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水深測量[ 1 ] [ 2 ] ( /bəˈθɪmətɹi/ ) は、海底(海底地形)、河川底、または湖底の水深を研究する学問です。言い換えれば、水深測量は、地形測量または地形学の水中版です。水深測定の最初の記録は、3000 年以上前の古代エジプトに遡ります。 [ 3 ]水深測量には、船舶の航行を誘導し、水中の危険を特定するための水深図の作成、水底付近の海洋生物の研究、海岸線の分析、海流や潮汐の予測を含む海洋力学など、さまざまな用途があります。[ 4 ]
水深測量図（水路測量図と混同しないように）は、通常、水上または水中航行の安全性を確保するために作成され、通常、等深線（等深線または等深線と呼ばれる）と選択された水深（測深値）として海底の起伏または地形を示し、通常、水上航行情報も提供します。水深測量図（航行の安全性が問題とならないより一般的な用語）では、デジタル地形モデルと人工照明技術を使用して、描写される水深を示すこともあります。グローバル水深測量は、地形データと組み合わせて、グローバル起伏モデルを作成することもあります。古水深測量とは、過去の水中水深を研究することです。
同義語には、海底マッピング、海底画像、海底画像などがあります。水深測定は、深度測深、ソナー、ライダー技術からブイや衛星高度計まで、さまざまな方法で行われます。さまざまな方法には長所と短所があり、使用される具体的な方法は、調査対象地域の規模、資金、必要な測定精度、およびその他の変数によって異なります。現代のコンピュータベースの研究にもかかわらず、多くの場所で海洋の海底は火星の地形よりも測定されていません。[ 5 ]
海底地形（海洋地形または海底地形）とは、陸地（地形）が海と接する部分の形状を指します。これらの形状は海岸線沿いでは明らかですが、水中でも重要な形で現れます。海洋生息地の有効性は、これらの形状によって部分的に決定されます。これには、海流との相互作用や海流の形成、そしてこれらの地形が深度を増すにつれて日光が減少する方法などが含まれます。潮汐ネットワークは堆積プロセスと流体力学のバランスに依存しますが、人為的影響は、あらゆる物理的要因よりも自然システムに大きな影響を与える可能性があります。[ 6 ]
海洋地形には、沿岸の河口や海岸線から大陸棚やサンゴ礁に至るまでの沿岸および海洋の地形が含まれます。外洋のさらに沖合には、海嶺や海山などの水中および深海の地形が含まれます。水没した表面には、地球規模の中央海嶺系、海底火山[ 7 ]、海溝、海底峡谷、海洋台地、深海平原などの山岳地形があります。
海洋の質量は約 1.35 × 10です18トン、つまり地球の総質量の約4400分の1。海洋は3.618 × 10⁶ 面積は8 km 2、平均水深は3,682 mで、推定体積は1.332 × 109 km 3 . [ 8 ]
元々、水深測量では、測深によって海の深さを測定していました。初期の手法では、あらかじめ測量された太いロープやケーブルを船の側面から下ろしていました。[ 10 ]この手法では一度に一点の水深しか測定できないため、他の方法よりも効率が劣ります。また、船の動きや潮流によってロープがずれてしまうため、精度も低くなります。
今日、水深図を作成するために使用されるデータは、通常、船の下または側面に設置された音響測深機（ソナー）が海底に向かって音波ビームを「ピング」するか、リモートセンシングのLIDARまたはLADARシステムから得られます。[ 11 ]音または光が水中を伝わり、海底で反射して測深機に戻ってくるまでの時間によって、機器は海底までの距離を知ることができます。LIDAR/LADAR調査は通常、航空機搭載システムによって実施されます。
1930年代初頭から、単一ビーム測深機が海底地形図の作成に使用されていました。現在では、一般的にマルチビーム音響測深機（MBES）が使用されています。これは、数百本の非常に狭い隣接ビーム（通常256本）を扇状に並べ、通常90～170度の角度で照射します。狭い個々のビームが密集したアレイにより、非常に高い角度分解能と精度が得られます。一般的に、水深に応じて広い照射範囲を持つことで、単一ビーム音響測深機よりも少ない回数でより広い海底を短時間でマッピングできます。ビームは毎秒何度も更新され（通常、水深に応じて0.1～50Hz ）、海底を100%カバーしながら船速を上げることができます。姿勢センサーにより、海面上での船のロールとピッチを補正でき、ジャイロコンパスにより、船のヨーを補正するための正確な方位情報が得られます。 （最新のMBESシステムのほとんどは、ヨー角だけでなく他のダイナミクスや位置も測定する統合型モーションセンサーと位置システムを使用しています。）衛星ベースの全地球航法システムにより、測深点の位置が地球表面に対して決定されます。水柱の音速プロファイル（水深の関数としての水中音速）は、温度、導電率、圧力などの水柱特性の不均一性による音波の屈折、つまり「光線の曲がり」を補正します。コンピュータシステムはすべてのデータを処理し、上記のすべての要因と個々のビームの角度を補正します。得られた測深測定値は、手動、半自動、または（限られた状況では）自動で処理され、その地域の地図が作成されます。 2010年現在さまざまな出力が生成され、その中には、特定の条件を満たす元の測定値のサブセット（例：最も代表的で可能性の高い測深値、地域内で最も浅い測深値など）や、統合されたデジタル地形モデル（DTM）（例：表面に接続された規則的または不規則な点のグリッド）が含まれます。歴史的に、測定値の選択は水路測量アプリケーションでより一般的でしたが、DTMの構築は工学調査、地質学、流れのモデリングなどに使用されていました。2003 ～ 2005年頃から、DTMは水路測量の実務でより広く受け入れられるようになりました。
衛星は海底地形の測定にも使用されます。衛星レーダーは、海底山脈、海嶺、その他の塊の重力によって引き起こされる海面のわずかな変化を検出することで、深海の地形をマッピングします。平均的に、海面は深海平原や海溝よりも山脈や海嶺の上の方が高くなっています。[ 12 ]
米国では、米国陸軍工兵隊が航行可能な内陸水路の調査のほとんどを実施または委託しており、海洋水路については米国海洋大気庁(NOAA) が同じ役割を果たしています。沿岸水深データは、NOAA の国立地球物理データセンター(NGDC) [ 13 ]から入手できます。NGDCは現在、国立環境情報センターに統合されています。水深データは通常、潮汐垂直基準を参照しています。[ 14 ] 深海水深については、これは通常平均海面 (MSL) ですが、航海図作成に使用されるデータのほとんどは、米国の調査では平均最低低潮位 (MLLW) を、他の国では最低天文潮位 (LAT) を参照しています。実際には、場所や潮汐体制に応じて、他の多くの基準が使用されます。
水深測量に関連する職業やキャリアには、海洋や海底の岩石や鉱物の研究、海底地震や火山の研究などがある。水深測定の実施と分析は、現代の水路測量の中核分野の一つであり、世界中の安全な貨物輸送を確保するための基本的な要素である。[ 10 ]
海底をマッピングするもう1つの方法は、衛星を使用することです。衛星にはハイパースペクトルセンサーとマルチスペクトルセンサーが搭載されており、沿岸地域の画像を継続的に提供することで、海底を視覚化するより実現可能な方法を提供します。[ 15 ]
ハイパースペクトル（HS）センサーによって生成されるデータセットは、約5～10 nmの帯域幅を持つ100～200のスペクトルバンド の範囲に及ぶ傾向があります。ハイパースペクトルセンシング、またはイメージング分光法は、連続的なリモートイメージングと分光法の組み合わせであり、単一のデータセットを生成します。[ 15 ]この種のセンシングの2つの例として、AVIRIS（航空機搭載可視/赤外線イメージング分光計）とHYPERIONがあります。
海底イメージングにおけるHSセンサーの応用は、クロロフィル、植物プランクトン、塩分、水質、溶存有機物、および懸濁堆積物の検出とモニタリングである。しかし、これによって沿岸環境の優れた視覚的解釈が得られるわけではない。[ 15 ]
衛星画像処理のもう一つの手法であるマルチスペクトル（MS）画像処理は、電磁スペクトルを少数のバンドに分割する傾向がある。これに対し、ハイパースペクトルセンサーは、はるかに多くのスペクトルバンドを捉えることができる。
MSセンシングは、スペクトルバンドが少なく、帯域幅が比較的広いため、海底のマッピングに多く使用されています。帯域幅が広いため、より広いスペクトル範囲をカバーでき、これは海洋の特徴の視覚的検出と取得画像の一般的なスペクトル解像度にとって重要です。[ 15 ]
高密度航空レーザー測深（ALB）は、海底をマッピングするための最新の高度な技術アプローチです。1960年代から1970年代に初めて開発されたALBは、 「可視光、紫外線、近赤外線を使用して、アクティブシステムとパッシブシステムの両方で輪郭ターゲットを光学的にリモートセンシングする光検出および測距（LiDAR）技術」です。つまり、航空レーザー測深は、水中地形の曲線を検出するために可視スペクトル以外の光も使用します。[ 15 ]
LiDAR （Light Detection and Ranging）は、米国海洋大気庁によると、「パルスレーザーの形をした光を使用して距離を測定するリモートセンシング手法」です。[ 16 ]これらの光パルスは、他のデータとともに、光パルスが反射した対象物の3次元表現を生成し、表面特性を正確に表現します。LiDARシステムは通常、レーザー、スキャナ、GPS受信機で構成されています。飛行機やヘリコプターは、広範囲にわたってLIDARデータを取得するために最も一般的に使用されるプラットフォームです。LiDARの応用例の1つに、水深測量LiDARがあり、これは水を透過する緑色の光を使用して海底や河床の標高も測定します。[ 16 ]
ALBは一般的に、低空飛行する航空機から非可視光のパルスを発射し、受信機が水面からの2つの反射を記録するという形で動作します。1つ目は水面からの反射、2つ目は海底からの反射です。この方法は、さまざまな沿岸地域の海底の一部をマッピングするために、多くの研究で使用されています。[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]
市販されているさまざまなLIDAR測深システムがあります。これらのシステムの2つは、走査型水路測量運用航空LIDAR測量（SHOALS）とレーザー航空深度計（LADS）です。SHOALSは、 1990年代にOptechという会社によって、米国陸軍工兵隊の水深測量を支援するために最初に開発されました。SHOALSは、波長530～532nmのレーザーを、平均60m/sの速度 で約200mの高さから送信することによって行われます。[ 20 ]
高解像度オルソイメージング（HRO）は、幾何学的特性と写真の特性を組み合わせた画像を作成するプロセスです。このプロセスの結果として得られるのがオルソイメージ、つまり建物の傾きなどの特徴のずれを補正した縮尺画像です。これらの補正は、数式、センサーの校正に関する情報、およびデジタル標高モデルの適用によって行われます。[ 21 ]
オルソイメージは、同じ対象物の複数の写真を組み合わせることによって作成できます。対象物は、実際の高さと傾きを認識できるように、さまざまな角度から撮影されます。これにより、視聴者は対象領域を正確に認識できます。[ 21 ]
高解像度オルソ画像は現在、「オレゴンからメキシコまでの高解像度地形データを作成する」ことを目的とした「地上マッピングプログラム」で使用されています。オルソ画像はこれらの地域の写真データを提供するために使用されます。[ 22 ]
最も古い既知の水深測定は、紀元前1800年頃、エジプト人が棒で探って行ったものです。その後、重りのついたロープが使用され、一定間隔で水深がマークされました。このプロセスは測深として知られています。これらの方法はどちらも、ある地点で測定されるスポット水深であるため、すぐ近くの大きな変化を見落とす可能性があるという限界がありました。精度は水の動きにも影響され、流れによって重りが垂直からずれると、水深と位置の両方が影響を受けました。これは骨の折れる時間のかかるプロセスであり、天候や海の状況に大きく影響されました。[ 23 ]
1870年代のHMSチャレンジャー号の航海では、ワイヤーとウインチを使用した同様のシステムで、以前よりもはるかに深い水深を測定できるようになったため、大きな進歩が見られましたが、これは一度に1つの水深を測定する手順であり、精度を確保するには非常に低速が必要でした。[ 24 ]重りの付いたワイヤーを動力ウインチで展開および回収することで、より深い水深を測定できるようになりました。ワイヤーは抵抗が少なく、潮流の影響を受けにくく、伸びも少なく、かなりの深さまで自重を支えるのに十分な強度がありました。ウインチにより、より迅速な展開と回収が可能になり、測定する水深が数キロメートルにも及ぶ場合に必要でした。ワイヤードラッグ調査は、信頼性と精度のため、1990年代まで使用され続けました。この手順では、フロートで支えられ、一定の水深を保つために重りを付けた2隻のボートでケーブルを曳航しました。ワイヤーはケーブルの水深よりも浅い障害物に引っかかりました。これは測深では見逃される可能性のある航行上の危険を発見するのに非常に役立ちましたが、比較的浅い水深に限定されていました。[ 23 ]
1920年代から1930年代にかけて、シングルビーム音響測深機が、航路に沿って比較的近い間隔で船舶直下の海底までの距離を測定するために使用されました。ほぼ平行な線を走らせることで、より高い解像度でデータポイントを収集できましたが、この方法でも、特に線の間にデータポイント間のギャップが残っていました。[ 23 ]海底のマッピングは、音波を使用して等深線と大陸棚地形の初期の海底地形図を作成することから始まりました。これらは海底の形態に関する最初の洞察を提供しましたが、水平位置精度と不正確な深度のために間違いがありました。サイドスキャンソナーは1950年代から1970年代に開発され、海底の画像を作成するために使用できましたが、この技術にはスキャンの幅全体にわたる直接深度測定の能力がありませんでした。 1957年、マリー・サープはブルース・チャールズ・ヒーゼンと共同で、世界の海洋盆地の最初の3次元地形図を作成した。サープの発見は絶好のタイミングで行われた。それは、コンピュータの発明とほぼ同時期に起こった多くの発見の1つだった。コンピュータは大量のデータを処理する能力により、世界の海洋の研究を含め、研究をはるかに容易にした。マルチビームシステムの開発により、ソナーの走査幅全体にわたってより高い解像度で深度情報を取得することが可能になり、トランスデューサの正確な位置と姿勢データにより、1回の通過で複数の高解像度測深が可能になった。[ 23 ]
米国海軍海洋局は1960年代にマルチビーム技術の機密版を開発した。NOAAは1970年代後半に非機密の商用版を入手し、プロトコルと標準を確立した。マルチビームソナーで取得されたデータは、海底の理解を大幅に向上させた。[ 23 ]
1970年代の米国のランドサット衛星、そして後に欧州のセンチネル衛星は、衛星画像から得られる水深情報を得るための新しい方法を提供しました。これらの方法には、異なる周波数の光が水中に浸透する深さの違いを利用することが含まれます。水が澄んでいて海底が十分に反射している場合、衛星によって観測された反射率を測定し、既知の条件下で光がどれだけ深く浸透するかをモデル化することで、水深を推定できます。NASAの氷、雲、陸地高度衛星2号（ICESat-2）に搭載されている先進地形レーザー高度計システム（ATLAS）は、地球表面からのレーザー光パルスの戻り時間を使用して表面の高度を計算する光子計数ライダーです。ICESat-2の測定値は、船舶搭載ソナーデータと組み合わせることで、ギャップを埋め、浅瀬の地図の精度を向上させることができます。[ 25 ]
リモートセンシングデータを用いた大陸棚海底地形のマッピングでは、海底地形を可視化するためにさまざまな手法が用いられてきました。初期の手法にはハッチングマップなどがあり、一般的には限られたデータに対する地図製作者の個人的な解釈に基づいていました。軍事ソナー画像から開発された音響マッピング手法は、海底のより鮮明な画像を生み出しました。ソナーベースの技術のさらなる発展により、より詳細で高解像度のマッピングが可能になり、地中探査技術は海底表面の下に何があるかの情報を提供します。航空機や衛星によるデータ取得により、水中表面の可視化においてさらなる進歩が可能になりました。高解像度の航空写真やオルソ画像は、大陸棚の浅く透明な海域をマッピングするための強力なツールであり、反射光パルスを使用する航空レーザー測深もそのような状況で非常に効果的であり、ハイパースペクトルおよびマルチスペクトル衛星センサーは、ほぼ絶え間なく海底環境情報を提供できます。リモートセンシング技術は、一般的な地形的特徴から生物学的被覆に至るまで、動的な海底環境を可視化する新しい方法の開発に用いられてきました。[ 26 ]
水深図は、海底の水中地形と地形的特徴を示す等深線図の一種です。 [ 27 ]その主な目的は、海洋地形の詳細な等深線を提供するとともに、水中の特徴の大きさ、形状、分布を示すことです。
地形図は地表からの標高（地形）を示し、水深図を補完するものです。水深図は等間隔の線と点の列を使用して水深を示し、これらは等深線または等深線（等深線の一種）と呼ばれます。内側に向かって水深が増加するか減少するかによって、内側の形状が徐々に小さくなる閉じた形状は、海溝または海山、または海底山脈を示す可能性があります。[ 28 ]
水深測量および海図は、海洋学、特に海洋地質学、水中工学、またはその他の特殊な目的と関連している。
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