CC BY
345
УДК 528.47 Ю.Г. Фирсов
ВНИИОкеангеология, Санкт-Петербург
ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА ДНА И АНАЛИЗ БАТИМЕТРИЧЕСКИХ ПРОФИЛЕЙ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВНЕШНЕЙ ГРАНИЦЫ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА РОССИИ В АРКТИКЕ
Приводятся краткие результаты батиметрических работ России, выполненных в 2010 г., для обоснования внешней границы континентального шельфа в Арктике в соответствии с требованиями Статьи 76 Конвенции ООН по морскому праву 1982. Рассматривается опыт применения морских информационных технологий для выполнения, обработки и представления цифровых моделей дна (SIS, CARIS HIPS&SIPS, Fledermause), использованных в российской экспедиции «Шельф 2010» на научно-экспедиционном судне «Академик Федоров», участником которой являлся автор.
Анализируется качество съемки подводного рельефа, полученного с использованием многолучевого эхолота ЕМ 122 фирмы «Kongsberg». Приводятся результаты определения положения точек подножия континентального склона, на батиметрических профилях, полученных на основе цифровых моделей рельефа с применением специализированной программы GeoCAP.
Формирование линии подножия континентального склона и формульной линии Хедберга необходимо для выполнения в 2011 г. сейсмических работ, направленных на получение формульной линии Г ардинера.
Yu.G. Firsov
Russian research Institute of Geology and Mineral Resources of World Ocean, St Petersburg
DIGITAL MODELS OF THE OCEAN BOTTOM RELIEFAND ANALYSIS OF BATHYMETRIC PROFILES FOR RUSSIAN OUTER CONTINENTAL SHELF BOUNDARY FORMATION IN ARCTICS
The results of Russian activity in 2010 for conducting the bathymetric investigation in the Arctic Ocean, necessary for delineation of the outer limits of the continental shelf according with Article 76 of the UNCLOS are analyzed.
The functional features of the available marine information technologies suitable for conducting, processing and delivering the sea bottom digital terrain model are analyzed. The practice of using SIS, CARIS HIPS&SIPS hydrographic package, Fledermause 3D visualization package is discussed on the basis of the experience gained by the author during Russian cruise «SHELF-2010» on board the scientific expedition vessel “Academic Fedorov”. The bathymetric survey quality control and
methodology for bathymetric profile analysis are discussed. Methods for using special mapping and modeling software GeoCAP for implementation of the foot of slope determination and Hedberg Formula Line are also covered. The foot of slope line and Hedberg Formula line are necessary for the seismic reflection survey project 2011 that can provide information for the Gardiner Formula Line.
Актуальной задачей для России является юридическое закрепление границы расширенного континентального шельфа в Арктике за пределами исключительной экономической зоны на основе положений Конвенции ООН по морскому праву 1982 г. В соответствии со Статьей 76 внешняя граница континентального шельфа (ВГКШ) определяется на основе двух формульных и двух ограничительных линий [1, 2].
Имеющаяся в РФ батиметрическая база данных, основанная на материалах, полученных в 60-80 гг. прошлого века, по точности и полноте не отвечает требованиям технического документа Комиссии ООН по границам континентального шельфа. Первое российское представление на расширенный континентальный шельф в Арктике (2001 г.) было отклонено по причине отсутствия первичных материалов батиметрической съемки.
Вопрос о необходимости выполнения современной батиметрической съемки СЛО, как базы для нового (пересмотренного) представления РФ, был впервые поставлен в работе [3] и явился предметом длительной дискуссии [4].
Только конце 2009 г. Правительством РФ было принято решение о проведении экспедиционных работ в СЛО в 2010-2011 гг. с целью выполнения кондиционной батиметрической съемки по Стандарту S-44 Международной Гидрографической организации (МГО) на основе современных технологий и с использованием глубоководного многолучевого эхолота (ГМЛЭ). Анализ ГМЛЭ с ледовой защитой антенн и рекомендации по его выбору содержатся в работе [5]. Зарубежный опыт использования ГМЛЭ для выполнения батиметрической съемки в СЛО проанализирован в работе [6].
ГМЛЭ ЕМ 122 фирмы «Kongsberg», установленный на научно -экспедиционном судне (НЭС) «Академик Федоров» в июне 2010 г., имеет характеристики направленности излучающей антенны в диаметральной плоскости: 1° и приемной антенны в плоскости миделя: 2°.
В состав периферийной аппаратуры, образующей комплекс ГМЛЭ на НЭС «Академик Федоров», входит интегрированная спутниковая инерциальная аппаратура «SeaPath 330» («НАВСТАР»\«ГЛОНАСС»), обеспечивающая выдачу планового положения с точностью 1-2 м, курса судна с точностью 0.07°, углов крена и дифферента с точностью 0.02°.
В современной гидрографии существенную роль играют компьютерные информационные технологии. Такие технологии обеспечивают возможность эффективного применения новейших технических средств: ГМЛЭ, фазовой спутниковой навигационной аппаратуры и датчиков пространственной ориентации, а также гарантируют качество на всех этапах съемки, начиная с подготовки проекта и заканчивая пост-обработкой результатов батиметрической съемки и представления ее конечных результатов.
Набор технологий, необходимых для съемки рельефа дна с использованием ГМЛЭ ЕМ 122, обоснованный в работах [7, 8], включает: пакет программ SIS (Seabed Information System) для управления съемкой в реальном времени; пакет для пост-обработки данных многолучевой съемки и построение цифровой модели рельефа: CARIS HIPS; программы представления цифровых моделей рельефа на основе трехмерной визуализации: Fledermause PRO; пакет программ для анализа батиметрических профилей, полученных с использованием цифровых моделей рельефа, для формирования линии подножия континентального склона (ПКС) и формульных линий: GeoCAP.
На этапе подготовки к рейсу были разработаны технологические схемы обработки данных съемки рельефа, используемые в указанных компьютерных информационных технологиях. Такие схемы предполагают преобразование информации, получаемой в процессе съемки, с учетом априорных погрешностей измерений в цифровую модель рельефа (ЦРМ), в которой глубины оцениваются апостериорными погрешностями, получаемыми на основе строгих методов статистической обработки.
При создании гидрографических технологий большое внимание уделяется контролю качества. Существенным вкладом в создание таких технологических схем явилась модель допустимых априорных погрешностей глубин, реализованная в Стандарте S-44 МГО [11]. Для контроля качества создается модель априорных погрешностей глубин и их координат на основе суммарных перенесенных погрешностей, рассчитываемых для данного комплекса технических средств, используемых для съемки рельефа.
Наиболее сложная модель априорных погрешностей глубин и их координат формируется для площадной съемки с ГМЛЭ. Известны несколько вариантов моделей априорных погрешностей глубин и их координат, применяемых в гидрографических пакетах, для преобразования в «перенесенную» погрешность. Для расчета априорной точности глубины необходимо учитывать определенный набор составляющих средних квадратических погрешностей (СКП). Эти вопросы детально рассмотрены в работе [7].
Следующим этапом технологической схемы является создание и оценка качества ЦМР, получаемой на основе отдельных глубин, рассчитанных ГМЛЭ, которые в дальнейшем будем именовать «отметками глубин». Это может быть эффективно реализовано на основе технологии CUBE (Combined Uncertainty Bathymetry Estimator) [7]. Создание и внедрение технологии CUBE явилось одним из последних достижений в области цифрового моделирования рельефа морского дна, на основе применения средств площадной съемки. Технология обеспечивает возможность получения статистически обоснованной ЦМР, автоматическую фильтрацию (устранение) сбойных (грубо-ошибочных) измерений, гарантируя их «надежность», позволяет получить апостериорную оценку точности глубин и их координат в узлах регулярной сетки («грида»). Это особенно актуально при использовании средств площадной съемки рельефа, поскольку позволяет радикально сократить время пост-обработки данных многолучевого промера. Одним из главных достоинств алгоритма CUBE является возможность получения модели ошибок промера в виде значений
плановой и высотной апостериорной погрешности каждой отметки глубины. В результате для каждого узла регулярной сетки рассчитывается оценка глубины. Кроме оценки глубины в каждой узловой точке «грида» CUBE хранится еще ряд атрибутов, которые также могут быть визуализированы в виде поверхностей, например, погрешности оценки глубины с доверительной вероятностью 95 %.
Одной из важных особенностей технологии CUBE является обеспечение высокого уровня автоматизации с целью ускорения пост-обработки данных многолучевой батиметрии.
При проведении батиметрической съемки в интересах ВГКШ существенное значение имеют требования, чтобы батиметрические данные обрабатывались и представлялись с использованием признанного программного обеспечения, с применением апробированных методик. Первичные данные и окончательные материалы должны быть в электронном виде, что обеспечивает возможность быстрой и эффективной проверки всех вычислений и построений. Основой такой «сквозной» технологии является методология CUBE, позволяющая быстро переходить от колоссальных объемов первичных данных площадной съемки к ЦМР на основе статистически обоснованного «грида» и обеспечивать оценку качества результатов. Такой «грид», кроме самих оценок глубин, содержит апостериорную оценку точности глубин в узлах регулярной сетки.
Опыт пост-обработки результатов батиметрической съемки в условиях ледового плавания с использованием пакета CARIS HIPS свидетельствует, что автоматические фильтры не дают окончательного положительного результата. Необходимым элементом пост-обработки является ручная фильтрация данных. Представление результатов батиметрической съемки производилось в среде трехмерной графики пакета Fledermause PRO, обеспечивающего возможность эффективной работы с большими объемами данных о рельефе, представленными в виде «гридов», без потери подробности при их визуализации. При этом была использована схема обработки, приведенная в работе [8].
Батиметрическая съемка в значимой для ВГКШ зоне СЛО выполнялась на НЭС «Академик Федоров» с 3 августа по 7 октября под проводкой атомного ледокола (АЛ) «Ямал». Съемка выполнялась на основе методики, основные положения которой приведены в работе [9]. Галсы многолучевой съемки обрабатывались с использованием пакета «CARIS HIPS/SIPS». Каждый батиметрический профиль сопровождался файлами: грида глубин и
стандартных отклонений глубин внутри ячейки грида, рассчитанных по технологии CUBE. Стандартные отклонения глубин на выполненных профилях находились в допусках, предусмотренных для 2-ой категории съемки Стандарта МГО S44 [11]. Каждая полоса сопровождалась файлом оценки качества, подтверждающим этот факт. Контроль качества съемки по каждой полосе обзора выполнялся оперативно.
Вместе с тем объективную апостериорную точность выполненной батиметрической съемки могут дать только результаты расчетов по
пересечениям полос обзора, реализованные в пакете программ CARIS HIPS/SIPS. Всего за рейс выполнено 24 пересечения основной полосы обзора контрольной полосой. По результатам обработки средняя величина средней квадратической погрешности глубины по 24 пересечениям составила: 0.22% глубины. Погрешность определения глубины 2500 м составила: 2500*0.22%= 5.5 м (68%) или 10.8м (95%) Допустимая погрешность определения глубины 2500 м в соответствии со Стандартом [11] составляет 57.5 м (95%). Таким образом, выполненная батиметрическая съемка полностью отвечает требованиям Стандарта МГО.
Вопросы контроля качества съемки подробно изложены в работе [10].
Полученная цифровая база данных съемки может быть легко верифицирована и наглядно представлена в пакете «Fledermause» [10].
Получение ЦМР, на основе обработки многолучевого промера не является окончательным результатом работ, выполняемых для обоснования ВГКШ. Таким результатом является анализ батиметрического профиля (БП) в пакете GEOCAP.
Пакет программ GEOCAP норвежской фирмы «GEOCAP AS» создан для моделирования поверхностных структур и содержит специальный модуль «GEOCAP UNCLOS» для установления ВГКШ по статье 76 Конвенции. Этот программный продукт охватывает все аспекты, связанные с исследованиями для подготовки Представлений, и широко используется многими государствами, подавшими свои заявки в Комиссию ООН по границам континентального шельфа. Существенным преимуществом пакета программ GEOCAP является возможность отображения информации в режиме 3D, а также реализация различных методов анализа БП.
В пакете программ GEOCAP предусматривается два варианта подготовки БП для его последующего анализа: непосредственная загрузка профиля, полученного с использованием однолучевого эхолота, а также создание профиля на основе использования ЦМР. Второй вариант, как правило, применяется в случае, когда батиметрическая съемка выполнялась с использованием ГМЛЭ, и имеет то преимущество, что в получаемой полосе обзора, представленной в виде регулярной сетки («грида»), батиметрический профиль может быть проведен по выбору пользователя.
При формировании БП с использованием пакета программ GEOCAP применялась следующая методика.
1. В результате пост-обработки первичных данных ГМЛЭ в пакете программ «CARIS HIPS» по технологии «CUBE» формировался «грид» с размерностью 100м в географических координатах.
2. Результат обработки полосы обзора каждого профиля представлялся в виде двух файлов: «грида» глубин в географических координатах и «грида» стандартных отклонений глубин в ячейках регулярной сетки (STD).
3. Грид по полосе обзора каждого профиля незамедлительно загружался в пакет программ «Fledermause Pro» для его трехмерной визуализации на фоне «грида» батиметрической модели IBCAO v.2 в целях контроля качества.
4. Гриды, созданные по технологии «CUBE», являются гридами-матрицами. Методология их создания удобна для контроля качества батиметрической
съемки, но дальнейшее их использование для генерирования БП и его анализа представляется нецелесообразным. Удобнее иметь дело с «гридом-сеткой» -непрерывной поверхностью, полученной путем интерполяции. Для подготовки такой «гладкой» ЦМР использовался пакет программ GEOCAP. При импорте грид рассматривался как неструктурированный набор точек. Далее осуществлялось его «гридирование» с использованием технологии «sufrit».
5. По завершении «гридирования» осуществлялась операция формирования БП в пределах полосы обзора, представленной в виде непрерывной поверхности. При этом пользователь, ранее уже познакомившийся с особенностями рельефа путем просмотра полосы в программе «Fledermause Pro», имел возможность выбрать такое положением БП, которое наиболее выгодно с точки зрения максимального «мористого» выдвижения точки подножия континентального склона (ПКС).
Представление грида в полосе обзора, модели БП и точки ПКС на экране пакета программ «GeoCAP» показано на рис. 1.
Рис. 1. Представление грида, модели батиметрического профиля и точки ПКС
в пакете программ «GeoCAP»
6. После нанесения на «грид» полосы обзора БП начинается этап выполнения его анализа с использованием набора процедур, предусмотренных в пакете программ GeoCAP, с целью обоснованного определения положения ПКС.
В качестве иллюстрации процедура анализа БП в пакете программ «GeoCAP» представлена на рис. 2.
Рис. 2. Процедура анализа батиметрического профиля в пакете программ
«GeoCAP»
Максимальное изменение уклона определяется на БП, проведенном под прямым углом к склону. БП можно рассматривать в качестве функции изменения глубины по расстоянию вдоль профиля. В каждой точки профиля можно рассчитать градиент - скорость изменения функции. Градиент характеризует крутизну склона и с математической точки зрения является первой производной функции в данной точке. Максимальному значению градиента в данной точке соответствует максимальная крутизна склона. С математической точки зрения максимальное изменение уклона батиметрического профиля соответствует максимальному изменению градиента этой функции или второй производной функции в точке.
Батиметрический профиль может иметь достаточно сложный вид, и определение точки максимального изменения градиента не всегда является простой задачей. Для расчета изменений градиента создаются алгоритмы, которые аппроксимируют вторую производную функции. При рассмотрении изменения градиента вдоль линии батиметрического профиля, как правило, не учитываются локальные изменения, вызванные микрорельефом, а рассматривается общая тенденция изменения на сравнительно большом интервале.
Выбор алгоритма и его параметров оказывает влияние на положение точки ПКС на БП. В простом случае, когда точка перегиба профиля обозначена явно и четко положение ПКС на БП очевидно. При этом условии разные алгоритмы дают одинаковый результат. Опыт работы с пакетом GeoCAP показывает, что выбор величины интервала играет существенное значение. В программе GeoCAP может использоваться шесть различных алгоритмов, включая новый алгоритм «Изменение среднего градиента» (Change of Average Gradient),
специально разработанный фирмой «GeoCAP» для решения задачи определения точек ПКС и пригодный для использования в самых различных условиях.
Фильтрация профиля методом «Изменение среднего градиента» в «GeoCAP» названа «Liner resampling». Это метод фильтрации рекомендуется как основной. Среди других методов отметим известный метод «скользящего среднего», сплайн аппроксимации и медианный фильтр.
В процессе работы с БП в программе «GeoCAP» получен положительный опыт применения различных фильтров, каждый из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Поскольку БП формируется на основе регулярной сети с размерностью 100 м, выбор шага вычислений в 200 м представляется вполне оправданным.
Методика анализа профиля основывалась на известном двух этапном подходе [1]:
На первом этапе выяснялось положение зоны основания склона и выбирался район дальнейшего поиска ПКС.
На втором этапе осуществлялся поиск точки ПКС внутри намеченной зоны. При этом кроме фильтрации по методу «Liner resampling» использовались несколько других фильтров в определенной последовательности. На первом этапе при анализе положения зоны основания склона для некоторых типов склонов с успехом может быть использован низкочастотный фильтр Фурье.
Анализ БП на предмет определения положения ПКС - это сложное сочетание чисто математических методов, геоморфологической интерпретации и интуиции интерпретатора. Анализ с одной стороны основывается на чисто математических методах фильтрации, а с другой - на трехмерной визуализации результатов с учетом как предыдущих, так и последующих положений ПКС на соседних профилях. В общем случае - это итерационный процесс, в котором трехмерная визуализация региональной модели рельефа играет существенную роль. Для реализации этой методологии использовался мощный графический инструмент - пакет программ «Fledermäuse». Сразу же после формирования БП и точки ПКС эти данные загружались в пакет программ «Fledermäuse», который обеспечивал наглядную 3D визуализацию цифровой модели рельефа в полосе обзора на фоне батиметрической модели IBCAO v. 2.
Изложенная методика применения GeoCAP и Fledermäuse апробирована в ходе съемки экспедиции «Шельф 2010». Была использована методика обработки и интерпретации материалов батиметрической съемки в целях оперативного определения ВГКШ приведенная на рис. 3 работы [8]. Реализация данной методики возможна в случае, когда результаты многолучевой съемки рельефа немедленно подвергаются пост-обработке и объемной визуализации. Представление полос обзора многолучевой съемки на западном склоне хребта Ломоносова на фоне модели IBCAO в пакете программ «Fledermäuse» проиллюстрировано на рис. 3.
Рис. 3. Иллюстрация представления полос обзора многолучевой съемки на западном склоне хребта Ломоносова на фоне грида IBCAO в пакете программ
«Fledermäuse»
Другой важной задачей являлась фиксация положения изобаты 2500 м на каждом из БП. В результате обработки в GeoCAP установлено, что смещение изобаты 2500 м относительно положения на модели IBCAO на западном склоне хребта Ломоносова составляет 1-3 км (см. рис. 3), а на восточном склоне и в котловине Подводников достигает 3-5 км.
На завершающем этапе рейса была предпринята попытка проложить галс многолучевого промера вдоль изобаты 2500 м между БП, на которых положение изобаты было точно зафиксировано в начале работ.
На рис. 4. представлена иллюстрация полосы обзора многолучевой съемки по изобате 2500 м, выполненная средствами пакета «Fledermäuse». Фактически удалось зафиксировать изобату 2500 м только в нескольких местах, исключая сами БП. ЦМР является основой и для точной фиксации положения изобаты 2500 м. На основе точек ПКС в дальнейшем в проекте «GeoCAP» осуществлялось обоснованное построение формульных линий: Хедберга и ограничительной линии (2500 м + 100 м) в соответствии с требованиями Статьи 76 Конвенции.
Рис. 4. Иллюстрация представления полос обзора многолучевой съемки в пакете «Fledermäuse» (районе А1) при съемке изобаты 2500 м
Формирование линии ПКС является основой для продолжения экспедиционных работ 2011г, направленных на выполнение сейсмической съемки с целью обоснование положения формульной линии Гардинера (1% расстояние от ПКС).
В заключение отметим, что батиметрическая съемка, выполненная в экспедиции «Шельф 2010», является примером эффективного применения современных информационных технологий для решения задач ВГКШ и соответствует мировому уровню.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Международная Конвенция по морскому праву 1982. М., «Военное издательство», 1985, -224 с.
2. Научно-техническое руководство комиссии по границам континентального шельфа. Конвенция ООН по морскому праву. CLCS /11, 13 May, 1999 (офиц. перевод на русск. яз.).
3. Фирсов Ю.Г. К вопросу батиметрической изученности Северного Ледовитого океана в целях определения внешней границы континентального шельфа России в Арктике // Геодезия и картография, - 2007. - № 5. - С.48-57.
4. Удинцев Г.Б., Нарышкин Г.Д., Нестеров Н.А., Опарин А.Б. Результаты гидрографических исследований России в Арктике в контексте требований Конвенции ООН по морскому праву. «Геодезия и картография». 2007, В.-11, -С.43-54
5. Фирсов Ю.Г. Анализ функциональных и технических характеристик и выбор глубоководного многолучевого эхолота для батиметрической съемки в
ледовых условиях. Ежеквартальный сборник статей Государственной морской академии «Эксплуатация морского транспорта». СПб, ГМА, 2010, В.-1(59), C. 42-47
6. Фирсов Ю.Г., Баландин В.Н., Меньшиков И.В. Анализ зарубежного опыта и российские перспективы исследований Северного Ледовитого океана в интересах определения внешней границы континентального шельфа. «Геодезия и картография», 2010, № 9, С. 54-59
7. Фирсов Ю.Г., Баландин В.Н., Меньшиков И.В., Мустафин Н.Г. Анализ технологий для обеспечения батиметрических исследований Северного Ледовитого океана в интересах определения внешней границы континентального шельфа и опыт их применения // Геодезия и картография. -2010. - № 5. - С. 49 - 55.
8. Фирсов Ю.Г. Анализ методики проектирования и выполнения батиметрической съемки Северного Ледовитого океана с использованием современных технологий. Ежеквартальный сборник статей Государственной морской академии «Эксплуатация морского транспорта». СПб, ГМА, 2010, В.-2 (60), C. 48-54
9. Фирсов Ю.Г. Анализ методики использования глубоководного многолучевого эхолота ЕМ 122 при выполнении батиметрической съемки в Северном Ледовитом океане». Ежеквартальный сборник статей Государственной морской академии «Эксплуатация морского транспорта». СПб, ГМА, 2010, В.-4 (62), C. 60-66
10. Фирсов Ю.Г. Контроль качества многолучевой батиметрической съемки в Северном Ледовитом океане на научно- экспедиционном судне «Академик Федоров». Ежеквартальный сборник статей Государственной морской академии «Эксплуатация морского транспорта». СПб, ГМА, 2011, В.-1 (63), C.39-45
11. HO Standards for Hydrographic Surveys, International Hydrographic Organization // Special Publication. - № 44. - 5th Edition, 2008. - РР 28.
© Ю.Г. Фирсов, 2011
