Усі книги і методички

Глубины, измеренные для изучения подводного рельефа, представляют собой вертикальные расстояния от поверхности воды до дна. Между тем поверхность воды не остается неподвижной, а непрерывно изменяется. Следовательно, эту поверхность нельзя использовать как отсчетный уровень при составлении карт или при накоплении информации о рельефе на носителях технических данных. Отсутствие же нивелирных сетей в море не позволяет решить задачу передачи высот традиционными геодезическими методами. Отмеченная особенность гидрографических работ приводит к необходимости разработки своеобразной методики их высотного обоснования.

Малая прозрачность воды для световых и электромагнитных волн приводит к существенным отличиям в принципах, конструкции и методах использования измерительной аппаратуры. Так, аэрофотосъемка, существенно изменившая характер топографических работ, здесь пригодна только для малых глубин и отягощена заметными искажениями за счет различия оптических свойств двух сред: атмосферы и гидросферы. Подводная фотосъемка ввиду плохой прозрачности воды ограничивается очень малыми расстояниями фотографирования, а это, в свою очередь, позволяет получать лишь крупномасштабные снимки для малых площадок морского дна.

Для диапазона средних, коротких и ультракоротких радиоволн, используемых при измерениях на суше, морская вода практически непрозрачна.

Наиболее пригодными для измерений в морской воде оказались акустические волны. Поэтому для современных гидрографических исследований широко используется гидроакустическая аппаратура: эхолоты, эхографы, эхотралы, гидролокаторы, гидроакустические навигационные системы. Природа акустических колебаний и условия их распространения в толще морских вод во многом определяют своеобразие методов гидрографических работ.

Подводя итоги рассмотренных выше задач и специфики их решения, можно определить основные звенья технологической схемы гидрографических работ применительно к съемке рельефа дна. В общем случае она должна включать:

1)выбор и оборудование специальных средств в качестве носителей измерительной аппаратуры;

2)выбор и подготовку аппаратуры для съемки подводного рельефа;

3)создание плановой основы с целью надежного и точного определения положения обследованных акваторий на земной поверхности;

4)выбор средств и методов для определения координат в процессе съемки;

5)подготовку средств и производство наблюдений с целью высотной привязки результатов съемки;

6)выбор методики и производство съемки, включая проектирование рациональной сети галсов и организацию надежного контроля всех измерений.

В районах с относительно малыми глубинами и сложным рельефом дна, если в этих районах осуществляется интенсивное судоходство, для обеспечения наиболее полной гарантии навигационной безопасности плавания съемка рельефа дна дополняется гидрографическим тралением, которое является другим важным видом гидрографических работ.

Сущность гидрографического траления состоит в сплошном, без разрывов,

обследовании отдельных акваторий с помощью специальных устройств (гидрографических тралов), позволяющих выявить все навигационные опасности, глубина над которыми меньше допустимой. На траление в полной мере распространяются требования к плановому и высотному обоснованию, а также к определению координат всех выявленных опасностей.

Съемка и траление, давая морфометрическую и морфографическую характеристики, нуждаются в информации о генетических признаках рельефа. Этот пробел в известной мере устраняется изучением донных грунтов. Но сведения о донных грунтах необходимы не только в научном плане. Важно их прикладное значение: выбор мест якорных стоянок и районов покладки подводных лодок или глубоководных аппаратов на грунт; строительство гидротехнических сооружений; прокладка нефте- и газопроводов, подводных кабелей и т.п. В последние годы изучение донных грунтов получило дополнительный импульс в связи с поиском и добычей полезных ископаемых.

Все названные причины служат основанием для организации следующего вида гидрографических работ, который называют морской грунтовой съемкой.

Сведения о географической среде, полученные в процессе съемки рельефа дна, траления и грунтовой съемки, не исчерпывают всей полноты информации, необходимой для мореплавателя. Путь мореплавателя начинается и заканчивается у берега. Возможности подхода к берегу и высадка на него, места возможных укрытий и якорных стоянок, наличие естественных и искусственных ориентиров, необходимых для определения места, - вот далеко не полный перечень сведений, которые необходимы морякам и должны быть отражены на морских картах.

Изображение берега и различных береговых объектов переносится на морские карты с планшетов топографической съемки. Специфика топографических работ на побережье требует, чтобы этим делом занимались гидрографы. Таким образом,

топографическая съемка прибрежной полосы материков и островов является важнейшей частью гидрографических работ.

Хозяйственное освоение океанов привело к созданию на его дне и на поверхности многих объектов: нефтепроводов, газопроводов, кабельных сетей, буровых и добывающих сооружений. Повышены требования к изображению на картах подводной растительности и ареалов распространения живых организмов. Нанесение на карты всех указанных элементов также входит в комплекс гидрографических работ.

Морские карты, являясь основным источником сведений о морях и водных путях, не исчерпывают всей необходимой информации об океанских просторах. Значительная часть этой информации трудно или вовсе не поддастся картографическому отображению.

Сведения о климате, гидрометеорологических условиях, правилах плавания, работе средств навигационного оборудования, возможностях пополнения запасов воды, топлива, продовольствия и т.д. помещаются в других пособиях: лоциях, описаниях огней (знаков), описаниях радиотехнических средств навигационного оборудования, морских гидрометеорологических пособиях. Сведения, необходимые для помещения в лоциях, также собираются в процессе гидрографических работ.

Таким образом, в состав гидрографических работ в общем случае входят:

1)геодезическая подготовка района работ (плановое обоснование);

2)определение нуля глубин (высотное обоснование) и приведение измеренных глубин к нулю глубин;

3)съемка рельефа дна;

4)гидрографическое траление;

5)морская грунтовая съемка;

6)топографическая съемка прибрежной полосы;

7)сбор сведений для лоций.

В организационном плане гидрографические исследования можно разделить на три этапа: подготовку к исследованиям, выполнение работ в море, обработку полученных материалов.

На подготовительном этапе производятся:

1)научное планирование, включающее изучение предшествующих материалов, определение районов и задач гидрографических исследований;

2)техническое проектирование, устанавливающее виды работ, методы и средства, позволяющие правильно выполнить все задачи исследования при наименьших затратах сил и времени;

3)подготовка плавсредств, аппаратуры, личного состава; комплектование экспедиций необходимыми материалами; выполнение предварительных расчетов и построение рабочих планшетов.

На втором этапе в море и па берегу выполняются все виды гидрографических работ, предусмотренные техническим проектом. Основным содержанием этого этапа является получение информации путем непосредственных измерений различных величин и производства наблюдений. Вся указанная информация фиксируется в специальных журналах, на планшетах и картах либо накапливается в запоминающих устройствах ЭВМ и документируется с помощью специальной аппаратуры автоматизированных систем.

На третьем, последнем этапе производится:

1)обработка всей полученной в море информации с целью достижения наибольшей точности и достоверности выполненных измерений;

2)составление отчетных планшетов и описаний;

3)научный анализ полученных результатов; составление научно-технического отчета с оценкой полученных материалов.

Современные автоматизированные системы позволяют в значительной степени совместить по времени второй и третий этапы гидрографических исследований, но существо их остается прежним.

§12. ПЛАВУЧИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ГИДРОГРАФИЧЕСКИХ

РАБОТ

Специфика географической среды, в которой выполняются гидрографические исследования, определяет выбор носителей измерительной аппаратуры и приборов.

Наибольшее применение для этой цели получили надводные корабли.

Опыт гидрографических исследований позволил выработать основные требования к устройству и оборудованию гидрографических судов.

Гидрографические суда предназначаются для выполнения всех видов гидрографических работ, размещения на них личного состава гидрографических экспедиций, доставки в обследуемый район различной техники, материалов и продовольствия. Они должны обладать хорошими мореходными качествами: остойчивостью, непотопляемостью, поворотливостью, быстрым изменением скорости и постоянством режима движения на полных и малых ходах.

Водоизмещение, осадка и продолжительность плавания гидрографических судов определяются удалением обследуемых районов от пунктов базирования и условиями выполнения работ.

Якорное устройство гидрографических судов должно обеспечивать возможность стоянки на открытых рейдах в штормовых условиях и постановку на якорь в открытом море на больших глубинах.

Крупные гидрографические суда должны иметь на борту специальные катера и шлюпки, оборудованные для производства съемки или других работ; должно быть обеспечено удобство их спуска и подъема, а также надежное крепление на верхней палубе в штормовую погоду.

Вооружение гидрографических судов должно обеспечивать надежное определение места и производство всех видов гидрографических работ.

Для обработки материалов на судах оборудуются специальные лаборатории, устанавливается вычислительная техника и создается библиотека специальной литературы и пособий.

Для размещения личного состава экспедиций на гидрографических судах должно предусматриваться соответствующее число кают и других помещений.

Советское государство уделяет большое внимание изучению океанов. К настоящему времени определились основные подклассы гидрографических судов, способных обеспечивать изучение различных районов Мирового океана:

—океанографические исследовательские суда (ОИС);

—гидрографические суда (ГИСУ);

—малые гидрографические суда (МГИСУ);

—большие гидрографические катера (БГК);

—малые гидрографические катера (МГК).

Океанографические исследовательские суда - это наиболее крупные суда, предназначенные для производства комплексных океанографических исследований в любых районах Мирового океана. Оборудование их лабораторий позволяет получать и обрабатывать информацию по всему комплексу гидрографических, океанографических и геофизических элементов, а современное навигационное вооружение обеспечивает необходимую точность определения места. Наличие на борту гидрографических катеров позволяет вести детальную съемку рельефа.

Гидрографические суда предназначены для проведения гидрографических исследований в водах СССР и ограниченных районах океанов при автономном

плавании, а в группе судов - в любых районах Мирового океана. Аппаратура и приборы, размещенные на судах этого подкласса, позволяют выполнять гидрографические работы по всему комплексу элементов.

Малые гидрографические суда предназначены для выполнения гидрографических работ в прибрежных районах и в узкостях, а также для постановки и обслуживания плавучих и береговых автономных средств навигационного оборудования.

Большие гидрографические катера предназначены для съемки рельефа дна, гидрографического траления, а также гидрологических работ. В их задачу входит также обеспечение гидрографических партий и обслуживание плавучих и береговых объектов навигационного оборудования.

Малые гидрографические катера предназначены для производства работ в прибрежной зоне, а также для перевозки и высадки личного состава гидрографических партий на необорудованный берег.

Гребные шлюпки используются на съемке только в тех случаях, когда малые глубины, обилие подводных и надводных камней или ограниченные акватории не позволяют использовать моторные катера.

Непрерывно расширяющийся объем информации, которую необходимо получить в процессе гидрографических исследований, а также растущие требования к подробности изучения обнаружили определенные трудности глубоководных исследований с помощью надводных кораблей, а также заметные искажения, вносимые при этом в результаты измерений. Более ощутимой становится необходимость личного участия наблюдателей в отдельных исследованиях, особенно при отборе проб. Эти причины привели к использованию для гидрографических работ сначала подводных лодок, а затем и обитаемых глубоководных аппаратов. Опыт использования глубоководных аппаратов в нашей стране и за рубежом показывает, что они имеют значительные преимущества перед зондами, тралами и другой аппаратурой, применяемой с надводных судов.

Однако использование глубоководных аппаратов ограничивается трудностями точного определения места, малым обзором, потерями информации из-за поломок аппаратуры, а также зависимостью от состояния моря. В настоящее время использование глубоководных аппаратов ограничивается сравнительно небольшим кругом задач, однако последующее совершенствование, несомненно, приведет к увеличению их роли как важных средств в комплексе гидрографических исследований. Основной объем работ, направленных на всестороннее изучение Мирового океана, выполняется с помощью надводных судов.

Глава 3

ПЛАНОВОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГИДРОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

§ 13. ЗАДАЧИ И СОДЕРЖАНИЕ ПЛАНОВОГО ОБОСНОВАНИЯ

1. Основные понятия и определения Основным методом гидрографических исследований являются натурные

измерения геометрических и физических параметров. Эти измерения, естественно, выполняются на реальной поверхности Земли. Они служат исходными величинами для последующего отображения частей гидросферы на плоских листах карт, а также для решения других задач.

Чтобы решать указанные задачи на поверхности Земли, необходимо прежде всего знать форму и размеры этой поверхности. Реальная поверхность Земли из-за сложности не может использоваться для составления карт и решения многих геометрических задач. По этой причине прикладные науки используют несколько приближений к реальной поверхности: геоид, сфероид, земной эллипсоид, шар.

Геоидом называют такую фигуру Земли, которая образуется уровенной поверхностью Мирового океана в состоянии полного покоя и продолженной под материки. Это продолжение осуществляется так, что в каждой точке поверхности отвесные линии остаются к ней нормальными. Вследствие неравномерности распределения масс внутри Земли геоид как одна из эквипотенциальных поверхностей силы тяжести имеет сложную форму и поэтому не используется для решения упоминавшихся задач.

Земным сфероидом называют фигуру, которую приняла бы Земля, находясь в состоянии гидростатического равновесия под влиянием только сил взаимного тяготения частиц и центробежной силы вращения около неизменной оси. Такая фигура напоминает несколько сплюснутую сферу и этим определилось ее название. Математически сфероид проще геоида, но все же довольно сложен для использования в качестве поверхности относимости.

Земным эллипсоидом называют эллипсоид, который характеризует фигуру и размеры Земли. Он образуется в результате вращения плоского эллипса вокруг земной оси. Сравнительно простое уравнение эллипсоида определило его повсеместное применение для решения геодезических и картографических задач. К тому же установлено, что эллипсоид вращения незначительно отличается от сфероида. В гидрографии понятия земного сфероида и эллипсоида отождествляются.

Для того чтобы эллипсоид наиболее близко подходил к реальной форме Земли, производят специальные измерения, позволяющие определить его элементы. Кроме того, этот эллипсоид должен быть соответствующим образом ориентированным в теле Земли. Лишь в этом случае его применяют в качестве фигуры, на которую проектируют геодезические пункты и рассчитывают их координаты.

Земной эллипсоид, принятый для обработки геодезических измерений и установления системы геодезических координат, называется референц-эллипсоидом.

В СССР с 1946 г. в качестве референц-эллипсоида принят эллипсоид Красовского со следующими размерами:

большая полуось а = 6378245м,

Для ориентировки эллипсоида в теле Земли в качестве исходных приняты координаты центра круглого зала Пулковской обсерватории и азимут с близлежащего

пункта Саблино на пункт Бугры, которые называют исходными геодезическими датами. Естественно, поверхности геоида и референц-эллипсоида в Пулково соприкасаются.

Работы по определению элементов земного эллипсоида производились во многих странах и на базе таких работ принимались иные референц-эллипсоиды, наиболее подходящие для соответствующих территорий. В последние годы по результатам астрономических, спутниковых, гравитационных и геодезических наблюдений уточнялись референц-эллипсоиды отдельных стран, континентов и велись расчеты элементов общего земного эллипсоида. Так, по международной программе «Стандартная Земля» получены следующие значения элементов общего земного эллипсоида:

а= 6378142м,

а= 1/298,25.

Различия в исходных эллипсоидах необходимо учитывать при использовании зарубежных карт, а также при определении координат с помощью радионавигационных систем или навигационных спутников.

Земной шар - наиболее простая фигура из всех используемых для представления поверхности Земли. Конечно же, при замене реальной поверхности Земли шаром возникают существенные искажения. Поэтому замена земной поверхности шаром допускается лишь при решении практических задач навигации. В гидрографии поверхность шара используется для решения некоторых задач как промежуточный этап, позволяющий оперировать более простыми расчетными уравнениями, а окончательные результаты относят затем путем введения поправок к поверхности эллипсоида.

Самое тщательное и подробное изучение географических объектов теряет смысл, если неизвестно их положение на поверхности Земли. Определение правильного взаимного положения районов гидрографических исследований на земной поверхности и последующее достоверное изображение различных элементов географической среды на морских картах обеспечиваются использованием единой системы координат.

Полученные в Пулково исходные геодезические даты для принятого в СССР

референц-эллипсоида получили название Системы координат 1942г. Все гидрографические работы в нашей стране ведутся на основе этой системы геодезических координат.

Геодезическими координатами являются три величины, две из которых характеризуют направление нормали к поверхности референц-эллипсоида в данной точке пространства относительно плоскостей его экватора и начального меридиана, а третья является высотой точки над поверхностью референц-эллипсоида.

Две первые величины (геодезические широта и долгота) характеризуют плановое положение точек на поверхности эллипсоида. Передача плановых координат от исходного пункта на всю территорию страны, в том числе и на побережье морей и океанов, происходит путем создания геодезических сетей.

Геодезической сетью называется система закрепленных точек на земной поверхности, положение которых определено в общей для них системе геодезических

координат.

Геодезическая сеть, обеспечивающая распространение координат на территорию государства и являющаяся исходной для построения других сетей, называется

государственной геодезической сетью.

Геодезические сети, создаваемые в развитие сетей более высокого порядка, получили название сетей сгущения. Геодезическая сеть сгущения, предназначенная специально для обеспечения съемки, называемся съемочной геодезической сетью. Геодезические сети состоят из геодезических пунктов. Устройство или сооружение, обозначающее положение геодезического пункта на местности, называется геодезическим знаком, а устройство, являющееся носителем координат, называется центром геодезического пункта.

Совокупность геодезических сетей и отдельных геодезических пунктов, используемых для плановой привязки, составляет плановую основу гидрографических исследований.

Развитие съемочных сетей и определение координат дополнительных геодезических пунктов на берегу и в прибрежной зоне на островах или отмелях осуществляется обычными геодезическими способами: триангуляцией, полигонометрией, трилатерацией; обратной, прямой и комбинированной засечками.

Передача координат на суда, находящиеся на больших удалениях от берега, осуществляется преимущественно с помощью наземных радионавигационных или космических навигационных и геодезических систем.

Интенсивное использование океанов резко увеличило требования к подробности и точности гидрографических работ. Необходимость создания крупномасштабных карт на любые районы Мирового океана влечет за собой повышение требований к точности определения координат: для решения отдельных прикладных и научных задач средняя квадратическая погрешность координат ограничивается величиной 10м, а эталонирование измерительной аппаратуры - 1м.

Такие точности не могут быть обеспечены радионавигационными системами дальнего действия. Отмеченные обстоятельства определили необходимость распространения геодезических способов передачи и хранения координат на морские и океанские районы.

Отмеченная во 2-й главе специфика водной среды не позволяет здесь ограничиваться механическим перенесением известных геодезических приемов. Так возникло новое направление среди наук о Земле - морская геодезия, под которой понимают комплекс работ, необходимых для решения научных и прикладных задач геодезии на море. Главными задачами морской геодезии является изучение формы поверхности океана и создание геодезических сетей в океане.

Морские геодезические сети необходимы для определения плановых координат морских геодезических пунктов в единой системе, определения места судов по этим пунктам в процессе гидрографических работ, а также для калибровки навигационной аппаратуры.

Морским геодезическим пунктом будем называть точку с известными координатами, закрепленную на морском дне и состоящую из одного или нескольких

знаков, необходимых для геодезических измерений. Знаки морских геодезических пунктов представляют собой гидроакустические устройства. В мелководных районах геодезические пункты могут быть закреплены наружными знаками.

Работы по развитию береговых съемочных сетей и определению координат отдельных пунктов выполняются гидрографическими подразделениями. В качестве исходных при этом используются государственная геодезическая сеть и геодезические сети сгущения. Методика геодезических работ, а также требования к точности построения съемочных сетей и определения координат отдельных пунктов изучаются в курсе геодезии и регламентируются специальными Правилами гидрографической службы.

Методы создания морских геодезических сетей являются предметом научных исследований и не получили еще повсеместной практической проверки главным образом из-за большой стоимости и сложности работ.

Проект морской геодезической сети, предложенный на 1-м симпозиуме в г. Колумбусе [17] для северной части Атлантического океана, находится в стадии реализации.

Следует иметь в виду существенное отличие морских геодезических сетей, вызванное ограниченной дальностью действия гидроакустических средств. Здесь координаты пунктов сети определяются независимо друг от друга. Для этого производится многократное определение координат гидрографического судна, находящегося вблизи от установленных на дне знаков, с помощью геодезических или навигационных спутников. Одновременно с помощью гидроакустических устройств измеряются расстояния (разности расстояний) до морских геодезических пунктов с целью передачи координат на их знаки.

Способы определения координат морских геодезических пунктов и методика их использования при гидрографических исследованиях изложены в § 46.

2. Системы координат, применяемые в гидрографии Наибольшее применение в гидрографии получили географические и

прямоугольные координаты. При решении отдельных вопросов применяются также геоцентрические и полярные координаты.

Система географических координат оказалась наиболее универсальной и поэтому широко применяется при решении теоретических и практических задач. В качестве координатных линий здесь используются меридианы и параллели.

Географическая широта φ представляет собой угол между нормалью к поверхности Земли и плоскостью экватора.

Географическая долгота λ определяется двугранным углом между плоскостями начального меридиана и меридиана данной точки.

В зависимости от фигуры, которая отождествляется с поверхностью Земли, и, значит, от способа получения географических координат различают геодезические, астрономические и сферические координаты.

Геодезические координаты получают в результате выполнения специальных геодезических работ и относят к поверхности референц-эллипсоида.