水路測量

水路測量は、海上航行、海洋建設、浚渫、海洋石油探査/海洋石油掘削および関連する活動に影響を与える特徴の測定と説明の科学です。前述の活動に関連するサウンディング、海岸線、潮汐、海流、海底および水中の障害物に重点が置かれています。水路学という用語は、海上地図作成を表すために同義語として使用されます。これは、水路測量プロセスの最終段階で、水路測量によって収集された生データをエンドユーザーが使用できる情報に使用します。

水路学は、受理機関によって異なる規則に基づいて収集されます。従来、測深線または 音響測深機を備えた船によって実施されてきましたが、調査は、浅瀬で航空機と高度な電子センサーシステムを使用してますます実施されています。

組織

国内および国際海事水路学

水路学のオフィスは海軍の遺産から発展し、通常は国の海軍構造物、たとえばスペインのInstitutoHidrográficodelaMarina内にあります。^[1]これらの組織の調整と製品の標準化は、水路学の改善を目的として自主的に参加しており、安全な航行は国際水路機関（IHO）によって実施されています。IHOは、基準と仕様^[2]を公開し、続いて加盟国と、水路測量に関心 のある了解覚書と協力協定^{[3]を公開しています。}

^{このような水路学の成果物は、国の機関によって発行され、国際海事機関（IMO）、 [4]}海上での生命の安全（SOLAS）^[5]、および実施される国の規制によって要求される海図で最も頻繁に見られます。安全のための船舶。これらのチャートは、IHO基準に基づいて、電子形式で提供および使用されることが増えています。

非国家機関によって実施された水路測量

国レベル以下の政府機関は、管轄区域内の水路測量を内部資産と契約資産の両方で実施または契約しています。このような調査は通常、国の組織によって、またはその監督下で、または承認された基準の下で実施されます。特に、海図の作成と配布、または国が管理する水域 の浚渫を目的として使用する場合はそうです。

米国では、調査の収集と公開においてNational HydrographyDatasetとの調整が行われています。^[6]州の環境団体は、その使命に関連する水路データを公開しています。^[7]

民間団体による水路測量

商業団体はまた、特に浚渫、海洋建設、石油探査、および掘削産業において、大規模な水路測量および地球物理学的調査を実施しています。^{海底通信ケーブル[8]}または電力^[9]を設置する産業団体は、設置前にケーブルルートの詳細な調査を必要とし、調査を実施する際に、以前は軍事用途でのみ見られた音響画像機器をますます使用しています。^[10]そのような調査を実施するために、商業および政府機関の両方と契約するための設備と専門知識の両方を備えた専門企業が存在します。

企業、大学、投資グループは、公共水路に隣接する地域を開発する前に、公共水路の水路測量に資金を提供することがよくあります。調査会社はまた、大規模な公共プロジェクトの契約を結んでいる設計およびエンジニアリング会社を支援するために調査を請け負っています。^[11]浚渫作業の前、およびこれらの作業が完了した後に、私的調査も実施されます。大きな専用スリップ、ドック、またはその他のウォーターフロント設備を備えた企業は、モルディブなどの侵食が変化する地域の島々と同様に、施設と施設の近くの開放水域を定期的に調査しています。

クラウドソーシングによる水路測量

クラウドソーシングも、OpenSeaMap、^[12] TeamSurvなどのプロジェクトで水路測量に参入しています。とARGUS。ここでは、ボランティアの船舶が標準の航海用機器を使用して位置、深度、および時間のデータを記録し、その後、音速、潮汐、およびその他の補正を考慮してデータを後処理します。このアプローチでは、航海後にデータがサーバーにアップロードされると発生するデータ処理に専門知識があるため、特定の測量船や専門的な資格のある測量士が乗船する必要はありません。明らかなコスト削減とは別に、これは地域の継続的な調査も提供しますが、欠点は、オブザーバーを募集し、十分に高い密度と品質のデータを取得するのに時間がかかることです。0.1〜0.2mの精度である場合もありますが、このアプローチは、これが必要な場合の厳密な体系的な調査の代わりにはなりません。それにもかかわらず、

メソッド

リード線、サウンディングポール、シングルビームエコーサウンダー

水路測量の歴史は、航海の歴史とほぼ同じくらいさかのぼります。^[13]何世紀にもわたって、水路測量では、鉛線（船またはボートの側面に降ろされたときに一端が底に沈むように鉛の重りに取り付けられたロープまたは深さのマーキングが付いた線）と響きのあるポールを使用する必要がありました。これは、底に触れるまで側面に突き刺すことができる深さのマーキングが付いたポールでした。いずれの場合も、測定された深度は手動で読み取って記録する必要があり、3点六分儀によって決定されたマップされた参照点に関する各測定の位置も同様でした。修正。このプロセスは手間と時間がかかり、個々の深度測定は正確である可能性がありますが、実際問題としての徹底的な調査でさえ、調査対象の領域に比べて限られた数の測深測定しか含めることができず、必然的にカバレッジにギャップが残ります。シングルサウンディングの間。^[13]

シングルビームエコーサウンダーとファトメーターは1930年代にサービスを開始し、ソナーを使用して船の下の深さを測定しました。これにより、船舶の下の深さに関する情報を指定された距離に配置された一連のラインに収集できるようになるため、リード線とサウンディングポールで可能なデータを取得する速度が大幅に向上しました。しかし、船が鳴った海底の帯の間の領域の深度情報が不足しているため、以前の方法の弱点を共有していました。^[13]

ワイヤードラッグ測量

1904年に、ワイヤードラッグ調査が水路学に導入され、米国沿岸測地測量局のニコラスH.ヘックは、1906年から1916年の間に技術の開発と完成に重要な役割を果たしました。 ^[14]ワイヤードラッグ法では、2つの船またはボートに取り付けられ、ウェイトとブイのシステムによって特定の深さに設定されたワイヤーが2点間でドラッグされました。ワイヤーに障害物が発生すると、ワイヤーはぴんと張って「V」字型になります。「V」の位置は、水没した岩、難破船、およびその他の障害物の位置を示し、ワイヤーが設定された深さは、障害物に遭遇した深さを示しました。^[13]この方法は、リード線や測深柱を使用するよりも迅速で、労力が少なく、はるかに完全な地域の測量を可能にしたため、水路測量に革命をもたらしました。

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  ワイヤードラッグ水路測量操作（図）、
  米国沿岸および測地測量、ca。1920年。

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  2隻のボートによる海上調査の原則、
  ノルウェー海調査、1932年。

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  使用されたツールの技術的詳細、
  ノルウェー海調査、1930年。

サイドスキャンソナーが登場する前は、ワイヤードラッグ測量は、障害物や紛失した船舶や航空機の広い領域を検索するための唯一の方法でした。^[15] 1906年から1916年の間に、ヘックはワイヤードラッグシステムの機能を比較的限られたエリアから幅2から3海里（3.7から5.6 km; 2.3から3.5マイル）をカバーするスイープに拡大しました。^[16]ワイヤードラッグ技術は、20世紀の残りの大部分の間の水路測量への主要な貢献でした。米国でのワイヤードラッグ測量は非常に貴重であったため、数十年にわたって米国沿岸測地測量局、そして後に米国海洋大気庁が姉妹船のペアを配備しました。特にそのような調査で一緒に働くための同一の設計の。USC＆GSマリンディンとUSC＆GSオグデンは1919年から1942年まで一緒にワイヤードラッグ調査を実施し、USC＆GSヒルガード（ASV 82）とUSC＆GSウェインライト（ASV 83）は1942年から1967年まで引き継ぎ、USC＆GSルード（ASV 90）（後のNOAASルード（S 590 ））とUSC＆GS Heck（ASV 91）（後のNOAAS Heck（S 591））は、1967年からワイヤードラッグ操作に協力しました^{。[13] [15] [17] [18] [19] [20]}

1950年代、1960年代、1970年代の新しい電子技術（サイドスキャンソナーとマルチビームスワスシステム）の台頭により、最終的にワイヤードラッグシステムは時代遅れになりました。サイドスキャンソナーは、航空写真と同じ忠実度で水中の障害物の画像を作成できますが、マルチビームシステムは、調査地域の海底の100％の深度データを生成できます。これらの技術により、1隻の船舶で2隻の船舶が行う必要のある作業を行うことができ、1990年代初頭にワイヤードラッグ調査はようやく終了しました。^{[13] [16]}船舶は、ワイヤードラッグ調査や、米国海洋大気庁（NOAA）、たとえばRude andHeckでの共同作業から解放されました。晩年は独立して運営されていました。^{[15] [20]}

マルチビーム音響測深機（MBES）

次のような表現を明示的に含める：「LINZのすべてのMBES調査では、高解像度の地理参照後方散乱強度がログに記録され、調査成果物としてレンダリングされます。」^[21]一連の契約調査要件では、より広い水路コミュニティがMBESテクノロジーを採用することで得られるメリットを受け入れており、特に、音響後方散乱データを提供するMBESを事実として受け入れていることを明確に示しています。貿易の貴重なツールです。

マルチスペクトルマルチビーム音響測深機の導入^[22]技術革新の軌跡を継続し、水路測量コミュニティに、複数の用途でより優れたデータをより迅速に取得するためのより優れたツールを提供します。マルチスペクトルマルチビーム音響測深機は、音響測深の初期からの水路学における多くの進歩的な進歩の集大成であり、底部からの音響測深の強さに関する主な関心事は、それらが注目される（検出される）のに十分な大きさであるかどうかでした。 。初期の音響サウンダーの動作周波数は、主に、電流または電圧によって物理的寸法を変更できる磁気拘束および圧電材料の能力に基づいていました。やがて、初期の単一垂直ビーム音響サウンダーの動作周波数にはほとんど、またはまったくないことが明らかになりました。^[23]たとえそれらの堆積物がより低い周波数で音響的に透明であるように見えたとしても、より高い周波数の単一垂直ビームエコーサウンダーが高多孔性堆積物から検出可能なエコー振幅を提供できることが観察された。

1960年代後半に、間隔の広いトラックラインを使用してシングルビーム水路測量が実施され、サウンディングレコードの深いサウンディングよりも下部のデータの浅い（ピーク）サウンディングが保持されました。その同じ時期に、初期のサイドスキャンソナーが浅瀬水路測量の運用慣行に導入されました。初期のサイドスキャンソナーの周波数は、エンジニアリング設計の便宜の問題であり、サイドスキャンエコーの最も重要な側面は、それらの振幅の値ではなく、振幅が空間的に可変であるということでした。実際、検出可能なエコー振幅（影）がない領域に基づいて、底部の形状と底部の人工物について重要な情報が推測されました^[24]。 1979年、「浮き泥」の調査問題の技術的解決を期待して、米国海洋大気庁（NOS）の局長は、交換用の浅水深さ探知機の機能仕様を決定するための調査を実施するNOS調査チームを設立しました。 。^[25] 研究の結果は、現在でも広く使用されている垂直ビーム深度サウンダーのクラスでした。2オクターブ以上離れた2つの音響周波数で同時にpingを実行し、単一の垂直グレージング角度ではありますが、空間的および時間的に同時に深度とエコー振幅の測定を行いました。

最初のMBES世代は、深海の海底のマッピングに専念していました。それらの先駆的なMBESは、深浅測量（ピークと深さの両方を表す）の正確な測定値を取得することを目的としていたため、振幅をほとんどまたはまったく明示的に使用しませんでした。さらに、それらの技術的特性は、エコー振幅の空間的変動を観察することを容易にしませんでした。^[26]初期のMBES深浅測量調査の後、単一周波数サイドスキャンソナーが海底の高品質画像を生成し始めたとき、異なるタイプの堆積物、エコーの可能性をある程度区別することができました。 MBESからの振幅が認識されました。^[27]

マーティ・クラインがデュアル周波数（公称100kHzと500kHz）のサイドスキャンソナーを導入したことで、これら2つの広く離れた音響周波数での任意の海底からの空間的および時間的に一致する後方散乱が、その2つの別個の固有の画像を提供する可能性が高いことは明らかでした。海の景色。確かに、トラックに沿った超音波処理と受信ビームのパターンは異なり、水深データがないため、正確な後方散乱のかすめ角は不明でした。ただし、2つの周波数でのトラックを横切るグレージング角度のオーバーラップするセットは常に同じでした。

1992年にマサチューセッツ州ケープコッド沖でエリザベス2世が座礁した後、 ^[28]浅瀬測量の重点は、サウンディングの空間分解能をさらに向上させるために動作周波数を上げてMBESを採用することにより、完全な底部被覆調査に移行しました。トラックを横切る扇形の超音波帯を備えたサイドスキャンソナーが、エコー振幅のトラックを横切る変動をうまく利用して、海底の高品質の画像を実現したことを考えると、扇形が横切るのは自然な進行のようでした-新しい単調な高周波浅水MBESに関連する超音波のトラックパターンも、海底画像に利用される可能性があります。MBESボトムイメージングの最初の試みで取得された画像は恒星よりも少なかったが、幸いなことに改善が予定されていた。

サイドスキャンソナーは、送信後の時間、ソナー受信トランスデューサーのクロストラックビーム開口角度に依存しない技術を使用して、超音波照射ビームと完全に位置合わせされた受信ビームからの継続的なエコーリターンを解析します。マルチビーム画像の最初の試みでは、MBES扇形の超音波ビームと部分的に重なるだけの複数の受信ビームを使用して、継続的なエコーリターンを水深と受信機のクロストラックビームの開き角度に依存する間隔に分割しました。その結果、セグメント化された間隔は、時間の長さと送信後の時間の両方で不均一でした。ビーム解析された各セグメントの各pingからの後方散乱は、単一の値に削減され、そのビームに割り当てられたものと同じ地理座標に割り当てられました。s測定されたサウンディング。その後のMBESボトムイメージングの変更では、ビーム解析された各間隔のエコーシーケンスがスニペットとして指定されました。^[29]各pingで、各ビームからの各スニペットは、送信後の時間に従ってさらに解析されました。特定のビームからのスニペット内で行われた各エコー振幅測定には、2つの隣接するクロストラックビームでそのpingで測定されたサウンディングに割り当てられた位置間の線形補間に基づいて、地理的位置が割り当てられました。MBES画像へのスニペットの変更により、画像内のピクセルとしてレンダリングできるエコー振幅測定の数が増え、実際の画像を表す画像内のピクセルの空間分布がより均一になるため、画像の品質が大幅に向上しました。測定されたエコー振幅。

マルチスペクトルマルチビーム音響測深機の導入^[30]水路学の進歩的な進歩を続けた。特に、マルチスペクトルマルチビーム音響測深機は、海底の「マルチルック」深度測定を提供するだけでなく、それらの深度測定と空間的および時間的に一致するマルチスペクトル後方散乱データも提供します。マルチスペクトルマルチビーム音響測深機は、出力データセット内の各後方散乱振幅の原点の位置を直接計算します。これらの位置は、他の派生データセットからの補間ではなく、後方散乱測定自体に基づいています。その結果、マルチスペクトルマルチビーム画像は、以前のマルチビーム画像と比較してより鮮明になります。マルチスペクトルマルチビーム音響測深機からの水深データの固有の精度は、異なる堆積物タイプを区別するために音響後方散乱角度応答関数を使用しようとしているユーザーにとっても利点です。マルチスペクトルマルチビーム音響測深機は、広く分離された音響周波数で、任意の海底からの空間的および時間的に一致する後方散乱が、海景の別個の固有の画像を提供するという事実を補強します。^[31]

現代の測量

適切な浅瀬エリアでは、 LIDAR（光検出および測距）を使用できます。^[32]機器は、ゾディアック、小型航空機、自律型水中ビークル（AUV）、無人水中ビークル（UUV）、遠隔操作無人潜水機（ROV）、大型船などの膨張式航空機に設置でき、サイドスキャン、シングルビームを含めることができます。およびマルチビーム装置。かつては、海上安全のため、および科学的または工学的な水深測量のために水路データを収集する際に、さまざまなデータ収集方法と標準が使用されていました。チャートですが、ますます、改善された収集技術とコンピューター処理の助けを借りて、データは1つの標準の下で収集され、特定の用途のために抽出されます。

データが収集された後、後処理を行う必要があります。典型的な水路測量中に大量のデータが収集され、多くの場合、平方フィートあたり数回の測深が行われます。データの最終用途（たとえば、海図、数値地形モデル、浚渫、地形、水深測量の体積計算）に応じて、このデータを間引く必要があります。また、エラー（つまり、悪い音）や、潮汐、波/波、水位、水温躍層の影響についても修正する必要があります。（水温差）。通常、測量士は、サウンディングを修正するために必要なデータを記録するために、サイトに追加のデータ収集機器を持っています。グラフの最終出力は、特殊なグラフ作成ソフトウェアまたはコンピューター支援設計（CAD）パッケージ（通常はAutocad ）を組み合わせて作成できます。

クラウドソーシングによる測量の精度が従来の方法の基準に達することはめったにありませんが、使用されるアルゴリズムは、単一の測定よりも正確な最終結果を生成するために高いデータ密度に依存しています。クラウドソーシングによる調査とマルチビーム調査を比較すると、クラウドソーシングによる調査の精度は約プラスマイナス0.1〜0.2メートル（約4〜8インチ）であることがわかります。

も参照してください

• 深浅測量
  • 水深図
• 音響測深
• 全国灌漑会議
• オフショア調査
• 無線音響測距
• 米国国立測地測量局

参考文献

外部リンク

• 国際水路機関
• IHO –ダウンロード/ OHI –Téléchargement
• NGA –一般に公開されている製品とサービス
• 英国水路部
• インド海軍水路学部
• オーストラリア水路サービス（AHS）
• ArmadaEsapñola–InstitutoHidrográficodelaMarina
• NOAA、沿岸測量部、調査データ
• NOAA海洋大気庁（調査艦隊）
• Hydro International（技術および業界のニュース記事を掲載した水路学の専門誌）
• 海洋および深浅測量のポジショニングアカデミー

NOAAは、調査結果、チャート、およびデータの大規模なデータベースをNOAAサイトに保持しています。

• NOAAの水路ウェブサイト
• NOSデータエクスプローラポータル

• 水路測量技師のサポート
• TeamSurv –クラウドソーシングによる水路測量