Конспект лекции ЭГ 2008

- 11 -

При эксплуатация и обслуживание морских нефте-газовых месторождений широко используются подводные технические средства (ПТС), которые могут быть классифицированы как: автономные (автоматические = AUV) и неавтономные (ROV). Для эффективного применения ПТС используются навигационные гидроакустические системы (ГАНС) с длинной (ДБ) и ультракороткой базой (УКБ), позволяющие с высокой точностью определять пространственные координаты ПТС.

Для обеспечения гидрографических работ на морских месторождениях используются такие ЭГИС как: QINSy (QPS), HYDRO (TRIMBLE), STARFIX (FUGRO), имеющие в своем составе программные средства для поддержки решения указанных задач. Применение МЛЭ при выполнении батиметрической съемки в интересах проектирования морских месторождений регламентируется правилами IMCA (International Marine Contractors Association).Для определения надводного местоположения современная электронная гидрография использует главным образом спутниковые радионавигационные системы (СРНС) второго поколения НАВСТАР и ГЛОНАСС.

Список рекомендованной литературы по главе 1

1.СП 11-114-2004. Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтепромысловых сооружений. Госстрой России. М., ПНИИИС, 2004 г., 88 с.

2.Технология промерных работ при производстве дноуглубительных работ и при контроле глубин для безопасности плавания судов в морских портах и на подходах к ним.

РД31.74.04-2002. Ростов-на-Дону, 2004.-155 С.

3.Инженерно-гидрографические работы при инженерных изысканиях для строительства,

СП-11-104-94, Часть III, 2004 г

4. IHO Standards for Hydrographic Survey. Special Publication S-44, 2008.

5.Ботавин Д.В. Составление навигационных карт на участок Верхней Волги методами ГИСкартографирования. Геодезия и картогроафия, вып.5, 2007, с.58-62

6.Изаак И.Э., Смагин Ю.В. Обследование навигационных опасностей многолучевой эхолокационной системой с помощью программного обеспечения HYPACK MAX. Труды конференции: «Современное состояние и проблемы навигации и океанографии», СПб,

ГНИНГИ, 2007, -С. 349-361

7.Фирсов Ю.Г. Современные гидрографические технологии и практическая подготовка

инженеров гидрографов в Государственной морской академии. В кн.: «Эксплуатация морского транспорта». Под ред. Емельянова. М., «Наука», 2003 г., с.47-54.

8.V.V. Suvorov. Surveying Water Areas of St.Peterburg Port. Hydro International, Post&Harbours Special, September,2005, -pp.10-11

9.Фирсов Ю.Г. Современная гидрография и морские электронные карты. “Геодезия и картография», 2006, -В.11, -С. 25-32.

9.Фирсов Ю.Г. К вопросу о нормативных документах для выполнения гидрографических работ. «Навигация и гидрография», 2007, -В.23, -С.97-107

10.Фирсов Ю.Г. Пятая редакция международного Стандарта га гидрографические съемки S-44 Международной Гидрографической Организации. Ежеквартальный сборник статей Государственной морской академии «Эксплуатация морского транспорта», СПб, 2008, 2008,

В.1(51), С.39-44

-12 -

11.Баландин В.Н., Матвеев А.Ю., Меньшиков И.В., Фирсов Ю.Г К вопросу о нормативных документах для выполнения топографической съемки шельфа и внутренних водоемов. «Геодезия и картография», Вып.5.,

12.Фирсов Ю.Г., Баландин В.Н., Матвеев А.Ю., Меньшиков И.В. Современные технологии и регламентирование съемки прибрежных акваторий. «Геодезия и картография», Вып.10.,

13.Руководство по гидрографическим съемкам корпуса военных инженеров США ЕМ 1110-2-1003 US ACE, 2001

14.QINSy Quick Start. V.7.x. QPS,2005, P.123 (русский перевод ГМА 2006)

15.Фирсов Ю.Г. Основы практического применения электронной гидрографической информационной системы QINSy». Учебное пособие. ГМА, 2008, С.189

16.Фирсов Ю.Г. Электронная гидрографическая система HyPack Max. Часть 2 «Выполнение съемки рельефа дна однолучевым эхолотом». Учебное пособие. ГМА, 2004, С.

17.Фирсов Ю.Г. Электронная гидрографическая система HyPack Max. Часть 3 «Пост-обработка съемки. Учебное пособие. ГМА, 2005, С.

18.HYPACK Quick Start. HYPACK Inc., 2006, P.98 (русский перевод)

19.HYDRO Pro. Training Course. Trainee Handouts. V.2.30. TRIMBLE, December, 2004, P.246

20.Учебный курс по HYDRO Pro. Конспект лекций. Русский перевод документации, C.237

- 13 -

Глава 2. Международная нормативная база современной гидрографии

Отличительной особенностью современной гидрографии является ее международной характер, направленный на создание различными государствами равноценных по точности и надежности морских карт. Стремительное развитие средств и методов современной гидрографии, внедрение в практику современного мореплавания морских электронных карт и геоинформационных систем Настоятельно ставят вопросы унификации требований при проведения гидрографических съемок для различных направлениях гидрографической деятельности, оценки их точности и всестороннем представлении результатов.

Разные направления гидрографической деятельности имеют разные подходы к выполнения съемок рельефа дна которые выражены в разных нормативных документах. Рассмотрению этих требований и регламентирующие их документы рассматриваются в данном разделе учебного пособия.

2.1. Стандарт на гидрографические съемки S-44 .

Международная гидрографическая организация МГО (International Hydrographic Organization-IHO) берет свое начало от Международного Гидрографического Бюро (IHB), созданного в 1921 году, с целью рассмотрения и одобрения методов проведения гидрографических съемок и издания навигационных карт. В сентябре 1970 года государствачлены IHB официально одобрили новое название: «Международная гидрографическая организация», а в качестве Международного Гидрографического Бюро оставили только название штаб-квартиры самой организации, расположенной в Монако.

Новая организация среди других задач провозгласила координацию деятельности национальных гидрографических агентств и принятие надежных и эффективных методов проведения гидрографических съемок. Для выполнения этих задач внутри МГО периодически создаются комитеты и рабочие группы для подготовки проектов стандартов и спецификаций, которые затем представляются для ратификации странам-членам организации.

«Стандарты МГО на гидрографические съемки» (IHO Standards for Hydrographic Survey) публикуется в виде специальной публикации МГО N 44 (Special Publication 44 ), более известной как документ «S-44». Первое издание стандарта было опубликовано в 1968 году с последующими переизданиями в 1982 (вторая редакция) и в 1987 (третья редакция). При этом необходимо отметить, что стандарты рассматриваются исключительно как добровольные документы, дающие общие рекомендации и определяющие минимальные требования к качеству проведения гидрографических съемок для стран-членов МГО, а также других стран, выполняющих данные работы в зонах своей ответственности. Предполагалось, что страны члены МГО на основе стандартов МГО будут разрабатывать свои национальные стандарты выполнения гидрографических съемок, учитывающие специфические особенности акваторий и исторически сложившиеся методические особенности выполнения работ.

Первые три редакции документа S-44 идеологически были во многом схожи, поскольку касались выполнения гидрографических съемок, направленных на создание морских навигационных карт. При этом масштабы съемок увязались с текущими потребностями судовождения, глубинами моря на основных судоходных трассах, а также доступных в то время средствами высокоточного определения координат при проведение гидрографических работ.

В предыдущем издании стандарта S_44 (1987 г.) основное внимание было сосредоточено на классификации точностей для гидрографических съемок, проводимых для составления морских навигационных карт. В настоящее время пришло осознание того, что пользователи гидрографических данных составляют куда более разнообразную по своему составу группу, чем представлялось ранее. В настоящее время гидрографические данные важны для организации управления прибрежными зонами, контроля за состоянием окружающей среды, эксплуатации природных ресурсов (освоения углеводородов и минеральных ресурсов), решения юридических вопросов при разграничении морских пространств и других вопросов юрисдикции, моделирования океанических и метеорологических процессов, обслуживания морских и портовых сооружений, планирования строительства в прибрежной зоне и для многих других приложений. Чтобы расширить возможность применения гидрографической информации конечным пользователям теперь требуются все более современные, подробные и надежные данные, кроме того, эти данные должны предоставляться в цифровой форме.

- 14 -

что в свою очередь приводит к невиданной ранее плотности батиметрической информации. Такие объемы данных не могут быть обработаны традиционными методами, а возможности экспорта результатов промера непосредственно в формат векторной морской электронной карты ставит под сомнение необходимость учета масштаба съемки при назначение ее точности. Взамен промерных профилей вводится площадная съемка на основе объединения полос гидроакустического освещения дна. Возможность представления данных промера в цифровой форме с одной стороны, появление и широкое распространения географических информационных систем (ГИС), с другой, а также распространение деятельности человечества на морскую среду, создали условия, когда результатами промера интересуется значительно более широкий круг специалистов, чем это было в недалеком прошлом.

Одной из особенностей распространения пространственных данных в цифровой форме является необходимость дополнения этих данных так называемыми метаданными, несущими информацию о качестве самих данных. Метаданные позволяют оценить пригодность данных промера для решения самых разнообразных задач, часто не связанных с гидрографической деятельностью.

В связи с эти в новом стандарте (редакция 4, 1998) основной упор сделан на оценку точности данных, получаемых в результате гидрографических работ, а также предоставления потенциальным пользователям метаданных, касающихся дополнительной разносторонней информации, позволяющей впоследствии использовать материалы промера для других целей.

Другим нововведением четвертой редакции является обоснование категорий гидрографической съемки (четыре категории). Однако, наиболее важным для практики является введение в четвертой редакции стандарта понятия суммарной перенесенной ошибки (Total Propagated Error=TPE). Кроме того, стандарт предписывает обеспечивать регистрацию не только результатов промера, но и оценки точности получаемых величин на уровне 95% доверительной вероятности. Стандарт ставит вопрос о том, что с помощью суммарной перенесенной ошибки (СПО) необходимо характеризовать положение глубины на дне с учетом всех составляющих ошибок, учитывая также и размер следа луча эхолота на дне (echosounder footprint).

кратко остановится на вопросе о том, что понимается под погрешностью на уровне 95% доверительной вероятности (measurement error at 95% confidence level) для планового положения и исправленной глубины. С точки зрения стандарта ошибка (error) представляет собой разницу между измеренным и исправленным значением величины и ее истинным значением.

Ошибки могут быть грубыми (blunder ), систематическими (systematic) и случайным (random). Грубые ошибки, как правило , имеют значительную величину, возникают в результате неаккуратности или недостатка опытности исполнителя работ и должны устраняться надлежащей организацией процедур контроля качества съемки. Систематические ошибки – это ошибки которые возникают от воздействия на результаты измерений какой-либо фактора, подчиняющегося определенному физическому закону. В задачу исполнителя работ входит установление этого закона или его моделирования с целью расчета поправки, компенсирующей системати-ческую ошибки. После внесения поправки, результат измерения полагается «исправленным», т.е. свободным от воздействия систематической ошибки. Очевидно, что на практике поправки рассчитываются с определенной погрешностью, которая, как правило, носит случайный характер и характеризуется средней квадратической ошибкой.

Случайные ошибки самих измерений, как правило, имеют небольшие величины, возникают в результате несовершенства измерительных приборов, подчиняются законам теории вероятностей, и могут быть как положительными, так и отрицательными.

Грубые ошибки должны быть устранены из результатов измерений в результате их надлежащей организации и контроля. Предполагается, что они отсутствуют в качественных наборах гидрографических данных. Систематические ошибки устраняются надлежащей организацией их моделирования, а также калибровкой в результате которых рассчитываются необходимые поправки, используемые для исправления выполненных измерений. Невозможность предсказания случайных ошибок приводит к тому, что остается только оценить их величину, используя какую либо меру точности. При этом в Стандартах предполагается, что гидрографические измерения подчиняются нормальному закону распределения, и следовательно, в качестве меры их точности может выступать средняя квадратическая ошибка (m) или стандарт (standard deviation) имеющая доверительную вероятность 68.3 %.

Графически, функция распределения плотности вероятностей Р случайных ошибок (probability density function), построенная в прямоугольных координатах, когда по оси абсцисс откладываются случайные ошибки (ε), имеет форму колокола. Площадь под кривой теоретически равна 1. Площадь, заключенная между ε = - m и ε=m как раз и равна 0.683 всей площади, принятой за единицу. Это показывает, что из всей совокупности случайных ошибок с наибольшей вероятностью можно ожидать, что 68.3% ошибок будет по абсолютной величине меньше стандарта m, то есть вероятность появления ошибок больших стандарта составить только 0.327. Вероятность появление ошибок по абсолютной величине больше 2 m (удвоенная среднеквадратическая) равна 0.954, таким образом, с наибольшей вероятностью можно ожидать, что только 4.6 % ошибок по абсолютной величине будет больше удвоенной среднеквадратической ошибки.

- 17 -

глубины. При этом, в отличии от прошлых редакций Стандарта полностью отказываются от зависимости между точностью гидрографических измерений и масштабом съемки. Все гидрографические съемки разделены на четыре категории в соответствии с предполагаемыми пользователямиполучаемойинформации.

В таблице 2.1, которая является сутью четвертой редакции Стандарта в сжатой форме представлены основные требований по точностным характеристикам четырех нормированных

категорий гидрографической съемки

Резюме минимальных стандартов на гидрографические съемки

(1)Для вычисления предельных погрешностей для точности глубин соответствующие значения а и b, перечисленные в Таблице , должны быть введены в формулу:

[a2 + (b х d)2] ½,

где a _ константа погрешности глубины, т.е. сумма всех постоянных погрешностей,

b х d _ погрешность, зависимая от глубины, т.е. сумма всех зависимых от глубины погрешностей,

b _ коэффициент зависимости погрешности от глубины, d _ глубина.

(2)Для целей безопасности мореплавания, для съемок Особой категории и Категории 1 может считаться достаточным использование точно определенного механического трала, чтобы

- 18 -

гарантировать минимальную безопасную глубину под килем на протяжении всего района.

(3)Значение, равное 40 м, выбрано учитывая максимальную ожидаемую осадку судов.

(4)Междугалсовое расстояние может быть увеличено, если используются процедуры

обеспечения надлежащей плотности съемки.

Специальная или нулевая категория (Special Order) – специальные наиболее опасные для судоходства акватории, где глубина под килем проходящих судов минимальна, а характеристики грунта наиболее опасны в случае касания дна. Эти района национальная гидрографическая служба, ответственнаязагидрографическоеобеспечение, определяетсамостоятельно. Какправило, глубинына такихакваторияхнедолжныпревосходить40 м. (максимально возможнаяосадкасовременных судов) Первая категория (Order 1) – для портов, подходных каналов, рекомендованных путей, прибрежных районов с интенсивным движением судов на акваториях с глубинами менее 100 м.

Вторая категория (Order 2)- акватории с глубинами менее 200 м. не охваченными категориями 1, 0 Третья категория (Order 3) - акватории с глубинами более 200 м. не охваченными категориями 2,1

и 0.

Четвертая редакция стандарта S-44 определяет для каждой их указанных категорий: точность планового положения (на уровне 95% доверительной вероятности), точности глубин (на уровне 95% доверительной вероятности), требования 100% обследования дна, способность системы съемки по обнаружению подводных объектов потенциально опасных для навигации (экзогенных и техногенных), а также максимальную подробность промера. Неопределенность измерения глубины разделена на две составляющие: постоянную и переменную (зависящую от глубины).

Квадраты постоянной и переменной составляющих объединяются под квадратным корнем Определяя неопределенность глубины в метрах в соответствии со следующей формулой:

Величины постоянной и переменной составляющих нормируются для каждой категории съемки и приведены в таблице 2.1.

Под точностью планового положения понимается точность планового положения объекта (т.е. точки глубины на дне, СНО и.т.д.) в принятой геодезической системе координат. Плановое положение глубины, навигационной опасности и других важных подводных объектов должны определяться с точностями, которые нормируются для каждой категории съемки и приведены в

должны определятся с точностями, которые нормируются для каждой категории съемки и приведены в таблице 2.2. на уровне 95% доверительной вероятности

- 19 -

Точность глубины следует понимать как точность глубины, исправленной всеми поправками. Все источника ошибок должны быть изучены, определены поправки, исключающие систематические ошибки, а точность полученных поправок должна быть учтена при получении СПО (TPE). Допустимая для данной категории съемки ошибка глубины рассчитывается по формуле (2.1) с учетом значений «a» и «b», приведенных в таблице 2.1.

Рис.2 .2. Графическоепредставлениедопустимыхточностейисправленныхглубиндля категорий: 0-:-2 в соответствии со стандартом S-44, редакция 4.

Рис.2 .3. Графическоепредставлениедопустимыхточностейплановогоположенияглубин для категорий: 0-:-2 в соответствии со стандартом S-44, редакция 4.

- 20 -

2.1.2. Пятая редакция Стандарта на гидрографические съемки S-44 (2008) .

После выхода в свет четвертая редакция Стандарта часто подвергалась обоснованной критики и дискуссия по ее толкованию и необходимости уточнению при подготовке очередной пятой редакции неоднократно обсуждалась главным образом в зарубежных публикациях.

Основные направления критики S-44 (4) сводились к следующему.

1)Несмотря на декларацию в S-44 (4) того обстоятельства, что гидрографической съемкой теперь занимается значительно более широкий круг специалистов не связанных с обеспечением безопасности мореплавания (издания морских навигационных карт), требования необходимой точности съемки для этих участников морской деятельности были фактически проигнорированы.

2)Термин СПО (TPE) не получил в S-44 (4) необходимого пояснения, что вызвало в дальнейшем его широкое неоднозначное толкование. Большинство комментариев сводилось к тому, СПО представляет собой априорную оценку точности планового и высотного положения точки глубины на дне, рассчитанного с учетом всех составляющих погрешностей и представленного на уровне 95% доверительной вероятности. При этом указывалось, что грубые погрешности измерений устранены, систематические погрешности отсутствуют, а случайные погрешности подчиняются нормальному закону распределения . О том, как поступать с систематическими погрешностями в Стандарте, не говориться. К примеру, в третьей редакции (S-44, 1987)

упоминается о необходимости выполнения контрольных галсов и утверждается, что пересечения, в которых различия глубин превосходят двойную заданную точность (например, 2* 0.3 м. для глубин менее 30 м.) – должны быть особо рассмотрены. Редакция 4 говорит только о том, что контрольные галсы необходимо выполнять, но ничего не говорит о том, что нужно делать с результатами сравнения данных в точках пересечения основных и контрольных галсов.

3)Многие нововведения Стандарта S-44 (4) были описаны в самом общем виде без необходимой детализации и комментариев. Вновь введенные термины не получили должного объяснения, а ссылки на Гидрографический словарь (S-32), изданный МГО оказались несостоятельными, поскольку необходимая терминология в нем отсутствовала.

4)По мнению ряда авторов в Стандарте S-44 (4) не удалось учесть все те преимущества, которые предоставляет современная площадная съемка рельефа дна. Использование многолучевых эхолотов (МЛЭ) было представлено в самом общем виде без конкретных рекомендаций и пояснений. В частности остались нераскрытыми такие вопросы, как ширина полосы обзора, необходимое перекрытие смежных полос обзора, совместное использование МЛЭ и гидролокатора бокового обзора (ГБО), применение авиационных лазерных батиметрических систем (LIDAR).

Вместе с тем, введение четвертой редакции Стандарта S-44 явилось значительным событием в современной электронной гидрографии. Новая концепция, связанная с введением категорий съемки и отказ от сопоставления точности планового положения глубин с масштабом планшета, несомненно, открыло новую страницу для всех направлениях гидрографической деятельности. Достаточно упомянуть, что многочисленные национальные нормативные документы, касающиеся разных сторон гидрографической деятельности, приняли эту новую концепцию . Требования по обнаружению объектов не дне стимулировали разработчиков к созданию новейших образцов акустической аппаратуры для площадной съемки и выполнению