Введение. В статье содержатся некоторые результаты комплексных океанологических экспедиций, касающиеся исследований рельефа дна и разработки батиметрической модели Белого моря. Сбор данных проводился в 2001-2006 годах на НИС «Профессор Штокман» в рамках заданий «Исследование природы Мирового океана» ФЦП «Мировой океан», Программ фундаментальных исследований Президиума РАН, Отделения наук о Земле РАН, а также проекта «Наночастицы во внешних и внутренних сферах Земли», инициативных проектов РФФИ, «Маргинальные фильтры Белого моря», международного проекта ЛОИРА, выполнения работ по программам МГБП и др. под руководством д.г.-м.н. А.П. Лисицына. Маршрут судна, на протяжении которого проводились промеры глубин, охватывает все районы Белого моря, кроме Воронки и мелководного Мезенского залива. Батиметрическая карта была составлена в течение 2006 года в лаборатории геологии Атлантики АО ИОРАН совместно с картографом группы геоморфологии Т.И. Ражевой.

Учет данных по рельефу дна особенно важен при исследованиях придонного слоя (нефелоидных слоев, связанных с близлежащими поднятиями - областями неосаждения осадочного материала), а также при изучении гранулометрии взвеси и донных осадков, которая обычно бывает связана с рельефом дна [Лисицын, 2005]. В ходе экспедиций возникла потребность в бумажной батиметрической карте и цифровой модели рельефа дна Белого моря.

Батиметрические и навигационные карты Белого моря. Первая русская морская карта Белого моря, составленная в 1727 г . с голландского атласа, была далека от действительности. Сравнительно близкая к истинным очертаниям карта составлена по систематическим описаниям русских моряков в 1770 г ., детальные съемки и опись Белого моря были выполнены М.Ф. Рейнеке в 1827-1832 гг., на основании чего им составлены карты разных частей Белого моря, а также подробное гидрографическое описание северного берега России - первая лоция [Невесский и др., 1997].

Начиная с XIX века Белое море и его побережье начали изучать географы, биологи, геологи, океанологи. В 1964-1968 гг. работала комплексная геолого-геоморфологическая Беломорская экспедиция ИОАН (начальник экспедиции В.С. Медведев, науч. рук. Е.Н. Невесский). В течение ряда последних лет на Белом море работают специалисты СЕВМОРГЕО. Несмотря на то, что Белое море стало одним из первых объектов для систематических гидрологических, биологических, океанографических исследований, подробной батиметрической карты ранее составлено не было. В литературе можно встретить либо крупномасштабные карты отдельных районов, либо мелкомасштабные сильно генерализованные схемы всего моря с сечением рельефа через 100 м [Невесский и др., 1977; Залогин и Косарев, 1999]. В СЕВМОРГЕО были составлены батиметрические карты с сечением рельефа 10 м на основе навигационных карт для некоторых районов моря. Кроме того, на картах отсутствует изобата 300 м , тогда как максимальная глубина моря, по навигационным данным, составляет 348 м . Для проведения экспедиционных работ в Белом море рядом организаций используются только морские навигационные карты (как бумажные, так и их электронные версии). Остановимся на них поподробнее.

В Правилах гидрографической службы [Правила…, 1989] сказано, что изображение рельефа дна на навигационной карте должно четко и логично отражать особенности морфологии дна, выявленные по материалам съемки и геоморфологическим данным предшествующих исследований. Это достигается помимо отображения точечных отметок глубин проведением структурных линий и изобат, имеющих специфическую для каждой формы рельефа конфигурацию. Но следует помнить, что назначение навигационных карт - обеспечение безопасности судовождения [Безбородин и Слатин, 2001; Гагарский, 2003]. Следовательно, формы рельефа на небольших глубинах (в пределах осадки судов) описаны наиболее подробно, тогда как в районах безопасных глубин (превышающих в несколько раз и более осадку судов) изобаты проведены схематически, без детализации. Связан этот факт с тем, что подробность нагрузки карты зависит от их масштаба. Так, район максимальных глубин в Кандалакшском заливе Белого моря представлен на навигационных картах масштаба 1:200 000 и 1:100 000, но не крупнее, поскольку не является ни подходом, ни гаванью.

Батиметрические данные современных электронных навигационных карт организованы в электронных навигационно-картографических системах в базы данных и цифровые модели, что позволяет строить профили рельефа по произвольным направлениям, визуализировать поверхность дна в форме трехмерных моделей, оперативно дополнять их результатами промеров. Но и здесь кроются подводные камни. Так, на основе прогнозного профиля рельефа, построенного по цифровой модели в системе dKart Navigator, было выбрано место постановки седиментационной ловушки - у подножья крутого склона. Когда судно шло со скоростью 3,5 узла по заданному курсу, то на эхолоте прописался истинный профиль рельефа, на котором склон имел совсем другой характер. С чем это связано? По отметкам глубин в системе рассчитывается цифровая модель поверхности дна с заданной степенью дискретности в соответствии с масштабом отображения. По всей вероятности, шаг сетки был велик, что загрубило изображение и исказило угол наклона.

При построении батиметрической карты картографом используются все имеющиеся профили рельефа, с них снимаются не только средние значения на заданных отрезках, но и характерные отметки - максимальные и минимальные значения, угол наклона. При проведении изобат человеком используются часто неформализуемые параметры, что, с одной стороны, не может не приводить к неоднозначности, с другой стороны, позволяет улавливать тенденции и закономерности в местах, мало обеспеченных натурными данными. Автор придерживается точки зрения, что машине можно доверить только вспомогательную работу - нанесение точек по координатам, пересчет геодезической основы и проекций, масштабов, отображение выбранных глубин на планшете, но изолинии должен проводить человек.

Программно-аппаратное обеспечение сбора данных. Для изучения особенностей рельефа дна Белого моря использовался судовой эхолот Echo Sounder FURUNO FE700 и дополнительно эхолот ELAC с рабочей частотой 200 кГц и углом раскрыва характеристики направленности 5,4°. Навигационная привязка данных обеспечивалась использованием дифференцированного спутникового приемника DGPS МК10 АР Navigator PHILIPS (точность навигации до 10 м ).

Для планирования и обеспечения работ в рейсе с 2005 г . при непосредственном участии автора в лаборатории была организована дополнительная рабочая станция dKart, соединенная с ведущей на навигационном мостике и получающая от него навигационно-батиметрическую информацию [Гончарова, 2005]. Последующая обработка профилей рельефа проводилась в программном комплексе dKart Hydrographer, для перевода данных из экспортного формата судового журнала dKart в текстовые файлы навигации и батиметрии, которые поддерживаются картографическими и геоинформационными системами, дополнительно была разработана программа конвертации в программном пакете MATLAB. Ранее полученные батиметрические данные также импортировались в текстовом формате в dKart Hydrographer для дальнейшей обработки.

Материалы и методы. Для характеристики отдельных участков профиля, наиболее удачно отображенных самописцем, описания некоторых форм рельефа использовались ленты эхолота ELAC, полученные в 55, 64 и 71 рейсах НИС «Профессор Штокман». Поскольку прибор дублировал судовой эхолот, сплошная съемка значений глубин с лент не проводилась.

Данные судового эхолота регистрировались в 49, 55 и 64 рейсах НИС «Профессор Штокман» в текстовом формате, требующем предварительной обработки перед импортом в программный комплекс dKart, где проводилась обработка профилей рельефа - удаление сбойных значений глубин, возникающих вследствие качки и неоднократного отражения от дна в местах выхода скальных пород, визуализация профиля рельефа с поправкой на меняющуюся скорость судна.

Физически нет возможности проставить на планшете отметки глубин во всех точках, в которых данные о глубине были получены. Согласно гидрографическим инструкциям [Правила…, 1989], для отображения на планшете в заданном масштабе проводится отбор таких точек, в которых отметки глубин будут проставлены на планшете без потери существенной информации о профиле морского дна. Для этого программе необходимо задать минимальную величину, на которую должны отстоять друг от друга отметки глубин на планшете и на картах, построенных на его основе, определить алгоритм отбора и т.п. В 71 и 80 рейсах вышеназванного судна прием данных осуществлялся программным пакетом dKart, что значительно упростило обработку данных и позволило получать оперативно уточненные промерами модели и профили рельефа в ходе рейса.

Значения глубин, полученные в 80 рейсе НИС «Профессор Штокман» были обработаны согласно всем гидрографическим инструкциям и нанесены на составленную батиметрическую карту. К удивлению автора, к значительным изменениям в положении изобат это не привело. Получилось, что поправки скомпенсировали друг друга, и невязка глубин составила 1- 2 м , что при сечении рельефа через 10 м оказалось незначительным. Ввиду этого обстоятельства, а также недостатка дополнительных данных за прошлые рейсы, подобный пересчет значений глубин по прошлым рейсам не проводился.

Математическая основа навигационной и батиметрической карты. Значения координат картографических объектов и значения глубины/высоты определяются геодезической основой карты и нулем глубин/высот. Как известно [Павлов, 1974], геодезической основой для навигационных карт служит эллипсоид вращения, представляющий поверхность Земли. Данные для электронных навигационных карт подготавливаются гидрографическими службами разных стран и имеют разные геодезические основы и нули глубин. В результате географические координаты одних и тех же картографических объектов на картах с разными геодезическими основами и значения глубин в одних и тех же точках несколько отличаются. Наиболее точной в настоящее время является геодезическая основа WGS84, поэтому данные хранятся в компьютерной базе данных dKart в этой системе. Кроме того, данные приемников глобальных систем позиционирования (GPS), поступающие в картографическую систему, имеют ту же геодезическую основу. Для построения навигационных карт на экране дисплея в dKart используется проекция Меркатора, нормальная для широт 0-85 градусов. За главную параллель карты принимается параллель, проходящая через центр экрана.

Координатная сетка и береговая линия для батиметрической карты были сняты со справочно-информационной карты Главного управления навигации и океанографии МО РФ 2003 г . издания, масштаб по 66 градусу северной широты 1:750 000. Дополнительные значения глубин снимались с навигационных карт разного масштаба - от 1:200 000 (северо-западные районы Белого моря) до 1:50 000 (Двинский залив). Изобаты проводились на основе масштаба 1:200 000 с сечением рельефа 10 м . Дополнительно были генерализованы основные изобаты (20, 50, 100, 150, 200, 250, 300 м ) до масштаба 1:750 000 для оцифровки и последующего сопоставления с другими картами Белого моря (картами ВКФ Ленинградского ВО 1993 г . и справочно-информационной ГУНО МО РФ 2003 г .).

Результаты. На данный момент батиметрическая карта Белого моря выполнена в 3 видах: подробная бумажная карта масштаба 1:200 000 с сечением рельефа 10 м , генерализованная до масштаба 1:750 000 калька с основными изобатами и ее оцифрованная электронная версия. Работа прошла апробацию в ходе 80 рейса НИС «Профессор Штокман» - карта использовалась для планирования комплексных станций и работ на переходах, подготовки отчетов. В настоящее время разрабатывается цифровая модель рельефа для оценки геоморфологических условий районов работ, построения ряда литологических карт и комплексного картографического анализа акватории.

Список литературы

1. Лисицын А.П. Отчет начальника экспедиции // Отчет о работах экспедиции в 71 рейсе НИС «Профессор Штокман» 9-20 августа 2005 г . Проект «Система Белого моря». Москва: РАН, 2005. С. 3-44.

2. Невесский Е.Н., Медведев Е.С., Калиненко В.В. Белое море. Седиментогенез и история развития в голоцене. М.: Наука, 1977. 273 с.

3. Залогин Б.С., Косарев А.Н. Моря. М.: Мысль, 1999. 400 с.

4. Правила гидрографической службы № 5. Составление и издание морских карт и карт внутренних водных путей (ПГС № 5), Приложение 38. Изображение рельефа дна. 1989. С. 218-237.

5. Безбородов Г.И., Слатин К.В. Электронная картография: Учебное пособие. СПб.: СПГУВК, 2001. 118 с.

6. Гагарский Д.А. Электронная картография: Краткий курс лекций. СПб.: ГМА им. адм. С. О. Макарова, 2003. 48 с.

8. Гончарова Н.В. Отчет по навигационному координированию и планированию поиска седиментационных ловушек, ведению банка навигационных и батиметрических данных // Отчет о работах экспедиции в 71 рейсе НИС «Профессор Штокман» 9-20 августа 2005 г . Проект «Система Белого моря». Москва: РАН, 2005. С. 140-151.

9. Павлов А.А. Практическое пособие по математической картографии. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1974. 171 с.

Ссылка на статью:

Гончарова Н.В. О новой батиметрической модели Белого моря. Материалы Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Д.Г. Панова (8-11 июня 2009 г ., г. Ростов-на-Дону). Ростов-на-Дону: Изд-во ЮНЦ РАН, 2009, с. 63-66.