Διερεύνηση και επίλυση προβλημάτων Ναυσιπλοϊας και οπτικοποίηση δρομολογίων πλου μεγάλων αποστάσεων σε συστήματα ηλεκτρονικού χάρτη

Abstract

Ο βασικός σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση των μεθόδων επίλυσης των θεμελιωδών προβλημάτων ναυσιπλοΐας καθώς και των γενικών αρχών και μεθόδων επιλογής και υλοποίησης χαρτογραφικών απεικονίσεων για την ανάδειξη νέων βελτιωμένων μεθόδων, τόσο για την ακριβέστερη σχεδίαση του πλου, όσο και για την πιστότερη απεικόνιση δρομολογίων πλου μεγάλων αποστάσεων στα Συστήματα Ηλεκτρονικού Χάρτη (ΣΗΝΧ). Στο 1ο εισαγωγικό κεφάλαιο με τίτλο:“Η ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΜΕΘΟΔΩΝ ΝΑΥΣΙΠΛΟΪΑΣ ΣΤΙΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΟΙ ΣΤΟΧΟΙ ΤΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ” παρουσιάζεται μια συνοπτική επισκόπηση των βασικών αρχών και μεθόδων επίλυσης των θεμελιωδών προβλημάτων της ναυσιπλοΐας σε συνδυασμό με τις μεθόδους χαρτογραφικής απεικόνισης και οπτικοποίησης δρομολογίων πλου μεγάλων αποστάσεων, τόσο στην παραδοσιακή ναυσιπλοΐα, όσο και σε περιβάλλον ΣΗΝΧ. Έμφαση δίνεται στις αδυναμίες των χρησιμοποιουμένων μεθόδων και τα περιθώρια βελτίωσής τους, στις διεθνείς προδιαγραφές των ΣΗΝΧ και στους στόχους της διατριβής. Στο 2ο κεφάλαιο με τίτλο: “ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΕΠΙΛΥΣΗΣ ΘΕΜΕΛΙΩΔΩΝ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ ΝΑΥΣΙΠΛΟΪΑΣ” παρουσιάζονται, αναλύονται και αξιολογούνται παραδοσιακές και νεότερες μέθοδοι επίλυσης των θεμελιωδών προβλημάτων ναυσιπλοΐας στη σφαίρα και στο ΕΕΠ και προτείνονται νέες βελτιωμένες μέθοδοι και αλγόριθμοι γεωδαιτικής επίλυσης, τόσο για την ακριβέστερη σχεδίαση του πλου, όσο και για την απεικόνιση δρομολογίων πλου μεγάλων αποστάσεων σε ΣΗΝΧ σε οποιαδήποτε χαρτογραφική απεικόνιση. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι προτεινόμενες νέες μέθοδοι για:  Τον ακριβέστερο και αποτελεσματικότερο υπολογισμό του μήκους του τόξου του μεσημβρινού που χρησιμοποιείται ως προαπαιτούμενος υπολογισμός για την επίλυση αρκετών προβλημάτων ναυσιπλοΐας.  Την ακριβέστερη και αποτελεσματικότερη επίλυση των προβλημάτων λοξοδρομικού πλου (ευθέος και αντιστρόφου) στην επιφάνεια του ελλειψοειδούς και τον υπολογισμό των γεωδαιτικών συντεταγμένων μεγάλου αριθμού ενδιάμεσων σημείων των δρομολογίων λοξοδρομικού πλου, για την ακριβέστερη απεικόνιση αυτών των δρομολογίων στην οθόνη του συστήματος με χρήση οποιασδήποτε χαρτογραφικής απεικόνισης.  Την για πρώτη φορά δημοσιευόμενη ολοκληρωμένη μέθοδο και αλγόριθμο επίλυσης του προβλήματος πλου στη μέγιστη έλλειψη (ευθέος και αντιστρόφου), συμπεριλαμβανομένου και του υπολογισμού των γεωδαιτικών συντεταγμένων μεγάλου αριθμού ενδιάμεσων σημείων του μέγιστου ελλειπτικού τόξου, για την ακριβέστερη απεικόνιση των αντίστοιχων δρομολογίων στην οθόνη του συστήματος με χρήση οποιασδήποτε χαρτογραφικής απεικόνισης. Η αξιοπιστία και η ακρίβεια των προτεινόμενων στο 2ο κεφάλαιο νέων μεθόδων επίλυσης προβλημάτων ναυσιπλοΐας τεκμηριώθηκε με την εκτέλεση συγκριτικής αξιολόγησης των αριθμητικών αποτελεσμάτων επίλυσης προβλημάτων λοξοδρομικού πλου, ορθοδρομικού πλου, πλου στη γεωδαισιακή γραμμή και πλου στη μέγιστη έλλειψη. Στο 3ο κεφάλαιο με τίτλο: “ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΔΙΠΛΟΥ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΕΕΠ ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ” παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της διερεύνησης των μεθόδων μετασχηματισμού της επιφάνειας του ΕΕΠ σε σφαιρική επιφάνεια και προτείνεται η καταλληλότερη για ΣΗΝΧ μέθοδος διπλού μετασχηματισμού του ΕΕΠ (στη σφαίρα και στη συνέχεια στο επίπεδο). Αρχικά παρουσιάζεται επισκόπηση των μεθόδων μετασχηματισμού της επιφάνειας του ΕΕΠ σε σφαίρα και καθορίζονται τέσσερις μέθοδοι μετασχηματισμού για πιθανή χρήση σε ΣΗΝΧ. Στη συνέχεια εκτελείται αναλυτική συγκριτική αξιολόγηση των παραμορφώσεων των μεθόδων αυτών με τον υπολογισμό και την ανάλυση των αντίστοιχων παραμορφώσεων. Ως αποτέλεσμα προτείνεται η καταλληλότερη για χρήση σε ΣΗΝΧ μέθοδος διπλού μετασχηματισμού του ΕΕΠ (σε σφαίρα και στη συνέχεια σε επίπεδο) για την αξιοποίηση και των χαρτογραφικών απεικονίσεων, στις οποίες υφίστανται συναρτήσεις χαρτογραφικού μετασχηματισμού μόνο για τη σφαίρα. Στο 4ο κεφάλαιο με τίτλο: “ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΕΩΝ” παρουσιάζεται αρχικά επισκόπηση των γενικών μεθόδων επιλογής και αξιολόγησης χαρτογραφικών απεικονίσεων και καθορίζονται οι ειδικές απαιτήσεις για ΣΗΝΧ. Με βάση τις ειδικές αυτές απαιτήσεις προσδιορίζονται δεκαοκτώ (18) απεικονίσεις που αξιολογούνται αναλυτικότερα σε επόμενα στάδια για ενδεχόμενη χρήση σε ΣΗΝΧ. Ο προσδιορισμός αυτός στηρίχτηκε στη συγκριτική μελέτη των βασικών χαρακτηριστικών του συνόλου των χαρτογραφικών απεικονίσεων που παρουσιάζονται στα κυριότερα συγγράμματα της αναλυτικής χαρτογραφίας (μέγεθος και κατανομή παραμορφώσεων, μορφή των γραμμών της ορθοδρομίας/λοξοδρομίας και των μεσημβρινών/ παραλλήλων). Στη συνέχεια εκτελείται η αρχική αξιολόγηση των απεικονίσεων αυτών με την εκπόνηση και ανάλυση ειδικών χαρτών, στους οποίους απεικονίζονται επιλεγμένα δρομολόγια ορθοδρομικού και λοξοδρομικού πλου καθώς και ελλείψεις παραμόρφωσης για κάθε αξιολογούμενη απεικόνιση. Από την αρχική αυτή αξιολόγηση επιλέχτηκαν για περαιτέρω αναλυτικότερη αξιολόγηση δεκαπέντε (15) απεικονίσεις. Στο τελευταίο τμήμα του κεφαλαίου 4 καθορίζονται εξειδικευμένα κριτήρια επιλογής χαρτογραφικών απεικονίσεων για ΣΗΝΧ που θα χρησιμοποιηθούν στα επόμενα στάδια αξιολόγησης. Στο 5ο κεφάλαιο με τίτλο:“ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΩΝ ΑΞΙΟΛΟΓΟΥΜΕΝΩΝ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΕΩΝ” παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της αναλυτικότερης συγκριτικής αξιολόγησης των δεκαπέντε (15) απεικονίσεων που επιλέχτηκαν στο 4ο κεφάλαιο. Αυτό το στάδιο αξιολόγησης στηρίχτηκε στον υπολογισμό και στην ανάλυση των γωνιακών και επιφανειακών παραμορφώσεων για κάθε εξεταζόμενη απεικόνιση. Για το σκοπό αυτό εκπονήθηκαν αναλυτικά διαγράμματα κατανομής των παραμορφώσεων με το γεωγραφικό πλάτος, καθώς και χάρτες με τις ισαριθμικές καμπύλες των γωνιακών και επιφανειακών παραμορφώσεων για τις εξεταζόμενες απεικονίσεις. Από την αξιολόγηση αυτή επιλέχτηκαν επτά (7) απεικονίσεις για περαιτέρω αναλυτικότερη αξιολόγηση, ανάλογα με τη θέση και την έκταση της γεωγραφικής περιοχής. Στο 6ο κεφάλαιο με τίτλο:“ΕΠΙΛΟΓΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΚΩΝ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΕΩΝ ΓΙΑ ΣΗΝΧ” παρουσιάζονται η διαδικασία και τα αποτελέσματα της τελικής συγκριτικής αξιολόγησης των χαρτογραφικών απεικονίσεων που επιλέχτηκαν στο 5ο κεφάλαιο. Αυτό το στάδιο αξιολόγησης στηρίχτηκε τόσο στη λεπτομερέστερη ανάλυση της κατανομής των παραμορφώσεων ανάλογα με τη θέση και την έκταση της αποδιδόμενης στην οθόνη του συστήματος γεωγραφικής περιοχής, όσο και στην αξιολόγηση ειδικών κριτηρίων και παραμέτρων αξιολόγησης για ΣΗΝΧ. Τελικά προτείνονται πέντε (5) απεικονίσεις για χρήση σε ΣΗΝΧ σύμφωνα με προτεινόμενους κανόνες επιλογής της κατά περίπτωση καταλληλότερης. Στο 7ο κεφάλαιο με τίτλο:“ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ, ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ” παρουσιάζονται συγκεντρωτικά και σχολιάζονται τα αποτελέσματα των επί μέρους συνιστωσών της εκτελεσθείσας έρευνας και προτείνονται θέματα για περαιτέρω έρευνα. Στα δέκα (10) παραρτήματα παρουσιάζονται λεπτομερέστερα τα σημαντικότερα προϊόντα της ανάλυσης που εκτελέστηκε για την τεκμηρίωση της διατριβής, όπως: η αναλυτική εξαγωγή των τύπων της λοξοδρομίας στο ελλειψοειδές, ειδικοί χάρτες για κάθε αξιολογούμενη χαρτογραφική απεικόνιση, στους οποίους έχουν σχεδιαστεί ελλείψεις παραμόρφωσης, καθώς και επιλεγμένα δρομολόγια λοξοδρομικού και ορθοδρομικού πλου μεγάλων αποστάσεων, κ.α.

The aim of this dissertation is twofold: firstly to investigate the methods of sailing calculations used in ECDIS and ECS systems and propose new improved methods for precise calculation on the ellipsoid and secondly to investigate the issue of the employment of map projections in ECDIS and ECS systems and propose specific projections for improved visual perception of long navigational paths. The first chapter presents a brief overview of the methods and practices used in traditional navigation and ECDIS/ECS systems and the corresponding IMO performance standards for ECDIS concerning the conduction of sailing calculations, the employment of map projections and the visualization of long navigational paths. The second chapter presents formulas for both Rhumb Line Sailing (RLS) on the ellipsoid and Great Elliptic Sailing (GES). The RLS formulas result from the analysis of the geometry of the loxodrome on the ellipsoid and are simpler and faster than those traditionally used for Rhumb Line Sailing on the ellipsoid, which are normally based on the Mercator projection formulas. The proposed algorithm for Great Elliptic Sailing provides high accuracy comparable to that obtained by the computations of geodesics. Numerical tests show that discrepancies in the computed distances between “geodesic” and the proposed new method and algorithm for the “great elliptic arc sailing” are practically negligible for navigation. The proposed algorithms for RLS and GES calculate also the geodetic coordinates of any finite number of intermediate points for the precise depiction on long navigational paths on the screen. The third chapter presents the results of the conducted study on the most appropriate method of double projection of the ellipsoid (intermediate transformation of the ellipsoid to sphere) for the employment of map projections for which formulas are provided only for the sphere. The fourth chapter elaborates on the criteria and methodology that have been used for the selection of the appropriate map projection in ECDIS. According to these criteria eighteen (18) map projections are initially selected and evaluated for potential use in navigational systems. As a result of this preliminary evaluation, fifteen (15) map projections are proposed for further analytical evaluation. The fifth chapter presents the results of the calculation and analysis of distortion and other evaluation criteria and parameters for the fifteen (15) projections selected in chapter 4. As a result, seven (7) map projections are proposed for final evaluation. The sixth chapter presents the results of the final evaluation depending on the location and the extend of the area portrayed on the screen. Improved visual perception is possible through the proper choice among five (5) alternative solutions for the selection of the most appropriate map projection. The last (seventh) chapter presents a brief overview of the conclusions, the proposed new sailing calculation methods on the ellipsoid and the rules established for the choice of map projections for improved visual perception of long navigational paths on the ECDIS/ECS screen. The ten (10) annexes contain maps and other products that have been constructed for the support of the conducted research such as: specially constructed maps showing selected Great Circles (GCs) and Rhumb Lines (RLs)/loxodromes routes, distortion ellipses and isolines of area and angular distortion for the evaluated projections.