„Пътищата към науката за никого не са затворени.“

Основните потребители на информация за релефа на дъното са мореплавателите – граждански и военни. Във връзка със затягането на изискванията на международния стандарт МХО S-44 (6-то издание) се промениха изискванията за заснемане на релефа на дъното с цел картографиране. В допълнение, появата на нови технически средства за изследване на релефа на дъното направи възможно започването на формирането на единен цифров модел на релефа на дъното (ЦМРД), който играе важна роля, когато се използва в навигационните системи на кораби, плавателни съдове и подводни носители, както и при използване на различни оръжия и военна техника (ВиВТ). Разнообразието на цифрови модели на дънния релеф, представени в публичното пространство, показва търсенето на информация в различни области както на науката, така и на производството. Сред това разнообразие Военноморската хидрографска служба трябва да избере този формат на ЦМРД, който ще се използва в софтуера за обработка на резултатите от проучването на морското дъно по време на формирането на ЦМРД и също така ще позволи да се постигне недвусмислен обмен на батиметрични масиви от данни и тяхното актуализиране.

В момента батиметричните цифрови модели на релефа на дъното осигуряват основата за комплексни морски изследвания: геоморфологични, геоложки и геофизични, биологични, екологични и океанографски. Списъкът от приложни задачи, които не могат да бъдат решени без познаване на релефа на дъното, включва разширяването на икономическите зони (границите на континенталния шелф), осигуряването на безопасността на корабоплаването, проучването на минерални и биологични ресурси, планирането на подводни инженерни работи, управлението на рибарството , изучаване на биоразнообразието, прогнозиране на свлачища и наноси, моделиране на циркулация на водите на Световния океан, въздействието на цунами и др.

Глобален модел на релефа, понякога наричан също глобален топографски модел или композитен модел, съчетава данни от цифров модел на релефа над сушата с данни от дигитален батиметричен модел върху покрити с вода области (океани, езера), за да опише топографията на Земята. Така моделът на релефа показва как би изглеждала повърхността на Земята при липса на вода или ледени маси. Релефът е представен от набор от височини (височини или дълбочини), които са относителни към някаква опорна повърхност на височините, често средно морско ниво или на геоида. Глобалните модели на релефа се използват за различни приложения, включително геовизуализация, геоложки, геоморфологичен и геофизичен анализ, моделиране на гравитационно поле и геостатистика.

Обект на геостатистически анализ са пространствените променливи (или регионалните променливи), които са подобни на мрежова променлива. Примерите за пространствени променливи включват: валежи, гъстота на населението в определен географски район, дебелина на геоложка формация, плътност на замърсяване на почвата, средна консумация на електроенергия в определен час и др.

Глобалните модели на надморска височина винаги се основават на комбинации от набори от данни от топографски и хидрографски проучвания и различни методи за дистанционно наблюдение на Земята. Това се дължи на факта, че няма единен метод за дистанционно наблюдение, който да позволи измерване на релефа както на сушата, така и на морските площи. Височините над сушата често се получават от лидарни или интерферентни радарни измервания, докато батиметрията се получава от корабни сонарни измервания и сателитна алтиметрия.

Глобалните цифрови релефни модели описват релефа на Земята често с разделителна способност от 1 до 3 дъгови секунди (около 30 и 100 m, съответно), докато глобалният батиметричен модел (например SRTM30_PLUS) има много по-ниска пространствена разделителна способност – в километровия диапазон. Глобалните модели на релефа често се изграждат с разделителна способност от 1 дъгова минута (съответстваща на около 1,8 km). Някои продукти, като SRTM30_PLUS и SRTM15_PLUS респективно при 30 и 15 дъгови секунди, предлагат по-висока разделителна способност за адекватно представяне на измерванията на дълбочината на сонара, където е необходимо. Когато няма сонарни измервания, възлите на мрежата се намират на разстояние от 15 или 30 дъгови секунди, батиметричната разделителна способност на модела е много по-лоша (~ 2–12 km), в зависимост от дълбочината на водната площ.

Наборите от данни, подготвени и публикувани за обществеността, включват модели като Earth2014, SRTM30_PLUS и ETOPO1. От тях най-новият глобален модел на надморската височина е Earth2014, разработен в университета Къртин (Австралия) и Техническия университет в Мюнхен (Германия). Earth2014 предоставя набори от данни с мрежа от 1 ъглова минута за: релефа на Земята в различни представяния, базирани на данни за скалната основа и ледената покривка от 2013 г. над Антарктика (Bedmap2) и Гренландия (топография на скалната основа на Гренландия), батиметрични модели SRTM_30PLUS 2013 и SRTM V4.1 SRTM 2008 и релефа на сушата.

Earth2014 предоставя пет различни слоя данни за височината на повърхностите, включително повърхността на Земята (долната граница на раздела на атмосферата), батиметрия на океани и големи езера, топография, батиметрия и скални повърхности, ледени покривки и еквивалентна на планинските породи топография. Глобалните мрежи на Earth2014 са представени като височини спрямо средното морско ниво на координатната система EGM96 за обичайния модел на релефа и във вид на планетарни радиуси спрямо центъра на Земята, за да се покаже формата на Земята.

SRTM30_PLUS (2014) е комбиниран батиметричен и топографски модел, създаден от Института по океанография Скрипс (Калифорния). Версията 15_PLUS има разделителна способност от 0,25 дъгови минути (около 450 m), докато версията 30_PLUS осигурява разделителна способност от 0,5 дъгови минути (900 m).
Батиметричните данни в SRTM30_PLUS се основават на данни от сонарно проучване и сателитна алтиметрия. Батиметричният компонент SRTM30_PLUS се актуализира редовно с нови или подобрени набори от данни за непрекъснато подобряване и прецизиране на описанието на геометрията на морското дъно. За участъците от сушата за модела SRTM30 се ключват данни от Геологическата служба на САЩ.

Моделът ETOPO1 (2009) представя топографията на сушата и батиметрията на океана, и се основава на топографията на модела SRTM30 и множество от батиметрични снимки, които са били обединени. Историческите версии на ETOPO1 са моделите на на релефа ETOPO2 и ETOPO5 (резолюция съответно 2 и 5 дъгови минути). Информацията за дълбочината на океана, съдържаща се в ETOPO1, е заменена с няколко актуализации на батиметрията от модела SRTM30_PLUS.

Обществено достъпните глобални и регионални батиметрични модели са компилация от данни, която се характеризира с неравномерно разпределение на измерванията на дълбочината и значителни разлики в пространствената разделителна способност и точността на измервателните уреди. Познаването на топографията на дъното на Световния океан не осигурява необходимата точност за повечето морски приложения: около 80% от площта на Световния океан не е картографирана с резолюция от 1 km.

В момента има редица публично достъпни глобални и регионални ЦМРД, които с различна надеждност, точност и детайлност показват релефа на дъното на Северния ледовит океан. Те включват по-специално ETOPO1, Global Topography, GEBCO 1 min, GEBCO_08, GEBCO_2014, SRTM30_Plus, SRTM15_Plus, IBCAO версии 2, 3, 4 и т.н. Обширният списък от съществуващи модели затруднява потребителите при избора на цифров модел на релефа (ЦМР) за специфични задачи и приложения като основа за математическо картографско моделиране.

Точността на всеки ЦМР зависи от редица фактори, като точността, плътността и разпределението на оригиналните данни, сложността на моделирания терен, разделителната способност на мрежата и метода на интерполация. По този начин точността на модела не се измерва с един параметър, тя е пространствено променлива, както и факторите, които я определят.
Работата по оценката на точността на ЦМР на морското дъно е ограничена до единични частни изследвания, които засягат един или друг негов аспект. По-специално, точността на три публични батиметрични ЦМР, които описват релефа на морското дъно в Арктика: GEBCO_08, SRTM30_Plus, Global Topography.

Тестваните модели имат редица разлики: в метода на изграждане, района на покритие,
формат на представяне, пространствена резолюция, проекция, източниците на изходните данни, са представени в табл. 1. Моделите са разделени в зависимост от първоначалните данни: към тип A се отнася ЦМРД GEBCO_08 (северно от 64 ° N), базиран единствено на хидроакустични данни и изграден на базата на IBCAO (International Bathymetric Chart of the Arctic Ocea – Международна батиметрична карта на Арктически океан), празнините между измерванията на дълбочината се запълват чрез сплайн интерполация; към тип B – ЦМР Global Topography и SRTM30_Plus, въз основа на комбинация от данни от сонарна снимка с прогнозиран релеф от гравитационни аномалии.
Моделите имат почти единна база данни, изградени в различни картни проекции, с различни резолюции.
Независими ЦМРД с висока разделителна способност и точност, получени в резултат на снимка с многолъчев ехолот (MЛЕ) в Норвежко, Гренландско и Баренцово морета, се приемат в работата като стандарт за точност. Снимката с MЛE е извършено от Геологическия институт на Руската академия на науките (ГИН РАН) по време на 24-то, 26-то плаване на изследователския кораб „Академик Николай Страхов“ през 2006–2008 г.

Таблица 1. Основни характеристики на общедостъпни ЦМРД

Забележка. ССТ – мрежа от сфероидни трапеци с еднаква ъглова стъпка по ширина и дължина, образувана от пресечните точки на паралели и меридиани.

Точността на ЦМР GEBCO_08 SRTM30_Plus DEM и ЦМР на Global Topography (GT) беше оценена на няколко места в Норвежко и Баренцово море.
Стандартното отклонение на несъответствието на дълбочините спрямо еталония ЦМРД на ГИН РАН за ЦМР GEBCO_08 е 17,3%, за ЦМР GT е 15,9%, а за ЦМР SRTM30_Plus е 7,64% от дълбочината. Значителните стандартни отклонения на разпределението на разликата в дълбочината за ЦМРД тип B достигат 37%, което показва ограниченията на метода за прогнозиране на релефа от гравитационни данни за шелфови зони на големите географски ширини като входни данни. Глобалният дигитален релефен модел ETOPO1, който включва както наземен, така и подводен релеф с разделителна способност от 1 ъглова минута, осигурява покритие на топографски и батиметрични измервания на земната повърхност от -90° до 90° по ширина и от -180° до 180° по дължина .

Развитието на ETOPO1 беше извършено в посока на увеличаване на разделителната способност и точността на данните, за да се получи модел на циркулацията на Световния океан и да се визуализира повърхността на земното кълбо. В табл. 2 се показват общите характеристики на данните от ETOPO1. Данните за изграждане на модела ETOPO1 (топографски, батиметрични, интегрирани топографско-батиметрични измервания, измервания на релефа, брегова линия и цифрови данни за материковия релеф) са получени от няколко американски правителствени организации, международни организации и академични институции.

За преобразуване на данните в координатната система WGS84 и привеждането им в единна вертикална височинна система беше използван софтуерът „Feature Manipulation Engine“ (FME), разработен от Safe Software, след което данните бяха преобразувани във формат „shape“² и към ArcGIS ESRI растерни формати. По-нататък с помощта на ArcGIS е направена аналитична оценка и ръчна обработка (корекция) на данните. Wessel и Smith, „Generic Mapping Tools“ (GMT) версия 4.3 и софтуерните продукти на Caress and Chayes, „MB-System“ версия 5.1.0, бяха използвани за последващо обвързване на данни и изграждане на глобален цифров модел на релефа. JODC (Японски океанографски център за данни), NGDC (Национален географски център за данни), CEP (Каспийска програма за околната среда) и CIESM (Средиземноморска научна комисия) бяха използвани за формиране и допълване на ETOPO1 с батиметрични измервания.

Таблица 2. Обща характеристика на данните ETOPO1

Форматът на шейпфайл е цифров векторен формат за съхранение на информация за геометрично местоположение и свързана информация за атрибути. Този формат няма способността да съхранява топологична информация.

В табл. 3 са дадени характеристиките на данните, използвани за изграждане на модела ETOPO1.

Таблица 3. Характеристики на данните, използвани за изграждане на модела ETOPO1

Нека разгледаме примери за други разработени глобални топографски модели на дъното.
Модел на релефа на дъното на Световния океан на Националния център за геофизически данни (National Geophysical Data Center — NGDC) NOAA. Моделът ETOPO5 бил създаден на основата на база от цифрови данни за дълбочините на Световния океан на петминутна решетка по географска ширина и дължина. По този начин разделителната способност на решетъчните данни за дълбочини е 5′ × 5′. Източници на данни за океаните са базите данни на Океанографската администрация и Центъра за цифрови океанографски данни на Военноморските сили на САЩ. Този модел може да бъде достъпен през Интернет.

Понастоящем се обмисля концепцията за решетъчна батиметрия с висока разделителна способност (high definition gridded bathymetry – HDGB) за унифициране на цифровото представяне на данните от проучването на морското дъно с помощта на съвременни технически средства. За постигане на недвусмислен обмен на набори от батиметрични данни и улесняване на тяхната актуализация се предлага нарезка на акваториите за ЦМРД под формата на неприпокриващи се зони с три нива на разделителна способност. Всеки район се състои от 1000 × 1000 мрежови клетки. Първото ниво на разделителна способност за зони от 0,02 × 0,02° (използва се за пристанищни зони) е 0,00002° (2 m). Второто ниво на разделителна способност – за райони 0,1 × 0,1° (използва се за крайбрежни акватории) – 0,0001° (20 m). Третото ниво на разделителна способност за райони 1 × 1° (използва се като обзорен модел на релефа на дъното) – 0,001° (110 m). В бъдеще с разделителна способност на мрежата от 0,0001° (приблизително 8 m) за области от 0,1° × 0,1°.

За ниски и средни географски ширини ориентацията на неприпокриващи се зони съответства на меридиани и паралели с целочислени стойности на географска ширина и дължина.
Хидрографските данни трябва да са налични в обичайни формати, включително CSAR, BAG и 32-битови GeoTiff файлове, за да се приспособят множество потенциални заявки на крайни потребители за хидрографски данни.
Възможността за създаване на набори от данни въз основа на тази нова продуктова спецификация се предоставя от новия стандарт IHO S-102 за хидрографски данни и производни продукти.

Форматът CSAR, използван за съхранение на хартиения HDGB, е предназначен да намали времето и разходите за картографиране, свързани с тенденцията за увеличаване на обемите данни в резултат на проучвания, което предполага необходимостта от ефективни методи за тяхната обработка и съхранение. За да подобри производителността при обработката на големи обеми данни и да реализира възможността за по-сложен анализ на данни, CARIS разработи нова технология за съхранение на данни, която ще позволи на потребителите да съхраняват, обработват и визуализират много големи количества данни.

Батиметричните данни се съхраняват като набори от данни с решетка с висока плътност или набори от точки с по-ниска плътност, като и двата имат високи изисквания към паметта. Новият формат на паметта улеснява заявките и достъпа до данните, от които се нуждаят потребителите, през Интернет и е предназначен да им позволи да имат бърз достъп до тях. Тази нова технология е включена за използване в софтуерните продукти на CARIS за обработка и представяне на данни от проучвания на морското дъно – HIPS и SIPS³.

HIPS и SIPS – софтуер за обработка на данни от многолъчева и еднолъчеви ехолоти, сонари за странично сканиране, авиационни лазерни батиметрични системи, данни за състоянието на морската среда. Поддържа повече от 40 индустриални стандартни формати на данни, извършва автоматизирано почистване на данни, съхранение и предаване на големи обеми.