Ανάλυση και υλοποίηση οριοθέτησης θαλασσίων ζωνών και συνόρων σε ψηφιακό περιβάλλον

Abstract

The aim of this doctoral dissertation entitled “Maritime Zones and Boundaries Delimitation Analysis and Implementation in Digital Environment” was to investigate and resolve cartographical issues in maritime delimitation, to determine the limitations of existing software solutions and to develop and implement a comprehensive methodology to address them in a digital environment. Its findings comprise three automated methodologies -and their implementation in digital environment- namely that of the identification and determination of juridical bays according to the UN Convention on the Law of the Sea, that for the Voronoi Tessellation on the ellipsoidal Earth and that for the automated delimitation of maritime zones and boundaries for all coastal states in the dataset and for any combination of normal and straight baselines as well as the selection of the most appropriate cartographic projection for the presentation of maritime zones and boundaries. The findings of this dissertation contribute to cartographers’ work and substantially improve the accuracy and reliability of the end-results as they examine all available spatial information and are independent of user’s perception. Furthermore, they significantly reduce the time of maritime delimitation as they comprise fully automated processes with no need for supervised intervention and, finally, contribute to the correct cartographic portrayal of maritime zones and boundaries.Chapter 1 entitled “THE HISTORICAL DEVELOPMENT OF THE LAW OF THE SEA” presents the development of the law of the sea from antiquity to the modern times. The period from the fall or the Roman Empire to the industrial revolution plays a leading role in this historical background; this was the time that individual naval powers claimed dominance at sea and trading, and which came to an end with the establishment of the “freedom of the seas” doctrine as the leading principle in the relationship of countries at sea. The second part of this historical review, presents the new claims made by states in the 20th century -which are directly linked to the technological advances- and the attempts by the international community to codify the customs being generated at sea into a working document that eventually took the form of the United Nations Convention on the Law of The Sea.Chapter 2 entitled “MARITIME ZONES” presents the key provisions of the Convention of the Law of the Sea of geospatial interest, in other words those of baselines (normal, straight, and archipelagic baselines), which serve as the reference where from the maritime zones are measured, the cases where geographic entities such as reefs may be considered parts of the baselines, the bays’ closing criteria of article 10, as well as the maximum allowable breadth of the maritime zones and the rights of states in maritime space.Chapter 3 entitled “METHODOLOGICAL APPROACH TO MARITIME ZONES AND BOUNDARIES DELIMITATION” presents in detail the process and methods for the graphical construction of maritime zones and boundaries which serve as the starting point for any GIS implementation. It begins with the presentation of the methods for the construction of the baselines and the individual problems for the accurate determination of normal, straight and archipelagic baselines, and the determination of the indentations that are entitled to be closed as juridical bays. It further presents the methods for the delineation of maritime zones’ outer limits at their maximum breadth, the methodology for constructing the median line in the case of bilateral delimitation, as well as a set of methods for the modification of the median line, where it is justified by special circumstances, towards an equitable solution. Lastly, this chapter shows that the implementation of the above is often problematic due to technical ambiguities introduced in some of the Convention’s articles thereby presenting the efforts of geographers, cartographers and jurists to address ambiguities and to develop objective criteria and methods on issues such as drawing a network of straight baselines, finding the bays’ natural entrance points and addressing the case of islands in the mouth of the bay.Chapter 4 entitled “GEODESY AND CARTOGRAPHY IN MARITIME DELIMITATION" presents the elements of the sciences of geodesy and cartography that comprise required knowledge for the technical expert who engages in maritime delimitation. Among these is the geometry of the ellipsoid of revolution and the computations carried out on it, the coordinate systems and conversion methods, the formulae for the ellipsoidal earth to sphere transformation, the horizontal and vertical reference systems, the selection criteria for cartographic projection as well as elements for processing and analysing spatial data. This chapter comprises the theoretical foundation on which this research is based, and includes the required principles, methods and formulae for producing the findings of the thesis presented in the 5th chapter.Chapter 5 entitled “ADDRESSING PROBLEMS AND IMPLEMENTING DELIMITATION IN GIS” presents in detail the methodology for the resolution of four -significant in maritime delimitation- issues, addressed in this dissertation. Specifically, it presents and evaluates the methodology -and its implementation in Python programming language for use with the ArcGIS software- for the determination of all indentations along the low water line that satisfy both length and semi-circle criteria and that are entitled to be closed as juridical bays. This methodology fully addresses the issue of juridical bays and the maximization of their surface -including the case of bays with islands located in their mouth- and at a fraction of time required with the existing software solutions. Furthermore, the results provide the level of accuracy of the results from an automated solution that takes into account all points in the dataset and which is independent of user’s intervention limitations that semi-automated solutions are subject to. It also presents the methodology -and its implementation in Python programming language- for the comprehensive delimitation of unilateral and bilateral maritime limits for all states in the study area, and the determination of the corresponding critical points, turning points, and construction lines. Respectively to the application for the bays, the said application implements the delimitation automatically, without the need for the user’s intervention, for all points in the dataset, for all baseline types (normal, straight, combination) and for all coastal states in the study area in accordance with the internationally adopted accuracy requirements (IHO, 2014). Furthermore, it presents a third methodology -and its implementation in Python programming language- for generating the Voronoi Diagram on the ellipsoid. The above methodology addresses the shortfall ascertained in the bibliography regarding the tessellation of vector data on the ellipsoid -and which was necessary for the automated construction of maritime zones and boundaries on the ellipsoid- thus providing the capability of studying geospatial problems with the level of accuracy of calculations on the surface of the ellipsoid. Finally, with the support of the maps contained in the two appendices, it presents the study for selection of the most appropriate cartographic projection for the portrayal of maritime zones and boundaries depending on the size, direction of the greatest extent, and location of the region mapped.Chapter 6 entitled “SUMMARY OF RESULTS - FINDINGS - PROPOSALS FOR FUTURE RESEARCH” presents a summary and evaluation on the research findings of this doctorate thesis, findings pertaining to the use of technical terms in Greek bibliography with corresponding proposals, and subjects for further research in the field of maritime delimitation.

Ο σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση των μεθοδολογιών επίλυσης χαρτογραφικών προβλημάτων στη θαλάσσια οριοθέτηση, ο εντοπισμός των αδυναμιών των υφιστάμενων λύσεων λογισμικού και η ανάπτυξη και υλοποίηση μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας αντιμετώπισης σε ψηφιακό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής συνίστανται σε τρεις αυτοματοποιημένες μεθοδολογίες -και την υλοποίησή τους με την ανάπτυξη αλγορίθμων και αντίστοιχου κώδικα λογισμικού- για τον εντοπισμό των νομικών κόλπων της Σύμβασης του Δικαίου της Θάλασσας, την υλοποίηση της διαμέρισης Voronoi στο ελλειψοειδές και την οριοθέτηση των θαλασσίων ζωνών και συνόρων, καθώς και τη διατύπωση τεκμηριωμένης πρότασης για την επιλογή της καταλληλότερης απεικόνισης για την χαρτογραφική απόδοση αυτών. Τα ανωτέρω συμβάλλουν καθοριστικά στο έργο των χαρτογράφων και βελτιώνουν ουσιαστικά την ακρίβεια και αξιοπιστία των αποτελεσμάτων καθώς εξετάζουν το σύνολο της διαθέσιμης χωρικής πληροφορίας -την οποία αξιοποιούν στο πλαίσιο των ενδεδειγμένων για κάθε περίπτωση υπολογισμών- και δεν εξαρτώνται από την παρέμβαση και την αντίληψη του χρήστη. Επί πλέον, μειώνουν σημαντικά τον χρόνο πραγματοποίησης της θαλάσσιας οριοθέτησης από εκατοντάδες εργατοώρες σε μερικές μη-επιβλεπόμενες ώρες (ανάλογα με την έκταση της περιοχής μελέτης) καθώς εκτελούνται αυτοματοποιημένα χωρίς την ανάγκη παρέμβασης του χρήστη, και, τέλος, συμβάλλουν στη βέλτιστη χαρτογραφική απόδοση των αποτελεσμάτων της οριοθέτησης.Το 1ο κεφάλαιο με τίτλο “Η ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΔΙΚΑΙΟΥ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ” παρουσιάζει τη διαδικασία εξέλιξης του δικαίου της θάλασσας από την αρχαιότητα μέχρι τη σύγχρονη εποχή. Σε αυτήν την ιστορική αναδρομή κυρίαρχο ρόλο παίζει η εποχή από την πτώση της ρωμαϊκής αυτοκρατορίας μέχρι τη βιομηχανική επανάσταση, περίοδο που οι εκάστοτε ναυτικές δυνάμεις διεκδικούν την κυριαρχία στη θάλασσα και το εμπόριο και η οποία ολοκληρώνεται με την εγκαθίδρυση του δόγματος της «ελευθερίας των θαλασσών» ως του κυρίαρχου δόγματος στις σχέσεις των κρατών στον θαλάσσιο χώρο. Στο δεύτερο τμήμα αυτής της αναδρομής παρουσιάζονται οι νέες διεκδικήσεις των κρατών στον 20ο αιώνα, οι οποίες συνδέονται άμεσα με τις τεχνολογικές εξελίξεις, καθώς και την προσπάθεια της διεθνούς κοινότητας να κωδικοποιήσει τα δημιουργούμενα έθιμα στη θάλασσα σε ένα κείμενο που εν τέλει έλαβε τη μορφή της Σύμβασης του Διεθνούς Δικαίου της Θάλασσας.Το 2ο κεφάλαιο με τίτλο “ΘΑΛΑΣΣΙΕΣ ΖΩΝΕΣ” παρουσιάζει τις κυριότερες διατάξεις γεωχωρικού ενδιαφέροντος της Σύμβασης του Διεθνούς Δικαίου της Θάλασσας, δηλαδή τους τρόπους ορισμού των γραμμών βάσης από τις οποίες γίνεται η μέτρηση των θαλασσίων ζωνών (κανονική, ευθείες γραμμές, αρχιπελαγικές γραμμές), τις περιπτώσεις στις οποίες οι διάφορες γεωχωρικές οντότητες (σκόπελοι, ύφαλοι) μπορούν να συμπεριληφθούν στις γραμμές βάσης, τα κριτήρια κλεισίματος κόλπων, καθώς και το μέγιστο επιτρεπόμενο εύρος και τα δικαιώματα του παράκτιου και των άλλων κρατών στις θαλάσσιες ζώνες και τον θαλάσσιο χώρο γενικότερα.Το 3ο κεφάλαιο με τίτλο “ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΚΗ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗΣ ΘΑΛΑΣΣΙΩΝ ΖΩΝΩΝ ΚΑΙ ΣΥΝΟΡΩΝ” παρουσιάζει αναλυτικά την ακολουθούμενη διαδικασία και τις μεθόδους σχεδίασης των θαλασσίων ζωνών και συνόρων. Με όρους γραφικής αντιμετώπισης του προβλήματος, που αποτελεί και την αφετηρία της υλοποίησης σε περιβάλλον ΣΓΠ, παρουσιάζει αρχικά τις μεθόδους κατασκευής των γραμμών βάσης και των επιμέρους προβλημάτων για τον ακριβή προσδιορισμό της κανονικής γραμμής βάσης, των ευθειών και αρχιπελαγικών γραμμών βάσης και τον προσδιορισμό των εσοχών που δικαιούνται να κλειστούν ως κόλποι του δικαίου της θάλασσας. Ακολούθως εξετάζει τις μεθόδους δημιουργίας των θαλασσίων ζωνών στο μέγιστο εύρος τους ανάλογα με το είδος της χρησιμοποιούμενης γραμμής βάσης (κανονική, ευθείες ή συνδυασμός), παρουσιάζει αναλυτικά τη μεθοδολογία για την κατασκευή της μέσης γραμμής στην περίπτωση της διμερούς οριοθέτησης, καθώς και τις μεθόδους προσαρμογής της, όπου οι γεωγραφικές περιστάσεις το επιβάλλουν, για την επίτευξη δίκαιης λύσης. Μέσα από τις γραμμές του παρόντος κεφαλαίου καθίσταται σαφές ότι η υλοποίηση των ανωτέρω είναι συχνά προβληματική λόγω τεχνικών ασαφειών ορισμένων άρθρων της Σύμβασης. Για τον λόγο αυτό παρουσιάζει τις προσπάθειες των γεωγράφων, χαρτογράφων και νομικών για την αντιμετώπιση των ασαφειών και τη δημιουργία αντικειμενικών κριτηρίων και μεθόδων επί θεμάτων όπως η σχεδίαση δικτύου ευθειών γραμμών βάσης, η εύρεση των σημείων εισόδου του κόλπου και η αντιμετώπιση της περίπτωσης ύπαρξης νησιών στο στόμιο του κόλπου.Στο 4ο κεφάλαιο με τίτλο “ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΓΕΩΔΑΙΣΙΑΣ ΚΑΙ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑΣ” παρουσιάζονται τα στοιχεία των επιστημών της γεωδαισίας και της χαρτογραφίας που αποτελούν απαραίτητη γνώση για τον ειδήμονα ο οποίος ασχολείται με τη θαλάσσια οριοθέτηση. Μεταξύ αυτών είναι η γεωμετρία του ελλειψοειδούς εκ περιστροφής και οι εκτελούμενοι υπολογισμοί επί αυτού, τα συστήματα συντεταγμένων και οι σχέσεις μετατροπής τους, οι εξισώσεις μετασχηματισμού του ελλειψοειοδούς σε σφαίρα, τα συστήματα αναφοράς για το οριζόντιο και το κατακόρυφο επίπεδο, τα κριτήρια επιλογής χαρτογραφικών απεικονίσεων καθώς και στοιχεία της επεξεργασίας και ανάλυσης χωρικών δεδομένων. Το κεφάλαιο αυτό αποτελεί το θεωρητικό υπόβαθρο στο οποίο βασίστηκε η παρούσα διατριβή και περιέχει τις απαιτούμενες αρχές, μεθόδους και εξισώσεις για την παραγωγή των ευρημάτων της διατριβής που παρουσιάζονται στο 5ο κεφάλαιο.Το 5ο κεφάλαιο με τίτλο “ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΟΡΙΟΘΕΤΗΣΗΣ ΣΕ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΣΓΠ” παρουσιάζει αναλυτικά τη μεθοδολογία επίλυσης τεσσάρων -σημαντικών για τη θαλάσσια οριοθέτηση- προβλημάτων με τα οποία ασχολήθηκε η παρούσα διατριβή. Συγκεκριμένα, παρουσιάζει και αξιολογεί τη μεθοδολογία -και την υλοποίησή της σε γλώσσα προγραμματισμού Python για χρήση με το λογισμικό ArcGIS- για τον εντοπισμό του συνόλου των εσοχών κατά μήκος της ακτογραμμής που ικανοποιούν ταυτοχρόνως τα δύο κριτήρια του μήκους και του εμβαδού της Σύμβασης του Δικαίου της Θάλασσας και δικαιούνται να κλειστούν ως νομικοί κόλποι. Η εν λόγω μεθοδολογία αντιμετωπίζει πλήρως το πρόβλημα του εντοπισμού των κόλπων και της μεγιστοποίησης του εμβαδού των -συμπεριλαμβανομένης της περίπτωσης της ύπαρξης νησιών στο στόμιο του κόλπου- σε χρόνο υποπολλαπλάσιο από αυτόν που απαιτείται με τις υφιστάμενες λύσεις λογισμικού και με τη βεβαιότητα της ακρίβειας των αποτελεσμάτων μιας αυτοματοποιημένης λύσης που λαμβάνει υπόψη της το σύνολο των σημείων του ψηφιακού αρχείου και η οποία είναι ανεξάρτητη από τους περιορισμούς της αντίληψης του χρήστη, περιορισμοί που υπεισέρχονται στις ημιαυτόματες λύσεις. Επίσης παρουσιάζει τη μεθοδολογία -και την υλοποίησή της σε γλώσσα προγραμματισμού Python- για την ολοκληρωμένη οριοθέτηση των θαλασσίων ορίων -μονομερώς και διμερώς- για όλα τα κράτη της περιοχής μελέτης, με τον αντίστοιχο προσδιορισμό του συνόλου των κρίσιμων μεγεθών της οριοθέτησης (κρίσιμα σημεία, σημεία στροφής, γραμμές κατασκευής). Αντίστοιχα με την εφαρμογή για τους κόλπους, η εν λόγω εφαρμογή πραγματοποιεί την οριοθέτηση αυτοματοποιημένα, χωρίς την ανάγκη παρέμβασης του χρήστη, για το σύνολο των σημείων στο αρχείο, για όλες τις μορφές των γραμμών βάσης (κανονική, ευθείες, μικτή) και για όλα τα κράτη της περιοχής σύμφωνα με τις διεθνώς αποδεκτές προδιαγραφές ακρίβειας (IHO, 2014). Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται μία τρίτη μεθοδολογία -και την υλοποίησή της σε γλώσσα Python- για την κατασκευή του διαγράμματος Voronoi στο ελλειψοειδές. Η ανωτέρω μεθοδολογία αντιμετωπίζει το κενό που διαπιστώθηκε στη βιβλιογραφία για τη διαμέριση διανυσματικών δεδομένων στο ελλειψοειδές -η οποία ήταν απαραίτητη για την υλοποίηση της αυτοματοποιημένης κατασκευής των θαλασσίων ζωνών και συνόρων στο ελλειψοειδές- παρέχοντας πλέον τη δυνατότητα μελέτης πλήθους γεωχωρικών προβλημάτων με το επίπεδο της ακρίβειας των υπολογισμών επί της επιφάνειας του ελλειψοειδούς. Τέλος, με την υποστήριξη των χαρτών που περιέχονται στα δύο παραρτήματα, παρουσιάζει τη μελέτη για την επιλογή της καταλληλότερης χαρτογραφικής απεικόνισης σε συνάρτηση με το μέγεθος, τη γεωγραφική θέση, το σχήμα και προσανατολισμό και την κλίμακα απόδοσης της απεικονιζόμενης περιοχής.Στο 6ο κεφάλαιο με τίτλο “ΣΥΝΟΨΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ - ΔΙΑΠΙΣΤΩΣΕΙΣ - ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ” γίνεται σύνοψη και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της έρευνας που πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο της διατριβής, διαπιστώσεις που αφορούν στη χρήση τεχνικών όρων στην ελληνική βιβλιογραφία με αντίστοιχες προτάσεις και προτείνονται θέματα για περαιτέρω έρευνα στο αντικείμενο της θαλάσσιας οριοθέτησης.