المسح الهيدروغرافي

نشأت مكاتب المسح الهيدروغرافي من التراث البحري، وتوجد عادةً ضمن الهياكل البحرية الوطنية، كما هو الحال في المعهد الهيدروغرافي البحري الإسباني . ^{[ 1 ]} وتتولى المنظمة الهيدروغرافية الدولية (IHO) تنسيق هذه المنظمات وتوحيد معايير منتجاتها طوعًا بهدف تحسين المسح الهيدروغرافي وضمان سلامة الملاحة . وتنشر المنظمة الهيدروغرافية الدولية المعايير والمواصفات ^{[ 2 ]} التي تتبعها الدول الأعضاء، بالإضافة إلى مذكرات التفاهم والاتفاقيات التعاونية ^{[ 3 ]} مع الجهات المعنية بالمسح الهيدروغرافي.

تُعرض نتائج هذه الدراسات الهيدروغرافية في أغلب الأحيان على الخرائط الملاحية التي تنشرها الهيئات الوطنية، والتي تشترطها المنظمة البحرية الدولية (IMO) ^{[ 4 ]،} واتفاقية سلامة الأرواح في البحار (SOLAS) ^{[ 5 ]} ، واللوائح الوطنية لحملها على متن السفن لأغراض السلامة. ويتزايد توفير هذه الخرائط واستخدامها إلكترونياً وفقاً لمعايير المنظمة الهيدروغرافية الدولية (IHO).

تُجري الهيئات الحكومية دون المستوى الوطني مسوحات هيدروغرافية للمياه الواقعة ضمن نطاق اختصاصها، أو تتعاقد على إجرائها، مستخدمةً مواردها الداخلية ومواردها المتعاقد عليها. وتُجرى هذه المسوحات عادةً من قِبل منظمات وطنية أو تحت إشرافها أو وفقًا للمعايير التي اعتمدتها، لا سيما عندما يكون الغرض منها إعداد الخرائط وتوزيعها أو تجريف المياه الخاضعة لسيطرة الدولة.

في الولايات المتحدة، يوجد تنسيق مع قاعدة البيانات الهيدروغرافية الوطنية في جمع البيانات ونشرها. ^{[ 6 ]} وتنشر المنظمات البيئية الحكومية بيانات هيدروغرافية تتعلق بمهامها. ^{[ 7 ]}

تُجري الكيانات التجارية أيضًا مسوحات هيدروغرافية وجيوفيزيائية واسعة النطاق ، لا سيما في قطاعات التجريف، والإنشاءات البحرية، واستكشاف النفط ، والحفر. وتتطلب الكيانات الصناعية التي تُركّب كابلات الاتصالات البحرية ^{[ 8 ]} أو كابلات الطاقة ^{[ 9 ]} إجراء مسوحات تفصيلية لمسارات الكابلات قبل تركيبها، وتستخدم بشكل متزايد معدات التصوير الصوتي التي كانت تُستخدم سابقًا في التطبيقات العسكرية فقط عند إجراء هذه المسوحات. ^{[ 10 ]} وتوجد شركات متخصصة تمتلك المعدات والخبرة اللازمة للتعاقد مع كل من الكيانات التجارية والحكومية لإجراء هذه المسوحات.

غالباً ما تموّل الشركات والجامعات ومجموعات الاستثمار مسوحات هيدروغرافية للممرات المائية العامة قبل تطوير المناطق المجاورة لها. كما تُتعاقد شركات المسح لإجراء مسوحات لدعم شركات التصميم والهندسة المتعاقدة على مشاريع عامة ضخمة. ^{[ 11 ]} وتُجرى مسوحات خاصة أيضاً قبل عمليات التجريف وبعد إتمامها. وتخضع الشركات التي تمتلك أرصفة أو أحواضاً أو منشآت ساحلية خاصة كبيرة لمسح دوري لمنشآتها والمياه المفتوحة القريبة منها، وكذلك الجزر في المناطق المعرضة لتآكل متفاوت، مثل جزر المالديف.

يعود تاريخ المسح الهيدروغرافي إلى ما يقارب تاريخ الملاحة البحرية . ^{[ 12 ]} ولعدة قرون، تطلّب المسح الهيدروغرافي استخدام حبال الرصاص - وهي حبال أو خيوط مُعلّمة بعلامات عمق، مُثبّتة بأوزان رصاصية لغمر أحد طرفيها في القاع عند إنزالها من جانب السفينة أو القارب - وأعمدة قياس الأعماق، وهي أعمدة مُعلّمة بعلامات عمق، تُدفع من جانب السفينة حتى تلامس القاع. وفي كلتا الحالتين، كان لا بد من قراءة الأعماق المُقاسة يدويًا وتسجيلها، وكذلك موقع كل قياس بالنسبة لنقاط مرجعية مُحدّدة على الخريطة باستخدام نظام السدس ثلاثي النقاط . كانت هذه العملية شاقة وتستغرق وقتًا طويلًا، وعلى الرغم من دقة كل قياس عمق على حدة، إلا أن المسح الشامل، عمليًا، لا يُمكن أن يشمل سوى عدد محدود من قياسات الأعماق بالنسبة للمنطقة التي يتم مسحها، مما يُؤدي حتمًا إلى وجود فجوات في التغطية بين القياسات. ^{[ 12 ]}

في عام ١٩٠٤، أُدخلت تقنية المسح بالسحب السلكي في علم الهيدروغرافيا، ولعب نيكولاس هـ. هيك، من هيئة المسح الساحلي والجيوديسي الأمريكية، دورًا بارزًا في تطوير هذه التقنية وإتقانها بين عامي ١٩٠٦ و١٩١٦. ^{[ ١٣ ]} في طريقة السحب السلكي، يُسحب سلك مُثبَّت بين سفينتين أو قاربين، ومُثبَّت على عمق مُحدد بواسطة نظام من الأثقال والعوامات، بين نقطتين. إذا صادف السلك عائقًا، فإنه يشد ويُشكِّل شكل حرف "V". يكشف موقع حرف "V" عن موضع الصخور المغمورة، وحطام السفن، وغيرها من العوائق، بينما يُشير العمق الذي وُضع عنده السلك إلى عمق العائق. ^{[ ١٢ ]} أحدثت هذه الطريقة ثورة في المسح الهيدروغرافي، إذ سمحت بإجراء مسح أسرع وأقل جهدًا وأكثر شمولًا للمنطقة مقارنةً باستخدام خطوط الرصاص وأعمدة قياس الأعماق. من وجهة نظر السلامة الملاحية، فإن المسح باستخدام سلك السحب لن يغفل عن أي خطر على الملاحة يمتد فوق عمق سلك السحب.

• 
  عمليات المسح الهيدروغرافي باستخدام سحب الأسلاك (رسم تخطيطي)، هيئة المسح الساحلي والجيوديسي الأمريكية ، حوالي عام 1920.
• 
  مبدأ المسح البحري باستخدام قاربين، هيئة المسح البحري النرويجية، 1932.
• 
  التفاصيل الفنية للأدوات المستخدمة، هيئة المسح البحري النرويجية، 1930.

قبل ظهور السونار الجانبي ، كان المسح السلكي الطريقة الوحيدة للبحث في مناطق واسعة عن العوائق والسفن والطائرات المفقودة. ^{[ 14 ]} بين عامي 1906 و1916، وسّع هيك نطاق أنظمة المسح السلكي من منطقة محدودة نسبيًا إلى مسح قنوات يتراوح عرضها بين 2 و3 أميال بحرية (3.7 إلى 5.6 كم؛ 2.3 إلى 3.5 ميل) . ^{[ 15 ]} شكلت تقنية المسح السلكي إسهامًا كبيرًا في المسح الهيدروغرافي خلال معظم ما تبقى من القرن العشرين. وقد بلغت أهمية المسح السلكي في الولايات المتحدة حدًا جعل هيئة المسح الساحلي والجيوديسي الأمريكية، ولاحقًا الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي، تُشغّلان سفينتين متطابقتين في التصميم خصيصًا للعمل معًا في مثل هذه المسوحات لعقود. أجرت سفينتا المسح الجيولوجي الأمريكيتان ماريندين وأوغدن عمليات مسح باستخدام تقنية السحب السلكي معًا من عام 1919 إلى عام 1942، ثم تولت سفينتا المسح الجيولوجي الأمريكيتان هيلغارد ( ASV 82) ووينرايت (ASV 83) هذه المهمة من عام 1942 إلى عام 1967، وعملت سفينتا المسح الجيولوجي الأمريكيتان رود (ASV 90) (التي أصبحت لاحقًا NOAAS Rude (S 590) ) وهيك (ASV 91) (التي أصبحت لاحقًا NOAAS Heck (S 591) ) معًا في عمليات السحب السلكي بدءًا من عام 1967. ^{[ 12 ] [ 14 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}  

أدى ظهور التقنيات الإلكترونية الحديثة - مثل السونار الجانبي وأنظمة المسح متعدد الحزم - في خمسينيات وستينيات وسبعينيات القرن الماضي، إلى جعل نظام المسح السلكي عتيقًا. فقد كان السونار الجانبي قادرًا على إنشاء صور للعوائق تحت الماء بدقة تضاهي دقة التصوير الجوي ، بينما استطاعت أنظمة المسح متعدد الحزم توليد بيانات العمق لكامل قاع المنطقة الممسوحة. سمحت هذه التقنيات لسفينة واحدة بإنجاز ما كان يتطلبه المسح السلكي من سفينتين، وانتهى العمل بنظام المسح السلكي نهائيًا في أوائل تسعينيات القرن الماضي. ^{[ 12 ] [ 15 ]} تحررت السفن من العمل المشترك في عمليات المسح السلكي، وفي الإدارة الوطنية الأمريكية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA)، على سبيل المثال، عملت سفينتا رود وهيك بشكل مستقل في سنواتهما الأخيرة. ^{[ 14 ] [ 19 ]}

بدأت أجهزة قياس الأعماق بالصدى أحادية الحزمة وأجهزة قياس العمق بالدخول في الخدمة في ثلاثينيات القرن العشرين، والتي استخدمت السونار لقياس العمق تحت السفينة. وقد أدى ذلك إلى زيادة كبيرة في سرعة الحصول على بيانات الأعماق مقارنةً بما كان ممكنًا باستخدام خطوط الرصاص وأعمدة قياس الأعماق، وذلك من خلال السماح بجمع معلومات عن الأعماق تحت السفينة في سلسلة من الخطوط المتباعدة بمسافة محددة. ومع ذلك، فقد تشابهت هذه الأجهزة مع الطرق السابقة في ضعفها المتمثل في عدم توفر معلومات عن العمق للمناطق الواقعة بين شرائح قاع البحر التي قامت السفينة بقياسها. ^{[ 12 ]}

جهاز قياس الأعماق متعدد الحزم (MBES) هو نوع من أجهزة السونار يُستخدم لرسم خرائط قاع البحر . يُصدر هذا الجهاز موجات صوتية على شكل مروحة أسفل جهاز الإرسال والاستقبال الخاص به . ويُستخدم الوقت الذي تستغرقه الموجات الصوتية للانعكاس عن قاع البحر والعودة إلى جهاز الاستقبال لحساب عمق الماء. وعلى عكس أجهزة السونار وأجهزة قياس الأعماق الأخرى ، يستخدم جهاز MBES تقنية تشكيل الحزمة لاستخلاص معلومات اتجاهية من الموجات الصوتية العائدة، مما يُنتج نطاقًا واسعًا من قياسات العمق من نبضة واحدة.

إن تضمين عبارات صريحة مثل: "بالنسبة لجميع مسوحات MBES لصالح LINZ، يجب تسجيل شدة التشتت الخلفي عالية الدقة والمرجعية جغرافياً وتقديمها كمخرجات للمسح." ^{[ 20 ]} في مجموعة من متطلبات المسح التعاقدي، هو مؤشر واضح على أن مجتمع الهيدروغرافيا الأوسع يتبنى الفوائد التي يمكن جنيها من استخدام تقنية MBES، وعلى وجه الخصوص، يقبلون كحقيقة أن MBES الذي يوفر بيانات التشتت الخلفي الصوتي هو أداة قيّمة في هذا المجال.

يُمثل إدخال أجهزة قياس الأعماق متعددة الأطياف ومتعددة الحزم ^{[ 21 ]} استمرارًا لمسار الابتكارات التكنولوجية، حيث يُوفر لمجتمع المسح الهيدروغرافي أدوات أفضل للحصول على بيانات أدق وأسرع لاستخدامات متعددة. ويُعدّ جهاز قياس الأعماق متعدد الأطياف ومتعدد الحزم تتويجًا للعديد من التطورات التدريجية في مجال الهيدروغرافيا منذ بدايات المسوحات الصوتية، عندما كان الشاغل الرئيسي بشأن قوة الصدى العائد من القاع هو ما إذا كان سيكون كبيرًا بما يكفي ليتم رصده (اكتشافه). وكانت ترددات تشغيل أجهزة قياس الأعماق الصوتية المبكرة تعتمد بشكل أساسي على قدرة المواد المغناطيسية الانضغاطية والكهرضغطية التي يُمكن تعديل أبعادها الفيزيائية عن طريق التيار الكهربائي أو الجهد. في نهاية المطاف، اتضح أنه بينما لم يكن لتردد تشغيل أجهزة قياس الأعماق الصوتية أحادية الحزمة الرأسية المبكرة تأثير يُذكر، أو لم يكن له أي تأثير على الإطلاق، على الأعماق المقاسة عندما كان القاع صلبًا (مكونًا أساسًا من الرمل أو الحصى أو الصخور الكبيرة أو الصخور)، كان هناك اعتماد ملحوظ للتردد على الأعماق المقاسة عندما كان القاع لينًا (مكونًا أساسًا من الطمي أو الطين أو المواد المتكتلة). ^{[ 22 ]} لوحظ أن أجهزة قياس الأعماق الصوتية أحادية الحزمة الرأسية ذات التردد العالي يمكن أن توفر سعات صدى قابلة للكشف من الرواسب ذات المسامية العالية، حتى لو بدت هذه الرواسب شفافة صوتيًا عند الترددات المنخفضة.

في أواخر الستينيات، أُجريت مسوحات هيدروغرافية أحادية الحزمة باستخدام خطوط مسح متباعدة، حيث تم الاحتفاظ ببيانات الأعماق الضحلة (الذروة) في قاع البحر بدلاً من بيانات الأعماق الأعمق في سجل السبر. خلال الفترة نفسها، تم إدخال تقنية السونار الجانبي المبكرة في الممارسات التشغيلية للمسح الهيدروغرافي للمياه الضحلة. كانت ترددات أجهزة السونار الجانبي المبكرة مسألة تتعلق بسهولة التصميم الهندسي، ولم يكن أهم ما يميز أصداء المسح الجانبي هو قيمة سعتها، بل تباين سعتها مكانيًا. في الواقع، تم استخلاص معلومات هامة حول شكل قاع البحر والمنشآت البشرية الموجودة فيه، استنادًا إلى المناطق التي غابت فيها سعة الصدى القابلة للكشف (الظلال) ^{[ 23 ]} . في عام 1979، سعيًا لإيجاد حل تقني لمشاكل المسح في "الطين العائم"، شكّل مدير هيئة المسح الوطني للمحيطات فريق دراسة تابعًا لها لإجراء تحقيقات تهدف إلى تحديد المواصفات الوظيفية لجهاز قياس أعماق المياه الضحلة البديل. ^{[ 24 ]} أسفرت الدراسة عن فئة من أجهزة قياس الأعماق ذات الحزمة الرأسية، والتي لا تزال تُستخدم على نطاق واسع. تقوم هذه الأجهزة بإصدار نبضات صوتية متزامنة بترددين صوتيين، يفصل بينهما أكثر من أوكتافين، مما يُتيح قياس العمق وسعة الصدى بشكل متزامن، مكانيًا وزمنيًا، وإن كان ذلك بزاوية رأسية واحدة.

خُصص الجيل الأول من أنظمة المسح متعددة الحزم (MBES) لرسم خرائط قاع البحر في المياه العميقة. لم تستخدم هذه الأنظمة الرائدة سعة الصدى بشكل صريح، أو لم تستخدمها على الإطلاق، إذ كان هدفها الحصول على قياسات دقيقة لتضاريس قاع البحر (تمثل كلاً من القمم والأعماق). علاوة على ذلك، لم تُسهّل خصائصها التقنية رصد التغيرات المكانية في سعة الصدى. ^{[ 25 ]} بعد المسوحات الباثيمترية المبكرة باستخدام أنظمة المسح متعددة الحزم، وعندما بدأ السونار الجانبي أحادي التردد بإنتاج صور عالية الجودة لقاع البحر قادرة على التمييز بين أنواع الرواسب المختلفة، تم إدراك إمكانات سعة الصدى من أنظمة المسح متعددة الحزم. ^{[ 26 ]}

مع إدخال مارتي كلاين لتقنية السونار الجانبي ثنائي التردد (100  كيلوهرتز و500  كيلوهرتز اسميًا)، بات من الواضح أن الارتداد الصوتي المتزامن مكانيًا وزمنيًا من أي قاع بحري عند هذين الترددين الصوتيين المتباعدين، سيوفر على الأرجح صورتين منفصلتين وفريدتين لذلك المشهد البحري. صحيح أن أنماط شعاع الإرسال والاستقبال على طول المسار كانت مختلفة، ونظرًا لغياب بيانات قياس الأعماق، كانت زوايا الارتداد المائلة الدقيقة غير معروفة. مع ذلك، كانت مجموعات زوايا الارتداد المائلة المتداخلة للمسح الجانبي عبر المسار عند الترددين متطابقة دائمًا.

بعد جنوح السفينة كوين إليزابيث 2 قبالة كيب كود ، ماساتشوستس ، عام 1992، ^{[ 27 ]} تحوّل التركيز في مسح المياه الضحلة نحو مسوحات تغطي قاع البحر بالكامل باستخدام تقنية المسح متعدد الحزم (MBES) بترددات تشغيل متزايدة لتحسين الدقة المكانية للقياسات. ونظرًا لنجاح السونار الجانبي، بنطاقه الصوتي المروحي الشكل، في استغلال التباين العرضي في سعة الصدى للحصول على صور عالية الجودة لقاع البحر، بدا من الطبيعي استغلال نمط المسح الصوتي المروحي الشكل المرتبط بتقنية MBES الجديدة أحادية التردد عالية التردد للمياه الضحلة، لتصوير قاع البحر أيضًا. كانت الصور الملتقطة في المحاولات الأولى لتصوير قاع البحر بتقنية MBES أقل من المتوقع، ولكن لحسن الحظ، تحسّنت جودتها لاحقًا.

يستخدم السونار ذو المسح الجانبي تقنية تحليل الصدى المتواصل من شعاع استقبال محاذٍ تمامًا لشعاع الإرسال، وذلك باستخدام تقنية قياس الزمن بعد الإرسال، وهي تقنية مستقلة عن عمق الماء وزاوية فتح شعاع الاستقبال. في المحاولة الأولى للتصوير متعدد الحزم، استُخدمت عدة حزم استقبال تتداخل جزئيًا فقط مع شعاع الإرسال المروحي الشكل لنظام المسح متعدد الحزم، لتقسيم الصدى المتواصل إلى فترات زمنية تعتمد على عمق الماء وزاوية فتح شعاع الاستقبال. ونتيجةً لذلك، كانت الفترات المقسمة غير منتظمة في كلٍ من مدتها الزمنية والزمن بعد الإرسال. تم اختزال التشتت الخلفي لكل نبضة في كل جزء من أجزاء تحليل الشعاع إلى قيمة واحدة، وتم تعيينها لنفس الإحداثيات الجغرافية المخصصة لقياس العمق الذي تم إجراؤه بواسطة ذلك الشعاع. في التعديلات اللاحقة على تصوير قاع البحر باستخدام نظام المسح متعدد الحزم، تم اعتبار تسلسل الصدى في كل فترة من فترات تحليل الشعاع بمثابة مقطع. ^{[ 28 ]} في كل نبضة، جرى تحليل كل جزء من كل حزمة وفقًا للوقت المنقضي بعد الإرسال. وتم تحديد موقع جغرافي لكل قياس من قياسات سعة الصدى التي أُجريت ضمن جزء من حزمة معينة، وذلك بناءً على الاستيفاء الخطي بين المواقع المخصصة لقياسات العمق التي أُجريت في تلك النبضة، في الحزمتين المتجاورتين المتقاطعتين. وقد حسّن تعديل أجزاء صور نظام المسح متعدد الحزم (MBES) جودة الصور بشكل ملحوظ، وذلك بزيادة عدد قياسات سعة الصدى المتاحة لعرضها كبكسل في الصورة، وكذلك بتوزيع مكاني أكثر تجانسًا للبكسلات في الصورة، والتي تمثل سعة صدى فعلية مقاسة.

ساهم إدخال أجهزة قياس الأعماق متعددة الأطياف ومتعددة الحزم ^{[ 29 ]} في مواصلة التقدم المطرد في مجال الهيدروغرافيا. وعلى وجه الخصوص، لا توفر هذه الأجهزة قياسات عمق متعددة النظرات لقاع البحر فحسب، بل توفر أيضًا بيانات ارتداد صوتي متعددة الأطياف تتزامن مكانيًا وزمنيًا مع قياسات العمق تلك. ويقوم جهاز قياس الأعماق متعدد الأطياف ومتعدد الحزم بحساب موقع منشأ كل سعة ارتداد صوتي في مجموعة البيانات الناتجة بشكل مباشر. وتستند هذه المواقع إلى قياسات الارتداد الصوتي نفسها، وليس عن طريق الاستيفاء من مجموعة بيانات مشتقة أخرى. ونتيجة لذلك، تتميز صور قياس الأعماق متعددة الأطياف ومتعددة الحزم بدقة أعلى مقارنةً بصور قياس الأعماق متعددة الحزم السابقة. كما تُعد الدقة المتأصلة في بيانات قياس الأعماق من جهاز قياس الأعماق متعدد الأطياف ومتعدد الحزم ميزةً للمستخدمين الذين قد يحاولون استخدام دالة الاستجابة الزاوية للارتداد الصوتي للتمييز بين أنواع الرواسب المختلفة. تؤكد أجهزة قياس الأعماق متعددة الأطياف ومتعددة الحزم حقيقة أن التشتت الخلفي المتزامن مكانيًا وزمنيًا، من أي قاع بحر معين، عند ترددات صوتية متباعدة على نطاق واسع، يوفر صورًا منفصلة وفريدة للمشهد البحري. ^{[ 30 ]}

يدخل التعهيد الجماعي أيضًا مجال المسح الهيدروغرافي، من خلال مشاريع مثل OpenSeaMap [ ^{31 ] و} TeamSurv ( مؤرشف في 29 ديسمبر 2020 على Wayback Machine) وARGUS. في هذه المشاريع، تسجل سفن المتطوعين بيانات الموقع والعمق والوقت باستخدام أجهزة الملاحة القياسية، ثم تُعالج البيانات لاحقًا لمراعاة سرعة الصوت والمد والجزر وغيرها من التصحيحات. لا تتطلب هذه الطريقة سفينة مسح متخصصة، أو وجود مساحين مؤهلين مهنيًا على متنها، إذ تكمن الخبرة في معالجة البيانات التي تتم بمجرد تحميلها إلى الخادم بعد الرحلة. إلى جانب التوفير الواضح في التكاليف، توفر هذه الطريقة مسحًا مستمرًا للمنطقة، لكن من عيوبها الوقت اللازم لتجنيد المراقبين والحصول على بيانات عالية الكثافة والجودة. على الرغم من دقة هذه الطريقة أحيانًا لتصل إلى 0.1-0.2 متر، إلا أنها لا تُغني عن المسح المنهجي الدقيق عند الحاجة. ومع ذلك، فإن النتائج غالباً ما تكون كافية للعديد من المتطلبات التي لا تتطلب مسوحات عالية الدقة أو عالية الوضوح، أو تكون باهظة الثمن، أو ببساطة لم يتم إجراؤها بعد.