風(fēng)浪數(shù)值化實(shí)景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與風(fēng)浪要素逆運(yùn)算研究.pdf

1、海洋風(fēng)浪歷來(lái)是非常重要的海洋動(dòng)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(dòng)的形式之一。風(fēng)浪統(tǒng)計(jì)特征和風(fēng)浪的活動(dòng)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(xué)研究項(xiàng)目中占有重要地位。同時(shí)，區(qū)域風(fēng)浪演變和風(fēng)浪預(yù)報(bào)也是海洋氣象研究與海洋氣象預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容之一。研究海洋波浪的生成、發(fā)展和減弱的規(guī)律，風(fēng)浪的監(jiān)測(cè)是基礎(chǔ)。只有全面地監(jiān)測(cè)風(fēng)浪的時(shí)空變化，才能獲取詳細(xì)的風(fēng)浪特征信息，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)浪動(dòng)力統(tǒng)計(jì)功能的分析、研究與預(yù)報(bào)。因而風(fēng)浪監(jiān)

2、測(cè)的意義十分重大。
　　 風(fēng)浪由風(fēng)力推動(dòng)產(chǎn)生，其要素包括波長(zhǎng)、周期、波速、波高等項(xiàng)。風(fēng)浪要素的測(cè)量一直是海洋與湖泊動(dòng)力研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的方法主要是單點(diǎn)測(cè)量或人工測(cè)量，是一種直接接觸式的測(cè)量，在室內(nèi)小范圍風(fēng)浪測(cè)量時(shí)，對(duì)流場(chǎng)流態(tài)有干擾，在廣闊的自然水體中，僅反映單點(diǎn)情況，特別是儀器安置與維護(hù)非常不易?，F(xiàn)代衛(wèi)星雷達(dá)遙感測(cè)量開(kāi)創(chuàng)了非入侵式海洋測(cè)量的時(shí)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(shí)性也有一定限

3、制。隨著數(shù)碼照相設(shè)備的普及，在三維監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的多樣化、多尺度監(jiān)測(cè)手段中引入數(shù)字?jǐn)z像測(cè)量技術(shù)的條件已具備，對(duì)局地小范圍風(fēng)浪場(chǎng)進(jìn)行非入侵式的高分辨率監(jiān)測(cè)也成為可能。本工作依據(jù)光學(xué)測(cè)量基本原理，開(kāi)發(fā)出風(fēng)浪數(shù)值化實(shí)景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)碼相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像設(shè)備對(duì)局地小范圍風(fēng)浪進(jìn)行實(shí)景監(jiān)測(cè)，從攝影圖象中采集風(fēng)生波的風(fēng)浪要素信息，進(jìn)而反演出風(fēng)浪各要素統(tǒng)計(jì)值。此方法可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室風(fēng)波流水槽中的風(fēng)生波要素測(cè)量、室外局地自然水體風(fēng)生波要素測(cè)量，該系統(tǒng)及其測(cè)量

4、方法設(shè)計(jì)目前在國(guó)內(nèi)屬首創(chuàng)。與國(guó)外海岸實(shí)景測(cè)量中的方法也不相同。
　　 本數(shù)值化實(shí)景監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于風(fēng)浪動(dòng)態(tài)演變的特征規(guī)律，風(fēng)浪信息統(tǒng)計(jì)描述的專(zhuān)業(yè)化規(guī)則，確定設(shè)計(jì)框架、系統(tǒng)流程、運(yùn)算方法。通過(guò)對(duì)采集的波動(dòng)實(shí)景圖像的處理，包括圖像校正、圖像標(biāo)定，圖像識(shí)別、相似判別等一系列步驟，從數(shù)碼圖像中提取風(fēng)浪波峰線位置信息，進(jìn)而反演出風(fēng)浪其它各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)學(xué)要素的統(tǒng)計(jì)值，如風(fēng)浪的平均波長(zhǎng)、平均周期、平均波速、波齡等，對(duì)于波高的計(jì)算，根據(jù)非線性風(fēng)浪的動(dòng)力統(tǒng)

5、計(jì)原理，通過(guò)對(duì)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(gòu)建方程組獲得。經(jīng)過(guò)與波高儀測(cè)量值的對(duì)照分析，對(duì)反演公式增加實(shí)驗(yàn)矯正系數(shù)，獲得適合本系統(tǒng)測(cè)量環(huán)境的波高計(jì)算公式，反演出被測(cè)統(tǒng)計(jì)波高。
　　 系統(tǒng)控制部分建立在計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)控制平臺(tái)上，提供自動(dòng)控制界面的人機(jī)交互形式操控。系統(tǒng)平臺(tái)以MIATLAB-GUIDE軟件為工作環(huán)境，構(gòu)建監(jiān)測(cè)流程。分為資料采集、圖像處理、資料處理三個(gè)部分呈現(xiàn)。每個(gè)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(biāo)點(diǎn)選、圖形圖像自動(dòng)分析、圖像存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用、界面數(shù)據(jù)自動(dòng)與手動(dòng)輸入、方程公式的數(shù)值計(jì)算和統(tǒng)計(jì)計(jì)算等。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)由互動(dòng)界面進(jìn)行的控制、處理、計(jì)算、顯示等步驟組成，系統(tǒng)的各項(xiàng)操作過(guò)程均十分便利。
　　 與風(fēng)浪要素監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法和雷達(dá)與衛(wèi)星的風(fēng)浪要素反演測(cè)量相比較，本數(shù)值實(shí)景測(cè)量系統(tǒng)能夠提供快捷的及時(shí)和歷史的局地小范圍風(fēng)浪要素統(tǒng)計(jì)特征值。在分辨率、監(jiān)測(cè)效果、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)