В настоящее время при проведении океанологических исследований все более широкое применение находят технические средства акустического зондирования – эхолоты, гидролокаторы бокового обзора и акустические профилографы. Акустическое профилирование толщи водонасыщенных донных отложений является одним из основных методов, применяемых при изучении подповерхностного строения донного грунта. В нашей стране аппаратура для проведения акустического профилирования дна для научных исследований, впервые была создана и применена Н.А. Римским-Корсаковым [1]. В 1990-х гг. началось применение аппаратуры для акустического профилирования на реках и других внутренних водоемах [2], для решения как научных, так и прикладных задач.
В последующие десятилетия эта область получила бурное развитие, в настоящее время акустические профилографы (преимущественно зарубежного производства) имеются на научно-исследовательских судах, а также во многих организациях, выполняющих изыскательские работы, связанные со строительством гидросооружений, обслуживанием нужд нефтегазового комплекса и другими задачами.
Использование акустического профилирования доказало свою эффективность для проведения работ различного назначения, как научно-исследовательских, так и прикладного характера – для изыскательских целей, поиска и пр. Одним из наиболее востребованных направлений для применения подобных приборов являются геолого-геоморфологические исследования шельфа, эстуарных зон и русел рек.
Оптимальным для решения задачи наиболее полной и достоверной интерпретации данных акустического профилирования толщи донных отложений является его проведение группой экспертов – специалистов ряда отраслей знания – геологов, геоморфологов, биологов, инженеров и др., которые в процессе непосредственного общения могут обмениваться информацией. При проведении крупных комплексных экспедиций, на больших научно-исследовательских судах, так и поступают при интерпретации данных наиболее интересных, ключевых участков. Во всех остальных случаях приходится обрабатывать данные последовательно, передавая материалы от специалиста к специалисту.
В Институте океанологии им. П.П. Шир- шова РАН довольно давно известна и широко применяется методика обработки комплекса данных, полученных с помощью эхолотирования, гидролокационной съёмки поверхности дна и акустического профилирования толщи донных отложений [3–5]. При многочисленных положительных качествах этой методики, ограничением ее применения является наличие специального программного обеспечения (ПО), которое даже при свободном его распространении, не всегда применяется специалистами смежных областей, так как требует времени и определенных усилий для его освоения. С другой стороны, в научной практике известно применение специалистами различных отраслей знания одного и того же программного пакета для обработки и представления результатов исследований. В частности, в области наук о Земле к такому ПО можно отнести программу Surfer, фирмы Golden Software, Inc. Эту программу используют практически все специалисты, работающие в области океанологии. Она широко применяется в гидрофизике, гидрохимии, экологии донных сообществ и других дисциплинах для обработки и представления данных по разрезам. Таким образом, целью данной работы было создание методики последовательной обработки данных акустического профилирования, в которой предусматривается, что обмен данными и суммирование результатов происходит в общеизвестной программе Surfer, а отдельные участники процесса могут применять специализированное ПО.
Материалы и методы исследования
В данной статье описана методика обработки данных акустического профилирования, выполненная на шельфе Крыма в 2017–2019 гг., в экспедициях на МНИС «Ашамба» и НИС «Пеленг» на примере 8-й версии программы Surfer. Это связано с тем, что в силу известных причин не все научные учреждения могут своевременно обновлять применяемое ПО. Тем не менее ее возможностей вполне хватает для качественной постобработки данных, хотя применение современных версий, несомненно, делает работу более удобной, быстрой и обладает рядом дополнительных возможностей. Описываемая методика не является исчерпывающей и описывает только первый, «технический» этап обработки данных, который осуществляется специалистами в области подводной техники. Результатом их работы является представление полученных данных в виде удобном и понятном для специалистов других направлений – геологов, геоморфологов, биологов и т.д. Кроме программы Surfer, на этом этапе используется специализированное ПО – Ehograf, Winrastr и KRAVCH-1, созданное специалистами ИО РАН им. П.П. Ширшова.
Результаты исследования и их обсуждение
На начальном этапе обработки общую информацию о полученных файлах данных необходимо систематизировать в таблице. Начинать её построение желательно во время выполнения съёмки. Наиболее важной информацией в таблице являются координаты начала и конца файлов, входящих в разрезы. Причем они необходимы в географической, прямоугольной и линейной (метры от начальной точки разреза) системах координат. Также таблица должна содержать данные о диапазоне работы профилографа, курс (путевой угол), скорость и т.д. Важными являются сведения о маневрах судна, которые могут быть вызваны ситуациями, связанными с безопасностью судовождения, расхождением судов и т.п. Отсутствие этих сведений может привести к существенным ошибкам при интерпретации данных. При заполнении таблицы производится сверка данных со схемой (картой) галсов, которую удобно строить в программе Surfer, используя опцию Post map, которая позволяет строить карты «точек наблюдений», в нашем случае точек, где есть определения спутниковой системы навигации во время выполнения съёмки. Для их построения используются файлы с расширением .nav, которые автоматически создаются в процессе движения по галсу программой «Ehograf». Отбраковываются файлы, где существенно менялись скорость и направление движения судна. При необходимости их можно будет использовать позже, если, по результатам дешифрирования, возникнут вопросы, разрешить которые можно только с использованием данных, содержащихся в этих файлах. Далее файлы, которые признаны безоговорочно годными, обрабатываются в программе «Winrastr» или KRAVCH-1, в зависимости от вида оборудования, с помощью которого производилась съёмка. В этих программах, с учетом навигационной привязки, строятся масштабированные файлы изображений толщи донных отложений в графических форматах BMP или JPEG, которые затем импортируются в Surfer Для программы Winrastr их удобно строить в черно-белой палитре, где максимуму сигнала соответствует черный тон. Программы «Winrastr» и KRAVCH-1 позволяют создать на профилограммах сетку графления по глубине и расстоянию, но удобнее это сделать позже, в программе «Surfer». Полученные изображения толщи донных отложений импортируются в программу «Surfer» с помощью команд Plot – Map-Base Map. Координаты импортированных изображений «Surfer» строят в условной системе координат, которая зависит от характеристик исходного .bmp файла и не связана с навигационными параметрами. Эту систему координат необходимо преобразовать в прямоугольную систему координат с осями оцифрованными в метрах (или в метрах для шкалы глубин и километрах для шкалы расстояний). Для этого используются вкладки Property – Base Map. Для оси расстояний это не представляет труда, просто для данного файла подставляются значения в метрах начала и конца части разреза из таблицы исходных данных. Для оси глубин эта операция немного сложнее. Необходимо началу развертки профилографа на изображении присвоить значение заглубления антенны, а концу – максимальное значение диапазона развертки. В общем случае, граница импортированного изображения может не соответствовать началу развертки, тогда, с помощью функции Map-Digitaze определяют координату положения антенны в условных единицах. Далее определяется величина диапазона развертки в условных единицах (как разность максимального значения диапазона и значения координаты антенны). После этого определяется коэффициент пересчета от условных единиц к метрам и вычисляется значение нуля условной системы координат в метрах (оно может быть отрицательным). Далее эти операции проделывается последовательно со всеми файлами разреза, и результаты сохраняются в отдельной папке. Следует сказать, что файлам и папкам необходимо присваивать осмысленные имена, информирующие об их содержимом и этапе обработки. В противном случае через некоторое время будет трудно разобраться в большом количестве файлов. Алгоритм присвоения имён желательно описать в отдельном файле Read me, где будет сохраняться сопутствующая информация о ходе обработки данных. Следующим шагом, после перевода всех файлов разреза в линейную систему координат, будет оцифровка поверхности дна и границ слоев донных отложений, которая выполняется с помощью функции Map-Digitaze. Выполнение оцифровки поверхности дна и акустических границ между слоями донных отложений возможно в нескольких вариантах. Наиболее правильным является вариант, когда акустические изображения из отдельных файлов собираются в один суммарный и по нему проводится оцифровка слоев. На практике это не всегда выполнимо, если данные имеют большой объем. В этом случае оцифровку целесообразно проводить, оцифровывая каждый слой последовательно по всем файлам разреза, начиная с поверхности дна (рис. 1).
В процессе получения фрагментов профиля разреза их необходимо собирать в отдельном окне плот документа. Это необходимо для недопущения ошибок в обработке отдельных файлов, которые будет трудно выявить в суммарном файле. При этом удобно иметь рабочую систему, в которой каждый файл и каждый слой имеет свое цветографическое обозначение. Иногда возникают затруднения при стыковке слоев оцифрованных в отдельных файлах. В этом случае удобно поместить на плот сборки отдельное изображение, которое оцифровывается, что позволит легче выявить залегание слоев.
При оцифровке необходимо учитывать, что на изображениях могут присутствовать артефакты, которые могут искажать реальную картину. Прежде всего, к ним надо отнести помехи связанные с изменением скорости и направлением движения судна, вследствие которых на записях могут появляться возвышенности и депрессии (рис. 3).
Рис. 1. Последовательная оцифровка отражающих границ на соседних файлах разреза. Слева шкала расстояний от начала разреза, внизу шкала глубин. Обе шкалы в метрах
Рис. 2. Сводное изображение, выделенных при первичном дешифрировании отражающих границ. Шкала расстояния от начала разреза и шкала глубин заняли привычные места – расстояния по горизонтали, глубины по вертикали. Обе шкалы в метрах
При проведении работ на реках, в стеснённых акваториях, могут присутствовать помехи, создаваемые близко проходящими судами, гидротехническими сооружениями и т.п. Многие неоднозначные моменты, возникающие при обработке данных, позволяет прояснить информация, содержащаяся в специализированной литературе. В частности, при обработке материалов по шельфу Крыма существенно помогли сведения, содержащиеся в источниках [6–8].
Рис. 3. Пример изображения помех, вызванных нестабильным движением подводного носителя
Рис. 4. Пример изображений объектов, которые не выражаются в масштабе разреза, но важны для понимания геолого-геоморфологической обстановки района. Проявления тектонических движений земной коры (разлом) на поверхности дна (слева); ряд разломов, погребенных в осадках (справа)
При оцифровке слоев оператор сталкивается с ситуациями, когда он обнаруживает объекты, которые не входят в системы классификации, которая принята в данном случае, или объекты не могут быть видны при принятом масштабе разреза. Такие аномальные объекты нельзя игнорировать, они могут существенно прояснить картину при последующем анализе данных другими специалистами. Эти объекты можно показать условными знаками и в приложении к материалам дешифрирования дать их акустические изображения. Условными знаками также удобно отображать сопутствующую информацию, например типы донных грунтов, известных по данным пробоотбора или из других источников.
Рис. 5. Итоговый разрез, построенный с применением, описанной методики [9]. Геолого-литологический разрез внутреннего шельфа на Керченском полигоне в районе – мыса Кызыл-Аул. 1 – современные черноморские отложения (джеметинские и каламитские слои), 2 – древнечерноморские отложения (бугазские и новоэвксинские слои), 3 – коренные неогеновые породы (сарматские слои), 4 – диапировая складчатость
Материалы первичной обработки передаются для последующей работы специалистам геолого-геоморфологической направленности. В них входят: полученные схемы отражающих границ, изображения осадочной толщи, схемы планового положения галсов с расположением отдельных файлов акустического профилирования, схемы планового положения выявленных объектов и легенда их классификации. Файлы данных передаются в форматах принятых в ПО Surfer. При необходимости эти же файлы могут быть продублированы в известных графических форматах BMP или JPEG. На рис. 5 показан пример разреза, построенного по данной методике.
Выводы
Применение данной методики для первичной обработки материалов акустического профилирования толщи водонасышенных донных отложений показало свою эффективность и удобство при совместной работе группы специалистов. К её положительным качествам нужно отнести возможность на любом этапе обработки вернуться к первичным данным и внести необходимые исправления.
Работа выполнена в рамках государственного задания ИО РАН (тема № 0149-2019-0011) при частичной поддержке РФФИ (проект Арктика № 18-05-60070 и проект РГО-а № 17-05-41041).
Автор выражает благодарность Н.А. Римскому-Корсакову, В.Н. Коротаеву, В.В. Иванову за помощь и многочисленные консультации, а также коллегам – А.Д. Мутовкину, И.М. Анисимову и В.Ю. Кузьмину, совместно с которыми проводились экспедиционные работы.