NL ENG
header-image-3-min

Multibeam Echo Sounder

Remote sensing door middel van Multibeam Echo Sounder (MBES) is een beproefde techniek in de gereedschapskist van archeologische onderwater sensortechnieken. De MBES kan binnen de AMZ-cyclus worden toegepast tijdens de verkennende en waarderende fases van een veldonderzoek waterbodems en daarnaast gebruikt worden om het bekende erfgoed onder water te monitoren.

Wat?

Hoe werkt het?

De Multibeam Echo Sounder (MBES) is een akoestische onderwatersensortechniek die de diepteligging van de waterbodem in kaart brengt (afbeelding 1 links). Deze sensor, de ‘transceiver’ genoemd, werkt door onderwater in één keer meerdere bundels geluidsgolven uit te zenden, en deze na hun weerkaatsing op de zeebodem weer op te vangen. Het resultaat is een hoge resolutie puntenwolk(afbeelding 1 rechts). De techniek wordt standaard gebruikt in de maritieme sector om dieptemodellen van de waterbodem te maken, en gedetailleerde 3D-modellen van bijvoorbeeld scheepswrakken te construeren.

Afbeelding 1 (links): Inzet van een MBES systeem vanaf een meetvaartuig (bron: Rijkswaterstaat); (rechts): MBES opname van een historisch scheepswrak in het IJsselmeer (bron: Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed).
Meer weten?

Verdieping X

De MBES is een geavanceerde dieptemeter die dwars op de vaarrichting de waterdiepte vastlegt in een aantal (maximaal 1024) afzonderlijke bundels. Door te meten in parallelle raaien kan een vlakdekkend model (puntenwolk) van de diepteligging van de waterbodem worden gemaakt. Hierbij maakt het niet uit of het om zoet, zout of brak water gaat. Door aan de verschillende dieptemetingen kleuren toe te kennen kan een kleurendieptekaart worden gemaakt.

De MBES wordt gekarakteriseerd aan de hand van de volgende parameters:

  1. Frequentie: variërend tussen 12 en 800 kHz; dit is mede afhankelijk van de diepte waarop de waterbodem wordt verwacht. Voor archeologische doeleinden worden hoge frequenties gebruikt (tussen de 400 en 800 kHz) om een hogere resolutie te verkrijgen.
  2. De padbreedte: dit is de breedte van het gebied dat in kaart wordt gebracht. Als vuistregel geldt dat de opgenomen padbreedte ongeveer 2,5 x de waterdiepte onder de transceiver bedraagt.
  3. Bundelbreedte: variërend tussen 0,3° en 3,0⁰; de openingshoek van de geluidsbundels die door het instrument worden ontvangen. Een smallere openingshoek resulteert in een smallere geluidsbundel en meer details.
  4. Resolutie: dit is afhankelijk van de gebruikte frequentie en waterdiepte. In ondiepe gebieden (tot ca. 10 m diepte) is een resolutie haalbaar van 5 x 5 cm.

De padbreedte (swath) en resolutie (footprint) zijn afhankelijk van de waterdiepte onder de transceiver, de gebruikte frequentie en de breedte van de afzonderlijke bundels (afbeelding 2).

 

Afbeelding 2: Schematische weergave van de padbreedte (swath) en resolutie (footprint) versus de waterdiepte.

Wat heb je nodig?

Een MBES is een kostbaar systeem waarvoor veel specialistische kennis nodig is. Het kan niet los ingezet worden maar is afhankelijk van andere systemen, zoals hieronder uiteengezet. Essentiële onderdelen zijn een transceiver (zender/ontvanger), een positioneringssysteem, een motion sensor en een Sound Velocity Probe. Deze worden hieronder kort beschreven

  1. Transceivers (zender/ontvanger): Deze apparaten zetten elektrische signalen om in hoogfrequente akoestische signalen en vice versa. De keuze van transceiver beïnvloedt de dekking en resolutie van het systeem. Hoe hoogfrequenter het systeem is, hoe hoger de resolutie is.
  2. Positioneringssyteem: Voor de inzet van de MBES is een zeer nauwkeurig positioneringssysteem (zoals Real-Time Kinematic (RTK) GPS) vereist om de positie van het schip en de MBES-transceiver te bepalen.
  3. Positioneringssoftware: Dit is benodigd om de positie van het schip en de MBES-transceiver vast te leggen.
  4. Motion sensor: Dit is noodzakelijk om alle beweging van het meetvaartuig vast te leggen. Deze bewegingen bestaan uit roll, pitch en heave (afbeelding 3). Het compenseren van deze bewegingen is van belang om de juiste positie van de geluidsbundels te berekenen.
  5. Sound Velocity Probe (SVP): De snelheid van het geluid in water is afhankelijk van factoren als temperatuur, zoutgehalte en druk. De SVP wordt gebruikt om deze parameters te meten. Na het opnemen van de ruwe data dient deze nog opgeschoond te worden met specialistische software. Het opschonen van de data is nodig om uitbijters / storingen (spikes) uit de data te halen die veroorzaakt worden door valse echo’s, scholen vis, of luchtbellen in de waterkolom.
Afbeelding 3: De roll (kantelen van links naar rechts), pitch (hellen van voor naar achter), en heave (op- en neergaande beweging) van een vaartuig. Deze bewegingen worden beïnvloed door de zeegang en weersomstandigheden (bron: Estumar).

Kan worden gebruikt met..

De MBES kan op verschillende platforms worden gemonteerd, elk met zijn eigen voor- en nadelen:

  • Meetvaartuigen: Deze schepen zijn geschikt voor grotere wateroppervlakken en grootschalige surveys. Het inzetten van een meetvaartuig levert een grote padbreedte op in dieper water (meer dan 20 meter), maar de resolutie neemt af door de grotere afstand tot de waterbodem, wat zorgt voor een grotere footprint.
  • ROV (Remotely Operated Vehicle)ofAUV (Autonomous Underwater Vehicle): Voor gedetailleerde opnamen in diep water kunnen op afstand bestuurbare– of autonome onderwatervaartuigen worden ingezet. Het nadeel hiervan is dat deze zeer kostbaar zijn.

Archeologische toepassingen

Plaats in het archeologisch proces

De MBES kan worden toegepast in de verkennende, karterende en waarderende fasen van het archeologische onderzoek waterbodems (KNA Waterbodems protocol 4103, p. 5-7). Het resultaat is een puntenwolk of een dieptemodel van de waterbodem, vergelijkbaar met een Digitaal Terrein Model (DTM). Deze kan gebruikt worden voor het inzichtelijk maken van de waterbodem en de objecten die op de waterbodem liggen.

Welke typen archeologische materialen/landschappen

De MBES wordt gebruikt om het onderwaterlandschap te karteren. Hierbij worden ook de objecten op de bodem vastgelegd.

Om deze reden is MBES bijzonder geschikt voor het in kaart brengen van scheepswrakken (afbeelding 4). De techniek levert nauwkeurige dieptegegevens, waardoor het mogelijk is om de vorm en ligging van een wrak te reconstrueren. Zo kunnen details zoals de scheepsromp, masten, en andere structuren duidelijk worden weergegeven.

Afbeelding 4: Een detail van de opname van het scheepswrak de ‘Stavoren 18’ (bron: Periplus Archeomare).

Ook grotere structuren zoals verdronken dijken, akkers, of dorpen in kaart gebracht worden met behulp van de MBES door van meerdere opnamen een samengesteld mozaïek te maken (afbeelding 5).

Afbeelding 5: Een MBES-mozaïek van een gedeelte van het Markermeer, nabij Etersheim. Er zijn verschillende verdronken archeologische structuren zichtbaar op de waterbodem (bron: Periplus Archeomare).
Meer weten?

Verdieping X

MBES kan ook worden ingezet om de staat van onderwaterobjecten en -landschappen te monitoren door herhaaldelijk opnames te maken. Zo kunnen veranderingen in bijvoorbeeld de conditie en stabiliteit van scheepswrakken of andere onderwaterstructuren door de tijd heen nauwkeurig worden gevolgd (afbeelding 6).

Afbeelding 6: Resultaten van herhaaldelijke MBES-opnames van een scheepswrak (BZN09), 2007–2023 (bron: Periplus Archeomare).

Beperkingen/onzekerheden

Hieronder worden enkele beperkingen en onzekerheden kort toegelicht. Het kwantificeren van alle beperkingen en onzekerheden wordt uitgebreid behandeld in de handleiding van de Marine Biodiversity Hub (Lucieer, 2018).

  • Beam Divergentie en Resolutie: De resolutie van MBES kan afnemen naarmate de afstand van de sensor naar de bodem toeneemt, vooral aan de randen van de geluidsbundel. Dit kan leiden tot minder nauwkeurige metingen in diepere of die zich aan de rand van de bundel bevinden..
  • Meervoudige Reflecties: In ondiep water of bij aanwezigheid van massieve objecten op de bodem kunnen meervoudige reflecties optreden, die ruis in de data introduceren en de interpretatie van de beelden bemoeilijken.
  • Padbreedte: Deze wordt beperkt door de waterdiepte; de maximale breedte van een gebied dat gemeten wordt is ruwweg gelijk aan 2,5 keer de waterdiepte onder de transceiver. De padbreedte neemt dus toe met de diepte, maar dit gaat wel ten koste van de resolutie. Daarnaast moeten bewegingen van het platform gecompenseerd worden door een motion sensor.
  • Omgevingsfactoren: Veranderingen in de bodemgesteldheid, zoals sedimentatie of erosie, kunnen de resultaten beïnvloeden. Deze veranderingen kunnen over de tijd variëren, wat periodiek herhaalde surveys noodzakelijk maakt om nauwkeurige en actuele gegevens te behouden.

Referenties/verder lezen

Estumar. (n.d.). Dynamic positioning vessel in action. Estumar. https://estumar.com/es/blog/dp-vessel/. Geraadpleegd op November 8, 2024.

Lucieer, V., Picard, K., Siwabessy, J., Jordan, A., Tran, M., & Monk, J. (2018). Seafloor mapping field manual for multibeam sonar. In R. Przeslawski & S. Foster (Eds.), Field manuals for marine sampling to monitor Australian waters (pp. 42–64). National Environmental Science Programme (NESP).

Van den Brenk, S., Opdebeeck, J., & Coenen, T. (2017). Monitoring scheepswrakken Burgzand Noord, Waddenzee, periode 1998–2017. DANS Data Station Archaeology. https://doi.org/10.17026/dans-22x-dq4h

Van den Brenk, S., Opdebeeck, J., & Coenen, T. (2017). Opnamen en monitoring historische scheepswrakken met hoge resolutie multibeam. Periplus Archeomare rapport 17A024-01. DANS Data Station Archaeology. https://doi.org/10.17026/dans-xkg-hmuz

Van den Brenk, S., Opdebeeck, J., & Muis, L. A. (2019). Monitoring historische vindplaatsen, 2013–2018: Het gebruik van geofysische opnamen voor archeologisch onderzoek. Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed. ISBN: 978 90 5799 321 3.

Van den Brenk, S. (2023). Monitoring scheepswrakken Burgzand Noord, Waddenzee, periode 1998–2023. Periplus Archeomare briefrapport 23A003-08.

Van Lil, R., & Van den Brenk, S. (2019). Inventariserend veldonderzoek (opwaterfase), Etersheim, Markermeer. Periplus Archeomare rapport 19A010-01.