أجهزة المساحة البحرية Instrumentation

أجهزة المساحة البحرية Instrumentation

أولاً – تحديد الموقع Positioning

منظومة الملاحة العالمية GPS

يتطلب العمل فى البحر أجهزة تحديد للموقع تتميز بإمكانيات كبيرة فى دقة وسرعة تحديد الموقع بصفة مستمرة وتحت جميع الظروف الجوية وفى الحقيقة أصبح يعتمد على أجهزة DGPS بشكل شبه كامل فى هذه الأيام ولا سيما فى المناطق البعيدة عن الساحل offshore بينما مازال استخدام أجهزة أخرى مثل Total Station فى المناطق القريبة من الساحل near shore

ونظام تحديد الموقع بالأقمار الصناعية هو أحد منظومات الملاحة العالمية التى انفردت الولايات المتحدة بإنشائه والتى بدأت فيه فى الثمانينيات من القرن الماضي واكتملت منظومته عام 1996 ويتكون النظام GPS من ثلاثة أقسام رئيسية: الأول هو مجموعة الأقمار الصناعية التى تدور حول الأرض وعددها عادة 24 قمر موزعة على ستة مدارات شبه كروية ويبلغ ارتفاع المدار حوالي 20200 كم عن سطح الأرض والقسم الثاني هو محطات التحكم والمتابعة الأرضية أما القسم الثالث فهو عبارة عن أجهزة الاستقبال Receivers المختلفة الخاصة بالمستخدمين users

وتعتمد فكرة النظام على قياسات آنية لأشباه المسافات Pseudo ranges بين المستخدم وبين أربعة أقمار حيث يمكن تعيين إحداثيات الراصد انطلاقا من إحداثيات القمر الصناعي المعروفة ومن وجهة نظر هندسية بحتة يكفى 3 أقمار فقط لقياس المسافة ولكن يبقى الرابع ضروريا لأن نظام GPS يستخدم طريقة one-way ranging techniqueأي قياس المسافة باتجاه واحد وحيث أن أجهزة تحديد الزمن فى المستقبلات غير متزامنة مع ساعات القمر فإن خطأ تزامن تلك الساعتين هو سبب تسميته بأشباه المسافات.

وقد أعلن منذ البداية أن المستخدمين المدنيين للنظام سوف يتمتعون بدقة محدودة للنظام بوجود خطأ متعمد Selective Availability ، ولهذا تم ابتكار نظام التصحيح التفاضلي differential correction الذى يمكننا من التغلب على تأثيرات S/A وحذف معظم الأخطاء المؤثرة على دقة القياس وتعتمد فكرة النظام التفاضلي على إنشاء محطة إسناد بدقة عالية جدا وفقا للأساس الجيوديسي الذى يعمل عليه نظام الأقمار الصناعية وهو WGS 84 ، وقد أمكن الوصول بتلك الطريقة إلى دقة تصل إلى 1 – 3 أمتار ويمكن رفعها إلى أقل من 0.1 متر باستخدام نظم التصحيح المتقدمة

تحديد الاتجاهات Heading Sensors

ويستخدم لذلك البوصلات الجيروسكوبية Gyroscopic compass التى تستطيع تحديد اتجاه الشمال الحقيقى (الجغرافي) true north بدقة عالية تصل إلى 0.1 درجة

الجيوديسي Geodesy

من أهم العلوم المرتبطة بهذا المجال علوم المساحة الجيودسية وإسقاط الخرائط التى تبحث في شكل الأرض الحقيقى وأبعاده مع تمثيله على الخرائط المساحية والمجال لا يتسع هنا حتى لذكر نبذه عن هذه العلوم فضلاً عن أن تلك العلوم من المواد الأساسية التى تدرس للمتخصصين ولكننا سنكتفي ببيان المسقط المستخدم فى الخرائط المساحية البحرية

Universal Transverse Mercator Projection (UTM)

ُاعتمٍدَ هذا النوع من الإسقاط عالمياً فى رسم الخرائط البحرية سواء لأغراض الملاحة أو المساحة ويقوم على أساس تقسيم العالم إلى نطاقات Zone كل 6 درجات طولية على أن يبدأ النطاق الأول Zone 1 عند خط طول 180 ويمتد من الاستواء وحتى دائرة عرض 80 درجة شمالا وجنوبا ، وتكون معاملات Parameters المسقط كالآتي:

Central Meridian: the longitude for the center of a particular zone

Latitude of Origin: the equator, 0 degree north / south

Scale Factor on the center meridian: 0.9996

False Easting (of the center meridian): 500000 mE

False Northing (of the origin):0 mN for the northern hemisphere and 10000000 m N for the southern hemisphere.

الارتفاعات Heights

الارتفاعات والأعماق من أهم المفاهيم المرتبطة بتمثيل ظواهر الأرض أو الأعماق على الخرائط المساحية و فيما يلي مخطط يلخص كل مفاهيم الارتفاعات وعلاقاتها بمستوى إسناد الخريطة Chart Datum و الذى يمكن تعريفه بأنه المستوى الأفقي الذى تنسب له الأعماق على الخرائط البحرية.

تحديد الموقع تحت الماء Hydroacoustic Positioning Reference

تتم معظم العمليات المساحية بإنزال مجسات Sensors وأجهزة الكشف تحت سطح الماء مما يستلزم معرفة مكانها باستمرار أثناء المسح ويستخدم لذلك أجهزة تحديد الموقع تحت الماء وتقوم فكره الجهاز على تثبيت مصدر صوتي يسمى Beacon على الهدف المراد معرفة موقعه ، ويقوم البيكون بإطلاق النبضات الصوتية بشكل مستمر بينما يثبت فى قاع السفينة أو الحفار هيدروفون الذى يقوم بالتقاط تلك الموجات وبقياس فرق الزمن وفرق الطور يمكن حساب المسافة والاتجاه من البيكون إلى الهيدروفون وبالتالى حساب موقع الهدف.

وهنا نرى مخطط لسفينة تستعمل تلك المنظومة لتحديد موقع ROV (يمين) ووحدة التحكم والإظهار (يسار)

ثانياً – المساحة الباثيمترية Bathymetry Survey

ويقصد بها جس الأعماق مع بيان طبيعة نوع القاع (صخرى/رملى/طينى) والظواهر الموجودة عليه كأنابيب البترول والكابلات البحرية.

Single Beam Echo Sounders

تستخدم أجهزة الإيكوسوندر الموجات الصوتية فى قياس العمق بقياس فرق الزمن بين وقت إطلاق نبضة صوتية acoustic plus من مذبذب Transducer فى الماء (مثبت فى سفينة المسح) وبين زمن استقبال صداها Echo وبمعلومية سرعة انتشار الصوت فى الماء يمكن حساب العمق وتسمى تلك الطريقة Sounding

Multi Channel Echosounder

تستخدم أجهزة الحزم المتعددة فى قياس الأعماق فى الحالات التى يراد فيها إجراء أعمال مسح واسعة النطاق ولتخفيض عدد خطوط المسح وفى هذه الأجهزة يتم تركيب عدة مذبذبات في شكل مروحي بحيث يغطى مساحة على كلا جانبي سفينة المسح

المسح الجانبي للأعماق Scanning Sonar

يوفر التركيب الفريد لهذا الجهاز لنا صورة “صوتية” لقاع البحر أو بمعنى أدق مورفولوجية القاع ومظاهره وهو يتركب من زوج من المبذبذبات المثبتة على جسم طوربيدى الشكل ويطلق عليها مجازا السمكة tow-fish كما بالشكل التالي:

وطول تلك السمكة فى العادة متر ونصف تقريبا وقد تصل إلى أربع أمتار فى الأجهزة التى تستخدم فى المياه العميقة ويتم إنزال تلك السمكة فى الماء وقطرها وراء سفينة المسح وذلك بسرعة لا تتجاوز 4 عقدة حيث تنطلق النبضات الصوتية من كلا المذبذبين يمينا ويسارا لتغطي منطقة يصل عرضها إلى 200 متر.

وأي ظواهر لقاع البحر كحطام السفن الغارقة وأنابيب البترول والكابلات البحرية والصخور الكبيرة وخلافه تظهر على شاشة الإظهار بالسطح وفى الصورة التالية حطام سفينة غارقة كما يبدو على شاشة الجهاز.

ثالثاً – Sub-bottom Profiler

يقصد بهذا المصطلح التقنيات المستخدمة فى الكشف عن نوع وسمك طبقات قاع البحر حتى 500 متر مستخدمه نفس تقنيات النبضات الصوتية الموضحة فى تمهيد هذا الفصل.

Pingers

يستخدم ذلك الجهاز ترددات عالية تتراوح بين 3.5 – 7 KHz تستطيع تلك النبضات النفاذ داخل قاع البحر حتى 50 مترا ويستطيع الكشف عن رواسب يصل سمك طبقاتها إلى 30 سنتيمترا فقط.

Boomers

يستخدم ذلك الجهاز ترددات متوسطة تتراوح بين 500 Hz – 5 KHz تستطيع تلك النبضات النفاذ داخل قاع البحر حتى 100 مترا ويستطيع الكشف عن رواسب يصل سمك طبقاتها إلى متر واحد فقط.

Sparkers

تمتاز هذه الأجهزة بقدرتها على توليد موجات تستطيع اختراق قاع البحر حتى ألف متر ولكن هناك قيود كثيرة على استخدامها حاليا نظراً لما تسببه من أضرار بليغة للثدييات البحرية.

رابعاً – مركبات التحكم عن بعد Remotely Operated Vehicles

اصطلح على تسمية تلك المركبات اختصاراً ROV وهي مركبات تدار آليا عن بعد حيث يكون قائدها Pilot موجود على سطح السفينة بينما يتم إنزال المركبة إلى الماء ولأعماق كبيرة تصل إلى 4000 متر ويكون التحكم فيها بواسطة كابل طويل Umbilical يصل بينها وبين وحدة التحكم على السطح، ومن خلال هذا الكابل يتم تزويد محركاتها – التى تشبه رفاصات السفن – بالطاقة الكهربية التى تتيح لها حرية الحركة الكاملة تحت الماء وبالطبع تزود بكاميرات ومصابيح تعمل تحت الماء وأيضا أنظمة السونار التي تساعدها على تخطي العوائق حتى يتسنى لقائدها التحكم بها، كما أنه يمكن تزويدها بالعديد من مجسات ومعدات المساحة مثلside scan sonar/multi beam echo sounder وغيرها.

والحقيقة فإن تصميم هذه الآلات شديد التعقيد حيث استوحى المصممون الأوائل تلك الفكرة من مركبات الفضاء ذاتية الحركة robots التى ابتكرتها وكالة أبحاث الفضاء الأمريكية ناسا وإن كانت فكرة إنزال معدات بحرية ذاتية الحركة للأعماق السحيقة كان حلما رواد الكثيرين ممن يعملون فى علوم البحار والمحيطات والتعدين البحرى وذلك لسبر أغوار البحار أملا فى استخراج المزيد من المعادن من المياه العميقة.

وقد ظهرت أول النظم من تلك المركبات تجاريا عام 1970 ومنذ الثمانينيات بدأت تشارك تلك المركبات فى عمليات المساحة البحرية والحفر و إنزال الخطوط والكابلات البحرية وغيرها من أنشطة صناعة إنتاج البترول من البحر.

وقد أدى نفاذ معظم الحقول البترولية البحرية فى المياه الضحلة فى أجزاء كثيرة من العالم إلى تزايد الطلب على هذه الأجهزة للعمل فى أعماق كبيرة لا يستطيع الجسم البشرى تحملها (من المعروف أن أقصى عمق يتحمله الجسم البشرى لا يزيد عن 150 متراً).

وفى الصورة التالية شكل يوضح ROV أثناء عملية مسح لخط بترول بحرى فيما يسمى As-Built Survey

خامساً – الحاسبات الآلية ومعالجة البيانات Processing

لا يخفى على أحد الدور الكبير الذى تلعبه الحواسيب فى حياتنا اليوم .. هذا الدور يظهر جلياً في المساحة البحرية حيث الحاجة لجمع وتسجيل كميات هائلة من المعلومات آنياً للعديد من الأجهزة والمجسات Sensors التي تبث بياناتها في نفس الوقت والتي تصل أحياناً في بعض العمليات إلى أكثر من 12 جهاز، وبالطبع يستحيل عملياً معالجة هذا الكم الهائل من المعلومات في وقت يتناسب مع الهدف من المشروع ولتقليل تكلفته وهو الهدف الأعظم الذى تحرص عليه أي مؤسسة .. لذا ظهرت العديد من البرامج المساحية المتطورة التجارية التي تخدم هذا الغرض.