Bilaga 1 till: Mätning av Grunda Vatten Metodstudie för insamlingstekniker för grunda vatten i Sveriges kustzon, insjöar och vattendrag 1 (32)
2 Bilaga 1 till: Mätning av Grunda Vatten Metodstudie för insamlingstekniker för grunda vatten i Sveriges kustzon, insjöar och vattendrag Myndigheten för samhällsskydds och beredskap (MSB) Kontaktperson: Janet Edwards, janet.edwards@msb.se, 010-240 51 08
3 Innehållsförteckning Bilaga 1 till: METODSTUDIE FÖR INSAMLINGSTEKNIKER FÖR GRUNDA VATTEN I SVERIGES KUSTZON, INSJÖAR OCH VATTENDRAG... 1 1 GENOMGÅNG AV OLIKA MÄTMETODER... 4 1.1 EKOLODNING GENERELLT... 4 1.2 ENKELSTRÅLE EKOLODNING... 4 1.3 STRÅLFORMANDE MULTIBEAMEKOLODNING... 6 1.4 INTERFEROMETRISK MULTIBEAM SONAR... 9 1.5 LIDAR... 10 1.5.1 Funktionsprincip... 13 1.6 SATELLITE DERRIVED BATHYMETRY (SDB)... 14 1.7 AIRBORNE ELECTROMAGNETIC BATHYMETRY (AEB)... 16 2 PLATTFORMAR FÖR MÄTNING...17 2.1 BÅT/FARTYG... 17 2.1.1 Ugglan... 17 2.1.2 Petter Gedda (PGa)... 19 2.2 AUTONOMA/FJÄRRSTYRDA FARKOSTER... 21 2.2.1 Z-Boat... 22 2.2.2 Maritime Robotics... 22 2.2.3 ASV C-Worker... 24 2.2.4 DeepVision... 26 2.2.5 Autonom forskning i Sverige... 27 2.3 FLYGANDE FARKOSTER... 27 2.3.1 Bemannade farkoster... 27 2.3.2 Obemannade flygande farkoster... 28 3 BESKRIVNING AV ANVÄNDA MÄTSYSTEM...29 3.1 KLEIN 5000 V2... 29 3.2 KLEIN HYDROCHART 3500... 30 3.3 IMAGENEX 373B... 30 3.4 GEO-SWATH... 31 3.5 RESON 7125... 32
4 1 Genomgång av olika mätmetoder Här försöker vi ge en lite djupare inblick i de olika djupmätningsmetoder som används idag på olika håll i världen. 1.1 Ekolodning generellt All ekolodning innebär att man skickar en ljudpuls genom vattnet och lyssnar efter svar i form av en ekosignal. Ekosignalen från bottnen, som detekteras av elektroniken, är vanligtvis förhållandevis svag och kan därför ibland vara svår att skilja från andra störande ljudkällor såsom motorljud, vågskvalp, mm. Med kännedom om ljudhastigheten i vattnet kan djupet beräknas genom att man mäter tiden mellan utsändning av ljudpulsen till dess att svarsekot har detekterats. Den enskilt största påverkan på djupmätningens noggrannhet är ljudets hastighet genom vattnet vilket varierar med temperatur, salthalt och tryck. Ljudhastigheten kan variera förhållandevis mycket med lokala variationer men också över tid. Normalt sänder och lyssnar man med samma keramiska element, vilket innebär att ett svarseko måste tas emot innan en ny ljudpuls skickas ut. Keramiken fortsätter också att vibrera en kort stund efter att den sända pulsen har skickats ut och mottagaren kan under denna tid inte detektera något ekosvar. Normalt för ett ekolod är ett minsta detekterbart djup/lutande avstånd till bottnen ca 50-100cm. 1.2 Enkelstråle ekolodning Den vanligaste ekolodstekniken brukar kallas enkelstråle ekolod, eller single beam och patenterades 1928 och började användas mer frekvent i slutet av 1930 talet. Ett sådant lod består vanligen av en Svängare och en presentationsenhet med elektronik men på senare tid har system tagits fram där all elektronik är inbyggd tillsammans med svängaren och mätresultatet kan då sändas till en valfri lagrings eller presentationsenhet. Storleken på en svängare varierar beroende bland annat på frekvens som används men också vilken riktverkan/vinkel på ekolodsloben man vill ha på den utsända ljudpulsen. Vid en given frekvens ger en större svängare en bättre riktverkan (smal ekolodslob) jämfört med en mindre. Vad man ska välja är helt beroende på vad man är ute efter. Man kan med en effektiv styrteknik bakom också kombinera ett antal enkelstrålelod så man på en och samma gång samlar in från ett bredare område. Utan att kontrollera när de enskilda svängarna sänder kommer en sådan montering orsaka störningar mellan loden. En vanlig frekvens på enkelstråle ekolod för mätning ner till 200m djup är ca 200kHz. På de enklaste ekoloden kan ingen justering för ljudhastighet göras utan den är konstant ofta 1500m/s vilket dock kan korrigeras genom en efterberäkning så länge lodets använda
5 ljudhastighet är känd. På mycket små djup (2-3m) påverkar skillnaden i ljudhastighet djupmätningen marginellt vid till exempel navigation. Vid sjömätning för nautisk kartering eller andra behov är det oftast nödvändigt att korrigera för skillnaden i ljudhastigheten för att kunna uppfylla noggrannhetskraven. Det är också ovanligt att tillverkaren av enklare lod talar om vad det är för effektiv öppningsvinkel på ljudloben vilket är en viktig parameter vid mätning. I följande bild visar vi några av de problem man bör tänka på om man använder ett ekolod. I bilden visas en botten med en större sten på. Den röda loben visar ett smalstråligt ekolod medan den gröna loben visar ett system med bredare stråle. Med det gröna lodet täcks bottnen bättre men i det här fallet så kommer djupet på stenen att registreras med ett större djup och på felaktig position. Detta då ekolodet inte kan avgöra varifrån ekot kommer och positionen alltid anges rakt under svängaren vilket är den plats som man normalt får ett eko från när bottnen inte är starkt kuperad. Ett undantag är om man använder en mycket smal lob <3grader och fartyget har en bra attitydsensor som kan korrigera för fartygets aktuella vinkel vid utsänd och mottagen ekolodspuls. Lägger vi samman data från de två gröna mätningarna kommer stenen också att få en mycket större utbredning men vara registrerad på ett större djup än det sanna. I det vänstra exemplet missas stenen helt med det röda ekolodet men då båten vid mätningen till höger lutar så träffas stenen på nästan rätt djup men med en offset på positionen. Skulle båten vid det tillfället inte lutat hade istället bottnen intill stenen ha träffats och stenen förblivit oupptäckt. Figur 1 Beskrivning över några felkällor vid ekolodning
6 Det finns ekolodstillverkare som har tagit fram system för extremt grunda vatten, som då kan mäta in till 5-10cm avstånd från svängaren genom att på elektrisk väg släcka efterringningen i de keramiska elementen. Ett sådant system är till exempel Hydrobook 1 som ligger i prisklassen runt 40 000 Kr. Utöver djup kan ett ekolod också registrera ekosvarets signalstyrka som är ett mått på bottnens reflektivitet och varierar beroende på hårdhet och struktur. 1.3 Strålformande multibeamekolodning Förenklat kan man säga att tekniken kombinerar en utsänd ljudpuls som är bred i sidled men smal i längdled med en mottagning av svarsekot som är smal i sidled men är bred i längdled, s.k. Mills Cross, för att komma runt de problem vi beskrev under 1.2. Här pratar vi dock om betydligt bredare sändpulser och smalare mottagna strålar. Till skillnad från ett enkelstrålelod används här två olika svängare för sändning respektive mottagning, även om dessa kan vara sammanbyggda till en fysisk enhet. Figur 2 Bilden visar fotavtryck när "Mills Cross" används. 1 För mer information besök: http://www.hydrobook.info/
7 Både sändare och mottagare är avlånga med flera svängarelement och kan därigenom, med hjälp av tidsförskjutning både vid sändning och mottagning, styra vinkeln på utsänd puls och avgöra från vilken vinkel det mottagna ekot kommer ifrån. Detta ställer dock mycket höga krav på att ljudhastigheten vid svängarens närområde är känd varför man oftast använder en kontinuerligt mätande ljudhastighetsmätare som monteras i närheten av svängaren. Figur 3 Beskrivning över multibeamlodets vinkeldetektion Bilden ovan visar schematiskt hur ett eko från den röda träffpunkten på bottnen detekteras av multibeamekolodets mottagare. Eftersom ekot i det här fallet kommer från vänster sida av mottagarens mitt så kommer ekot först att uppfattas av det vänstra mottagarelementet för att sedan med viss fördröjning mellan elementen till sist uppfattas av elementet längst till höger. Vinkeln från vilken ekot kommer kan då med hjälp av tidsskillnaden och ljudhastigheten beräknas. Mottagarens fysiska bredd avgör vilken öppningsvinkel en enskild detekterad stråle 2 som kommer vinkelrätt in mot mottagaren har. I exempelfallet ovan där ekot kommer in i snett från sidan så beror istället strålens faktiska öppningsvinkel istället av bredden på det virtuella akustiska planet, som är vinkelrätt mot ekots infallsvinkel. På grund av att det virtuella akustiska planet är kortare än den fysiska svängaren kommer även mindre energi att träffa varje element. Förutom den sneda reflektionen från bottnen (en del ljudenergi försvinner) är det en av faktorerna som gör att osäkerheten på de mätta djupen från ett multibeamekolods yttre strålar är högre än för de mittre. På omvänt sätt som ovan kan även utsändning av ljudpulsen styras i en önskad riktning. I dag sker det normalt bara i längdsled för 2 Den fysiskt detekterade strålen kan senare med hjälp av avancerad signalbehandling delas upp och flera djup detekteras per stråle.
8 att kompensera för fartygets stampning (pitch) men i tidigare system skedde även styrning av enskilda utsända pulser i sida. En variant av multibeamsystem, som var vanlig tidigare och nu delvis börjat återkomma, använder sig istället av en cirkulär mottagare och dessa har två fördelar. En fördel är att de detekterade strålarnas öppningsvinkel är konstant oberoende av detektionsvinkeln. Den andra fördelen är att mätning av ljudhastigheten vid mottagarsvängaren inte är lika kritisk då vinkeln enklare detekteras korrekt. Man kan likna principen vid att en sådan mottagare har nästan lika många plana svängare som svängarelement fördelade runt cirkelbågen. Då alltid ett av dessa plan nästan är vinkelrätt mot det mottagna ekot, minimeras ljudhastighetens påverkan på vinkeldetektionen. Nackdelen med ett sådant system är att det kan vara svårare att montera skrovfast på en båt än ett plant system. Den smala strålvinkeln ställer dock alltid höga krav på kännedom om ljudhastigheten i hela vattenpelaren då varje skillnad i ljudhastighet får ljudet att böja av när det passerar skikt med olika ljudhastigheter. Effekten är samma som för LIDAR system vid övergång mellan luft-vatten vilket visas i figur 6 under kapitlet 1.5.1. Ljudhastighetsprofiler måste mätas ganska frekvent och strandnära måste särskild hänsyn tas till eventuella utflöden av sötvatten. Det ställs även mycket höga krav på rörelsekompensering av mätningarna för att kunna avgöra var på bottnen i förhållande till fartyget ett eko kommer, vi pratar här om vinkelmätning med en noggrannhet på några hundradels grader. Det finns ett antal olika tillverkare på marknaden och när det gäller system för mätning på grundare vatten så är Kongsberg, R2Sonic och Reson de vanligaste. Om pulsrepetitionsfrekvensen (PRF) påverkas av djupet eller inte beror på hur tillverkaren valt att lösa insamlingen av ekosvaren. För vissa system ställer man in ett önskat värde på en cirkelbåge (slant range) för det avstånd från svängaren den skall sluta att lyssna efter bottenekon. Typiskt görs detta i fasta steg (ex. 5, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 m) och om man räknar med att man ska mäta på ett djup av ca 5 m under svängaren så väljer man då 10 eller 25 m slant range. Bottnen måste hela tiden hållas inom cirkelbågen för att kunna detekteras. PRF varierar då enbart med skalinställningen. Andra systemleverantörer har valt en skalfri lösning där man helt enkelt lyssnar tills man detekterat ett tillräckligt starkt eko på alla strålar, plus en viss marginal, vilket medför att PRF hela tiden maximeras. Mätning med ett sådant system ger en heltäckande avbildning av bottnen med hög upplösning. De flesta system kan antingen samla in data med en fast vinkelseparation mellan de olika strålarna, vilket får till följd att avståndet mellan strålarna på bottnen ökar med ökad vinkel från lodlinjen, eller med ett jämnt fördelat avstånd mellan djuppunkterna över svepets bredd. Den faktiska träffytan på bottnen ökar dock med ökad vinkel från nadir (lodlinjen) så bäst upplösning har man i centerdelen av svepets bredd.
9 En mottagarsvängare som är plan, vilket idag är vanligast, har en varierande vinkelupplösning i sidled. Ett system som är specificerat till en upplösning om 0,5 grader i sidled har när strålen kommer in 60 grader från nadir i verkligheten en faktisk upplösning på 1 grad och vid 75 grader från nadir nära 2 grader. Ett system med cirkulär svängare har inte denna begränsning. Ett multibeamsystem kan liksom ett vanligt ekolod också registrera ekosvarets signalstyrka. Det kan även samla in så kallad backscatterinformation som kan sägas vara ett högupplöst tidssamplat mått på bottnens hårdhet och struktur och kan jämföras med data från en SideScan Sonar som körs nära ytan. En parameter som kommit på senare år är möjligheten att samla in data över de små ekon som kommer från vattenkolumnen innan ekot träffar bottnen. Dessa data kan användas för att kartlägga bland annat biologisk massa i vattenpelaren och gasläckor från havsbotten. Att samla in och lagra dessa data genererar dock väldigt stora datavolymer, ca 0,25TB/h. Det kan också vara tveksamt vilken nytta man har av dessa data på mycket grunda områden då fartyget i sig kan skapa störningar som detekteras i de första meterna under svängaren. Figur 4 Exempel på vattenkolumnsdata som visar på utströmmande gas 1.4 Interferometrisk Multibeam Sonar En interferometrisk sonar ger både en konventionell sidescan sonar (backscatter)-bild och täta djupvärden inom hela sonarstråket. Vinkeln fås genom mätning av tidsskillnaden mellan olika mottagarelement för den reflekterade ljudpulsen på motsvarande sätt som beskrivits för ett vanligt multibeamekolod i 1.3. Denna mätning utförs ett antal tusen gånger per akustisk puls. Normalt använder SideScan Sonar system endast en lång rad av svängarelement för att få en mycket smal vinkel i längdsled. Här är dock systemen kompletterade med två ytterligare rader och elementen har sitt plan i en vinkel om 30-40 grader från vertikalt, mot normalt mellan 20-30 grader. Dessa extra mottagarelement är normalt något kortare än elementet som används
10 för själva sonarbilden för att ge en bredare öppningsvinkel i längdsled. Ett traditionellt multibeamsystem som använder ett stort antal rader (>30) av element kan därför med större säkerhet avgöra från vilken vinkel ett enskilt eko kommer ifrån. Fördelarna som vanligen tillskrivs dessa system är att det ska ge en bredare täckning (10-12 gånger djupet) av bottenytan på grundare vatten än ett vanligt multibeamsystem, vilket i sin tur ska ge en mer kostnadseffektiv insamling. Mätlinjer kan läggas med större inbördes avstånd och grynnor samt andra för sjösäkerheten farliga företeelser kan lättare undvikas. Nackdelen är att om en hög detaljeringsgrad ska erhållas bör mätstråken vara 100 % överlappande då tekniken medför att antalet detekterade djup i mittstråket är väldigt få och täckningen annars inte blir fullständig. Ett Interferometriskt multibeamekolod påverkas på precis samma sätt av ljudhastigheter som ett traditionellt multibeamekolod vilket redan beskrivits under punkten 1.3. Med ett Interferometriskt system som bygger på en SideScanSonar i grunden ställer man in ett önskat värde (Range) på hur brett den skall samla in. Typiskt görs detta i fasta steg (ex. 25, 50, 75, 100, 150, 200 m) och om man räknar med att man ska mäta på ett djup av ca 10 m under svängaren och förväntar sig en täckning på 10 gånger djupet så väljer man då 50m (åt varje sida) området. Skulle sedan djupet visa sig vara bara 5m så får man ingen ökad Pulsrepetitionsfrekvens (PRF). 1.5 Lidar Lidar som används med flygplan eller helikopter är en mycket snabbare mätmetod för att täcka större ytor än mätning med båt på de grunda vattnen. Normal flyghöjd vid topografisk lasermätning ligger runt 1000m medan den vid laserbatymetri ligger på ca 300m. Höjdskillnaden vid batymetrisk Lidarmätning gör att den täckta bredden för varje flygstråk blir mycket mindre. Bredden på det detekterade stråket vid batymetri är dock inte beroende av bottentopografin/djupet utan endast beroende på flyghöjden, terrängens höjdvariationer påverkar dock stråkets bredd vid topografisk lasermätning. Detta tillika den högre inköps och underhållskostnaden för mätsystemet gör att priset för att täcka en kvadratkilometer med batymetrisk mätning är avsevärt högre än kostnaden för topografisk mätning. Driftkostnaderna för flygplan är avsevärt högre än driftskostnaderna för båtar och man måste även räkna med mätningsbortfall under tider som man normalt kan mäta med båt. Lidarsystemen samlar parallellt med sina höjd och djupvärden in information om signalsvaret i den detekterade pulsen. Styrkan på signalsvaret ger ett värde på den träffade ytans optiska reflektivitet, i huvudsak beroende på hur ljus bottnen är och inte beroende på
11 hårdhet/skrovlighet som vid akustisk reflektivitet. Man kan använda detta värde på motsvarande sätt som den akustiska reflektiviteten som samlas in med sonar för att klassa olika bottentyper, förekomst av växtlighet, mm. Kombinerade analyser av Lidar- reflektivitet med multi/hyperspektral fotogrammetri kan ge ytterligare information om bland annat typ av växtlighet. Punkttätheten och upplösningen för ett batymetriskt lasersystem (djupmätningsdelen) är mycket lägre än för topografiska system. En av anledningarna till detta är att den batymetriska lasern kräver en så hög pulsenergi att man inte klarar av att sända med samma pulsrepetitionsfrekvens som för ett system som kräver lägre pulsenergi, en stor orsak till detta är förmågan att kyla ner själva lasern. Oftast är dock ett batymetriskt system kombinerat med ett topografiskt system då samma teknik oftast används för att detektera själva vattenytan. Den batymetriska delen för ett kraftfullare system, som klarar att tränga ner till större djup, har då oftast en betydligt lägre pulsrepetitionsfrekvens, vilket ger en större spot spacing, än ett system som är avsett endast för mycket grunda vatten. Se jämförelser mellan några system nedan, avstånd mellan mätpunkterna är dock beroende av flyghöjd och mäthastighet. Topo LIDAR Bathymetric LIDAR System Pulserate Spot spacing Deep channel Spot spacing Shallow channel Spot spacing Optech 20 khz 1-2m 3 khz 2-5m - - Shoals- 3000 HawkEye 500 khz 12 pt/m2 10 khz 0,4 pt/m2 35 khz 1,5 pt/m2 III Chiroptera 500 khz 12 pt/m2 - - 35 khz 1,5 pt/m2 II LADS MK3 1,5 khz 2-5m - - RIEGL VQ- 820-G 500/200 khz 30 cm - - 500/200 khz 30 cm Förutsättningarna för mätning med Batymetrisk Lidar, bland annat siktdjup, bottendjup, bottentyp, vattnets fysikaliska egenskaper, mm. varierar längs den svenska kusten. Störst påverkan på möjligheten att nå ner till önskade djup med ett Lidar system har Siktdjupet/Turbiditeten 3. Även bottnens färg har en stor påverkan och en mycket mörk berggrund, lera eller botten med mörk växtlighet kan vara mycket svår att detektera då den 3 Turbiditeten är ett mått på en vätskas suspension av partiklar och mäts i NTU (Nephelometric Turbidity Unit) eller FNU (Formazin Nephelometric Unit). Kan förenklat kallas grumlighet.
12 reflekterande ljusenergin är mycket svag. Väderleken påverkar när det är möjligt att mäta dels på grund av flygsäkerheten men även direkt på mätresultaten. En alldeles platt spegelblank vattenyta fungerar som en spegel och reflekterar effektivt iväg ljuset som sänds ut från flygplanet i en sned vinkel utan att tränga ner i vattnet. Brytande vågor vilket först uppträder redan vid måttlig sjöhävning i Surf zone dvs. de grundare delarna närmast stranden men vid större sjöhävning även på större djup. Ljuset tränger inte igenom det vita skum som bildas när vågorna bryts. Vågor tar redan vid ganska måttliga våghöjder med sig en mängd sand vid sandstränder och grumlar vattnet vilket påverkar möjligheten att detektera djupet närmast stranden. Dis, regn, snö gör det omöjligt att mäta. Vattendrag som rinner ut i havet tar särskilt under snösmältningen och regnväder med sig stora mängder sediment som kan ge en mycket kraftig lokal påverkan på siktdjupet. täckande beväxning på bottnen som under stor del av året står upp från bottnen normalt 1-2 m. Ofta får man signalreflektioner från både växtligheten och botten vilket medför svårigheter för systemen att kunna analysera signalsvaren på rätt sätt och manuell tolkning av pulssvaren krävs ofta. Perioder med höga utflöden från älvar och åar som till exempel vid snösmältning och efter kraftiga regnfall tar med sig stora mängder sediment och humus ut i havet. Detta påverkar då siktdjupet i vattnet i stora områden medan det vid små flöden endast orsakar mer lokala problem i direkt anslutning till utloppen. Figur 5 Exempel på lokal påverkan från lokalt dräneringsdike
13 1.5.1 Funktionsprincip Lasermätning för bathymetri skiljer sig mot topografisk mätning genom att man måste använda en annan våglängd och mycket högre energimängd. En infraröd laserpuls (omkring 1064 nm) som används vid topografisk mätning kan inte tränga ner igenom vattenytan. Istället behövs en grön laser (omkring 532 nm) som dämpas minst i vatten. Man kan bestämma djup direkt med den gröna laserstrålen men man saknar då information om tidpunkten då ljuset trängde igenom ytan på sin färd mot bottnen. Ljuset bryts ganska kraftigt vid övergången mellan luft och vatten, beroende på infallsvinkeln, vilket kan beskrivas av Snell s Lag. Hastigheten för ljus i luften är ca 300 000 km/s medan den i vatten är ca 225 000 km/s vilket ger upphov till den relativt stora vinkelförändringen. Figur 6 Bild från presentation av systemtillverkaren Riegl 2014 4 4 Hela presentationen finns på: http://www.bshc.pro/media/documents/lidar2014/06_riegl- Bathy_05-2014_print.pdf
14 Med lasersystemen så talar man oftast om storleken på strålen när den träffar vattenytan och tätheten mellan de mätta punkterna. Så snart den gröna laserstrålen träffar vattenytan med en relativt liten träffyta så sker en ganska kraftig spridning av ljuset. Detta innebär att när ljuset har trängt ner ett antal meter genom vattnet så har den yta som strålen täcker ökat ganska mycket. En del av systemen anger en punkttäthet där avståndet mellan punkterna är större än själva strålens träffyta på ytan. Fullständig bottentäckning når man då först ett par meter under ytan. Nedan visas ett exempel på hur ett detekterat svar kan se ut och hur det gröna ljuset bryts och sprider sig i vattenpelaren. Figur 7 Spridning av ljus och detektion av två olika våglängder med ett Lidar system 1.6 Satellite Derrived Bathymetry (SDB) Det har länge gått att se havsbottnen med hjälp av satellitbilder och utvecklingen inom detta områdehar gått framåt. Dagens satelliter har upplösningar som börjar närma sig flygfotografering och antalet färgband har utökats från bara RGB signaler till att ha en mängd olika färgkanaler. Antalet färgkanaler gör det enklare att separera olika djup från varandra då ljuset tränger ner olika långt i vattnet beroende på ljusets våglängd. Mer eller mindre automatiska processeringsmetoder har tagits fram men det är för tidigt att säga hur tillförlitliga och tillämpliga dessa metoder är i grumligare vatten. Ett exempel är en metod som används av ett företag med namnet EOMAP som nyligen genomfört en SDB kartering över hela Stora Barriärrevet 5. Där har hela Stora Barriärrevet, 350 0000 km 2, täckts med en upplösning på 30m och en bedömd noggrannhet i djupdetektionen på 10cm. Över delar av samma område har också 2m upplösning tagits fram för att demonstrera kapaciteten. 5 Den fulla rapporten kan laddas ner från http://www.eomap.com/exchange/pdf/eomap_gbr_bathymetry.pdf
15 Man kan dock aldrig nå längre än till siktdjupet med någon form av fototolkning och mörka bottnar och mörk vegetation kan göra det omöjligt att se bottnen vilket kan misstolkas som att delar av området är djupare än det uppmätta siktdjupet. Figur 8 Bild från EOMAPs kartering av Stora Barriärrevet Tidigare tester utförda av Sjöfartsverket 2007-2010 6 som finansierats av Rymdstyrelsen har bland annat visat att det var lättare att skilja ut nedträngningen i vattnet inne i Östersjön där det var sämre siktdjup än på Västkusten med klarare vatten. Tillförlitligheten var dock inte tillräcklig vid denna tidpunkt för att det skulle vara lämpligt att fortsätta studien. 6 Petra Philipson et al: High resolution satellite data for depth estimation and mapping of maritime objects
16 1.7 Airborne Electromagnetic Bathymetry (AEB) Är en äldre metod som vidareutvecklats under 90-talet för geologiska undersökningar av elektriskt ledande material, ursprungligen använt för att leta mineraler. Principen bygger på att en flygande utrustning skapar ett starkt magnetfält som i sin tur skapar kraftiga strömmar i jordskorpan. När magnetfältet sedan slås av går det att mäta hur snabbt det i jordskorpan inducerade magnetfältsströmmar avklingar. Mätmetoden påverkas inte av förekomsten av luftbubblor, brytande vågor eller is men har begränsningar i noggrannhet i djupmätningen om ca 2m. Från början ansågs metoden kunna vara användbar ner till 20m men tester har visat att den kan användas även ner till 50-60m djup. Metoden kan också påvisa skiktningar i salthalt mellan olika vattenlager och mätning av istjocklek. Metoden som endast ger data i linje med det flugna stråket bör jämföras med enkelstråle ekolodning. Systemet ger dock i jämförelse en väldigt dålig upplösning då fotavtrycken blir i samma storleksordning som flyghöjden vilket gör att detta inte är ett alternativ för mätning i Svenska kustzonen.
17 2 Plattformar för mätning Här beskriver vi de båtar som vi idag har tillgång till och även andra möjliga plattformar. 2.1 Båt/fartyg 2.1.1 Ugglan Ägs av SGU och används främst i de grunda kustnära vattnen där inte det större fartyget Ocean Surveyor kan användas på grund av sitt djupgående. Ugglan är av aluminium med förstärkt botten och framdriven av ett vattenjetsystem, vilket innebär en robust plattform för mätning och provtagning samt att förmågan att ligga still vid provtagning är stor och att mätlinjer kan köras med fast och rak kurs även i lägre farter. Ugglan kan sjösättas direkt från strandkanten med lastbil. Figur 9 S/V Ugglan vid sjösättning i Arkösund Längd: ca 8 m. Bredd: 3 m. Djupgående: 0.7 m. Fart: >24 kn. Besättning: 2 (2 säten) Framdrivning: Cummins 300 HK (diesel) med Hamilton vattenjet På båten finns Toalett, Kylskåp, Kaffebryggare och Mikrovågsugn för att möjliggöra längre enskilda uppdrag.
18 Interferometrisk sonar: Geoacoustics Geoswath 250 khz och ett enkelstråleekolod (500 khz) Sedimentekolod: Konsgsberg TOPAS 120 parametric sub bottom profiler Seismik: Applied Acoustics Ltd C-200 boomer med en åtta hydrofon en-kanal bogser-streamer Framåtseende sonar: Echo Pilot 200kHz som har visat sig värdefull för att undvika grund vid mätning på okända bottnar. Rörelsesensor för interferometrisk sonar: SMC 108 Rörelsesensor för parametriskt sedimentekolod: SMC 008 Positionering: RTK GNSS Hemisphere A325 GPS kompass: Hemisphere 110 Ljudhastighet: Valeport, egenutvecklad automatiserad inmatning av ljudhastighetsinformation till insamling Online - insamling & övervakning: EIVA NaviPac, GS4 (interferometrisk sonar), Sonarwiz (sedimentekolod, seismik och side scan sonar). Offline - bearbetning & kvalitetskontroll: GS4, Sonarwiz, Meridata, GlobeClaritas, ArcGIS, Bentley Microstation, QPS Fledermaus Pro. Ugglan kan användas för all maringeologisk kartering i kustnära och grunda vatten såväl under hydroakustiska mätningar som för provtagningar. Den maringeologiska karteringen bygger i stor utsträckning på hydroakustiska mätningar kontrollerade och kalibrerade med hjälp av sedimentprovtagning och visuella bottenobservationer. Bottenpenetrerande mätningar med sedimentekolod och seismik ger en akustisk bild av havsbottens vertikala uppbyggnad, från bottenytan ned till den övre delen av berggrunden
19 Figur 10 Ugglan i hamnen på Arkö. 2.1.2 Petter Gedda (PGa) Båten ägs av Sjöfartsverket och är en lodningsenhet som är lämplig för mindre projekt såsom mätuppdrag i hamnar och farleder inomskärs mm. Båten är dessutom tänkt som en utryckningsbåt och kan transporteras till vilken plats som helst i landet med hjälp av lastbil och kan då normalt påbörja mätningar inom 24 timmar. Figur 11 Sjöfartsverkets mätbåt Petter Gedda
20 Byggår: 2009. Längd: 8,4 m. Bredd: 3,4 m. Djupgående: 0.9 m. Fart: >20 kn. Besättning: 2 (4 säten) Framdrivning: Volvo Penta 260HK med Duopropdrev samt separat 6KVA elgenerator. På båten finns Toalett, Kylskåp, Kaffebryggare och Mikrovågsugn för att möjliggöra längre enskilda uppdrag. Multibeam: Reson SeaBat 7125SV2 400 khz. Rörelsesensor: IMU Applanix PosMV. Positionering: GNSS PosMV/Topcon. Ljudhastighet: SVP-70 + SVP-15. Vattenståndsmätare: RBR Hydrotide III. Online - insamling & övervakning: EIVA NaviPac & NaviScan. Offline - bearbetning & kvalitetskontroll: EIVA NaviEdit, QPS Fledermaus Pro. Båten har utrustats med en fällbar monteringsrigg i fören för montering av tillfällig mätutrustning. Det är många system som skall hanteras och samverka och här nedan ses interiörbilder på Sjöfartsverkets mätningsbåt Petter Gedda under pågående mätning. Figur 12 Navigatör och mätningsförrättare i arbete Figur 13 Till vänster insamlingssystemet och till höger navigationssystemet på PGa
21 2.2 Autonoma/fjärrstyrda farkoster Detta är farkoster som kan programmeras att utföra planerade färdplaner eller fjärrmanövreras på motsvarande sätt som radiostyrda modellbåtar och flygplan. Det finns ett antal olika system på marknaden och intresset för dessa är stort varför det på många håll nu utvecklas liknande enheter. Fördelar: Små och lätt transportabla Grundgående Tåliga Miljövänliga (små farkoster är oftast batteridrivna) De utför vad de programmeras att utföra Kontinuerlig mätning vid acceptabelt väder och så länge drivmedlet räcker Minimala personrisker (endast vid sjösättning och upptagning) Nackdelar: Driftstid Transportfart till och från mätområdet Kallas Autonom men kan inte ta egna beslut Kräver konstant fjärrövervakning (sjölagen) Svårt att kontrollera/övervaka kvaliteten på insamlat data För dessa farkoster finns idag inget regelverk utan de betraktas som vilken bemannad farkost som helst som måste stå under ständig bevakning. På många håll bland annat i England där regeringen har satsat mycket pengar på forskning inom det här området håller en branschsammanslutning på med att ta fram ett förslag till regelverk för att sedan kunna lägga fram det för IMO 7. Liknande arbeten pågår på flera håll och en tanke som lagts fram är: Om enheten har en egen övervakning av sitt närområde och kan känna av om något annat fartyg närmar sig och då övergår till att bibehålla ett statiskt läge så skulle alla andra fartyg vara väjningsskyldiga. En intressant Masteruppsats om Collision Avoidance kan man hitta här: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:347606/fulltext01.pdfvegard Om djupdata skall överföras i realtid från denna typ av farkost måste dock signalskyddet kunna hanteras på ett sätt som uppfyller de sekretesskrav som gäller, genom t.ex. krypterad överföring via radiolänk. 7 IMO the International Maritime Organization is the United Nations specialized agency with responsibility for the safety and security of shipping and the prevention of marine pollution by ships. http://www.imo.org/
22 2.2.1 Z-Boat En av de mest sålda autonoma farkosterna är Z-Boat 8 som kan utrustas med Single Beam ekolod eller ett litet kompakt multibeamlod. Båten i sig är 1,8m lång, väger 30 kg och klarar 20kg nyttolast och är batteridriven med en aktionstid på upp till 240 minuter 2.2.2 Maritime Robotics 9 Maritime Robotics är ett Trondheims baserat företag som tagit fram en del patenterade navigationslösningar, bland annat där styrsystemet är integrerat med ett Multibeamsystem så ruttplaneringen hela tiden (autonomt) anpassas för att uppnå ett så effektivt sökmönster som möjligt. Deras framtagna farkost är stor och avsedd att användas på djupare vatten men kan enligt uppgift skalas ner till för applikationen lämplig storlek. 8 Tillverkas av Teledyne Oceanscience. Mer information kan hittas på: http://www.oceanscience.com/ 9 För mer information och videos se: http://www.maritimerobotics.com/systems/mariner/
23 Figur 14 The Mariner Unmanned Surface Vehicle (USV) Farkosten har idag följande data: Längd: 5,85m Bredd: 2,05m Djupgående: 0,4m Vikt: 1 700kg Framdrivning: Volvo Penta D3 Diesel med Hamilton vattenjet Bränsletank: 250l Driftstid: 50h vid 5 knop Toppfart: >30 knop Utrustning kan monteras i den färdiga 300mm MoonPoolen i bottnen och lastutrymmet rymmer 1m 3.
24 2.2.3 ASV C-Worker 10 Är en Engelsktillverkad farkost som funnits på marknaden under ett antal år. Båten är dieseldriven med hjälp av en vattenjet och har en operationstid på upp till 48 h. Dess maxfart är dock bara 9 knop till skillnad från Maritime Robotics farkost (2.2.2) som har en maxfart på mer än 30 knop. Farkosten har ett separat utrymme för utrustning och en moonpool för montering av till exempel multibeamutrustning. Farkosten har idag följande data: Längd: 4,1m Bredd: 1,6m Djupgående: 0,4m Framdrivning: Diesel med vattenjet Bränsletank:? Driftstid: 24-48h beroende på fart Tomvikt: 680 kg Toppfart: 9 knop Samma företag har ett antal andra farkoster bland annat två katamaraner som är el-drivna och som kan demonteras vid transport. 10 För mer information och videos se: http://asvglobal.com/
25 C-CAT 4 Farkosten har idag följande data: Längd: 4,3m Bredd: 2,9m Djupgående: 0,6m Framdrivning: 2x elektriska motorer Bränsletank:? Driftstid: upp till 48h Tomvikt: 650 kg (oklart om det är med eller utan batterier) Toppfart: 6 knop Samt C-CAT 2 Farkosten har idag följande data: Längd: 2,4m Bredd: 1,2m
26 Djupgående: 0,2m Framdrivning: 2x elektriska motorer med propellrar (skyddad montering) Driftstid: upp till 6h Tomvikt: 80 kg (oklart om det är med eller utan batterier) Toppfart: 9 knop För mer information se: http://asvglobal.com/ 2.2.4 DeepVision 11 Är ett litet Linköpingsbaserat företag som bland annat tillverkar ekolod och SideScan Sonar system. De har tagit fram en autonom farkost som är anpassningsbar till sin storlek och demonterbar så att den ryms i en vanlig kombibil. De har ett integrerat programvarupaket för ruttplanering, insamling och framtagning av sidescanmosaiker mm. Bilden nedan är tagen i samband med mätningar i Stångån (Linköping) med fyra stycken enkelstråle-ekolod. Farkosten har idag följande data: Längd: 3 eller 4,5m Bredd: Valfri Djupgående: 0,2m Vikt: ca 70kg (beror på mängden batterier) 11 http://deepvision.se/
27 Framdrivning: 2x elektriska motorer med propellrar Driftstid: Beroende på batterikapacitet. (8h med ett bilbatteri) Toppfart: >5 knop 2.2.5 Autonom forskning i Sverige En grupp vid KTH i Stockholm har arbetat med ett projekt om autonoma farkoster där Sjöfartsverket har deltagit vid några arbetsmöten. Projektet tog först fram en enkel demonstrationsfarkost i form av en havskajak som bestyckades med utrustning för att prova styrsystem mm. Farkosten visades med en demonstrationskörning vid projektets workshop på Rosenvik i augusti 2015. Systemet var då utrustat med tre stycken enkelstråle ekolod. Därefter har arbetet gått vidare med att ta fram ett bättre anpassat skrov och bättre framdrivning bland annat med hjälp av en nyutvecklad helt vattentät motor. Arbetet har finansierats av forskningsmedel från Trafikverket. Man har även studerat hur man skulle kunna låta farkosten, inom givna yttre begränsningslinjer, styras autonomt av till exempelvis djupförhållandet för att optimera mäteffektiviteten. 2.3 Flygande farkoster 2.3.1 Bemannade farkoster Bemannade flygplan eller helikoptrar är i mätsamanhang normalt använda enbart för flygburen lasermätning och fotogrammetri. Även gravimetrimätning (tyngdkraftsmätning) för framtagande av förbättrade Geoidmodeller 12 kan förekomma. Den första generationens Lasersystem medgav endast mätning i förhållandevis låg hastighet vilket gjorde att helikopter normalt användes för att erhålla tillräcklig bottentäckning. 12 En Geoidmodell används för att kunna räkna om höjder som erhålls från GNSS system till aktuell vertikalt datum (referensnivå). I Sverige används idag normalt datumet RH2000.
28 Moderna Lasersystem har en mycket högre scanningfrekvens och medger insamling vid hastigheter som överstiger flygplanens minimihastighet varför detta numera är vanligast förekommande. 2.3.2 Obemannade flygande farkoster Obemannade flygande farkoster går oftast under benämningen UAV (Unmanned Aerial Vehicle), vanligen benämnd drönare. En sådan farkost saknar pilot ombord men kan flyga autonomt eller fjärrstyras. Transportstyrelsen använder termen UAS (Unmanned Aerial Systems), vilket omfattar själva farkosten samt dess kringutrustning. Av International Civil Aviation Organization (ICAO) kallas farkosterna RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems) då det enligt gällande regelverk alltid krävs att det finns en pilot 13 som övervakar även förprogrammerade flygningar. Idag används UAS främst för fotografering då de vanligaste farkosternas storlek och lyftkraft inte medger större laster och deras aktionstid oftast är mycket begränsad <30min. En farkost som klarar att lyfta större laster kan idag användas för att göra topografisk laserscanning, dock med begränsad aktionstid. Sådana farkoster saluförs ofta tillsammans med laserutrustning som kompletta paket. Irländska GSI (Geological Survey of Ireland) har köpt in en drönare med förbränningsmotor för att kunna flygfotografera kusten vid lågvatten. Dessa flygfoton kan sedan användas för att skapa en höjdmodell i form av punktmoln genom fotogrametrisk bearbetning. Metoden verkar vara mycket lovande och ger bättre resultat än topografisk lidar över de våta områdena. 13 Vid all kommersiell flygning krävs tillstånd från Transportstyrelsen. http://www.transportstyrelsen.se/sv/luftfart/luftfartyg-och-luftvardighet/obemannadeluftfartyg-uas/
29 3 Beskrivning av använda mätsystem 3.1 KLEIN 5000 V2 Ett mätsystem som testades tidigt under våren 2015 var ett interferometriskt mätsystem KLEIN 5000 V2 Bathy som egentligen är ett 455kHz Multibeam Sidescan med en Bathy option som även ger möjlighet till interferometrisk multibeamdata. Vikten på detta system är 70kg och längden hela 194cm. Systemet används normalt bogserat ganska nära bottnen. Här monterades dock fisken fast på testriggen i fören på Petter Gedda ca 70cm under vattenytan. Den stora längden detta system har beror på att det behövs en väldigt lång svängare för att uppnå den höga upplösningen (i längdriktningen) systemet har. Den här typen av system används normalt till bland annat objektdetektion, minjakt och vrakundersökning. Figur 15 Klein 5000 under montering Figur 16Klein 5000 uppfälld i transportläge Projektet hade stora förväntningar på resultatet av detta test men dessvärre uppfyllde inte systemet kraven när det testades vid Karlsro utanför Norrköping. Det visade sig att systemet inte klarade av att generera något användbart djupdata när det var monterat så nära ytan. Troligen blev systemet utstört av sidlober från sin egen utsändning som reflekterades från vattenytan. Testerna med detta system avbröts därför.
30 3.2 KLEIN Hydrochart 3500 Detta är ett interferometriskt mätsystem som är utvecklat från Kleins sidescansystem till ett system för mätning på grundare områden, och som är en vidareutveckling av bathy funktionen på Klein 5000. Projektet fick möjligheten att låna in ett sådant system under våren 2015 för tester och det användes även i testområdet Arkö. Systemet som testades hade en nyutvecklad funktion Gap Filler som är tänkt att med signalbehandling kunna detektera djup även inom den annars blinda sektorn rakt under fartyget. Utöver själva fisken består systemet endast av en liten box för anslutning av strömförsörjning och nätverk. För att möjliggöra enkel etablering på vilken farkost som helst innehåller fisken även en kompass, rörelsesensor och en ljudhastighetsmätare och kan snabbt monteras utan krav på initial kalibrering av sensorerna. Tillverkaren har en gratis insamlingsprogramvara men för att utvärdera data behövs en tredjepartsprogramvara. Vid testerna provades en programvara som heter Triton som kan användas för att generera bathy och sidescanmosaiker. 3.3 Imagenex 373B Detta är ett litet och enkelt multibeamekolod med 260 khz som bland annat används monterat på små fjärrstyrda farkoster mm. Det är ett litet och kompakt system men den lilla fysiska storleken gör att systemets öppningsvinklar (varje stråle) blir betydligt större än från ett traditionellt multibeamekolod. Man använder sig av en teknik för att simulera att mottagaren har en fysiskt större längd vilket ger ett större antal strålar som är i samma storleksordning som från ett system med 3 gånger längre mottagare. Den kompakta storleken, låg vikt och låg strömförbrukning gör att ett system enkelt kan drivas en hel dag på ett bilbatteri. Kommunikationen med ekolodet sker via nätverk.
31 Den här typen av multibeamlod kan som bäst användas ner till mellan 25 och 30 meters djup. Vikt 2,5kg Strömförbrukning <5W Mått ca 20x7x11cm (LxBXH) Öppningsvinkel 120 grader och upp till 480 detekterade strålar om vardera 3 grader. Öppningsvinkel i längdsled 3 grader 3.4 Geo-Swath Geo-Swath är ett interferometriskt multibeamsystem. Tillverkaren ingår numera i samma koncern som Kongsberg som är en känd multibeamtillverkare. Systemet tillverkas med tre olika frekvenser 125, 250 och 500kHz och det system som används av SGU är på 250kHz och är avsedd för ett maxdjup på 100m och med en effektiv öppningsvinkel på 0,75 grader. Systemet har två stycken separata svängare men 250 och 500kHz systemen finns också i en kompaktversion där båda svängarna är ingjutna i samma skal. Tillverkaren anger att systemet ska kunna detektera djup med en svepbredd på upp till 12 ggr djupet under svängaren vid bra förhållanden.
32 3.5 Reson 7125 Reson 7125 är ett traditionellt multibeamekolod och sitter skrovmonterat ombord på Petter Gedda. Systemet har en frekvens på 400kHz men standard idag är att systemet går att köra valfritt på 200 eller 400kHz. Vid 400kHz har systemet en öppningsvinkel på 1x0,5 grader (1 grad långskepps och 0,5 grader tvärskepps) och kan detektera upp till 512 strålar per ping. Öppningsvinkeln (svepbredden) på systemet på Petter Gedda är 128 grader men på senare generationer är öppningsvinkeln 140 grader och kan även expanderas till 165 grader, dock utan rörelsekompensering på vinklar över 140 grader.