Kartierung des Grand Canal: HN-400M-Mehrstrahl-Bathymetrie auf Chinas Binnenwasserstraßen

Der Jing-Hang-Kanal ist eine der verkehrsreichsten Binnenwasserstraßen Chinas und eine strategisch wichtige „goldene Wasserstraße“, die den Norden mit dem Süden verbindet. Mit der nun in vollem Gange befindlichen Umsetzung des 14. Fünfjahresplans treibt das Land sein nationales Programm zum Aufbau einer elektronischen Navigationskarte, eines sogenannten „One-Map“-Digitalsystems, für hochwertige Binnenwasserstraßen voran. Präzise Unterwasser-Geländevermessung ist dabei zu einer grundlegenden Voraussetzung geworden. CHC Navigation hat kürzlich das Multibeam-Echolot HN-400M auf einem unbemannten Vermessungsschiff vom Typ Apache 6 für die bathymetrische Vermessung der Abschnitte Huai’an bis Lianshui und Yangzhou bis Gaoyou des Großen Kanals eingesetzt und damit zuverlässige Basisdaten für die Programme zur intelligenten-Wasserstraßen- und elektronischen Seekartenprogramme des Kanals.

Warum herkömmliche Vermessungen mit bemannten Schiffen auf dem Grand Canal Schwierigkeiten bereiten

Herkömmliche Vermessungsarbeiten am Grand Canal stützen sich auf bemannte Vermessungsschiffe, die mit Einstrahl-Echoloten ausgestattet sind. Dieses Verfahren ist in der Praxis sehr aufwendig: In stark befahrenen Schifffahrtskanälen müssen die Besatzungen wiederholt Vorfahrt mit vorbeifahrenden Frachtschiffen aushandeln; wo kein geeigneter Einstiegspunkt vorhanden ist, muss die Ausrüstung von Hand hineingetragen werden; und in trübem, sedimentreichem Wasser liefern Einstrahl-Echolote häufig große Tiefenfehler und verfehlen den Meeresboden stellenweise gänzlich. Fünf operative Einschränkungen treten in allen Kanalabschnitten immer wieder auf:
 

• Flaches Wasser: Bemannte Vermessungsschiffe laufen Gefahr, an den Ufern und in flacheren Abschnitten auf Grund zu laufen.
   
• Starker Schiffsverkehr: Die Abstimmung der Vorfahrt mit Handelsschiffen verlangsamt die Arbeit und unterbricht die Kontinuität der Vermessungslinie.
   
• Trübes Wasser: Wasser mit hohem Sedimentgehalt beeinträchtigt die Eindringtiefe des Einstrahl-Echolots und verringert die Genauigkeit der Ergebnisse.
   
• Schwimmende Vegetation: Treibendes Unkraut verfängt sich in den Propellern bemannter Schiffe und führt zu Ausfallzeiten.
   
• Steile Ufer und komplexe Geometrie: Unterwasser-Hänge sind für bemannte Schiffe bei der Navigation in der Nähe unsicher.

HN-400M Multibeam auf dem USV „Apache 6“: Einsatz auf dem Grand Canal

Für die Abschnitte Huai'an–Lianshui und Yangzhou–Gaoyou setzte das CHC Navigation-Team auf die Kombination aus dem unbemannten Vermessungsschiff Apache 6 und dem Multibeam-Echolot HN-400M, um die Stärken beider Plattformen für die spezifischen Vermessungsherausforderungen des Kanals zu nutzen.

Das USV Apache 6 verfügt über einen geringen Tiefgang und eine kompakte Bauweise, die sich für den Einsatz in flachen Gewässern eignet. Es unterstützt Hot-Swap-Batterien, läuft bei einer Ladung mehr als sechs Stunden lang mit Standard-Reisegeschwindigkeit (ca. 2 m/s), kann nachts betrieben werden, um Spitzenzeiten im kommerziellen Schiffsverkehr zu vermeiden, und muss keine Vorfahrt mit anderen Schiffen koordinieren: Die Bediener stehen am Ufer und führen die Vermessung von dort aus durch. In Kombination mit dem leichten HN-400M kann das gesamte System von einem Vermessungsteam aus zwei Personen aufgebaut und bedient werden, was die Arbeits- und Betriebskosten im Vergleich zu Vermessungen mit bemannten Schiffen drastisch senkt.
 

Das HN-400M selbst wurde nach vier technischen Spezifikationen gebaut, die den Bedingungen des Grand Canal entsprechen: Zweifrequenzbetrieb, umschaltbar zwischen 400 kHz und 550 kHz; ein 145 Grad breiter Erfassungsbereich, der etwa dem Sechsfachen der Wassertiefe entspricht; eine integrierte 0,03-Grad-IMU für Bewegungsausgleich im Zentimeterbereich; und ein Systemgewicht von 3,5 kg, das ohne spezielle Hebevorrichtung auf einem kompakten USV montiert werden kann. Die Apache 6 navigiert mit einer Trajektoriengenauigkeit von besser als 0,2 m, und die kombinierten Datenprodukte erfüllen die Anforderungen der Sonderanordnung IHO-S-44, der höchsten Genauigkeitsklasse für bathymetrische Arbeiten in flachen Gewässern.

Ergebnisse der Felduntersuchungen an den beiden untersuchten Abschnitten

Die beiden Kanalabschnitte wiesen unterschiedliche Kombinationen der oben aufgeführten betrieblichen Einschränkungen auf. In Abschnitten mit schwimmender Vegetation und steilen Unterwasserhängen lieferte das dichte, flächendeckende Strahlmuster des HN-400M eine hochauflösende Rekonstruktion des Meeresbodens mit ausreichender Auflösung, um die Arbeitsspuren der im Kanal operierenden Saugbaggerschiffe klar zu erkennen.
 

Auf dem Abschnitt Yangzhou-Gaoyou wurde bei der Vermessung ein offenbar unter Wasser liegendes Fahrzeug der SUV-Klasse auf dem Kanalbett entdeckt – ein Hindernis, das ein erhebliches Sicherheitsrisiko für die Schifffahrt darstellte und bei einer herkömmlichen Einstrahl-Vermessung nicht erkannt worden wäre. Der Befund wurde an die zuständige Wasserstraßenbehörde weitergeleitet, damit diese die erforderlichen Räumungsarbeiten veranlassen konnte.

Ergebnisse der Erhebung und weitere Verwendung

Die Leistungen für das Grand-Canal-Projekt umfassten ein hochpräzises digitales Höhenmodell (DEM), einen Satz bathymetrischer Konturkarten sowie einen technischen Projektbericht. Die Vermessung ergab eine hohe Datendichte in der Größenordnung von 5.000 Punkten pro Quadratmeter bei einem Punktabstand von unter 0,03 m, womit die Projektvorgaben deutlich übertroffen wurden. Das kombinierte Datenprodukt aus Apache 6 und HN-400M erfüllt den Sonderbestellstandard IHO-S-44 für die bathymetrische Genauigkeit in flachen Gewässern, das für die Erstellung hochwertiger Binnenschifffahrtskarten erforderliche Niveau.
 

Die zuständige Wasserstraßenverwaltungsbehörde nutzte die Vermessungsergebnisse für drei unmittelbare Zwecke: die hochpräzise Überprüfung des Unterwasserreliefs, die Erstellung von Querschnittsdiagrammen der Fahrrinne und die Bewertung der Auswirkungen auf die Schifffahrt anhand der Parameterdateien für die Straßenplanung für anstehende Bauabschnitte. Die Daten fließen nun auch in den Beitrag der Abteilung zur nationalen elektronischen Schifffahrtskarte sowie in das nachgelagerte Programm zum intelligenten Wasserstraßenmanagement für den Grand-Canal-Korridor ein.

Multibeam-Sonar, unbemannte Wasserfahrzeuge und bathymetrische Daten im Kontext

Funktionsweise von Multibeam-Sonaren. Ein Einstrahl-Echolot sendet einen akustischen Impuls senkrecht nach unten aus und liefert einen einzigen Tiefenwert. Ein Multibeam-System sendet ein fächerförmiges Strahlbündel über den Schwad unterhalb des Schiffes aus und liefert für jeden Strahl im Fächer einen Tiefenwert, wodurch pro Ping Hunderte oder Tausende von Messungen erzeugt werden. Dies macht eine lückenlose Kartierung des Meeresbodens im Kanalmaßstab mit der Datendichte möglich, die moderne Kartierungsprogramme für Binnenwasserstraßen erfordern.
 

Die Rolle unbemannter Vermessungsschiffe. USVs mit geringem Tiefgang erschließen Teile des Vermessungsgebiets, die bemannte Schiffe nicht sicher erreichen können: Untiefen, bewachsene Abschnitte, steile Ufer und Strecken mit kontinuierlichem gewerblichen Schiffsverkehr. Die Apache 6, die beim Projekt am Grand Canal zum Einsatz kam, trug das HN-400M mit reichlich Platzreserve, fuhr durchgehende Linien ohne Koordinierung der Vorfahrt und wurde von zwei Personen eingesetzt und bedient. Die Wirtschaftlichkeit von Vermessungsarbeiten an Binnenwasserstraßen verändert sich drastisch, wenn dies zur Standardplattform wird.
 

Bathymetrische Daten für digitale Seekarten und intelligente Wasserstraßen. Das Endergebnis einer Vermessung ist nicht die Vermessung selbst, sondern die Datenebene, die sie speist. Eine hochauflösende, hochgenaue Bathymetrie ist die grundlegende Ebene für die elektronische Seekarte, für Baggerpläne zur Fahrwasserinstandhaltung und für die Verkehrsmanagementplattform für intelligente Wasserstraßen. Je mehr Binnengewässer auf USV-Multibeam-Erfassung umgestellt werden, desto schneller wird der Aktualisierungszyklus für diese nachgelagerten Systeme und desto genauer entspricht die Karte der tatsächlichen Gegebenheit.

HN-400M für die bathymetrische Vermessung von Binnengewässern

Das HN-400M ist Teil der umfassenden CHCNAV -Lösungsfamilie für die Meeres- und hydrografische Vermessung, zusammen mit ADCP-Produkten zur Flussströmungsmessung wie dem RS3600D und Einstrahl-Echoloten wie dem D60. Für Binnenschifffahrtskartenprogramme, Hafenausbaggerungen, Vermessungen von Seen und Stauseen, Flussüberwachung und Unterwasserinspektionen ist das HN-400M die Dualfrequenz-Multibeam-Lösung im CHCNAV-Portfolio.

Ausblick

CHC Navigation investiert weiterhin in die Meeres- und hydrografische Vermessung und setzt dabei modernste Technologie und bewährte Produkte ein, um präzise Lösungen für Projekte im Bereich Wasserressourcen und Wasserstraßenbau zu liefern. Der Einsatz am Grand Canal ist ein Projekt im Rahmen dieses laufenden Programms.

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Über CHC Navigation

CHC Navigation (CHCNAV) entwickelt fortschrittliche Lösungen für Kartografie, Navigation und Ortung, die darauf ausgelegt sind, Produktivität und Effizienz zu steigern. CHCNAV bedient Branchen wie Geodaten, Landwirtschaft, Maschinensteuerung und Autonomie und liefert innovative Technologien, die Fachleute unterstützen und den Fortschritt der Branche vorantreiben. Mit einer globalen Präsenz in über 140 Ländern und einem Team von mehr als 2.200 Fachleuten gilt CHC Navigation als führendes Unternehmen in der Geodatenbranche und darüber hinaus. Weitere Informationen zu CHC Navigation [Huace:300627.SZ] finden Sie unter: https://geospatial.chcnav.com/about/overview