System echosondy wielowiązkowej w pomiarach batymetrycznych planowanych tras żeglugowych

Transkrypt

1 GRZĄDZIEL Artur 1 WĄŻ Mariusz 2 System echosondy wielowiązkowej w pomiarach batymetrycznych planowanych tras żeglugowych WSTĘP W listopadzie 2005r. Morze Bałtyckie zostało uznane jako szczególnie wrażliwy obszar morski PSSA (Particularly Sensitive Sea Area). Taką decyzję podjęło ostatnie zgromadzenie Międzynarodowej Organizacji Morskiej IMO (International Maritime Organisation) w Londynie. Przyznawanie statusu PSSA ma przyczynić się do skuteczniejszej ochrony mórz, narażonych na zanieczyszczanie przez statki oraz ścieki miejskie i przemysłowe, spływające z lądów. Jednym ze sposobów ochrony mórz a także poprawy bezpieczeństwa żeglugi jest wytyczanie tras i torów wodnych. Te morskie autostrady regulują i porządkują ruch jednostek pływających podróżujących wzdłuż wybrzeży państw bałtyckich. Jednak proces ustanawiania tras żeglugowych związany jest m.in. z przeprowadzeniem szczegółowych badań hydrograficznych. Celem takich prac jest określenie aktualnej sytuacji batymetrycznej, sprawdzenie żeglowności akwenu, wykrycie i zweryfikowanie wszystkich obiektów stwarzających potencjalne niebezpieczeństwo nawigacyjne. Najbardziej efektywnym sposobem przeprowadzenia badań hydrograficznych jest obecnie wykorzystanie systemów wielowiązkowych, które zrewolucjonizowały dotychczasowe techniki pomiaru głębokości. 1 IDEA WYTYCZANIA ZALECANYCH TRAS ŻEGLUGOWYCH Morza zamknięte, takie jak Bałtyk, są najbardziej narażone na zanieczyszczenie. Największe zagrożenia na akwenach morskich to przede wszystkim rozlewy ropy naftowej z uszkodzonych tankowców, powodujące skażenie rozległych obszarów wodnych i nadbrzeżnych. Morza zanieczyszczane są również przez statki wpływające na mielizny, tonące i kotwiczące na redach. Częstym zjawiskiem jest również wyrzucanie do morza odpadów czy opróżnianie zaolejonych zbiorników balastowych. Każda katastrofa morska na Bałtyku Południowym, przy przewadze wiatrów północnych wyrządzi szkody na wybrzeżu polskim bez względu na odległość pozycji katastrofy od linii polskiego wybrzeża [7]. Od lat obserwujemy wzrost natężenia ruchu statków w rejonie Bałtyku Południowego, w tym między innymi ruchu gazowców, tankowców i kontenerowców oraz ruchu tranzytowego wzdłuż wybrzeża polskiego. Przez Bałtyk przepływa codziennie około 2 tyś. jednostek pływających. To jedno z najmniejszych mórz, przez które przechodzą najbardziej ruchliwe szlaki komunikacyjne na świecie [12]. Znaczący odsetek transportowanych ładunków to ładunki niebezpieczne, głównie ropa naftowa oraz jej produkty. Do zanieczyszczenia środowiska morskiego może dojść również w wyniku kolizji statków przewożących niebezpieczne materiały. Dlatego w interesie Polski leży kwestia uporządkowania żeglugi na polskich obszarach morskich, tak by zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa nawigacji i ochrony środowiska naturalnego. Jednym ze środków, które wpływają zasadniczo na bezpieczeństwo żeglugi morskiej jest wyznaczanie i ustanawianie zalecanych tras żeglugowych, systemów rozgraniczenia ruchu TSS (Traffic Separation Scheme) czy głębokowodnych torów wodnych [2, 6, 9]. 1 Dywizjon Zabezpieczenie Hydrograficznego MW, Gdynia; ul. Rondo Bitwy pod Oliwą. Tel: , , artola74@poczta.onet.pl 2 Instytut Nawigacji i Hydrografii Morskiej, Akademia Marynarki Wojennej, Gdynia, ul. Śmidowicza 69, Tel: , , m.waz@amw.gdynia.pl 4250

2 Od 1 grudnia 2010 r. uruchomiony został system rozgraniczenia ruchu TSS Ławica Słupska, usytuowany na południe od Ławicy Słupskiej. System odgrywa istotną rolę jako środek zapobiegający wejściom na mieliznę przez statki podróżujące w tej części Bałtyku, oraz eliminujący potencjalne ryzyko spotkania jednostek idących przeciwnymi kursami. W konsekwencji system separacji powoduje wzrost bezpieczeństwa nawigacji w obszarze i ogranicza ryzyko powstania katastrof ekologicznych ekosystemu morskiego [15]. Wyznaczanie zalecanych tras dla statków idących wzdłuż polskiego wybrzeża ma na celu rozdzielenie dwóch przeciwnych strumieni ruchu, lepsze zarządzanie przepływem w pobliżu płytkich wód oraz w bezpiecznej odległości od obszarów wrażliwych ekologicznie [8]. Planowane trasy żeglugowe wzdłuż polskiego wybrzeża przedstawia rysunek 1. Rys. 1. Planowane trasy żeglugowe wzdłuż polskiego wybrzeża 2 ECHOSONDA JEDNO I WIELOWIĄZKOWA W POMIARACH HYDROGRAFICZNYCH Głębokość akwenów morskich czy śródlądowych mierzy się zasadniczo za pomocą echosondy jednowiązkowej SBES (Singlebeam Echosounder) lub wielowiązkowej MBES (Multibeam Echosounder). Ta pierwsza, nazywana często sondą pionową, jest nadal najpowszechniej stosowanym narzędziem pomiarowym w sondażach akwenów portowych [5]. Pomiar głębokości polega na generowaniu przez przetwornik impulsów akustycznych i odbiorze sygnałów odbitych, tzw. ech. Na podstawie pomiaru czasu przejścia sygnału do dna i z powrotem do przetwornika oraz znajomości prędkości rozchodzenia się fali dźwiękowej w wodzie przeliczana jest głębokość [16]. W celu zwiększenia wydajności oraz skuteczności pomiarów stosuje się echosondy wielowiązkowe, które z jednego przetwornika emitują kilkadziesiąt lub kilkaset wiązek akustycznych w różnych kierunkach i na tychże kierunkach prowadzą nasłuch. Rozwiązanie to pozwala na przeszukanie znacznie większego obszaru w jednostce czasu w porównaniu z echosondą jednowiązkową [19]. Echosonda wielowiązkowa rejestruje dane batymetryczne w szerokim pasie dna, prostopadle do kierunku ruchu jednostki pływającej. Informacje o głębokości są zapisywane do pamięci masowych (dysk HD) i w czasie rzeczywistym prezentowane w formie obrazu 2D w odpowiednio zdefiniowanej skali kolorów [4]. Chociaż technologia wielowiązki została zapoczątkowana już w latach 50-tych XX w., to dopiero dwadzieścia lat później ( ) pojawiły się na rynku komercyjnym pierwsze modele tych urządzeń [10]. Obok sonarów bocznych i wieloimpulsowych należą do klasy tzw. szerokokątnych technik obserwacji i rozpoznawania dna morskiego [20]. W ciągu ostatnich kilku dekad echosondy wielowiązkowe osiągnęły wysoki stopień zaawansowania technologicznego a dzisiaj należą do najdokładniejszych i najbardziej efektywnych technik akustycznego badania dna [1,11,18]. 4251

3 Większość systemów echosond wielowiązkowych przeznaczonych do pomiarów na akwenach płytkowodnych wykorzystuje dwie matryce elementów piezoelektrycznych zamontowanych w jednej głowicy przetwornikowej zainstalowanej w kadłubie, opływce lub na specjalnym wysięgniku. Jedna matryca formuje akustyczny sygnał nadawczy, druga matryca kształtuje wiązki odbiorcze. W efekcie powstaje wiązka w kształcie wachlarza o szerokości kątowej pomiędzy 90 (np. Seabat 9001) a 180 (np. Fansweep 20). Częstotliwości robocze MBES mieszczą się w zakresie do 95 khz (np. EM-1000) do 455 khz (np. Seabat 9001) [13]. Niewątpliwie największym atutem echosondy wielowiązkowej jest zdolność do akwizycji olbrzymiej ilości danych podczas jednokrotnego przejścia jednostki po profilu pomiarowym. Dane te zaimplementowane przez dedykowane oprogramowanie (np. Qloud firmy QPS) pozwalają generować szczegółowe modele przestrzenne dna i obiektów podwodnych. Echosondy pionowe są w dzisiejszych czasach wciąż w użyciu. Jednocześnie obserwujemy proces powolnego zastępowania echosond pionowych systemami wielowiązkowymi. W pomiarach na akwenach płytkowodnych, echosondy MBES stopniowo przejmują rolę podstawowego środka pomiarowego stając się swoistą alternatywą dla zestawów złożonych z echosond pionowych SBES i sonarów bocznych [14]. Proces ten wynika przede wszystkim z oczywistych zalet jakimi cechują się echosondy wielowiązkowe. Najważniejsze z nich to zdolność pełnego pokrycia pomiarami, wysoka rozdzielczość, dokładność i wydajność prac [21]. Wymienione zalety wpływają na szerokie zastosowanie tych systemów w różnych dziedzinach aktywności morskiej, włączając badania szelfu kontynentalnego, sondaże na potrzeby inwestycji związanych z układaniem kabli podwodnych i rurociągów, monitorowanie powierzchni dna oraz wykrywanie obiektów podwodnych i przeszkód nawigacyjnych. 3 SPRZĘT POMIAROWY UŻYTY W BADANIACH W pracach pomiarowych wykorzystano system echosondy wielowiązkowej Kongsberg EM 3002D w konfiguracji dwóch głowic pomiarowych. Sektor kątowy wiązki promieniowania echosondy z dwoma przetwornikami wynosi 200 i może być ręcznie zmniejszany z jednoczesnym zachowaniem wszystkich wiązek w aktywnym pasie pomiarowym. Szerokość kątowa pojedynczej wiązki wynosi 1.5. Przy wykorzystaniu całego sektora kątowego promieniowania echosonda rejestruje ponad 500 pomiarów w jednym impulsie. Minimalna głębokość przeszukiwań echosondy jest mniejsza od 1 metra (poniżej poziomu montażu przetwornika), a maksymalny zakres pomiaru głębokości uzależniony jest od parametrów środowiska zewnętrznego i wynosi maksymalnie 300 metrów. Dla systemu echosondy wielowiązkowej z dwoma głowicami pomiarowymi szerokość pasa płaskiego dna objętego pomiarami może wynosić nawet 10-o krotność rzeczywistej głębokości. Elektroniczna kompensacja przechyłów wzdłużnych oraz stabilizacja przechyłów poprzecznych wpływają na poprawną pracę systemu nawet w pogorszonych warunkach pogodowych. W EM 3002D zastosowano algorytmy detekcji dna oparte na amplitudowej i fazowej metodzie przetwarzania sygnałów. Taka kombinacja zapewnia dużą dokładność pomiaru wzdłuż całego pasa pomiarowego dna. W tabeli 1 zestawiono podstawowe dane techniczne echosondy EM 3002D. Tab. 1. Dane techniczne echosondy wielowiązkowej EM 3002D [3] L.p. Parametr Wartość 1. Częstotliwość pracy 293 khz, 300 khz, 307 khz 2. Częstotliwość wysyłania impulsów 40 Hz 3. Liczba pomiarów przy jednym impulsie max Maksymalny sektor kątowy promieniowania Szerokość kątowa pojedynczej wiązki 1.5 x Stabilizacja przechyłów wzdłużnych (pitch) TAK 7. Stabilizacja przechyłów poprzecznych (roll) TAK 8. Kompensacja wahań pionowych (heave) TAK 9. Długość impulsu 150 µs 10. Rozdzielczość wgłębna (depth resolution) 1 cm 11. Typ przetwornika cylindryczny 12. Max zakres pomiaru głębokości do 300m (typowo do 200m) 4252

4 W badaniach przeprowadzonych na morzu wykorzystano również system Seapath 300 zapewniający dokładną pozycję, kurs oraz kompensację przechyłów kątowych powstających w wyniku oddziaływania czynników hydrometeorologicznych na kadłub jednostki pływającej. Seapath 300 łączy w sobie zalety technologii inercyjnej i satelitarnych sygnałów GPS. Zasadniczymi elementami systemu jest czujnik inercyjny MRU 5 (Motion Reference Unit), jednostka obliczeniowa oraz jednostka do konfiguracji i wizualizacji danych. Kombinacja danych GPS oraz danych inercyjnych daje dużo lepsze wyniki z częstotliwością wysyłania danych do 100 Hz. Seapath 300 jest odporny na zaniki sygnałów GPS, posiada dwa odbiorniki GPS do określania pozycji i prędkości. W przypadku braku danych z jednego odbiornika, drugi dostarcza danych o pozycji i prędkości a czujnik inercyjny o kursie (kierunku) na podstawie danych z jego wewnętrznych sensorów. Jednostka centralna wykonuje wszystkie krytyczne obliczenia a interfejs użytkownika prezentuje ruch jednostki pływającej w wyraźny i intuicyjny sposób. Oprogramowanie obsługiwane przez operatora umożliwia monitorowanie danych systemu, konfigurowanie i rozwiązywanie problemów. W tabeli 2 zestawiono podstawowe dane techniczne Seapath 300. Tab. 2. Dane techniczne echosondy wielowiązkowej EM 3002D [3] L.p. Parametr Wartość 1. Dokładność określania przechyłów poprzecznych 0.02 RMS dla i wzdłużnych amplitudy ± 5 2. Dokładność określania wahań pionowych 5 cm lub 5% (dane wysyłane w czasie rzeczywistym) (wyższy) 3. Dokładność określania wahań (kołysania) pionowych 2 cm lub 2% (dane wysyłane z opóźnieniem) (wyższy) 4. Okres pomiaru wahań pionowych (w czasie rzeczywistym) 1-20 sekund 5. Okres pomiaru wahań pionowych (sygnał opóźniony) 1-50 sekund 6. Dokładność określania pozycji (DGPS/DGlonass) 1.1 m (95% CEP) 7. Dokładność określania pozycji (SBAS) 1.1 m (95% CEP) 8. Dokładność określania pozycji (z poprawkami RTK) 0.20 m (95% CEP) 9. Dokładność określania prędkości 0.07 m/s (95% CEP) 10. Dokładność wskazania kierunku (dla linii bazowej 4m) 0.05 RMS 11. Częstotliwość wysyłania danych do 100 Hz Integralną częścią systemu pomiarowego jest pakiet programowy QINSy (Quality Integrated Navigation System) do przetwarzania, obróbki i wizualizacji danych hydrograficznych. QINSy jest kompleksowym systemem nawigacyjnym posiadającym cały zakres niezbędnych funkcji. Program oferuje wysoką efektywność i niezawodność w pomiarach z użyciem echosondy wielowiązkowej. Umożliwia projektowanie prac, rejestrację i obróbkę danych oraz wizualizację opracowanych wyników. Główną zaletą programu jest zdolność integracji danych pochodzących z niezależnych źródeł takich jak: sondy pionowe, wielowiązkowe, sonary boczne, sensory nawigacyjne (GPS, DGPS, żyrokompasy) i inne. System QINSy ma budowę modułową, z możliwością instalacji dodatkowych aplikacji, co radykalnie zwiększa jego funkcjonalność. 4 BADANIA NA MORZU I WYNIKI POMIARÓW Głównym celem prac pomiarowych było uzyskanie aktualnej sytuacji batymetrycznej badanych akwenów dla potrzeb kartografii morskiej i bezpieczeństwa żeglugi na planowanej trasie żeglugowej RSP-01 (rysunek 1). Przedsięwzięcia te wynikają z międzynarodowych zobowiązań państw nadbałtyckich, członków Komisji Hydrograficznej Morza Bałtyckiego BSHC (Baltic Sea Hydrographic Commission), której Polska jest członkiem. Prace realizowano w rejonie Bałtyku Południowego, w dwóch etapach: w czerwcu i wrześniu bieżącego roku. Zakres prac obejmował wykonanie sondażu za pomocą echosondy wielowiązkowej i satelitarnego systemu pozycyjnego GPS w wersji różnicowej z zachowaniem 100% pokrycia dna. 4253

5 Wymagania dotyczące dokładności pomiarów zostały ustalone w Zadaniu Technicznym i były zgodne z kategorią 1a wg. standardów zawartych w publikacji S-44, edycja 5. Głębokości zostały odniesione do pionowego układu NN55 Amsterdam. Przed przystąpieniem do prac wykonano pomiar prędkości dźwięku w wodzie wprowadzając odczyty do systemów pomiarowych. Przeprowadzono kalibrację echosondy wielowiązkowej (patch test) a poprawność jej działania oraz jakość zapisywanych danych weryfikowano za pomocą przejść kontrolnych wykonując tzw. cross check. Dane batymetryczne rejestrowane były na dyskach twardych systemu MBES. Odczyty poziomów morza uzyskano z IMGW dla portu Kołobrzeg. W pierwszym etapie prac pomiarowych zaplanowano 62 linie pomiarowe z odstępem 120 metrów, o łącznej długości 510 Mm. Wykryto dwa obiekty podwodne, które zbadano dodatkowo za pomocą sonaru holowanego KLEIN Sześciokrotnie określano rozkład prędkości dźwięku w kolumnie wody. W drugim etapie prac zaplanowano razem 66 linii pomiarowych o łącznej długości 490 Mm. Profile zaprojektowano na kursie 081o 261o. Średnia prędkość okrętu w czasie realizacji sondażu wynosiła 9-10 węzłów. W wyniku przeprowadzonych pomiarów uzyskano rozkład głębokości wyznaczonego akwenu z pokryciem 100%. Głębokość minimalna w akwenie wyniosła 59.5m, maksymalna 71m. Na podstawie uzyskanych punktów pomiarowych opracowano planszety batymetryczne z izobatami i wartościami głębokości. Jako ciekawostkę warto dodać, że pozycja jednego z znanych obiektów podwodnych była przesunięta o 871m względem pozycji naniesionej na mapie. Obiekt ma długość 17m i leży na głębokości 70.7m. Wszystkie nowe jak i istniejące obiekty zalegające na planowanej trasie żeglugowej zostały zbadane za pomocą MBES i sonaru holowanego, a wyniki prac zawarto w Charakterystykach obiektu podwodnego. Przykładowe efekty prac pomiarowych przedstawiono na rysunku 2 i 3. Rys. 2. Obiekt podwodny wykryty podczas prac pomiarowych (a, b dane z echosondy wielowiązkowej, c obraz sonarowy) Rys. 3. Wyniki pomiarów batymetrycznych planowanej trasy żeglugowej WNIOSKI Ustanawianie morskich autostrad to niewątpliwie jeden z kilku sposobów na zwiększania poziomu bezpieczeństwa w zakresie żeglugi i ochrony środowiska morskiego. Pomiary batymetryczne 4254

6 wykonywane dla potrzeb wytyczania zalecanych tras żeglugowych powinny być realizowane przy użyciu systemów zapewniających 100% pokrycie dna. Takie wymagania spełniają z pewnością echosondy wielowiązkowe, które w stosunkowo krótkim czasie umożliwiają uzyskanie jakościowej i ilościowej informacji batymetrycznej z badanego akwenu. Operator echosondy wielowiązkowej (kierownik prac pomiarowych) powinien monitorować poprawność działania MBES, zwracać uwagę na zmiany prędkości rozchodzenia się dźwięku w wodzie i reagować na wszelkie anomalie w zapisie danych batymetrycznych. Dzięki temu jakość pomiarów będzie wysoka a uzyskane wyniki sondażu zostaną wykorzystane jako wiarygodne źródło do opracowania morskich map nawigacyjnych. Streszczenie Artykuł zwraca uwagę na ideę wytyczania zalecanych tras żeglugowych przez państwa będące członkami Komisji Hydrograficznej Morza Bałtyckiego. W artykule scharakteryzowano wpływ ustanawianych torów wodnych i tras żeglugowych na bezpieczeństwo żeglugi i ochronę środowiska morskiego. Opisano technikę pomiarów głębokości za pomocą echosondy wielowiązkowej. Przedstawiono wyniki prac realizowanych w czerwcu i wrześniu 2013r na akwenie Bałtyku Południowego. Multibeam echosounder system for bathymetric survey of planned recommended shipping routes Abstract The article draws attention to the idea of establishing recommended shipping routes by the state members of the Baltic Sea Hydrographic Commission. The paper describes the importance of the fairways and shipping routes for the safety of navigation and protection of the marine environment. The technique of multibeam survey has been characterized. The article contains the results of the hydrographic survey conducted in the Southern Baltic performed in June and September 2013 by Polish Navy Survey Ship ORP Arctowski BIBLIOGRAFIA 1. Chybicki A., Algorytmy analizy i przetwarzania danych z sonarów wielowiązkowych w rozproszonych systemach GIS, Rozprawa doktorska, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2010, s Clean Seas Guide 2009 The Baltic Sea Area. Information for Mariners from the Helsinki Commission- Baltic Marine Environment Protection Commission, s EM 3002 Multibeam echo sounder, Technical specifications, Kongsberg 4. Maritime AS, Norway 5. Grządziel A., Poszukiwanie obiektów podwodnych w basenie portowym, MON, Bellona, Nr 2/2012 (669), ISSN , s Guidelines for the Planning, Execution and Management of Hydrographic Surveys in Ports and Harbours, International Federation of Surveyors (FIG), Publication No 56, ISBN , Denmark, November 2010, s.9 7. Hajduk J., Bezpieczeństwo żeglugi na akwenie Bałtyku Zachodniego, Zeszyty Naukowe nr 11(83) Akademii Morskiej w Szczecinie, ISSN , Szczecin 2006, s Hajduk J., Montewka J., Analiza tras żeglugowych gazowców LNG na Morzu Bałtyckim w aspekcie bezpieczeństwa ruchu statków, Transport XXI wieku, Politechnika Warszawska 2007, s.6 9. Hajduk J., Montewka J., Safety of vessels traffic, bound for Polish ports, Maritime University of Szczecin, Poland, s HELCOM, ensuring safe shipping in the Baltic, Baltic Marine Environment Protection Commission, 2009, s.7, dostęp r. 11. Lihong Wu,Wenhai Xu, Wenbo Wang, Survey of Seafloor Targets with Varied Sizes by Multi Beam Sonar in Different Depth Water, Applied Mechanics and Materials Vols (2013) pp , Trans Tech Publications, Switzerland 2013, 12. Maleika W., Development of a Method for the Estimation of Multibeam Echosounder Measurement Accuracy, West Pomeranian University of Technology, Szczecin, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN , R. 88 Nr 10b/2012, s

7 13. Maritime Transport in the Baltic Sea, HELCOM Stakeholder Conference on the Baltic Sea Action Plan Draft HELCOM Thematic Assessment in 2006, Helsinki, Finland, 7 March 2006, dostęp r. 14. Martínez Díaz J.V., Analysis of Multibeam Sonar Data for the Characterization of Seafloor Habitats, The University of New Brunswick, November, 1999, s Multi-Beam Echo Sounders, Hydro International, July/August 2010, s Routeing of ships, Ship reporting and related matters. Information about planned new routeing measures in the southern part of the Baltic Sea, IMO, NAV 52/INF.5, May 2006, s Sathishkuma R., Prasad Gupta T.V., Ajay Babu M., Echo Sounder for Seafloor Object Detection and Classification, Journal of Engineering, Computers & Applied Sciences, Volume 2, No.1, January 2013, ISSN No: , s Seapath 300, Precise Heading, Attitude and Positioning Sensor, Kongsberg Seatex AS, Datasheet Seapath 300, Mar 2012, dostęp Siwabessy P., Gavrilov A., Duncan A., Parnum I., Statistical analysis of high frequency multibeam backscatter data in shallow water, Proceedings of Acoustics, New Zealand, November 2006, s Stateczny A., Grodzicki P., Włodarczyk M., Badanie wpływu parametrów filtracji geodanych pozyskiwanych wielowiązkową sondą interferometryczną GeoSwath+ na wynik modelowania powierzchni dna, Rocznik Geomatyki, T.8, z.5, 2010, s Stepnowski A., Systemy akustycznego monitoring środowiska morskiego, Gdańskie Towarzystwo Naukowe, Gdańsk 2001, ISBN , s Zhongchen L., Yongting W., Xinghua Z., Yilan C., Wide application of Multi-beam, Broad field use of echo sounder systems in China, Hydro International, July/August 2010, s