基于视频序列的海底热液速度场反演方法研究

Due to the hostile environment and limitation of the submarine measurement technology, it is difficult to measure the quantitative flow velocities of the hydrothermal field. With the hydrothermal field velocities, one can estimate the heat and mass transferring to the seafloor, study the effect on ambient flow or intermediate water, and deeply understand the dynamic development process of the hydrothermal systems. Mostly the qualitative analysis is carried out with the videos of hydrothermal vents.How to acquire the velocity field with the videos? In present project, we develop a new hydrothermal field velocity inversion method, based on the videos of submarine observation. For the hydrothermal plumes, the 2-D velocity field is calculated by cross correlating the positions of the particles in the plumes.For the diffuse hydrothermal flow,because of the refraction index anomaly, first we calculate the deformation vectors by cross correlation of pixel intensities, and then the velocity field is acquired by cross correlating the deformation vectors.Inspection and correction of the algorithm mentioned above are carried out with median filtering and laboratory experiment.The method is applied to the video sequences of Lucky Strike hydrothermal field of Mid-Atlantic Ridge to calculate the mass and heat flux and dynamic process of hydrothermal fluids.

由于深海恶劣环境和测量技术限制，目前对海底热液区速度多点定量测量难以实现。通过热液区流体速度，可以评估热液对海底物质和能量输送，研究热液与周围海水的卷挟混合以及对中层水循环的影响，也有助于认识热液系统自身动力学发展过程。采用海底光学镜头进行视频拍摄,是目前观测热液运动过程的主要手段。如何通过现有的视频资料，来获得热液区流体速度场的定量数据？本项目拟通过利用海底热液区视频观测资料，发展一套基于视频的流体速度场反演方法。对于热液羽流，通过图像互相关算法确定颗粒物位置的变化，来得到流体速度；对于弥散热液流，则通过对背景参照物因折射率变化引起的变形矢量，进行差值互相关分析，来得到热液区流体速度场。通过室内实验和中值滤波等对该方法进行误差校验和修正。最后以大西洋中脊Lucky Strike热液场观测视频为例，计算热液系统速度场，并进一步分析其物质能量输运及动力学演化过程。

深海恶劣环境导致直接测量热液区速度场难以实现，通过海底光学镜头进行视频拍摄,是目前观测热液运动过程的主要手段，且已有相对较多的深海热液视频数据资料。本项目利用海底热液区视频观测资料，发展基于视频的热液区流体速度场反演方法。在室内流体力学实验中通过加热使得热电阻所接触的水体升温失稳而形成热液羽流,模拟热液羽流生成发展和演化的动力学过程，并对提出的反演算法进行验证。最后将该方法应用于太平洋典型的热液区，得到了冲绳海槽热液喷发的速度场和体力通量，以及东太平洋热液场的形态结构和物质能量通量的释放。本项目于深度挖掘海洋现有观测资料价值是一次非常有益的尝试，并且对提升我们对海底热液动力过程的认识，丰富海底热液系统的观测分析都具有重要的意义。