CN104268848A - 一种海洋内波波速监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海洋内波波速监测的方法，具体包括以下步骤：S1,对含有内波信息的遥感图像预处理；S2，采用标准拉伸法对预处理的SAR图像和MODIS图像进行增强；S3，在MODIS增强图像和SAR增强图像提取内波位置与分布信息；S4，对低精度的MODIS内波波峰线进行空间插值；S5，提取内波波速；S6，内波波速的精度验证。其优点是：利用卫星微波遥感图像和光学遥感图像提取内波波速，提取精度较高、成本低、省时、省力、数据源较多，可以获得某一海域内波波速的空间分布，进而可以拓展内波波速与环境因子相关性方面的研究。

Description

一种海洋内波波速监测的方法

技术领域

本发明涉及海洋监测领域，具体地说，是一种海洋内波波速监测的方法。 

背景技术

海洋遥感技术是把传感器装在人造卫星、宇宙飞船、气球等工作平台上对海洋特性进行远距离接触测量和记录的综合性探测技术。它是集空间学，电子学、海洋学、光学与一体的高新技术,其原理是基于海洋不断向周围辐射电磁波能量，同时海面也反射散射太阳和人造辐射源照射其上的电磁波能量,利用专门设计的传感器把这些能量接受记录并传输和处理可以获得与海洋特性有关的信息图像或数据资料。 

海洋内波是一种重要的海水运动，它将海洋上层的能量传至深层，又把深层较冷的海水连同营养物带到较暖的浅层，促进生物的生息繁衍。内波导致等密度面的波动，使声速的大小和方向均发生改变，对声呐的影响极大，有利于潜艇在水下的隐蔽；对海上设施也有破坏作用。因此，研究海洋内波尤为重要，海洋内波特性参数中，通常选用波速衡量研究海洋内波，海洋内波波速的时空分布和变化规律在海洋生产实践、航海活动中扮演着重要角色。在传播方向、波长、振幅等众多内波参数中，海洋内波波速是非常重要的参数，内波速度的时空分布及其变化规律对于明确内波的出现时间和实现内波可预报性研究有重大意义。 

现有技术中，关于海洋内波波速的测量有如下几种方式： 

1. 实地测量，如利用船测和浮标数据获得内波波速。

2. 基于KdV方程、BO方程等波浪方程模拟，获得内波波速。 

3. 在单幅卫星微波遥感图像中通过捕捉两个波列前导波之间的距离来计算内波波速（假设半日潮是陆架内波的主要驱动力）。 

4. 在两幅卫星微波遥感图像中通过捕捉同一内波在两个不同时刻的波列前导波之间的距离来计算内波波速。 

现有技术中，关于海洋内波波速的测量方法有以下不足： 

1.实地测量，如利用船测和浮标数据获得内波波速。缺点：范围小、时间长、成本高、受天气条件影响大。实地测量只能通过定点或布阵,测量很小空间范围内的海洋内波波速。由于海洋内波的发生具有较大不确定性，往往需要长时间的连续观测才能捕捉到有用的内波信息，进而得到内波波速。实地测量需要调动船只，安排人员出海到现场观测，成本高，且受天气条件的影响。浮标观测的优势是观测时间长，不足之处在于目前浮标资料非常有限。

 2.基于KdV方程、BO方程等波浪方程模拟，获得内波波速，需考虑水深以及非线性问题，并不是适用于每一个海域。 

3.在单幅卫星微波遥感图像中通过捕捉两个波列前导波之间的距离来计算内波波速（假设半日潮是陆架内波的主要驱动力）。该方法忽略了内波的传播方向，它的结果是数万公里中内波的平均波速，精度不高。 

4.在两幅卫星微波遥感图像中通过捕捉同一内波在两个不同时刻的波列前导波之间的距离来计算内波波速。该方法需要两幅同一海区的含有内波的卫星微波遥感图像，且这两幅图像的时间间隔短（一般数十分钟）。而微波遥感卫星的重访周期一般为几十天，因此，实际上满足该方法条件的数据源很少。 

综上所述，亟需一种测量范围广、精度高、数据来源多、不受地理位置限制的海洋内波波速监测的方法，关于这种能实现上述功能的方法目前还未见报道。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种测量范围广、精度高、数据来源多、不受地理位置限制的海洋内波波速监测的方法。 

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是： 

一种海洋内波波速的监测方法，包括以下步骤：

S1，对含有内波信息的遥感图像预处理；

S2，采用标准拉伸法对预处理的SAR图像和MODIS图像进行增强；

S3，在MODIS增强图像和SAR增强图像提取内波位置与分布信息；

S4，对低精度的MODIS内波波峰线进行空间插值；

S5，提取内波波速；

S6，内波波速的精度验证；

步骤S1中，所述遥感图像为SAR图像和MODIS图像，包括辐射校正、几何校正、地理编码、噪声去除的处理；

步骤S3中，所述提取内波位置与信息分布具体为：

a人工提取,如果内波条纹不多，可选用人工提取的方法，首先在GIS环境中将SAR、MODIS增强图像转换为KMZ形式打开，采用人机交互的方式在GIS系统中手动提取内波波峰线，再根据内波图像的经纬度信息确定内波位置和分布；

b全自动提取，如果内波条纹多，可通过编程实现内波位置的全自动提取；

c半自动提取，选用人工干预和编程相结合来提取内波位置，人工干预的主要内容是去除图像中类似海洋内波与其他海洋的现象。

优选地，步骤S4中，所述空间插值具体为：对精度低的MODIS内波波峰线条进行插值，精度高的内波波峰线条不进行插值。 

 优选地，步骤S5中，所述内波波速的提取具体为：选中代表两个不同时刻同一内波的两条内波波峰线，从其中一条对另一条作垂线，该垂线在两条内波波峰线之间的线段长度就代表内波在这两个不同时刻的运动位移。测量该线段长度就可以得到内波运动位移。为减少误差，我们采用的办法是：在第一条内波波峰线中选择多个点作垂线进行多次测量，记录取每三个测量点的平均值。利用公式速度= 位移/时间(即v=s/t),计算内波传播速。 

本发明优点在于：利用卫星微波遥感图像和光学遥感图像提取内波波速，提取精度较高、成本低、省时、省力、数据源较多，可以获得某一海域内波波速的空间分布，进而可以拓展内波波速与环境因子相关性方面的研究。 

 附图说明

附图1为本发明提供的一种海洋内波波速监测方法的流程图。

附图2a为本发明提供的世界时间2009年7月27日05点40分00秒的MODIS原始图像。 

附图2b为本发明提供的世界时间2009年7月27日02点26分24秒的SAR原始图像。 

附图2c为本发明提供的世界时间2009年7月27日05点40分00秒的MODIS增强图像。

附图2d为本发明提供的世界时间2009年7月27日02点26分24秒的SAR增强图像。

附图3a为本发明提供的世界时间2009年7月27日05点40分00秒的MODIS增强图像。 

附图3b为本发明提供的世界时间2009年7月27日02点26分24秒的SAR增强图像。 

附图4a为本发明提供的内波波峰线图像。 

附图4b为本发明提供的插值后的内波波峰线图像。 

附图5为本发明提供的SAR/MODIS图像中内波信息的呈现及提取内波波速的图像。 

附图6a为本发明提供的7月份内波理论波速与提取波速对比的图像。 

附图6b为本发明提供的春夏季节内波理论波速与提取波速对比的图像。 

具体实施方式

本发明提供一种海洋内波波速监测的方法，下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。请参照图1，本发明的方法具体包括以下步骤： 

步骤S1中，对含有内波信息的遥感图像预处理，具体包括：

利用合成孔径雷达和MODIS仪器在待测海面进行监测，得到相应的原始图像分别为SAR图像和MODIS图像，对图像进行辐射校正、几何校正、地理编码、噪声去除的处理。

步骤S2中，采用标准拉伸法对预处理的SAR图像和MODIS图像进行增强，具体包括：采用蓝/白赋色方案显示MODIS图像和SAR图像，使内波信息在MODIS图像和SAR图像中突出显示，请参照图2：其中，图a为世界时间2009年7月27日05点40分00秒的MODIS原始图像。图b为世界时间2009年7月27日02点26分24秒的SAR原始图像。在原始SAR、MODIS图像中，东沙岛东部、西部以及东沙岛南北两边均有内波出现。在MODIS原始图像中可见，除东沙岛以东两条内波可以呈现，其他内波信息由于图像的对比度很低，均没有呈现出来。而由于SAR的成像方式与MODIS分辨率不相同且分辨率更高，内波信息在原始SAR图像中呈现的较全面，但并不清晰。图c是MODIS增强图像，内波出现区域是东沙岛附近；图d是SAR增强图像,内波出现区域是东沙岛附近；在SAR、MODIS增强图像中，图像经过拉伸对比度增大了，内波清晰并且全面的呈现出来，从而增强对内波的识别能力，有利于内波信息的提取。 

步骤S3中，在MODIS增强图像和SAR增强图像提取内波位置与分布信息。 

其中，该步骤具体方法有：人工提取、全自动提取、半自动提取。 

1）人工提取，如果内波条纹不多，可选用人工提取的方法，首先在GIS环境中将SAR、MODIS增强图像转换为KMZ形式打开，采用人机交互的方式在GIS系统中手动提取内波波峰线，再根据内波图像的经纬度信息确定内波位置和分布。 

2）全自动提取，如果内波条纹多，可通过编程实现内波位置的全自动提取。 

3）半自动提取，选用人工干预和编程相结合来提取内波位置，人工干预的主要内容是去除图像中类似海洋内波与其他海洋的现象。 

请参照图3，其中，图a为世界时间2009年7月27日05点40分00秒的MODIS内波波峰线图像，图b为世界时间2009年7月27日02点26分24秒的SAR内波波峰线图像，图像中用线条标记内波波峰线，图像对应的区域是东沙岛北部。 

步骤S4中，对低精度的MODIS内波波峰线进行空间插值，具体包括： 

由于SAR图像与MODIS图像的空间分辨率不同（这里，SAR图像分辨率为300 m，MODIS图像分辨率为250 m），造成提取的内波波峰线的精度不同。为减小因精度不同而产生的测量误差，我们对低精度的内波进行空间插值，使它与高精度的内波具有相同的采样间隔。

请参照图4，其中，图a为插值前内波波峰线图像，图b为插值后内波波峰线图像，白色线条表示从MODIS图像提取的内波波峰线,由于精度较低，对其作了插值；黑色线条表示从SAR图像提取的内波波峰线，由于精度较高，没有作插值。 

步骤S5中，提取内波波速，具体包括： 

根据应用卫星合成孔SAR图像与MODIS图像提取海洋内波波速，按照以下方法提取内波速度：选中代表两个不同时刻同一内波的两条内波波峰线，从其中一条对另一条作垂线，该垂线在两条内波波峰线之间的线段长度就代表内波在这两个不同时刻的运动位移。测量该线段长度就可以得到内波运动位移。为减少误差，我们采用的办法是：在第一条内波波峰线中选择多个点作垂线进行多次测量，记录取每三个测量点的平均值。利用公式速度=位移/时间(即v=s/t),计算内波传播速度。

 步骤S6中，内波波速的精度验证，具体包括： 

 内波的传播速度可以利用水深、海水垂直层化和背景流场信息通过求解Taylor-Goldstein(T-G)方程从理论上得到。在准静力平衡的近似下，记背景流速垂直剖面为U(Z)，Phillips（1977）指出线性波W(Z)的垂直位移可由T-G方程来决定：

                                                 (1)

其边界条件为：

                                                                  (2)

其中是浮力频率的平方，H是水深，是ρ是海水密度，g是重力加速度，z是垂直方向，Uzz是U的二阶导数，是波速，内波几乎不受地转影响，因为内波的频率远远大于局地惯性震荡频率。因此，按其重要性，依次由地形，层化和背景流所决定。因为随时间变化的瞬时流场通常比内孤立波的相速度要小，Gill（1982）T-G方程可以简化成Sturm–Liouville(S-L)方程。背景流对速度的效应在S-L方程中没有被考虑进去。

                                                 (3) 

方程（3）的求解需要用到海洋层化数据和水深数据。当地水深数据主要使用ETOPO1地形高程数据，ETOPO数据是全球海底地形模型数据,分为ETOPO1，ETOPO2，ETOPO5，其中1的精度最高，为1弧分，文件大小380 MB左右。海洋层化数据主要使用在实测数据方面，主要使用GDEM（generalized digital environmental model）数据，涵盖全年12个月份的月平均海洋分层数据。Zhao(2006)指出南海北部具有显著的海水垂直层化季节变化及剧烈变化的海底地形特征，所以内波相速度也随海底地形、海洋层化结构的变化呈现出一定的变化规律。在已知海洋分层数据，水深数据的情况下，使用通过sw-vmodes模式求解T-G方程，得到内波理论波速。图6a显示，7月份理论波速与图5中SAR/MODIS图像中提取的7月份内波波速基本吻合。图6b显示了3、4、5、6、7、8共6个内波频发的月份中SAR/MODIS图像像对中提取的内波与理论内波波速的对比，可见提取精度。

 需要说明的是：海洋内波波速的时空分布和变化规律在海洋生产实践、航海活动中扮演着重要角色。在传播方向、波长、振幅等众多内波参数中，海洋内波波速是非常重要的参数。内波速度的时空分布及其变化规律对于明确内波的出现时间和实现内波可预报性研究有重大意义，卫星遥感具有观测范围大、精度高、数据来源多、不受地理位置限制的特点，非常适合用来观测海洋内波。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。 

Claims (3)

1.一种海洋内波波速监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，对含有内波信息的遥感图像预处理；

S2，采用标准拉伸法对预处理的SAR图像和MODIS图像进行增强；

S3，在MODIS增强图像和SAR增强图像提取内波位置与分布信息；

S4，对低精度的MODIS内波波峰线进行空间插值；

S5，提取内波波速；

S6，内波波速的精度验证；

步骤S1中，所述遥感图像为SAR图像和MODIS图像，包括辐射校正、几何校正、地理编码、噪声去除的处理；

步骤S3中，所述提取内波位置与信息分布具体为：

a人工提取，如果内波条纹不多，可选用人工提取的方法，首先在GIS环境中将SAR、MODIS增强图像转换为KMZ形式打开，采用人机交互的方式在GIS系统中手动提取内波波峰线，再根据内波图像的经纬度信息确定内波位置和分布；

b全自动提取，如果内波条纹多，可通过编程实现内波位置的全自动提取；

c半自动提取，选用人工干预和编程相结合来提取内波位置，人工干预的主要内容是去除图像中类似海洋内波与其他海洋的现象。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述空间插值具体为：对精度低的内波波峰线条进行插值，精度高的内波波峰线条不进行插值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中，所述内波波速的提取具体为：选中代表两个不同时刻同一内波的两条内波波峰线，从其中一条对另一条作垂线，该垂线在两条内波波峰线之间的线段长度就代表内波在这两个不同时刻的运动位移，测量该线段长度就可以得到内波运动位移，为减少误差，我们采用的办法是：在第一条内波波峰线中选择多个点作垂线进行多次测量，记录取每三个测量点的平均值，利用公式速度=位移/时间,计算内波传播速度。