水中調査

水中調査は、水中環境で行われる調査、または水中の物体または領域に対して遠隔的に行われる調査です。調査にはいくつかの意味があります。この単語は中世ラテン語に由来し、対象を見渡し、詳細に研究することを意味します。^[1] 1つの意味は、地理的領域を正確に測定することであり、通常は地域の縮尺地図として特徴の位置をプロットすることを目的としています。この意味は、科学的な文脈でよく使用され、土木工学や鉱物の抽出でも使用されます。土木、構造、海洋工学の文脈でよく使用されるもう1つの意味は、構造物または船舶を検査して、実際の状態を指定された公称状態と比較することです。通常、品質管理、損害評価、評価、保険、保守、および同様の目的で、実際の状態と公称状態への準拠または逸脱を報告することが目的です。他の文脈では、基準を確立するため、または基準と比較するために、生物などの特定のコンテンツの存在と分布を確認するための領域の検査を意味する場合があります。

これらの種類の調査は、水中環境で行われる場合があり、その場合は水中調査と呼ばれ、水深測量、水路測量、地質調査、考古学調査、生態学的調査、構造または船舶の安全調査が含まれます。場合によっては、さまざまなツールを使用したリモートセンシングによって、また通常はプロのダイバーによる直接的な人間の介入によって行うことができます。水中調査は、水中建設、浚渫、鉱物の採取、生態学的モニタリング、考古学調査の計画、そして多くの場合は品質管理と監視の重要な部分です。それらは、生態学的影響調査の一部として必要とされることがよくあります。^[2]

水中調査の種類には、考古学、水深測量、水路測量、生態学、地質学、建設現場の調査、海洋および沿岸構造物や浮遊船舶の検査調査などが含まれますが、これらに限定されるわけではありません。提案された海洋救助作業を評価する際には、船舶の構造状態と隣接現場および水路状態の調査も行われます。

水中遺跡の考古学的調査は、従来はダイバーによって行われてきましたが、水深が深すぎる遺跡では、水上および潜水艇によるソナー調査が行われ、ROUVを使用したフォトモザイク技術が行われました。従来の方法には、遺跡に設置されたベースラインまたはグリッドからの直接測定、および地上の遺跡で使用されるのと同じように、遺跡に設置された既知の位置のマークからの直接測定による三角測量が含まれます。精度は水の状態によって損なわれる可能性があります。

この作業は通常、資格を持った科学ダイバーである考古学者によって行われます。

水深測量は伝統的に水面から行われ、横断線に沿った測定位置で水深 (測深) を測定し、その後、そのデータを水深図にプロットします。水深図には、測深値を補間して等深線 (等深線) を描くことができます。また、代表的なスポット水深のセットを海図に表示することも一般的です。当初、測深は、重りを付けたラインを海底まで下ろし、その長さを測ることで手動で行われていましたが、正確で信頼性の高いエコー測深装置が開発されてからは、それが標準的な方法になりました。装置が利用可能になると、データ記録は自動化され、後に正確な位置データがデータ セットに統合されました。船舶の動きに合わせて補正され、リアルタイムで組み合わせられる GPS 位置データを備えたマルチビーム ソナーは、21 世紀初頭の最先端の技術です。

一部の水域の水深測量には、異なる手順が必要であり、特に陥没穴、洞穴、および洞窟では、底壁の大部分、場合によっては天井が水面から測深装置で確認できないため、遠隔操作の水中車両またはダイバーを使用してデータを収集する必要がありました。このクラスの水中調査の複雑さの 1 つは、GPS 信号が水中を伝播しないため、ベースライン、つまり ROUV の正確な位置を確立することが比較的難しいことです。物理的な線が使用される場合もありますが、正確に調査された位置にソナー トランスデューサーを設置し、相対オフセットを測定することでベースラインを確立できる場合もあります。

水中生態調査にはさまざまな技術が使用されています。ダイバーは、直接観察して記録するか、記録された場所での写真記録によってデータを収集することが多く、プロジェクトの要件と利用可能な位置技術に応じて、特定の精度に指定できます。

1 つの方法は、ラインの張力によってカメラの上に保持されたフロートに取り付けられた曳航式水上 GPS 受信機によって記録されたルートをダイバーがたどって撮影した位置情報付き写真を使用することです。日付と時刻のデータはカメラと GPS ユニットによって同時に記録されるため、後処理または検査によって各写真の位置データを抽出できます。GPS の精度は、広域拡張システム(WAAS) によって増強される場合があります。深度データは、ダイバーが携帯するかカメラの視界内に取り付けられたダイブ コンピューターまたは深度計からカメラに取り込まれます。写真は地図上または地理情報システム(GIS) を介して表示して分析できます。^[3]この方法は、特に調査船が行けない場所など、小さな領域の空間調査にも使用できます。領域をマップするには、ダイバーが海底の等高線に沿ってフロートを曳航し、製図ソフトウェアまたは GIS ソフトウェアを使用して GPS トラックを使用して地図を作成します。スポット深度も取得でき、深度計またはダイブ コンピューターから時間と深度をデジタル カメラで記録し、トラック データと同期させます。この手順は、等高線または周囲に沿った間隔で底生生物群集を写真に撮って記録することと組み合わせることができます。

プロのダイバーによる調査は比較的費用がかかりがちで、オーストラリアを拠点とするReef Life Survey などの一部の生態学的モニタリングプログラムやデータ収集プログラムでは、ボランティアのレクリエーションダイバーの協力を得て、資格に応じたデータ収集や、場合によってはさらなるトレーニングを実施している。^[4] iNaturalistなどの他のプログラムは、クラウドソーシングシステムを使用して、観察記録のデジタル写真と、利用可能なあらゆる基準（かなり異なる場合がある）の位置データをアップロードし、水中の環境を記録している何千人ものアマチュア写真家を活用している。このようにして、世界中のダイビングサイトでの何百万もの観察結果が蓄積されてきた。^[5]

生態調査の種類:

• トランセクト – 観察者が調査対象の発生を数え記録する経路
• クアドラット – 詳細な分析のために基板の一部を区切るために使用される長方形のフレーム
• 写真測量 – 写真を使って測定する
• 餌付け遠隔水中ビデオ - 魚の個体数を推定するための機器

調査では、複数の種類の観察が組み合わされることもあります。たとえば、サンゴ礁生物調査の手順では、同じ横断面に沿って、魚の目視による数え方、底生動物の目視による数え方、一定間隔での海底の写真撮影という 3 つの要素が含まれます。^[4]

地質調査は、地質図または地質モデルを作成する目的で、特定の土地の下の地質を体系的に調査することです。水中地質調査では、露頭や地形を調査する従来のウォークオーバー調査の水中版から、ボーリングなどの侵入法、地球物理学的手法やリモートセンシング法の使用まで、さまざまな手法が使用されます。水中地質調査地図は通常、測深図に地質単位の調査範囲と境界を重ね合わせ、ポイントの情報 (層理面の方向の測定値など) やラインの情報 (断層と海底表面の交差など) も示します。地図には、 3 次元の解釈を示すために断面図が含まれる場合があります。この作業の多くは、リモートセンシングによって水上船舶から行われますが、浸水した洞窟など、場合によっては、測定とサンプル採取に遠隔操作の水中車両やダイバーによる直接介入が必要になります。

反射地震学技術は、船舶搭載型地下リモートセンシングに使用されます。地震源には、エアガン、スパーク、ブーマーなどがあります。

航空地球物理学的方法には、磁気、電磁気、重力測定が含まれます。

現地調査は、設計のための情報を集めるために、工事が予定されている場所を検査することです。これにより、正確な位置、アクセス、現場の最適な向き、障害物の位置を判断できます。必要な現地調査の種類とベストプラクティスは、プロジェクトの性質によって異なります。 ^[6]たとえば、炭化水素の探査では、沖合の探査井または評価井の予定地で現地調査が行われます。 ^[7]これらは通常、海底下の浅い部分でガスの危険性を探すための高解像度（高周波）反射地震プロファイルのタイトグリッドと、マルチビームエコーサウンダを使用して海底の障害物（難破船、既存のパイプラインなど）を探すための詳細な水深データで構成されます。

海洋救助作業中には、座礁した船舶の構造状態を評価し、作業に影響を与える可能性のある船舶、現場、環境の側面を特定するために、ある種の現場調査が行われます。このような調査には、船体構造と水密性の完全性、浸水の程度、すぐ近くの水深と地質、海流と潮汐の影響、危険、救助作業による環境への影響の可能性の調査が含まれる場合があります。^[8]

橋、ダム、土手道、港、防波堤、突堤、堤防、堤防、石油・ガス生産プラットフォームおよびインフラストラクチャ、パイプライン、坑口、係留設備を含む、内陸、沿岸、沖合の水中構造物の構造健全性検査。

船舶安全調査は、船舶の構造と設備を検査して、調査対象物の状態を評価し、保険と登録に関する法律または船級協会の要件に準拠しているかどうかを確認することです。前回の調査以降に状態が大幅に変化したと疑う理由がある場合、または購入の条件として、いつでも実施できます。最初の調査は通常、建造中 (調査中に建造) または最初の登録前に行われます。船体構造、静的安定性、推進機械、補助機械、安全装置、揚重装置、索具、グランドタックルなど、船舶の安全な運航に不可欠なさまざまな機器の受け入れ基準は、ライセンス機関または登録機関によって定義されます。

一部の調査は乾ドックで行う必要がありますが、これは費用がかかり、中間調査では、外部調査の水中部分をダイバーやROUVを使用して海上で実施する場合もあります。通常、ライブビデオが検査員に提供されるか、後で分析するためにビデオ録画される可能性があります。ライブビデオの利点は、検査員がダイバーにさらに調査するように指示したり、別の角度からの映像を提供したりできることです。ライブビデオは通常、記録のために録画もされます。^[9]

• シングルビームエコーサウンダーは、水中の音速を使用して、音響信号の発信からトランシーバーで反射信号が最初に受信されるまでの時間を比較することで、海底などの反射面までの距離を測定するために使用されます。通常、トランスデューサーの経路に沿って一連のスポット深度測定を行うために使用され、これを使用して海底プロファイルをマッピングできます。
• マルチビーム エコーサウンダーは、ビームフォーミングを使用して、返ってくる音波から方向情報を抽出し、1 回の音からトランスデューサーのパス全体にわたる一連の深度測定値を生成します。データ取得率はシングル ビーム システムよりもはるかに高速ですが、トランスデューサー パスの横にオフセットされた高プロファイル表面による影の影響を受けやすくなります。これは、重複した一連の測定値によって補正できます。データは処理され、海底の 3 次元画像を生成します。
• 音響ドップラー流速プロファイラー(ADCP) は、水柱内の粒子から散乱した音波のドップラー効果を利用して、水深範囲にわたる水流速度を測定するために使用される水中音響流速計です。音波の移動時間から距離がわかり、エコーの周波数シフトは音響経路に沿った水流速度に比例します。
• LIDAR はレーザー光源と光受信機を使用して反射信号の範囲と方向を測定しますが、水の透明度によって制限されます。
• サイドスキャンソナーは、トランスデューサーの視点から見た海底の広い範囲の画像を効率的に作成するために使用されます。
• スパークやブーマーなどの地震源は、地震反射プロファイリングに使用され、固い海底を効果的に貫通し、音響インピーダンスの変化によって部分的に反射される音波パルス周波数を使用して、岩石タイプの変化を示します。ブーマーは500〜4000 Hzの範囲で機能します。 ^[10]スパークは200〜800 Hzの範囲で機能します。周波数が低いほど、通常はより深くまで浸透しますが、解像度は低くなります。

• 専用の調査船と機会船。水面補給ダイビング作業用のダイビング支援船、およびスキューバ調査用のダイビング ボート。DSV は、ROV サポートやその他の水中調査用に装備されることがよくあります。
• 自律型調査船^[11]は有人船よりも経済的に運航でき、浅すぎる、狭い、または大型の有人船では危険な海域にも派遣することができます。
• 自律型水中車両は、有人車両よりも経済的です。研究者は、海洋学と沿岸管理における長期データ収集のためのAUVの開発に注力してきました。^[12]石油・ガス業界では、海底インフラの建設を開始する前に、AUVを使用して海底の詳細な地図を作成しています。AUVを使用すると、調査会社は、従来の水深測量では効果が低いかコストがかかりすぎる領域を正確に調査できます。また、パイプライン検査を含むパイプ敷設後の調査も可能です。パイプライン検査や水中の人工構造物の検査にAUVを使用することは、一般的になりつつあります。科学者は、湖、海洋、海底の研究にAUVを使用しています。水中のさまざまな元素や化合物の濃度、光の吸収や反射、微生物の存在を測定するために、さまざまなセンサーを搭載することもできます。例としては、導電率・温度・深度センサー（CTD）、クロロフィル蛍光計、pHセンサーなどがあります。
• 遠隔操作型水中車両。調査用または検査用のROVは一般に作業用ROVよりも小型で、クラスI: 観測のみ、またはクラスII 観測用（ペイロード付き）に分類されることが多い。^[13]これらは水路測量の補助や検査作業に用いられる。調査用ROVは作業用ROVよりも小型であるが、流れの中で位置を保持する能力に関しては同等の性能を持つことが多く、車両のペイロード能力とユーザーのニーズに応じて、照明、カメラ、ソナー、USBL（超短基線）ビーコン、ストロボフラッシャーなどの同様のツールや機器を搭載していることが多い。

水中音響測位システム^{[14] [15]}は、音響による距離や方向の測定と、それに続く位置三角測量によって、水中車両やダイバーの追跡、ナビゲーション、位置を特定するシステムです。石油・ガス探査、海洋科学、サルベージ作業、海洋考古学、法執行機関、軍事活動など、さまざまな水中作業で一般的に使用されています。

長基線音響測位システム^[16]（LBLシステム）は、海底に設置された基線トランスポンダのネットワークをナビゲーションの基準点として使用します。これらは通常、作業現場の周囲に配置されます。LBL技術により、水深に関係なく、非常に高い測位精度と位置安定性が得られます。通常、1メートルよりも優れており、数センチメートルの精度に達することもあります。^[17] LBLシステムは、通常、船舶ベースの短基線または超短基線測位システムの精度や位置安定性が十分でない精密水中調査作業に使用されます。

短基線音響測位システム（SBL音響測位システム）^[18] SBLシステムは海底に取り付けられたトランスポンダや機器を必要としないため、停泊中または航行中のボートや船舶から水中のターゲットを追跡するのに適しています。ただし、固定精度を提供するUSB​​Lシステムとは異なり、SBLの測位精度はトランスデューサの間隔に応じて向上します。^[19]そのため、大型船舶やドックから操作する場合など、スペースが許せば、SBLシステムは海底に取り付けられたLBLシステムと同様の精度と位置の堅牢性を実現できるため、高精度の調査作業に適したシステムになります。トランスデューサの間隔が限られている小型船舶から操作する場合（つまり、基線が短い場合）、SBLシステムの精度は低下します。

超短基線音響測位システム(USBL) は、超短基線 (SSBL) とも呼ばれ、船の下に搭載されたトランシーバーと、海底、トウフィッシュ、またはROVに搭載されたトランスポンダーまたはレスポンダーで構成されています。 コンピュータは、トランシーバーによって測定された距離と方位から位置を計算するために使用されます。 USBL は、トランシーバーが自律型水中車両に搭載され、トランスポンダーがそれを発射する設備に搭載された「反転」(iUSBL) 構成でも使用されます。 この場合、信号処理は車両内で行われ、自動ドッキングやターゲット追跡などのアプリケーションでトランスポンダーの位置を特定できます。

測定はさまざまな機器を使用して行うことができます。表面に対する 垂直位置(深さ測定とも呼ばれます) の測定には、次の機器を使用できます。

• 深度計（圧力を代理として使用）
• ダイブコンピューター（圧力を代理として使用）
• メジャーテープ（直接直線測定）
• 空気圧計（圧力を代理として使用）

他の方向の長さの測定には以下を使用します。

• メジャーテープ、
• 測量士のチェーン、
• 較正距離線、特に洞窟調査では、
• フロートに載せた牽引式 GPS 受信機(球面三角法による)
• 加速度計の出力を3次元で統合した慣性航法システム
• 手持ち式測距ソナー
• 小さな寸法用のノギスと平ノギス。

長さの測定は、基準線からの三角測量、角度測定、三角法 によっても得られる。

角度測定は以下を使用して行うことができます。

• 磁気コンパス
• 分度器
• クリノメーター
• ゴニオメーター

または、GPS 位置、線形三角測量と三角法、慣性航法位置データから導き出すこともできます。

非破壊検査測定には以下が含まれます。

• 超音波厚さ測定
• 超音波による亀裂検出

セッキディスクや類似の方法を使用した視程の測定、およびダイバーによる現地測定や記録、あるいは水や底の組成のサンプリングによるその他の物理的・化学的特性のスポット測定。

海底堆積物や岩石のサンプルは、グラブ、コアリング装置、ROUV、ダイバーを使って採取できます。コアリング装置には、コアドリルやインパクトペネトレーターがあります。^[20]ダイバーやROUVの操作者は、グラブや遠隔操作のコアリング装置よりも、サンプルの選択においてより慎重です。生物学的サンプルは、浚渫船、グラブ、トラップ、またはネットで採取できますが、より直接的なサンプリングには通常、目視と人間の介入が必要であり、ダイバー、ROUV、および採取用に装備された有人潜水艇によって行われるのが一般的です。

• 水中写真。デジタル水中カメラは、画像と写真を撮影した時刻を記録するのに便利です。場合によっては、方向、傾斜、深さもカメラから取得できます。また、適切な計器のディスプレイを撮影して記録することもできます。
  • ジャンプ カメラはフレームに取り付けられたカメラで、フレームが底に当たると露出を開始します。操作するには、ロープが緩むまでフレームを下げ、その後フレームを持ち上げてボートを次の位置に移動します。
• 水中ビデオ撮影は、水中の動画やライブビデオフィードを撮影する電子水中写真の分野であり、遠隔地のオペレーターが他の場所から水中の環境を見ることを可能にします。
  • 餌付け遠隔水中ビデオ（BRUV）は、海洋生物学研究で使用されているシステムです。遠隔操作カメラの視野内に魚類を誘引することで、魚類の多様性、個体数、行動を記録します。餌付け容器を海底に沈め、その周囲をビデオで録画することで、場所のサンプルを採取します。ビデオはケーブルで直接海面に送ることも、録画して後で分析することもできます。餌付けカメラは、腐肉食動物やそれに続く捕食動物を誘引するのに非常に効果的であり、^{[21] [22] [23]} 、多くの海洋生物種の相対的個体数指数を生成する非侵襲的な方法です。[ 24 ^]
• チェックリストは、水中で書く必要のある文字の量を減らすことができるため、比較的狭い範囲の物体または物体の種類を記録する場合に便利です。(冷たい水や流水では読みにくくなる傾向があります)
• クリップボードまたはダイバーズスレートと鉛筆は、スケッチや測定値を記録するときに使用され、データの記録にはあまり効率的ではありませんが、多目的に使用できます。クリップボードには防水紙を使用でき、チェックリストを印刷できます。
• クアドラントフレームは、検査のための個別の領域を確立するために使用され、視覚的に検査したり、写真を撮ったり、またはその両方を行うことができます。

水中調査の結果は、対象人口やデータの用途に応じて、さまざまな方法で提示できます。一般的な提示形式は、空間分布や一般的な地形を示す地図で、多くの場合、深さの寸法が含まれます。図面、写真画像、グラフ、表、テキストによる説明も、1 つ以上の地図と組み合わせて使用​​されることがあります。また、地図は、基準値と比較して時間の経過に伴う変化を示すために使用されることもあります。

• ベースライン（科学）  - 後のデータと比較するために使用される初期の既知の条件
  • ベースラインの変更 – システムの測定方法の変更の種類
• 生物調査 – 生態資源の状態を評価するための生物の科学的研究
• 校正 – 測定機器の精度を確認する
• グラウンドトゥルース – 直接観察によって得られる情報
• リーフライフサーベイ – タスマニア州ホバートを拠点とする海洋生物モニタリングプログラム