水路測量
1985 年のアラスカの水路測量の懐かしいスケッチ。
海図を更新するための船。
イリノイ州シカゴに拠点を置く民間の調査船「ネプチューン」。
2021年7月7日、イスタッド港のクリントンのノーザンストーム。

水路測量は、海上航行、海洋建設、浚渫、洋上風力発電所、洋上石油探査・掘削、および関連活動に影響を与える地物の測定と記述を行う科学です。通信ケーブル、風力発電所関連ケーブル、HVDC電力ケーブルなどの海底ケーブルのルートを決定するための調査も実施されます。前述の活動に関連する測深、汀線、潮汐、海流、海底、水中障害物に重点が置かれます。水路測量という用語は、水路測量のプロセスの最終段階で、水路測量で収集された生データを使用して、エンドユーザーが使用できる情報に変換する海図作成と同義語として使用されます。

水路測量は、受入機関によって異なる規則に基づいて行われます。従来は測深線や音響測深機を用いて船舶によって行われていましたが、浅瀬では航空機や高度な電子センサーシステムを用いた調査がますます増えています。

沖合調査は、主に海底の状態と海底と相互作用する 海底油田インフラの状態の記述に関係する水路調査の特定の分野です。

組織

国内および海外のオフィス

水路部は海軍の伝統から発展したもので、通常は各国の海軍組織内に設置されています。例えば、スペインのInstituto Hidrográfico de la Marine （水路研究所） [ 1 ]などが挙げられます。これらの組織の調整と製品の標準化は、水路測量と航行の安全の向上を目的として、国際水路機関（IHO）によって自主的に行われています。IHOは、加盟国が遵守する規格[ 2 ]と仕様書[3]を発行するほか、水路測量に関心を持つ関係者との覚書や協力協定[ 4 ]も締結しています。

このような水路測量の成果は、各国の機関が発行する海図に最もよく見られ、国際海事機関（IMO）[ 4 ] 、海上人命安全条約（SOLAS）[ 5 ]、および安全上の理由から船舶に備え付けることが義務付けられています。これらの海図は、IHO規格に基づき電子形式で提供・利用されることが増えています。

非国家機関

国家レベル以下の政府機関は、管轄区域内の水域において、内部資産と契約資産の両方を用いて水路測量を実施または委託しています。こうした測量は、特に海図作成・配布、あるいは国有水域の浚渫を目的とする場合は、通常、国家機関によって、あるいはその監督下もしくは承認された基準に基づいて実施されます。

アメリカ合衆国では、調査データの収集と公開において国立水路データセットと連携しています。[ 6 ]各州の環境団体は、それぞれ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

民間企業も、特に浚渫、海洋建設、石油探査、掘削産業において、大規模な水路測量や地球物理調査を行っています。海底通信ケーブル[ 8 ]や電力ケーブル[ 9 ]を敷設する産業企業は、敷設前にケーブルルートの詳細な調査を必要としており、以前は軍事用途にしか使用されていなかった音響画像機器を調査に利用するケースが増えています[ 10 ] 。こうした調査を実施するために、民間企業と政府機関の両方と契約できる設備と専門知識を備えた専門企業も存在します。

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、その水路の水路測量に資金を提供することがよくあります。また、大規模な公共プロジェクトを請け負う設計・エンジニアリング会社を支援するために、測量会社が契約を結んでいる場合もあります。[ 11 ]浚渫作業の前と完了後には、民間による測量も行われます。大規模な私有の船着き場、桟橋、その他の水辺施設を所有する企業は、施設とその周辺の開水域を定期的に測量しており、モルディブのように浸食の影響を受ける地域の島々も同様です。

方法

鉛線と測深棒

水路測量の歴史は、航海の歴史とほぼ同じくらいに遡ります。[ 12 ]何世紀にもわたって、水路測量には鉛索（深度目盛りが鉛の重りに取り付けられたロープまたはラインで、船の側面から下ろすと片方の端が海底に沈みます）と測深棒（深度目盛りが付いた棒で、船の側面から突き刺して海底に接触させます）の使用が必要でした。どちらの場合も、測定された深度は手作業で読み取り、記録する必要があり、三点六分儀で決定された地図上の基準点に対する各測定の位置も記録する必要がありました。このプロセスは労働集約的で時間がかかり、個々の深度測定は正確であったとしても、実際には徹底的な測量であっても、調査対象区域に対する測深測定の回数は限られており、必然的に測深の間には測定範囲のギャップが生じていました。[ 12 ]

ワイヤードラッグ測量

1904年、ワイヤードラッグ調査が水路測量に導入され、米国沿岸測地測量局のニコラス・H・ヘックは1906年から1916年にかけて、この技術の開発と完成に重要な役割を果たしました。[ 13 ]ワイヤードラッグ法では、2隻の船舶に取り付けられ、重りとブイによって一定の水深に設置されたワイヤーが、2点間で引きずられます。ワイヤーが障害物に遭遇すると、ワイヤーは張って「V」字型になります。「V」字の位置から、水中の岩、難破船、その他の障害物の位置がわかり、ワイヤーが設置された水深から、障害物に遭遇した水深がわかります。[ 12 ]この方法は、鉛線や測深柱を用いるよりも迅速で、労力が少なく、はるかに完全な水域の調査を可能にしたため、水路測量に革命をもたらしました。航行の安全の観点から見ると、ワイヤードラッグ調査では、ドラッグワイヤーの深さを超える航行上の危険を見逃すことはありません。

  • ワイヤードラッグ水路測量作業（図）、米国沿岸測地測量部、1920 年頃。
    ワイヤードラッグ水路測量作業（図）、米国沿岸測地測量局、1920 年頃。
  • 2 隻の船による海洋調査の原理、ノルウェー海調査、1932 年。
    2 隻の船による海洋調査の原理、ノルウェー海調査、1932 年。
  • 使用されたツールの技術的詳細、ノルウェー海調査、1930 年。
    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の登場以前は、広い海域で障害物や行方不明の船舶や航空機を捜索するには、ワイヤードラッグ測量が唯一の方法でした。[ 14 ] 1906年から1916年にかけて、ヘックはワイヤードラッグシステムの能力を、比較的限られた範囲から幅2～3海里（3.7～5.6km、2.3～3.5マイル）の水路をカバーするものに拡張しました。[ 15 ]ワイヤードラッグ技術は、20世紀の残りの大部分で水路測量に大きく貢献しました。米国ではワイヤードラッグ測量が非常に重要であったため、数十年にわたって米国沿岸測地測量局、後に米国海洋大気庁は、特にそのような調査で協力するため、同一設計の姉妹船2隻を派遣しました。 USC&GSマリンディンとUSC&GSオグデンは1919 年から 1942 年までワイヤードラグ調査を共同で実施し、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ヘック(ASV 91) (後のNOAASヘック(S 591) ) は 1967 年からワイヤードラグ作業で共同作業を行った。[ 12 ] [ 14 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

1950年代、1960年代、そして1970年代にかけて、サイドスキャンソナーやマルチビームスワスシステムといった新しい電子技術が登場し、ワイヤードラグシステムは時代遅れになった。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、マルチビームシステムは調査区域の海底100%の深度データを生成できた。これらの技術により、ワイヤードラグ調査では2隻の船が必要だった作業を1隻の船で行うことができるようになり、ワイヤードラグ調査は1990年代初頭についに終焉を迎えた。[ 12 ] [ 15 ]ワイヤードラグ調査では船が共同作業する必要がなくなり、例えば米国海洋大気庁（NOAA）では、ルード号とヘック号は晩年に独立して活動した。[ 14 ] [ 19 ]

シングルビームエコーサウンダー

1930年代には、ソナーを用いて船底深度を測定するシングルビーム式音響測深機とファソメーターの実用化が始まりました。これにより、鉛線や測深ポールを用いた測深に比べて、船底深度に関する情報を一定間隔で複数本の測深線から収集することが可能となり、測深データの取得速度が大幅に向上しました。しかし、船舶が測深した海底の帯状の部分の間の深度情報が欠落しているという、従来の方法と同様の弱点がありました。[ 12 ]

マルチビームエコーサウンダー

マルチビーム・エコーサウンダー（MBES）は、海底の測量に使用されるソナーの一種です。送受信機の下から扇状に音波を発射します。音波が海底で反射して受信機に戻ってくるまでの時間から水深を計算します。他のソナーやエコーサウンダーとは異なり、MBESはビームフォーミングを用いて返ってくる音波から方向情報を抽出し、1回の音程で 広範囲の深度データを生成します。

契約調査要件の中に「LINZのすべてのMBES調査では、高解像度で地理参照された後方散乱強度を記録し、調査成果物としてレンダリングする」[ 20 ]などの表現が明示的に含まれていることは、水路測量コミュニティ全体がMBES技術の採用によって得られる利益を受け入れていること、特に音響後方散乱データを提供するMBESが貴重なツールであること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。

マルチスペクトル・マルチビーム・エコーサウンダー[ 21 ]の導入は、水路測量コミュニティに、より迅速に、より優れたデータを多目的に取得するためのより優れたツールを提供する技術革新の軌跡を継続するものである。マルチスペクトル・マルチビーム・エコーサウンダーは、海底から返ってくるエコーの強度に関する主な懸念が、それが十分に大きく、記録（検知）されるかどうかであった音響測深の黎明期から、水路測量における多くの進歩の集大成である。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歪材料と圧電材料の能力に基づいていた。最終的に、初期の単一垂直ビーム音響測深機の動作周波数は、底が硬い場合（主に砂、小石、玉石、岩、または岩で構成されている）の測定深度にほとんどまたは全く影響しないのに対し、底が柔らかい場合（主にシルト、泥、または綿状懸濁液で構成されている）の測定深度には顕著な周波数依存性があることが明らかになりました。[ 22 ]高周波単一垂直ビーム音響測深機は、低周波数では音響的に透明に見えても、高多孔性堆積物からの検出可能なエコー振幅を提供できることが観察されました。

1960年代後半には、シングルビーム水路測量が広く間隔を置いたトラックラインを用いて実施され、海底データにおける浅い（ピーク）測量が深層測量よりも優先して記録に残されました。同時期に、初期のサイドスキャンソナーが浅水域水路測量の実務に導入されました。初期のサイドスキャンソナーの周波数は工学設計上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点は振幅の値ではなく、振幅が空間的に変化する点でした。実際、検出可能なエコー振幅が欠落している領域（影）に基づいて、海底の形状や海底上の人工物に関する重要な情報が推定されました[ 23 ]。 1979年、「浮泥」での測量の問題を技術的に解決することを期待して、国立海洋調査局（NOS）局長はNOS研究チームを設立し、代替の浅水深測深機の機能仕様を決定するための調査を行いました。[ 24 ] この研究の成果は、現在でも広く使用されている垂直ビーム式深度測定装置の一種である。この装置は、2オクターブ以上離れた2つの音響周波数で同時に音波を発射し、単一の垂直斜角ではあるが、空間的にも時間的にも同時に深度とエコー振幅を測定する。

第一世代のMBESは、深海における海底地形図作成に特化していました。これらの先駆的なMBESは、海底地形（山と深海の両方を表す）の正確な測定を目的としていたため、振幅をほとんど、あるいは全く明示的に利用していませんでした。さらに、その技術的特性上、エコー振幅の空間的変化を観察することは容易ではありませんでした。 [ 25 ]初期のMBESによる海底地形調査の後、単周波サイドスキャンソナーが海底の高画質画像を作成し始め、異なる種類の堆積物をある程度識別できるようになった頃、MBESからのエコー振幅の可能性が認識されました。[ 26 ]

マーティ・クラインがデュアル周波数（公称100kHzと500kHz）サイドスキャンソナーを導入したことで、任意の海底から、これら2つの大きく離れた音響周波数において空間的にも時間的にも一致する後方散乱波が、その海域の2つの異なる画像を提供する可能性が高いことが明らかになりました。確かに、航路に沿った入射ビームパターンと受信ビームパターンは異なり、水深データがないため、正確な後方散乱角は不明でした。しかし、2つの周波数におけるサイドスキャン航路横断方向の散乱角の重なりは常に同じでした。

1992年にマサチューセッツ州ケープコッド沖でクイーン・エリザベス2号が座礁した後[ 27 ]、浅海調査の重点は、測深の空間分解能をさらに向上させるため、動作周波数を上げたMBESを使用する完全な海底カバレッジ調査へと移行した。航路を横切る扇形の超音波照射幅を持つサイドスキャンソナーが、航路を横切るエコー振幅の変化をうまく利用して海底の高品質画像を実現していたことを考えると、新しい単調な高周波数浅海MBESに伴う、扇形の航路を横切る超音波照射パターンも海底画像に利用できるようになるのは自然な流れのように思われた。MBES海底画像化の初期の試みで取得された画像はそれほど素晴らしいものではなかったが、幸いにも改善が見られつつあった。

サイドスキャンソナーは、超音波ビームと完全に一直線になっている受信ビームからの連続エコーリターンを、送信後時間を使用して解析します。この技術は、水深とソナー受信トランスデューサーの航跡横断ビームの開口角に依存しません。マルチビーム画像化の初期の試みでは、MBES 扇形超音波ビームと部分的にのみ重なる複数の受信ビームを使用して、連続エコーリターンを水深と受信機の航跡横断ビームの開口角に依存する間隔に分割しました。その結果、分割された間隔は、時間の長さと送信後時間の両方で均一ではありませんでした。ビーム解析された各セグメントの各ピングからの後方散乱は、単一の値に縮小され、そのビームの測定された測深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。その後の MBES 海底画像化の修正では、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。[ 28 ]各ピングにおいて、各ビームからの各スニペットは送信後時間に応じてさらに解析された。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、そのピングにおいて2つの隣接するクロストラックビームで測定された測深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た。MBES画像へのスニペットの修正により、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値の数が増え、また、実際に測定されたエコー振幅を表す画像内のピクセルの空間分布がより均一になったため、画像の品質が大幅に向上した。

マルチスペクトル・マルチビーム・エコーサウンダ[ 29 ]の導入は、水路測量の進歩をさらに推し進めました。特に、マルチスペクトル・マルチビーム・エコーサウンダは、海底の「マルチルック」深度測定値を提供するだけでなく、それらの深度測定値と空間的および時間的に一致するマルチスペクトル・バックスキャッタデータも提供します。マルチスペクトル・マルチビーム・エコーサウンダは、出力データセット内の各バックスキャッタ振幅の原点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、バックスキャッタ測定値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、従来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・エコーサウンダから得られる水深データの固有の精度は、音響バックスキャッタ角度応答関数を用いて異なる堆積物の種類を区別しようとするユーザーにとっても利点となります。マルチスペクトルマルチビームエコーサウンダーは、広く離れた音響周波数で、任意の海底から空間的かつ時間的に一致する後方散乱が、海景の別個かつユニークな画像を提供するという事実を裏付けています。[ 30 ]

クラウドソーシング

クラウドソーシングは、 OpenSeaMap、[ 31 ] TeamSurv Archived 29 December 2020 at the Wayback Machineや ARGUSなどのプロジェクトを通じて水路測量にも参入しつつある。ここでは、ボランティアの船舶が標準的な航行機器を使用して位置、深度、時刻データを記録し、その後、データは音速、潮汐、その他の補正を考慮して後処理される。このアプローチでは、専門知識は航海後にサーバーにアップロードされたデータを処理することにあるため、特定の調査船や専門資格を持つ測量士が乗船する必要はない。明らかなコスト削減とは別に、これはエリアの継続的な調査も提供するが、欠点は、観察者を募集し、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ある。0.1～0.2 mの精度になることもあるが、このアプローチは、必要な場合に厳密な体系的な調査の代わりになることはできない。それでも、高解像度、高精度の調査が必要ない、費用が高すぎる、または単にまだ実施されていない多くの要件に対して、結果は十分であることが多いです。

海洋一般水深図

海洋一般水深図（ GEBCO）は、世界の海洋の海底地形図として公開されています。このプロジェクトは、海底の概略形状を示す世界規模の海図シリーズを作成することを目的として構想されました。長年にわたり、GEBCOは科学者をはじめとする人々にとって、世界の海洋の 水深に関する参考地図となっています。

現代の統合水路測量

NOAA水路測量船がマルチビームおよびサイドスキャンソナーの運用を行っている様子を示す図

適切な浅瀬地域では、ライダー（光検出および測距）が使用される場合がある。[ 32 ]機器は、ゾディアック、小型船舶、自律型水中ビークル（AUV）、無人水中ビークル（UUV）、遠隔操作ビークル（ROV）、または大型船舶などの膨張式船舶に搭載することができ、サイドスキャン、シングルビーム、マルチビームの機器を含めることができる。[ 33 ] かつては、海上安全および科学的または工学的な水深測量図のための水路測量データの収集に、異なるデータ収集方法と標準が使用されていたが、収集技術とコンピュータ処理の改善により、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ることが増えている。

データは収集された後、後処理が必要です。典型的な水路測量では膨大な量のデータが収集され、1平方フィートあたり数回の測深が行われることもよくあります。データの最終用途 (航行用海図、数値地形モデル、浚渫の土量計算、地形図、測深など) に応じて、このデータを間引く必要があります。また、誤差 (つまり、測深不良) や潮汐、隆起、水位[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]塩分、サーモクライン(水温の差) の影響を修正する必要があります。音速は温度と塩分によって変化し、精度に影響するからです。通常、測深士は、測深を修正するために必要なデータを測定して記録するために、追加のデータ収集機器を現場に持っています。最終的な海図出力は、専用の海図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は、従来の方法の基準に達することは稀ですが、使用されるアルゴリズムは高密度のデータを利用することで、単一測定よりも正確な最終結果を生成します。クラウドソーシングによる測量とマルチビーム測量を比較すると、クラウドソーシングによる測量の精度は±0.1～0.2メートル（約4～8インチ）程度であることが示されています。

参照

参考文献

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NOAA は、NOAA サイト上で調査結果、図表、データの膨大なデータベースを維持しています。

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