ВПЛИВ ТОПОБАТИМЕТРИЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ НА ГІДРОГРАФІЮ

Салман БАШИТ, Нарцисія ПРАЙКОУП (Salman Bashit, Narcisa Pricope)

Джерело: https://www.hydro-international.com/content/article/the-impact-of-topobathymetric-technologies-in-hydrography

У прагненні розгадати таємниці, що ховаються під водними об’єктами нашої планети, топобатиметричні технології стають маяком інновацій. Серед них – лідарні* (що визначають дальність за допомогою світла) і сонарні (гідролокаційні) датчики, встановлені на безпілотних літальних апаратах (БПЛА / UASs – Unmanned Aviation Systems), які розширюють межі можливого. Пропонуючи безпрецедентну точність картографування підводних ландшафтів, ці технології революціонізують гідрографію, екологічний моніторинг довкілля і управління прибережними територіями. У цій статті розглядаються останні досягнення в галузі топобатиметричного лідара і cонара (гідролокатора), підкреслюється їхня вирішальна роль у розумінні та захисті нашого водного середовища. Ми дослідимо від витоків до майбутнього потенціалу, яким чином лідарна технологія сьогодні висвітлює глибини, як ніколи раніше.

______________________________

*Лідар (транслітерація LIDAR, англ. Light Identification, Detection and Ranging) — технологія отримання та обробки інформації про віддалені об’єкти за допомогою активних оптичних систем, що використовують явища відбиття світла і його розсіювання в прозорих і напівпрозорих середовищах. Лідар як прилад — це, як мінімум, активний далекомір оптичного діапазону.

______________________________

Сучасні технології батиметричної зйомки

Протягом багатьох років для збору батиметричних даних використовувалися численні методи. До них відносяться гідрографічні зйомки, гідролокатор корабельного/катерного базування, повітряний топобатиметричний лідар, супутникова батиметрія (SDB), модернізовані топографічні лазерні висотоміри (ATLAS), а останнім часом – батиметричні лідари і батиметричні ехолот/сонари на БПЛА. Крім того, морські судна оснащуються гідролокаційними системами з багатопроменевим ехолотом (MBES) і однопроменевим ехолотом (SBES). Помітним досягненням в акустичному картографуванні морського дна стало використання багаточастотних багатопроменевих ехолотів, що дозволяє одночасно збирати дані про дно моря, озера чи річки на різних частотах в рамках одного дослідження. Ця технологічна можливість значно підвищує точність і ретельність отримання характеристик підводного рельєфу, особливо в глибоководних водоймах.

Крім того, для збору батиметричних даних використовуються автономні підводні апарати (АПА / AUV), підводні апарати з дистанційним управлінням (АДУ / ROV) і безпілотні надводні апарати (БНА / USV). Сонарні технології найкраще підходять для глибоководних зйомок завдяки своїй здатності добре проникати у воду і збирати детальні дані. Проте варіанти надійних і доступних технологій на мілководді обмежені. І от якраз новітні технології, такі як БПЛА-лідар і БПЛА-гідролокатор, заповнюють цю прогалину, пропонуючи багатообіцяючі можливості для збору даних на «мілкій воді».

Рисунок 1: Лідарний датчик зеленого діапазону, встановлений на БПЛА. (Фото та ілюстрація авторів)

Переваги та недоліки технологій

Різні технології збору батиметричних даних мають свої переваги і недоліки. Ручна гідрографічна зйомка, хоч і вирізняється точністю, але є трудомісткою і схильною до людських помилок, що ускладнює ефективне охоплення великих територій. Корабельний або човновий гідролокатор, що ідеально підходить для великих зйомок, стикається з обмеженнями на мілководді, потребує чималих витрат та спеціальної підготовки. Повітряний топобатиметричний лідар дозволяє швидко збирати дані, але для ефективності зйомки дня вимагає чистої води, а також має обмежену доступність та вартість, особливо при обстеженні прибережних територій. Супутникова батиметрія (SDB) забезпечує ширше просторове покриття і здебільшого підходить для прибережних вод, але має меншу точність визначення глибин, ніж MBES і SBES, і сильно залежить від алгоритмів прогнозування. Батиметричне картування прибережних вод за допомогою супутника ICESat-2, виконане ATLAS, показало майже однократне відображення та картування однієї глибини Секкі** до 38 метрів, що підкреслює його потенціал у батиметричних зйомках1. Однак ця технологія потребує вдосконалення можливостей геолокації даних.

_________________________________________

**Диск Се́ккі — прилад для виміру прозорості води у водоймах. Являє собою білий або чорно-білий диск діаметром 20–30, іноді 40 см, що на тросі опускають плазом у воду й зауважують глибину, на якій він перестає бути видимим. Ця глибина, виражена в метрах («глибина Секкі»), приймається за міру прозорості води. Названий за іменем італійського астронома та священника Анжело Секкі (італ. Angelo Secchi), який таким методом вимірював у 1865 році прозорість морської води. Для точнішого визначення записують два відліки: глибину зникнення і глибину появи диска знову під час підняття троса. Середня величина цих значень приймається за відносну прозорість води в цьому районі.

___________________________________________

Завдяки своїм автономним робочим можливостям АПА ідеально підходять для дослідження складних середовищ, таких як глибоководні гідротермальні джерела або ділянки під полярними льодовими щитами. Вони заповнюють критичну прогалину в просторовій роздільній здатності у систем, які потребують суден з багатопроменевими ехолотами і гідролокаторами бокового огляду, і у систем, встановлених на АДУ, розширюючи загальні можливості збору даних. Глибоководні АПА, що здатні занурюватися на глибину до 6000 метрів, відіграють ключову роль у наукових дослідженнях, забезпечуючи неперевершену просторову роздільну здатність і точність навігації поблизу океанського дна, перевершуючи традиційне надводне або буксироване обладнання для зйомки, таке як гідролокатори бокового огляду2 і камери. Хоч АП або ДУА й забезпечують збір даних у реальному часі, вони дорогі і складні в експлуатації.

Зображення 2: Збір даних за допомогою гідролокатора на БПЛА (UAS) з ехолотом SPH Engineering на внутрішньому прибережному водному шляху, Вілмінгтон, штат Північна Кароліна, США (фото авторів).

Досягнення в технологіях лідара зеленого діапазону і ехолота на БПЛА (UAS) значно розширюють можливості мілководної батиметричної зйомки. При використанні технологій безпілотників лідар зеленого діапазону пропонує ефективний і економічно вигідний засіб для картографування підводних ландшафтів, хоча його ефективність залежить від прозорості води і глибини проникнення, які все ще оптимізуються. З іншого боку, ехолот для БПЛА, який знаходиться в стадії розробки, обіцяє влаштувати революцію у зборі підводних даних завдяки своїй легкій конструкції і чудовій здатності проникати у воду, що потенційно перевершує можливості лідару зеленого діапазону на літальних аеробезпілотниках.

Багато країн, університетів, урядів і неурядових організацій беруть активну участь у батиметричних дослідженнях, як показано на Рисунку 3, де на основі систематичного огляду літератури виділено країни, в яких публікується найбільше матеріалів та звітів про батиметричні дослідження3.

Сучасний стан технологій батиметричної зйомки за допомогою БПЛА

CZMIL (Coastal Zone Mapping and Imaging Lidar) – це комплексний програмно-апаратний комплекс для отримання лідарних зображень, який відповідає технічним вимогам Національної програми картографування прибережної зони (NCMP) USACE у США. Експерименти з його застосуванням демонструють можливості однієї авіаційної системи, оснащеної топобатиметричним лідарним сенсором, цифровою камерою і гіперспектральним візуалізатором3. Результати показують, що система точно вимірює глибини 7–8 м у каламутній воді і до 41 м у прозорій воді. CZMIL посідає провідні місця на ринку лідарних систем зеленого діапазону. Однак інтеграція CZMIL з безпілотними системами стикається з певними проблемами через вагу платформи.

Попри це, спостерігається чіткий рух до того, щоб зробити лідарну технологію зеленого діапазону більш компактною для застосування в крилатих БПЛА і дронах. Деякі яскраві приклади цього – системи Mapper4000U, батиметричний лідар TDOT GREEN, VQ-840-G з фотонним підрахунком, лідар ASTRALiTe EDGE і нещодавно випущений датчик Navigator Lidar від компанії YellowScan. Лідар зеленого діапазону відрізняється здатністю збирати топобатиметричні дані за одне сканування, уникаючи необхідності окремої інтеграції даних. Якість води має великий вплив на БПЛА-лідар зеленого діапазону, а властивості води (каламутність і прозорість) суттєво впливають на те, наскільки добре працює цей метод. Примітно, що більшість систем топобатиметричних лідарів на БПЛА досі не були здатні «опанувати» товщу води глибше 5–10 м.

Рисунок 3: Країни світу за кількістю публікацій з батиметрії. На схемі показано, що США мають найвищщий показник серед дев’яти країн-лідерів. Чим більше коло, тим більшу кількість публікацій воно позначає.

Новою технологією, що перебуває в стадії розроблення, є сонар/ехолокаційна система на БПЛА. Наприклад, Університет Флориди створив інноваційну безпілотну систему для підводного картографування на базі безпілотника під назвою Bathydrone. Ця система містить в собі дрон, пов’язаний з невеликим судном, оснащеним складним гідролокатором, що здатний виконувати функції нижнього сканування в нижньому напрямку, бічного сканування і чирпу***. Він реєструє дані гідролокатора з прив’язкою до GPS в режимі реального часу, покращуючи можливості підводної розвідки та картографування. Зважаючи на те, що це легкий надводний апарат, йому важко працювати в умовах глибоководних хвиль.

_______________________________________________

***CHIRP розшифровується як Compressed High-Intensity Radiated Pulse («стислий високо-інтенсивний випромінюваний сигнал»), що частіше називають біль стисло:  лінійна частотна модуляція (ЛЧМ). Застосовується в радіо- та ехолокації як спосіб формування та обробки зондуючого імпульсу. Застосування CHIRP-сигналу дає змогу підвищити точність вимірювань і ясність в отриманні зображення і характеристик об’єкта, який зондують. Технологію було розроблено ще в 1950-ті роки для поліпшення роботи радарів, а згодом її доопрацювали і для сонарів.

__________________________________________________

Компанія SPH Engineering розробляє технологію, яка інтегрує ехолот з комерційними БПЛА. Ехолот для БПЛА, розроблений SPH Engineering, отримав визнання за високу якість даних, які він отимує та обробляє. Однак, він все ще потребує значних досліджень, розробок та оцінки точності. Порівняно з БПЛА-лідаром зеленого діапазону, ця технологія може похвалитися кращими можливостями проникнення у воду, що надає значну перевагу в підводній розвідці та картографуванні.

Нарцисія Прайкоуп і Салман Башит3 провели систематичний огляд сотень статей і дійшли висновку, що у сфері технологій топобатиметричної зйомки лідирують повітряні методи з показником використання 45%, тоді як радар використовується найменше – лише 1%. На дрони та БПЛА усих типів припадає 9%, що підкреслює зростаюче значення безпілотних літальних апаратів у цій галузі. Крім того, категорія «Інші» охоплює 18%, що свідчить про різноманітність інноваційних та гібридних підходів, які виходять за рамки основних технологій, та демонструє різноманітність методів зйомки.

Рисунок 4: Розподіл топобатиметричних технологій на основі огляду літератури (див. Pricope and Bashit, 2023).

Майбутнє топобатиметричного картографування

Застосування на безпілотних літальних апаратах ехолотів і лідарів знаменує собою значний стрибок у зборі батиметричних даних, пропонуючи безпрецедентну гнучкість і ефективність. Ці технології дозволяють монтувати на БПЛА компактні, але потужні датчики для швидкого і точного картографування підводного рельєфа, що створює економічно ефективну альтернативу традиційним методам зйомки. Крім того, дрони та інші БПЛА полегшують доступ до складних або небезпечних районів і ділянок, додаючи швидкості у збиранні даних, підвищуючи доступність і безпеку у водному середовищі. Важливо, що функція передавання даних у реальному часі підкреслює їхню цінність для сучасних батиметричних додатків, наголошуючи на критично важливій ролі міждисциплінарної співпраці та обміну даними у розвитку топобатиметричного картографування.

Висновок

Дослідження важливої ролі батиметричних даних у забезпеченні безпеки мореплавства та захисті інфраструктури від повеней привернуло увагу до нещодавніх досягнень у технологіях лідарів зеленого діапазону та ехолотів, що застосовуються на БПЛА. Ми висвітлюємо як переваги, так і виклики сучасних методів батиметричної зйомки, підкреслюючи прогрес і тенденції мініатюризації таких інструментів, як CZMIL. Дослідники з усього світу, що працюють у цій галузі, передбачають значне трансформаційне майбутнє для гідрографічних технологій, що базуються на використанні БПЛА і дають усі підтави, аби переглянути усе підводне картографування та досягти при цьому безпрецедентної ефективності і точності. Ця еволюція обіцяє нову еру підвищення безпеки на морі і швидкого, точного картографування місцевості, провіщаючи значний прогресу царині гідрологічних застосувань, програмних додатків  і досліджень.

Посилання на джерела:

1Parrish, C. E.; Magruder, L. A.; Neuenschwander, A. L.; Forfinski-Sarkozi, N.; Alonzo, M.; Jasinski, M. Validation of ICESat-2 ATLAS Bathymetry and Analysis of ATLAS’s Bathymetric Mapping Performance. Remote sensing. 2019, 11 (14), 1634.

2Murton, B. J.; Rouse, I. P.; Millard, N. W.; Flewellen, C. G. Multisensor, deep‐towed instrument explores ocean floor. Eos, Transactions American Geophysical Union 1992, 73 (20), 225-228.

3Pricope, N. G.; Bashit, M. S. Emerging trends in topobathymetric LiDAR technology and mapping. International Journal of Remote Sensing 2023, 44 (24), 7706-7731.

ПРО АВТОРІВ

Салман Башит, випускник факультету містобудування Університету Хулни в Бангладеш, наразі продовжує навчання в галузі геонаук в Університеті штату Міссісіпі. Його академічний та професійний шлях позначений глибоким інтересом до геологічних наук, зі спеціалізацією на технологіях дистанційного зондування, таких як лідар та БПЛА-сонар. Завдяки своїй роботі Салман розвинув потужний набір навичок у сфері ГІС та дистанційного зондування, беручи участь у проектах, які вимагають складного просторового аналізу та створення змістовних візуальних результатів. Його всебічний досвід дає йому унікальну можливість робити цінний внесок у міждисциплінарні проєкти на стику геонаук, дистанційного зондування та міського планування.

Нарцисія Прайкоуп є заступником віце-президента з досліджень в Управлінні досліджень та економічного розвитку Університету штату Міссісіпі (США) та професором на кафедрі наук про Землю. До приходу в університет д-р Прайкоуп була засновником і директором Програми геопросторової розвідки Університету Північної Кароліни у Вілмінгтоні (UNCW), Ініціативи колегіального навчання FAA та Прибережної обсерваторії UAS, що фінансується Національним науковим фондом; ініціативи, спрямованіої на підготовку наступного покоління геопросторових науковців через проведення найсучасніших наукових досліджень. Стогодні вона зосереджена на розробці та керівництві стратегічними ініціативами, спрямованими на створення та підвищення кліматичної стійкості, розвиток геопросторового інтелекту та програмування GeoAI, а також на підтримку викладачів, студентів та співробітників у досягненні їхніх дослідницьких цілей та реалізації потенціалу.

Переклад Едуарда Слабких