Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 5. С. 39-49
Восстановление рельефа морской поверхности и спектра волнения по изображению поверхности моря
В.И. Титов
1 , А.А. Антонов
1 1 Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия
Одобрена к печати: 03.10.2023
DOI: 10.21046/2070-7401-2023-20-5-39-49
Рассматривается метод диагностики волнения моря, основанный на обработке пространственно-временных изображений поверхности моря в рассеянном свете неба при наклонном визировании. Разработан оригинальный способ восстановления уклонов волн и «рельефа» морской поверхности, который не требует информации о параметрах оптического приёмника и абсолютных значениях яркости неба. Способ основан на формировании относительных флуктуаций яркости морской поверхности в приближении линейной зависимости яркости поверхности моря от уклонов волн. Предложен поляризационный метод повышения контраста и точности определения уклонов волн в изображении морской поверхности. Проведена апробация этого способа в натурных условиях на примере обработки пространственно-временных изображений морской поверхности в рассеянном свете неба и получен рельеф уклонов поверхности моря, т. е. пространственно-временное распределение уклонов волн. Предложен способ определения временного спектра длинных волн путём интегрирования по пространственной частоте спектра пространственно-временного рельефа поверхности моря в окрестности параболической дисперсионной кривой. Такой способ вычисления временного спектра уклонов волн позволяет выделить длинные волны, которые подчиняются дисперсионному соотношению, и избавиться от лишних «шумов», которые могут содержаться в оптическом изображении (полосы, обрушения, групповая структура волн, слики, нелинейные искажения передаточной функции «яркость поверхности моря – уклон волн» и т. д.). Выполнено сравнение спектра возвышений волн, полученного оптическим методом, с синхронно зарегистрированным с помощью струнного волнографа спектром возвышений волн. Проведено исследование изменчивости статистических характеристик видимых уклонов длинных волн с расстоянием от оптического приёмника.
Ключевые слова: свет, поляризация, параметры Стокса, рельеф морской поверхности, уклоны волн, ветровые волны, зыбь, спектральный анализ, спектр волнения, натурные исследования
Полный текстСписок литературы:
- Богатов Н. А., Мольков А. А. Восстановление характеристик ветровых волн в Атлантике по данным судовой стереосъемки // Фундам. и приклад. гидрофизика. 2021. Т. 14. № 4. С. 90–97. DOI: 10.7868/S2073667321040080.
- Большаков А. Н., Бурдюгов В. М., Гродский С. А., Кудрявцев Е. Н. Определение спектра энергонесущих поверхностных волн по изображению солнечного блика // Исслед. Земли из космоса. 1988. № 5. С. 11−18.
- Борн М., Вольф Э. Основы оптики. 2-е изд., испр. / пер. с англ. С. Я. Бреуса, А. И. Головашкина, А. А. Шубина; под ред. Г. П. Мотулевич. М.: Изд-во «Наука», 1973. 719 с.
- Лупян Е. А. Восстановление углового распределения энергии в двумерном спектре возвышений морской поверхности по ее оптическому изображению // Исслед. Земли из космоса. 1988. № 3. С. 31−35.
- Титов В. И., Артамонов А. Ю., Баханов В. В. и др. Мониторинг состояния поверхности моря по пространственно-временным оптическим изображениям // Исслед. Земли из космоса. 2014. № 5. С. 3–14. DOI: 10.7868/S0205961414050078.
- Титов В. И., Баханов В. В., Зуйкова Э. М., Кориненко А. Е. Исследование приповерхностных слоев в прибрежной зоне океанов оптическими методами // Материалы 19-й Международ. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2021. С. 288. DOI: 10.21046/19DZZconf-2021a.
- Юровская М. В., Кудрявцев В. Н., Шапрон Б., Дулов В. А. Интерпретация оптических спутниковых изображений Черного моря в зоне солнечного блика // Морской гидрофиз. журн. 2014. № 4. С. 68−82.
- Юровская М. В., Кудрявцев В. Н., Широков А. С., Надоля И. Ю. Натурные измерения спектра поверхностных волн по фотографиям с беспилотного мультикоптера // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 1. С. 245–257. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-1-245–257.
- Bakhanov V. V., Demakova A. A., Korinenko A. E. et al. Estimation of the wind wave spectra with centimeters-to-meter lengths by the sea surface images // Physical Oceanography. 2018. V. 25. No. 3. P. 177–190. DOI: 10.22449/1573-160X-2018-3-177-190.
- Bondur V., Murynin A. The Approach for Studying Variability of Sea Wave Spectra in a Wide Range of Wavelength from High-Resolution Satellite Optical Imagery // J. Marine Science and Engineering. 2021. V. 9. Article 823. https://doi.org/10.3390/jmse9080823.
- Bondur V. G., Dulov V. A., Murynin A. B., Ignatiev V. Yu. Retrieving Sea-Wave Spectra Using Satellite-Imagery Spectra in a Wide Range of Frequencies // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2016. V. 52. No. 6. P. 637–648. DOI: 10.1134/S0001433816060049.
- Bostater Jr. C. R., Closson J. L. Remote sensing of water surface small gravity waves characteristics using fixed platform and drone imagery // Proc. SPIE. V. 11150. Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, Coastal Waters, and Large Water Regions. 2019. Article 111500D. DOI: 10.1117/12.2533788.
- Brunger A. P., Hooper F. C. Anisotropic sky radiance model based on narrow field of view measurements of shortwave radiance // Solar Energy. 1993. V. 51. No. 1. P. 53-64. DOI: 10.1016/0038-092X(93)90042-M.
- Cox C., Munk W. Measurement of the roughness of the sea surface from photographs of the sun’s glitter // J. Optical Society of America. 1954. V. 44. No. 11. P. 838–850.
- Kosnik (Yurovskaya) M. V., Dulov V. A. Extraction of short wind wave spectra from stereo images of the sea surface // Measurement Science and Technology. 2011. V. 22. No. 1. Article 015504. DOI: 10.1088/0957-0233/22/1/015504.
- Titov V., Bakhanov V., Ermakov S. et al. Remote sensing technique for near surface wind by optical images of rough water surface // Intern. J. Remote Sensing. 2014. V. 35. Iss. 15. P. 5946–5957. DOI: 10.1080/01431161.2014.948223.
- Yurovskaya M. V., Dulov V. A., Chapron B., Kudryavtsev V. N. Directional short wind wave spectra derived from the sea surface photography // J. Geophysical Research: Oceans. 2013. V. 118. Iss. 9. P. 4380–4394. DOI: 10.1002/jgrc.20296.