Конспект лекции ЭГ 2008

- 21 -

многочисленных натурных экспериментов, подтверждающих возможность соответствия Стандарту S-44 (4). Все это в конечном итоге способствовало созданию МЛЭ четвертого поколения.

Работа над новой пятой редакций Стандарта S-44 началась в 2006 году. Для формирования проекта была сформирована рабочая группа в составе 32 экспертов. В сентябре 2007 года в Финляндии было проведено очередное заседание рабочей группы и принят проект, который был разослан всем странам членам МГО с целью внесения замечаний и предложений.

Первоначально предполагалось, что новая редакция S-44 (5) должна была давать ясные указания для выполнения гидрографических работ не только для целей составления морских карт, но и обеспечения другой морской деятельности. Однако, эти надежды не оправдались. В действительности S-44 (5), по-прежнему, представляет собой Стандарт для съемок только в интересах безопасности надводного мореплавания, о чем теперь четко заявлено.

Рубрикация проекта S-44 (5) соответствует четвертой редакции. Однако, по сравнению с четвертой редакцией в проект S-44 (5) внесен ряд существенных изменений.

Основные изменения в проекте S-44 (5) сводятся к следующему.

1)Убрана 3-я категория съемки по S-44 (4), для районов с глубинами свыше 200 м.

2)Количество категорий съемки сохранено, их 4, однако, бывшая первая категория по S- 44(4) разбита на два: 1а и 1 b. Для категории «1а» предусматривается полное обследование дна, а для категории «1b» данное требование отсутствует.

3)Особая категория съемки (нулевая) в отличие от категории «1а» не связывается более

схарактеристикой донного грунта, потенциально опасного для судов в случае касания дна.

4)В дополнение к термину СПО (TPE) вводится подразделение суммарной перенесенной ошибки на плановую ( Total Horizontal Uncertainty =THU) и высотную (Total Vertical Uncertainty =TVU). При этом термин « Error » (ошибка) заменен более «модным» новым термином «Uncertainty» (неопределенность).

5)В состав пятой редакции S-44 вводится Словарь (Glossary), поясняющий используемую терминологию. В дальнейшем термины из данного словаря планируется включить в специальную публикацию МГО S-32 .

6)Введены два приложения: «A» «Руководство по контролю качества» и «B»: «Руководство

по обработке данных». В дальнейшем приложения «A» и «B» планируется включить в Учебник по гидрографии МГО - публикация М-13.

Ряд ранее использованных в S-44(4) понятий получил четкие объяснения. Упоминавшийся в S- 44(4) термин «батиметрическая модель» (bathymetry model) после долгих дебатов между членами рабочий группы в проекте S-44(5) все же сохранен. Однако, его взаимосвязь с обще известным термином: цифровая модель рельефа (DTM) не раскрыта. Зато появился новый важный термин: «Uncertainty Surface» (поверхность неопределенностей).

В таблице, которая является сутью проекта пятой редакции Стандарта S-44, в сжатой форме представлены основные требований по точностным характеристикам новых четырех категорий гидрографической съемки. При этом таблицы 1 и 2 S-44 (4) объединены в одну.

- 22 -

Комментарии к строкам 1-10 таблицы.

Строка 1: Примеры типичных районов описывают акватории к которым применяются категории съемки

- 23 -

Строка 2: Точность плановой привязки перечисляет точности, которые должны быть достигнуты для каждой из категорий съемки. Достижение указанных точностей должно быть продемонстрировано путем расчета величины «THU» (Total Horizontal Uncertainty) – суммарной горизонтальной погрешности (СГП)

Строка 3: Точность глубины, имея ввиду исправленную глубину, задает точности, которые должны быть достигнуты для каждой из категорий съемки. Параметры а и b, перечисленные в Таблице, и глубина d должны быть введены в формулу для расчета допустимой точности: [a2 + (b х d)2] ½,

где a - константа погрешности глубины, т.е. сумма всех постоянных погрешностей которые не изменяются с глубиной; b х d - погрешность, зависимая от глубины, т.е. сумма всех погрешностей зависимых от глубины; b - коэффициент зависимости погрешности от глубины; d - глубина.

Достижение допустимой точности исправленной глубины должно быть продемонстрировано путем расчета величины «TVU» (Total Vertical Uncertainty) – суммарной вертикальной погрешности (СВП)

Строка 4: Термин «Полное обследование дна » (Full Bottom Search) указывает, что было выполнено обследование (Search) всего дна в целях обнаружения большинства объектов, указанных в таблице с использованием соответствующих: системы, методики съемки и персонала. Данный термин введен в качестве признания факта, что, строго говоря, невозможно добиться «100 % акустического освещения» дна или так называемого «100% батиметрического покрытия». (Использование этих терминов не одобряется). В целях обеспечения безопасного мореплавания при выполнение съемок 0 и 1а категорий может считаться достаточным применение механического (гидрографического) траления с целью установления минимальных лимитирующих глубин.

Строка 5: Обнаружение объектов. Стандарт задает размеры объекта, которые должны быть обнаружены в процессе выполнения съемки. Необходимо отметить, что 100 % обнаружение объектов никогда не может быть гарантировано. Имеется ввиду, что когда требуется «Полное обследование дна» съемка должна выполняться с использование такой системы (включая методику и персонал), которая способна обнаруживать объекты указанного размера с уверенностью, что такие объекты будут установлены с приемлемой (reasonable) вероятностью. Величина глубины в 40 м выбрана с учетом максимальных ожидаемых размеров осадки судов. Строка 6: Междугалсовые расстояния могут быть увеличены, если используются процедуры, гарантирующие адекватную плотность глубин (см.п.3.6 S-44). Термин «Максимальное междугалсовое расстояние» следует интерпретировать следующим образом:

-междугалсовое расстояние для однолучевого эхолота (ОЛЭ);

-расстояние между краями используемых полос обзора (useable outer limits of swaths) для систем площадной съемки.

Вцелом по проекту S-44 (5) могут быть даны следующие комментарии.

2.1.2.1.Контроль качества линейных и площадных съемок.

Руководство по контролю качества при выполнении съемок с ОЛЭ и МЛЭ по сравнению с S-44 (4) существенно улучшены. В приложении «А» (Guidelines for Quality Control) даны подробные указания по контроль качества съемок с ОЛЭ, МЛЭ и эхотралам (ЭТ), но ничего не упоминается про ГБО. Для МЛЭ контроль качества предусматривается только путем анализа

- 24 -

по пересечениям полос обзора. По нашему мнению, нельзя проверять МЛЭ на точность только пересечением полос обзора, ввиду того, что внутри полосы обзора точность глубин различна. Не предусматривается одновременное использование и контроль данных ОЛЭ и вертикального луча МЛЭ при условии сопоставимости характеристики направленности луча ОЛЭ и МЛЭ и совместного размещения акустических антенн. Рекомендации по оценке точности съемок требуют дополнительной детализации. Априорная оценка точности необходима на этапе проектирования и выполнения работ. Апостериорная оценка точности, получаемая в результате статистического анализа глубин после выполнения съемки, должна являться основой для оценки качества и соответствия предписанной категорией. Целесообразно выполнять сравнение апостериорной точности с допустимой точностью глубин по заданной категории съемки с площадным анализом с целью установления факта выполнения требований заданной категории съемки. Допустимые точности для средств площадной съемки на глубинах свыше 100 м., актуальные для инженерных приложений, лучше изложены в Руководстве IMCA [9] на которое в S-44 (5) следовало бы дать ссылку.

2.1.2.2. Подтверждение категории съемки и возможные допуски.

Было бы целесообразно рассмотреть возможность введения нового критерия - возможных допусков на соответствие заданной категории. Дело в том, что на практике не все 100% отснятой площади акватории могут соответствовать заданной категории съемки. Поэтому при приемке работ не стоит быть категоричным, требуя, чтобы все 100% соответствовали бы предъявляемой категории. Надо дать возможность заказчику принимать съемку по заданной категории, когда только определенный процент общей площади съемки ей соответствует.

2.1.2.3. Требования к позиционированию.

.Несмотря на радикальный прогресс позиционирования в удаленных районах, благодаря внедрению таких систем как: C-Nav, Skyfix XP, Starfix XP, SeaStar XP VeriPos, по прежнему,

требования к определению планового положения для 2-ей категории съемки остаются очень низкие. Это сдерживает возможности трехмерном позиционировании и в частности определении геодезической высоты в вариантах, как относительного (Real Time Kinematic= RTK ), так и абсолютного позиционирования (Precise Point Positioning =PPP). Конкретные указания по использованию СРНС для определения поправок уровня при использовании RTK /PPP технологий в проекте нового Стандарта пока отсутствуют.

2.1.2.4. Цифровые моделей рельефа и батиметрические модели.

В проекте S-44 (5) оставлено понятие «Батиметрическая модель», а рассмотрение возможности использования цифровых моделей рельефа (ЦМР)= DTM (Digital Terrain Model) рабочей группой отложено. Новые гидрографические технологии, такие как CUBE (Combined Uncertainty and Bathymetric Estimator) не нашли должного отражения в пятой редакции, несмотря на то что в гидрографической службе США (NOS NOAA) данная технология принята в качестве нормативной [10]. Введение понятия «Uncertainty Surface» не проясняет ситуацию, поскольку оно никак не связывается с «батиметрической моделью».

Оценка точности глубин и координат по-прежнему рассматриваются в контексте отдельных глубин, что актуально для ОЛЭ, но во многом теряет смысл при использовании площадной съемки рельефа дна в мелком море, предполагающей очень высокую плотность данных.

В S-44 (5) целесообразно было бы рассмотреть и требования по архивации данных, собираемых для картосоставления с помощью площадных средств съемки подводного рельефа с таким

- 25 -

расчетом, чтобы их в последствии могли бы использовать и другие специалисты, связанные с морской деятельностью, работа которых предполагает необходимость получения детального микрорельефа.

2.1.2.5. Гармонизация проекта пятой редакции S-44 с другими документами МГО.

Оценка точности съемки в S-44 (5) по-прежнему, не связывается с зонами доверия (ZOC), которые обозначены в Стандарте S-57. Этот вопрос, подробно изложенный в, был рассмотрен рабочей группой, но не нашел своего разрешения в данной редакции.

Нет взаимосвязи между точностью съемки, полнотой исходной информации о рельефе, полученной в процессе съемки и соответствующим набором метаданных на основе которых другие пользователи, предъявляющие особые требования к конечному продукту съемки, могли бы использовать ее результаты в своих целях. В проекте S-44 (5) только указано, что требования к метаданным будет основываться на информации, изложена в документе S-100 (International Hydrographic Organization Special Publication No 100 «Discovery Matadata Standard»

) который должен выйти в свет в конце 2007 г.

2.1.2.6. Дистанционное зондирование донного грунта

Требования, связанные с дистанционным анализом донного грунта с использованием данных ОЛЭ, МЛЭ и ГБО, фактически остались на уровне S-44 (4). Таким образом, вопросы касающиеся дистанционного анализа грунтов в Стандартах фактически не разработаны, хотя такие технологии уже имеются и успешно используются многими фирмами по всему миру. 2.1.2.7. Гидрографические аспекты определения внешней границы континентального шельфа (ВГКШ).

В новом Стандарте S-44 (5) необходимо включить раздел, касающийся гидрографических аспектов определения ВГКШ. В техническом документе Комиссии по границам континентального шельфа Конвенции ООН по морскому праву (UNCLOS) при обосновании точности батиметрической съемки дается ссылка на S-44 (4). Вместе с тем, Стандарт S-44 не предназначался для батиметрических съемок на глубинах более 2000 м., где располагаются подножие континентального склона и изобата 2500 м. Применение точностных критериев S-44 к съемкам, выполняемым в интересах ВГКШ неминуемо ведет к необходимости использования площадных средств съемки рельефа, обесценивая тем самым имеющиеся на эти акватории батиметрические материалы прошлых лет.

2.1.2.8. Новые термины, впервые появившиеся в проекте S-44 (5).

Появились новые очень актуальные термины:

-«гарантирование качества» (quality assurance)

-«практический опыт гидрографа» (surveyors’ skills);

-«проверочные процедуры» (qualification procedures) и ряд других. Все эти термины планируется перенести в новое издание Словаря МГО - S-32 . По содержанию пятой редакции можно сделать следующие общие выводы.

1.Надежды на S-44 (5), как на документ, поясняющий минимальные требования при использовании площадных средств съемки рельефа дна для различных направлений гидрографической деятельности не оправдались. Проект пятая редакция представляет собой во многом компромиссный вариант, который, как правило, и получается, когда в рабочей группе собираются специалисты, имеющие разные подходы к решению новых проблем.

-26 -

2.Полезным и актуальным является идея о необходимости гармонизации S-44 (5) с другими документами МГО, такими как: S-57, S-100, S-32 и М-13. Идея декларирована и, будем, надеется, что со временем будет выполнена.

3.Впервые в гидрографический обиход вводится международная земная система отсчета ITRF

( International Terrestrial Reference Frame ) однозначно связанная с WGS84. При этом,

рекомендуется фиксировать нули глубин в этой геоцентрической системе координат.

4.Значительно большее внимание уделено использованию МЛЭ. Одним из свидетельств этого является то, что добавлена категория 1а с требованием полного обследования дна.

Однако, при этом не делается различия между 0 и 1 категорией с точки зрения опасности, которое дно представляет для судов (в редакции 4 «жесткое дно» - галька, скальный грунт и валуны было для нулевой категории , а для категории 1 – «мягкое дно» -песок, глина, ил).

5.Четко оговорена максимальная глубина 40 м. для особой категории съемки. Также четко оговаривается, что 100% акустическое покрытие дна для категорий 0 и 1 «а» практически недостижимо. Это имеет важно практическое значение, так как подтверждает необходимость обязательного использования наряду с новейшими акустическими средствами площадного обследования, гидрографического траления для наиболее ответственных участках акватории (порты, подходные каналы с лимитирующими глубинами и. т. п. ).

6.Взамен параметра: TPE (S44/4) вводится TPU и дополнительно два других: THU и TVU. Вместе с тем, отсутствует четкая методики определения величины THU и указаний на то, являются ли они априорными или апостериорными оценками точности.

7.В проекте S-44 (5) впервые упоминается важность следующих мероприятий: калибровки; сбор данных; проверочных процедур (qualification procedures); практического опыта гидрографа (surveyors’ skill). Данные указания признают актуальность специальной подготовки современных гидрографов в соответствии с документами МГО [14].

В целом проект пятой редакции S44 является хорошо сбалансированным документом, отражающим современный уровень развития электронной гидрографии, и он может быть принят в качестве минимального Стандарта для гидрографических съемок в интересах создания морских навигационных карт на ближайшие пять лет.

В завершение в качестве рекомендации хотелось бы высказать следующее предложение. Ввиду краткости изложения и многочисленных ссылок на другие документы МГО было бы целесообразно после официального приятия пятой редакции дополнительно подготовить «Комментарии к Стандарту S-44 (5)» в котором более детально и подробно раскрывать содержание отдельных его положений.

Введение в действие пятой редакции Стандарта S-44 является стимулом для разработки нового отечественного нормативного документа по съемке подводного рельефа в интересах безопасности мореплавания и использования природных ресурсов.

2.2 Другие стандарты гидрографической съемки.

2.2.1 Стандарт Международной ассоциации исполнителей морских работ (IMCA).

Международная ассоциация исполнителей морских работ (The International Marine Contractors Association =IMCA) в 2006 году выпустило Руководство S 003 специально предназначенной для нормирования использования ЭМЛ при проведении морских инженерных съемок,. Этот документ во многом основывается на четвертой редакции стандарта S-44. Однако

- 28 -

целей обеспечения дноуглубительных работ, пользуются нормами по точности, приводимыми в третьей главе документа EM 1110-2-1003 – это инструкции по гидрографической съемки, подготовленная корпусом морских инженеров США (US Army Corps of Engineers) кратко именуемого USACE.

На рис. 2.5. представлены графики, суммирующие минимальные точностные требования документов S-44 и EM 1110-2-1003, удобные для обсуждения вопроса определения ошибок глубин. В приведенной таблице 2.3. представлены минимальные стандарты для трех категорий гидрографической съемки в соответствии с Инструкцией USACE. Эта таблица, составленная на основе таблицы 3-1 взятой из инструкции EM 1110-2-1003, немного изменена, для того чтобы было удобнее выполнять сравнение с требованиями стандарта S-44.

Съемки, относящиеся к категории «другие съемке не для навигационных нужд» (Other Non- Navigation Surveys), выполняются в основном для целей инженерного изучения акваторий, таких как съемки: водохранилищ (reservoir surveys), прибрежных зон (beach surveys), изучение подводной части гидроузлов (hydraulic studies) и.т.д. Инструкция USACE представляет собой важный и нужный документ, для каждого гидрографа, регламентирующий проведение всех указанных видов съемок.

Графики зависимости точностей исправленных глубин (на уровне 95% доверительной вероятности) от глубины для стандартов IHO (S-44) и USACE (EM1110-2-1003) представлены на рис.2.5. В отличие от морской гидрографии корпус морских инженеров не проводит съемки на глубинах более 25 м., поэтому графики на рис.7.3 ограничены глубиной 30 м. Из рисунка 2.3. видно, что Стандарт S-44 создает плавные кривые точностей исправленных глубин, в то время, как в соответствии со стандартом EM1110-2-1003 эти кривые имеют ступенчатую форму. При сравнении минимальных требований для съемок «особой» категории (S-44) со съемками на «твердом грунте» (EM1110-2-1003) заметно, что точностные требования USACE для малых глубин более высокие (трудные).

- 29 -

Графики показывают, что требования у USACE к точности глубин на «твердом» и «мягком» грунте хорошо коррелируют с требованиями IHO для «особой» и первой категории съемок соответственно.

В настоящее время оценка априорной точности планового положения и исправленных глубин реализована в версии 2008 ЭГИС HYPACK MAX и начиная с версии 7.2. ЭГИС QINSy .

2. 3 Анализ наиболее распространенных электронной гидрографической информационной системы (ЭГИС) на предмет соответствия требованиям Международных стандартов

2.3.1. Электронная гидрографическая информационнаясистема QINSy

В электронной гидрографической информационной системы QINSy (v.7.2 и выше) реализованы четыре модуля для расчета СПО (TPE) для точек на цифровой модели поверхности (DTM). Если геодезическая высота объекта (судна) задана как «ненадежная» (unreliable) то драйвер «высотной поддержки » начнет в реальном масштабе времени рассчитывать стандартное отклонение (SD) высоты обсервации, используя все составляющие погрешности, которые определят суммарную ошибку высоты. Если в качестве «объекта» выступает судна, то величина стандартного отклонения высоты будет изменяться в зависимости от вертикального перемещения на волнении. После этого модуль уравнивания данных рассчитает полную ковариационную матрицу, включая ошибки планового положения, высоты и ошибки смещений антенны. Далее навигационный фильтр внесет дополнительный вклад от калмановской фильтрации, касающийся погрешностей синхронизации времени, а также определения путевого угла и путевой скорости. И тем самым уточнит параметры ковариационной матрицы. Затем модуль оценки точности МЛЭ (MultiBeam) использует данные

- 30 -

полученной ковариационной матрицы, взяв из нее величину СПО горизонтального и вертикального положения излучающей антенны, и сформирует собственную ковариационную матрицу положения точек срассчитанными глубинами наднесучетом точности измерений наклонных дальностей иуглов лучей. В результате для каждой точки поверхности цифровой модели дна имеем СПО планового и высотного положения, которые наиболее наглядно представляются в виде пространственного эллипса ошибок(см.рис.2.1.)

Полученные величины СПО могут быть ассоциированы с блоками данных МЛЭ в соответствии с рекомендациями стандартов IHO S-44 и IMCA, могут быть визуализированы в модуле оценок (Validator), а также использованы как весовые коды при заполнении матрицы оценок глубин дляобеспечениявозможностивизуализациикачестваработыЭМЛнаданнойакватории.

При начальной установки базы данных промера необходимо ввести реалистические априорные стандартные отклонения (величины 1-σ, с 68% доверительной вероятностью) для всех параметров, вносящихвкладвформированиеСПОточекцифровоймоделиповерхностиморскогодна.

Помимо априорных стандартных отклонений, необходимо уточнить некоторые параметры МЛЭ, такие как: ширина луча и минимальный угол управления лучем (для плоской приемной антенны). В программе для всех значений стандартных отклонений параметров используются значения, принятые по умолчанию, в случае, если оператор введет величину нуль или если будет загружена старая версия базыданных, созданнаявраннихверсияхпакетапрограммQINSy.

В пакете программ QINSy используется удобная визуализация системы площадной съемки.Величины СПО(TPE) дляследов лучейнаднерассчитывается вмодулеМЛЭ(MultiBeamer).

Визуализация СПО следа луча на дне осуществляется в окне «TPE Swath System Display» (Окно графического отображения следов лучей на дне в полосе обзора МЛЭ), изображенном на рис.2.8. Для этого в окне «Echosounder Options’» (Окно установок свойств отображения данных МЛЭ) следует задать опцию «Show Total Propagated Error». Вид графического изображения СПО (TPE) задается в окне «View Properties’». Пользователь может отметить пункты «show vertical (depth ) error» и «show horizontal (position)error» и далее задать вид графического изображения.

На рис.2.7 выбран вид отображения в виде эллипса (включена радиокнопка «show as elips») Кроме того, в окне «View Properties’» можно задать установку для отображения СПО для каждого N-го луча посылки МЛЭ, а также для каждого N-го качественного луча посылки.

В результате заданных на рис.2.6А и 2.6 Б установок окно графического отображения следов лучей на дне в полосе обзора ЭМЛ предстанет в виде, изображенном на рис.2.7.