水深測量

水深測定（/ b ə ˈ θ ɪ m ə t r i / ;古代ギリシャ語の βαθύς ( bathús )  「深い」とμέτρον ( métron )  「測る」に由来）^{[1] [2]は、}海底（海底地形）、湖底、または川底の水深を研究する学問です。言い換えれば、水深測定は、水深測定または地形測定の水中版です。水深測定の最初の記録された証拠は、3000年以上前の古代エジプトのものです。 ^[3]

水深図（水路図と混同しないでください）は、通常、水面または水面下の航行の安全をサポートするために作成され、通常、海底の起伏または地形を等高線（水深等深線または等深線と呼ばれる）と選択された深度（測深）として、通常は水面航行情報も提供します。水深図（航行の安全性を考慮しない場合のより一般的な用語）では、デジタル地形モデルと人工照明技術を使用して、描写する深度を示すこともあります。地球規模の水深測定は、地形データと組み合わせて地球規模の起伏モデルを作成することもあります。古水深測定は、過去の水中深度を研究するものです。

同義語には、海底マッピング、海底マッピング、海底画像化、海底画像化などがある。水深測定は、深度測定、ソナー、ライダー技術、ブイ、衛星高度測定など、さまざまな方法で行われる。さまざまな方法に長所と短所があり、使用される特定の方法は、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決まる。現代のコンピューターベースの研究にもかかわらず、多くの場所の海洋海底は、火星の地形よりも測定が少ない。^[4]

海底地形（海洋地形または海洋性地形）は、陸地（地形）が海洋と接するときの形状を指します。これらの形状は海岸線に沿って明らかですが、水中にも顕著に現れます。海洋生息地の有効性は、海流との相互作用や海流の形成方法、これらの地形が深くなるにつれて日光が減少する方法など、これらの形状によって部分的に定義されます。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、人為的影響は物理的な要因よりも自然システムに影響を与える可能性があります。^[5]

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。さらに外洋に出ると、海面上昇や海山などの水中および深海の特徴が含まれます。水面下には、地球全体に広がる中央海嶺システムを含む山岳地帯、海底火山、^{[6] 、}海溝、海底峡谷、海洋台地、深海平原があります。

海洋の質量は約1.35 × 10¹⁸ トン、つまり地球の総質量の約4400分の1に相当します。海洋の面積は3.618 × 10⁸  km ^2、平均深度3,682 m、推定体積は1.332 × 10⁹  km ³ . ^[7]

もともと、測深は深度測定によって海洋の深さを測定することを意味していました。初期の技術では、船の側面に下ろされた、あらかじめ測定された重いロープまたはケーブルが使用されていました。 ^[8]この技術は、一度に1点のみの深さを測定するため、非効率的です。また、船の動きや流れによって線が真からずれるため、正確ではありません。

現在、海底地形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取り付けられたエコーサウンダ（ソナー）から取得され、海底に向かって音波を発射するか、リモートセンシング LIDARまたはLADARシステムから取得されます。^[9]音または光が水中を伝わり、海底で反射してサウンダに戻ってくるまでの時間から、機器は海底までの距離を算出します。LIDAR / LADAR調査は通常、航空機搭載システムによって行われます。

1930 年代初頭から、シングルビーム測深機は水深図の作成に使用されていました。今日では、マルチビームエコーサウンダ(MBES) が一般的に使用されており、これは数百の非常に狭い隣接ビーム (通常 256 本) を、通常 90 ～ 170 度の扇状のスワスに並べたものです。狭い個々のビームを密集させて配列することで、非常に高い角度分解能と精度が得られます。一般に、スワスの幅は深度に依存しますが、シングルビームエコーサウンダよりも少ないパスでより短時間に、より広い海底の地図を作成できます。ビームは 1 秒間に何度も更新されるため (通常、水深に応じて 0.1 ～ 50 Hz )、海底を 100% カバーしながら、より速い速度で航行できます。姿勢センサーにより、海面でのボートのロールとピッチを補正でき、ジャイロコンパスにより正確な船首方位情報が提供され、船舶のヨーを補正できます。 (最新の MBES システムのほとんどは、ヨー角やその他のダイナミクスと位置を測定する統合モーション センサーと位置システムを使用しています。) ボートに搭載された全地球測位システム(GPS) (またはその他の全地球航法衛星システム (GNSS)) は、地球の表面を基準にして測深を行います。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、伝導率、圧力などの水柱の不均一な特性による音波の屈折または「光線の屈折」を補正します。コンピュータ システムがすべてのデータを処理し、上記のすべての要因と各ビームの角度を補正します。結果として得られた測深測定値は、手動、半自動、また​​は自動 (限られた状況) で処理され、そのエリアの地図が作成されます。 2010 年現在^{[アップデート]}、いくつかの条件を満たす元の測定値のサブセット (最も代表的な測深値、地域で最も浅い測深値など) や統合デジタル地形モデル(DTM) (表面に接続された点の規則的または不規則なグリッドなど) など、さまざまな出力が生成されています。歴史的には、測定値の選択は水路測量のアプリケーションでより一般的であり、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 年から 2005年頃にかけて、DTM は水路測量の実践でより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利用されています。衛星レーダーは海底の山や尾根、その他の物体の重力による海面の微妙な変化を検出することで深海の地形図を作成します。平均して海面は深海平原や海溝よりも山や尾根の上の方が高くなります。^[10]

アメリカ合衆国では、アメリカ陸軍工兵隊が航行可能な内陸水路のほとんどの調査を実施または委託している一方、海洋水路についてはアメリカ海洋大気庁（NOAA）が同様の役割を果たしている。沿岸の水深データはNOAAの 国立地球物理データセンター（NGDC）^[11]から入手できるが、同センターは現在、国立環境情報センターに統合されている。水深データは通常、潮汐鉛直基準系を参照する。^[12] 深海の水深測定の場合、これは通常平均海面（MSL）であるが、航海図作成に使用されるほとんどのデータは、アメリカの調査では平均低潮位（MLLW）を、他の国では最低天文潮位（LAT）を参照している。実際には、地域や潮汐状況に応じて、他の多くの基準系が使用されている。

水深測量に関連する職業や職種には、海洋や海底の岩石や鉱物の研究、水中地震や火山の研究などがあります。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、世界中の安全な物資輸送を確保するための基本的な要素です。^[8]

海底地図を作成するもう一つの方法は、衛星を使うことです。衛星にはハイパースペクトルとマルチスペクトルのセンサーが搭載されており、沿岸地域の画像を絶えず提供し、海底の底を視覚化するより現実的な方法を提供します。^[13]

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5～10nmの帯域幅の100～200のスペクトルバンドの範囲になる傾向があります。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、連続リモートイメージングと分光法を組み合わせて単一のデータセットを生成します。^[13]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。

海底の画像化における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、溶解性有機物質、浮遊堆積物の検出と監視である。しかし、これでは沿岸環境の視覚的な解釈は十分に得られない。^{[13] [説明が必要]}

衛星画像のもう 1 つの方法であるマルチスペクトル (MS) 画像では、はるかに多くのスペクトル バンドをキャプチャできるパートナーのハイパースペクトル センサーとは異なり、EM スペクトルを少数のバンドに分割する傾向があります。

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。帯域幅が広いほど、スペクトル範囲が広くなり、海洋の特徴を視覚的に検出したり、取得した画像の一般的なスペクトル解像度を高めたりするのに重要です。^{[13] [説明が必要]}

高密度空中レーザー測深（ALB）は、海底の地図を作成するための現代的で高度な技術を要する手法です。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を通じて輪郭ターゲットを光学的に遠隔感知する光検出および測距（LiDAR）技術」です。これは、空中レーザー測深では、水中の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することを意味します。^[13]

LiDAR (光検出と測距) は、アメリカ海洋大気庁によると、「距離を測定するためにパルスレーザーの形をした光を使用するリモートセンシング方法」です。^[14] これらの光パルスは、他のデータとともに、光パルスが反射するものの3次元表現を生成し、表面特性の正確な表現を提供します。LiDARシステムは通常、レーザー、スキャナー、およびGPS受信機で構成されています。飛行機とヘリコプターは、広範囲にわたる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1つの用途は、水深測定LiDARで、水を透過する緑色の光を使用して海底と川底の標高も測定します。^[14]

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機能します。最初の反射は水面から発生し、2番目の反射は海底から発生します。この方法は、さまざまな沿岸地域の海底のセグメントをマッピングするための多くの研究で使用されています。^{[15] [16] [17]}

市販されているLIDAR測深システムにはさまざまなものがあります。そのうちの2つは、走査型水路運用空中LIDAR測深機（SHOALS）とレーザー空中測深機（LADS）です。SHOALSは、1990年代にオプテックという会社によって、米国陸軍工兵隊（USACE）の測深調査を支援するために開発されました。SHOALSは、波長530～532nmのレーザーを、約200mの高さから平均速度60m/sで送信することで行われます。^[18]

高解像度オルソ画像（HRO）は、写真の特性と幾何学的性質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は、建物の傾きなどの特徴の変位に対する補正を含むスケール画像であるオルソ画像です。これらの補正は、数式、センサーのキャリブレーション情報、およびデジタル標高モデルの適用を使用して行われます。^[19]

オルソ画像は、同じ対象物の写真を複数枚組み合わせることで作成できます。対象物はさまざまな角度から撮影され、物体の実際の高度と傾きを認識できます。これにより、視聴者は対象エリアを正確に認識できます。^[19]

高解像度のオルソ画像は現在、「オレゴンからメキシコまでの高解像度の地形データを作成する」ことを目的とした「陸地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。^[20]

最も古い水深測定は、紀元前1800年頃、エジプト人が棒で測深して行った。後には、間隔を置いて深さをマークした重り付きの線が使用されるようになった。この方法は測深と呼ばれていた。これらの方法は両方とも、スポット深度であり、一点で測定されるため、すぐ近くの大きな変化を簡単に見逃す可能性があるという制限があった。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、水深と位置の両方が影響を受ける可能性がある。これは手間がかかり時間のかかる作業であり、天候や海況に大きく影響された。^[21]

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を使用して、以前よりもはるかに深い深さを測定できるようになりましたが、これは一度に 1 つの深さを測定する手順であり、精度を上げるためには非常に低速を必要としました。 ^[22]より深い深さは、電動ウインチで展開および回収される重り付きワイヤーを使用して測定できます。ワイヤーは抵抗が少なく、流れの影響を受けにくく、それほど伸びず、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す。ウインチを使用すると、測定深度が数キロメートルの場合に必要な、より迅速な展開と回収が可能になります。ワイヤー抵抗調査は、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、一定の深さを保つために重りが付いたケーブルを 2 隻のボートで曳航します。ワイヤーは、ケーブルの深さよりも浅い障害物に引っ掛かります。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見つけるのに非常に役立ちましたが、比較的浅い深さに限られていました。^[21]

シングルビームエコーサウンダーは、1920年代から1930年代にかけて、船舶の真下の海底までの距離を、航行ラインに沿って比較的狭い間隔で測定するために使用されていました。ほぼ平行なラインを走らせることで、データポイントをより高い解像度で収集できますが、この方法では、特にライン間でデータポイント間にギャップが残りました。^[21]海底のマッピングは、等深線と初期の棚地形の水深図に描かれた音波を使用することから始まりました。これらは海底の形状に関する最初の洞察を提供しましたが、水平位置の精度と不正確な深さのために間違いが起きました。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、この技術ではスキャンの幅全体にわたって直接深さを測定する機能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、世界の海盆の3次元地形図を初めて作成した。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行われた多くの発見の1つだった。大量のデータを計算できるコンピュータは、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、ソナーのスワス幅全体にわたる深度情報を高解像度で取得できるようになり、トランスデューサーの正確な位置と姿勢のデータにより、1回の通過で複数の高解像度の測深が可能になった。^[21]

米国海軍海洋局は1960年代に機密扱いのマルチビーム技術を開発しました。NOAAは1970年代後半に非機密扱いの商用バージョンを入手し、プロトコルと標準を確立しました。マルチビームソナーで取得したデータにより、海底に関する理解が大幅に向上しました。^[21]

1970 年代の米国のランドサット衛星と、その後のヨーロッパのセンチネル衛星は、衛星画像から得られる水深情報を見つけ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に浸透する異なる深さを利用することが含まれます。水が透明で海底が十分に反射する場合、衛星で観測された反射率の量を測定し、既知の条件で光がどのくらい浸透するかをモデル化することで、深さを推定できます。NASA の氷、雲、および陸地高度衛星 2 (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、地球の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 の測定値を船舶ベースの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。^[23]

大陸棚の海底地形をリモートセンシングデータでマッピングするには、海底地形を視覚化するためにさまざまな方法を適用してきました。初期の方法にはハッチマップが含まれ、一般的には限られた利用可能な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。軍用ソナー画像から開発された音響マッピング方法は、海底のより鮮明な画像を作成しました。ソナーベースの技術のさらなる開発により、より詳細で高解像度のものが実現し、地中探査技術により海底表面の下に何があるのか​​に関する情報が提供されます。航空機および衛星データの取得により、海面下の視覚化がさらに進歩しました。高解像度の航空写真と正射画像は、大陸棚の浅い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した航空機レーザー水深測定も、そのような状況で非常に効果的です。ハイパースペクトルおよびマルチスペクトルの衛星センサーは、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、一般的な地形学的特徴から生物の被覆まで、動的な海底環境を視覚化する新しい方法の開発に使用されました。^[24]

海底地形図は、海底の水深や地形を描いた等深線図の一種です。 ^[25]海底地形図の主な目的は、海洋地形の詳細な水深等高線を示すとともに、水中の特徴の大きさ、形状、分布を示すことです。

地形図は地上からの標高（地形）を表示し、水深図を補完するものです。水深図は、等深線または等深線（等深線の一種）と呼ばれる等間隔の線と点の連続を使用して深さを示します。内側に小さくなる図形が入った閉じた図形は、内側に行くほど深さが増すか減るかによって、海溝や海山、または海底の山を示すことができます。^[26]

水深測量と海図は海洋学、特に海洋地質学、水中工学、またはその他の特殊な目的 に関連しています。

海図を作成するために使用される水深データは、地物の垂直断面である水深プロファイルに変換することもできます。

• 音響海底分類 – 海底音響画像を個別の物理的実体またはクラスに分割する
• バソメーター – 水深を測定する科学機器
• 水深図 – 水域の水没地形を示す地図
• 沿岸地形動態 – 海岸線海底地形と流体力学的プロセスの相互作用
• 深度計 – 基準面の下の深さを示す計器
• 海洋の一般水深図 – 世界の海洋の公開されている水深図
• 地球全体の地形モデル – 標高や水中の深さを含む地球の地形モデル
• 水路測量 – 海上活動に影響を与える特徴の測定と記述の科学
• 海面地形 – ジオイドに対する海面の形状
• 海底 – 海の底
  • 海底2030プロジェクト
• 地形 – 土地表面の垂直方向と水平方向の寸法と形状
• タールウェグ – 水路または谷の最低標高線

ウィキメディア・コモンズには、水深測量に関連するメディアがあります。

Scholia にはBathymetryのトピックプロファイルがあります。

• NOAA の NCEI による水深データ ビューアー
• 水中地形、データ形式などの概要 (vterrain.org)
• グレートバリアリーフとサンゴ海の高解像度海底地形図
• A.PO.MA.B.-海洋測位および水深測定アカデミー
• 無料でオープンソースの水深測定データセットを検索するための WebMapping アプリケーション
• インタラクティブ Web マップ、水深測量の負の標高の設定
• NOAA 海洋探査機
• シュミット海洋研究所: 海底地図作成
• シーフロアマッピング
• 米国、カナダ、ヨーロッパ、オーストラリアの沿岸水深地図
• Seabed 2030 2019-06-16 にWayback Machineでアーカイブされました