Конспект лекции ЭГ 2008

- 2 -

Конспект лекций подготовлен кандидатом технических наук, доцентом Фирсовым Ю.Г. на основе курса лекций, прочитанных в 2005-2008 г.г для курсантов-гидрографов 4 курса Арктического факультета ГМА имени адмирала. С. О. Макарова и программы дисциплины «Гидрография».

Учебное пособие может быть использовано курсантами и студентами заочного факультета гидрографической специальности, а также инженерами гидрографами, желающими самостоятельно изучить основные принципы и технологии современной электронной гидрографии.

-3 -

ОГ Л А В Л Е Н И Е

Стр

1 Основные направления современной гидрографической деятельности. Технические средства и технологии выполнения работ……………….. 4

1.1.Съемки для создания морских навигационных карт в интересах безопасности мореплавания (Nautical Charting)…………………………………………………………………….. 7

1.2.Съемки для обеспечения прибрежных инженерных работ

(Surveys for Coastal Zone Management)…………………………………………………….. 8

2Международная нормативная база современной гидрографии…………………………… 13

2.1.Стандарты МГО……………………………………………………………………………… 13

2.2.Требования международной ассоциации исполнителей морских работ (IMCA)……… 26

2.3.Требования корпуса военных инженеров США (US ACE)………………………………. 29

3Электронные гидрографические информационные системы……………………………. 34

3.1.Краткое описание ЭГИС HYPACK………………………………………………………. 34

3. 3. Общее описание электронной информационной гидрографической системы QINSy .. 38

- 4 -

Глава 1. Основные направления современной гидрографической деятельности. Технические средства и технологии выполнения работ.

За последнее десятилетие произошли качественные изменения технологий в гидрографической деятельности.

При гидрографических исследованиях объектами работ являются, как правило, поле рельефа и осадочных пород морского дна. Иногда гидрографические работы совмещаются с изучением гравитационного и геомагнитного полей Земли. Традиционно гидрографические работы проводились в интересах обеспечения безопасности мореплавания. Как и прежде, основную информацию, необходимую для создания морских навигационных карт и пособий, предоставляет поле рельефа морского дна, исследуемое посредством промера. Однако, в последнее время в изучение указанных полей заинтересован значительно более широкий круг специалистов, включая с морских геологов, биологов и экологов.

В зависимости от специализации в настоящее время различаются следующие основные направления гидрографической деятельности:

-съемки для создания морских навигационных карт в интересах безопасности мореплавания

(Nautical Charting ) – традиционное направление гидрографической деятельности ;

-съемки для обеспечения прибрежных инженерных работ (Surveys for Coastal Zone Management) или инженерная гидрография;

-съемки в удаленной морской зоне для исследований и эксплуатации природных ресурсов

(Industrial Offshore Surveying) или промышленная гидрография.

Каждое из указанных направлений поддерживается соответствующими технологиями, основой которых является специализированное гидрографическое программное обеспечение .

Основным методом обследования морского дна продолжает оставаться акустический метод, реализуемый с помощью однолучевых эхолотов (ОЛЭ), многолучевых эхолотов (МЛЭ), эхотралов (ЭТ) и гидролокаторов бокового обзора (ГБО). Современной тенденцией в гидрографии является использование систем, обеспечивающих полное акустическое «освещение» морского дна. В последние годы появились высокоточные авиационные промерные системы, способные измерять небольшие глубины (как правило, до 30 м.) в полосе обзора на основе применением лазерных технологий. Такие системы особенно эффективны в труднодоступных районах, там где выполнение съемки с помощью плавсредств затруднено и опасно (шхерные акватории в районах крайнего севера, а также акватории с мангровой растительностью в тропиках).

Обязательными инструментами для проведения гидрографических исследований в настоящее время являются электронные гидрографические информационные системы (ЭГИС), оборудованные портативной компьютерной техникой, прецизионными датчиками для измерений параметров полей (рельеф дна, осадки, гравитационное, магнитное), элементов движения судна и его местоположения, а также устройствами регистрации (архивации) информации.

проектирования, выполнение съемки, пост-обработки (как правило, в районе работ), окончательной обработки, оформления и представления результатов. В последнее время все чаще вводится дополнительный этап - интерпретация результатов.

Наиболее совершенные современные ЭГИС обеспечивают поддержку всего цикла гидрографических исследований. Однако, каждая из существующих ЭГИС, как правило, имеет определенную «специализацию» связанную с углубленной поддержкой определенного направления гидрографической деятельности.

В настоящее время на мировом рынке гидрографических технологий имеются целый ряд промышленных ЭГИС, среди которых следует выделить такие наиболее известные как: QINSy (фирма QPS), Hypack МАХ (фирма Hypack), Hydro Pro (фирма TRIMBLE), EIVA (фирма EIVA), SIS (фирма Kongsberg), PDS-2000 (фирма RESON), CARIS HIPS (фирма CARIS) и др. ЭГИС можно классифицировать по нескольким принципам. Имеется класс универсальных ЭГИС, предназначенных для обеспечения всех этапов выполнения гидрографических работ, включая: проектирование, выполнение съемки, пост-обработку и представление результатов. Такие ЭГИС способны обеспечить сопряжение со значительным числом внешних датчиков, включая ОЛЭ, ЭТ, МЛЭ, датчики пространственной ориентации (ДПО), лаги, гирокомпасы, а также гидрологические зонды и измерители скорости звука в воде. Например, такая ЭГИС как QINSy (A Quality Integrated Navigation System), голландской фирмы QPS (Quality Positioning Services) [1,2] предлагает сопряжение с оборудованием 29 различных типов, и для этих целей имеет в своем составе более 350 программ-драйверов, обеспечивая тем самым возможность подключения практически всех образцов промышленно выпускаемого оборудования. Примерно такие же возможности обеспечивает и ЭГИС Hypack МАХ американской фирмы «Hypack» , а также ЭГИС EIVA датской фирмы «EIVA».

Специализированные ЭГИС предназначаются для поддержки только определенных направлений гидрографической деятельности и ограниченной номенклатуры внешних датчиков . К таким ЭГИС можно отнести SIS (Seabed Information System) норвежской фирмы Kongsberg, которая предназначена главным образом для выполнения площадной съемки рельефа с использованием МЛЭ, а также ЭГИС PDS-2000 датской фирмы «RESON». Наконец имеются специализированные ЭГИС, обслуживающие только определенные типы оборудования, предназначаемого для съемки подводного рельефа: ОЛЭ, МЛЭ, БГБО.

Для окончательной обработки и представления материалов съемки имеется отдельный класс ЭГИС по своим характеристикам приближающийся к ГИС-пакетам. Первая морская ГИС была разработана канадской фирмой CARIS. ЭГИС CARIS HIPS (Hydrographic Information Processing System) является «де-факто» стандартом окончательной обработки и представления результатов съемки подводного рельефа, и используется во многих зарубежных и ряде отечественных гидрографических организаций.

Каждая из указанных ЭГИС имеет свои особенности и оптимальным образом поддерживает определенные направления гидрографической деятельности. Наиболее универсальной является ЭГИС QINSy, направленная на решение, главным образом, задач промышленной гидрографии и выполнения съемок с МЛЭ. Отличительной особенностью ЭГИС QINSy являются:

- возможность выполнения комплексной обработки нескольких датчиков позиционирования с

- 6 -

целью получения оптимальных оценок двух и трехмерных координат в том числе с использованием гидроакустических навигационных систем (ГАНС);

-наличие оценки точности получаемых оценок координат, в том числе и координат глубин на морском дне, получаемых с использованием ОЛЭ и МЛЭ;

-реализация оптимальных методов обработки и представления данных съемок с МЛЭ и ГБО.

-наличие гибких средства для работы с якорями для позиционирования буровых платформ.

Все эти особенности делают ЭГИС QINSy удобным инструментом для решения задач промышленной гидрографии. Данное программное обеспечение может быть с успехом применено для решения следующих задач, традиционных для геодезического и гидрографического обеспечения работ на морских нефтегазовых месторождениях:

-съемка рельефа дна с помощью МЛЭ в месте установки буровой платформы, а также по трассе

еебуксировки к месту установки;

-вывод буровой установки в заданную позицию с помощью буксиров;

-заводка якорей буровой установки с помощью буксиров и установка их в проектное положение;

-позиционирование буровой установки с помощью заведенных якорей и установка в проектные координаты с учетом заданных допусков;

-съемка рельефа дна с помощью МЛЭ по трассе для проектирования прокладки трубопроводов;

-инспекция проложенных трубопроводов с помощью МЛЭ и автономных подводных аппаратов.

-решение другие задачи возникающих при геодезическом и гидрографическом обеспечении. Вместе с тем, пакет QINSy достаточно сложен в освоении и имеет высокую стоимость.

Другой популярной ЭГИС, широко применяемой в промышленной гидрографии, является HYDROPro. Этот гидрографический пакет наиболее удобен для позиционирования буровых платформ, забивки свай и монтажа конструкций при выполнении гидротехнических работ на акватории.

Для традиционной и инженерной гидрографии хорошо подходит ЭГИС «Hypack МАХ», благодаря модульности структуры, возможности решения большого количества вспомогательных задач, простоте освоения и удобстве объединения результатов прибрежных и наземных съемок. В состав пакета «Hypack МАХ» могут входить модули: «Hysweep» для съемки и пост-обработки данных МЛЭ и БГБО, «Hyscan» для съемки и пост-обработки данных ГБО. Результаты съемки могут быть конвертированы в форматы наиболее популярных ГИС, а также в обменный формат ЭНК S-57. В последней (2008) версии пакета «Hypack МАХ» реализована возможность сопряжения с топографическим сканером, позволяющая резко повысить производительность при проведении одновременной съемки подводного и надводного рельефа.

ЭГИС «Hypack» укомплектована широким спектром вспомогательных программ, среди которых следует упомянуть программу расчета семи параметров для преобразования геодезических координат из одной координатной системы в другую на основе использования данных четырех и более пунктов, координаты которых известны в обеих системах. В ЭГИС «Hypack» может использоваться рекордное количество картографических подложек (более 10), включая форматы таких популярных ГИС, как ArcGIS и MicroStation. Возможно создание электронных карт средствами самой ЭГИС «Hypack МАХ» путем оцифровки на дигитайзере и (или) непосредственно на экране монитора. Кроме того, результаты съемки рельефа дна могут быть напрямую конвертированы в обменный формат S-57 электронной навигационной карты (ЭНК), которую затем также возможно отобразить в качестве картографической подложки.

- 8 -

Современной тенденцией является импорт результатов промера непосредственно в формат базы данных S-57 с целью ускорения создания электронных навигационных карт. Данную опцию поддерживают такие ЭГИС, как «Hypack МАХ», QINSy, «EIVA».

1.2. Съемки для обеспечения прибрежных инженерных работ (Surveys for Coastal Zone Management)

Это направление гидрографической деятельности имеет два главных направления: выполнение гидро-технических, главным образом дноуглубительных работ в прибрежной зоне и обеспечение выполнения геологической съемки на шельфе. Последнее направление стало актуальными в последние 20-30 лет в связи с повышением интенсивности хозяйственной деятельности в прибрежной зоне и необходимостью получения дополнительной информации и рельефе дна и составе донного грунта на конкретной акватории с целью обеспечения промышленной добычи полезных ископаемых.Все возрастающее практическое значение в настоящее время приобретают высокоточные съемки прибрежных акваторий, связанные с обеспечением безопасности судов, дноуглублением, гидротехническим строительством. Сегодня администрация порта или дноуглубительная компания не может эффективно работать без использования современного гидрографического оборудования. Объем предстоящих дноуглубительных работ и текущее состояние дна акватории после выполнения очередного дноуглубления требует точной и оперативной информации. Большинство ЭГИС имеют в своем составе специализированные модули, обеспечивающие работу дноуглубительных судов. Так в ЭГИС «Hypack МАХ» имеется пакет программ «DredgePack», обеспечивающий поддержку выполнения дноуглубления в реальном масштабе времени. Аналогичные возможности обеспечивают ЭГИС QINSy. Крупные дноуглубительные компании, такие как «Baskalis Bv» создали собственное программное обеспечение для гидрографической поддержки дноуглубления и расчета объемов извлекаемого материала.

Гидрографические съемки для обеспечения прибрежных инженерных работ производятся, как правило, в составе морских геолого-геофизических исследований шельфа, а также для съемок, позволяющих осуществить проектирования прокладки инженерных коммуникаций (трубопроводов, кабелей и.т.д) на морском дне. Высокоточная съемка рельефа является необходимым этапом выполнения подобных работ.

Особенностью данной съемки является необходимость получения информации о структуре поверхности морского дна, а также структуре верхнего слоя донных осадков.

Для выполнения таких съемок

- 10 -

Представление конечных результатов съемки осуществляется в формате UKOOA Р1\90. В качестве примера навигационно-сейсмических комплексов можно привести комплексы: «SPECTRA» (см. рис.1.4.) .

1.3.2. Создание, эксплуатация и обслуживание морских нефте-газовых месторождений

Состоит из целого комплекса морских инженерных работ, составной частью которых в обязательном порядке является гидрографическое обеспечение. Перед установкой буровой платформы на акватории осуществляется высокоточная съемка рельефа дна, верхнего слоя донных осадков, а также гидролокационная и магнитометрическая съемки с целью обнаружения техногенных объектов. Транспортировка буровой платформы к месту ее установка осуществляется с помощью нескольких буксиров, которые должны действовать координировано. Заводка якорей для обеспечения позиционирования буровой платформы также является отдельной ответственной задачей, которая должна решаться с высокой точностью.

Для выполнения эксплуатации скважины необходимо осуществить проектирование трасс подводных трубопроводов и кабельных линий, а также осуществить гидрографическое обеспечение их прокладки. В процессе функционирования морского месторождения осуществляется постоянный контроль за состоянием подводных коммуникаций.

Рис.1.7. Схематическое изображение инфраструктуры морского нефте газового месторождения.