Батиметрия ( / b ə ˈ θ ɪ m ə t r i / ; от древнегреческого βαθύς ( bathús ) «глубокий» и μέτρον ( métron ) «мера») [1] [2] — это изучение подводной глубины океанического дна ( рельеф морского дна ), дна озер или речного дна. Другими словами, батиметрия — это подводный эквивалент гипсометрии или топографии . Первые зарегистрированные свидетельства измерений глубины воды относятся к Древнему Египту более 3000 лет назад. [3]
Батиметрические карты (не путать с гидрографическими картами ), как правило, создаются для обеспечения безопасности поверхностной или подводной навигации и обычно показывают рельеф морского дна или рельеф местности в виде контурных линий (называемых контурами глубины или изобатами ) и выбранных глубин ( зондирования ), а также, как правило, предоставляют информацию о навигации на поверхности . Батиметрические карты (более общий термин, когда безопасность навигации не является проблемой) могут также использовать цифровую модель рельефа и методы искусственного освещения для иллюстрации изображаемых глубин. Глобальная батиметрия иногда объединяется с данными топографии для получения глобальной модели рельефа . Палеобатиметрия — это изучение прошлых подводных глубин.
Синонимы включают картографирование морского дна , картографирование морского дна , визуализацию морского дна и визуализацию морского дна . Батиметрические измерения проводятся различными методами, от глубинного зондирования , сонара и лидарных методов до буев и спутниковой альтиметрии . Различные методы имеют свои преимущества и недостатки, а конкретный используемый метод зависит от масштаба исследуемой области, финансовых средств, желаемой точности измерений и дополнительных переменных. Несмотря на современные компьютерные исследования, морское дно океана во многих местах менее измерено, чем топография Марса . [ 4 ]
Топография морского дна (топография океана или морская топография) относится к форме земли ( топографии ), когда она соприкасается с океаном. Эти формы очевидны вдоль береговых линий, но они также встречаются в значительных количествах под водой. Эффективность морских местообитаний частично определяется этими формами, включая то, как они взаимодействуют с океанскими течениями и формируют их , и то, как солнечный свет уменьшается, когда эти формы рельефа занимают увеличивающиеся глубины. Приливные сети зависят от баланса между осадочными процессами и гидродинамикой, однако антропогенные воздействия могут влиять на природную систему больше, чем любой физический фактор. [5]
Морские топографии включают прибрежные и океанические формы рельефа, начиная от прибрежных эстуариев и береговых линий до континентальных шельфов и коралловых рифов . Дальше в открытом океане они включают подводные и глубоководные особенности, такие как океанические возвышенности и подводные горы . Подводная поверхность имеет горные особенности, включая охватывающую весь земной шар систему срединно-океанических хребтов , а также подводные вулканы , [6] 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 км 2 при средней глубине 3682 м, что дает предполагаемый объем 1,332 × 109 км 3 . [7]
Первоначально батиметрия включала измерение глубины океана посредством зондирования глубины . Ранние методы использовали предварительно измеренную тяжелую веревку или кабель, спускаемый через борт судна. [8] Этот метод измеряет глубину только в одной точке за раз и поэтому неэффективен. Он также подвержен движениям судна и течениям, которые смещают линию с истинного положения и поэтому неточен.
Данные, используемые сегодня для создания батиметрических карт, обычно поступают с эхолота ( сонара ), установленного под или над бортом судна, «отправляющего» звуковой луч вниз по морскому дну, или с систем дистанционного зондирования LIDAR или LADAR. [9] Количество времени, необходимое для того, чтобы звук или свет прошли через воду, отразились от морского дна и вернулись к эхолоту, информирует оборудование о расстоянии до морского дна. Исследования LIDAR/LADAR обычно проводятся с помощью бортовых систем.
Начиная с начала 1930-х годов для создания батиметрических карт использовались однолучевые эхолоты. Сегодня обычно используются многолучевые эхолоты (MBES), которые используют сотни очень узких смежных лучей (обычно 256), расположенных в веерообразной полосе, как правило, от 90 до 170 градусов в поперечнике. Плотно упакованный массив узких отдельных лучей обеспечивает очень высокое угловое разрешение и точность. В целом, широкая полоса, которая зависит от глубины, позволяет судну картировать больше морского дна за меньшее время, чем однолучевой эхолот, делая меньше проходов. Лучи обновляются много раз в секунду (обычно 0,1–50 Гц в зависимости от глубины воды), что позволяет судну двигаться с большей скоростью, сохраняя при этом 100% покрытие морского дна. Датчики положения позволяют корректировать крен и дифферент судна на поверхности океана, а гирокомпас предоставляет точную информацию о курсе для коррекции рыскания судна . (Большинство современных систем MBES используют интегрированный датчик движения и систему позиционирования, которая измеряет рыскание, а также другую динамику и положение.) Глобальная система позиционирования (GPS) на лодке (или другая глобальная навигационная спутниковая система (GNSS)) позиционирует зондирования относительно поверхности земли. Профили скорости звука (скорость звука в воде как функция глубины) водной толщи корректируют рефракцию или «изгиб луча» звуковых волн из-за неоднородных характеристик водной толщи, таких как температура, проводимость и давление. Компьютерная система обрабатывает все данные, корректируя все вышеперечисленные факторы, а также угол каждого отдельного луча. Затем полученные измерения зондирования обрабатываются вручную, полуавтоматически или автоматически (в ограниченных обстоятельствах) для создания карты местности. По состоянию на 2010 год [обновлять]генерируется ряд различных выходных данных, включая подмножество исходных измерений, которые удовлетворяют некоторым условиям (например, наиболее представительные вероятные зондирования, самая мелкая глубина в регионе и т. д.) или интегрированные цифровые модели рельефа (DTM) (например, регулярная или нерегулярная сетка точек, соединенных в поверхность). Исторически выбор измерений был более распространен в гидрографических приложениях, в то время как построение DTM использовалось для инженерных изысканий, геологии, моделирования потоков и т. д. Начиная с 2003–2005 гг . DTM стали более принятыми в гидрографической практике.
Спутники также используются для измерения батиметрии. Спутниковый радар картирует топографию глубоководных участков, обнаруживая едва заметные изменения уровня моря, вызванные гравитационным притяжением подводных гор, хребтов и других масс. В среднем уровень моря выше над горами и хребтами, чем над абиссальными равнинами и впадинами. [10]
В Соединенных Штатах Корпус инженеров армии США выполняет или заказывает большинство обследований судоходных внутренних водных путей, в то время как Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) выполняет ту же роль для морских водных путей. Данные прибрежной батиметрии доступны в Национальном центре геофизических данных NOAA (NGDC), [11] который в настоящее время объединен с Национальными центрами экологической информации . Батиметрические данные обычно ссылаются на приливные вертикальные системы отсчета . [12] Для глубоководной батиметрии это, как правило, средний уровень моря (MSL), но большинство данных, используемых для навигационных карт, ссылаются на среднюю нижнюю отливную воду (MLLW) в американских обследованиях и на самый низкий астрономический прилив (LAT) в других странах. На практике используются многие другие системы отсчета в зависимости от местности и приливного режима.
Занятия или карьеры, 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 в обеспечении безопасной перевозки грузов по всему миру. [8]
Другой формой картирования морского дна является использование спутников. Спутники оснащены гиперспектральными и многоспектральными датчиками, которые используются для обеспечения постоянных потоков изображений прибрежных зон, что обеспечивает более осуществимый метод визуализации дна морского дна. [13]
Наборы данных, создаваемые гиперспектральными (HS) датчиками, как правило, охватывают от 100 до 200 спектральных полос с шириной полосы пропускания приблизительно 5–10 нм. Гиперспектральное зондирование, или спектроскопия изображений, представляет собой комбинацию непрерывной дистанционной съемки и спектроскопии, создающую единый набор данных. [13] Двумя примерами такого типа зондирования являются AVIRIS ( воздушный видимый/инфракрасный спектрометр изображений ) и HYPERION.
Применение датчиков HS в отношении визуализации морского дна заключается в обнаружении и мониторинге хлорофилла, фитопланктона, солености, качества воды, растворенных органических материалов и взвешенных отложений. Однако это не обеспечивает хорошей визуальной интерпретации прибрежных сред. [13] [ требуется разъяснение ]
Другой метод спутниковой съемки, мультиспектральная (МС) съемка, имеет тенденцию разделять электромагнитный спектр на небольшое количество диапазонов, в отличие от его партнера — гиперспектральных датчиков, которые могут захватывать гораздо большее количество спектральных диапазонов.
Зондирование MS чаще используется при картографировании морского дна из-за меньшего количества спектральных полос с относительно большими полосами пропускания. Большие полосы пропускания обеспечивают больший спектральный охват, что имеет решающее значение для визуального обнаружения морских особенностей и общего спектрального разрешения полученных изображений. [13] [ требуется разъяснение ]
Высокоплотная воздушная лазерная батиметрия (ALB) — это современный, высокотехнологичный подход к картированию морского дна. Впервые разработанный в 1960-х и 1970-х годах, [ требуется ссылка ] ALB — это «метод обнаружения и определения дальности света (LiDAR), который использует видимый, ультрафиолетовый и ближний инфракрасный свет для оптического дистанционного обнаружения контурной цели с помощью как активной, так и пассивной системы». Это означает, что воздушная лазерная батиметрия также использует свет за пределами видимого спектра для обнаружения изгибов подводного ландшафта. [13]
LiDAR (Light Detection and Ranging) — это, по данным Национального управления океанических и атмосферных исследований , «метод дистанционного зондирования, который использует свет в форме импульсного лазера для измерения расстояний». [14] Эти световые импульсы, наряду с другими данными, создают 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 по обширным областям. Одним из применений LiDAR является батиметрический LiDAR, который использует проникающий в воду зеленый свет для измерения высот морского дна и русла реки. [14]
ALB обычно работает в форме импульса невидимого света, испускаемого низколетящим самолетом, и приемника, регистрирующего два отражения от воды. Первое из которых исходит от поверхности воды, а второе — от морского дна. Этот метод использовался в ряде исследований для картирования участков морского дна различных прибрежных зон. [15] [16] [17]
Существуют различные системы батиметрии LIDAR, которые доступны на рынке. Две из этих систем — это сканирующий гидрографический оперативный воздушный лидар (SHOALS) и лазерный воздушный глубинный зонд (LADS). SHOALS был впервые разработан для помощи Инженерному корпусу армии США (USACE) в батиметрической съемке компанией Optech в 1990-х годах. SHOALS выполняется посредством передачи лазера с длиной волны от 530 до 532 нм с высоты примерно 200 м со средней скоростью 60 м/с. [18]
Ортоизображение высокого разрешения (HRO) — это процесс создания изображения, которое сочетает геометрические качества с характеристиками фотографий. Результатом этого процесса является ортоизображение , масштабное изображение, которое включает поправки, внесенные для смещения объектов, таких как наклон здания. Эти поправки вносятся с помощью математического уравнения, информации о калибровке датчика и применения цифровых моделей рельефа. [19]
Ортоизображение может быть создано путем объединения нескольких фотографий одной и той же цели. Цель фотографируется с нескольких разных углов, чтобы обеспечить восприятие истинной высоты и наклона объекта. Это дает наблюдателю точное восприятие целевой области. [19]
В настоящее время ортоизображения высокого разрешения используются в «программе наземного картирования», целью которой является «получение топографических данных высокого разрешения от Орегона до Мексики». Ортоизображения будут использоваться для предоставления фотографических данных для этих регионов. [20]
Самые ранние известные измерения глубины были сделаны около 1800 г. до н. э. египтянами путем зондирования шестом. Позже использовалась утяжеленная линия, на которой глубины отмечались через определенные интервалы. Этот процесс был известен как зондирование. Оба эти метода были ограничены тем, что были точечными глубинами, взятыми в точке, и могли легко упустить значительные изменения в непосредственной близости. Точность также зависела от движения воды — течение могло отклонить груз от вертикали, и это влияло как на глубину, так и на положение. Это был трудоемкий и длительный процесс, на который сильно влияли погода и морские условия. [21]
Значительные улучшения произошли с плаванием HMS Challenger в 1870-х годах, когда аналогичные системы с использованием тросов и лебедки использовались для измерения гораздо больших глубин, чем это было возможно ранее, но это оставалось процедурой измерения одной глубины за раз, которая требовала очень низкой скорости для точности. [22] Большие глубины можно было измерить с помощью утяжеленных тросов, развертываемых и извлекаемых с помощью приводных лебедок. Тросы имели меньшее сопротивление и меньше подвергались влиянию течения, не так сильно растягивались и были достаточно прочными, чтобы выдерживать собственный вес на значительных глубинах. Лебедки позволяли быстрее развертывать и извлекать, что было необходимо, когда измеряемые глубины составляли несколько километров. Исследования с использованием тросов продолжали 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, находящиеся на меньшей глубине, чем глубина троса. Это было очень полезно для обнаружения навигационных опасностей, которые могли быть пропущены при зондировании, но ограничивалось относительно небольшими глубинами. [21]
Однолучевые эхолоты использовались с 1920-х по 1930-е годы для измерения расстояния до морского дна непосредственно под судном на относительно близких интервалах вдоль линии движения. Прокладывая примерно параллельные линии, можно было собирать точки данных с лучшим разрешением, но этот метод все еще оставлял пробелы между точками данных, особенно между линиями. [21] Картографирование морского дна началось с использования звуковых волн , контурированных в изобатах и ранних батиметрических картах топографии шельфа. Они дали первое представление о морфологии морского дна, хотя были допущены ошибки из-за горизонтальной позиционной точности и неточных глубин. Гидролокатор бокового обзора был разработан в 1950-х и 1970-х годах и мог использоваться для создания изображения дна, но эта технология не позволяла напрямую измерять глубину по всей ширине сканирования. В 1957 году Мари Тарп , работая с Брюсом Чарльзом Хизеном , создала первую трехмерную физиографическую карту мировых океанических бассейнов. Открытие Тарпа было сделано в идеальное время. Это было одно из многих открытий, которые произошли почти в то же время, что и изобретение компьютера . Компьютеры, с их способностью вычислять большие объемы данных, значительно упростили исследования, включая исследования мировых океанов. Развитие многолучевых систем позволило получать информацию о глубине по всей ширине полосы обзора сонара, с более высоким разрешением и с точными данными о положении и ориентации для преобразователей, позволило получить несколько зондирований с высоким разрешением за один проход. [21]
В 1960-х годах Военно-морское океанографическое управление США разработало секретную версию многолучевой технологии. В конце 1970-х годов NOAA получило несекретную коммерческую версию и установило протоколы и стандарты. Данные, полученные с помощью многолучевого сонара, значительно расширили понимание морского дна. [21]
Американские спутники Landsat 1970-х годов, а позднее и европейские спутники Sentinel, предоставили новые способы поиска батиметрической информации, которая может быть получена из спутниковых снимков. Эти методы включают использование различных глубин, на которые проникают в воду различные частоты света. Когда вода чистая, а морское дно достаточно отражающее, глубину можно оценить, измерив величину отражательной способности, наблюдаемую спутником, а затем смоделировав, как далеко должен проникать свет в известных условиях. Система Advanced Topographic Laser Altimeter System (ATLAS) на спутнике NASA Ice, Cloud, and land Elevation Satellite 2 (ICESat-2) представляет собой лидар для подсчета фотонов , который использует время возврата импульсов лазерного света от поверхности Земли для расчета высоты поверхности. Измерения ICESat-2 можно объединить с данными судового сонара, чтобы заполнить пробелы и повысить точность карт мелководья. [23]
Картографирование топографии морского дна континентального шельфа с использованием данных дистанционного зондирования применяло 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 военного гидролокатора, давали более яркую картину морского дна. Дальнейшее развитие технологий на основе гидролокатора позволило получить больше деталей и большее разрешение, а методы проникновения в грунт предоставляют информацию о том, что находится под поверхностью дна. Сбор данных с воздуха и со спутника сделал возможным дальнейший прогресс в визуализации подводных поверхностей: аэрофотосъемка с высоким разрешением и ортоизображение являются мощным инструментом для картирования мелководных чистых вод на континентальных шельфах, а воздушная лазерная батиметрия, использующая отраженные световые импульсы, также очень эффективна в этих условиях, а гиперспектральные и многоспектральные спутниковые датчики могут обеспечивать почти постоянный поток информации о бентической среде. Методы дистанционного зондирования использовались для разработки новых способов визуализации динамических бентических сред от общих геоморфологических особенностей до биологического покрытия. [24]
Батиметрическая карта — это тип изарифмической карты , которая отображает подводную батиметрию и физико-географические особенности океанического и морского дна. [25] Их основная цель — предоставить подробные контуры глубины топографии океана, а также предоставить размер, форму и распределение подводных объектов.
Топографические карты отображают высоту над землей ( топографию ) и являются дополнением к батиметрическим картам. Батиметрические карты показывают глубину с помощью серии линий и точек с равными интервалами, называемых контурами глубины или изобатами (тип контурной линии ). Замкнутая форма с все более мелкими фигурами внутри нее может указывать на океаническую впадину или подводную гору, или подводную гору, в зависимости от того, увеличиваются или уменьшаются глубины по направлению внутрь. [26]
Батиметрические съемки и карты связаны с наукой океанографии , в частности, с морской геологией , а также с подводным строительством или другими специализированными целями.
