Картирование морского дна - Seafloor mapping
Картирование морского дна , также называемое картированием морского дна , - это измерение глубины данного водоема. Батиметрические измерения проводятся различными методами, от гидролокаторов и лидаров до буев и спутниковой альтиметрии . Различные методы имеют преимущества и недостатки, и конкретный используемый метод зависит от масштаба исследуемой области, финансовых средств, желаемой точности измерений и дополнительных переменных. Несмотря на современной компьютерной базе исследований океана морского дна во многих местах меньше , чем измеряется в топографии на Марсе .
История картографирования морского дна
Самые ранние зарегистрированные методы измерения глубины - это использование измерительных столбов и утяжеленных линий, записанных в Египте более 3000 лет назад и использовавшихся без значительных улучшений до плавания HMS Challenger в 1870-х годах, когда аналогичные системы с использованием проводов и Лебедка использовалась для измерения гораздо больших глубин, чем это было возможно ранее, но это оставалась процедура по одной глубине за раз, что требовало очень низкой скорости для обеспечения точности.
В начале двадцатого века картографирование морского дна было очень сложной задачей. Картирование морского дна началось с использования звуковых волн , размеченных по изобатам и ранним батиметрическим картам топографии шельфа. Это позволило впервые понять морфологию морского дна, хотя были допущены ошибки из-за точности горизонтального положения и неточных глубин. В 1957 году Мари Тарп , работая вместе 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, произошедших 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.
Был бум подводных исследований окружающей среды; Вместо того, чтобы просто создавать карту, ученые пытаются визуализировать все морское дно с максимально возможной детализацией. С их помощью компьютеры нашли здесь хорошее применение, исследователям удалось хранить и анализировать большие объемы данных. Это привело к созданию первой цифровой карты дна мирового океана в 1970 году. Постоянно развивающиеся технологии позволяют выполнять вычисления с помощью специального оборудования, необходимого для "ортоизображений высокого разрешения". Это означает, что исследователям больше не нужно использовать звуковые частоты для морских исследований.
Позднее этот метод был модернизирован до «Воздушная лазерная батиметрия» (ALB). ALB предоставляет изображения более высокого качества и в цвете. Усовершенствования этих методов исследования и большой объем полученных, сохраненных и вычисленных данных привели к созданию одного из первых цветных изображений подводной среды, созданных на компьютере. .
Спутниковые снимки
Вступление
Еще одна форма картирования морского дна - использование спутников. Спутники оснащены гиперспектральными и многоспектральными датчиками, которые используются для обеспечения постоянных потоков изображений прибрежных районов, обеспечивая более эффективный метод визуализации дна морского дна.
Гиперспектральные датчики
Наборы данных, производимые гиперспектральными (HS) датчиками, обычно находятся в диапазоне от 100 до 200 спектральных полос с шириной полосы примерно 5–10 нм. Гиперспектральное зондирование, или спектроскопия изображений, представляет собой сочетание непрерывной удаленной визуализации и спектроскопии, дающей единый набор данных. Двумя примерами такого типа зондирования являются AVIRIS ( бортовой спектрометр видимого / инфракрасного изображения ) и HYPERION. Более подробную информацию о гиперспектральной визуализации можно найти здесь ( гиперспектральная визуализация ).
Применение датчиков HS для получения изображений 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.
Многоспектральные датчики
Другой метод спутниковой визуализации, многоспектральная (МС) визуализация, имеет тенденцию разделять электромагнитный спектр на небольшое количество полос, в отличие от своих партнерских гиперспектральных датчиков, которые могут захватывать гораздо большее количество спектральных диапазонов. Более подробную информацию о мультиспектральном зондировании можно найти на мультиспектральном изображении .
МС-зондирование больше используется при картировании морского дна из-за меньшего количества спектральных полос с относительно большей шириной полосы. Большая ширина полосы пропускания обеспечивает больший спектральный охват, что имеет решающее значение для визуального обнаружения морских объектов и общего спектрального разрешения полученных изображений.
Лазерная батиметрия с воздуха
Вступление
Воздушная лазерная батиметрия высокой плотности (ALB) - это современный высокотехнологичный подход к картированию морского дна. ALB, впервые разработанный в 1960-х и 1970-х годах, представляет собой «метод обнаружения и определения расстояния (LiDAR), который использует видимый, ультрафиолетовый и ближний инфракрасный свет для оптического дистанционного обнаружения контурной цели через активную и пассивную систему». Это означает, что воздушная лазерная батиметрия использует свет вне видимого спектра для обнаружения изгибов подводного ландшафта.
LiDAR
LiDAR , аббревиатура, означающая обнаружение света и определение дальности, согласно Национальному управлению океанических и атмосферных исследований , является «методом дистанционного зондирования, который использует свет в форме импульсного лазера для измерения расстояний».
Эти световые импульсы вместе с другими данными создают трехмерное представление всего, что отражаются световыми импульсами, что дает точное представление о характеристиках поверхности. Система LiDAR обычно состоит из лазера , сканера и GPS- приемника. Самолеты и вертолеты - наиболее часто используемые платформы для сбора данных LIDAR на обширных территориях. Одним из применений LiDAR является батиметрический LiDAR, который использует проникающий через воду зеленый свет для измерения уровня морского дна и речного русла.
Исполнение
ALB обычно работает в форме импульса невидимого света, излучаемого низколетящим самолетом, и приемника, регистрирующего два отражения от воды. Первый из них берет начало с поверхности воды, а второй - с морского дна. Этот метод использовался в ряде исследований для картирования участков морского дна различных прибрежных районов.
Примеры коммерческих батиметрических систем LIDAR
Существуют различные коммерчески доступные батиметрические системы LIDAR. Двумя из этих систем являются сканирующая гидрографическая оперативная воздушная лидарная съемка (SHOALS) и лазерный бортовой эхолот (LADS). SHOALS был впервые разработан для помощи Инженерному корпусу армии США (USACE) в батиметрической съемке компанией Optech в 90-х годах. SHOALS осуществляется за счет излучения лазера с длиной волны от 530 до 532 нм с высоты около 200 м со средней скоростью 60 м / с.
Ортоизображение высокого разрешения
Ортоизображение высокого разрешения (HRO) - это процесс создания изображения, в котором геометрические качества сочетаются с характеристиками фотографий. Результатом этого процесса является ортоизображение , масштабное изображение, которое включает поправки, сделанные для смещения элементов, таких как наклон здания. Эти поправки производятся с использованием математического уравнения, информации о калибровке датчика и применения цифровых моделей рельефа.
Казнь СПЧ
Ортоизображение может быть создано путем объединения нескольких фотографий одной и той же цели. Цель фотографируется под разными углами, чтобы учесть истинную высоту и наклон объекта. Это дает зрителю точное восприятие целевой области.
Использование в картографировании морского дна
Ортоизображение высокого разрешения в настоящее время используется в «программе наземного картографирования», целью которой является «получение данных топографии с высоким разрешением от Орегона до Мексики». Ортоизображение будет использоваться для получения фотографических данных для этих регионов.
Проект "Морское дно 2030"
Проект Nippon Foundation-GEBCO Seabed 2030, направленный на то, чтобы побудить ряд сотрудников создать полную карту дна океана, был запущен в 2016 году. Есть четыре центра Seabed 2030, которые координируют картографические работы в разных регионах, собирают и компилируют батиметрическую информацию, а также сотрудничать с существующими картографическими работами в своих регионах. Глобальный центр Seabed 2030 отвечает за «производство и поставку глобальных продуктов GEBCO».
GEBCO - это общая батиметрическая карта океанов. Это единственный межправительственный орган, уполномоченный наносить на карту все дно океана. В начале проекта только 6 процентов дна мирового океана были исследованы в соответствии с сегодняшними стандартами; По состоянию на июнь 2020 года в рамках проекта было нанесено на карту 19 процентов. Около 14 500 000 квадратных километров (5 600 000 квадратных миль) новых батиметрических данных было включено в сетку GEBCO в 2019 году. Спутниковая технология, использующая высотомеры, которые определяют топографию морского дна по тому, как его сила тяжести влияет на поверхность океана над ним, но это не дает достаточно высокое разрешение. «Морское дно 2030» нацелено на достижение разрешения не менее 100 м над каждой частью дна океана.
Правительства, учреждения и компании вносят свой вклад в эти усилия, и Seabed 2030 собирает информацию от любой стороны, которая может внести свой вклад, включая небольшие лодки. Антарктическая служба Великобритании оказывает усилие путем изменения маршрутов своих судов с целью картирования различных частей морского дна.