Изучение рельефа дна акваторий геодезическими методами

Яковлев В.В.,

Annotation: In this article geodetic methods of surveying of the bottom of water areas, as well as application of these methods, are considered. The study of the bottom relief allows solving a complex of engineering tasks related to the use of water bodies.

В течение последнего десятилетия технологии гидрографической съемки рельефа дна акваторий претерпели радикальные изменения в части качества получаемых данных и возможности их объемного представления с помощью современных, точных приборов для сбора, изучения и обработки пространственных данных [1]. Такие геодезические приборы как теодолиты, лазерные сканеры в большинстве случаев применяются для съемки местности на суше. Но, в последнее время, их все чаще используют для изучения рельефа дна акваторий в следующих целях:

- укрепление береговой линии;

- проектирование инженерных коммуникаций (прокладка кабелей, строительство опор моста) по дну акватории;

- создание SD-моделей подводных элементов гидротехнических сооружений; проектирование фарватера;

- расчет объемов работ для расчистки дна;

- разработка паспорта водоема; составление карты для рыбаков;

- составление карты водоема, с целью дальнейшего его изучения;

- гидрологические и экологические исследования.

Изучением рельефа дна акваторий занимается раздел геодезии «морская геодезия». Одной из главных задач морской геодезии является определение размеров и формы земной поверхности акватории. Решение задачи становится возможным благодаря детальному изучению поверхности и структуры дна, его съемки, измерений, а также отображение поверхности на картах и планах - картографирование рельефа дна [2]. Существуют различные методы изучения рельефа дна акваторий.

В данной статье рассмотрены: - традиционная гидрографическая съемка;

- гидрографическая съемка с помощью эхолотов и картплоттеров;

- гидрографическая съемка с воздуха;

- гидрографическая съемка с помощью кинематики реального времени;

- лазерное сканирование для исследования дна акваторий.

Гидрографическая съемка.

Гидрографическая съемка во многом схожа с классическими методами геодезической съемки. Важное различие между ними состоит в том, что при гидрографической съемке физически невозможно видеть участки съемки, а также непрерывное движение поверхности воды. В свою очередь, важно учитывать океанографические изменения, движение вертикальной земной коры, астрономические приливы и метеорологические эффекты, которые влияют на поверхность воды и вызывают ее изменение.

Традиционная гидрографическая съемка.

При традиционной гидрографической съемке, как и при топографической горизонтальной съемке, прибор (теодолит, тахеометр) устанавливается на берегу, а отражатель на судне. На дно водоема ставится специальная веха (мерный щуп). Если глубина водоема не превышает 7 метров, то съемка осуществляется без помощи водолаза. При глубине водоема свыше 7 метров съемку рекомендуется выполнять с помощью водолаза, который, находясь на глубине, удерживает низ вехи, при этом длина телескопической вехи не должна превышать 12 метров. Если расстояние от судна до прибора большое, то выполнение работ производится с помощью спутниковых измерений. Традиционная гидрографическая съемка целесообразна при незначительных глубинах, когда вешка с установленной спутниковой геодезической антенной легко удерживается на воде. [3]. Использование гидрографической съемки возможно и при замерзании водоема, когда толщина льда превышает 10 см. При помощи коловорота во льду делаются лунки. Также они координируются в плане, и после этого, с них же выполняются промеры глубин.

Гидрографическая съемка с помощью эхолотов и картплоттеров.

Гидрографическая съемка при глубине свыше 12 метров выполняется с использованием профессионального картплоттера с гидрографическим эхолотом. Такая съемка является самым современным способом определения глубины. Профессиональные эхолоты выполняют промерные и гидрографические работы на глубине от 0,5 до 1000 метров. Гидрографический эхолот предусматривает использование одночастотного и двухчастотного излучателя, подключаемых к эхолоту раздельно. Средства обработки отраженных зондирующих импульсов учитывают физические свойства водной среды, обеспечивают разбиение диапазона сканирования на интервалы времени, дальности, в которых последовательно выделяют наибольшую интенсивность отражения, формируют изображение профиля дна и осциллограммы отраженного сигнала.

Гидрографическая съемка с воздуха.

Возможность фотографирования водных объектов и подводной ситуации с летательных аппаратов впервые высказал русский исследователь А. М. Кованько в 1896 г. [4]. Идея использования фотометрических свойств материалов аэрофотосъемки (аэронегативов) для определения глубин впервые была сформулирована советским ученым В. А. Фаасом еще в 30-х годах прошлого столетия и подверглась экспериментальной проверке на реке Нева [5]. В основе фотометрического способа заложен принцип использования зависимости между оптической плотностью негатива и яркостью изображаемого дна, которая, в свою очередь, зависит от глубины. Благодаря широкому использованию беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) гидрографическая аэрофотосъемка приобретает все большую популярность.

Достоинством такой аэрофотосъемки является снижение объема полевых работ при исследовании водного объекта и его береговой полосы [6].

Гидрографическая съемка с помощью кинематики реального времени (RTK).

Геодезическая система RTK используется для гидрографических съемок на суднах для горизонтального позиционирования. С помощью RTK базовая станция в известной точке передает поправки по линии передачи данных на приемник на судне. Таким образом, приемник может вычислять GPS-координаты в реальном времени с точностью до сантиметрового уровня. В дополнение к GPS-оборудованию для отображения профиля дна можно использовать лоты или измерительные рейки. Измерение глубины осуществляется неупорядоченными изменениями поверхности воды. В свою очередь, эффект качения является одним из значительных источников ошибок измерений гидрографической глубины, вызванных вертикальным движением судна для съемки, из-за волн. Измеряя вертикальное перемещение судна с применением RTK, эффект качения уменьшается от измерений глубины. Данные, полученные с помощью RTK GPS, обрабатываются на компьютере, с использованием специализированного обеспечения. Трехмерное гидрографическое отображение текущей формы дна акваторий может генерироваться в среде ArcGIS с использованием скорректированных измерений глубины и горизонтальных положений [7]. Такой метод определяет 16 высоты волн от ортометрических высот и корректирует изменения высоты волны от измерений глубины. Результаты гидрографических изысканий обрабатываются с помощью специального геодезического программного обеспечения или с применением гидрографических продуктов, а также могут рассчитываться вручную (например, промеры глубин водоемов).

Итогом съемки рельефа дна акватории является его отображение на плане, с нанесенными на нем отметками глубины в разных точках, т.е. картографирование рельефа дна. По сути это такой же топографический план в разных масштабах (от 1: 500 до 1:10 000), где вместо горизонталей рисуются изолинии.

Применение лазерного сканирования для исследования дна акваторий.

С недавнего времени в практику исследований дна акваторий используется технология, основанная на использовании лазерного сканера. Данная технология используется с применением судов или беспилотных летательных аппаратов. Принцип использования технологии аналогичен применению лазерного сканирования для наземных объектов. Сканирование поверхности дна водоема может выполняться, как правило, на глубину до 20 м при достаточной прозрачности воды. На основе облака точек строится цифровая модель рельефа дна акватории, по которой можно получить информацию о динамике изменений состояния дна, вызванных природными или техногенными воздействиями [8].

Рассмотренные в статье геодезические методы для изучения рельефа дна акваторий хорошо применимы до глубины 20-40 м. Сегодня в большинстве исследований глубинных измерений, проводимых в водной среде, используется акустический метод. Но следует учитывать, что на небольшие водные участки экономически не выгодно использовать акустический метод. Для исследования морфологии дна акваторий и дистанционного мониторинга подводных объектов существует метод гидролокации, средствами которого являются: системы бокового обзора, акустического профилирования и эхолотирования. В настоящее время актуальным является разработка отечественных методик, связанных с геодезическим контролем состояния инженерных сооружений, расположенных в шельфовой зоне и на внутренних водных объектах [9].

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ: