水路測量

水路測量局は海軍の伝統から発展し、通常は各国の海軍組織内に存在します。例えば、スペインのInstituto Hidrográfico de la Marina（海軍水路研究所） ^{[ 1 ]}。これらの組織の調整と製品の標準化は、水路測量と安全な航行の改善を目的として、国際水路機関（IHO）によって自主的に行われています。IHOは、加盟国が従う規格と仕様^{[ 2 ]}、および水路測量関係者との覚書と協力協定^{[ 3 ]}を発行しています。

このような水路測量の成果は、多くの場合、各国の機関が発行する海図に掲載されており、国際海事機関（IMO）^{[ 4 ]} 、海上人命安全条約（SOLAS）^{[ 5 ]}、および安全目的で船舶に搭載することが義務付けられている国内規制によって定められています。近年、これらの海図はIHOの基準に基づき、電子形式で提供および使用されることが増えています。

国レベル以下の政府機関は、自らの管轄区域内の水域について、内部設備と外部委託設備の両方を用いて水路測量を実施または委託する。こうした測量は、特に海図作成・配布や国が管理する水域の浚渫を目的とする場合、一般的に国の機関によって、あるいはその監督下または承認された基準に基づいて実施される。

米国では、測量データの収集と公開において、国立水文データセットとの連携が行われています。^{[ 6 ]}州の環境団体は、それぞれの使命に関連する水文データを公開しています。^{[ 7 ]}

商業団体も大規模な水路測量や地球物理探査を実施しており、特に浚渫、海洋建設、石油探査、掘削などの業界で多く見られます。海底通信ケーブル^{[ 8 ]}や電力ケーブル^{[ 9 ]}を設置する産業団体は、設置前にケーブルルートの詳細な調査が必要であり、調査の実施時に、以前は軍事用途でのみ使用されていた音響画像装置をますます使用するようになっています。^{[ 10 ]}商業団体と政府機関の両方と契約してこのような調査を実施できる装置と専門知識の両方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、公共水路の水路測量に資金を提供することがよくあります。測量会社は、大規模な公共プロジェクトを請け負っている設計・エンジニアリング会社を支援するために測量を行う契約も結んでいます。^{[ 11 ]}民間の測量も、浚渫作業の前と完了後に実施されます。大規模な私設船着き場、ドック、その他の水辺施設を持つ企業は、自社の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侵食の程度が変動する地域の島々も同様です。

水路測量の歴史は、帆船の歴史とほぼ同じくらい古い。^{[ 12 ]}何世紀にもわたり、水路測量には、鉛の重りが付いたロープやロープで、船やボートの舷側から下ろすと片方の端が海底に沈むようにしたものと、深度目盛りが付いたポールで、海底に触れるまで舷側に突き刺すことができる測深棒の使用が必要だった。いずれの場合も、測定された深度は手動で読み取り、記録する必要があり、3点六分儀による測量で決定された地図上の基準点に対する各測定値の位置も同様に記録する必要があった。このプロセスは労力と時間がかかり、個々の深度測定値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、調査対象地域に対して測深測定できる回数は限られており、測深の間に必然的に空白が生じる。^{[ 12 ]}

1904年に、ワイヤードラッグ測量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・ヘックが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隻の船またはボートに取り付けられ、重りとブイのシステムによって一定の深さに設定されたワイヤーが2点間で引きずられました。ワイヤーが障害物に遭遇すると、ワイヤーはピンと張って「V」字型になります。「V」の位置は、水没した岩、難破船、その他の障害物の位置を示し、ワイヤーが設置された深さは、障害物に遭遇した深さを示します。^{[ 12 ]}この方法は、リードラインと測深棒を使用するよりも、より迅速で、労力が少なく、はるかに完全なエリアの測量を可能にしたため、水路測量に革命をもたらしました。航行安全の観点から言えば、ワイヤー曳航調査では、曳航ワイヤーの深さより上に突出する航行上の危険を見落とすことはないだろう。

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  ワイヤードラッグ式水路測量作業（図）、米国沿岸測地測量局、1920年頃。
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  2隻のボートを用いた海上測量の原理、ノルウェー海事測量局、1932年。
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  使用されたツールの技術的詳細、ノルウェー海測量局、1930年。

サイドスキャンソナーが登場する以前は、ワイヤードラッグ測量が、障害物や行方不明の船舶や航空機を広範囲にわたって捜索する唯一の方法でした。^{[ 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機能を比較的限られた範囲から、幅2～3海里（3.7～5.6 km、2.3～3.5マイル）の水路をカバーする範囲にまで拡大しました。^{[ 15 ]}ワイヤードラッグ技術は、20世紀の残りの期間の大部分において、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価値があったため、数十年にわたり、米国沿岸測地局、そして後に米国海洋大気庁は、このような測量で協力して作業するために、同一設計の姉妹船を2隻配備しました。USC&GS MarindinとUSC&GS Ogden は1919 年から 1942 年までワイヤー ドラッグ調査を共同で実施し、USC&GS Hilgard (ASV 82)とUSC&GS Wainwright (ASV 83)が 1942 年から 1967 年まで引き継ぎ、USC&GS Rude (ASV 90) (後にNOAAS Rude (S 590) ) と USC&GS Heck (ASV 91) (後にNOAAS Heck (S 591) ) が 1967 年以降ワイヤー ドラッグ作業で共同作業を行った。^{[ 12 ] [ 14 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}  

1950年代、1960年代、1970年代に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たことで、ワイヤードラッグシステムは最終的に時代遅れとなった。サイドスキャンソナーは航空写真と同等の忠実度で水中障害物の画像を生成でき、マルチビームシステムは調査対象海域の海底の100%の深度データを生成できた。これらの技術により、ワイヤードラッグ測量では2隻の船が必要だった作業を1隻の船で行えるようになり、ワイヤードラッグ測量は1990年代初頭にようやく終焉を迎えた。^{[ 12 ] [ 15 ]}船はワイヤードラッグ測量で協力する必要がなくなり、例えば米国海洋大気庁（NOAA）では、ルードとヘックは晩年には独立して活動していた。^{[ 14 ] [ 19 ]}

1930年代には、ソナーを使って船の下の水深を測定するシングルビーム音響測深機と測深器が実用化され始めた。これにより、船の下の水深に関する情報を特定の距離で一連の測線に収集できるようになったため、鉛線と測深棒を使った方法に比べて測深データの取得速度が大幅に向上した。しかし、船が測深した海底の帯の間の領域の水深情報が不足しているという、以前の方法と同じ弱点があった。^{[ 12 ]}

マルチビーム音響測深機（MBES）は、海底をマッピングするため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信し、その音波が海底で反射して受信機に戻ってくるまでの時間を利用して水深を算出します。他のソナーや音響測深機とは異なり、MBESはビームフォーミングを用いて反射音波から方向情報を抽出し、1回の発信で広範囲の水深データを得ることができます。

契約測量要件に「LINZ のすべての MBES 測量では、高解像度で地理参照された後方散乱強度を記録し、測量成果物としてレンダリングする」^{[ 20 ]}のような文言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 技術を採用することで得られるメリットを受け入れており、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認めていることを明確に示している。

^{マルチスペクトルマルチビーム音響測深機[ 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複数の用途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しています。マルチスペクトルマルチビーム音響測深機は、音響測深の初期の頃から水路測量における多くの進歩の集大成です。初期の音響測深機では、海底からの反射エコーの強度に関する主な懸念は、それが十分に大きいかどうか（検出できるかどうか）でした。初期の音響測深機の動作周波数は、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および圧電材料の能力に基づいていました。やがて、初期の単一垂直ビーム音響測深機の動作周波数は、海底が硬い場合（主に砂、小石、玉石、巨礫、または岩で構成されている）には測定深度にほとんど、またはまったく影響がないのに対し、海底が柔らかい場合（主にシルト、泥、または凝集懸濁液で構成されている）には測定深度に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 ]}高周波の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る堆積物であっても、高多孔性堆積物から検出可能なエコー振幅を提供できることが観察された。

1960 年代後半には、広く間隔を空けたトラックラインを使用してシングル ビーム水路測量が実施され、測深記録では、より深い測深よりも、海底データの浅い (ピーク) 測深が優先的に保持されました。同じ時期に、初期のサイド スキャン ソナーが浅水路測量の運用に導入されました。初期のサイド スキャン ソナーの周波数は、エンジニアリング設計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側面は、振幅の値ではなく、振幅が空間的に変化することでした。実際、検出可能なエコー振幅がない領域 (影) に基づいて、海底の形状や海底にある人工物に関する重要な情報が推測されました^{[ 23 ]} 1979 年、「浮遊泥」での測量の問題に対する技術的な解決策を期待して、国立海洋調査局 (NOS) の局長は、代替浅水深度計の機能仕様を決定するための調査を実施する NOS 研究チームを設立しました。^{[ 24 ]} この研究の結果、現在でも広く使用されている垂直ビーム深度計が開発されました。これは、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信し、単一の垂直入射角ではあるものの、空間的にも時間的にも同時的な深度とエコー振幅の測定を行いました。

最初の世代のMBESは、深海の海底をマッピングすることに特化していました。これらの先駆的なMBESは、振幅を明示的に使用することはほとんど、あるいは全くありませんでした。その目的は、海底地形（ピークと深部の両方を表す）を正確に測定することだったからです。さらに、その技術的特性により、エコー振幅の空間的変動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海底地形調査の後、単一周波数サイドスキャンソナーが、異なる種類の堆積物をある程度識別できる高品質の海底画像を生成し始めた頃に、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・クラインが二周波（公称100kHz と 500kHz）サイドスキャンソナーを導入したことで、これらの大きく離れた2つの音響周波数において、特定の海底から空間的にも時間的にも一致する後方散乱波が得られれば、その海底の2つの異なる独自の画像が得られる可能性が高いことが明らかになった。確かに、航路に沿った音響照射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、正確な後方散乱の入射角は不明であった。しかし、2つの周波数における、航路を横切るサイドスキャン入射角の重なり合うセットは常に同じであった。

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 ]}浅水域調査の重点は、MBESの動作周波数を上げて測深の空間分解能をさらに向上させることにより、海底全体を網羅する調査へと移行した。横方向の扇形の音波照射帯を持つサイドスキャンソナーは、エコー振幅の横方向の変化をうまく利用して海底の高画質画像を取得していたため、新しい単調高周波浅水域MBESに関連する扇形の横方向の音波照射パターンも海底画像に利用できるのは自然な流れのように思われた。MBESによる海底画像化の最初の試みで取得された画像は素晴らしいものではなかったが、幸いにも改善が見られた。

サイドスキャンソナーは、送信後時間を使用して、インソニフィケーションビームと完全に一致する受信ビームからの連続エコー反射を解析します。この技術は、水深とソナー受信トランスデューサのクロストラックビーム開口角に依存しません。マルチビームイメージングの最初の試みでは、MBESの扇形インソニフィケーションビームと部分的にしか重ならない複数の受信ビームを使用して、連続エコー反射を水深と受信機のクロストラックビーム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において不均一でした。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のと同じ地理座標に割り当てられました。MBES海底イメージングのその後の改良では、ビーム解析された各間隔のエコーシーケンスはスニペットとして指定されました。^{[ 28 ]}各ピングで、各ビームからの各スニペットは、送信後の時間に応じてさらに解析されました。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値には、隣接する 2 つのクロストラック ビームでそのピングで測定されたサウンディング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ました。MBES イメージングへのスニペットの変更により、イメージング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加し、また、実際に測定されたエコー振幅を表すイメージング内のピクセルの空間分布がより均一になったことにより、イメージングの品質が大幅に向上しました。

^{マルチスペクトルマルチビーム音響測深機[ 29 ]}の導入により、水路測量の進歩がさらに進みました。特に、マルチスペクトルマルチビーム音響測深機は、海底の「マルチルック」深度測定を提供するだけでなく、深度測定と空間的にも時間的にも一致するマルチスペクトル後方散乱データも提供します。マルチスペクトルマルチビーム音響測深機は、出力データセット内の各後方散乱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、後方散乱測定自体に基づいています。したがって、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です。マルチスペクトルマルチビーム音響測深機からの水深データの固有の精度は、音響後方散乱角度応答関数を使用して異なる堆積物タイプを識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音響測深機は、任意の海底からの空間的および時間的に一致する後方散乱が、広範囲に離れた音響周波数で、海景の別個の独自の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は水路測量にも導入されており、^{OpenSeaMap [} 31 ] ^{TeamSurv Archived} 29 December 2020 at the Wayback Machineや ARGUS などのプロジェクトがあります。ここでは、ボランティアの船舶が標準的な航海計器を使用して位置、深度、および時間データを記録し、その後、音速、潮汐、およびその他の補正を考慮してデータが後処理されます。このアプローチでは、特定の測量船や専門的な資格を持つ測量士が乗船する必要はありません。専門知識は、航海後にデータがサーバーにアップロードされた後に行われるデータ処理にあります。明らかなコスト削減に加えて、この方法ではエリアの継続的な測量も可能になりますが、欠点は、観測者の募集と十分な密度と品質のデータを得るのに時間がかかることです。このアプローチは、0.1～0.2m の精度になる場合もありますが、厳密な体系的測量が求められる場合には、その代替にはなり得ません。しかしながら、高解像度・高精度な調査が求められない、費用が高すぎる、あるいは単にまだ実施されていないといった多くの要件に対しては、得られた結果で十分な場合が多い。