Картография морского дна - Seafloor mapping

Сброс метана на шельфе Вирджинии
Карта морского дна, сделанная НАСА

Картография морского дна, также называется съемка морского дна, это измерение глубины данного водоема. Батиметрический измерения проводятся различными методами, от сонар и Лидар методы для буи и спутниковая альтиметрия. Различные методы имеют преимущества и недостатки, и конкретный используемый метод зависит от масштаба изучаемой области, финансовых средств, желаемой точности измерений и дополнительных переменных. Несмотря на современные компьютерные исследования, морское дно во многих местах менее измерено, чем топография из Марс.[1]

История картографирования морского дна

Трехмерный эхо карта

Самые ранние зарегистрированные методы измерения глубины - это использование измерительных столбов и утяжелителей, записанных в Египте более 3000 лет назад и использовавшихся без значительных улучшений до плавания HMS Претендент в 1870-х годах, когда аналогичные системы, использующие тросы и лебедку, использовались для измерения гораздо больших глубин, чем это было возможно ранее, но это оставалось процедурой по одной глубине за раз, которая требовала очень низкой скорости для обеспечения точности.[2]

В начале двадцатого века картографирование морского дна было очень сложной задачей. Картирование морского дна началось с использования звуковые волны, очерченный в изобаты и ранние батиметрические карты топографии шельфа. Это дало первое представление о морфологии морского дна, хотя были допущены ошибки из-за точности горизонтального положения и неточных глубин. В 1957 г. Мари Тарп, работая вместе с Брюс Чарльз Хизен создал 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 компьютер. 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.[нужна цитата ] Постоянно развивающиеся технологии позволяют проводить вычисления в специальном оборудовании, необходимом для "ортоизображения высокого разрешения". Это означает, что исследователям больше не нужно использовать звуковые частоты для морских исследований.

Позднее этот метод был модернизирован до Airborne Laser Bathymetry (ALB).[нужна цитата ]. ALB предоставляет изображения более высокого качества и в цвете.[нужна цитата ]. 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.[3]

Спутниковые снимки

Введение

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 удобный метод визуализации дна морского дна.[4]

Гиперспектральные датчики

Наборы данных, производимые гиперспектральными (HS) датчиками, имеют тенденцию находиться в диапазоне от 100 до 200 спектральных полос с шириной полосы примерно от 5 до 10 нм. Гиперспектральное зондирование, или спектроскопия изображений, представляет собой комбинацию непрерывной дистанционной визуализации и спектроскопии, дающей единый набор данных.[4] Два примера такого восприятия: AVIRIS (Бортовой спектрометр видимого / инфракрасного изображений ) и ГИПЕРИОН. Более подробную информацию о гиперспектральной визуализации можно найти здесь (Гиперспектральная визуализация ).

Применение датчиков HS при построении 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.[4]

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 сайте Мультиспектральное изображение.

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.[4]

Лазерная батиметрия с воздуха

Введение

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 «Технология обнаружения и определения дальности (LiDAR), которая использует видимый, ультрафиолетовый и ближний инфракрасный свет для оптического дистанционного распознавания контура цели через активную и пассивную систему». Это означает, что воздушная лазерная батиметрия использует свет вне видимого спектра для обнаружения изгибов подводного ландшафта.[4]

LiDAR

Основная статья: Лидар

LiDAR, аббревиатура, означающая обнаружение света и определение дальности, согласно Национальное управление океанических и атмосферных исследований, "метод дистанционного зондирования, использующий свет в виде импульсный лазер для измерения расстояний ».[5]

Эти световые импульсы, наряду с другими данными, генерируют трехмерный отображение того, от чего отражаются световые импульсы, дает точное представление о характеристиках поверхности. Система LiDAR обычно состоит из лазер, сканер и GPS получатель. Самолеты и вертолеты - наиболее часто используемые платформы для сбора данных LIDAR на обширных территориях. Одним из применений LiDAR является батиметрический LiDAR, в котором используется проникающий через воду зеленый свет для измерения уровня морского дна и речного русла.[5]

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.[6][7][8]

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 примерно 200 м со средней скоростью 60 м / с.[9]

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 на смещение элементов, например наклон здания. Эти поправки производятся с помощью математического уравнения, информации о калибровке датчика и применения цифровых моделей рельефа.[10]

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.[10]

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.[11]

Проект "Морское дно 2030"

В 2016 году был запущен проект Nippon Foundation-GEBCO Seabed 2030, который направлен на мотивацию ряда сотрудников к созданию полной карты дна океана.[12] Существует четыре центра Seabed 2030, которые координируют картографические работы в различных регионах, собирают и обобщают батиметрическую информацию и сотрудничают с существующими картографическими работами в своих регионах. Глобальный центр Seabed 2030 отвечает за «производство и поставку глобальных продуктов GEBCO».[13]

GEBCO расшифровывается как General Bathymetric Chart of the Oceans. 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 г., по проекту было зафиксировано 19 процентов карт. Около 14 500 000 квадратных километров (5 600 000 квадратных миль) новых батиметрических данных было включено в сеть GEBCO в 2019 году. Спутниковые технологии с использованием высотомеры которые определяют топографию морского дна по тому, как его сила тяжести воздействует на поверхность океана над ним, но не дает достаточно высокого разрешения. «Морское дно 2030» направлено на достижение разрешения не менее 100 м над каждой частью дна океана.[12]

Правительства, учреждения и компании вносят свой вклад в эти усилия, и программа Seabed 2030 краудсорсинг информация от любой стороны, которая может внести свой вклад, включая небольшие лодки. В Британская антарктическая служба помогает усилиям, изменяя маршруты своих лодок, чтобы нанести на карту различные части морского дна.[12]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Джонс, Э.Дж.У. (1999). Морская геофизика. Нью-Йорк: Вили.
  2. ^ а б Вёльфль, Анн-Катрин; Снайт, Хелен; Амиребрахими, Сэм; Деви, Колин В .; Доршель, Борис; Феррини, Вики; Huvenne, Veerle A. I .; Якобссон, Мартин; Дженкс, Дженнифер; Джонстон, Гордон; Ламарш, Жоффруа; Майер, Ларри; Миллар, Дэвид; Педерсен, Терье Хага; Пикард, Ким; Рейц, Аня; Шмитт, Тьерри; Висбек, Мартин; Уизеролл, Полин; Уигли, Рошель (2019). «Картографирование морского дна - проблема истинно глобальной океанской батиметрии». Границы морских наук. 6: 283. Дои:10.3389 / fmars.2019.00283. ISSN  2296-7745.
  3. ^ Чарльз В. Финкл, 2016 г., Картографирование морского дна вдоль континентальных шельфов: исследования и методы визуализации бентосных сред. Редакция Интернет-ресурса. Том 13. Страницы 3 - 53
  4. ^ а б c d е Чарльз В. Финкл, изд., 2016, Картографирование морского дна вдоль континентальных шельфов: исследования и методы визуализации бентосных сред. Редакция Интернет-ресурса. Том 13. Страницы 31 - 35
  5. ^ а б Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) (15 апреля 2020 г.). "Что такое ЛИДАР?". Национальная океаническая служба NOAA. Получено 21 июн 2020.
  6. ^ Брок и Пуркис (2009) Растущая роль дистанционного зондирования Lidar в прибрежных исследованиях и управлении ресурсами. В: Брок Дж., Пуркис С. (ред.) Прибрежные применения бортовых лидаров. J Coastal Res, специальный выпуск № 53: стр. 1–5
  7. ^ Bukata et al. (1995) Оптические свойства и дистанционное зондирование внутренних и прибрежных вод. CRC Press, Бока-Ратон, стр. 365
  8. ^ Deronde et al. (2008) Мониторинг динамики наносов вдоль песчаной береговой линии с помощью гиперспектрального дистанционного зондирования с воздуха и LIDAR: пример из Бельгии. Earth Surf Process 33: стр. 280–294
  9. ^ Чарльз В. Финкл, изд., 2016, Картографирование морского дна вдоль континентальных шельфов: исследования и методы визуализации бентосных сред. Редакция Интернет-ресурса. Том 13. Страница 23
  10. ^ а б Геологическая служба США, дата последнего редактирования 2015 г., Ортоизображение высокого разрешения (HRO), https://lta.cr.usgs.gov/high_res_ortho
  11. ^ Совет по охране океана штата Калифорния, 2009 г., Составление карты ресурсов Калифорнии,http://www.opc.ca.gov/2009/12/mapping/
  12. ^ а б c Амос, Джонатан (21 июня 2020 г.). «Одна пятая часть дна Земли теперь нанесена на карту». Новости BBC. Получено 21 июн 2020.
  13. ^ «Центры обработки данных для проекта Nippon Foundation-GEBCO Seabed 2030». Фонд Nippon Foundation - проект GEBCO Seabed 2030. GEBCO. Получено 21 июн 2020.

внешние ссылки