Введение
Батиметрия (/b//ə//'//θ//ɪ//m//ə//t//r//i/;) – это изучение глубин подводного рельефа океанов (топография морского дна), озер или рек. Иными словами, батиметрия является подводным эквивалентом гипсометрии или топографии. Первые задокументированные свидетельства измерений глубины воды относятся к Древнему Египту, более 3000 лет назад. Батиметрические карты (не следует путать с гидрографическими картами) обычно создаются для обеспечения безопасности навигации на поверхности или под водой и, как правило, отображают рельеф морского дна или местность в виде контурных линий (называемых контурами глубины или изобатами) и отдельных измеренных глубин (промеров), а также обычно содержат информацию для навигации на поверхности. Батиметрические карты (более общий термин, когда безопасность навигации не является приоритетом) могут также использовать цифровую модель рельефа и методы искусственного освещения для визуализации глубин. Глобальная батиметрия иногда объединяется с топографическими данными для создания глобальной модели рельефа. Палеобатиметрия – это изучение глубин в прошлом. Синонимы включают картирование морского дна, съемку морского дна, визуализацию морского дна и изображение морского дна. Батиметрические измерения проводятся различными методами, от глубинного зондирования, сонара и технологий лидара, до использования буев и спутниковой альтиметрии. Различные методы имеют свои преимущества и недостатки, и выбор конкретного метода зависит от масштаба исследуемой области, финансовых возможностей, требуемой точности измерений и других факторов. Несмотря на современные компьютерные исследования, морское дно океана во многих местах изучено хуже, чем топография Марса.
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.
Измерение
Изначально батиметрия включала измерение глубины океана посредством глубинного зондирования. Ранние методы использовали предварительно измеренную тяжелую веревку или кабель, опускаемый с борта судна. Этот метод измеряет глубину только в одной точке за раз, и поэтому неэффективен. Он также подвержен движениям судна и течениям, отклоняющим линию от истинного направления, что снижает точность. Данные, используемые для создания батиметрических карт сегодня, обычно поступают от эхолота (сонара), установленного под днищем или над бортом судна, который посылает звуковой луч вниз к морскому дну, или от систем дистанционного зондирования LIDAR или LADAR. Время, необходимое звуку или свету для прохождения через воду, отражения от морского дна и возвращения к датчику, позволяет оборудованию определить расстояние до морского дна. Обследования LIDAR/LADAR обычно проводятся с использованием воздушных систем. Начиная с начала 1930-х годов, однолучевые эхолоты использовались для создания батиметрических карт. Сегодня обычно используются многолучевые эхолоты (MBES), которые используют сотни очень узких соседних лучей (обычно 256), расположенных в веерообразной полосе шириной обычно от 90 до 170 градусов. Плотно упакованный массив узких отдельных лучей обеспечивает очень высокое угловое разрешение и точность. В целом, широкая полоса, зависящая от глубины, позволяет судну картографировать большую площадь морского дна за меньшее время, чем однолучевой эхолот, выполняя меньше проходов. Лучи обновляются много раз в секунду (обычно 0,1–50 Гц в зависимости от глубины воды), что позволяет увеличить скорость судна, сохраняя при этом 100% покрытие морского дна. Датчики ориентации позволяют корректировать крен и дифферент судна на поверхности океана, а гирокомпас обеспечивает точную информацию о курсе для коррекции рыскания судна. (Большинство современных систем MBES используют интегрированный датчик движения и систему позиционирования, которые измеряют рыскание, а также другие динамические параметры и положение.) Установленная на судне система глобального позиционирования (GPS) (или другая глобальная навигационная спутниковая система (GNSS)) определяет положение глубин относительно поверхности Земли. Профили скорости звука (скорость звука в воде как функция глубины) водяного столба корректируют преломление или "искривление луча" звуковых волн из-за неоднородных характеристик водяного столба, таких как температура, соленость и давление. Компьютерная система обрабатывает все данные, корректируя все вышеперечисленные факторы, а также угол каждого отдельного луча. Полученные измерения глубины затем обрабатываются вручную, полуавтоматически или автоматически (в ограниченных случаях) для создания карты местности. Генерируется ряд различных выходных данных, включая подмножество исходных измерений, удовлетворяющих определенным условиям (например, наиболее репрезентативные вероятные глубины, самые мелкие 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 течений и т. д. С 2003–2005 годов DTM стали более широко использоваться в гидрографической практике. Спутники также используются для измерения батиметрии. Спутниковые радары картографируют топографию глубоких морей, обнаруживая незначительные изменения уровня моря, вызванные гравитационным притяжением подводных гор, хребтов и других массивов. В среднем уровень моря выше над горами и хребтами, 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 (NOAA) выполняет ту же роль для океанических водных путей. Данные о прибрежной батиметрии доступны в Национальном геофизическом центре данных (NGDC) NOAA, который теперь объединен в Национальные центры экологической информации. Батиметрические данные обычно привязаны к приливным вертикальным системам отсчета. Для глубоководной батиметрии это обычно средний уровень моря (MSL), но большинство данных, используемых для создания навигационных карт, привязаны к среднему нижнему отливу (MLLW) в американских обследованиях и к самой низкой астрономической отливной отметке (LAT) в других странах. На практике используется множество других систем отсчета, в зависимости от местности и приливного режима. Профессии или карьеры, связанные с батиметрией, включают изучение океанов, а также горных пород и минералов на морском дне, а также изучение подводных землетрясений или вулканов. Получение и анализ батиметрических измерений является одной из основных областей современной гидрографии и фундаментальным компонентом обеспечения безопасной транспортировки грузов по всему миру.
Гиперспектральные датчики
Наборы данных, получаемые с гиперспектральных (HS) датчиков, обычно содержат от 100 до 200 спектральных каналов с шириной полосы приблизительно 5–10 нм. Гиперспектральная сенсорика, или изобразительная спектроскопия, представляет собой сочетание непрерывной дистанционной съемки и спектроскопии, в результате чего формируется единый набор данных. ALB обычно работает следующим образом: импульс невидимого света излучается с низколетящего самолета, а приемник регистрирует два отражения от воды – первое от поверхности воды, а второе – от морского дна. Этот метод использовался в ряде исследований для картографирования участков морского дна в различных прибрежных зонах.
Примеры коммерческих систем батиметрии LIDAR
Существуют различные системы лидарной батиметрии, доступные в коммерческом исполнении. Две из этих систем – Сканирующая гидрографическая оперативная воздушная лидарная съемка (SHOALS) и Лазерный воздушный глубиномер (LADS). Система SHOALS была впервые разработана компанией Optech в 1990-х годах для помощи Инженерному корпусу армии США (USACE) в проведении батиметрических съемок. SHOALS работает путем передачи лазера с длиной волны от 530 до 532 нм с высоты примерно 200 м на скорости около 60 м/с.
Ортоизображения высокого разрешения
Ортофотопланы высокого разрешения (HRO) – это процесс создания изображения, сочетающего в себе геометрическую точность и характеристики фотографий. Результатом этого процесса является ортофотоплан – изображение в масштабе, включающее в себя поправки, устраняющие искажения, вызванные, например, наклоном зданий. Эти поправки выполняются с использованием математических уравнений, данных о калибровке сенсора и цифровых моделей рельефа. Ортофотоплан создается путем объединения нескольких снимков одной и той же местности. Съемка ведется с разных углов, что позволяет учесть реальную высоту и наклон объектов. Это обеспечивает пользователю точное отображение исследуемой территории.
История
Самые ранние известные измерения глубины были сделаны египтянами примерно в 1800 году до нашей эры путем прощупывания дна шестом. Позже стали использовать взвешенную линию с отметками глубины через определенные интервалы. Этот процесс назывался промером глубины. Оба этих метода были ограничены тем, что представляли собой точечные измерения, взятые в одной точке, и могли легко не заметить значительные изменения глубины в непосредственной близости. На точность также влияло движение воды – течение могло отклонить груз от вертикали, что сказывалось как на глубине, так и на положении. Это был трудоемкий и длительный процесс, сильно зависящий от погодных условий и состояния моря. Для измерения больших глубин использовались взвешенные тросы, опускаемые и поднимаемые с помощью механических лебедок. Тросы имели меньшее сопротивление, меньше подвергались влиянию течения, меньше растягивались и были достаточно прочными, чтобы выдерживать собственный вес на значительной глубине. Лебедки обеспечивали более быстрое опускание и подъем, что было необходимо при измерении глубин в несколько километров. Методы промера глубины с помощью троса продолжали использоваться до 1990-х годов благодаря своей надежности и точности. Эта процедура заключалась в буксировке кабеля двумя судами, поддерживаемого поплавками и утяжеленного для поддержания постоянной глубины. Кабель зацеплялся за препятствия, находящиеся на меньшей глубине. Это было очень полезно для обнаружения навигационных опасностей, которые могли быть пропущены при промере глубины, но ограничивалось относительно небольшими глубинами.