Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 2. С. 216-225
Измерение скорости ветровой ряби на профиле длинной волны с применением метода стереосъёмки
Н.А. Богатов
1 , И.А. Капустин
1 , А.А. Мольков
1 , А.В. Ермошкин
1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 12.04.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-2-216-225
Стереосъёмка морской поверхности — одно из эффективных средств дистанционного измерения параметров ветровых волн с длиной волны от полуметра и более. В настоящей статье предложен новый метод, использующий серию стереокадров для измерения поля скоростей коротких ветровых волн на профиле длинной энергонесущей волны. Представленный метод основывается на выделении характерных структур (гравитационно-капиллярных волн, обрушений, пены и т. п.) на длинной волне, определении их смещения между двумя соседними кадрами аналогично методике Particle Imaging Velocimetry и пересчёте смещений из координат кадра в трёхмерные координаты посредством проекции на профиль длинной волны, полученный с помощью стереосъёмки. Предложенный метод был успешно апробирован на данных стереосъёмки морской поверхности, проводимой в рамках научной экспедиции на стационарной океанографической платформе в Чёрном море в 2021 г. Полученные с помощью метода результаты находятся в хорошем согласии с существующими представлениями о ветровом волнении, а также с результатами контактных измерений. Экспериментально получена угловая зависимость спектра ветровой ряби и пространственный спектр ветрового волнения в широком диапазоне волновых чисел. Результаты вычисления скорости ветровой ряби продемонстрировали высокие значения коэффициента корреляции с возвышением морской поверхности, что говорит о модуляции скорости коротких волн орбитальными скоростями длинных волн. Оценены ошибки метода и перспективы для дальнейшего развития.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, ветровые волны, стереосъёмка, брэгговские волны, доплеровский сдвиг
Полный текстСписок литературы:
- Баханов В. В., Демакова А. А., Кориненко А. Е., Рябкова М. С., Титов В. И. Оценка спектров ветровых волн с длинами от сантиметров до метра по изображениям поверхности моря // Морской гидрофиз. журн. 2018. Т. 34. № 3. С. 192–205. DOI: 10.22449/0233-7584-2018-3-192-205.
- Ермошкин А. В., Капустин И. А., Мольков А. А., Богатов Н. А. Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона // Фундам. и приклад. гидрофизика. 2020. Т. 13. № 3. С. 93–103. DOI: 10.7868/S2073667320030089.
- Косник М. В., Дулов В. А. Двумерные пространственные спектры коротких ветровых волн в натурных условиях // Экол. безопасность прибреж. и шельфовой зон и комплекс. использование ресурсов шельфа. 2010. Т. 21. С. 103–116.
- Мольков А. А., Долин Л. С. Определение характеристик ветрового волнения по подводному изображению морской поверхности // Изв. Российской акад. наук. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 5. С. 617–630.
- Сергиевская И. А., Ермаков С. А., Плотников Л. М., Капустин И. А., Ермошкин А. В. Об определении скоростей течений при микроволновом зондировании морской поверхности при умеренных углах падения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 2. С. 212–222. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-2-212-222.
- Banner M., Jones S., Trinder J. Wavenumber spectra of short gravity waves // J. Fluid Mechanics. 1989. V. 198. P. 321–344. DOI: 10.1017/S0022112089000157.
- Benetazzo A. Measurements of short water waves using stereo matched image sequences // Coastal Engineering. 2006. V. 53. No. 12. P. 1013–1032. DOI: 10.1016/j.coastaleng.2006.06.012.
- Chapron B., Collard F., Ardhuin F. Direct measurements of ocean surface velocity from space: Interpretation and validation // J. Geophysical Research. 2005. V. 110. Art. No. C07008. DOI: 10.1029/2004JC002809.
- Donelan M. A., Drennan W. M., Magnusson A. K. Nonstationary analysis of the directional properties of propagating waves // J. Physical Oceanography. 1996. V. 26(9). P. 1901–1914. DOI: 10.1175/1520-0485(1996)026<1901:NAOTDP>2.0.CO;2.
- Elyouncha A., Eriksson L. E. B., Romeiser R., Ulander L. M. H. Empirical Relationship Between the Doppler Centroid Derived From X-Band Spaceborne InSAR Data and Wind Vectors // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2022. V. 60. P. 1–20. DOI: 10.1109/TGRS.2021.3066106.
- Ermoshkin A., Kapustin I. Estimation of the wind-driven wave spectrum using a high spatial resolution coherent radar // Russian J. Earth Sciences. 2019. V. 19. Art. No. ES1005. DOI: 10.2205/2019ES000662.
- Ermoshkin A. V., Kosteev D. A., Ponomarenko A. A., Razumov D. A., Salin M. B. Surface Waves Prediction Based on Long-Range Acoustic Backscattering in a Mid-Frequency Range // J. Marine Science and Engineering. 2022. V. 10. No. 6. Art. No. 722. DOI: 10.3390/jmse10060722.
- Jähne B., Schmidt M., Rocholz R. Combined optical slope/height measurements of short wind waves: principle and calibration // Measurement Science and Technology. 2005. V. 16. No. 10. P. 1937–1944. DOI: 10.1088/0957-0233/16/10/008.
- Kaehler A., Bradski G. Learning OpenCV 3: Computer Vision in C++ with the OpenCV. O’Reilly Media, Inc., 2016. 1024 p.
- Raffel M., Willert C. E., Scarano F., Kähler C. J., Wereley S. T., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. Springer, 2018. 695 p.
- Shemdin O., Tran H. Measuring Short Surface Waves with Stereography // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 1992. V. 58. P. 311–316.
- Valenzuela G. Theories for the interaction of electromagnetic and oceanic waves — a review // Boundary Layer Meteorology. 1978. V. 13. P. 61–85.
- Yurovskaya M., Dulov V., Chapron B., Kudryavtsev V. Directional short wind wave spectra derived from the sea surface photography // J. Geophysical Research. 2013. V. 118. No. 9. P. 4380–4394. DOI: 10.13140/2.1.1685.6641.
- Yurovsky Y. Yu., Kudryavtsev V. N., Grodsky S. A., Chapron B. Sea Surface Ka-Band Doppler Measurements: Analysis and Model Development // Remote Sensing. 2019. V. 11. Art. No. 839. DOI: 10.3390/rs11070839.