Levantamento hidrográfico - Hydrographic survey

Um esboço nostálgico de 1985 de levantamento hidrográfico no Alasca .

Neptune , um navio de pesquisa de propriedade privada com sede em Chicago , Illinois .

Clintons Northern Storm no porto de Ystad, 7 de julho de 2021.

Levantamento hidrográfico é a ciência da medição e descrição das características que afetam a navegação marítima, construção marinha, dragagem , exploração de petróleo offshore / perfuração offshore de petróleo e atividades relacionadas. Forte ênfase é colocada em sondagens, linhas costeiras, marés, correntes, fundo do mar e obstruções submersas que se relacionam com as atividades mencionadas anteriormente. O termo hidrografia é usado como sinônimo para descrever a cartografia marítima , que nas etapas finais do processo hidrográfico utiliza os dados brutos coletados por meio de levantamentos hidrográficos em informações utilizáveis pelo usuário final .

A hidrografia é coletada de acordo com regras que variam dependendo da autoridade de aceitação. Tradicionalmente conduzidas por navios com linha de sondagem ou eco-sondagem , as pesquisas são cada vez mais realizadas com o auxílio de aeronaves e sofisticados sistemas de sensores eletrônicos em águas rasas.

Organizações

Hidrografia Marítima Nacional e Internacional

Os escritórios hidrográficos decorrem do património naval e encontram-se habitualmente em estruturas navais nacionais, por exemplo, o Instituto Hidrográfico de la Marina , em Espanha . A coordenação dessas organizações e a padronização dos produtos são voluntariamente unidas com o objetivo de melhorar a hidrografia e a navegação segura é realizada pela Organização Hidrográfica Internacional (IHO). A IHO publica Normas e Especificações seguidas por seus Estados Membros, bem como Memorandos de Entendimento e Acordos Cooperativos com interesses em pesquisas hidrográficas.

O produto dessa hidrografia é mais frequentemente visto em cartas náuticas publicadas pelas agências nacionais e exigidas pela Organização Marítima Internacional (IMO), a Salvaguarda da Vida Humana no Mar (SOLAS) e regulamentos nacionais a serem transportados em navios para fins de segurança. Cada vez mais, esses gráficos são fornecidos e usados em formato eletrônico de acordo com os padrões da IHO.

Levantamento hidrográfico realizado por agências não nacionais

Entidades governamentais abaixo do nível nacional conduzem ou contratam pesquisas hidrográficas para águas dentro de suas jurisdições com ativos internos e contratuais. Essas pesquisas geralmente são conduzidas por organizações nacionais ou sob sua supervisão ou de acordo com os padrões que elas aprovaram, especialmente quando o uso é para fins de elaboração e distribuição de gráficos ou dragagem de águas controladas pelo Estado.

Nos Estados Unidos, há coordenação com o National Hydrography Dataset na coleta e publicação de levantamentos. Organizações ambientais estaduais publicam dados hidrográficos relativos à sua missão.

Levantamento hidrográfico por organizações privadas

As entidades comerciais também conduzem levantamentos hidrográficos e geofísicos em grande escala , particularmente nas indústrias de dragagem, construção naval, exploração de petróleo e perfuração. Entidades industriais que instalam cabos de comunicação ou energia submarinos exigem levantamentos detalhados das rotas dos cabos antes da instalação e cada vez mais usam equipamentos de imagem acústica antes encontrados apenas em aplicações militares ao conduzir seus levantamentos. Existem empresas especializadas que possuem o equipamento e a experiência para contratar entidades comerciais e governamentais para realizar essas pesquisas.

Empresas, universidades e grupos de investimento muitas vezes financiam pesquisas hidrográficas de hidrovias públicas antes de desenvolver áreas adjacentes a essas hidrovias. As empresas de pesquisa também são contratadas para dar suporte às empresas de design e engenharia que estão sob contrato para grandes projetos públicos. Pesquisas privadas também são realizadas antes das operações de dragagem e após a conclusão dessas operações. Empresas com grandes rampas privadas, docas ou outras instalações à beira-mar têm suas instalações e o mar aberto perto de suas instalações inspecionadas regularmente, assim como as ilhas em áreas sujeitas a erosão variável, como nas Maldivas.

Levantamento hidrográfico por crowdsourcing

Crowdsourcing também está entrando na pesquisa hidrográfica, com projetos como OpenSeaMap , TeamSurv e ARGUS. Aqui, as embarcações voluntárias registram dados de posição, profundidade e tempo usando seus instrumentos de navegação padrão e, em seguida, os dados são pós-processados para contabilizar a velocidade do som, marés e outras correções. Com essa abordagem, não há necessidade de um navio de pesquisa específico ou de topógrafos profissionalmente qualificados a bordo, pois a especialidade está no processamento de dados que ocorre quando os dados são carregados para o servidor após a viagem. Além da óbvia economia de custos, isso também fornece um levantamento contínuo de uma área, mas as desvantagens são o tempo para recrutar observadores e obter uma densidade e qualidade de dados suficientemente altas. Embora às vezes com precisão de 0,1 - 0,2 m, esta abordagem não pode substituir um levantamento sistemático rigoroso, quando necessário. No entanto, os resultados costumam ser mais do que adequados para muitos requisitos em que pesquisas de alta resolução e alta precisão não são exigidas ou são inacessíveis.

Métodos

Linhas de chumbo, postes de sondagem e ecossondadores de feixe único

A história do levantamento hidrográfico data quase tão antiga quanto a da navegação . Por muitos séculos, um levantamento hidrográfico exigiu o uso de linhas de chumbo - cordas ou linhas com marcações de profundidade presas a pesos de chumbo para fazer uma extremidade afundar quando baixada sobre a lateral de um navio ou barco - e postes de sondagem, que eram postes com marcações de profundidade que podiam ser empurradas para o lado até que tocassem o fundo. Em ambos os casos, as profundidades medidas tiveram de ser lidas manualmente e registradas, assim como a posição de cada medição em relação aos pontos de referência mapeados, conforme determinado por correções de sextante de três pontos . O processo era trabalhoso e demorado e, embora cada medição de profundidade individual pudesse ser precisa, mesmo uma pesquisa completa como uma questão prática poderia incluir apenas um número limitado de medições de sondagem em relação à área sendo pesquisada, inevitavelmente deixando lacunas na cobertura entre sondagens simples.

Única viga- ecossondas e fathometers começou a entrar em serviço em 1930 que usou sonar para medir a profundidade debaixo de um vaso. Isso aumentou muito a velocidade de aquisição de dados de sondagem além do possível com linhas de chumbo e postes de sondagem, permitindo que as informações sobre as profundidades abaixo de uma embarcação sejam reunidas em uma série de linhas espaçadas a uma distância especificada. No entanto, ele compartilhava a fraqueza dos métodos anteriores, por falta de informações de profundidade para as áreas entre as faixas de fundo do mar em que o navio sondou.

Levantamento de arrasto

Em 1904, as pesquisas wire-arrastar foram introduzidos na hidrografia, ea Costa e Geodetic Pesquisa Estados Unidos 's Nicholas H. Heck desempenhou um papel proeminente no desenvolvimento e aperfeiçoamento da técnica entre 1906 e 1916. No método wire-arrasto, um fio preso a dois navios ou barcos e fixado a uma certa profundidade por um sistema de pesos e bóias era arrastado entre dois pontos. Se o fio encontrasse uma obstrução, ele se tornaria tenso e teria a forma de um "V". A localização do "V" revelou a posição das rochas submersas, destroços e outras obstruções, enquanto a profundidade em que o fio foi colocado mostrou a profundidade em que a obstrução foi encontrada. Este método revolucionou o levantamento hidrográfico, pois permitiu um levantamento mais rápido, menos trabalhoso e muito mais completo de uma área do que o uso de linhas de chumbo e postes de sondagem.

Operações de levantamento hidrográfico wire-drag (diagrama),
US Coast and Geodetic Survey , ca. 1920.
Princípio de levantamento do mar com dois barcos,
Norwegian Sea Survey, 1932.
Detalhes técnicos das ferramentas utilizadas,
Norwegian Sea Survey, 1930.

Antes do advento do sonar de varredura lateral , o levantamento de arrasto era o único método para pesquisar grandes áreas em busca de obstruções e perda de embarcações e aeronaves. Entre 1906 e 1916, Heck expandiu a capacidade dos sistemas de arrasto de arame de uma área relativamente limitada para varreduras cobrindo canais de 2 a 3 milhas náuticas (3,7 a 5,6 km; 2,3 a 3,5 mi) de largura. A técnica de arrasto de arame foi uma contribuição importante para o levantamento hidrográfico durante grande parte do resto do século XX. Tão valioso foi o levantamento de arrasto nos Estados Unidos que por décadas o US Coast and Geodetic Survey e, mais tarde, a National Oceanic and Atmospheric Administration, colocaram em campo um par de navios irmãos de design idêntico especificamente para trabalhar juntos em tais levantamentos. USC & GS Marindin e USC & GS Ogden conduziram pesquisas de arrasto de arame juntos de 1919 a 1942, USC & GS Hilgard (ASV 82) e USC & GS Wainwright (ASV 83) assumiram de 1942 a 1967, e USC & GS Rude (ASV 90) (mais tarde NOAAS Rude (S 590) ) ) e USC & GS Heck (ASV 91) (posteriormente NOAAS Heck (S 591) ) trabalharam juntos em operações de arrasto de arame a partir de 1967.

O surgimento de novas tecnologias eletrônicas - sonar de escaneamento lateral e sistemas de faixa multifeixe - nas décadas de 1950, 1960 e 1970 eventualmente tornou o sistema wire-drag obsoleto. O sonar Sidescan pode criar imagens de obstruções subaquáticas com a mesma fidelidade da fotografia aérea , enquanto os sistemas multifeixe podem gerar dados de profundidade para 100 por cento do fundo em uma área pesquisada. Essas tecnologias permitiram que uma única embarcação fizesse o que a pesquisa de arrasto exigia que duas embarcações fizessem, e as pesquisas de arrasto finalmente chegaram ao fim no início dos anos 1990. Os navios foram liberados de trabalhar juntos em pesquisas de arrasto e, na Administração Oceânica e Atmosférica dos Estados Unidos (NOAA), por exemplo, Rude e Heck operaram independentemente em seus últimos anos.

Ecossondadoras multifeixe (MBES)

Inclusão explícita de fraseologia como: "Para todas as pesquisas MBES para LINZ, a intensidade de retroespalhamento georreferenciada de alta resolução deve ser registrada e processada como uma entrega de pesquisa." em um conjunto de requisitos de pesquisa de contrato, é uma indicação clara de que a comunidade hidrográfica mais ampla está abraçando os benefícios que podem ser obtidos com o emprego da tecnologia MBES e, em particular, está aceitando como um fato que um MBES que fornece dados de retroespalhamento acústico é um valioso ferramenta do comércio.

A introdução de ecossondadoras multiespectrais multifeixe continua a trajetória de inovações tecnológicas, fornecendo à comunidade de levantamentos hidrográficos melhores ferramentas para a aquisição mais rápida de melhores dados para usos múltiplos. Uma eco-sonda multiespectral multifeixe é o culminar de muitos avanços progressivos na hidrografia desde os primeiros dias das sondagens acústicas, quando a principal preocupação sobre a força dos ecos de retorno do fundo era se, ou não, eles seriam suficientemente grandes para serem notados (detectados) . As frequências de operação das primeiras sirenes acústicas baseavam-se principalmente na capacidade dos materiais magneostritivos e piezoelétricos cujas dimensões físicas podiam ser modificadas por meio de corrente elétrica ou voltagem. Eventualmente, tornou-se aparente que, embora a frequência de operação das primeiras sirenes acústicas de feixe vertical único tivesse pouca ou nenhuma influência nas profundidades medidas quando o fundo era duro (composto principalmente de areia, seixos, pedras, pedregulhos ou rocha), havia uma dependência da frequência perceptível das profundidades medidas quando o fundo era macio (composto principalmente de lodo, lama ou suspensões floculentas). Foi observado que ecossondadores de feixe vertical único de frequência mais alta podem fornecer amplitudes de eco detectáveis de sedimentos de alta porosidade, mesmo que esses sedimentos pareçam ser acusticamente transparentes em frequências mais baixas.

No final dos anos 1960, levantamentos hidrográficos de feixe único foram conduzidos usando linhas de trilha amplamente espaçadas e as sondagens rasas (pico) nos dados de fundo foram mantidas em preferência a sondagens mais profundas no registro de sondagem. Durante o mesmo período, o sonar de varredura lateral inicial foi introduzido nas práticas operacionais de levantamento hidrográfico em águas rasas. As frequências dos primeiros sonares de varredura lateral eram uma questão de conveniência de projeto de engenharia e o aspecto mais importante dos ecos de varredura lateral não era o valor de suas amplitudes, mas sim que as amplitudes eram espacialmente variáveis. De fato, foram deduzidas informações importantes sobre a forma do fundo e os itens artificiais do fundo, com base nas regiões onde havia ausências de amplitudes de eco detectáveis (sombras) em 1979, na esperança de uma solução tecnológica para os problemas de levantamento em "Lama flutuante", o Diretor do National Ocean Survey (NOS) estabeleceu uma equipa de estudo da NOS para conduzir investigações para determinar as especificações funcionais para uma sonda de profundidade de águas rasas de substituição. O resultado do estudo foi uma classe de sondas de profundidade de feixe vertical, que ainda é amplamente utilizada. Ele fez ping simultaneamente em duas frequências acústicas, separadas por mais de 2 oitavas, fazendo medições de profundidade e amplitude de eco que eram simultâneas, tanto espacial quanto temporalmente, embora em um único ângulo vertical.

A primeira geração do MBES foi dedicada ao mapeamento do fundo do mar em águas profundas. Esses MBES pioneiros fizeram pouco ou nenhum uso explícito das amplitudes, pois seu objetivo era obter medições precisas da batimetria (representando os picos e profundidades). Além disso, suas características técnicas não facilitam a observação das variações espaciais nas amplitudes dos ecos. Posteriormente aos primeiros levantamentos batimétricos de MBES e no momento em que o sonar de varredura lateral de frequência única começou a produzir imagens de alta qualidade do fundo do mar que eram capazes de fornecer um grau de discriminação entre diferentes tipos de sedimentos, o potencial das amplitudes de eco de um MBES foi reconhecido.

Com a introdução de Marty Klein de sonar de varredura lateral de dupla frequência (nominalmente 100 kHz e 500 kHz), era evidente que retroespalhamento espacial e temporalmente coincidente de qualquer fundo do mar nessas duas frequências acústicas amplamente separadas, provavelmente forneceria duas imagens separadas e exclusivas daquele paisagem marinha. Reconhecidamente, a insonificação ao longo da trilha e os padrões de recepção do feixe eram diferentes e, devido à ausência de dados batimétricos, os ângulos rasos de retroespalhamento precisos eram desconhecidos. No entanto, os conjuntos sobrepostos de ângulos rasantes de varredura lateral nas duas frequências eram sempre os mesmos.

Após o encalhe do Queen Elizabeth 2 fora de Cape Cod , Massachusetts , em 1992, a ênfase para levantamentos de águas rasas migrou para levantamentos de cobertura total do fundo, empregando MBES com frequências operacionais crescentes para melhorar ainda mais a resolução espacial das sondagens. Dado que o sonar de varredura lateral, com sua faixa de insonificação em forma de leque transversal, explorou com sucesso a variação da faixa cruzada em amplitudes de eco, para obter imagens de alta qualidade do fundo do mar, parecia uma progressão natural que o formato de leque - O padrão de rastreamento de insonificação associado ao novo MBES monótono de alta frequência em águas rasas também pode ser explorado para imagens do fundo do mar. As imagens adquiridas nas tentativas iniciais de imagem de fundo do MBES foram menos do que estelares, mas felizmente melhorias estavam por vir.

O sonar de varredura lateral analisa os retornos de eco contínuos de um feixe de recepção que está perfeitamente alinhado com o feixe de insonificação usando o tempo após a transmissão, uma técnica que é independente da profundidade da água e do ângulo de abertura do feixe transversal do transdutor de recepção do sonar. A tentativa inicial de imagens multifeixe empregou vários feixes de recepção, que se sobrepuseram apenas parcialmente ao feixe de insonificação em forma de leque do MBES, para segmentar os retornos de eco contínuos em intervalos que dependiam da profundidade da água e do ângulo de abertura do feixe transversal do receptor. Conseqüentemente, os intervalos segmentados não eram uniformes em sua duração e tempo após a transmissão. O retroespalhamento de cada ping em cada um dos segmentos analisados por feixe foi reduzido a um único valor e atribuído às mesmas coordenadas geográficas atribuídas à sonda medida desse feixe. Em modificações subsequentes na imagem de fundo do MBES, a sequência de eco em cada um dos intervalos analisados por feixe foi designada como um fragmento. Em cada ping, cada fragmento de cada feixe foi adicionalmente analisado de acordo com o tempo após a transmissão. Cada uma das medições de amplitude de eco feitas dentro de um fragmento de um feixe específico foi atribuída a uma posição geográfica com base na interpolação linear entre as posições atribuídas às sondagens medidas, naquele ping, nos dois feixes transversais adjacentes. A modificação do snippet nas imagens MBES melhorou significativamente a qualidade das imagens, aumentando o número de medições de amplitude de eco disponíveis para serem renderizadas como um pixel na imagem e também por ter uma distribuição espacial mais uniforme dos pixels na imagem que representava um real amplitude de eco medida.

A introdução de ecossondadoras multiespectrais de feixes múltiplos deu continuidade aos avanços progressivos da hidrografia. Em particular, as eco-sondas multiespectrais multifeixe não só fornecem medições de profundidade de "olhar múltiplo" de um fundo do mar, mas também fornecem dados de retroespalhamento multiespectral que são espacialmente e temporalmente coincidentes com essas medições de profundidade. Uma eco-sonda multiespectral multifeixe calcula diretamente uma posição de origem para cada uma das amplitudes de retroespalhamento no conjunto de dados de saída. Essas posições são baseadas nas próprias medições de retroespalhamento e não por interpolação de algum outro conjunto de dados derivados. Consequentemente, as imagens multifeixe multiespectrais são mais agudas em comparação com as imagens multifeixe anteriores. A precisão inerente dos dados batimétricos de uma eco-sonda multiespectral multifeixe também é um benefício para aqueles usuários que podem estar tentando empregar a função de resposta angular de retroespalhamento acústico para discriminar entre diferentes tipos de sedimentos. As sondas multiespectrais multifeixe reforçam o fato de que a retroespalhamento espacial e temporalmente coincidente, de qualquer fundo do mar, em frequências acústicas amplamente separadas, fornece imagens separadas e exclusivas da paisagem marinha.

Levantamento moderno

Gráfico retratando navio de pesquisa hidrográfica NOAA conduzindo operações de sonar multifeixe e varredura lateral

Em áreas de águas rasas adequadas, lidar (detecção e alcance de luz) pode ser usado. O equipamento pode ser instalado em embarcações insufláveis, tais como botes , pequenas embarcações, veículos submarinos autónomos (AUVs), veículos subaquáticos não tripulados (UUVs), Veículos remoto Accionado (ROV) ou navios de grande porte, e pode incluir sidescan, um único feixe e multifeixe equipamento . Ao mesmo tempo, diferentes métodos e padrões de coleta de dados foram usados na coleta de dados hidrográficos para segurança marítima e para cartas batimétricas científicas ou de engenharia , mas cada vez mais, com o auxílio de técnicas de coleta e processamento de computador aprimorados, os dados são coletados sob um padrão e extraídos para uso específico.

Depois que os dados são coletados, eles precisam passar pelo pós-processamento. Uma grande quantidade de dados é coletada durante o levantamento hidrográfico típico, frequentemente várias sondagens por metro quadrado . Dependendo do uso final pretendido para os dados (por exemplo, cartas de navegação , Modelo Digital de Terreno , cálculo de volume para dragagem , topografia ou batimetria ) esses dados devem ser desbastados. Ele também deve ser corrigido para erros (ou seja, más sondagens) e para os efeitos das marés , ondas / elevação , nível da água e termoclinas (diferenças de temperatura da água). Normalmente, o agrimensor possui equipamento adicional de coleta de dados no local para registrar os dados necessários para a correção das sondagens. A saída final dos gráficos pode ser criada com uma combinação de software especializado em gráficos ou um pacote de design auxiliado por computador (CAD), geralmente Autocad .

Embora a precisão da pesquisa de origem coletiva raramente alcance os padrões dos métodos tradicionais, os algoritmos usados contam com uma alta densidade de dados para produzir resultados finais mais precisos do que medições simples. Uma comparação de pesquisas de crowdsourcing com pesquisas de multifeixe indica uma precisão de pesquisas de crowdsourcing de mais ou menos 0,1 a 0,2 metros (cerca de 4 a 8 polegadas).

Veja também

Referências

links externos

A NOAA mantém um enorme banco de dados de resultados de pesquisas, gráficos e dados no site da NOAA .

Languages

In other projects