风浪数值化实景监测系统开发与风浪要素逆运算研究

摘要

海洋风浪历来是非常重要的海洋动力参数，它是海洋与大气交界面的表象，也是海洋与大气互动的形式之一。风浪统计特征和风浪的活动规律在海气交换、海气相互作用、大气环流等一系列重大科学研究项目中占有重要地位。同时，区域风浪演变和风浪预报也是海洋气象研究与海洋气象预报的主要内容之一。研究海洋波浪的生成、发展和减弱的规律，风浪的监测是基础。只有全面地监测风浪的时空变化，才能获取详细的风浪特征信息，进而进行风浪动力统计功能的分析、研究与预报。因而风浪监测的意义十分重大。
　　 风浪由风力推动产生，其要素包括波长、周期、波速、波高等项。风浪要素的测量一直是海洋与湖泊动力研究的重点和难点。传统的方法主要是单点测量或人工测量，是一种直接接触式的测量，在室内小范围风浪测量时，对流场流态有干扰，在广阔的自然水体中，仅反映单点情况，特别是仪器安置与维护非常不易。现代卫星雷达遥感测量开创了非入侵式海洋测量的时代新阶段，但其分辨率较粗，信息接受需特定仪器，特别地卫星反演信息的即时性也有一定限制。随着数码照相设备的普及，在三维监测网中的多样化、多尺度监测手段中引入数字摄像测量技术的条件已具备，对局地小范围风浪场进行非入侵式的高分辨率监测也成为可能。本工作依据光学测量基本原理，开发出风浪数值化实景监测系统。该系统运用数码相机和数字摄像设备对局地小范围风浪进行实景监测，从摄影图象中采集风生波的风浪要素信息，进而反演出风浪各要素统计值。此方法可应用于实验室风波流水槽中的风生波要素测量、室外局地自然水体风生波要素测量，该系统及其测量方法设计目前在国内属首创。与国外海岸实景测量中的方法也不相同。
　　 本数值化实景监测系统基于风浪动态演变的特征规律，风浪信息统计描述的专业化规则，确定设计框架、系统流程、运算方法。通过对采集的波动实景图像的处理，包括图像校正、图像标定，图像识别、相似判别等一系列步骤，从数码图像中提取风浪波峰线位置信息，进而反演出风浪其它各项运动学要素的统计值，如风浪的平均波长、平均周期、平均波速、波龄等，对于波高的计算，根据非线性风浪的动力统计原理，通过对几种常用非线性波浪谱概率分布及分布曲线公式的分析、比较、筛选，再构建方程组获得。经过与波高仪测量值的对照分析，对反演公式增加实验矫正系数，获得适合本系统测量环境的波高计算公式，反演出被测统计波高。
　　 系统控制部分建立在计算机动态控制平台上，提供自动控制界面的人机交互形式操控。系统平台以MIATLAB-GUIDE软件为工作环境，构建监测流程。分为资料采集、图像处理、资料处理三个部分呈现。每个部分系统功能表现形式有固定窗口、弹出窗口、下拉式菜单选择、按钮控制、图像位置鼠标点选、图形图像自动分析、图像存储、数据存储、数据库调用、界面数据自动与手动输入、方程公式的数值计算和统计计算等。整个系统经由互动界面进行的控制、处理、计算、显示等步骤组成，系统的各项操作过程均十分便利。
　　 与风浪要素监测的传统方法和雷达与卫星的风浪要素反演测量相比较，本数值实景测量系统能够提供快捷的及时和历史的局地小范围风浪要素统计特征值。在分辨率、监测效果、系统结构、应用环境、使用操作等方面都显示了优势特色，是风浪三维立体监测网中与其他测量方法互补的一种遥感测量，已经过成果论证，具有良好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章　绪论

1.1海洋与海洋气象监测的重要意义

1.2海洋与海洋气象监测的发展方向

1.2.1海洋环境监测所需技术

1.2.2我国海洋监测技术的发展进程

1.2.3海洋环境与海洋气象监测的发展方向

1.3国内外波浪测量技术概况

1.3.1风浪监测的重要意义

1.3.2风浪监测技术概述

1.4本文的研究工作

1.5论文结构

第二章　近景摄影测量的概述

2.1近景摄影测量简介

2.2近景摄影测量工具

2.3非量测的近景摄影测量设备—数码相机

2.3.1数码相机的特点

2.3.2单目数码摄像系统

2.3.3数码相机的应用

2.4近景摄影测量的发展

2.5近景摄影测量的应用

2.6近景摄影测量技术在海洋气象上的应用—海岸带遥感摄像监测系统

2.7本章小结

第三章　风浪要素计算

3.1引言

3.1.1风浪和涌浪的定义

3.1.2海浪观测的要求

3.1.3海浪观测的基本方法

3.2风浪要素的计算

3.2.1常用波浪要素和专业波浪要素

3.2.2波浪要素的确认

3.2.3常用统计波浪要素

3.2.4周期、波长和波速

3.3风浪的方向谱

3.3.1 引言

3.3.2现有的方向谱模型

3.4本章小结

第四章　风浪数值化实景监测原理

4.1本研究中应用的数学软件

4.1.1概述

4.1.2 Matlab的主要组成部分

4.2图像及其数字化

4.2.1图像与数字图像

4.2.2图像处理技术的主要内容

4.2.3图像处理技术的发展现状

4.2.4图像处理技术的应用领域

4.3实景图像的标定

4.3.1标定原理

4.3.2标定方法

4.4实景图像的矫正

4.4.1矫正原理

4.4.2矫正方法

4.5波峰线的识别

4.5.1实验原理

4.5.2实验方法

4.6风浪传播方向的确定

4.7本章小结

第五章　风浪数值化实景监测系统实现

5.1系统结构与框架

5.2实验的流程

5.2.1实验设备

5.2.2实验步骤

5.3图像处理

5.3.1图像矫正

5.3.2图像标定

5.3.3波长计算

5.4结果分析与对比

5.4.1实景监测结果

5.4.2实景监测结果验证

5.5风浪波高的逆运算

5.5.1风浪波高的测量

5.5.2风浪波高的动力统计

5.5.3风浪波高的逆运算方案

5.5.4风浪波高反演方法检验

5.6 MATLAB-GUIDE控制界面的建立

5.6.1 GUIDE简介

5.6.2 GUIDE控制界面的建立

5.7本章小结

第六章　总结与展望

6.1主要结论

6.2工作展望

参考文献

致谢

附录　研究生期间参会文章和投稿文章