Особенности регистрации обрушений ветровых волн с беспилотных летательных аппаратов

Обрушения ветровых волн (ОВВ) играют важную роль в процессах на морской поверхности – газообмене между океаном и атмосферой, диссипации волновой энергии, генерации турбулентности в приповерхностном слое моря. Учет рассеяния электромагнитных волн на обрушениях важен при анализе данных дистанционного зондирования океана, в особенности радиолокационных.
Современные методы идентификации обрушений на фоне морской поверхности позволяют автоматизировать процесс обработки большого массива данных. Это в свою очередь дает возможность оперативно получать информацию о кинематических характеристиках обрушений, выявлять их временную динамику на различных пространственных масштабах. В настоящее время, исследование процессов обрушения гравитационных волн, как правило, осуществляется при помощи оптической аппаратуры с борта самолета, научно-исследовательского судна, стационарных платформ и дистанционных спутников земли. Стационарные измерения имеют естественное ограничение – пространственную локальность и небольшой пространственный охват морской акватории. Вследствие чего, они малопригодны для получения информации об изменчивости пространственных характеристиках обрушений на крупномасштабных динамических процессах. Этого недостатка лишены данные, получаемые с самолетных и космических носителей. Однако, данные спутниковых аппаратов, не позволяют получить высокое пространственное разрешения (порядка дециметров и сантиметров), которое необходимо для детального анализа изменчивости обрушений малых масштабов. К тому же спутниковые наблюдения не выявляют временную динамику обрушений, поскольку индивидуальное обрушение фиксируется в определенный момент его жизни.
В последнее время для научных исследований используются небольшие, беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Использование БПЛА может оказаться перспективным для исследования процессов обрушения гравитационных волн. В этом случае несомненный интерес представит изучение как временной эволюции геометрических свойств отдельных пенных структур при съемках с высоким пространственным разрешением, так и выявление закономерностей распределения различных характеристик обрушений на больших площадях морских акваторий.
Целью настоящей работы является рассмотрение возможности использования БПЛА для исследования временной динамики процесса обрушения индивидуальных гравитационных морских волн, а также, для выявления закономерностей распределения общей запенённости морской поверхности на больших площадях морских акваторий.
Экспериментальные исследования проводились в прибрежной зоне западного Крыма (район г. Севастополь) в диапазоне скоростей ветра от 5.5 м/с до 9.5 м/с. Определение геометрических размеров обрушений в активной фазе, скоростей их движения осуществлялось по видеозаписям морской поверхности, полученных с БПЛА.
Установлено, что пространственное разрешение трансформированного изображения играет ключевую роль при разделения активной фазы обрушения и остаточной пены. В результате чего, при грубом пространственном разрешении возникают ошибки при определении кинематических характеристик барашков. Доля морской поверхности, покрытая пеной обрушающихся волн, отношение максимальной длины барашка к длине обрушивающейся волны, распределение суммарной длины обрушений в интервалах скоростей движения на единице поверхности, полученные с БПЛА при пространственном разрешении лучше 0.5 м, удовлетворительно соответствуют результатам других авторов.
Анализ данных показывает, что использование беспилотных летательных аппаратов позволяет исследовать статистические характеристики и кинематику обрушений ветровых волн. В то же время, необходимо учитывать влияние пространственного разрешения в видеокадре, которое при значениях, сопоставимых или превышающих масштаб обрушения может приводить к искажению или пропуску данных измерений.
Исследование выполнено по теме государственного задания № FNNN-2021-0005, а также при поддержке гранта РНФ № 21-17-00236.