บอกเล่าประสบการณ์งานสำรวจ Hydrographic Survey ในเบื้องต้น

งานสำรวจทางอุทกศาสตร์ (Hydrographic Survey)

• จากประสบการณ์ของผมที่ผ่านมาเกี่ยวกับงาน Hydrographic survey สักประมาณ10 ปีกว่า อยากจะเล่าเรื่องประสบการณ์งานสำรวจด้านนี้ ซึ่งงานสำรวจทางน้ำ(ขอเรียกสั้นๆ)เมื่อเทียบกับงานสำรวจด้าน Land survey จะเป็นส่วนน้อยมาก มาดูกันว่างานสำรวจด้านนี้มีอะไรบ้าง มีจุดมุ่งหมายอะไร นำไปประยุกต์ใช้กันอย่างไร แต่ก็ต้องออกตัวว่าประสบการณ์ของผมที่ผ่านมาด้านนี้เป็นเพียงงาน scale เล็กๆ ไม่ใหญ่โตอะไรนัก และสิ่งที่จะเขียนต่อไปนี้ำไม่ได้เน้นวิชาการมากนัก

Hydrographic Survey คืออะไร

• คือศาสตร์ที่ใช้วัดและรวบรวมข้อมูลจากพื้นที่ที่เป็นผืนน้ำ เช่นแม่น้ำ บึง อ่างเก็บน้ำ ทะเลสาบ ทะเลและมหาสมุทร ข้อมูลที่ได้จากการวัดได้แก่ความลึก(Depth) สภาพของท้องน้ำ(Water bed) คลื่น(Wave) กระแสน้ำ(Current) น้ำขึ้นและน้ำลง(Tide) โดยใช้เครื่องมือที่แตกต่างออกไป สุดท้ายจากข้อมูลสำรวจต่างๆจะนำมาประมวลผลเป็นแผนที่ หรือฐานข้อมูล ซึ่งมีหลายรูปแบบแล้วแต่จุดมุ่งหมายของงาน

จุดประสงค์ของ Hydrographic Survey

• การสำรวจร่องน้ำเพื่อการเดินเรือ (Maritime Navigation) เพื่อให้เกิดความปลอดภัยต่อการเดินเรือ นอกจากแสดงความลึกที่เหมาะสมกับการเดินเรือแล้ว สภาพท้องน้ำมีอุปสรรคอื่นหรือไม่เช่นเรือหรือโป๊ะที่จมอยู่ใต้น้ำ  งานสำรวจอาจต้องทำทุกๆปี เนื่องจากร่องน้ำเดินเรือมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา บางร่องอาจจะต้องขุดลอกด้วยเรือขุดทุกๆปี การสำรวจจะทำก่อนและหลังขุด เพื่อตรวจสอบปริมาณและความลึกว่าได้ตามเกณฑ์หรือไม่ ดูรูปด้านล่างที่แสดงได้สวย ชัดเจน สังเกตด้านซ้ายจะเห็นเรือจมอยู่ใต้น้ำด้วย

• การสำรวจเพื่อการก่อสร้าง (Marine Construction) เพื่อเป็นข้อมูลบริเวณที่จะทำการก่อสร้าง ให้สามารถออกแบบสิ่งปลูกสร้างได้อย่างเหมาะสม งาน Marine Construction ได้แก่งานก่อสร้างท่าเทียบเรือ(Jetty, Wharf & Quay) งานวางสาย Submarine cable ในทะเลเช่นสายไฟฟ้า สายไฟเบอร์ออปติก งานวาง Submarine pipeline เช่นท่อแก็ซ ท่อน้ำมัน งานติดตั้งแท่นขุดเจาะแก็ซ แท่นขุดเจาะน้ำมัน

  

  

  

  

  

  

  อุปกรณ์และเครื่องมือที่ใช้ในงาน Hydrographic Survey

  1. ระบบพิกัด (Position System) ปัจจุบันคงไม่มีอะไรดีไป กว่า GPS อีกแล้วซึ่งสนนราคาของ GPS ขึ้นอยู่กับความละเอียดของงานเช่นสำหรับการเดินเรือทั่วๆไปราคาก็อยู่หลัก หมื่นบาท ส่วนระบบที่ต้องการค่าพิกัดที่ถูกต้องสูง อาจจะมีราคาเป็นแสนบาทจนถึงล้านบาทก็มี ผมพอจะแบ่งได้ตามประเภทการใช้งานดังนี้
     • เครื่อง GPS แบบ Stand alone สำหรับการใช้งานที่ไม่ต้องการความถูกต้องสูงมากนัก เช่นติดตั้งในเรือท่องเที่ยวชายฝั่ง เรือประมง ส่วนบางรายก็ใช้เครื่อง GPS มือถือหิ้วมาใช้ก็มี

     

     • เครื่อง GPS แบบ DGPS (Differential GPS) เป็นระบบที่สามารถรับค่าปรับแก้ค่าพิกัดให้ถูกต้องมากยิ่งขึ้น ด้วยการปรับแก้ C/A Code ได้ความถูกต้องอยู่ประมาณ 1 เมตร ระบบนี้สามารถแยกย่อยเช่น
       • รับสัญญาณจากคลื่นวิทยุ (Beacon) เป็นระบบเก่าแก่ เมืองไทยก็มีใช้งานอยู่ส่วนใหญ่แล้ว support เรือเดินทะเลเข้าเทียบท่า เครื่อง GPS แบบนี้ต้องรับสัญญาณ Beacon ได้ (2 in 1) ซึ่ง Beacon เองก็คือคลื่นวิทยุย่าน 200 – 400 KHz
       • รับสัญญาณจากดาวเทียม เช่นดาวเทียม Ominstart, Landstar ซึ่งไม่ฟรีต้องเช่าสัญญาณใช้งาน และที่ฟรีได้แ่ก WAAS, EGNOS ฟรีแต่ประเทศไทยใช้งานไม่ได้เพราะไม่ได้ติดตั้งสถานีภาคพื้นดิน (ผมเคยเช่าสัญญาณของ Omnistar ใช้สำหรับงาน offshore)
       • ตั้งสถานี Base Station เอง ส่วนใหญ่จะใช้งานด้านการสำรวจมากกว่าอย่างอื่น การติดตั้งจะใช้ GPS ติดตั้งบนฝั่งบนหมุดที่รู้ค่าพิกัด ใช้วิทยุ Radio modem ส่งค่าปรับแก้ค่าพิกัดมาบนเรือสำรวจ ซึ่งบนเรือสำรวจก็ติดตั้ง GPS อีกชุดหนึ่งเรียกว่า Rover การรับสัญญาณค่าปรับแ้ก้ใช้ Radio modem เป็นตัวรับค่าปรับแก้ การรับส่งข้อมูลปรับแก้อาศัยโปรโตคอลมาตรฐานที่เรียกว่าของ RTCM (Radio Technical Commission for Maritime Services) ที่เรียกว่า RTCM SC104

     

     

     • เครื่อง GPS แบบ RTK(Real Time Kinematic) เป็นระบบที่ใช้เครื่อง GPS แบบสองความถี่ ซึ่งจะเป็นเครื่องที่มีราคาสูงมากกว่ากลุ่มอื่น หลักการคล้ายๆกับแบบ DGPS แบบข้างบนมาก แต่จะให้ค่า Accuracry สูงทั้งค่าพิกัดทางราบและทางดิ่ง อยู่ในระดับหลักเซ็นติเมตร วิธีการคือตั้ง GPS (Base) บนหมุดที่ทราบค่าพิกัด ใช้ Radio Modem หรือโทรศัพท์ระบบ GSM ก็ได้ ทำการส่งข้อมูลปรับแก้ไปให้เครื่อง Rover ที่อาจจะใช้ในงานสำรวจ หรืองานก่อสร้างเช่นงานวางสาย Submarine cable งานตอกเสาเข็มในทะเล การรับส่งข้อมูลใช้โปรโตคอล RTCM และก็มีโปรโตคอลอื่นเช่น CMR ของ Trimble เท่าที่ผมใช้งานมาโปรโตคอล CMR (Compact Measurement Data) ของ Trimble นั้นเสถียรกว่าและใช้ band width น้อยกว่า RTCM

  

  1. การวัดความลึกของน้ำ (Depth Measurement)
     
     • การใช้สายหยั่งความลึก (Manual Measurement) เป็นวิธีการดั้งเดิมใช้วัดเป็นจุดๆ ถ้าน้ำไม่ลึกมากใช้ท่อนไม้ยาวๆหรือแ่ท่งเหล็กหยั่งลงไปถึงพื้น อ่านระดับจากหมายที่ทำไว้บนไม้หรือแท่งเหล็ก ถ้าเป็นน้ำลึกอาจจะใช้เชือกทำเป็นสายดิ่ง ด้านปลายผูกด้วยก้อนหินหรืออะไรที่หนักๆ ไม่แกว่งไปตามกระแสน้ำได้ง่ายๆ การวัดแบบนี้ใช้เวลามาก ไม่เหมาะกับพื้นที่ใหญ่ๆ

     

     

     

     • เครื่องหยั่งความลึกของน้ำ (Echo Sounder) ใช้หลักการคลี่นเสียง(Sonar) ความถี่ประมาณ 20 – 200 KHz ทำการส่งคลี่นจากเครื่องเดินทางผ่านมวลของน้ำแล้วสะท้อนกลับที่พื้นท้องน้ำ ถ้าทราบความเร็วของคลื่นเสียง ทราบระยะเวลาที่ส่งและรับคลื่น ก็สามารถหาความลึกได้ ส่วนใหญ่แล้วเครื่อง Echo sounder จะติดตั้งที่เรือส่งคลื่นเสียงออกที่หัว Transducer ปัจจุบันเครื่อง Echo sounder มีทั้งแบบ Single beam และ Multibeam ซึ่ง Echo sounder แบบ Multibeam ยังมีราคาแพงอยู่มากแต่ประโยชน์ของเครื่องมือแบบนี้คือสามารถเก็บความลึกแบบกวาดเป็นแนว ดูรูปด้านล่าง รูปขวาจะเห็นว่าเรือสำรวจวิ่งไปและเลี้ยวกลับในรัศมี 80 เมตร สามารถเก็บข้อมูลความลึกได้หมดจะเห็นโขดหินใต้น้ำอยู่ ซึ่ง 2 วิธีแรกจะไม่เห็น ซึ่งต้องซอยแนวสำรวจเพิ่ม เสียเวลาและค่าใช้จ่ายเพิ่ม การใช้ multibeam สิ่งที่ต้องการเพิ่มขึ้นก็คือเครื่องคอมพิวเตอร์ที่ต้องการพลังการประมวลผลสูงๆและโปรแกรมพิเศษ ที่สามารถเก็บข้อมูลและประมวลผลจุดในรูป Point clound ได้ (หลักการคล้ายกัย Lidar แต่ Lidar ใช้แสง laser เป็นตัวแสกน)

  

  

  

  1. เครื่องมือบันทึกภาพพื้นผิวท้องทะเล (Side Scan Sonar) ใช้สำหรับแสกนและบันทึกภาพของท้องทะเล หลักการของเครื่องใช้ปล่อยคลื่นเสียงแบบเดียวกันกับ Echo sounder และครวจจับคลื่นเลียงสะท้อนกลับมาและวิเคราะห์ ส่วนประกอบของเครื่องมีอยู่ 3 ส่วนคือ หัวตรวจแบบลาก(Towfish), สายเคเบิลสำหรับรับส่งข้อมูลจาก Towfish และตัวเครื่องประมวลผล (Topside processing unit) การทำงานส่งคลื่นเสียงที่ Towfish จากอุปกรณ์คล้ายๆรูปพัดหมุนส่งคลื่นกวาดไปด้านข้าง ความถี่ของคลื่นจะอยู่ประมาณ 100-900KHz ความถี่มากจะให้ภาพชัดแต่คลื่นเดินทางไปไม่ได้ไกลมาก ความแรงของคลื่นทีสะท้อนมา เครื่องประมวลผลจะสร้างภาพของวัตถุที่อยู่ที่พื้นผิวท้องทะเล
     • รูปด้านล่างเป็นหลักการทำงานของ side scan sonar จะเห็นว่ามี void ตรงกลาง การแสกนจะกวาดไปด้านข้างจึงเรียกว่า side scan

  

  

  

  

  

  1. เครื่องตรวจวัดชั้นดินใต้ทะเล (Sub Bottom Profiler) เป็นเครื่องมือสำรวจด้านธรณีวิทยาใช้สำหรับหาชั้นดินใต้ท้องทะเล จากผิวท้องทะเล ลึกลงไปที่ความลึกไม่เกิน 500 เมตร
     • การวัดแบบนี้เป็นส่วนหนึ่งของ seismic แต่จะเป็นการวัดที่ระดับตื้นเรียกว่า Shallow seismic reflection profiling หลักการทำงานจะส่งคลื่นไหวสะเทือนซึ่งเป็นคลื่นเสียงที่มีความถี่ต่างๆลงไปใต้พื้นท้องทะเล เมื่อคลี่นเสียงเดินทางผ่านตัวกลางต่างๆคือ น้ำ ชั้นตะกอน (sediment) ชั้นหินดาน (bedrock) ซึ่งมีคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกัน แล้วสะท้อนกลับขึ้นมายังตัวรับสัญญาณคลื่น เครื่องประมวลผลจะแสดงผลออกมาเป็นภาพหน้าตัดข้างคลื่นไหวสะเทือนแสดงลักษณะ ธรณีวิทยาตามแนวเส้นทางเดินเรือสำรวจ (อ้างอิงจาก http://www.panyathai.or.th/wiki/index.php/การสำรวจแร่)
     • ตัวต้นกำเนิดคลื่นเสียงที่มีช่วงความถี่ต่ำ ใช้ตัวต้นกำเนิดคลื่น 4 แบบ คือ Pinger(ความถี่ 2 – 12 KHz ทะลุทะลวงเข้าไปในชั้นดินตั้งแต่ 10 – 50 เมตร) หรือ Boomer (ความถี่ 300 Hz – 3 KHz ทะลุเข้าไปในชั้นดินได้ไม่เกิน 200 เมตร) Sparker (ความถี่ 50 KHz – 4 KHz ทะลุทะลวงเข้าไปในชั้นดินได้ถึง 500 เมตร) และเทคโนโลยีล่าสุดได้แก่ Chirper (1 KHz – 40 KHz ทะลุทะลวงเข้าไปในขั้นดินไม่เกิน 100 เมตร) ดูรูปด้านล่างประกอบ

     

     

     

     

Bathymetric survey ต่างจาก Hydrographic survey อย่างไร

• Bathymetric survey ใช้ในความหมายที่แคบกว่า Hydrographic survey ที่ผมกล่าวไปข้างต้นแล้ว Bathymetric survey คืองานสำรวจวัดความลึกและสร้างแผนที่ภูมิประเทศของท้องน้ำ แสดงจุดความลึก แสดงเส้นชั้นความลึก
• ก็จบตอนเรื่อง Hydrographic survey เพียงแค่นี้ตอนหน้าจะมาดูเรื่อง Bathymetric survey กัน มี hardware และ software อะไรกันบ้าง มีขั้นตอนการทำงานอย่างไร