Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка и исследования методов крупномасштабной фотосъемки динамико-статистических объектов на морской поверхности

ВАК РФ 25.00.34, Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследования методов крупномасштабной фотосъемки динамико-статистических объектов на морской поверхности"

На правах рукописи

ГУНЧЕНКО ВАСИЛИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

Разработка и исследования методов крупномасштабной фотосъемки динамико-статистических объектов на морской поверхности

Специальность 25.00.34 «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2003

Работа выполнена на кафедре аэрокосмических съемок . -Московского государственного университета геодезии и картографии

(МИИГАиК).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Малинников Василий Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Чибуничев Александр Георгиевич кандидат технических наук, зав. лаборатории Института космических исследований РАН Барталев Сергей Александрович

Ведущая организация - Госцентр «Природа»

Защита диссертации состоится « »_2003 г. в_час. на

заседании диссертационного совета Д212.143.01 при Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 105064, Москва, К-64, Гороховский пер., д. 4, ауд. 321.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии.

Автореферат разослан «_»

2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Краснопевцев Б.В.

■К72 а

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Морская поверхность всегда находится в динамическом состоянии. На поверхности происходят самые разнообразные физические и биологические процессы, как внутри океана, так и при взаимодействии с атмосферой.

Особенностью многих явлений на морской поверхности является их случайный характер. При этом они весьма изменчивы в пространстве и во времени. Эта изменчивость обусловлена наложением и взаимодействием большого числа факторов. Функциональные причинно-следственные связи между явлениями на морской поверхности и факторами их определяющими, сложны и характеризуются разномасштабностью, полицикличностью и стохастичностью. Все это позволяет отнести большинство из наблюдаемых на морской поверхности явлений к классу так называемых динамико-статистических объектов (ДСО). Для их теоретического и экспериментального исследования можно и нужно использовать идеи и методы теории случайных процессов. К наиболее распространенным ДСО на морской поверхности можно отнести различные типы поверхностного волнения, обрушения волн, толчею, сулой, слики и пятна выглаживания, барашки и пенные образования, солнечные блики и др.

Для изучения детальной пространственной структуры динамико-статистических объектов необходимы экспериментальные данные о состоянии поверхности моря, полученные с высоким (не менее нескольких мм) пространственным разрешением. Однако, существующие методы и технологии аэрофотосъемки не ориентированны на крупномасштабную фотосъемку морской поверхности и не позволяют в настоящее время эффективно решать поставленные задачи. В связи с этим, предметом исследований, выполняемых в настоящей диссертации, является разработка методов, рекомендаций и технологий получения и обработки крупномасштабных изображений динамико-статистических объектов на морской поверхности.

Целью работы является разработка теоретико-методических основ и практических методов крупномасштабной фотосъемки динамико-статистических объектов (ДСО) на морской поверхности для исследования пространственных свойств ДСО и их взаимодействия с атмосферой, с использованием современных подходов к тематической обработки фотографических изображений, распознаванию образов, основным элементам геоинформационных технологий.

Для достижения поставленной цели были решены следующие научные задачи:

щих методов дистанционного зондирования морской поверхности;

проведение всестороннего аналитического анализа существую-

разработка рекомендаций по со

штабной фотосъемки ДСО на морской поверхности;

обоснование оптимальных способов описания для типичных изображений ДСО и особенностей их спектрально-пространственной структуры;

проведение натурных экспериментов по изучению ДСО фотографическим методом в целях исследования и апробации разработанной технологии. Актуальность задачи исследования обусловлена:

- необходимостью качественной и детальной (с высоким пространственным разрешением) пространственной информации о динамико-статистических объектах на морской поверхности в целях дистанционного мониторинга водных объектов;

- необходимостью разработки соответствующих автоматизированных технологий тематической обработки крупномасштабных фотоизображений морской поверхности на базе современных программно-аппаратных средств.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы теории информации, математической статистики, закономерностей формирования полей электромагнитного излучения, тематического дешифрирования и стереофотограмметрической обработки изображений, методы цифрового моделирования, компьютерной графики и ГИС-технологий. Экспериментальные исследования включали натурные эксперименты по изучению состояния морской поверхности, проведенные автором в период 19881993гг.

Научная новизна работы. В настоящей работе разработаны и реализованы на практике методы крупномасштабной фотосъемки ДСО на морской поверхности. Получены новые знания о пространственной структуре динамико-статистических объектов на морской поверхности. Результаты исследований позволяют более эффективно использовать возможности методов дистанционного зондирования при проведении мониторинга водных объектов.

Практическая ценность. Технология крупномасштабной фотосъемки морской поверхности и методы тематической обработки изображений, изложенные в работе, нашли практическое применение в ряде российских организаций, работающих в области дистанционного зондирования, таких как: Научно-производственное объединение «Комета», Госцентр «Природа» и другие отраслевые научно-производственные организации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на 5-ти научно-технических конференциях студентов и аспирантов МИИГАиК (1999-2003 гг.). Используются в следующих организациях: Научно-производственном объединении «Комета», Центре подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина, Госцентре «Природа», факультетах Аэрокосмической съемки и фотограмметрии и Прикладной космонавтики МИИГАиК.

Публикации. Теоретические и практические результаты исследований по теме диссертации изложены в 5 научных работах, опубликованных в научных изданиях:

1. Гунченко В.Г. Технология обработки фотографических изображений морской поверхности. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. Специальный выпуск М., 2002 г. 84 с.

2. Гунченко В.Г. Фотографические методы исследования динамико-статистических объектов на морской поверхности. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. Специальный выпуск М.,2001 г. 18 с.

3. Гунченко В.Г. Особенности бликовых зон на морской поверхности. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. Специальный выпуск М., 2003 г. 149 с.

4. Гунченко В.Г., Малинников В.А. Рекомендации по выполнению крупномасштабной фотосъемки пенных образований и зон обрушений на морской поверхности. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. Специальный выпуск м., 2003 г. 160 с.

5. Алтынов Е.А., Гунченко В.Г. Рыбкин К.В., Ямбаев Х.К. - Основные положения организации информационной системы «Ведомственный кадастр» Минобразования РФ. Инновации № 9-10, 2001 г., с 75-79.

Основные научные результаты, выносимые на защиту;

- рекомендации и методы выполнения и обработки материалов крупномасштабной фотосъемки ДСО на морской поверхности;

- метод линеаментного анализа пространственной структуры ряби на морской поверхности;

- автоматизированный метод определения уклонов волн по полю блика на морской поверхности;

- практические результаты экспериментальных исследований и новые знания о динамико-статистических объектах в прибрежных акваториях (особенности пространственно-временной структуры высокочастотного ветрового волнения, зон блика и обрушений морских волн, статистические характеристики гребневой пены при различных метеоусловиях и режимах ветрового волнения).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (122 источника), 19 таблиц в тексте и приложения из 66 рисунков. Общий объем работы - 179 страниц.

Основное содержание работы-

До введении обоснованы: актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования. Показана научная новизна, практическая ценность и апробация работы.

В первой главе изложены результаты теоретических и методических исследований по фотографической регистрации динамико-статистических объектов

(ДСО). Анализируются возможности современных систем аэрокосмического дистанционного зондирования и основные задачи, для решения которых они сегодня используются. Показана важность и необходимость дальнейшего развития автоматизированных технологий и методов крупномасштабной фотосъемки природных и антропогенных объектов. В первую очередь, это обусловлено не разработанностью методик крупномасштабной фотосъемки динамико-статистических объектов (ДСО). Действительно, несмотря на значительный отечественный и зарубежный опыт обработки различных типов аэрокосмических изображений, практически отсутствуют технологии, рассматривающие снимок не в качестве уникальной модели земной поверхности, а как частную детальную (с высоким пространственным разрешением) модель, раскрывающую закономерности пространственной структуры конкретного ДСО. Во-вторых, работы по автоматизации процесса дешифрирования аэрокосмических изображений ведутся уже на протяжении нескольких десятилетий. Однако, несмотря на это, проблема тематической обработки, особенно крупно масштабных фотоизображений, остается актуальной, отчасти потому, что носит комплексный характер и требует для своего объединения методов различных дисциплин, таких как физика и география, дистанционное зондирование и аэрокосмические съемки, дешифрирование, математическое моделирование и анализ данных, и др.

Во второй главе рассмотрены методы получения и обработки материалов крупномасштабной фотосъемки морской поверхности. Представлена разработанная автором технология получения и обработки крупномасштабных фотографических изображений ДСО на морской поверхности. Описаны проведенные натурные эксперименты и разработанная автором компьютерная база данных ДСО.

Крупномасштабная моно- и стереофотосъемка для целей океанологии, в частности, для решения научных задач в области физики моря, отличается высоким требованием к точности и подробности отображения пространственной структуры физических образований (элементы блика, пенные полосы, нефтяные пятна и др.) и рельефа морской поверхности. Предложенная автором технология получения и обработки крупномасштабных фотографических изображений ДСО на морской поверхности учитывает все вышесказанное и представляет собой систему последовательно выполняемых взаимоувязанных между собой программно-аппаратных блоков, в число которых входят:

- блок «Постановка задачи исследования и подготовка исходных данных».

- блок «Планирование и организация натурного эксперимента»

- блок «Методика проведения натурного эксперимента»

- блок «Первичная обработка материалов натурного эксперимента»;

- блок «Тематическая обработка цифровых изображений»

- блок «Оформление и печать результатов исследования».

Не останавливаясь на конкретных деталях предложенной технологии

(подробное описание технологии дано в диссертационной работе), отметим, что основными особенностями крупномасштабной фотосъемки морской поверхности являются:

а) осуществление фотосъемки изучаемой поверхности с малых высот;

б) динамический характер фотографируемой поверхности;

в) сложность математического описания рельефа морской поверхности;

г) присутствие непосредственно на рельефе морской поверхности таких физических образований как элементы блика, пенные полосы, нефтяные пятна и др.

Первая и вторая особенности обусловили выбор, в качестве основной, фотокамеры типа 11МК 10/1318, изготовленной фирмой «Карл Цейсс», Йена (ГДР). Эта фотокамера имеет четыре сменных объектива типа Ламегон 8/100 с плавной фокусировкой в диапазоне 1,4 м -ко, выбор одного из которых позволил минимизировать влияние дисторсии объектива при съемке близко расположенного объекта съемки - морской поверхности. В состав комплекса контактных измерений входили:

- резистивные струнные датчики возвышений морской поверхности, выпол-

ненные из нихромовой проволоки диаметром 0,1-5-0,5 мм, длиной до 10м. Погрешность измерений - 0,1-5-0,2 см. Запись осуществлялась в виде частотно-модулированного сигнала на кассетный магнитофон;

— спектроволнограф, позволяющий регистрировать частотные спектры морского

ветрового волнения в частотном диапазоне 0,1-г 15 Гц. Время регистрации одного из двух последовательных амплитудных спектров т= 10 минут;

— анемометр с электрической регистрацией. Погрешности измерения скорости

ветра в диапазоне 2<У<4 м/с не более ±0,3 м/с, в диапазоне У>4м/с не более ±(0,3±0,05У) м/с-,

- плавающий температурный датчик, предназначенный для регистрации тем-

пературы морской поверхности. Погрешность измерения ±0,1 К;

Натурные эксперименты осуществлялись в период 1988-1993 гг. с морских платформ, расположенных в прибрежных акваториях Каспийского (20 км от острова Артем, Апшерон) и Черного (п. Кацивелли, морская платформа Севастопольского морского гидрофизического института) морей. Рабочая площадка находилась на высотах 2,5, 12 и 16 м над уровнем моря. В ходе натурных экспериментов получено большое количество экспериментальных материалов (128 стереопар, 1060 одиночных снимков, 168 волнограмм и 120 спектрограмм; данные о значениях метеопараметров в период проведения экспериментов), анализ которых позволяет сделать ряд выводов о возможности восстановления пространственных спектров возвышений и уклонов по оптическим изображениям морской поверхности; аномалиях и особенностях высокочастотной области пространственного спектра и рельефа морской поверхности, обусловленных воздействием внешних факторов определенного типа и др.

Для архивации, с целью длительного сохранения и удобства пользования экспериментальной информацией, нами была создана специализированная база данных о ДСО (на основе Приложения Microsoft Access 97 версии 8.0).

В третьей главе рассмотрены научно-методические вопросы крупномасштабной фотосъемки и результаты натурных исследований гравитационно-капиллярных волн на морской поверхности. Показана эффективность использования линеаментного анализа для исследования пространственной структуры высокочастотного ветрового волнения. Описаны новые закономерности пространственной организации ряби на морской поверхности. Предложена следующая схема выбора оптимального варианта крупномасштабной фотосъемки морской поверхности (КМФС МП). На первом этапе создается обобщенная модель КМФС МП, включающая максимальное число вариантов съемки. Здесь предусматривается выполнение следующих операций: формулирование задачи с исходными данными; определение полного перечня измерительной информации, которую предполагается извлечь с крупномасштабных снимков морской поверхности, необходимой для решения поставленной задачи; составление полного перечня параметров всех вариантов выполнения КМФС МП; определение различных альтернативных способов реализации этих параметров и генерирование всех возможных вариантов выполнения съемок, каждый из которых состоит из цепочки, содержащей по одному способу реализации каждого параметра; расчет систематических искажений за мгновенный рельеф морской поверхности. Затем из общего числа всех возможных вариантов исключаются заведомо нереальные варианты по причине, скажем, несовместимости элементов различных уровней или нерациональности сочетаний элементов съемки. Причем, на первом этапе можно рассматривать варианты выполнения съемок с наиболее рациональными параметрами, не связанными с конкретным оборудованием. На втором - выбор производится с учетом наличия конкретных технических условий и материалов. Последним этапом решения задачи является формирование n-мерного вектора критериев, по которому должен быть оценен каждый из предлагаемых вариантов. Всем вариантам ставиться в соответствие n-мерный вектор оценок W = {ki, k2,....k„,}, где каждая компонента вектора является оценкой варианта по шкале соответствующего критерия. В качестве компонентов вектора критериев используются следующие: средние квадра-тические ошибки определения плановых координат mx, шу (или среднюю квадра-тическую ошибку определения планового положения точек одиночной модели ms, параллаксов mp, mq (или среднюю квадратическую ошибку определения высотных отметок в одиночной модели irih), ошибки в определении высот Мн и планового положения точек Ms в середине сети, разрешение фотосистемы R, функцию передачи модуляции Т, средний квадратический контраст изображения Кг, дисперсию оптической плотности и отношение «сигнал/шум» изображения, вероятность распознавания объектов заданных размеров и формы и др. Перед принятием решения

формируется система предпочтений, которая содержит сведения об относительной важности критериев. Предложена следующая иерархия критериев:

— фотограмметрические критерии качества съемки (тх, ту, тр, тф Ы Шь, ть и др.);

— фотографические качества фотосъемочной аппаратуры (Я, Т(1Ч), Кг. и др.);

— фотографические показатели качества негативов;

— технико-экономические показатели.

В качестве алгоритма принятия решения можно предложить две методики. Одну, преложенную А.Ф Стеценко и А.Е Алтыновым, вторую - разработанную нами. В первом случае, шкалы всех критериев нормализуются посредством присвоения максимальной оценки по данному критерию значения «1» , а минимальной - «О». Далее формируется так называемая «функция ценности», описывающая относительные отступления оценок по данным критериям от максимальных. В качестве решения принимается область пересечения Р, являющаяся областью «наиболее рациональных вариантов» (компромиссные решения) выполнения КМФС МП. Во втором случае в режиме обучения с "учителем" проводится анализ значений п-мерных векторов оценок = {к|, к2,....к„,}, по идеальной (обучающей) выборке: отбираются наиболее приемлемые значения критериев съемки для различных типов ДСО и, соответственно, определяются границы их изменчивости в п-мерном пространстве критериев. В результате для каждого К-го типа ДСО формируется эталонный вектор оценок и вектор пороговых коэффициентов Р; (для каждого критерия к,), используемые в дальнейшем при выборе оптимального варианта съемки определенного типа ДСО. Решающее правило, используемое при отборе вариантов съемки, основано на правиле минимума расстояния в форме метрики абсолютных значений (11 - норма). Выше описанная методика выбора оптимального варианта съемки была использована нами при планировании экспериментов по крупномасштабной фотосъемке ДСО на морской поверхности, результаты которых представлены в последующих разделах диссертации.

Динамический характер морской поверхности обусловливает также сложность получения опорных точек для трансформирования фотоизображений; поэтому представляется полезным оценить те из искажений на нетранс-формированньтх фотоснимках, которые возникают за счет свойств центральной проекции, а также их вклад в получаемые результаты обработки. Оценив влияние ошибок за рельеф при измерении на крупномасштабных фотоснимках морской поверхности крупных гравитационных волн (волновых холмов), капиллярно-гравитационных и капиллярных волн, мы можем однозначно определить и точность измерений геометрических характеристик различных физических образований на морской поверхности. Нами был проведен анализ и оценка абсолютных и относительных ошибок за рельеф морской поверхности такого геометрического параметра на снимке как длины гравитационных и капиллярно-гравитационных волн на основе матриц максимальных и минимальных ис-

кажений, предложенных М.П. Лапчинской. Получены следующие результаты:

1. Относительные ошибки измерения длин зыби или крупных ветровых гравитационных волн X по всей полезной области фотоснимка: для Л=13,1 мм - 1,1%,для Л =61,9мм- 1.3%. Если на волне зыби находятся капиллярно-гравитационные волны л к г., то точность измерения длин волн зыби уменьшается, но не превосходит ~3% при работе на всей области снимка. Наиболее реальный путь уменьшения ошибки при измерении Л зыби - уменьшение полезной области фотоснимка, что достигается варьированием координат (X, У) от центра снимка к его краю или изменением параметров фотосъемки — увеличение высоты фотографирования Н, изменение фокусного расстояния камеры/.

2. Относительные ошибки измерения длин волн капиллярно-гравитационной ряби в диапазоне Я"г =0,06 мм + Л"г =1,24 мм зависят от того, известна или неизвестна их локализация на основной волне зыби:

(а) если локализация полностью известна, то относительная ошибка по всему полю фотоснимка не превышает 1-2%. Однако, работая с одиночными фотоснимками, точно знать такую информацию невозможно; поэтому, как правило, мы имеем дело с ошибкой измерения ДЛКГ. при полностью неизвестной локализации;

(б) если локализация полностью неизвестна, то относительная ошибка измерения : в центе фотоснимка: 1,3 +2,2%, на краю фотоснимка: 30.04-30.2%. Уменьшение величины этой ошибки может быть достигнуто путем выделения (например, на предварительном этапе отбора фотоснимков) участков волны зыби: вершины Л"р"' , склона Я""1 и впадины Я"" , которое производилось с шагом по высоте ДЬ=100 мм;

(в) если локализация частично неизвестна, то относительная ошибка измерения : в центре фотоснимка: 1,3 + 1,7%, на краю фотоснимка: 20,0+20,5%, т.е. на краях фотоснимка точность измерения повысится на ~10%.

3. Величина ошибки, возникающая при первичных измерениях площади участка фотоснимка, также сильно влияет на результаты расчетов вторичных характеристик ДСО. Действительно, при локальной обработке фотоснимка, когда производятся измерения я к.г. в различных местах некоторой площади Ы(., количество замеров, проведенных на фактической площади участка фотоснимка, отличается от количества замеров, которые можно было бы провести на истинной площади участка. Это обстоятельство искажает результаты расчетов вторичных параметров, например, графики вероятностей обнаружения тех или иных Дкг. на морской поверхности, так как при их построении используется отношение количество измеренных длин волн Л к фактической площади участка, где было произведено данное число замеров, но не к истинной площади участка.

Для исследования пространственной структуры высокочастотного ветрового волнения (гравитационно-капиллярных волн) нами использовались фо-

тоизображения морской поверхности, полученные с платформы в Черном море (п. Кацивели). Съемка велась двумя аэрофотоаппаратами АФА-41/7,5 (масштаб 1:160) и ЦМК-10/1318 (масштаб 1:50). Глубина моря в районе съемки около 30 м. Для анализа мы выбрали изображения, которые были получены при значениях скорости ветра в пределах 8-12.5 м, когда отчетливо проявляется высокочастотная составляющая ветрового волнения (в дальнейшем будем называть ее рябью), и при этом нет искажающего влияния пенных образований.

Анализ фотоизображений показал, что в рассматриваемом диапазоне скоростей ветра поверхность основной гравитационной волны покрыта участками капиллярных и гравитационно-капиллярных волн, причем в большинстве случаев при данных скоростях ветра они покрывают ее сплошь. Капиллярные волны чаще всего обнаруживаются в зонах гребней крупных гравитационно-капиллярных волн. Форма и размер участков ряби различны в зависимости от их локализации на поверхности гравитационной волны. Эти участки, как правило, содержат несколько систем (групп) волн с различными длинами X. В большинстве случаев рябь имеет хорошо выраженную регулярную структуру. Однако нередко из-за пульсаций направления ветра возникают системы волн, пересекающиеся под разными углами. Для рассматриваемого диапазона скоростей ветра, как показал анализ изображений, на водной поверхности существуют системы капиллярных и капиллярно-гравитационных волн с длинами волн в пределах от 1 до 50 см. Преобладающие размеры гравитационно-капиллярного диапазона (наибольшая вероятность обнаружения ~ 20%) составили 4 - 5 см по длине волны. Другой особенностью пространственной структуры высокочастотных волн является их анизотропный характер: при установившемся направлении ветра гребни капиллярных волн и гравитационно-капиллярных волн ориентированы преимущественно перпендикулярно направлению скорости ветра. Отклонения от этого направления в большинстве случаев не превышают 15-20°. Характерной особенностью зон капиллярных волн с длинами 1-2 см является сильная изменчивость направления распространения, от 30 до 50°, и часто наблюдающаяся связь систем волн минимальных размеров с волнами преобладающих размеров гравитационно-капиллярного диапазона.

Частотно-пространственная обработка изображений морской поверхности, на которых присутствуют несколько групп капиллярно-гравитационных волн с достаточно сильно различающимся направлением распространения, показала, что они характеризуются пространственным спектром (ПС) округлой (или квадратной, с несколько сглаженными границами) формы. Изображения с явно выраженной рябью и гравитационными волнами, имеющими близкие направлениями распространения, характеризуются пространственными спектрами вытянутой эллиптической формы, большие оси которых ориентированны перпендикулярно к направлению распространения доминирующей группы волн. Параметр А, характе-

ризующий вытянутость ПС, имеет максимальные значения для такого типа изображений. Оценка показателя степени ПС - Ь, выполненная путем аппроксимации значений одномерных сечений ПС (сечения проводились в направлении максимальной вытянутости спектра) функцией вида 8(к)=сопя1хк"ь показала, что для капиллярно-гравитационных волн Ь = 2.5 — 3.0 с ростом низкочастотной составляющей ветрового волнения показатель Ь увеличивается. -----

а)

б)

В)

Рис. 1. Изображение морской поверхности (а), его пространственный спектр (б) и одномерные сечения пространственного спектра (в) под углами 20,10,-10,-20 градусов относительно большой оси спектрального эллипса.

На рис.1 приведены пространственный спектр и его одномерные сечения, которые показывают, что хотя показатель степени спектра изменяется не очень сильно для различных сечений спектра, его высокочастотная составляющая очень динамична, и отражает сильную пространственную неоднородность расположения капиллярно-гравитационных волн на исследуемом участке морской поверхности. Анализ одномерных сечений ПС показал, что ПС ряби обладают

ярко выраженной полимодальностью, т.е. наличием на спектральной кривой статистически значимых вторичных максимумов, которые обычно не проявляются на пространственных спектрах изображений морской поверхности, полученных с аэрокосмических платформ. Достоверность вторичных спектральных максимумов устанавливалась нами путем инструментально-визуального анализа пространственной структуры волн в выбранном фрагменте снимка и сравнения полученных данных с данными спектрального анализа. Таким способом было установлено, что все вторичные максимумы в спектрах уклонов волн имеют объективный характер и соответствуют реальным системам волн, существовавшим на морской поверхности в момент регистрации. Число вторичных спектральных максимумов и их мощность возрастает с ростом скорости ветра в приводном слое атмосферы.

Для автоматизации и расширения числа информационных характеристик пространственной структуры ДСО на морской поверхности нами, впервые в научной практике, был выполнен линеаментный анализ изображений морской поверхности. На основании качественной оценки результатов линеаментного анализа крупномасштабных фотоизображениях морской поверхности, выполненного с использованием пакета программ "ЬЕЗвА", предложена методика автоматизированного дешифрирования крупномасштабных фотоизображений морской поверхности на основе линеаментного анализа, которая представлена в виде трех основных этапов обработки изображений, общепринятых в цифровой обработке изображений.

1. Этап предобработки фотоизображений морской поверхности:

1.1. Визуальное дешифрирование фотоизображений с целью выявления размеров линеаментных непроизводных элементов текстуры изображения как элементарных физических объектов на морской поверхности.

1.2.Сканирование отобранных участков и получение файлов цифровых изображений произвольным размером, предпочтительно до 2000x2000 пикселей;

1.3. Коррекция цифровых изображений с целью относительной нормализации последних (фильтрация шумов, линейное контрастирование, приведение к общему среднему и дисперсии).

2. Этап основной обработки фотоизображений морской поверхности в пакете программ "ЬЕЯЯА":

2.1. Загрузка исходного цифрового изображения в видеопамять пакета программ "ЬЕЗвА".

2.2. Получение результатов первичной обработки изображений (рисунки, наблюдаемые на экране и распечатываемые на принтере);

а) в автоматическом режиме - суммарной системы (т.е. для всех азимутальных направлений, кратных 22,5°) линеаментов изображения при пороге выраженности ТЬ=0.

б) в интерактивном режиме — суммарной системы (т.е. для всех азимутальных направлений, кратных 22,5°) линеаментов при экспериментально подбираемых порогах ТЬ, имеющих значения ТЬ в пределах 50+90.

в) в интерактивном режиме - системы линеаментов по азимуту, (одному из направлений, кратному 22,5°) при экспериментально подбираемых порогах ТЬ (0; 50+90).

2.3. Получение результатов вторичной обработки изображений (рисунки, наблюдаемые на экране и распечатываемые на принтере), связанной с обработкой результатов первичного анализа изображений - штрихов суммарной/азимутальной системы линеаментов:

а) в автоматическом режиме рассчитываются розы-диаграммы линеаментов в скользящем окне диаметром 8хп пикселей с шагом 8 пикселей (ТЬ=0).

б) в автоматическом режиме рассчитываются вектор-диаграммы линеаментов в скользящем окне диаметром 8хп пикселей с шагом 8 пикселей (ТЬ=0).

в) в автоматическом режиме рассчитывается поле степени вытянутости роз-диаграмм линеаментов (ТЪ=0).

г) в автоматическом режиме рассчитывается поле степени отличия роз-диаграмм линеаментов от круга (ТЬ=0).

3. Этап оформления и печати результатов анализа.

Визуальный анализ полей линеаментов при пороге выраженности в пределах ТЬ=0+50 показывает, что выделенные системы линеаментов оконтурива-ют следующие образования на морской поверхности: зоны блика; гребни гравитационных и гравитационно-капиллярных волн; зоны обрушений; зоны выглаженной морской поверхности. Анализ гистограмм значений выраженности линеаментов различных фотоизображений морской поверхности показывает, что они носят полимодальный характер. В среднем в 90% точек изображений степень выраженности линеаментов не превышает 5, что указывает их практическое отсутствие в данных точках изображения. В остальных точках изображения распределение значений выраженности линеаментов имеет несколько отчетливо выраженных максимумов. Абсолютный максимум приходится на значения параметра выраженности, находящиеся в пределах 40+75. Наличие концевых гистограммных максимумов практически во всех гистограммах значений параметра выраженности указывает на динамическую ограниченность фотоизображений морской поверхности, т.е. ограничение сверху и снизу масштабов регистрируемых явлений на морской поверхности. Следует отметить фрактальность изображений морской поверхности. Увеличение детальности линеаментного анализа (уменьшение шага дискретизации) приводит не к повышению точности, а к переходу к более мелким структурам, и полученные при этом характеристики линеаментного поля (направление, точность) могут существенно отличаться от характеристик структур другого уровня.

Исходное изображение Поле линеаментов Поле векторов

линеаментов

Рис.2. Результаты линеаментного анализа фрагмента изображения №338.

Анализ полей векторов линеаментов позволяет выделять зоны, где осуществляются нелинейные взаимодействия, т.е. зоны, где происходит трансформация взаимодействующих систем волн, сопровождающаяся перекачкой энергии от одной системы волн к другой. В результате развивается новая система волн, удовлетворяющая условиям резонансного взаимодействия. Рассмотрим для примера особенности поля векторов линеаментов для фрагмента 338 (рис.2). На исходном изображении имеется несколько систем волн с достаточно сильно отличающимся направлением распространения. Следует отметить, что в силу кривизны фронта крупной гравитационной волны, различные элементы гребня могут входить в системы линеаментов различной направленности, что несколько затрудняет физическую интерпретацию выявляемых на изображении систем линеаментов. На изображении поля векторов линеаментов мы видим две системы волн, которые после выхода из зоны нелинейного взаимодействия превратились в новую систему волн, с другим волновым числом.

В четвертой главе рассмотрены особенности крупномасштабной фотосъемки бликовых зон на морской поверхности, описаны результаты анализа формы и размеров блика и его пространственного спектра при различных скоростях ветра в приводном слое атмосферы. Описан метод определения уклонов волн по фотоизображениям зон блика и представлены результаты его использования.

На фотоизображениях, полученных с высоты 12 и более метров, отдельные бликующие элементы морской поверхности не различаются, обычно мы имеем сплошные бликовые поля достаточно большой площади. Скорее всего, это связано с тем, что элементы водной поверхности, дающие блик, имеют настолько малую площадь, и так близко расположены друг к Другу, что в большинстве случаев их изображение (при съемке с больших высот) не будет разрешаться системой

объектив-фотопленка. Исследования тонкой структуры поля блика, выполненные по материалам крупномасштабной фотосъемки, показали, что элементарный блик представляет собой сложную структуру: небольших размеров центральное ядро круглой или эллиптической формы с небольшим эксцентриситетом, изображение которого обычно получается в области передержек фотопленки и окружающего ядро ареала, изображения которого могут относиться к прямолинейной части характеристической кривой (рис.3). Большинство бликующих участков морской поверхности содержит определенное число элементарных бликов, расположение которых может быть как упорядоченным, так и хаотическим.

? '• » £ . */> ¿¿Р, * 1 . /Т.* / ''/г ^ \ 1 т. ■ А а ш. _ л

Фрагмент исходного изображения Градационное изображение поля блика

Рис. 3. Пример изображения поля блика (фотосъемка с высоты 5 м).

Результаты инструментальных измерений крупномасштабных изображений морской поверхности, выполненных с помощью окулярного микроскопа МПБ-2 с 24-кратным увеличением, показали, что в диапазоне скоростей ветра в приводном слое атмосферы 2-16 м/с наблюдается нелинейная зависимость значений среднего радиуса ядра элементарного блика и его ареала. С увеличением скорости ветра как размер ядра, так и размер ареальной зоны элементарного блика уменьшается. Указанная зависимость с достаточной степенью точности может быть аппроксимирована нелинейной функцией вида У = А + В]хХ + В2хХ2 + В3хХ3. Значения коэффициентов аппроксимации и средняя квадратичная погрешность аппроксимации 8 представлены в таблице 1.

Таблица 1. Значения коэфс шциентов аппроксимирующих кривых.

параметр А в, в2 в3 §

<1, 12.61 -2.84 0.26 -0.01 0.29

о. 47.86 -13.7 1.54 -0.06 0.58

Для анализа уклонов морских волн по изображениям бликовой зоны нами разработан автоматизированный метод, базирующийся на статистическом анализе гистограмм пространственного распределения бликов. Алгоритм получения оценок двумерной плотности распределения уклонов морской поверхности основывается на фацетной модели, согласно которой бликующая поверхность рассматривается как совокупность элементарных зеркально отражающих площадок. Для построения гистограммы распределения уклонов область изображения, содержащая блики, помещается в прямоугольник со сторонами ЬХ) Ьу. Оси координат параллельны сторонам прямоугольника. После этого прямоугольник разбивается на прямоугольные области группировки с размерами гх «Ьх, гу«Ц. Для каждой области группировки определяется количество бликовых точек пкт (к=1, ... Ц/гх, т=1,... Ьу/гу ). При этом размеры гх , гу выбираются таким образом, чтобы выполнялось условие Пкт>10. Для оценки плотности распределения уклонов морской поверхности используются построенные гистограммы, по которым производятся оценки центральных статистических моментов функции распределения уклонов волн.

На рис. 4 представлены изображения исходных фотографических изображений бликовой зоны на морской поверхности и соответствующие им гистограммы распределения уклонов волн. При этом каждая гистограмма содержит не менее 30 разрядов по каждой оси, и шаг по обеим координатам составляет 64 пикселя (или ~ 0.8 см на исходном снимке), а угловой размер области группировки 0.08 радиан.

ш

Изображение поля блика (снимок №337) Гистограмма распределения уклонов волн

Рис. 4. Результаты гистограммного анализа поля блика (съемка с высоты 16 м).

Анализ гистограмм распределения уклонов показывает, что они носят явно выраженный полимодальный характер. Скорее всего, это связано с наличием в области блика различных систем волн, в первую очередь гравитационных и гравитационно-капиллярных волн. Как и следовало ожидать, максимумы гисто-

грамм приходятся на интервал уклонов морской поверхности (-0.3; 0.3). Однако на периферии фотографических снимков можно обнаружить достаточно большие по площади бликующие участки морской поверхности, абсолютные значения уклонов которых достигают 0.6 - 0.7. Проведенная аппроксимация одномерных сечений (по направлению скорости ветра) двухмерных распределений уклонов показала, что в общем случае они с удовлетворительной степенью точности (использовался критерий согласия Пирсона) могут быть описаны рядом Грамма-Шарлье. В случае отсутствия на морской поверхности крупных гравитационных волн, поле уклонов в бликовой зоне может быть описано нормальным распределением.

Исследования пространственных спектров забликованных и незаблико-ванных участков морской поверхности показали их существенное отличие друг от друга. ПС участков морской поверхности, содержащих бликовые элементы, обладают значительно большей мощностью, имеют явно выраженную анизотропию и охватывают значительно больший интервал пространственных частот, где значения спектра статистически значимы. Оценка значений спектраль- • ных моментов первого и второго порядков для участков морской поверхности (МП), находящихся в зоне блика и вне ее, показывают, что их значения в 2-3 раза отличаются друг от друга. Также происходит существенная трансформа- , ция гистограмм изображений морской поверхности в зоне и вне зоны блика. Для большинства исследуемых изображений характерны ПС эллиптической формы с' различным эксцентриситетом (анизотропией) и наклоном (ориентацией) с дефицитом пространственных частот. Одномерные сечения ПС допускают аппроксимацию зависимостями вида 8(к) ~ к"ь. При этом значения показателя степени Ь для рассмотренных изображений изменяются в пределах 3.0 - 4.5, принимая наименьшие значения для изображений бликовой зоны, полученных с больших высот.

Пятая глава посвящена исследованиям пенных образований и зон обрушений на морской поверхности. Приводится описание пространственных структур пенных образований и их функций распределения. Описаны особенности пространственных спектров высокочастотного ветрового волнения в зонах обрушения морских гравитационных и гравитационно-капиллярных волн.

Методика обработки фотоснимков зон обрушения состояла в дешифрировании структуры водной поверхности и выделении участков с различными типами обрушений гравитационных и гравитационно-капиллярных волн и пенных образований (гребешковой, пенных пятен, пенных полос), оцифровки и измерении геометрических размеров и площадей соответствующих объектов. В результате проведенной обработки получены массивы следующих характеристик: длина, ширина, высота и площадь барашка (гребня обрушивающейся волны); характерные минимальные и максимальные ли-

нейные размеры, площадь сопутствующей гребневой и полосовой пены; площадь турбулентного пятна (слика); число микро- и макрообрушений в кадре и длина каждого из них. При определении площади пены учитывались ошибки, обусловленные углом наклона основной волны, изменением масштаба с ростом высоты волны и др. Однако, основной ошибкой определения площади пены является неточность в классификации пенных образований и выделении их границ. Мы использовали интерактивное компьютерное окон-туривание, которое выполнялось дешифровщиком в программе PhotoShop на цифровых изображениях исследуемых фотоснимков, полученных с помощью сканирования исходных негативов с пространственным разрешением 600 и 1200 точек на дюйм. Отметим, что процедура выделения контуров пенных образований и определения их площади отличается большой трудоемкостью. Попытки полного автоматического выделения участков пены с помощью соответствующего программного обеспечения не дали положительных результатов, т.к. в большинстве случаев съемки в солнечную погоду на водной поверхности имеются блики, оптическая плотность которых сравнима с оптической плотностью элементов пены. Отметим, что распознавание гребневой пены (ГП) на участках перспективных снимков, удаленных от фотоаппарата на большое расстояние, имеет те же трудности, что и на снимках с больших высот, особенно при наличии солнечных бликов.

Анализ материалов натурных экспериментов показывает, что на морской поверхности при скоростях ветра более 3 м/с, наблюдаются три основных вида обрушения морских гравитационных волн: крупномасштабное, мелкомасштабное и микромасштабное. Пространственное строение и динамика зон крупномасштабных и мелкомасштабных обрушений гравитационных морских волн очень схожи, за исключением того, что при малых скоростях ветра преобладают мелкомасштабные обрушения (встречаются случаи мелкомасштабного обрушения при скоростях ветра в приводном слое атмосферы 1-2 м/с), и по мере нарастания скорости ветра возрастает количество крупных обрушений. В общем случае, поле обрушения морской гравитационной волны в конце стадии обрушения имеет следующую пространственную структуру: пенное поле (участок водной поверхности покрытый гребневой пенной - «вскипающий» бурун); турбулентное пятно, передняя часть которого оконтурена задним фронтом гребневой пены; «клочковатая» или «полосатая» пенная масса внутри и вне турбулентного пятна. Процесс развития турбулентного пятна, начинаясь на обрушивающейся волне, может накладываться на соседние волны. По нашим оценкам, наложение обычно имеет место со скоростей ветра в приводном слое более 6-7 м/с. Перед обрушением гравитационной волны происходит заострение ее вершины и на перед-

нем склоне волны происходит как бы «сморщивание» ее открытой поверхности. Этот эффект нам отчетливо удалось наблюдать при фотосъемке морской поверхности с высоты 5 метров. Пространственно-частотный спектральный анализ подтверждает факт возникновения систем капиллярно-гравитационных волн в зоне заострения вершины гребня волны. Возникающие пригребневые волны имеют характерные длины волн в диапазоне 2-4 см. Детальный анализ мелкомасштабных обрушений показывает, что и при данном типе обрушений возникают пригребневые системы капиллярных волн. Однако, их длины находятся в пределах 0.5 - 1 см, и достоверность их идентификации недостаточно высока, как в силу недостаточного пространственного разрешения фотоаппаратуры, так и их маскировки возникающими пенными структурами.

Проведенный нами пространственно-частотный анализ фрагментов изображений морской поверхности в зоне и вне зоны турбулентных пятен показал, что в зоне турбулентного пятна наблюдается уменьшение средней мощности пространственного спектра и статистически значимое увеличение показателя степени спектра Ь.

Нами были проведены специальные исследования микромасштабных обрушений. Мы обнаружили, что довольно часто вблизи обостряющихся гребней крупных гравитационных волн имеются обрушения, которые как бы вспухают на подветренном склоне волны и тут же диссипируются, практически не создавая пенной массы. Это вид обрушения, назовем его микромасштабным обрушением 1-го типа, можно охарактеризовать следующим образом: микромасштабное обрушение 1-го типа обычно имеет малые характерные размеры (длина обрушившегося гребня не более 30-40 см, ширина - не более 5-7 см); обрушения происходят с незначительным пенообразованием; обладают малым оптическим контрастом и уверено идентифицируются только на крупномасштабных снимках морской поверхности (высота съемки не более 5 м); пространственные спектры имеют ярко выраженный полимодальный характер, анизотропны и имеют средний степенной показатель спектра Ь, равный 4.

Мы также обнаружили, что на морской поверхности в условиях ветрового волнения при различных скоростях ветра можно обнаружить и достаточно крупные (по пространственным размерам) обрушения волн (назовем их микромасштабными обрушениями 2-го типа), которые происходят без создания пенной массы и турбулентного роторного течения (вместе с аэрированным слоем) внутри водной среды. Характерными особенностями данного типа обрушения волн являются: значительные линейные размеры (до метра) и достаточно высокая вероятность появления в условиях развивающегося волнения в широком диапазоне скоростей ветра, от 5.5 до 12 м/с.

Приведем некоторые данные о диапазоне величин параметров гребневой пены для прибрежной зоны, исследуемой в наших экспериментах. Для прибрежной зоны длины гребней Ь зарегистрированы в пределах 0.2... 10 м (V, = 5.5... 16.5 м/с (в порывах до 20 м/с)). Среднее значение Ь = 0.6...1.4 для V, = 5.5... 16.5 м/с. Значения площади морской поверхности, покрытой гребневой пеной в в указанном диапазоне скоростей ветра, находятся в пределах 0.1 - 25 м2_ Определение указанных величин осуществлялось по оцифрованным фотографическим изображениям гребневой пены с погрешностью: для Ь - не более 0.1 м, для в - 0.01 м2. На рис.5 приведены примеры оконтуренных пенных образований.

.лл ■ЯП'* ^^^ ^ку.'^ИИ

а) б)

Рис.5. Примеры оконтуренных пенных образований с целью определения

их линейных и площадных характеристик.

На рис. 6(а) приведена гистограмма Р(Ь) плотности распределения максимальных размеров Ь единичных образований гребневой пены, полученная для диапазона значений скорости ветра V = 9.5 - 10.5 м/с. Диапазон скоростей ветра выбран из требования максимальной представительности выборки. Всего нами анализировалось 196 снимков морской поверхности, полученных в данном интервале значений скорости ветра при высоте съемки 12 и 5 м. Данные на рис.6.(6) взяты из работ Шаркова Е.А. и Стрижкина И.И.; масштаб аэросъемки 1:500, пространственное окно 100 х 100 м; условия открытого моря, обработка плановых снимков.

Щ, 11 о : 4 « ит и и к • 2 Г 0< ||.....

д ; 1 < » 1>т

а) гистограмма распределений размеров единичных обрушений (наземная съемка) б) гистограмма распределения размеров единичных обрушений (аэрофотосъемка)

Рис.6. Гистограммы Р(Ь) плотности распределения максимальных размеров Ь единичных образований гребневой пены.

Из анализа рис.б.(а), где представлена гистограмма распределения размеров единичных крупномасштабных и мелкомасштабных обрушений гравитационных волн на морской поверхности, наглядно видно, что аппроксимационные распределения принадлежат распределению Грамма-Шарлье. Сопоставление гистограмм на рис.б(а) и 6(6) показывает влияние не учета мелкой гребневой пены на структуру гистограммы распределения размеров единичных крупномасштабных и мелкомасштабных обрушений гравитационных волн на морской поверхности. В случае аэрофотосъемки (рис.б(б)) информация о гребневой пене с Ь<1 м отсутствует на снимке морской поверхности. Очевидно, это обстоятельство приводит к тому, что данные о Ь будут отличаться: для снимков с больших высот максимум гистограмм Р(Ь) будет смещен вправо. Другой особенностью гистограмм на рис.6 является их структура: съемка с больших высот приводит к сглаживанию данных о Ь. При съемке с кораблей или морских платформ из-за малой площади кадра выборка элементов гребневой пены получается непрезентативной для достоверного определения гистограмм плотности распределения размеров пенных гребней. А гребни большой длины лишь частично помещаются в кадре. Поэтому необходимо осуществить выбор оптимального масштаба съемки и числа снимков, позволяющих получить достоверную информацию о статистических параметрах изучаемого объекта. Оценку необходимого количества снимков можно получить различными способами:

либо на основе априорной информации об объектах данных о частоте появления, (поверхностной плотности распределения, сведений о функции плотности распределения и т.п.), либо с помощью методов математической статистики. В общем случае, при отсутствии априорной информации, необходима небольшая серия предварительных экспериментов, позволяющая получить оценки < N > -среднее число ГП на один плановый снимок и <т<ы>.

Результаты дешифрирования ГП существенно зависят от условий освещения при фотосъемке, особенно при перспективной съемке. В последнем случае предпочтительна солнечная и малооблачная погода, что улучшает контраст ГП в зонах близких к линии горизонта. Для двух зон снимка, расположенных симметрично относительно вертикали, проходящий через точку схода, различие в количестве ГП может достигать 200-300% из-за различия условий освещения. При плановой съемке предпочтительна малооблачная или облачная погода. При отсутствии блика ГП хорошо дешифрируется в широком диапазоне длин гребней. Влияние блика отрицательно для каждого вида фотосъемки. Однако при перспективной съемке влияние забликованности можно избежать или уменьшить поворотом фотоаппарата от солнечной дорожки. С целью упрощения измерений параметров ГП целесообразно ориентировать направление съемки перпендикулярно гребням волн. Однако указанные факторы одновременно не всегда реализуемы.

Заключение

Представленная диссертационная работа содержит научные исследования автора, которые можно рассматривать как решение актуальной задачи, разработки методов получения и тематической обработки крупномасштабных фотоизображений динамико-статистических объектов на морской поверхности. На основе всестороннего анализа и обобщения пространственных и спектральных характеристик отображаемых объектов разработан ряд цифровых алгоритмов и технологий анализа цифровых изображений, которые могут составить основу количественной параметризации динамико-статистических структур на морской поверхности.

Основные результаты работы:

1. Рекомендации по выполнению тематической обработки материалов крупномасштабной фотосъемки ДСО на морской поверхности.

2. Методика линеаментного анализа пространственной структуры ряби на морской поверхности.

>¿722 Р7в722

3. Автоматизированный метод определения уклонов волн по полю блика на морской поверхности.

4. Компьютерная структура и макет базы данных по пространственным характеристикам динамико-статистических объектов.

5. Практические результаты натурных исследований позволившие уточнить теоретические и экспериментальные факты _ о динамико-статистических объектах в прибрежных акваториях.

6. Новые сведения о пространственной структуре поля блика, обрушений и высокочастотного ветрового волнения статистических характеристик гребневой пены (ГТТ) в прибрежной зоне моря для различных метеоусловий. Одним из основных результатов экспериментальных исследований явилось получение функции распределения линейных размеров обрушающихся волн при различных скоростях ветра в приводном слое атмосферы.

Подписано в печать 22.10.2003. Гарнитура Тайме Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 198

УПП «Репрография» МИИГАиК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Гунченко, Василий Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ. $ ЧАСТЬ 1. ТЕОРЕТИКО - МЕТОДИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ОСОБЕННОСТЕЙ ФОТОГРАФИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ ДСО.

ГЛАВА I. ДИНАМИКО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ НА

МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ (ДСО).

1.1.Типы и статистическое описание ДСО на морской поверхности.

1.2.Контактные и дистанционные методы регистрации ДСО.

1.2.1 .Общее описание методов регистрации ДСО.

1.2.2. Обобщенная схема получения изображений при аэрофотосъемке.

1.3.Постановка задачи исследования.

ГЛАВА II. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ

КРУПНОМАСШТАБНЫХ ФОТОГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДСО НА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

2.1. Особенности фоторегистрации динамико-статистических объектов.

2.2. Технология получения и предварительной обработки фотоизображений ДСО.

2.3. Технология тематической обработки цифровых изображений ДСО.68.

2.3.1. Общее описание программных пакетов, предназначенных для обработки изображений.

2.3.2. Опыт практического использования ERDAS IMAGINE для обработки изображений.

2.3.3. Пространственно-частотный анализ изображений, гистограммный и линеаментный анализ изображений.

2.4. Общее описание выполненных натурных экспериментов и базы данных ДСО.

2.4.1. Описание измерительного комплекса.

ЧАСТЬ 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. *

ГЛАВА III. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГРАВИТАЦИОННО

КАППИЛЯРНЫХ ВОЛН НА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

3.1. Особенности крупномасштабной фотосъемки высокочастотной составляющей морского волнения вне зоны блика.

3.1.1. Формирование изображения морской поверхности на фотоснимке.

3.1.2. Выбор оптимального варианта крупномасштабной фотосъемки морской поверхности.

3.1.3. Оценка точности измерительной информации при обработке нетрансформированных одиночных фотоизображений морской поверхности.

3.2.Визуально-инструментальное дешифрирование крупномасштабных изображений морской поверхности.

3.3.Исследования особенностей пространственных спектров гравитационно-капиллярных волн.

3.4. Пространственная структура высокочастотного ветрового морского волнения.

• 3.4.1. Линеаментный анализ крупномасштабных изображений морской поверхности.

3.4.1.1. Методика линеаменТного анализа.

3.4.1.2. Анализ и интерпретация результатов линеаментного анализа фотоизображений зон высокочастотного морского волнения.

ГЛАВА IV. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛЯ БЛИКА НА

МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

4.1. Особенности фотосъемки бликовых зон на морской поверхности.

4.1.1. Изображение солнечного блика на фотоснимке.

4.1.2. Размеры и плотность изображения на аэроснимке бликующего элемента водной поверхности.

4.1.3. Размеры и плотность изображения на крупномасштабном фотоснимке бликующего элемента водной поверхности.

4.2. Определение уклонов волн по фотоизображениям зон блика на ф морской поверхности.

4.2.1. Краткое описание методики обработки крупномасштабных фотоизображений зон блика на морской поверхности.

4.2.2. Результаты исследования структуры и динамики зоны блика на фотоснимках.

4.3. Пространственно-частотная структура изображений бликовых зон.

4.3.1. Теоретическое описание спектральных характеристик морской поверхности в зоне блика.

4.3.2.Экспериментальные исследования особенностей пространственных спектров морской поверхности в зоне солнечного блика.

ГЛАВА V. НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗОН ОБРУШЕНИЯ

И ПЕННЫХ ОБРАЗОВАНИЙ.

5.1. Методика наблюдения и обработка материалов экспериментов по исследованию структуры зон обрушения гравитационных и капиллярно-гравитационных морских волн.

5.2. Описание и параметризация пространственной структуры зон

• обрушения и пенных образований.

5.3. Рекомендации по выполнению крупномасштабной фотосъемки пенных образований и зон обрушений на морской поверхности.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и исследования методов крупномасштабной фотосъемки динамико-статистических объектов на морской поверхности"

На поверхности океана наблюдается проявление самых разнообразных физических и биологических процессов, происходящих как на поверхности, так и внутри океана, а также при его взаимодействии с атмосферой.

Практически все виды излучения, регистрируемые дистанционной аппаратурой, за исключением излучения в видимой части спектра (цвета моря), формируются не толщей воды, в которой развиваются интересующие процессы и явления, а в очень тонком слое непосредственно вблизи поверхности. Поэтому для решения многих океанологических задач с помощью дистанционных методов необходимо правильно понимать и описывать динамические процессы, происходящие в верхнем слое океана.

Особенностью многих явлений на морской поверхности является их случайный характер. При этом они весьма изменчивы в пространстве и во времени. Эта изменчивость обусловлена наложением и взаимодействием большого числа факторов. Функциональные причинно-следственные связи между явлениями на морской поверхности и факторами, их определяющими, сложны, и характеризуются разно-маснггабностью, полицикличностью и стохастичностыо. Все это позволяет нам отнести большинство из наблюдаемых на морской поверхности явлений к классу так называемых динамико-статистических объектов (ДСО). Для их теоретического и экспериментального исследования можно и нужно использовать идеи и методы теории случайных и (или) стохастических процессов. К наиболее распространенным ДСО на морской поверхности можно отнести различные типы поверхностного волнения, обрушения волн, толчею, сулой, слики и пятна выглаживания, барашки и пенные образования, солнечные блики и др.

Наличие пены и барашков влияет на многие физические процессы, протекающие у границы раздела: поглощение и отражение солнечной радиации, передачу количества движения, газообмен океана и атмосферы, генерацию заряженных частиц соли и ядер конденсации, образование брызг. Исследование процесса ценообразования на морской поверхности представляет значительный интерес для решения задач океанологии и метеорологии, оперативного мониторинга морских акваторий и выявления зон аномального состояния морской поверхности.

Для решения вопроса о механизме взаимодействия электромагнитного излучения с взволнованной морской поверхностью (рассеяние волн) существует необходимость подробного изучения детальной структуры (временной и пространственной) зоны обрушения индивидуальных морских волн и выявление чисто статистических связей между интенсивностью рассеянного сигнала и элементами геометрии обрушающихся волн.

Разнообразие явлений на поверхности океана, их пространственных и временных масштабов требует обширного арсенала средств исследования. Для изучения одних явлений часто достаточно простого визуального наблюдения или фотографирования поверхности, другие же требуют точных количественных измерений. Многие из явлений фиксируются на фотоснимках, и фотографирование поверхности продолжает оставаться важным и наиболее точным методом исследования морской поверхности, хотя и ограниченным метеорологическими условиями, светлым временем суток и т.п. Полезная информация о поверхности океана получается при ее фотографировании с летательных аппаратов — самолетов и искусственных спутников Земли (ИСЗ). С помощью аэрокосмических методов можно осуществлять одновременно наблюдения на относительно больших площадях. Поэтому они нашли широкое применение при изучении Поверхностного волнения, течений, внутренних волн, циркуляционных движений, загрязнений, взаимодействия океана и атмосферы, биологических процессов и т.п.

Для изучения детальной пространственной структуры динамико-статистических объектов необходимы экспериментальные данные о состоянии поверхности моря, полученные с высоким (не менее нескольких мм) пространственным разрешением.

В настоящее время наибольшей геометрической точностью, высоким пространственным разрешением и хорошей дешифрируемостью обладают фотоснимки. Преимуществом фотосъемки является также удобная для практического применения форма представления информации в виде изображений, высокий методический и технологический уровень разработанных способов ее получения и использования. Однако, существующие методы и технологии аэрофотосъемки не ориентированны на крупномасштабную фотосъемку морской поверхности и не позволяют в настоящее время эффективно решать поставленные задачи. В связи с этим, предметом исследований, выполняемых в настоящей диссертации, является разработка методов, рекомендаций и технологий получения и обработки крупномасштабных изображений динамико-статистических объектов на морской поверхности.

Целью работы является разработка теоретико-методических основ и практических методов крупномасштабной фотосъемки динамико-статистических объектов (ДСО) на морской поверхности для исследования пространственных свойств ДСО и их взаимодействия с атмосферой, с использованием современных подходов к тематической обработке фотографических изображений, распознаванию образов, основным элементам геоинформационных технологий. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие частные задачи: провести всесторонний аналитический анализ существующих методов дистанционного зондирования морской поверхности; разработать рекомендации и технологию крупномасштабной фотосъемки ДСО на морской поверхности; найти и обосновать способы описания общих для типичных изображений ДСО особенностей их спектралыю-просТранственной структуры; провести тематический цикл натурных экспериментов по изучению ДСО фотографическим методом в целях исследования и апробации разработанной технологии.

При решении поставленных задач использовались методы теории информации, математической статистики, закономерностей формирования полей электромагнитного излучения, тематического дешифрирования и сте-реофотограмметрической обработки изображений, методы цифрового моделирования, компьютерной графики и ГИС-технологий. Экспериментальные исследования включали натурные эксперименты по изучению состояния морской поверхности, проведенные автором в период 1988-1993гг.

Результаты исследований изложены в пяти главах.

В первой главе изложены результаты теоретических и методических исследований по фотографической регистрации динамико-статистических объектов (ДСО). Анализируются возможности современных систем аэрокосмического дистанционного зондирования и основные задачи, для решения которых они сегодня используются. Рассмотрены современные методы, технологии и аппаратное обеспечение аэрофотосъемки. Показана важность и необходимость дальнейшего развития автоматизированных технологий и методов крупномасштабной фотосъемки природных и антропогенных объектов. Поставлены цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассмотрены методы обработки материалов крупномасштабной фотосъемки морской поверхности. Представлена разработанная автором технология получения и обработки крупномасштабных фотографических изображений ДСО на морской поверхности.

Описаны проведенные натурные эксперименты и разработанная автором компьютерная база данных ДСО.

В третьей главе рассмотрены результаты натурных исследований гравитационно-капиллярных волн на морской поверхности. Показана эффективность использования линеаментного анализа для исследования пространственной структуры высокочастотного ветрового волнения. Описаны новые закономерности пространст-е венной организации ряби на морской поверхности.

В четвертой главе рассмотрены особенности фотосъемки бликовых зон на морской поверхности, описаны результаты тематической обработки крупномасштаб-^ ных изображений зон блика. Описан метод определения уклонов волн по фотоизображениям зон блика и представлены результаты его использования. Описана структура высокочастотной части пространственного спектра блика на морской поверхности.

Пятая глава посвящена исследованиям пенных образований и зон обрушений на морской поверхности. Представлены результаты обработки материалов натурных экспериментов и их физическая интерпретация.

Приводится описание пространственных структур пенных образований и их функций распределения. Описаны особенности пространственных спектров высокочастотного ветрового волнения в зонах обрушения морских гравитационных и гравитационно-капиллярных волн.

Научная новизна работы. В настоящей работе разработана и реализована на практике технология крупномасштабной фотосъемки ДСО на морской поверхности. Результаты исследований позволяют более эффективно использовать возможности методов дистанционного зондирования при проведении мониторинга водных объектов.

К оригинальным теоретическим и практическим результатам работы относятся:

- технология и рекомендации но выполнению и обработке материалов крупномасштабной фотосъемки ДСО на морской поверхности;

- метод линеаментного анализа пространственной структуры ряби на морской поверхности;

- автоматизированный метод определения уклонов волн по полю блика на морской поверхности;

- практические результаты экспериментальных исследований и новые теоретические и экспериментальные факты о динамико-статистических объектах в прибрежных акваториях (особенности пространственно-временной структуры высокочастотного ветрового волнения, зон блика и обрушений морских волн, статистические характеристики гребневой пены при различных метеоусловиях и режимах ветрового волнения).

Практическая ценность работы. Технология крупномасштабной фотосъемки морской поверхности и методы тематической обработки изображений, изложенные в работе, нашли практическое применение в ряде российских организаций, работающих в области дистанционного зондирования. В частности, они используются в следующих организациях: Научно-производственном объединении «Комета», Центре подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина, Госцентре «Природа», факультетах Аэрокосмической съемки и фотограмметрии и Прикладной космонавтики МИИГАиК.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на 5-ти научно-технических конференциях студентов и аспирантов МИИГАиК (1995-2003 гг.).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты исследований по теме диссертации изложены в 5 научных работах, опубликованных в научных изданиях.

Заключение Диссертация по теме "Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия", Гунченко, Василий Григорьевич

Основные результаты и выводы работы заключаются в следующем.

1. Технология и рекомендации по выполнению и тематической обработке материалов крупномасштабной фотосъемки ДСО на морской поверхности.

2. Метод линеаментного анализа пространственной структуры ряби на морской поверхности.

3. Автоматизированный метод определения уклонов волн по полю блика на морской поверхности.

4. Компьютерная структура и макет базы данных по пространственным характеристикам динамико-статистических объектов.

5. Практические результаты экспериментальных исследований и новые теоретические и экспериментальные факты о динамико-статистических объектах в прибрежных акваториях.

6. Новые сведения о статистических характеристиках гребневой пены(ГП) в прибрежной зоне моря для различных метеоусловий. В частности, одним из основных результатов экспериментальных исследований явилось получение функции распределения линейных размеров обрушающихся волн при различных скоростях ветра в приводном слое атмосферы.

7. Новые сведения о пространственной структуре поля блика, обрушений и высокочастотного ветрового волнения и особенностях временной изменчивости их спектральных характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленная диссертационная работа содержит исследования и разработки автора, которые можно рассматривать как решение актуальной научной задачи, посвященной разработке технологии и методам получения и тематической обработки крупномасштабных фотоизображений динамико-статистических объектов на морской поверхности. На основе всестороннего анализа и обобщения пространственных и спектральных характеристик отображаемых объектов разработан ряд цифровых алгоритмов и технологий анализа цифровых изображений, которые могут составить основу количественной параметризации динамико-статистических структур на морской поверхности.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Гунченко, Василий Григорьевич, Москва

1. Автоматизированный линеаментный анализ при структурно-геологических и ме-таллогенических исследованиях. М., Недра, 1988, 86 с.

2. Алексеев А.С., Пяткин В.П. и др. Автоматизированная обработка изображений природных комплексов Сибири. Новосибирск, Наука, 1988, 173 с.

3. Алешков Ю.З. Течение и волны в океане. -СПб: Изд-во С.-Петербург, ун-та, 1996. -225 е. Библиогр.:с.219-223 (82 назв.)

4. Алмазов И.В и др. Выбор оптимального варианта выполнения крупномасштабной аэрофотосъемки. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. М., 1995, №3, с. 86-92.

5. Алмазов И.В., Овечкин В.Н. и др. Определение предельных условий аэрофотосъемки в целях выявления на снимках элементов ландшафта и с известыми размерами и отражательными свойствами. Изв. вузов, Геодезия и аэрофотосъемка. 1990, № 3, с.63-71.

6. Алтынов А.Е., Манченко Д.А. Выбор оптимального масштаба фотографирования для крупномасштабной аэрофотосъемки. Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. М., 1987, №3, с. 71-76.

7. Андреев Б. М. и др. Измерение мелкомасштабных элементов волн и пены при микроволновых исследованиях морской поверхности. В кн. Неконтактные методы измерения океанографических параметров. М., Гидрометеоиздат, 1977., с. 43-47.

8. Арсеньсв С.А., Шелковников Н.К. Динамика морских длинных волн: Спецкурс/. -М.: Изд-во МГУ, 1991. -88 е.: ил. (Физика. ). - В надзаг.:МГУ им. М. В. Ломоносова, Физ. фак.Библиогр.: с. 85:88 (60 назв.).

9. Бадалян С. Обработка данных дистанционного зондирования с применением программы ER Mapper. /Геоинформационные системы. №5, 1999.

10. Ю.Баландина Г.Н., Иванов А.Ю., Каневский М.Б., Титов В.И. Оценка гидродинамического контраста, создаваемого на поверхности океана внутренними волнами, по РСА-изображению океана из космоса/. -Нижний Новгород, 1997. -11 е.:

11. П.Баранов Ю.Б., Королев Ю.К., Миллер С.А. Программное обеспечение для обработки данных дистанционного зондирования. /Информационный бюллетень. ГИС Ассоциация. №2 (9) с.42-45; №4 (11), 1997. с.40-47.

12. Барановский В.Д. Разработка и совершенствование методов определения спектрально-статистических характеристик морского волнения, основанных на применении стереофотограмметрической съемки: Дис. канд. техн. наук. Киевский гос. ун-тет,1990. 184 с.

13. Бобир Н.Я., Лобанов А.Н., Федорук Г.Д. Фотограмметрия. М.:Недра, 1985.

14. Бондур В.Г. Дистанционная оценка состояния границы раздела атмосфера-океан по пространственным спектрам изображений. В книге «Оптико-метеорологические исследования земной атмосферы». Новосибирск, Наука, 1987, с. 195-207.

15. Бондур В.Г. Оперативная дистанционная оценка состояния границы раздела атмосфера океан по пространственным спектрам изображений // Оптико-метеорологические исследования земной атмосферы, Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1987. С. 217-230.

16. Бондур В.Г., Борисов Б.Д., Генин В.Н. и др. Поле яркости морской поверхности при искусственном импульсном освещении // Перенос изображений в земной атмосфере. Томск, 1988. С. 42-45.

17. Бондур В.Г., Мурынин А.Б, Восстановление пространственных спектров морской поверхности по оптическим изображениям с учетом нелинейной модуляции поля яркости // Оптика атмосферы. 1991. Т. 4. № 4. С. 387-395.

18. Бондур В.Г., Старченков С.А. Методы и программы обработки и классификации аэрокосмических изображений. Изв. Вузов.Серия Геодезия и аэрофотосъемка. 2001, № 1, с. 118-146.

19. Бондур В.Г., Шарков Е.А. Статистические характеристики линейной геометрии пенных структур на поверхности моря по данным оптического зондирования. Исследования Земли из космоса. 1986. № 4. с. 21-31.

20. Бортковский Р.С. Пространственно-временные характеристики барашков и пятен пены, образующихся при обрушении. Метрология и гидрология. 1987. № 5. с. 6875.

21. Бочков Г.Н., Горохов К.В., Ермаков С.А. и др. Биспектральный анализ регулярных и ветровых нелинейных поверхностных волн гравитационно-капиллярного диапазона/ -Нижний Новгород, 1996. -23 е.: ил.

22. Всденьков В.Е., Смирнов Г.В., Борисов Т.Н. Динамика поверхностных и внутренних корабельных волн/. -Владивосток: Дальнаука, 1999. -223 е.: ил. В над-заг.:Рос.АН, Ин-т океанологии им.П.П.Ширшова.Библиогр.:с.211-221 (248 назв.).

23. Волков Ю. А. Анализ спектров морского волнения, развивающегося под действием турбулентного ветра. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1968, т. 4, № 9, .с. 968-987.

24. Воляк К.И., Лоссов К.И., Лоссов Н.И. и др. К теории воздействия внутренних волн на морскую поверхность/ -М., 1992. -67 е.: ил. Библиогр.: с. 52 (9 назв.)

25. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М.: Издательство АиБ, 1997, 296 с.

26. Гонин Г.Б. Космическая фотосъемка для изучения природных ресурсов. Л.: Недра, 1980,319 с.

27. Гришин Г.А. и др. Фурье-анализ изображений морской поверхности для моделирования эволюции поверхностного волнения. В сб. "Проблемы исследования океана из космоса ", 1984, с.64-68.

28. Грушин В. А. Спектральный и корреляционный анализ двумерных и одномерных сигналов в диалоговом режиме. Препринт ИКИ АН СССР, Пр-833, М., 1982. 19 с.

29. Гунченко В.Г. Технология обработки фотографических изображений морской поверхности. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. Специальный выпуск М., 2002 г. 84 с.

30. Гунченко В.Г. Фотографические методы исследования динамико-статистических объектов на морской поверхности. Известия высших учебных заведений Геодезия и аэрофотосъемка. Специальный выпуск М., 2001 г. 18 с.

31. Гунченко В.Г. Особенности бликовых зон на морской поверхности. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. Специальный выпуск М., 2003 г. 18 с.

32. Гунченко В.Г., Малинников В.А. Рекомендации по выполнению крупномасштабной фотосъемки пенных образований и зон обрушений на морской поверхности. Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. Специальный выпуск М., 2003 г. 18

33. Алтынов А.Е., Гунченко В.Г., Рыбкин К.В., Ямбаев Х.К. Основные положения организации информационной системы «Ведомственный кадастр» Минобразования РФ. Инновации №9-10, 2001 г., с75-79

34. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И„ Рожков В.А. Ветровое волнение в Мировом океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 256 с.

35. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 287 с,

36. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения, том 1 и 2, М., Изд. Мир, 1971.

37. Дубиновский В.Б. Калибровка снимков. -М.:Недра, 1982.

38. Дюран Б. Оден П. Кластерный анализ. М.: Статистика, 1977. 127 с.

39. Егоров В.В., Котцов В.А. Средства получения аэрокосмической информации о Земле. В сб.: Исследование Земли из космоса, том 1 (Итоги науки и техники, ВИНИТИ АНСССР), М, 1987, с. 131 - 179.

40. Ермаков С.А., Гольдблат В.Ю., Зуйкова Э.М. и др. Натурные оптические и радиолокационные измерения ветровых гравитационно-капиллярных волн и их гашения поверхностно-активными пленками. Предварительные результаты/ -Нижний Новгород, 1996. -23 е.: ил.

41. Ермаков С.А., Сергиевская И.А., Гольдблат В.Ю., Щегольков Ю.Б. Лабораторное исследование генерации второй гармоники гравитационно-капиллярных волн/. -Нижний Новгород, 1997. -16 е.: ил.

42. Ермаков С.А., Сергиевская И.А., Щегольков Ю.Б. Лабораторные измерения кривизны гравитационно-капиллярных волн.2/. -Нижний Новгород, 1996. -14 е.: ил.

43. Ефимов В.В. Динамика волновых процессов в пограничном слое атмосферы и океана. Киев, 1981, 253 с.

44. Ефимов В.В., Полников В.Г. Численное моделирование ветрового волнения/. -Киев: Наук, думка, 1991. -239 е.: В АН УССР, Мор.гидрофиз. ин-т.Библиогр.: с. 230-236 (149 назв.).

45. Захаров В. Е., Заславский М. М. Форма спектра энергонесущих компонентов водной поверхности в слаботурбулентной теории ветровых волн.-Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1983, т. 9, .№ 3, с. 282-291.

46. Захаров В.Е. Заславский М.М. Зависимость параметров волн от скорости ветра, продолжительность его действия и разгона в слаботурбулентной теории ветровых волн // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1983. Т. 19, № 4. С. 406-416.

47. Зуйкова Э.М., Титов В.И. Исследование модуляции ряби длинными поверхностными волнами с помощью оптических методов/. -Нижний Новгород, 1997. -11 с.

48. Ильин Ю.А., И.И. Стрижкии, Малинников В.А. Комплексный метод исследования высокочастотных ветровых волн. Тез. доклада. Региональная конференция «Ветровое волнение».Севастополь,26-27 февраля, 1990, с.16-17.

49. Киенко Ю.П. Новый космический аппарат для дистанционного зондирования Земли. /Геодезия и картография, №2, 1999.

50. Королев Ю.К, Баранов Ю.Б. Методы обработки данных дистанционного зондирования. /Информационный бюллетень. ГИС Ассоциация, №2 (4), 1996, с 50-55.

51. Королев Ю.К. Как подойти к обработке снимков. /ARC-REVIEW, №4 (11), 1999, с.1-3.

52. Короновский Н.В, Златопольский А.А, Иванченко Г.Н. Автоматизированное дешифрирование космических снимков с целью структурного анализа. /Исследование Земли из космоса, №1, 1986, с 111-118.

53. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли (Основы и методы дистанционных исследований в геологии). Перевод с немецкого. М.: Мир, 1988.

54. Кудрявцев В.Н. и др. Экспериментальные исследования механизмов модуляции радиолокационного сигнала на масштабах морских поверхностных волн. Исследование Земли из космоса., 2001, №4, с. 13-30.

55. Лаврова Н. П., Стеценко А. Ф. Аэрофотосъемка. Аэрофотосъемочное оборудование. М.: Недра, 1981. 297 с.

56. Лейкин И.А., Розенбсрг AM. Измерение высокочастотного спектра океанских волн с дрейфующего судна // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1987. Т. 23. № 11. С. 1188-1192.

57. Лобанов А.Н. Фототопография. М.:Недра, 1983.

58. Малинников В. А. И др. Комплексное изучение тонкой структуры ветрового волнения. Тезисы докл. IV Всесоюзной конф. «Мировой океан», ч. 2. Владивосток, 1983 с. 23-24.

59. Малинников В.А и др. Особенности пространственно-временной структуры морского волнения по данным фотосъемки и контактных измерений. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. М, 1990, № 1, с. 99-105.

60. Малинников В.А. и др. Калибровка дистанционных измерений пространственных спектров волнения по оптическим изображениям. Исследование Земли из космоса, М.,№2, 1992.

61. Малинников В.А. и др. Метод регистрации высокочастотного спектра ветрового волнения в реальном масштабе времени. Тезисы докл. IV Всесоюзной конф. «Мировой океан», ч. 2 Владивосток, 1983, с. 72-73.

62. Малинников В.А. и др. Пространственная структура высокочастотного ветрового морского волнения при различных метеоусловиях. Изв. АН СССР, ФАО, 1985, т.21, N4, с.440-442.

63. Малинников В.А. и др. Синхронные оптические и контактные исследования нро-странственно-спектральных характеристик морского. Исследования Земли из космоса, 1986, №2, с. 57-67.

64. Малинников В.А., Ильин Ю.А., Лапчинская М.П. Диагностика нефтяных загрязнений водной поверхности методом частотной фильтрации отраженного излучения В кн.: Тез. докл. 7 Всесоюзного семинара "Дистанционный мониторинг экосистем". Воронеж, 1991, с.22-23.

65. Малинников В.А., Лещанский И.Ю. А.С. 1432333 СССР МКИ G01 С 13/00. Способ определения параметров волн и устройство для его осуществления. 1988.

66. Малинников В.А., Стрижкин И.И. Экспериментальные исследования особенностей структуры спектров возвышений и уклонов ветрового морского волнения. Тез. доклада на 3 съезде советских океанологов.Л., 1987.

67. Малинников В.А., Стрижкин И.И., Тихомиров О.А. Анализ методов определения уклонов волн по фотоснимкам. Геодезия и аэрофотосъемка. Известия вузов высших учебных заведений. Москва, 1993, №3

68. Математические методы исследования природных ресурсов Земли из космоса.". М.: Наука, 1984, с. 148-166.

69. Методы обработки и преобразования дистанционных данных для целей региональных ГИС. /Научно-технический сборник. ЦНИИГАиК, М., 1996; 32с.

70. Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. Л.: Гидрометеоиз-дат.1985.376 с.

71. Морской гидрофизический журнал: Науч.-теорет.журп. -Севастополь: Морской гидрофизический институт,Национальная Академия наук Украины, 1985.

72. Мурынин А.Б, Параметризация фильтров, восстанавливающих пространственные спектры уклонов морской поверхности по оптическим изображениям // Исслед. Земли из космоса. // 1991. №5.С.31-38.

73. Мурынин А.Б., Лупян Е.А. Восстановление пространственных спектральных характеристик границы океан атмосфера по данным оптического зондирования // Оптика атмосферы, 1990. Т, З.ЖЗ.С, 299-305.

74. Мурынин Л. Б. Восстановление пространственных спектров морской поверхности по оптическим изображениям в нелинейной модели поля яркости // Исслед. Земли из космоса. 1990. №6,С.60-70.

75. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. М.: Мир, 1982. 428 с.

76. Панченко Е. Г., Чаликов Д. В. Энергетическая структура пограничного слоя атмосферы над волнами Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1984, т. 20, № 9, с. 834-841.

77. Под редакцией Берлянта Ф.М. и Кошкарева А.В. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. М.: ГИС-Ассоциация, 1999, 204 с.

78. Применение аэрометодов для исследования моря/Под ред. Здановича В. Г. М. — Л.: Изд-во АН СССР, 1963. 544 с.

79. Секерж-Зенькович С.Я., Захаров Д.Д., Тимохина А.О., Шингарева И.К. О возбуждении поверхностных и внутренних волн в океане гармоническими источниками в упругом дне М., 1996. -27 е.: ил.

80. Спектры направленных волн, измерение в процессе выполнения совместной программы исследования волн северных морей 1973 г./ТПП Украины. Харьков.отд-ние. N А-299/7 -Б.г. -38 с.

81. Стрижкин И.И., Малинников В.А., Лапчинская М.П. О взаимосвязи между спектром яркости фотоизображения и спектром возвышений взволнованной водной поверхности. Изв. Вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1984, №3, с.90-95.

82. Структурный анализ снимков в аэрокосмических исследованиях Земли. Под ред. Книжникова Ю.М.,М.,1985, 147 с.

83. Тимофеев П.В., Шарков Е.Л. Натурные исследования дисперсной фазы зоны обрушения морской волны/. -М., 1992. -33 е.: ил. Библиогр.: с. 19-21 (21 назв.)

84. Титов В. И. Определение спектра волнения путем спектрального анализа аэрофотоснимков. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1982, том 18, № 2, с. 215216.

85. Троицкая Ю.И. Модуляция скорости роста короткой поверхностной волны, возбуждаемой турбулентным ветром в присутствии длинной. -Нижний Новгород, 1996. -36 с.

86. Тюфлин Ю.С. Способы стереофотограмметрической обработки снимков, полученных с подвижного базиса. Издательство «Недра», М., 1971 с. 160

87. Филлипс ОМ. Динамика верхнего слоя океана: Пер. с англ. М.: Мир, 1980. 319с.

88. Черный И.В.,Шарков Е.А. Радиодистанционные исследования процесса обрушения морской волны. Исследования Земли из космоса, №2, 1988.

89. Шариков Ю. Д., Черкасов И. А. Применение аэрофотосъемки для изучения морского волнения (практическое руководство). Л.: АН СССР, 1959, 217 с.

90. Шарков Е.А. Оптические исследования временной динамики пенных структур на взволнованной морской поверхности. Исследования Земли из космоса, №1, 1994, с. 68-78.

91. Шарков Е.А., Покровская И.В. Оптико-дистанционные исследования полей обрушений гравитационных волн развивающегося морского волнения. Исследования Земли из космоса, №3, 1998, с. 11-22.

92. Шарков Е.А., Покровская И.В. Пенная активность на морской поверхности как марковский случайный процесс. Докл. АНСССР, 1987, т.293, №5, с. 1108-1111.

93. Шулейкин В.В. Физика моря. М.:Наука, 1968.

94. ARC REVIEW Современные геоинформационные технологии /Совместное издательство Дата+, ESRI, Inc, и ERDAS, Inc. №№ 7-19, 1998-2001г.

95. Benjman Т.В., Feir J.E. The Disintegration of wave trains on keep water J. Fluid Mech., 1967, v.27, pp.417-430.

96. Carter D. J. Predition of wave height and period for a constant wind velocity using the JONS WAP Results.- Ocean Eng., 1982. v. 9, № 1. p. 17-33.

97. Сох С. Н., Munk W. Statistics of the sea surface derived from sea glitter J.Mar. Res., vol. 13, №2, pp. 198-227.

98. Crawford D.R. and etc. Stability of vveakey nonlinear deep-water in two and three dimensions. J.Fluid Mech.,1981, vol.105.

99. Dunckel D.E.,Ewing J.A. Direction Wave spectra Observed During Jonswap из журн.: Journal of Physical Oceanography. -1980. Vol.10. - P.1264-1280.

100. ERDAS Field Guide. Fourth Edition, Revised and Expanded. /Atlanta, Georgia.: ERDAS, Inc., 656p.

101. Kasevich R. S. Directional wave-spectra from day-light scattering. J. Geophys. Res., 1975, v. 80, № C33, p. 4533-4541.

102. Kasevich R. S., Tang C.-H. and Heuriksen S. W. Analysis and optical processing of sea photographs for energy spectra. IEEE Tr. Geosc. Electr., 1972, vol. GE-10, pp. 5157.

103. Kudryavtsev V., Makin V., Chapron B. Coupled sea surface atmosphere model. 2. Spectrum of short wind waves. J. Geophys.Res 1999, vol.104, NC4, p.7625-7639.

104. Leykin I.A., Rosenberg A.D. Sea-Tower measurements of wind-wave spectra in the Caspain Sea // J. Phys. Oceanogr. 1984. V. 14. P. 168-176.

105. Longuet Higgins M.S'. The instabilities of gravity waves of finite amplitude in deep water. Proc. R. Sor. London, Ser.A, № 360, 1971.

106. Longuet-Higgins M. S. The generation of capillary waves by steep gravity waves. J. Fluid Mech., 1963, vol. 16, № l,pp. 138-159.

107. Plass G.N.,Kattavar G.W. Humphreys T.J. Influence of the oceanic scattering phase function on the radiance // J. Geophys. Research. 1985. V. 20. №102. P. 3347-3351.

108. Stilwell 0., Pilon A. Directional spectra of surface waves photographs. — J. Geophys. Res., 1974, v. 79, № 9, p. 1977 1984.

109. Stive M.J.F. Cross-shore flow in waves breaking on a beach: Diss./. -Delft, 1988. -Pag.var.: ill.Delft hydraulics pubIications;N395, ISSN 0166-7521). Библиогр.в конце гл.

110. Toba J. Local ballance in the air-sea boundary process // Oceanogr. Soc. Japan. 1973. V. 29. P.209-225.,

111. Troickay Yu. I. Wind excitation of surface waves in the coupled air-water turbulent shear flow. A simple model of visco-elastic turbulence. -Nizny Novgorod, 1997. 43 p.

112. Williams R. Manual of remote sensing. Second Edition. Ch. 31. Geological Applications. American society of photogrammetry. 1983. p. 1667-1951.

113. Zlatopolsky A. Program LESSA (Lineament Extraction and Stripe Statistical Analysis). Automated linear image features analysis -experimental results. /Computers & Geosciences, v.18,N9, 1992. p. 1121-1126.