Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне
Анализируются модели уклонов морской поверхности, параметры которых определены по данным оптических измерений. Показаны возможности и ограничения их применения для анализа оптических изображений морской поверхности. Аналізуються моделі ухилів морської поверхні, параметри яких визначивши за даними оп...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
|---|---|
| Datum: | 2013 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2013
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56939 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне / А.С. Запевалов // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 205-209. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859708559794634752 |
|---|---|
| author | Запевалов, А.С. |
| author_facet | Запевалов, А.С. |
| citation_txt | Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне / А.С. Запевалов // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 205-209. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу |
| description | Анализируются модели уклонов морской поверхности, параметры которых определены по данным оптических измерений. Показаны возможности и ограничения их применения для анализа оптических изображений морской поверхности.
Аналізуються моделі ухилів морської поверхні, параметри яких визначивши за даними оптичних вимірювань. Показані можливості та обмеження їх застосування для аналізу оптичних зображень морської поверхні.
Analyzes the model sea surface slopes, the parameters of which are defined on the basis of optical measurements. The possibilities and limitations of their application for the analysis of optical images of the sea surface showing.
|
| first_indexed | 2025-12-01T04:27:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
205
УДК 5 5 1 .4 6 .0 8
А .С .Запевалов
Морской гидрофизический институт НАН Украины, г.Севастополь
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
СРЕДСТВАМИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ,
РАБОТАЮЩИМИ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ
Анализируются модели уклонов морской поверхности, параметры которых оп-
ределены по данным оптических измерений. Показаны возможности и ограничения
их применения для анализа оптических изображений морской поверхности.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА : морская поверхность, распределения уклонов морской
поверхности, нелинейность морских волн.
Введение. Решение задач космической океанологии требует детального
представления о процессах, формирующих сигнал, регистрируемый на кос-
мических аппаратах [1]. Изменчивость тонкой топографической структуры
морской поверхности, определяющей рассеяние электромагнитных волн
радио и оптического диапазонов длительное время является объектом ин-
тенсивных исследований [2 – 5]. Нелинейные эффекты в поле поверхност-
ных волн приводят к отклонениям распределений характеристик морской
поверхности от распределения Гаусса, оказывая существенное влияние на
формирование рассеянного поля электромагнитного излучения [6, 7].
Корректность интерпретации оптических изображений морской по-
верхности во многом определяется корректностью построения двунаправ-
ленной функции распределения отражений [8], основной вклад в которую
дают уклоны, создаваемые короткими поверхностными волнами. До на-
стоящего времени практически во всех приложениях, связанных с рассеяни-
ем электромагнитных волн на морской поверхности используется предло-
женная в 1954 г. модель уклонов Кокса-Манка [3].
Целью настоящей работы является анализ существующих моделей ук-
лонов морской поверхности, параметры которых определены с помощью
оптических средств дистанционного зондирования.
Функция плотности вероятностей уклонов морской поверхности,
методы и оптические средства определения ее параметров. Двумерная
плотность вероятностей квазинормального случайного процесса, обычно,
описывается распределением Грама-Шарлье. Введем обозначение ξu и ξc –
ортогональные компоненты уклонов. Индексы u и c здесь и далее обозна-
чают, что данная характеристика получена для направления вдоль или по-
перек направления ветра соответственно
∑+=
∞
=
−
1,
, )()(1),(),(
ji
ujcijiucGucCG HHcPP ξξξξξξ , (1)
где ci,j – коэффициенты; Hi и Hj – ортогональные полиномы Чебышева-
Эрмита порядка i и j соответственно. Учитывая, что в [3] определялись ста-
А .С .Запевалов , 2013
206
тистические моменты уклонов до четвертого порядка включительно, после
введения нормированных переменных ccc σξξ =~
и uuu σξξ =~ получаем
( ) ( ) ( )
+−−
+−=− uuc
uc
uc
ucCG HCHHCP ξξξξξ
σσπ
ξξ ~
6
1~~
2
1
1
2
~~
exp
2
1
),( 3031221
22
( ) ( ) ( ) ( )
+++ uucc HCHHCHC ξξξξ ~
24
1~~
4
1~
24
1
4042222440 . (2)
При выводе (2) принято, C30 = C12 = C13 = C31 = 0, что следует из предполо-
жения о симметрии распределения уклонов в поперечном направлении.
Первыми значительными экспериментальными исследованиями в об-
ласти изучения уклонов взволнованной морской поверхности явились рабо-
ты Кокса и Манка [3]. С помощью аэрофотосъемки солнечных бликов была
определена двумерная статистика продольных и поперечных относительно
направления ветра компонент уклонов. В основе процедуры определения
уклонов морской поверхности лежал предложенный в 1924 г. академиком
В.В.Шулейкиным способ определения их величин по распределению ярко-
сти бликов в солнечных или лунных «дорожках» [2].
Результаты следующих натурных измерений статистики уклонов ряби
были опубликованы спустя почти двадцать лет. Измерения проводились с
помощью двумерных лазерных уклономеров, в которых уклоны определя-
лись по рефракции луча на взволнованной границе вода-воздух. В работе
[9] представлены результаты измерений уклонов с борта медленно движу-
щегося судна. Следующий эксперимент был проведен в 1989 – 1990 гг. Из-
мерения велись с установленного на дне моря основания [10].
В последнее десятилетие для изучения уклонов морской поверхности
используются ее оптические изображения, полученные с космических ап-
паратов. В работе [11] расчет уклонов осуществлялся по данным геостацио-
нарных метеорологических спутников, скорость приводного ветра опреде-
лялась по данным скаттерометрических измерений. Позднее, аналогичные
измерения были выполнены с борта космического аппарата ADEOS-1 [5].
Зависимости статистических характеристик уклонов морской по-
верхности от скорости ветра. Результаты определения статистических ха-
рактеристик уклонов морской поверхности, полученных в указанных выше
экспериментах, представлены в сводной табл.1, а также на рис.1. Дисперсии
уклонов, полученные разными методами, несколько отличаются между со-
бой, в тоже время, полученные одним и тем же методом – близки. Исклю-
чением являются данные приведенные в работе [11].
Данные лазерных измерений дают более низкие значения 2
uσ и 2
cσ , чем
полученные по оптическим изображениям морской поверхности. Это обу-
словлено сглаживанием величин уклонов, вызванным осреднением в преде-
лах лазерного пятна на морской поверхности, а также не достаточно высо-
кой частотой измерений. Следует добавить, что все контактные методы из-
мерения уклонов дают существенно заниженную оценку их дисперсий по
сравнению со значениями, приведенными в табл.1.
207
Т а б л и ц а 1 . Статистических характеристик уклонов морской поверхности.
аэрофотографии [3] лазерный уклономер [9]
004,000316,0000,02 ±+= Wuσ
002,000192,0003,02 ±+= Wcσ
03,00086,001,021 ±−= WC
12,0033,004,003 ±−= WC
23,040,040 ±=C
06,012,022 ±=C
41,023,004 ±=C
002,000231,00015,02 ±+= Wuσ
002,000166,00008,02 ±+= Wcσ
003,00086,021 ±=C
06,0039,0224,003 ±−= WC
43,033,040 ±=C
27,017,022 ±=C
46,043,004 ±=C
лазерный уклономер [10] спутниковые изображения [5]
005,000205,000410,02 ±+= Wuσ
004,000162,000136,02 ±+= Wcσ
09,00005,021 ±=C
23,0032,0106,003 ±−= WC
43,033,040 ±=C
27,017,022 ±=C
46,043,004 ±=C
0005,000316,0001,02 ±+= Wuσ
0005,000185,0003,02 ±+= Wcσ
01,00009,0 2
21 ±−= WC
( )[ ] 21
03 107exp145,0 −− ±−+−= WC
05,03,040 ±=C
03,012,022 ±=C
1,04,004 ±=C
спутниковые изображения [11]
Wu 00152,00048,02 +=σ Wc 00671,00053,02 +=σ
Р и с . 1 . Зависимости дисперсий компонент уклонов от скорости ветра.
208
Ограничения модели Кокса-Манка. Модель (2) справедлива только в
достаточно узком диапазоне уклонов [12]:
5,2
~
,
~
5,2 <<− cu ξξ . (3)
Условие (3) существенно ограничивает область применения данной модели
для анализа оптических изображений. В частности, при скорости ветра 4 м/с
условие (3) соответствует углам уклонов αu < 16◦ и αc < 15◦ (уклон и
угол уклона связаны соотношением ξ = tgα).
Подход, позволяющий более корректно описать плотности вероятно-
стей уклонов при больших значениях uξ~ и cξ~ , был предложен в работе [13].
Построена комбинированная модель, которая в области (3) близка к распре-
делению (2), а за ее пределами приближается к распределению Гаусса.
Заключение. Эффекты, обусловленные нелинейностью поля поверхно-
стных волн, оказывают значительное влияние на рассеяние электромагнит-
ного излучения морской поверхностью. До настоящего времени основной
моделью, описывающей распределение уклонов морской поверхности, ос-
тается модель Кокса-Манка, построенная на основе ряда Грама-Шарлье,
коэффициенты которого постоянно уточняются. Модель справедлива в уз-
ком диапазоне уклонов (3), что ограничивает возможности ее применение
при анализе оптических изображений. Одним из решений этой проблемы
является использование комбинированной модели, которая в области (3)
близка к распределению Грама-Шарлье, а за ее пределами приближается к
распределению Гаусса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пустовойтенко В.В., Терёхин Ю.В., Коротаев Г.К., Цымбал В.Н., Ефимов В.Б.,
Курекин А.С., Драновский В.И., Кавелин С.С., Салтыков Ю.Д., Ермолов П.П.
Этапы и результаты развития технологии дистанционного зондирования мор-
ских акваторий (к 30-летию отечественной спутниковой океанологии) // Меж-
дународ. крым. микроволновая конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные
технологии» (КрыМиКо‘2007).– Севастополь: Вебер, 2007.– т.1.– С.15-25.
2. Шулейкин В.В. Оптический метод изучения морских волн // Записки по гидро-
графии.– 1924.– т.5, № 9.– С.49-56.
3. Cox C., Munk W. Measurements of the roughness of the sea surface from photo-
graphs of the sun glitter // J. Optical. Soc. America.– 1954.– v.44, № 11.– P.838-850.
4. Басс Ф.Г., Брауде С.Я., Калмыков А.И., Мень А.В., Островский И.Е., Пусто-
войтенко В.В., Розенберг А.Д., Фукс И.М. Методы радиолокационных исследо-
ваний морского волнения (радиоокеанография) // Успехи физических наук.–
1975.– т.116.– С.741-743.
5. Breon F.M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and mod-
eling of wave slope distributions // J. Geoph. Res.– 2006.– v.111, C06005.
doi:10.1029/2005JC003343.
6. Пустовойтенко В.В., Запевалов А.С. Оперативная океанография: Спутниковая
альтиметрия – Современное состояние, перспективы и проблемы. / Серия «Со-
временные проблемы океанологии».– Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика,
2012.– вып.11.– 218 с.
209
7. Запевалов А.С., Ратнер Ю.Б. Эффекты квазигауссового характера распределе-
ния уклонов морской поверхности при лазерном зондировании // Оптика атмо-
сферы и океана.– 2002.– т.15, № 10.– С.958-928.
8. Sayer A.M., Thomas G.E., Grainger R.G. A sea surface reflectance model for
(A)ATSR, and application to aerosol retrievals // Atmos. Meas. Tech. Discuss.–
2010.– v.3.– P.1023-1098.
9. Hughes B.A., Grant H.L., Chappell R.W.A. A fast response surface-wave slope meter
and measured wind-wave components // Deep-Sea Res.– 1977.– v.24, № 12.–
P.1211-1223.
10. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Бабий М.В. Статистические характеристики
уклонов морской поверхности при разных скоростях ветра // Океанология.–
1992.– т.32, вып.3.– С.452-459.
11. Ebuchi N., Kizu S. Probability distribution of surface slope derived using Sun glitter
images from geostationary meteorological satellite and surface vector winds from
scatterometers // J. Oceanogr.– 2002.– v.58.– P.477-486.
12. Запевалов А.С. Изменчивость характеристик локальных уклонов морской по-
верхности // Прикладная гидромеханика.– 2005.– т.7(79), № 1.– С.17-21.
13. Запевалов А.С., Пустовойтенко В.В. Моделирование плотности вероятностей
уклонов морской поверхности в задачах рассеяния радиоволн // Изв. ВУЗов.
Радиофизика.– 2010.– т.53, № 2.– С.110-121.
Материал поступил в редакцию 1 2 .0 6 .20 1 3 г .
АНОТАЦІЯ Аналізуються моделі ухилів морської поверхні, параметри яких визна-
чивши за даними оптичних вимірювань. Показані можливості та обмеження їх за-
стосування для аналізу оптичних зображень морської поверхні.
ABSTRACT Analyzes the model sea surface slopes, the parameters of which are defined
on the basis of optical measurements. The possibilities and limitations of their application
for the analysis of optical images of the sea surface showing.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56939 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1726-9903 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T04:27:05Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Запевалов, А.С. 2014-03-01T14:37:30Z 2014-03-01T14:37:30Z 2013 Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне / А.С. Запевалов // Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу: Зб. наук. пр. — Севастополь, 2013. — Вип. 27. — С. 205-209. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1726-9903 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56939 551.46.08 Анализируются модели уклонов морской поверхности, параметры которых определены по данным оптических измерений. Показаны возможности и ограничения их применения для анализа оптических изображений морской поверхности. Аналізуються моделі ухилів морської поверхні, параметри яких визначивши за даними оптичних вимірювань. Показані можливості та обмеження їх застосування для аналізу оптичних зображень морської поверхні. Analyzes the model sea surface slopes, the parameters of which are defined on the basis of optical measurements. The possibilities and limitations of their application for the analysis of optical images of the sea surface showing. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Екологічна безпека прибережної та шельфової зон та комплексне використання ресурсів шельфу Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне Article published earlier |
| spellingShingle | Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне Запевалов, А.С. Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга |
| title | Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне |
| title_full | Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне |
| title_fullStr | Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне |
| title_full_unstemmed | Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне |
| title_short | Определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне |
| title_sort | определение характеристик морской поверхности средствами дистанционного зондирования, работающими в оптическом диапазоне |
| topic | Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга |
| topic_facet | Анализ гидрометеорологических полей по данным моделирования и долговременного мониторинга |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56939 |
| work_keys_str_mv | AT zapevalovas opredelenieharakteristikmorskoipoverhnostisredstvamidistancionnogozondirovaniârabotaûŝimivoptičeskomdiapazone |