batimetrie -Bathymetry

Batimetria fundului oceanului arătând platformele continentale și platourile oceanice (roșu), crestele oceanice de mijloc (galben-verde) și câmpiile abisale (albastru până la violet)

Metanul evacuează în larg Virginia

O hartă a fundului mării capturată de NASA

Batimetria ( / b ə ˈ θ ɪ m ə t r i / ; din greaca veche βαθύς ( bathús )  „adânc” și μέτρον ( métron )  „măsură”) este studiul adâncimii subacvatice a fundului oceanului ( topografia fundului mării ), lac podele sau podele de râu. Cu alte cuvinte, batimetria este echivalentul subacvatic al hipsometriei sau topografiei . Primele dovezi înregistrate ale măsurătorilor adâncimii apei sunt din Egiptul Antic acum peste 3000 de ani. Hărțile batimetrice (sau hidrografice ) sunt în mod obișnuit produse pentru a sprijini siguranța navigației de suprafață sau subterană și, de obicei, arată relieful fundului mării sau terenul sub formă de linii de curbură (numite contururi de adâncime sau izobate ) și adâncimi selectate ( sondaje ) și, de obicei, oferă și navigație de suprafață. informație. Hărțile batimetrice (un termen mai general în care siguranța navigației nu este o problemă) pot folosi, de asemenea, un model digital de teren și tehnici de iluminare artificială pentru a ilustra adâncimile prezentate. Batimetria globală este uneori combinată cu datele topografice pentru a produce un model de relief global . Paleobatimetria este studiul adâncimilor subacvatice din trecut.

Sinonimele includ cartografierea fundului mării , cartografierea fundului mării , imagistica fundului mării și imagistica fundului mării . Măsurătorile batimetrice sunt efectuate cu diverse metode, de la sondare în adâncime , tehnici sonar și Lidar , până la geamanduri și altimetrie prin satelit . Diverse metode au avantaje și dezavantaje, iar metoda specifică utilizată depinde de amploarea zonei studiate, mijloacele financiare, precizia dorită a măsurării și variabile suplimentare. În ciuda cercetărilor moderne bazate pe computer, fundul oceanului în multe locații este mai puțin măsurat decât topografia lui Marte .

Topografia fundului mării

Măsurare

Prima hartă tipărită a batimetriei oceanice, produsă cu date de la USS Dolphin (1853)

Inițial, batimetria implica măsurarea adâncimii oceanului prin sondarea adâncimii . Tehnicile timpurii foloseau o frânghie grea măsurată în prealabil sau un cablu coborât peste partea unei nave. Această tehnică măsoară adâncimea doar un punct singular la un moment dat și, prin urmare, este ineficientă. De asemenea, este supusă mișcărilor navei și curenților care deplasează linia din adevărat și, prin urmare, nu este exactă.

Datele folosite pentru realizarea hărților batimetrice provin în mod obișnuit de la un ecosondar ( sonar ) montat sub sau deasupra unei barci, care „trăge” un fascicul de sunet în jos pe fundul mării sau de la sistemele LIDAR sau LADAR de teledetecție. Timpul necesar pentru ca sunetul sau lumina să traverseze apă, să sară de pe fundul mării și să se întoarcă la sondă informează echipamentul cu privire la distanța până la fundul mării. Studiile LIDAR/LADAR sunt de obicei efectuate de sisteme aeropurtate.

Topografia fundului mării de lângă șanțul Puerto Rico

Batimetria actuală a Pământului (și altimetria ). Date de la Centrele Naționale de Informații de Mediu din Modelul Digital de Teren TerrainBase .

Începând cu începutul anilor 1930, sondele cu un singur fascicul au fost folosite pentru a realiza hărți de batimetrie. Astăzi, sunt utilizate în mod obișnuit ecosounderele cu fascicule multiple (MBES), care folosesc sute de fascicule adiacente foarte înguste (de obicei 256) aranjate într-o bandă sub formă de evantai, de obicei de 90 până la 170 de grade. Gama strânsă de fascicule individuale înguste oferă o rezoluție unghiulară și precizie foarte ridicate. În general, o bandă largă, care depinde de adâncime, permite unei ambarcațiuni să cartografieze mai mult fundul mării în mai puțin timp decât un ecosondar cu un singur fascicul, făcând mai puține treceri. Fasciculele se actualizează de multe ori pe secundă (de obicei 0,1–50 Hz , în funcție de adâncimea apei), permițând o viteză mai mare a bărcii, menținând în același timp o acoperire de 100% a fundului mării. Senzorii de atitudine permit corectarea ruliului și înclinării bărcii pe suprafața oceanului, iar un girobusolă oferă informații precise despre direcție pentru a corecta viziunea navei . (Majoritatea sistemelor moderne MBES utilizează un senzor de mișcare integrat și un sistem de poziție care măsoară viciul, precum și celelalte dinamice și poziție.) Un sistem de poziționare globală (GPS) (sau alt sistem global de navigație prin satelit (GNSS)) poziționează sondaje în raport cu suprafața pământului. Profilurile vitezei sunetului (viteza sunetului în apă în funcție de adâncime) ale coloanei de apă corectează refracția sau „îndoirea razelor” undelor sonore din cauza caracteristicilor neuniforme ale coloanei de apă, cum ar fi temperatura, conductivitatea și presiunea. Un sistem informatic procesează toate datele, corectând pentru toți factorii de mai sus, precum și pentru unghiul fiecărui fascicul individual. Măsurătorile de sondare rezultate sunt apoi procesate fie manual, semi-automat sau automat (în circumstanțe limitate) pentru a produce o hartă a zonei. Începând cu 2010, sunt generate o serie de ieșiri diferite, inclusiv un subset de măsurători inițiale care satisfac anumite condiții (de exemplu, cele mai reprezentative sondaje probabile, cele mai puțin adânci dintr-o regiune etc.) sau modele digitale de teren (DTM) integrate (de ex. , o grilă regulată sau neregulată de puncte conectate într-o suprafață). Din punct de vedere istoric, selecția măsurătorilor a fost mai frecventă în aplicațiile hidrografice , în timp ce construcția DTM a fost folosită pentru studii inginerești, geologie, modelare de debit etc. Deoarece ca. 2003–2005, DTM-urile au devenit mai acceptate în practica hidrografică.

Sateliții sunt folosiți și pentru măsurarea batimetriei. Radarul prin satelit realizează hărți topografia mării adânci prin detectarea variațiilor subtile ale nivelului mării cauzate de atracția gravitațională a munților, crestelor și a altor mase submarine. În medie, nivelul mării este mai ridicat peste munți și creste decât peste câmpii și tranșee abisale.

În Statele Unite ale Americii, Corpul Inginerilor Armatei Statelor Unite efectuează sau comandă cele mai multe sondaje ale căilor navigabile interioare navigabile, în timp ce Administrația Națională Oceanică și Atmosferică (NOAA) îndeplinește același rol pentru căile navigabile oceanice. Datele batimetriei de coastă sunt disponibile de la Centrul Național de Date Geofizice (NGDC) al NOAA , care este acum fuzionat în Centrele Naționale pentru Informații de Mediu . Datele batimetrice se referă de obicei la datele verticale ale mareelor . Pentru batimetria în ape adânci, acesta este de obicei nivelul mediu al mării (MSL), dar majoritatea datelor utilizate pentru hărțile nautice se referă la Mean Lower Low Water Lower (MLLW) în studiile americane și la cel mai scăzut maree astronomic (LAT) în alte țări. În practică sunt folosite multe alte date , în funcție de localitate și regimul mareelor.

Ocupațiile sau carierele legate de batimetrie includ studiul oceanelor și rocilor și mineralelor de pe fundul oceanului și studiul cutremurelor sau vulcanilor subacvatici. Preluarea și analiza măsurătorilor batimetrice este unul dintre domeniile de bază ale hidrografiei moderne și o componentă fundamentală în asigurarea transportului sigur al mărfurilor în întreaga lume.

Model STL 3D al Pământului fără apă lichidă cu exagerare de 20× altitudine

Imagini prin satelit

O altă formă de cartografiere a fundului mării este prin utilizarea sateliților. Sateliții sunt echipați cu senzori hiper-spectrale și multi-spectrale care sunt utilizați pentru a furniza fluxuri constante de imagini ale zonelor de coastă, oferind o metodă mai fezabilă de vizualizare a fundului mării.

Senzori hiper-spectrale

Seturile de date produse de Senzorii Hyper-Spectral (HS) tind să varieze între 100 și 200 de benzi spectrale cu lățimi de bandă de aproximativ 5-10 nm. Hyper-Spectral Sensing, sau spectroscopie imagistică, este o combinație de imagistică continuă la distanță și spectroscopie care produce un singur set de date. Două exemple de acest tip de detecție sunt AVIRIS ( spectrometru de imagistică în aer vizibil/infraroșu ) și HYPERION.

Aplicarea senzorilor HS în ceea ce privește imagistica fundului mării este detectarea și monitorizarea clorofilei, fitoplanctonului, salinității, calității apei, materialelor organice dizolvate și a sedimentelor în suspensie. Cu toate acestea, acest lucru nu oferă o interpretare vizuală excelentă a mediilor de coastă.

Senzori multispectrale

Cealaltă metodă de imagistică prin satelit, imagistica multi-spectrală (MS), tinde să împartă spectrul EM într-un număr mic de benzi, spre deosebire de partenerul său Hyper-Spectral Sensors, care poate capta un număr mult mai mare de benzi spectrale.

Sensiunea MS este folosită mai mult în cartografierea fundului mării datorită mai puținelor benzi spectrale cu lățimi de bandă relativ mai mari. Lățimile de bandă mai mari permit o acoperire spectrală mai mare, care este crucială în detectarea vizuală a caracteristicilor marine și rezoluția spectrală generală a imaginilor achiziționate.

Batimetrie cu laser aeropurtată

Batimetria cu laser aeropurtată de înaltă densitate (ALB) este o abordare modernă, extrem de tehnică, a cartografierii fundului mării. Dezvoltat pentru prima dată în anii 1960 și 1970, ALB este o tehnică de „detecție și măsurare a luminii (LiDAR) care utilizează lumină vizibilă, ultravioletă și aproape infraroșie pentru a detecta optic de la distanță o țintă de contur atât printr-un sistem activ, cât și pasiv”. Acest lucru înseamnă că batimetria cu laser aeropurtată folosește și lumina din afara spectrului vizibil pentru a detecta curbele în peisajul subacvatic.

LiDAR (Light Detection and Ranging) este, conform Administrației Naționale Oceanice și Atmosferice , „o metodă de teledetecție care utilizează lumina sub forma unui laser pulsat pentru a măsura distanțe”. Aceste impulsuri de lumină, împreună cu alte date, generează o reprezentare tridimensională a ceea ce impulsurile de lumină reflectă, oferind o reprezentare precisă a caracteristicilor suprafeței. Un sistem LiDAR constă de obicei dintr-un laser , un scaner și un receptor GPS . Avioanele și elicopterele sunt cele mai utilizate platforme pentru achiziționarea de date LIDAR pe zone largi. O aplicație a LiDAR este LiDAR batimetric, care utilizează lumină verde care pătrunde în apă pentru a măsura, de asemenea, cotele fundului mării și albiei râului.

ALB funcționează, în general, sub forma unui impuls de lumină nevizibilă emisă de o aeronavă care zboară jos și a unui receptor care înregistrează două reflexii din apă. Primul dintre acestea provine de la suprafața apei, iar al doilea de pe fundul mării. Această metodă a fost utilizată într-o serie de studii pentru a cartografi segmentele fundului mării din diferite zone de coastă.

Exemple de sisteme de batimetrie LIDAR comerciale

Există diverse sisteme de batimetrie LIDAR care sunt accesibile comercial. Două dintre aceste sisteme sunt Scanning Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey (SHOALS) și Laser Airborne Depth Sounder (LADS). SHOALS a fost dezvoltat pentru a ajuta Corpul Inginerilor Armatei Statelor Unite (USACE) în topografie batimetrică de către o companie numită Optech în anii 1990. SHOALS se realizeaza prin transmiterea unui laser, de lungime de unda intre 530 si 532 nm, de la o inaltime de aproximativ 200 m la viteza medie de 60 m/s.

Ortoimagini de înaltă rezoluție

Ortoimaginile de înaltă rezoluție (HRO) reprezintă procesul de creare a unei imagini care combină calitățile geometrice cu caracteristicile fotografiilor. Rezultatul acestui proces este o ortoimagine , o imagine la scară care include corecții făcute pentru deplasarea caracteristicilor, cum ar fi înclinarea clădirii. Aceste corecții se fac prin utilizarea unei ecuații matematice, informații despre calibrarea senzorului și aplicarea modelelor digitale de elevație.

O ortoimagine poate fi creată prin combinarea unui număr de fotografii ale aceleiași ținte. Ținta este fotografiată dintr-un număr de unghiuri diferite pentru a permite percepția reală a înălțimii și a înclinării obiectului. Acest lucru oferă privitorului o percepție precisă a zonei țintă.

Ortoimaginile de înaltă rezoluție sunt utilizate în prezent în „programul de cartografiere terestră”, al cărui scop este „producerea de date topografice de înaltă rezoluție din Oregon până în Mexic”. Ortoimaginile vor fi folosite pentru a furniza datele fotografice pentru aceste regiuni.

Istorie

O hartă tridimensională cu ecou

Cele mai vechi măsurători de adâncime cunoscute au fost făcute în jurul anului 1800 î.Hr. de egipteni prin sondarea cu un stâlp. Mai târziu a fost folosită o linie ponderată, cu adâncimile marcate la intervale. Acest proces a fost cunoscut sub numele de sunet. Ambele metode au fost limitate prin faptul că au fost observate adâncimi, luate la un punct și puteau rata cu ușurință variații semnificative în imediata apropiere. Precizia a fost, de asemenea, afectată de mișcarea apei – curentul ar putea balansa greutatea de pe verticală și atât adâncimea, cât și poziția ar fi afectate. Acesta a fost un proces laborios și consumator de timp și a fost puternic afectat de condițiile meteorologice și ale mării.

Au existat îmbunătățiri semnificative odată cu călătoria lui HMS Challenger în anii 1870, când sisteme similare care foloseau fire și un troliu au fost folosite pentru măsurarea adâncimii mult mai mari decât era posibil anterior, dar aceasta a rămas o procedură de o adâncime la un timp, care necesita o viteză foarte mică pentru precizie. . Adâncimi mai mari ar putea fi măsurate folosind fire ponderate desfășurate și recuperate de trolii motorizate. Firele aveau mai puțină rezistență și erau mai puțin afectate de curent, nu se întindeau la fel de mult și erau suficient de puternice pentru a-și susține propria greutate la adâncimi considerabile. Troliurile au permis o desfășurare și o recuperare mai rapidă, necesară atunci când adâncimile măsurate erau de câțiva kilometri. Studiile de rezistență la sârmă au continuat să fie utilizate până în anii 1990 datorită fiabilității și acurateții. Această procedură presupunea remorcarea unui cablu cu două bărci, susținute de flotoare și cântărite pentru a menține o adâncime constantă. Sârma s-ar prinde de obstacole mai puțin adânci decât adâncimea cablului. Acest lucru a fost foarte util pentru găsirea pericolelor de navigație care ar putea fi omise de sondaje, dar a fost limitat la adâncimi relativ mici.

Sondele cu un singur fascicul au fost folosite din anii 1920-1930 pentru a măsura distanța fundului mării direct sub o navă la intervale relativ apropiate de-a lungul liniei de călătorie. Prin rularea liniilor aproximativ paralele, punctele de date ar putea fi colectate la o rezoluție mai bună, dar această metodă a lăsat în continuare goluri între punctele de date, în special între linii. Cartografierea fundului mării a început prin utilizarea undelor sonore , conturate în izobate și diagrame batimetrice timpurii ale topografiei raftului. Acestea au oferit prima perspectivă asupra morfologiei fundului mării, deși s-au făcut greșeli din cauza preciziei poziției orizontale și adâncimii imprecise. Sonarul Sidescan a fost dezvoltat în anii 1950-1970 și putea fi folosit pentru a crea o imagine a fundului, dar tehnologia nu avea capacitatea de măsurare directă a adâncimii pe lățimea scanării. În 1957, Marie Tharp , în colaborare cu Bruce Charles Heezen , a creat prima hartă fiziografică tridimensională a bazinelor oceanice ale lumii. Descoperirea lui Tharp a fost făcută la momentul perfect. A fost una dintre multele descoperiri care au avut loc aproape în același timp cu inventarea computerului . Calculatoarele, cu capacitatea lor de a calcula cantități mari de date, au făcut cercetarea mult mai ușoară, inclusiv cercetarea oceanelor lumii. Dezvoltarea sistemelor cu mai multe fascicule a făcut posibilă obținerea de informații de adâncime pe lățimea sonarului, la rezoluții mai mari și cu date precise de poziție și atitudine pentru traductoare, a făcut posibilă obținerea de sondaje multiple de înaltă rezoluție dintr-o singură trecere.

Oficiul Oceanografic Naval al SUA a dezvoltat o versiune clasificată a tehnologiei cu fascicul multiplu în anii 1960. NOAA a obținut o versiune comercială neclasificată la sfârșitul anilor 1970 și a stabilit protocoale și standarde. Datele obținute cu sonarul multifasci au îmbunătățit considerabil înțelegerea fundului mării.

Sateliții Landsat din SUA din anii 1970 și mai târziu sateliții europeni Sentinel au oferit noi modalități de a găsi informații batimetrice, care pot fi derivate din imaginile din satelit. Aceste metode includ utilizarea diferitelor adâncimi la care diferite frecvențe de lumină pătrund în apă. Când apa este limpede și fundul mării este suficient de reflectorizant, adâncimea poate fi estimată prin măsurarea cantității de reflectanță observată de un satelit și apoi modelând cât de departe ar trebui să pătrundă lumina în condițiile cunoscute. Sistemul de altimetru cu laser topografic avansat (ATLAS) de pe satelitul 2 de altitudine de gheață, nori și pământ al NASA (ICESat-2) este un lidar de numărare a fotonilor care utilizează timpul de întoarcere al impulsurilor de lumină laser de la suprafața Pământului pentru a calcula altitudinea suprafeței. . Măsurătorile ICESat-2 pot fi combinate cu datele sonarelor de pe navă pentru a umple golurile și pentru a îmbunătăți precizia hărților de apă puțin adâncă.

Cartografierea topografiei platformei continentale a fundului mării folosind date teledetecționate a aplicat o varietate de metode pentru a vizualiza topografia de jos. Metodele timpurii au inclus hărți hachure și s-au bazat în general pe interpretarea personală a cartografului a datelor limitate disponibile. Metodele de cartografiere acustică dezvoltate din imaginile sonarelor militare au produs o imagine mai vie a fundului mării. Dezvoltarea ulterioară a tehnologiei bazate pe sonar a permis mai multe detalii și o rezoluție mai mare, iar tehnicile de penetrare a solului oferă informații despre ceea ce se află sub suprafața inferioară. Achiziția de date aeropurtate și prin satelit au făcut posibile progrese suplimentare în vizualizarea suprafețelor subacvatice: fotografia aeriană de înaltă rezoluție și ortoimaginile sunt un instrument puternic pentru cartografierea apelor limpezi de mică adâncime de pe platformele continentale, iar batimetria cu laser aeropurtată, folosind impulsuri de lumină reflectată, este, de asemenea, foarte eficientă. în aceste condiții, iar senzorii sateliti hiperspectrali și multispectrali pot furniza un flux aproape constant de informații de mediu bentonice. Tehnicile de teledetecție au fost folosite pentru a dezvolta noi moduri de vizualizare a mediilor bentonice dinamice, de la caracteristicile geomorfologice generale până la acoperirea biologică.

Vezi si

• Clasificarea acustică a fundului mării  – Împărțirea unei imagini acustice a fundului mării în entități sau clase fizice discrete
• Batometru  – Un instrument științific pentru măsurarea adâncimii apei
• Hartă batimetrică  – Hartă care ilustrează terenul scufundat al corpurilor de apă
• Morfodinamica litorală  – Interacțiunea topografiei fundului țărmului și procesele hidrodinamice fluide
• Indicator de adâncime  – Instrument care indică adâncimea sub o suprafață de referință
• Grafică batimetrică generală a oceanelor  – Hartă batimetrică disponibilă public a oceanelor lumii
• Model de relief global  – Model al reliefului Pământului, inclusiv altitudinea și adâncimea sub apă
• Studiu hidrografic  – Știința măsurării și descrierii caracteristicilor care afectează activitățile maritime
• Topografia suprafeței oceanului  – Forma suprafeței oceanului în raport cu geoidul
• Fundul mării  – Fundul oceanului
  • Proiectul Seabed 2030
• Teren  – Dimensiunea verticală și orizontală și forma suprafeței terenului

Referințe

linkuri externe

• Prezentare generală pentru teren subacvatic, formate de date etc. (vterrain.org)
• Batimetrie de înaltă rezoluție pentru Marea Barieră de Corali și Marea Coralilor
• A.PO.MA.B.-Academia de Pozitionare Marina si Batimetrie
• Vizualizator de date batimetrice de la NCEI de la NOAA
• Aplicație WebMapping pentru căutarea seturi de date Bathymetry gratuite și open source
• Hartă web interactivă, setați cota negativă pentru batimetrie
• NOAA Ocean Explorer
• Institutul Schmidt Ocean: Cartografierea fundului mării
• Seafloormapping.co.uk
• Seabed 2030 Arhivat 2019-06-16 la Wayback Machine