dla uzyskania poprawki na odchylenie od kursu [6]

Cross Check, czyli kontrola wskazań echosondy powinien być wykonywany przed i po wykonaniu pomiarów batymetrycznych.

Polega on na wykonaniu rejestracji danych na dwóch profilach pomiarowych prostopadłych względem siebie i porównaniu wskazań na zewnętrznych wiązkach systemu wielowiązkowego, które obarczone są największymi błędami, ze wskazaniami zarejestrowanymi w nadirze wiązki. Wartość różnicy wskazań powinna być bliska 0. Jeśli wartość różnicy jest większa niż 10cm, należy ponownie skalibrować echosondę.

39 Squat – jest parametrem związanym z przysiadaniem jednostki pomiarowej z uwagi na zmiany ciśnienia hydrodynamicznego pod kadłubem w funkcji prędkości poruszania się jednostki. W związku z przysiadaniem jednostki zmienia się wartość zanurzenia przetwornika echosondy, co wpływa na dokładność pomiaru głębokości (wartość h rys. 9). W celu wyznaczenia tej poprawki koniecznym jest stworzenie modelu pomiarowego jednostki i zamodelowanie jej ruchu. Z uwagi na trudny proces określenia, poprawka ta często jest pomijana.

Rys. 24. Kontrola wskazań echosondy (opracowanie własne)

40 Rys. 25. Wizualizacja efektu przysiadania jednostki w związku z prędkością poruszania się [5]

Głębokości pomierzone charakteryzują się wysoką gęstością (z uwagi na fakt znacznej liczby wiązek akustycznych) oraz obarczone są dużą liczbą zakłóceń i błędów – występuje znaczna liczba spike`ów (rys. 18, 19 a i b). Znaczący wpływ na jakość danych ma wpływ ruchu statku na fali na wachlarz wiązek akustycznych – swath. Przemieszczenia wiązki akustycznej z uwagi na ruch statku na fali kompensowany jest przez czujnik ruchu, który w przypadku echosond wielowiązkowych jest jednym z elementów peryferyjnych wchodzących w skład systemu wielowiązkowego.

Również prędkość poruszania się jednostki w trakcie wykonywania pomiarów ma wpływ na jakość zebranych danych. Optymalną, pod kątem jakości danych, prędkość akwizycji wylicza się wzorem:

𝑉 = 𝑆 ∙ 𝑧 ∙ tan 𝜃 2

gdzie:

S – prędkość pingowania (częstotliwość wysyłania wiązki akustycznej) [1/s]

z – głębokość akwenu [m]

θ – szerokość kątowa wiązki akustycznej [°]

41 Produktem końcowym prac batymetrycznych jest plan batymetryczny – planszet hydrograficzny. Przykładowy planszet hydrograficzny sporządzony na podstawie danych zarejestrowanych echosondą wielowiązkową prezentuje rys. 26.

Rys. 26. Plan batymetryczny na podstawie danych z echosondy wielowiązkowej – fragmentu portu LNG w Świnoujściu (źródło: opracowanie własne)

42

a) b)

Rys. 27. Numeryczny model dna opracowany na podstawie danych zarejestrowanych echosonda wielowiązkową (źródło: a) GRID, oprogramowanie Qinsy Console, b) powierzchnia 3D, oprogramowanie Qinsy Qloud)

43

5.4. Pozostałe hydrograficzne systemy batymetryczne

5.4.1. Echosonda wieloprzetwornikowa – Multi Transducer Echosounder

Echosonda wieloprzetwornikowa zbudowana jest z kilku lub kilkunastu przetworników echosondy jednowiązkowej zamontowanych w jednej linii na specjalnych wysięgnikach/ skrzydłach. System wieloprzetwornikowy najczęściej wykorzystywany jest na akwenach płytkich oraz w pracach na wodach śródlądowych. Odległości między przetwornikami powinny być określone biorąc pod uwagę głębokość akwenu pomiarowego, najczęściej jednak rozmieszczone z uwzględnieniem pokrycia pojedynczego przetwornika [6]

𝑇𝑆 = 2 ∙ 𝑧 ∙ tan 𝜃 2

gdzie:

z– głębokość akwenu – minimalna/ optymalna [m]

θ – szerokość wiązki akustycznej [°]

Technika ta pozwala na pozyskanie 100% pokrycia dna danymi, jak echosonda wielowiązkowa. Z uwagi na fakt, iż system ten zbudowany jest z wielu echosond jednowiązkowych, pomiar głębokości obarczony jest mniejszą niedokładnością (omówione w rozdziale 5.2), jednakże ruch statku na fali znacząco wpływa na zmiany kierunków wysyłania wiązek akustycznych (wpływ ten omówiony został w rozdziale 5.3). Pomiar głębokości odbywa się na identycznej zasadzie jak w przypadku echosondy jednowiązkowej czy wielowiązkowej.

Manewrowanie jednostką wyposażoną w batymetryczny system wieloprzetwornikowy jest utrudniony, szczególnie na akwenach ograniczonych lub o dużym natężeniu ruchu.

44 Rys. 28. Batymetryczny system wieloprzetwornikowy (źródlo: HYDRO ARMY)

5.4.2. Batymetryczne systemy interferometryczne

Batymetryczne systemy interferometryczne wysyłają za pomocą jednego transmitera dwie wiązki: prostopadłą do przetwornika – wąską kątowo i horyzontalną – jak sonar boczny. Odbite sygnały akustyczne odbierane są przez dwa odbiorniki. Główna zasada interferometrii polega na oszacowaniu opóźnień w powrocie sygnałów akustycznych odebranych przez dwa oddzielne odbiorniki.

Akwizycja za pomocą tego systemu pozwala na pozyskanie wysokogęstościowych danych batymetrycznych – miliony punktów pomiarowych tworzących tzw. chmurę punktów, co pozwala na pozyskanie 100% pokrycia dna akwenu danymi związanymi z pomiarem głębokości i charakterystyką ukształtowania dna (pomiar sonarowy – więcej w rozdziale 6).

Cechą charakterystyczną systemu interferometrycznego jest fakt rejestracji znacznej liczby zakłóceń i szumów, co wydłuża czas potrzebny na opracowanie danych. Obecnie dużo wiodących producentów oprogramowań dedykowanych procedurze obróbki danych batymetrycznych oferuje dodatkowe moduły bądź algorytmy, umożliwiające w sposób w pełni zautomatyzowany oczyszczenie danych z zarejestrowanych szumów i zakłóceń.

45

a) b)

Rys. 29. Batymetryczny system interferometryczny – pokrycie (źródło: a) Konsgberg GS+ Operation Manualł b) IHO C-13)

5.4.3. Lotnicze systemy batymetryczne – Lidar

Lotnicze systemy batymetryczne zbudowane są z trzech zasadniczych komponentów:

- laserowego systemu skanującego, - systemu pozycjonowania GPS,

- systemu inercyjnego (Inertial Motion Unit – IMU).

Hydrograficzny system lotniczny – LIDAR (LIght Detection And Ranging) wykorzystuje laser do pomiaru głębokości akwenu. System wysyła dwie wiązki lasera: niebiesko-zieloną i infrared. Infrared odbija się od powierzchni wody i wraca do systemu, natomiast niebiesko-zielona przechodzi przez warstwę wody, odbija się od dna i powraca do systemu. Głębokość akwenu określana jest na podstawie różnicy czasu od momentu wysłania wiązki laserowej do jej powrotu (rys. 30).

46 Rys. 30. Zasada pomiaru głębokości systemem LIDAR (źródło: www.optech.com)

Propagacji fali świetlnej w środowisku wodnym, podobnie jak fali akustycznej, zależy od temperatury, ciśnienia i zasolenia akwenu, jednakże największe znaczenie ma przejrzystość wody. Dla celów projektowania pomiarów systemem Lidarowych należy określić przejrzystość wody za pomocą krążka Secchie`go.

Pomiary batymetryczne za pomocą Lidaru pozwalają pozyskać 100% pokrycie dna w czasie znacznie szybszym niż w przypadku echosond wielowiązkowych czy systemów interferometrycznych. Szerokość wiązki laserowej jest znacznie większa niż wiązek akustycznych. Systemy lotnicze umożliwiają również pozyskanie danych batymetrycznych na akwenach niedostępnych dla tradycyjnej żeglugi. Jedyne ograniczenie stanowi przejrzystość wody.

47 Rys. 31. Porównanie metod pomiaru głębokości: Lidar, MTE, MBES (źródło: ww.optech.com)

5.4.4. Techniki fotogrametryczne i satelitarne

Techniki fotogrametryczne w pracach hydrograficznych wykorzystywane są głównie dla celów zdeterminowania linii brzegowej, wykonanie rekonesansu czy zaplanowanie profili pomiarowych. Rzadziej natomiast dla celów czysto batymetrycznych. Do wykonywania zdjęć fotogrametrycznych są wykorzystywane specjalne, na ogół wielkoformatowe, aparaty fotograficzne wyposażone w specjalne obiektywy pozbawione aberracji. W zależności od sposobu wykonywania zdjęć rozróżnia się fotogrametrię naziemną (terrofotogrametrię) oraz fotogrametrię lotniczą (aerofotogrametrię). Zależnie od sposobu wykorzystania zdjęć rozróżnia się fotogrametrię płaską (jednoobrazową) i fotogrametrię przestrzenną (dwuobrazową), zwaną też stereofotogrametrią, w której przestrzenny obraz przedmiotu lub terenu

48 uzyskuje się za pomocą stereogramu – pary zdjęć wykonanych z dwóch punktów przestrzeni. Na podstawie takiego zdjęcia oraz przy wykorzystaniu specjalistycznego oprogramowania oraz narzędzi w nim zaimplementowanych, możliwe jest wystarczająco precyzyjne określenie przebiegu linii brzegowej. Szczególnie w miejscach trudno dostępnych z poziomu jednostki pływającej czy dotarcie pieszo (rys. 32).

a) b)

Rys. 32. a) Zasada wykonania zdjęcia (źródło: www.geoforum.pl); b) przykładowe zdjęcie (źródło: html.rincodelvago.com).

Zdjęcia satelitarne w hydrografii wykorzystywane są do takich samych celów jak fotogrametryczne. Satelity wyposażone w altimetry pozwalają na określanie głębokości z dokładnością równej pomiarom terenowym. Zdjęcia satelitarne stanowią dużą pomoc w określaniu parametrów batymetrycznych akwenów niedostępnych lub ograniczonych nawigacyjnie. (rys. 33).

49

a) b)

Rys. 33. a) zasada pomiaru (źródło: www.studyblue.com); b) opracowany model rozkładu głębokości (źródło: www.eomap.com).