3D numerical techniques for determining the foot of a continental slope
Date
2004-12
Authors
Pantland, Nicolette Ariana
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The United Nations Convention on the Law of the Sea (UNCLOS) provides an opportunity for qualifying coastal signatory states to claim extended maritime estate. The opportunity to claim rests on the precept
that in certain cases a continental shelf extends beyond the traditionally demarcated two hundred nautical
mile (200M) Exclusive Economic Zone (EEZ) mark. In these cases a successful claim results in states
having sovereign rights to the living and non-living resources of the seabed and subsoil, as well as the
sedentary species, of the area claimed. Where the continental shelf extends beyond the 200M mark, the
Foot of the Continental Slope (FoS) has to be determined as one of the qualifying criteria. Article 76 of
UNCLOS de nes the FoS as ". . . the point of maximum change in the gradient at its base." Currently
Caris Lots is the most widely used software which incorporates public domain data to determine the
FoS as a step towards defining the offshore extent of an extended continental shelf. In this software,
existing methods to compute the FoS are often subjective, typically involving an operator choosing the
best perceived foot point during consideration of a two dimensional profile of the continental slope.
These foot points are then joined by straight lines to form the foot line to be used in the desk top study
(feasibility study). The purpose of this thesis is to establish a semi-automated and mathematically based
three dimensional method for determination of the FoS using South African data as a case study.
Firstly, a general background of UNCLOS is given (with emphasis on Article 76), including a brief
discussion of the geological factors that influence the characteristics of a continental shelf and thus
factors that could influence the determination of the FoS.
Secondly, a mathematical method for determination of the surfaces of extremal curvature (on three
dimensional data), originally proposed by Vanicek and Ou in 1994, is detailed and applied to two smooth,
hypothetical sample surfaces. A discussion of the bathymetric data to be used for application introduces
the factors to be taken into account when using extensive survey data as well as methods to process
the raw data for use. The method is then applied to two sets of gridded bathymetric data of differing
resolution for four separate regions around the South African coast. The ridges formed on the resulting
surfaces of maximum curvature are then traced in order to obtain a foot line definition for each region
and each resolution.
The results obtained from application of the method are compared with example foot points provided
by the subjective two dimensional method of computation within the Caris Lots software suite. A
comparison of the results for the different resolutions of data is included to provide insight as to the
effectiveness of the method with differing spatial coarseness of data.
Finally, an indication of further work is provided in the conclusion to this thesis, in the form of a
number of recommendations for possible adaptations of the mathematical and tracing methods, and
improvements thereof.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Verenigde Nasies se Konvensie oor die Wet van die See (UNCLOS) bied 'n geleentheid aan kwalifiserende state wat ondertekenaars van die Konvensie is om aanspraak te maak op uitgebreide maritieme gebied. Die geleentheid om op uitgebreide gebied aanspraak te maak berus op die veronderstelling dat 'n kontinentale tafel in sekere gevalle tot buite die tradisioneel afgebakende 200 seemyl eksklusiewe ekonomiese zone (EEZ) strek. In sulke gevalle het 'n suksesvolle aanspraak die gevolg dat die staat soewereine reg oor die lewende en nie-lewende bronne van die seevloer en ondergrond verkry, sowel as die inwonende spesies van die gebied buite die EEZ waarop aanspraak gemaak word. Die voet van die kontinentale tafel (FoS) moet vasgestel word as een van die bepalende kriteria vir afbakening van die aanspraak waar die kontinentale tafel tot buite die EEZ strek. Artikel 76 van UNCLOS defineer die FoS as ". . . die punt van maksimale verandering in die helling by sy basis." Die mees algemeen gebruikte rekenaar sagteware wat openbare domein data aanwend om die voet van die helling te bepaal, is tans "Caris Lots." Die metodes wat in die program gebruik word om die voet van die helling te bepaal, is dikwels subjektief en berus tipies op 'n operateur se keuse van die beste afgeskatte punt van die voet van die helling uit 'n oorweging van 'n twee dimensionele profiel van die kontinentale tafel. Die berekende voet-punte word dan deur middel van reguit lyne verbind om 'n hellingsvoetlyn te vorm. Hierdie voetlyn kan dan in die Suid-Afrikaanse lessenaarstudie (doenlikheidstudie) oor die bepaling van die voet van die kontinentale tafel gebruik word. Die doel van hierdie verhandeling is om 'n semi-outomatiese en wiskundig gebaseerde drie-dimensionele metode te beskryf vir die vasstelling van die FoS, deur as 'n gevallestudie van Suid-Afrikaanse data gebruik te maak. 'n Algemene agtergrond van UNCLOS, met beklemtoning van Artikel 76, word eerstens gegee. 'n Kort bespreking van die geologiese faktore wat die kontinentale tafel beïnvloed en wat gevolglik 'n invloed kan hê op die vasstelling van die voet van die helling, is ingesluit. Tweedens word 'n wiskundige metode, wat oorspronklik in 1994 deur Vanicek en Ou voorgestel is, vir bepaling van die oppervlaktes van maksimale kromming (gebaseer op drie-dimensionele data) in detail bespreek en 'n voorbeeld van 'n toepassing op twee gladde, denkbeeldige oppervaktes word beskryf. Die faktore wat in ag geneem moet word wanneer omvattende dieptemeting data gebruik word, en die metodes wat gebruik word om die rou data te verwerk, word ingelei deur 'n bespreking van die aard van die dieptemeting data wat gebruik is. Die metode word dan toegepas op twee stelle geruite dieptemeting data van verskillende resolusies vir vier afsonderlike streke om die Suid-Afrikaanse kus. Die riwwe wat op die resulterende oppervlaktes van maksimale kromming gevorm word, word dan nagetrek ten einde 'n lyndefinisie van die voet van die kontinentale tafel vir elke streek teen elke resolusie te bepaal. Die resultate verkry uit toepassings van die metode word vergelyk met hellingsvoetpunte soos bepaal deur die subjektiewe twee dimensionele berekeningsmetode in die "Caris Lots" rekenaar-program. 'n Vergelyking van die resultate vir die verskillende data resolusies word ingesluit om die doeltreffendheid van die metode met betrekking tot die hantering van verskillende ruimtelike data resolusies te ondersoek. 'n Aanduiding van verdere werk, bestaande uit 'n aantal aanbevelings vir moontlike aanpassings en verbeterings van die wiskundige en natrek metodes, word ten slotte in die gevolgtrekking van die verhandeling verskaf.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Verenigde Nasies se Konvensie oor die Wet van die See (UNCLOS) bied 'n geleentheid aan kwalifiserende state wat ondertekenaars van die Konvensie is om aanspraak te maak op uitgebreide maritieme gebied. Die geleentheid om op uitgebreide gebied aanspraak te maak berus op die veronderstelling dat 'n kontinentale tafel in sekere gevalle tot buite die tradisioneel afgebakende 200 seemyl eksklusiewe ekonomiese zone (EEZ) strek. In sulke gevalle het 'n suksesvolle aanspraak die gevolg dat die staat soewereine reg oor die lewende en nie-lewende bronne van die seevloer en ondergrond verkry, sowel as die inwonende spesies van die gebied buite die EEZ waarop aanspraak gemaak word. Die voet van die kontinentale tafel (FoS) moet vasgestel word as een van die bepalende kriteria vir afbakening van die aanspraak waar die kontinentale tafel tot buite die EEZ strek. Artikel 76 van UNCLOS defineer die FoS as ". . . die punt van maksimale verandering in die helling by sy basis." Die mees algemeen gebruikte rekenaar sagteware wat openbare domein data aanwend om die voet van die helling te bepaal, is tans "Caris Lots." Die metodes wat in die program gebruik word om die voet van die helling te bepaal, is dikwels subjektief en berus tipies op 'n operateur se keuse van die beste afgeskatte punt van die voet van die helling uit 'n oorweging van 'n twee dimensionele profiel van die kontinentale tafel. Die berekende voet-punte word dan deur middel van reguit lyne verbind om 'n hellingsvoetlyn te vorm. Hierdie voetlyn kan dan in die Suid-Afrikaanse lessenaarstudie (doenlikheidstudie) oor die bepaling van die voet van die kontinentale tafel gebruik word. Die doel van hierdie verhandeling is om 'n semi-outomatiese en wiskundig gebaseerde drie-dimensionele metode te beskryf vir die vasstelling van die FoS, deur as 'n gevallestudie van Suid-Afrikaanse data gebruik te maak. 'n Algemene agtergrond van UNCLOS, met beklemtoning van Artikel 76, word eerstens gegee. 'n Kort bespreking van die geologiese faktore wat die kontinentale tafel beïnvloed en wat gevolglik 'n invloed kan hê op die vasstelling van die voet van die helling, is ingesluit. Tweedens word 'n wiskundige metode, wat oorspronklik in 1994 deur Vanicek en Ou voorgestel is, vir bepaling van die oppervlaktes van maksimale kromming (gebaseer op drie-dimensionele data) in detail bespreek en 'n voorbeeld van 'n toepassing op twee gladde, denkbeeldige oppervaktes word beskryf. Die faktore wat in ag geneem moet word wanneer omvattende dieptemeting data gebruik word, en die metodes wat gebruik word om die rou data te verwerk, word ingelei deur 'n bespreking van die aard van die dieptemeting data wat gebruik is. Die metode word dan toegepas op twee stelle geruite dieptemeting data van verskillende resolusies vir vier afsonderlike streke om die Suid-Afrikaanse kus. Die riwwe wat op die resulterende oppervlaktes van maksimale kromming gevorm word, word dan nagetrek ten einde 'n lyndefinisie van die voet van die kontinentale tafel vir elke streek teen elke resolusie te bepaal. Die resultate verkry uit toepassings van die metode word vergelyk met hellingsvoetpunte soos bepaal deur die subjektiewe twee dimensionele berekeningsmetode in die "Caris Lots" rekenaar-program. 'n Vergelyking van die resultate vir die verskillende data resolusies word ingesluit om die doeltreffendheid van die metode met betrekking tot die hantering van verskillende ruimtelike data resolusies te ondersoek. 'n Aanduiding van verdere werk, bestaande uit 'n aantal aanbevelings vir moontlike aanpassings en verbeterings van die wiskundige en natrek metodes, word ten slotte in die gevolgtrekking van die verhandeling verskaf.
Description
Thesis (MSc)--University of Stellenbosch, 2004.
Keywords
Image processing -- Mathematics, Three-dimensional imaging, Numerical differentiation, Continental shelf -- Economic aspects, Extremal problems (Mathematics), United Nations Convention on the Law of the Sea (UNCLOS), Exclusive Economic Zone (EEZ), Foot of the Continental Slope (FoS), Dissertations -- Applied mathematics, Theses -- Applied mathematics