Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 1. С. 245-257
Натурные измерения спектра поверхностных волн по фотографиям с беспилотного мультикоптера
М.В. Юровская
1, 2 , В.Н. Кудрявцев
2, 1 , А.С. Широков
2 , И.Ю. Нaдоля
2 1 Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия
2 Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург, Россия
Одобрена к печати: 12.12.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-1-245-257
Измерения, выполняемые с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), получают всё более активное применение в различных научных и прикладных исследованиях. В данной работе описывается методика восстановления двумерного пространственного спектра волнения по изображениям морской поверхности, сделанным с БПЛА в зоне солнечного блика. Обсуждаются технические особенности использования БПЛА для фотографирования морской поверхности и даются рекомендации к проведению измерений. Подход к восстановлению спектра основан на построении линейной передаточной функции между спектром вариаций яркости изображения в блике и спектром возвышений морской поверхности. Преимуществом методики является отсутствие каких-либо дополнительных предположений о форме восстанавливаемого спектра, яркости небосвода, функции распределения уклонов поверхности и т. д. Представлен пошаговый алгоритм обработки изображений для восстановления абсолютных значений спектра волн. Методика протестирована в ходе экспериментальных работ в Чёрном море близ п. Кацивели (Крым) при различных условиях волнения. Сопоставление восстановленных спектров с данными решётки струнных волнографов, полученными синхронно со съёмкой камеры БПЛА, показало хорошее соответствие уровня и формы спектров. Полученные результаты подтверждают высокую перспективность использования БПЛА в исследованиях волнения морской поверхности.
Ключевые слова: солнечный блик, ветровые волны, спектр волнения, БПЛА, натурные исследования
Полный текстСписок литературы:
- Большаков А. Н., Бурдюгов В. М., Гродский С. А., Кудрявцев Е. Н. Определение спектра энергонесущих поверхностных волн по изображению солнечного блика // Исследование Земли из космоса. 1988. № 5. С. 11−18.
- Большаков А. Н., Бурдюгов В. М., Гродский С. А., Кудрявцев В. Н., Прощенко В. Г. Определение спектра энергонесущих поверхностных волн по изображению солнечного блика. Сопоставление с контактными данными // Исследование Земли из космоса. 1990. № 1. С. 20–27.
- Бондур В. Г., Мурынин А. Б. Методы восстановления спектров морского волнения по спектрам аэрокосмических изображений // Исследование Земли из космоса. 2015. № 6. С. 3−14.
- Бондур В. Г., Дулов В. А., Мурынин А. Б., Юровский Ю. Ю. Исследование спектров морского волнения в широком диапазоне длин волн по спутниковым и контактным данным // Исследование Земли из космоса. 2016. № 1–2. С. 7−24.
- Лупян Е. А. Восстановление углового распределения энергии в двумерном спектре возвышений морской поверхности по её оптическому изображению // Исследование Земли из космоса. 1988. № 3. С. 31−35.
- Шулейкин В. В. Физика моря. М.: Изд-во АН СССР, 1941. 833 c.
- Юровская М. В., Кудрявцев В. Н., Шапрон Б., Дулов В. А. Интерпретация оптических спутниковых изображений Чёрного моря в зоне солнечного блика // Морской гидрофизический журнал. 2014. № 4. С. 68−82.
- Apel J. R., Byrne H. M., Proni J. R., Charnell R. L. Observation of oceanic internal and surface waves from the Earth Resources Technology Satellite // J. Geophysical Research. 1975. V. 80. P. 865–881.
- Barber N. F. Finding the direction of sea waves // Nature. 1954. V. 174. P. 1048–1050.
- Bréon F. M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions // J. Geophysical Research. 2006. V. 111. C06005. DOI:10.1029/2005JC003343.
- Cox C., Munk W. Statistics of the sea surface derived from sun glitter // J. Marine Research. 1954. V. 13. No. 2. P. 199–227.
- Cox C., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter // Bull. Scripps Institution of Oceanography. 1956. V. 6. No. 9. P. 401–488.
- Gelpi C. G., Schuraytz B. C., Husman M. E. Ocean wave height spectra computed from high-altitude, optical, infrared images // J. Geophysical Research. 2001. V. 106. No. C12. P. 31403–31413.
- Hennings I., Matthews J., Metzner M. Sun glitter radiance and radar cross-section modulations of the sea bed // J. Geophysical Research. 1994. V. 99. No. C8. P. 16303–16326.
- Kudryavtsev V., Myasoedov A., Chapron B., Johannessen J., Collard F. (2012a) Joint sun-glitter and radar imagery of surface slicks // Remote Sensing Environment. 2012. V. 120. P. 123–132. DOI:10.1016/j.rse.2011.06.029.
- Kudryavtsev V., Myasoedov A., Chapron B., Johannessen J., Collard F. (2012b) Imaging meso-scale upper ocean dynamics using SAR and optical data // J. Geophysical Research: Oceans. 2012. V. 117. C04029. DOI:10.1029/2011JC007492.
- Kudryavtsev V., Yurovskaya M., Chapron B., Collard F., Donlon C. (2017a) Sun glitter imagery of ocean surface waves: Part 1. Directional spectrum retrieval and validation // J. Geophysical Research: Oceans. 2017. V. 122. No. 2. P. 1369−1383. DOI:10.1002/2016JC012425.
- Kudryavtsev V., Yurovskaya M., Chapron B., Collard F., Donlon C. (2017b) Sun glitter imagery of surface waves. Part 2: Waves transformation on ocean currents // J. Geophysical Research: Oceans. 2017. V. 122. No. 2. P. 1384−1399. DOI:10.1002/2016JC012426.
- Monaldo F. М., Kasevich R. S. Daylight imagery of ocean surface waves for wave spectra // J. Physical Oceanography. 1982. V. 11. P. 272−283.
- Yurovsky Yu. Yu., Kudryavtsev V. N., Grodsky S. A., Chapron B. Ka-band dual co-polarized empirical model for the sea surface radar cross-section // IEEE Trans. Geosciences Remote Sensing. 2016. V. 55. No. 3. P. 1629−1647. DOI:10.1109/TGRS.2016.2628640.