hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Sciences10.59887/2073-6673.2024.17(3)-4hydrophysics-1369Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ГИДРОФИЗИКАTECHNICAL HYDROPHYSICSСтереооптические методы регистрации процессов на морской поверхностиStereooptical Methods of Sea Surface Processes Registrationhttps://orcid.org/0000-0001-5992-4716БогатовН. А.BogatovN. A.

Богатов Николай Андреевич, ведущий программист ИПФ РАН

Scopus AuthorID: 57160974600

WoS ResearcherID: E-1043–2016

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

603950, Ul’anova str., 46, Nizhny Novgorod

nbogatov@ipfran.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6528-7589ЕрмошкинА. В.ErmoshkinA. V.

Ермошкин Алексей Валерьевич, научный сотрудник ИПФ РАН, кандидат физико-математических наук

Scopus AuthorID: 54410480500

WоS ResearcherID: D-5271–2015

603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

603950, Ul’anova str., 46, Nizhny Novgorod

al-ermoshkin@yandex.ruИнститут прикладной физики РАН им. А.В. Гапонова-ГреховаРоссияA.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics the Russian Academy of SciencesRussian Federation2024281120241734456Copyright © Богатов Н.А., Ермошкин А.В., 20242024Богатов Н.А., Ермошкин А.В.Bogatov N.A., Ermoshkin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/1369

Рассмотрены методы оптических измерений физических параметров процессов на морской поверхности, в том числе покрытой льдом, с применением стереокамер. Предложен оригинальный метод обработки изображений морского льда, позволяющий выделить особенности, влияющие на рассеивание радиолокационного сигнала, такие как участки с открытой водой и острые кромки льдин. В основе метода лежит определение областей интереса на оптическом изображении, расчет статистических характеристик для каждой области, их классификация и определение локальных порогов для выделения искомых структур. Использование стереокамер в свою очередь позволяет учесть перспективные искажения и рассчитать физические параметры ледяного покрова и ветрового волнения. Метод апробирован на данных, полученных в ходе 90-го рейса научно-исследовательского судна «Академик Мстислав Келдыш» в море Лаптевых. Для открытой воды приведены результаты измерения скорости ветровой ряби, полученные с помощью разработанного ранее стереооптического метода. Проводится их сопоставление с Доплеровским сдвигом скорости СВЧ радиоволн. Предложенные в работе методы представляют интерес при проведении натурных экспериментов одновременно с применением когерентных радиолокаторов для количественной интерпретации радиолокационных данных, а также для развития методов дистанционного мониторинга морской поверхности и ледовой обстановки.

This work presents the optical methods for measurements of physical parameters on sea surface also covered by ice by using stereo cameras. New method of images with sea ice processing is offered. It can detect areas of open water and sharp edges on ice, which influence on radar signal refraction. This method is based on area of interest detection on optical images, statistical parameters for each area calculation, classification and local level definition to recognize needed structures. By using stereo system perspective distortions can be corrected and physical parameters of wind waves and sea ice can be calculated. This method was probe on stereo images obtained from 90th voyage of R/V «Akademik Mstislav Keldysh» in the Laptev Sea.

The results of ripple waves velocity measurements in case on open water by using development previously stereo method is presented. Comparison with Doppler shift of microwave signal is made.

The methods presented in this paper are of interest in field experiments simultaneously with the use of coherent radar stations for the quantitative interpretation of radar data, as well as for remote monitoring of the sea surface and ice conditions methods development.

стереосъемкаобработка изображенийледветровая рябьнатурные измеренияstereo photographyimage processingicewind ripplenature measurementsИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 20-77-10081, https://rscf.ru/project/20-77-10081/.The research was supported by the Russian Science Foundation grant No. 20-77-10081, https://rscf.ru/project/20-77-10081/.ReferencesZakhvatkina N., Smirnov V., Bychkova I. Satellite SAR data-based sea ice classification: An overview // Geosciences. 2019. Vol. 9, N 4. P. 152. doi:10.3390/geosciences9040152Zakhvatkina N., Smirnov V., Bychkova I. Satellite SAR Data-based Sea Ice Classification: An Overview. Geosciences. 2019, 9, 4, 152 p. doi:10.3390/geosciences9040152Rohith M.V., Jones J., Eicken H., Kambhamettu C. Extracting quantitative information on coastal ice dynamics and ice hazard events from marine radar digital imagery // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. May 2013. Vol. 51, N 5. P. 2556–2570. doi:10.1109/TGRS.2012.2217972Rohith M.V., Jones J., Eicken H., Kambhamettu C. Extracting Quantitative Information on Coastal Ice Dynamics and Ice Hazard Events From Marine Radar Digital Imagery. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. May 2013, 51, 5, 2556–2570. doi:10.1109/TGRS.2012.2217972Otsu N. A threshold selection method from gray-level histograms // IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernet ics. 1979. Vol. 9. P. 62–66. doi:10.1109/TSMC.1979.4310076Otsu N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Transactions on Systems, Man and Cyber netics. 1979, 9, 62–66. doi:10.1109/TSMC.1979.4310076Banner M.L., Jones I.S.F., Trinder J.C. Wavenumber spectra of short gravity waves // Journal of Fluid Mechanics. 1989. Vol. 198. P. 321–344. doi:10.1017/S0022112089000157Banner M.L., Jones I.S.F., Trinder J.C. Wavenumber spectra of short gravity waves. Journal of Fluid Mechanics. 1989, 198, 321–344. doi:10.1017/S0022112089000157Shemdin O., Tran H. Measuring short surface waves with stereography // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 1992. Vol. 58. P. 311–316.Shemdin O., Tran H. Measuring Short Surface Waves with Stereography. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 1992, 58, 311–316.Benetazzo A. Measurements of short water waves using stereo matched image sequences // Coastal Engineering. 2006. Vol. 53, N 12. P. 1013–1032. doi:10.1016/j.coastaleng.2006.06.012Benetazzo A. Measurements of short water waves using stereo matched image sequences. Coastal Engineering. 2006, 53, 12, 1013–1032. doi:10.1016/j.coastaleng.2006.06.012Богатов Н.А., Мольков А.А. Восстановление характеристик ветровых волн в Атлантике по данным судовой стерео съемки // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14, № 4. С. 90–97. doi:10.7868/S2073667321040080Bogatov N.A., Molkov A.A. Retrieval of wind-driven waves in the Atlantic Ocean by stereo imagery. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2021, 14, 4, 90–97. doi:10.7868/S2073667321040080 (In Russian)Turney D.E., Anderer A., Banerjee S. A method for three-dimensional interfacial particle image velocimetry (3D-IPIV) of an air–water interface // Measurement Science and Technology. 2009. Vol. 20, N 4. doi:10.1088/0957–0233/20/4/045403Turney D.E., Anderer A., Banerjee S. A method for three-dimensional interfacial particle image velocimetry (3D-IPIV) of an air–water interface. Measurement Science and Technology. 2009, 20, 4. doi:10.1088/0957–0233/20/4/045403Simoncelli S., Kirillin G., Tolomeev A.P., Grossart H.-P. A low-cost underwater particle tracking velocimetry system for measuring in situ particle flux and sedimentation rate in low- turbulence environments // Limnology and Oceanography: Methods. 2019. Vol. 17, Iss. 12. P. 665–681. doi:10.1002/lom3.10341Simoncelli S., Kirillin G., Tolomeev A.P., Grossart H.-P. A low-cost underwater particle tracking velocimetry system for measuring in situ particle flux and sedimentation rate in low- turbulence environments. Limnology and Oceanography: Methods. 2019, 17, 12, 665–681. doi:10.1002/lom3.10341Богатов Н.А., Капустин И.А., Мольков А.А., Ермошкин А.В. Измерение скорости ветровой ряби на профиле длинной волны с применением метода стереосъёмки // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20, № 2. С. 216–225. doi:10.21046/2070-7401-2023-20-2-216-225Bogatov N.A., Kapustin I.A., Molkov A.A., Ermoshkin A.V. Retrieval of wind ripple speed from stereo imagery of sea surface. Sovremennye Problemy Distantsionnogo Zondirovaniya Zemli iz Kosmosa. 2023, 20, 2, 216–225. doi:10.21046/2070-7401-2023-20-2-216-225Canny J. A computational approach to edge detection // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelli gence. Nov. 1986. Vol. PAMI-8, N 6. P. 679–698. doi:10.1109/TPAMI.1986.4767851Canny J. A Computational Approach to Edge Detection. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intel ligence. 1986, PAMI-8, 6, 679–698. doi:10.1109/TPAMI.1986.4767851Raffel M., Willert C.E., Scarano F., Kähler C.J., Wereley S.T., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. Springer, 2018. 695 p.Raffel M., Willert C.E., Scarano F., Kähler C.J., Wereley S.T., Kompenhans J., Particle Image Velocimetry: A Practical Guide, Springer, 2018, 695 p.Kaehler A., Bradski G. Learning OpenCV 3: Computer Vision in C++ with the OpenCV // O’Reilly Media, Inc. 2016. 1024 p.Kaehler A., Bradski G. Learning OpenCV 3: Computer Vision in C++ with the OpenCV. O’Reilly Media, Inc. 2016, 1024 p.Chapron B., Collard F., Ardhuin F. Direct measurements of ocean surface velocity from space: Interpretation and valida tion // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2005. 110. C07008. doi:10.1029/2004JC002809Chapron B., Collard F., Ardhuin F. Direct measurements of ocean surface velocity from space: Interpretation and vali dation. Journal of Geophysical Research: Oceans. 2005, 110, C07008. doi:10.1029/2004JC002809Ермошкин А.В., Капустин И.А., Мольков А.А., Богатов Н.А. Определение скорости течения на морской поверхности доплеровским радиолокатором X-диапазона // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13, № 3. С. 93–103. doi:10.7868/S2073667320030089Ermoshkin A.V., Kapustin I.A., Molkov A.A., Bogatov N.A. Determination of the Sea Surface Current by a Dop pler X-Band Radar. Fundamental and Applied Hydrophysics. 2020, 13, 3, 93–103. doi:10.7868/S2073667320030089 (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.