无海面控制点立体摄影海浪测量技术及其应用研究

Stereophotography can accurately measure the wavenumber-frequency spectrum and its evolution, make up for lack of existing wave observation means.Therefore it is important to wave theory and applied research related to.The project intends to study a non-sea control points stereoscopic photography wave measurement technology and makes a preliminary application to provide technical support for future waves and related applied research.By experimenting with different items to be offshore marine environment, improve image matching algorithm and the wave number - frequency spectrum algorithm; As a preliminary application the project plans to measure the spectrum that wavelength of the waves is from 0.5m to 5m and study its evolution, observe induced waves and broken of internal waves;Synchronously observe wave mixing experiments with ADV.Since we established a observation system based on the oil platform in the South China Sea, these seemingly difficult experiments have become feasible. observation program and all aspects of the basic algorithm is detailed in research program.Early research and experimental conditions laid the foundation for the completion of the project successfully.

立体摄影可以精确测量严格意义上的海浪波数-频率谱及其演变过程，弥补现有海浪观测手段的不足，对海浪理论及其相关应用研究有重要意义。项目拟研究一种无海面控制点立体摄影海浪测量技术并进行初步应用；为今后海浪及其相关应用研究提供技术支撑。项目拟着重依托不同海洋环境下的外海实验，完善影像匹配算法和波数-频率谱的算法。作为初步应用，项目拟测量波长从0.5m至5m的海浪方向谱并研究其演变规律；进行内波诱导海浪和破碎的观测；进行与ADV同步观测海浪混合实验。由于我们在南海基于石油平台建立了海气观测系统，以上这些看似很难的实验都变得可行。研究方案中详述了各种外海实验的观测方案和立体摄影各个环节的基本算法。前期的铺垫性研究和得天独厚的实验条件奠定了本项目顺利完成的基础。

2015年本项目作为自然科学基金青年基金获批立项，2016年1月启动，按计划2018年12月结题。项目研究期间，新组建了一套立体摄影海浪采集系统硬件，做了多次外海实验和风-浪-流水槽实验，获得了大量的实验数据，这些数据包括：1.外海实验时，立体摄影测量系统采集的海面影像数据，气象数据，波浪骑士采集的海浪数据，ADCP采集的海流数据；2. 水槽实验时，测波杆采集的波浪数据、风控管采集的风速剖面数据；3.实验室定标实验时，获得定标场影像和定标参数数据等。依托这些数据分析并完善了无海面控制点立体摄影定标技术，影像匹配技术和海面起伏生成技术。在定标技术中，内定向方面，一方面自主研发了一套定标技术，另一方面也整合了当前广泛被采用的OpeanCV上开源定标软件；相对定向方面，完善了软件的计算方法，从原来的一张影像定标发展成多张影像共同定标，大大提高了定标精度，并在此基础了提高了定标速度和自动化程度；绝对定标方面，完善了海面的快速确定方面，发展了无控制点的绝对定向方法。在影像匹配技术中，基于大量的影像数据，完善了影像匹配方法，提高了匹配速度，达到每小时1000万个点以上匹配速度。在海面起伏生成方面，基于多项式，采用间接平差方法，并通过特殊的粗差剔除方法，发展了一套稳定的海面起伏生成方法。在这些研究基础上，反复优化了整个软件系统，提高计算速度和自动化水平，最终完成了一整套具备商业水平的立体摄影海浪测量软件系统，从而完成了本项目的研究目标。. 该项目最终发展了一套完整了立体摄影海浪测量硬件系统和软件系统，这套系统能快速测量海面起伏的时间序列，这是目前其他海浪测量设备都无法做到的，该成果可以直接应用到海浪理论及其应用研究，海面微波遥感研究，船舶建造设计等领域，因此具有重要的应用潜力和实用价值。