Батиметрия -Bathymetry

Батиметрия дна океана, показывающая континентальные шельфы и океанические плато (красные), срединно-океанические хребты (желто-зеленые) и абиссальные равнины (от синего до фиолетового)

Выбросы метана на шельф Вирджинии

Карта морского дна, сделанная НАСА

Батиметрия ( / b ə ˈ θ ɪ m ə t r i / ; от древнегреческого βαθύς ( Bathús ) «глубокий» и μέτρον ( métron ) «мера») - это изучение подводной глубины дна океана ( топографии морского дна ), озера полы или речные полы. Другими словами, батиметрия является подводным эквивалентом гипсометрии или топографии . Первые зарегистрированные свидетельства измерения глубины воды относятся к Древнему Египту более 3000 лет назад. Батиметрические (или гидрографические ) карты обычно создаются для обеспечения безопасности надводного или подводного судоходства и обычно показывают рельеф морского дна или рельеф местности в виде изолиний (называемых изолиниями глубины или изобатами ) и выбранных глубин ( зондирования ), а также обычно обеспечивают надводную навигационную информацию . информация. Батиметрические карты (более общий термин, когда безопасность навигации не имеет значения) могут также использовать цифровую модель местности и методы искусственного освещения для иллюстрации изображаемых глубин. Глобальная батиметрия иногда объединяется с данными топографии, чтобы получить глобальную модель рельефа . Палеобатиметрия — это изучение подводных глубин прошлого.

Синонимы включают картирование морского дна , картирование морского дна , изображение морского дна и изображение морского дна . Батиметрические измерения проводятся различными методами, от зондирования глубины , гидроакустических и лидарных методов до буев и спутниковой альтиметрии . Различные методы имеют преимущества и недостатки, и конкретный используемый метод зависит от масштаба изучаемой области, финансовых средств, желаемой точности измерения и дополнительных переменных. Несмотря на современные компьютерные исследования, морское дно океана во многих местах менее измерено, чем топография Марса .

Топография морского дна

Топография морского дна (топография океана или морская топография) относится к форме суши ( топографии ), когда она граничит с океаном. Эти формы очевидны вдоль береговых линий, но они часто встречаются и под водой. Эффективность морской среды обитания частично определяется этими формами, в том числе тем, как они взаимодействуют с океанскими течениями и формируют их , а также тем, как уменьшается количество солнечного света, когда эти формы рельефа занимают все большую глубину. Приливные сети зависят от баланса между осадочными процессами и гидродинамикой, однако антропогенные воздействия могут влиять на природную систему больше, чем любой физический фактор.

Морская топография включает прибрежные и океанические формы рельефа , начиная от прибрежных эстуариев и береговых линий до континентальных шельфов и коралловых рифов . Далее в открытом океане они включают подводные и глубоководные объекты, такие как поднятия океана и подводные горы . Затопленная поверхность имеет горные особенности, в том числе охватывающую весь земной шар систему срединно-океанических хребтов , а также подводные вулканы , океанические впадины , подводные каньоны , океанические плато и абиссальные равнины .

Масса океанов составляет примерно 1,35 × 10¹⁸ метрических тонн , или около 1/4400 от общей массы Земли. Океаны занимают площадь 3,618 × 10⁸ км² при средней глубине 3682 м, что дает расчетный объем 1,332 × 10⁹ км³ .

Измерение

Первая печатная карта океанической батиметрии, составленная по данным USS Dolphin (1853 г.)

Первоначально батиметрия включала измерение глубины океана с помощью зондирования глубины . В ранних методах использовалась предварительно измеренная тяжелая веревка или трос, спущенный с борта корабля. Этот метод измеряет глубину только в особой точке за раз и поэтому неэффективен. Он также зависит от движений корабля и течений, смещающих линию от истинной и, следовательно, неточной.

Данные, используемые сегодня для создания батиметрических карт, обычно поступают от эхолота ( сонара ), установленного под или над бортом лодки, который «отправляет» звуковой луч вниз на морское дно или от систем дистанционного зондирования LIDAR или LADAR. Количество времени, которое требуется звуку или свету, чтобы пройти через воду, отразиться от морского дна и вернуться к эхолоту, информирует оборудование о расстоянии до морского дна. Исследования LIDAR/LADAR обычно проводятся бортовыми системами.

Топография морского дна возле желоба Пуэрто-Рико

Современная земная батиметрия (и альтиметрия ). Данные из цифровой модели местности TerrainBase Национального центра экологической информации .

С начала 1930-х годов для составления батиметрических карт использовались однолучевые эхолоты. Сегодня обычно используются многолучевые эхолоты (MBES), которые используют сотни очень узких соседних лучей (обычно 256), расположенных веерообразной полосой обычно от 90 до 170 градусов в поперечнике. Плотно упакованный массив узких отдельных лучей обеспечивает очень высокое угловое разрешение и точность. В общем, широкая полоса обзора, зависящая от глубины, позволяет лодке картографировать большую часть морского дна за меньшее время, чем однолучевой эхолот, за счет меньшего количества проходов. Лучи обновляются много раз в секунду (обычно 0,1–50 Гц в зависимости от глубины воды), что позволяет увеличить скорость лодки при сохранении 100% покрытия морского дна. Датчики положения позволяют корректировать крен и тангаж лодки на поверхности океана, а гирокомпас предоставляет точную информацию о курсе для коррекции рыскания судна . (Большинство современных систем MBES используют встроенный датчик движения и систему позиционирования, которая измеряет рыскание, а также другую динамику и положение.) Установленная на лодке глобальная система позиционирования (GPS) (или другая глобальная навигационная спутниковая система (GNSS)) определяет положение зондирования относительно поверхности земли. Профили скорости звука (скорость звука в воде как функция глубины) водяного столба корректируют преломление или «изгибание лучей» звуковых волн из-за неоднородных характеристик водяного столба, таких как температура, проводимость и давление. Компьютерная система обрабатывает все данные, корректируя все вышеперечисленные факторы, а также угол каждого отдельного луча. Полученные результаты зондирования затем обрабатываются вручную, полуавтоматически или автоматически (в некоторых случаях) для создания карты местности. По состоянию на 2010 г. генерируется ряд различных выходных данных, включая подмножество исходных измерений, которые удовлетворяют некоторым условиям (например, наиболее репрезентативные вероятные измерения, самые мелкие в регионе и т. д.) или интегрированные цифровые модели местности (ЦММ) (например , , регулярная или нерегулярная сетка точек, соединенных в поверхность). Исторически выбор измерений был более распространен в гидрографических приложениях, в то время как построение ЦМР использовалось для инженерных изысканий, геологии, моделирования потоков и т. д. Начиная с ок. 2003–2005 гг. ЦМР стали более широко применяться в гидрографической практике.

Спутники также используются для измерения батиметрии. Спутниковый радар составляет карту глубоководной топографии, обнаруживая тонкие колебания уровня моря, вызванные гравитационным притяжением подводных гор, хребтов и других масс. В среднем уровень моря над горами и хребтами выше, чем над абиссальными равнинами и впадинами.

В Соединенных Штатах Инженерный корпус армии США выполняет или заказывает большинство обследований судоходных внутренних водных путей, в то время как Национальное управление океанических и атмосферных исследований (НОАА) выполняет ту же роль для океанских водных путей. Данные прибрежной батиметрии доступны в Национальном центре геофизических данных NOAA (NGDC), который теперь объединен с Национальными центрами экологической информации . Батиметрические данные обычно относятся к приливно- отливным вертикальным отсчетам . Для глубоководной батиметрии это обычно средний уровень моря (MSL), но большинство данных, используемых для морских карт, ссылаются на средний нижний уровень малой воды (MLLW) в американских исследованиях и наименьший астрономический прилив (LAT) в других странах. На практике используются многие другие датумы , в зависимости от местности и приливного режима.

Занятия или карьера, связанные с батиметрией, включают изучение океанов, горных пород и минералов на дне океана, а также изучение подводных землетрясений или вулканов. Проведение и анализ батиметрических измерений является одной из основных областей современной гидрографии и фундаментальным компонентом обеспечения безопасной перевозки грузов по всему миру.

STL 3D-модель Земли без жидкой воды с 20-кратным увеличением высоты

Спутниковые снимки

Еще одна форма картографирования морского дна — использование спутников. Спутники оснащены гиперспектральными и мультиспектральными датчиками, которые используются для получения постоянных потоков изображений прибрежных районов, обеспечивая более удобный метод визуализации дна морского дна.

Гиперспектральные датчики

Наборы данных, создаваемые гиперспектральными (HS) датчиками, обычно содержат от 100 до 200 спектральных полос с шириной полосы примерно 5–10 нм. Гиперспектральное зондирование, или визуализирующая спектроскопия, представляет собой комбинацию непрерывной дистанционной визуализации и спектроскопии, дающую единый набор данных. Двумя примерами такого зондирования являются AVIRIS ( бортовой спектрометр видимого/инфракрасного изображения ) и HYPERION.

Применение датчиков HS в отношении изображения морского дна заключается в обнаружении и мониторинге хлорофилла, фитопланктона, солености, качества воды, растворенных органических материалов и взвешенных отложений. Однако это не дает хорошей визуальной интерпретации прибрежной среды.

Мультиспектральные датчики

Другой метод спутниковой визуализации, мультиспектральная (МС) визуализация, как правило, делит электромагнитный спектр на небольшое количество полос, в отличие от его партнерских гиперспектральных датчиков, которые могут захватывать гораздо большее количество спектральных полос.

МС-зондирование чаще используется при картировании морского дна из-за меньшего количества спектральных диапазонов с относительно большей шириной полосы. Широкая полоса пропускания обеспечивает более широкий спектральный охват, что имеет решающее значение для визуального обнаружения морских особенностей и общего спектрального разрешения полученных изображений.

Бортовая лазерная батиметрия

Бортовая лазерная батиметрия высокой плотности (ALB) — это современный высокотехнологичный подход к картографированию морского дна. Впервые разработанный в 1960-х и 1970-х годах, ALB представляет собой «метод обнаружения и определения дальности света (LiDAR), который использует видимый, ультрафиолетовый и ближний инфракрасный свет для оптического дистанционного определения контура цели как через активную, так и через пассивную систему». Это означает, что бортовая лазерная батиметрия также использует свет за пределами видимого спектра для обнаружения изгибов подводного ландшафта.

LiDAR (Light Detection and Ranging) — это, по данным Национального управления океанических и атмосферных исследований , «метод дистанционного зондирования, в котором для измерения расстояний используется свет в виде импульсного лазера ». Эти световые импульсы вместе с другими данными генерируют трехмерное представление того, от чего отражаются световые импульсы, давая точное представление о характеристиках поверхности. Система LiDAR обычно состоит из лазера , сканера и GPS - приемника. Самолеты и вертолеты являются наиболее часто используемыми платформами для получения данных LIDAR на обширных территориях. Одним из приложений LiDAR является батиметрический LiDAR, который использует проникающий в воду зеленый свет для измерения высоты морского дна и русла реки.

ALB обычно работает в виде импульса невидимого света, излучаемого низколетящим самолетом, и приемником, регистрирующим два отражения от воды. Первый из которых берет начало с поверхности воды, а второй – с морского дна. Этот метод использовался в ряде исследований для картографирования участков морского дна различных прибрежных районов.

Примеры коммерческих систем батиметрии LIDAR

Существуют различные коммерчески доступные батиметрические системы LIDAR. Двумя из этих систем являются сканирующая гидрографическая оперативная бортовая лидарная съемка (SHOALS) и лазерный бортовой эхолот (LADS). SHEALS был впервые разработан для помощи Инженерному корпусу армии США (USACE) в батиметрической съемке компанией Optech в 1990-х годах. SHALS выполняется посредством излучения лазера с длиной волны от 530 до 532 нм с высоты примерно 200 м со средней скоростью 60 м/с.

Ортофотоснимки высокого разрешения

Ортоизображение высокого разрешения (HRO) — это процесс создания изображения, сочетающего геометрические качества с характеристиками фотографий. Результатом этого процесса является ортоизображение , изображение в масштабе, которое включает поправки, сделанные для смещения объектов, таких как наклон здания. Эти поправки вносятся с помощью математического уравнения, информации о калибровке датчика и применения цифровых моделей рельефа.

Ортоизображение может быть создано путем объединения нескольких фотографий одной и той же цели. Цель фотографируется под разными углами, чтобы можно было оценить истинную высоту и наклон объекта. Это дает зрителю точное восприятие целевой области.

Ортофотоснимки высокого разрешения в настоящее время используются в «программе наземного картографирования», целью которой является «получение топографических данных высокого разрешения от Орегона до Мексики». Ортоизображение будет использоваться для предоставления фотографических данных для этих регионов.

История

Трехмерная карта эхолота .

Самые ранние известные измерения глубины были сделаны египтянами около 1800 г. до н.э. путем зондирования шестом. Позднее стали использовать взвешенную линию с нанесенными через определенные промежутки глубинами. Этот процесс был известен как зондирование. Оба эти метода были ограничены глубиной пятна, взятой в точке, и могли легко пропустить значительные изменения в непосредственной близости. На точность также влияло движение воды - течение могло отклонять вес от вертикали, и это могло повлиять как на глубину, так и на положение. Это был трудоемкий и длительный процесс, на который сильно влияли погодные и морские условия.

Значительные улучшения произошли во время путешествия HMS Challenger в 1870-х годах, когда аналогичные системы, использующие провода и лебедку, использовались для измерения гораздо больших глубин, чем это было возможно ранее, но это оставалась процедура измерения одной глубины за раз, которая требовала очень низкой скорости для точности. . Большие глубины можно было измерить с помощью утяжеленных тросов, развернутых и извлеченных с помощью лебедок с электроприводом. Провода имели меньшее сопротивление и меньше подвергались воздействию тока, не так сильно растягивались и были достаточно прочными, чтобы выдерживать собственный вес на значительной глубине. Лебедки позволяли быстрее развертывать и поднимать, что было необходимо, когда измеренная глубина составляла несколько километров. Съемка проволокой продолжала использоваться до 1990-х годов из-за надежности и точности. Эта процедура включала буксировку троса двумя лодками, поддерживаемыми поплавками и утяжеленными для поддержания постоянной глубины. Трос цеплялся за препятствия меньше глубины троса. Это было очень полезно для обнаружения навигационных опасностей, которые могли быть пропущены при промерах, но ограничивалось относительно небольшими глубинами.

Однолучевые эхолоты использовались с 1920-1930-х годов для измерения расстояния до морского дна непосредственно под судном на относительно близких интервалах по ходу движения. Проводя примерно параллельные линии, можно было бы собирать точки данных с лучшим разрешением, но этот метод по-прежнему оставляет промежутки между точками данных, особенно между линиями. Картографирование морского дна началось с использования звуковых волн , очерченных изобатами и ранними батиметрическими картами топографии шельфа. Это дало первое представление о морфологии морского дна, хотя были допущены ошибки из-за точности горизонтального позиционирования и неточной глубины. Гидролокатор бокового обзора был разработан в 1950–1970-х годах и мог использоваться для создания изображения дна, но этой технологии не хватало возможностей для прямого измерения глубины по ширине сканирования. В 1957 году Мари Тарп , работая с Брюсом Чарльзом Хизеном , создала первую трехмерную физико-географическую карту бассейнов мирового океана. Открытие Тарпа было сделано в идеальное время. Это было одно из многих открытий, сделанных примерно в то же время, что и изобретение компьютера . Компьютеры с их способностью обрабатывать большие объемы данных значительно облегчили исследования, в том числе исследования Мирового океана. Разработка многолучевых систем позволила получать информацию о глубине по всей ширине полосы гидролокатора с более высоким разрешением, а с точными данными о положении и ориентации преобразователей позволила получить несколько зондирований с высоким разрешением за один проход.

Океанографическое управление ВМС США разработало засекреченную версию многолучевой технологии в 1960-х годах. NOAA получило несекретную коммерческую версию в конце 1970-х годов и установило протоколы и стандарты. Данные, полученные с помощью многолучевого гидролокатора, значительно улучшили понимание морского дна.

Американские спутники Landsat 1970-х годов, а затем европейские спутники Sentinel предоставили новые способы поиска батиметрической информации, которую можно получить из спутниковых изображений. Эти методы включают использование различных глубин, на которые проникают в воду различные частоты света. Когда вода чистая и морское дно имеет достаточную отражательную способность, глубину можно оценить путем измерения коэффициента отражения, наблюдаемого спутником, а затем моделирования того, насколько далеко должен проникать свет в известных условиях. Усовершенствованная система топографического лазерного альтиметра (ATLAS) на спутнике НАСА для наблюдения за льдом, облаками и сушей 2 (ICESat-2) представляет собой лидар со счетом фотонов , который использует время возвращения импульсов лазерного света от поверхности Земли для расчета высоты поверхности. . Измерения ICESat-2 можно комбинировать с данными судовых гидролокаторов, чтобы заполнить пробелы и повысить точность карт мелководья.

Для картографирования топографии морского дна континентального шельфа с использованием данных дистанционного зондирования применялись различные методы визуализации топографии дна. Ранние методы включали штриховые карты и, как правило, основывались на личной интерпретации картографом ограниченных доступных данных. Методы акустического картирования, разработанные на основе изображений военных гидролокаторов, позволили получить более яркую картину морского дна. Дальнейшее развитие технологии на основе сонара позволило получить больше деталей и большее разрешение, а методы проникновения в грунт предоставляют информацию о том, что находится под поверхностью дна. Получение данных с воздуха и со спутников сделало возможным дальнейший прогресс в визуализации подводных поверхностей: аэрофотосъемка и ортофотосъемка высокого разрешения являются мощным инструментом для картирования мелководья с чистой водой на континентальном шельфе, а бортовая лазерная батиметрия с использованием импульсов отраженного света также очень эффективна. в таких условиях гиперспектральные и мультиспектральные спутниковые датчики могут обеспечить почти постоянный поток информации об окружающей среде бентоса. Методы дистанционного зондирования использовались для разработки новых способов визуализации динамической бентической среды, от общих геоморфологических особенностей до биологического охвата.

Смотрите также

Акустическая классификация морского дна - разделение акустического изображения морского дна на отдельные физические объекты или классы.
Батометр - научный прибор для измерения глубины воды.
Батиметрическая карта - карта, изображающая затопленную местность водоемов.
Прибрежная морфодинамика - Взаимодействие топографии береговой линии морского дна и гидродинамических процессов жидкости.
Глубиномер - инструмент, который указывает глубину ниже базовой поверхности.
Общая батиметрическая карта океанов - общедоступная батиметрическая карта мирового океана.
Глобальная модель рельефа - модель рельефа Земли, включая высоту и глубину под водой.
Гидрографическая съемка - наука об измерении и описании особенностей, влияющих на морскую деятельность.
Топография поверхности океана - форма поверхности океана относительно геоида.
Морское дно – дно океана
- Проект «Морское дно 2030»
Ландшафт - вертикальный и горизонтальный размер и форма поверхности земли.

Languages

In other projects