Кіріспе
Батиметрия (/b//ə//'//θ//ɪ//m//ə//t//r//i/;) – көлдердің немесе мұхиттардың тереңдігін зерттеу, теңіз түбінің топографиясын, көлдердің немесе өзендердің түбін зерттеу. Басқаша айтқанда, батиметрия – гипсометрия немесе топографияның су астындағы баламасы. Су тереңдігін өлшеу туралы алғашқы мәліметтер 3000 жылдан астам бұрын ежелгі Египеттен алынған. Батиметриялық карталар (гидрографиялық карталармен шатастырмау керек) әдетте, су үстіндегі немесе су астындағы қауіпсіз навигацияны қамтамасыз ету үшін жасалады және әдетте теңіз түбінің бедерін немесе ландшафтын контурлық сызықтар (тереңдік контурлары немесе изобаттар деп аталады) және таңдалған тереңдіктер (зондированиелер) түрінде көрсетеді, сондай-ақ әдетте, беттік навигациялық ақпаратты да ұсынады. Батиметриялық карталар (навигациялық қауіпсіздік маңызды емес жалпы термин) бейнеленетін тереңдіктерді көрсету үшін цифрлық жер моделін және жасанды жарықтандыру техникаларын пайдалана алады. Жалпы батиметрия кейде топографиялық деректермен біріктіріліп, жалпы бедер модельін құрайды. Палеобатиметрия – бұрынғы су асты тереңдіктерін зерттеу. Синонимдері: теңіз түбін картографиялау, теңіз түбін бейнелеу, теңіз түбін сканирлеу және теңіз түбін визуализациялау. Батиметриялық өлшемдер әртүрлі әдістермен жүзеге асырылады, мысалы, тереңдікті зондтау, сонар және Лидар техникалары, сондай-ақ буйлар мен спутниктік альтиметрия. Әрбір әдістің өз артықшылықтары мен кемшіліктері бар, ал қолданылатын нақты әдіс зерттелетін аумақтың масштабына, қаржылық мүмкіндіктерге, қажетті өлшеу дәлдігіне және басқа да факторларға байланысты. Қазіргі заманғы компьютерлік зерттеулерге қарамастан, мұхит түбінің көп бөлігі Марстың топографиясынан гөрі нашар зерттелген.
Bathymetry (/b//ə//'//θ//ɪ//m//ə//t//r//i/; ) is the study of underwater depth of ocean floors (seabed topography), lake floors, or river floors. In other words, bathymetry is the underwater equivalent to hypsometry or topography. The first recorded evidence of water depth measurements are from Ancient Egypt over 3000 years ago. Bathymetric charts (not to be confused with hydrographic charts), are typically produced to support safety of surface or sub surface navigation, and usually show seafloor relief or terrain as contour lines (called depth contours or isobaths) and selected depths (soundings), and typically also provide surface navigational information. Bathymetric maps (a more general term where navigational safety is not a concern) may also use a Digital Terrain Model and artificial illumination techniques to illustrate the depths being portrayed. The global bathymetry is sometimes combined with topography data to yield a global relief model. Paleobathymetry is the study of past underwater depths. Synonyms include seafloor mapping, seabed mapping, seafloor imaging and seabed imaging. Bathymetric measurements are conducted with various methods, from depth sounding, sonar and Lidar techniques, to buoys and satellite altimetry. Various methods have advantages and disadvantages and the specific method used depends upon the scale of the area under study, financial means, desired measurement accuracy, and additional variables. Despite modern computer based research, the ocean seabed in many locations is less measured than the topography of Mars.
Өлшем
Бастапқыда батиметрия мұхит тереңдігін тереңдік өлшеу арқылы анықтауды қамтыды. Алғашқы техникаларда кеме бортынан төмен түсірілген, салмағы зерттелген арқан немесе кабель қолданылды. Бұл техника бір уақытта тек бір нүктенің тереңдігін өлшеуге мүмкіндік береді, сондықтан тиімді емес. Сонымен қатар, кеме қозғалысы мен ағындар сызықтың дұрыс бағыттан ауытқуына себеп болады, демек, нәтижелер дәл болмайды. Бүгінде батиметриялық карталар жасау үшін қолданылатын деректер көбінесе қайықтың астына немесе үстіне орнатылған эхозондерден (сонардан) алынады, олар теңіз түбіне дыбыс сәулесін жіберіп, қайтарылған дыбыстың уақытын өлшейді немесе қашықтан зондтау жүйелерінен – LIDAR немесе LADAR-дан алынады. Дыбыс немесе жарықтың су арқылы жүріп өтуіне, теңіз түбінен секіріп қайтуына және сонарға оралуына кеткен уақыт теңіз түбіне дейінгі қашықтықты анықтайды. LIDAR/LADAR зерттеулері көбінесе әуеден жүргізіледі. 1930 жылдардың басында батиметриялық карталар жасау үшін бір сәулелі эхозондер қолданылды. Қазіргі кезде көбінесе көп сәулелі эхозондер (MBES) қолданылады, олар жүздеген өте тар, жақын орналасқан сәулелерді (әдетте 256) қолданады, бұл сәулелер желдеткіш тәрізді 90-170 градусқа дейін жайылады. Тығыз орналасқан тар сәулелер массиві жоғары бұрыштық ажыратымдылықты және дәлдікті қамтамасыз етеді. Жалпы алғанда, тереңдікке байланысты кең жайылмалы аймақ, бір сәулелі эхозондерге қарағанда, аз өткелмен теңіз түбінің үлкен бөлігін аз уақытта картаға түсіруге мүмкіндік береді. Сәулелер секундына көп рет жаңартылады (әдетте су тереңдігіне байланысты 0,1–50 Гц), бұл теңіз түбінің 100% қамтуын сақтай отырып, қайықтың жылдамдығын арттыруға мүмкіндік береді. Бұл құрылғылар кеменің теңіз бетіндегі қозғалысын және бұрылуын анықтайды, ал гирокомпас кеменің бағытын анықтауға көмектеседі. (Көптеген заманауи MBES жүйелері басқа динамикалық параметрлермен және орналасумен қатар, бұрылуды да өлшейтін интеграцияланған қозғалыс сенсоры мен орналасу жүйесін пайдаланады.) Кемеге орнатылған GPS (немесе басқа да Global Navigation Satellite System (GNSS)) дыбыстың орналасқан жерін жер бетіне қатысты анықтайды. Судың температурасы, тұздылығы және қысымы сияқты су қатының біртекті еместігіне байланысты дыбыс толқындарының бұрылуын (немесе "сәуле бүгілуін") түзету үшін судың тереңдігіне байланысты дыбыс жылдамдығының профилі (судағы дыбыс жылдамдығы) қолданылады. Компьютерлік жүйе жоғарыда аталған барлық факторларды, сондай-ақ әрбір сәуленің бұрышын ескере отырып, барлық деректерді өңдейді. Нәтижесінде алынған өлшеулер қолмен, жартылай автоматты түрде немесе шектеулі жағдайларда автоматты түрде өңделіп, аймақтың картасын жасайды. Әр түрлі нәтижелер жасалады, соның ішінде кейбір шарттарға сәйкес келетін бастапқы өлшеулердің кіші жиынтығы (мысалы, ең сенімді өлшеулер, аймақтағы ең шалқаяры, т.б.) немесе интеграцияланған цифрлық жер бедері модельдері (DTM) (мысалы, бетке қосылған нүктелердің тұрақты немесе тұрақты емес торы). Тарихи тұрғыдан алғанда, гидрографиялық қолданбаларда өлшеулерді таңдау жиі кездесетін, ал DTM құрылымы инженерлік зерттеулер, геология, ағынды модельдеу және т.б. үшін қолданылды. 2003-2005 жылдардан бастап гидрографиялық тәжірибеде DTM кеңінен қабылданады. Спутниктер де батиметрияны өлшеу үшін қолданылады. Жерсеріктік радарлар теңіз асты тауларының, қыртыстардың және басқа да таулардың тартылу күшінен туындаған теңіз деңгейінің шағын өзгерістерін анықтап, терең теңіз топографиясын картаға түсіреді. Орташа есеппен, теңіз деңгейі таулар мен жоталарда, ал құла түбі мен траншеяларда жоғары болады. АҚШ-та кеме жүретін ішкі су жолдарының көп бөлігін инженерлер корпусы (United States Army Corps of Engineers) зерттейді немесе зерттеуді тапсырады, ал Ұлттық мұхит және атмосфералық басқару басқармасы (NOAA) мұхит су жолдары үшін осы рөлді атқарады. Жағалаудағы батиметриялық деректер NOAA-ның Ұлттық геофизикалық деректер орталығынан (NGDC) қол жетімді, ол қазір Ұлттық экологиялық ақпарат орталықтарына біріктірілген. Батиметриялық деректер көбінесе жел-құйрық тік деректеріне сілтеме жасайды. Терең су батиметриясы үшін бұл әдетте теңіздің орташа деңгейі (MSL) болып табылады, бірақ теңіз карталарында қолданылатын деректердің көпшілігі американдық зерттеулерде орташа төменгі төменгі су (MLLW) және басқа елдерде ең төменгі астрономиялық су тасқыны (LAT) болып табылады. Жергілікті жағдайға және су тасқынына байланысты тәжірибеде көптеген басқа да датумдар қолданылады. Батиметриямен байланысты мамандықтар немесе мансаптар мұхиттарды, теңіз түбіндегі тау жыныстары мен минералдарды зерттеуді, сондай-ақ су асты жер сілкіністері мен жанартауларды зерттеуді қамтиды. Батиметриялық өлшеулерді алу және талдау қазіргі заманғы гидрографияның негізгі салаларының бірі болып табылады және бүкіл әлем бойынша тауарларды қауіпсіз тасымалдауды қамтамасыз етудің маңызды бөлігі болып табылады.
Гиперспектральды сенсорлар
Гиперспектрлік (HS) сенсорлар өндіретін дерек жиынтығы шамамен 5–10 нм ені бар 100 мен 200 спектрлік жолақты аралықта болады. Гиперспектрлік зондтау, немесе бейнелеу спектроскопиясы – үздіксіз қашықтықтан бейнелеу мен спектроскопияның үйлесімі, нәтижесінде бір дерек жиынтығы құралады. ALB әдетте, төменнен ұшатын ұшақтан көрінбейтін жарық импульсі шығарылып, судан екі шағылысты тіркейтін қабылдағыш арқылы жұмыс істейді. Бірінші шағылыс су бетінен, екіншісі теңіз түбінен туындайды. Бұл әдіс жағалау аймақтарының теңіз түбінің бөліктерін картографиялау үшін бірнеше зерттеулерде қолданылған.
Коммерциялық LIDAR батиметриялық жүйелерінің мысалдары
Саудада қол жетімді әр түрлі LIDAR батиметриялық жүйелері бар. Олардың екеуі – сканерлік гидрографиялық операциялық әуедегі лидарлық зерттеу (SHOALS) және лазерлік әуедегі тереңдік өлшегіш (LADS). SHOALS алғаш рет 1990 жылдары Optech компаниясы АҚШ Армиясының Инженерлік корпусына (USACE) батиметриялық зерттеулерде көмектесу мақсатында жасалды. SHOALS шамамен 200 метр биіктіктен, орташа есеппен 60 метр/секунд жылдамдықпен 530 және 532 нм толқын ұзындығындағы лазер сәулесін жіберу арқылы жүзеге асырылады.
Жоғары ажыратылатын орфосуреттер
Жоғары ажыратымды ортосурет (HRO) – геометриялық қасиеттерді фотосуреттердің сипаттамаларымен үйлестіретін кескін жасау процесі. Осы процестің нәтижесі – ортосурет, масштабталған кескін, онда ғимараттың қисаюы сияқты нысандардың бұрмалануына түземелер енгізілген. Бұл түземелер математикалық теңдеулер, сенсорды калибрлеу туралы мәліметтер және цифрлық биіктік модельдерін қолдану арқылы жасалады. Бір нысанның бірнеше фотосуретін біріктіру арқылы ортосурет құруға болады. Нысанның нақты биіктігі мен қисаюын анықтау үшін нысана әртүрлі бұрыштардан суретке түсіріледі. Бұл көрерменге нысана аймағын дәл қабылдау мүмкіндігін береді.
Тарих
Ең ертедегі белгілі тереңдік өлшемдері б.з.д. 1800 жыл шамасында египеттіктердің таяқпен зондтау арқылы жасалған. Кейін салмақты сызық қолданылып, тереңдік белгілі аралықтармен белгіленді. Бұл процесс "тереңдік өлшеу" (sounding) деп аталды. Бұл екі әдіс те бір нүктеде алынған тереңдікпен шектелген және жақын маңдағы маңызды өзгерістерді жіберіп алуы мүмкін. Дәлдікке су қозғалысы да әсер етті – ағыс салмақты тік сызықтан ығыстырып, тереңдік пен орналасқан жердің екесіне де әсер ететін еді. Бұл еңбекке толы және уақытты көп алатын процесс болды, сонымен қатар ауа райы мен теңіз жағдайларына тәуелді. Үлкен тереңдіктерді өлшеу үшін салмақты сымдар қолданылып, қуатты лебёдкалармен түсіріліп, қайта тартылды. Сымдардың кедергісі аз болды, ағысқа аз әсер етті, көп созылмады және өз салмағын үлкен тереңдіктерде де ұстап тұруға жеткілікті мықты болды. Лебёдкалар бірнеше километр тереңдікте тез түсіруге және қайтаруға мүмкіндік берді. Сымды созу арқылы жүргізілетін зерттеулер сенімділігі мен дәлдігі үшін 1990 жылға дейін қолданылып келді. Бұл процедура екі қайықпен кабельді сүйреуді қамтиды, кабельді жүзу құралдарымен бірге тұрақты тереңдікте ұстап тұратын еді. Сым кабель тереңдігінен саяз болатын кедергілерге тіреліп қалатын. Бұл тереңдік өлшеу арқылы анықталмайтын навигациялық қауіптерді табуға өте пайдалы болды, бірақ салыстырмалы түрде терең емес суларда ғана қолданылуы мүмкін.