風浪數(shù)值化實景監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與風浪要素逆運算研究.pdf

1、海洋風浪歷來是非常重要的海洋動力參數(shù)，它是海洋與大氣交界面的表象，也是海洋與大氣互動的形式之一。風浪統(tǒng)計特征和風浪的活動規(guī)律在海氣交換、海氣相互作用、大氣環(huán)流等一系列重大科學研究項目中占有重要地位。同時，區(qū)域風浪演變和風浪預報也是海洋氣象研究與海洋氣象預報的主要內容之一。研究海洋波浪的生成、發(fā)展和減弱的規(guī)律，風浪的監(jiān)測是基礎。只有全面地監(jiān)測風浪的時空變化，才能獲取詳細的風浪特征信息，進而進行風浪動力統(tǒng)計功能的分析、研究與預報。因而風浪監(jiān)

2、測的意義十分重大。
　　 風浪由風力推動產(chǎn)生，其要素包括波長、周期、波速、波高等項。風浪要素的測量一直是海洋與湖泊動力研究的重點和難點。傳統(tǒng)的方法主要是單點測量或人工測量，是一種直接接觸式的測量，在室內小范圍風浪測量時，對流場流態(tài)有干擾，在廣闊的自然水體中，僅反映單點情況，特別是儀器安置與維護非常不易。現(xiàn)代衛(wèi)星雷達遙感測量開創(chuàng)了非入侵式海洋測量的時代新階段，但其分辨率較粗，信息接受需特定儀器，特別地衛(wèi)星反演信息的即時性也有一定限

3、制。隨著數(shù)碼照相設備的普及，在三維監(jiān)測網(wǎng)中的多樣化、多尺度監(jiān)測手段中引入數(shù)字攝像測量技術的條件已具備，對局地小范圍風浪場進行非入侵式的高分辨率監(jiān)測也成為可能。本工作依據(jù)光學測量基本原理，開發(fā)出風浪數(shù)值化實景監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用數(shù)碼相機和數(shù)字攝像設備對局地小范圍風浪進行實景監(jiān)測，從攝影圖象中采集風生波的風浪要素信息，進而反演出風浪各要素統(tǒng)計值。此方法可應用于實驗室風波流水槽中的風生波要素測量、室外局地自然水體風生波要素測量，該系統(tǒng)及其測量

4、方法設計目前在國內屬首創(chuàng)。與國外海岸實景測量中的方法也不相同。
　　 本數(shù)值化實景監(jiān)測系統(tǒng)基于風浪動態(tài)演變的特征規(guī)律，風浪信息統(tǒng)計描述的專業(yè)化規(guī)則，確定設計框架、系統(tǒng)流程、運算方法。通過對采集的波動實景圖像的處理，包括圖像校正、圖像標定，圖像識別、相似判別等一系列步驟，從數(shù)碼圖像中提取風浪波峰線位置信息，進而反演出風浪其它各項運動學要素的統(tǒng)計值，如風浪的平均波長、平均周期、平均波速、波齡等，對于波高的計算，根據(jù)非線性風浪的動力統(tǒng)

5、計原理，通過對幾種常用非線性波浪譜概率分布及分布曲線公式的分析、比較、篩選，再構建方程組獲得。經(jīng)過與波高儀測量值的對照分析，對反演公式增加實驗矯正系數(shù)，獲得適合本系統(tǒng)測量環(huán)境的波高計算公式，反演出被測統(tǒng)計波高。
　　 系統(tǒng)控制部分建立在計算機動態(tài)控制平臺上，提供自動控制界面的人機交互形式操控。系統(tǒng)平臺以MIATLAB-GUIDE軟件為工作環(huán)境，構建監(jiān)測流程。分為資料采集、圖像處理、資料處理三個部分呈現(xiàn)。每個部分系統(tǒng)功能表現(xiàn)形式有

6、固定窗口、彈出窗口、下拉式菜單選擇、按鈕控制、圖像位置鼠標點選、圖形圖像自動分析、圖像存儲、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫調用、界面數(shù)據(jù)自動與手動輸入、方程公式的數(shù)值計算和統(tǒng)計計算等。整個系統(tǒng)經(jīng)由互動界面進行的控制、處理、計算、顯示等步驟組成，系統(tǒng)的各項操作過程均十分便利。
　　 與風浪要素監(jiān)測的傳統(tǒng)方法和雷達與衛(wèi)星的風浪要素反演測量相比較，本數(shù)值實景測量系統(tǒng)能夠提供快捷的及時和歷史的局地小范圍風浪要素統(tǒng)計特征值。在分辨率、監(jiān)測效果、系統(tǒng)結構