Okean səthinin məsafədən tədqiqinin yeni metodlarının işlənməsi və Xəzər dənizinə tətbiqi

Bu məqalədə son illərdə tərəfimizdən işlənən iki yeni məsafədən tədqiq metodu haqqında qısa məlumat verəcəyik. Bunlar aşağıdakılardır:

1.Geostasionar peykdən Yer kürəsi müşahidə edildiyi zaman iki parametrə (zaman t və peykin koordinatı j_sat) görə Günəş əksinin (parıltısının) okean üzərində coğrafi koordinatlarını dəqiq təyin edən metodun işlənilməsi və peyk təsvirlərinin emalında tətbiqi;

2. Dəniz səthinin vəziyyətini (təmiz və ya çirkli, dalğanın dərəcəsi) məsafədən təyin edən "güzgü əksi nöqtələr" metodu əsasında tərs problemin qoyulması və həlli; Dəniz səthində Günəş parıltılarının ölçülərinin (sahələrinin) paylanma qanununun (Gardashov's distribution) tapılması.

Qeyd edək ki, Gunəş parıltıları məsafədən tədqiq metodlarında daima mövcud olan bir problemdir. Bəzi məsələlərdə Günəş parıltıları "faydalı siqnal", bəzi məsələlərdə isə "faydalı siqnalı pozan küy" rolunu oynayır.

Məsələn:

Okean və dəniz səth temperatur sahələrinin peyklərdən cəkilmiş infraqırmızı təsvirlər əsasında tədqiqi zamanı Günəş parıltıları əngəlləyici faktor kimi özünü göstərir.

Peyklərdən cəkilmiş təsvirlər əsasında dalğa və külək sahələrinin tədqiqi zamanı Günəş parıltılarının əhatə etdiyi bölgənin forması və ölçüləri bu dalğa və külək sahələrinin indikatoru kimi istifadə oluna bilər.

1-ci metod

Geostasionar peykdən Yer kürəsi müşahidə edildiyi zaman t və peykin koordinatına görə Günəş əksinin okean üzərində coğrafi koordinatlarının təyini.

Ümumiyyətlə, Yerin məsafədən tədqiqi probleminin həlli üçün Günəşin və peykin pozisiyasından (mövqeyindən) asılı olaraq okean və ya dəniz üzərində Günəş parıltılarının əhatə etdiyi bölgənin formasının, yerinin (coğrafi koordinatlarının) və ölçülərinin təyin olunması vacib problem kimi ortaya çıxır. Geostasionar peyklərdən müşahidə zamanı bu problemin həllini nəzərdən keçirək.

Geostasionar orbit ekvator müstəvisində Yer səthindən 35786 km yüksəklikdə yerləşən dairəvi orbitdir. Bu orbitə yerləşdirilmiş peyk Yer ilə eyni bucaq sürəti ilə dönür və bu səbəbdən Yer üzərindəki "peykaltı nöqtə" sabit qalır, yəni peykdən daima Yer kürəsinin eyni hissəsi (təxminən üçdə biri) müşahidə olunur. Bu xüsusiyyətinə görə geostasionar peyklər rabitə, meteoroloji və hərbi məqsədlər üçün daha əlverişlidir.

Geostasionar orbitin radiusu iki şərtin ödənməsindən tapılır:

1) Cazibə qüvvəsinin mərkəzdənqaçma qüvvəsinə bərabərliyi;

2) Peykin bucaq sürətinin Yerin dönmə bucaq sürətinə bərabərliyi.

Buradan geostasionar orbitin radiusu üçün t = 42164 km, peykin xətti sürəti üçün isə v = 3.075 km/s əldə edilir.

Okean səthi tam hamar, yəni dalğasız olarsa, Günəş parıltısı diskşəkilli olur. Dalğa əmələ gəlib gücləndikcə bu tam disk kiçik-kiçik parıltılara bölünür və daha geniş bir regionu əhatə edir. Biz günəş parıltısının coğrafi koordinatları dedikdə diskin mərkəzi nöqtəsinin en və uzunluq dairələrini nəzərdə tuturuq.

Bu koordinatların tapılması problemi 3 mərhələdə həyata keçirilir.

1-ci mərhələdə Kepler tənliyi həll edilərək zamanın baxılan t anı üçün Yer kürəsinin orbitdəki yeri təyin edilir (Şəkil 1);

2-ci mərhələdə bu t anında Günəş, Yer və peykin qarşılıqlı vəziyyəti təyin edilir;

3-ci mərhələdə şüanın qayıtma qanunu və sferik triqonometriya formulları əsasında əldə edilən qeyri-xətti tənlik həll edilərək Günəş parıltısının coğrafi koordinatları (en dairəsi, uzunluq dairəsi) təyin edilir.

Bu metod əsasında proqram paketi hazırlanmış və geostasionar peyk təsvirlərində Günəş parıltısının deşifrəsi üçün tətbiq edilmişdir. Bu proqramın giriş parametrləri:

1) geostasionar peykin koordinatı və

2) peyk təsvirinin alındığı vaxtdır.

Proqramın çıxışı:

1.Parıltının mərkəz nöqtəsinin coğrafi koordinatları;

2.Parıltının gün içində, mövsümsəl və illik trayektoriyaları;

3.Yer kürəsinin eyni anda həm işıqlanan, həm də müşahidə olunan bölgəsinin konturu;

4.Hamar səthdə Günəş parıltısının (diskin) konturu;

5.Dalğalı səthdə Günəş parıltılarının parlaqlıqlarının paylanması izoxətləri.

Metodun tətbiqi

Metod Avropa Kosmik Agentliyinin "Meteosat 9" peykindən alınmış təsvirlərə tətbiq edilmişdir. Bu peykin koordinatı: jsat = 00, yəni Grinviç meridianı üzərində (ekvator müstəvisində) yerləşdirilmişdir.

Səkil 2 və Səkil 4-də 28 sentyabr 2012-ci il tarixində, müxtəlif saatlarda peykdən çəkilmiş şəkillər və hesablamalar nəticəsində alınmış Yer kürəsinin eyni anda həm işıqlanan, həm də müşahidə edilən bölgənin konturu (sərhədi) və Günəş parıltısının yeri göstərilmişdir. Səkil 2-də Günəş parıltısı daha parlaq olub nisbətən kiçik sahəni əhatə edir. Bu, okeanda zəif dalğa olduğunu göstərir. Səkil 4-də güclü dalğa səbəbi ilə Günəş parıltıları daha geniş bir sahəni bürüyür.

Şəkil 5-də hesablamalara görə alınmış Günəş parıltısının gün içində müxtəlf mövsümlərdə trayektoriyaları verilmişdir. Səkil 6-da isə Günəş parıltılarının müxtəlif zaman anları üçün illik izləri göstərilmişdir.

Beləliklə, göründüyü kimi, bu metodun tətbiqi ilə geostasionar orbitdən çəkilmiş şəkillərdə Günəş parıltılarının coğrafi koordinatları dəqiq təyin edilir.

Nəzərə alsaq ki, geostasionar orbitdə peyklərin sayı hal-hazırda 1000-dən coxdur və durmadan artır, onda bu problemin nə qədər aktual olduğu görünür.

Bu problemin qoyuluşu, həlli və geostasionar peykdən alınmış təsvirlərə tətbiqi aşağıdakı SCI daxil olan impakt faktorlu jurnallardaki məqalələrdə verilmişdir:

1.Gardashov R.G., Barla M.S. Calculations of the radiance distribution of solar highlights on the ocean when they are observed from geostationary orbit. Journal of Optical Technology, 66(12), 1089-1093, DEC 1999.

2.Gardashov R.G. The distribution of the Sun glitter radiance on the ocean surface by observing from a geostationary orbit. Izvestiya RAN, Atmospheric and Oceanic Physics. Vol.35, No 3, p. 417-420, 1999 , Moscow.

3.Gardashov R.G., Barla M.C. The calculation of the distribution of the Sun glitter radiance on the ocean surface by observing from a geostationary orbit.International Journal of Remote Sensing, Vol. 22, No 15, p.2939-2952, 2001

4.Gul E., Gokhan K., Erdogmus F., Gardashov R. The determination of sunglint location on the ocean surface by observing from the geostationary satellites Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences (TAO), Vol. 17 No.1, March 2006, pp.253-261.

Qeyd edək ki, Avropa Kosmik Agentliyinin (European Space Agency- ESA) sifarişı ilə hazirlanmış "The Recommended GHRSST-PP Data Processing Specification" sənədində kosmik şəkillərin emalında bu metodun tətbiqinin vacib olduğu aşağıdakı istinadla göstərilir:

"Rule 2.2.1.3b: If an indication of sun-glint is not provided with an input pixel value, an appropriate method should be used to set bit 5 of the L2P confidence_flag that is based on the geometry of sun and satellite position and surface roughness (e.g., Gardashov and Barla, 2001)".

Bu istinadı ESA və NASA- nın saytlarında tapmaq olar:

dup.esrin.esa.it/prjs/Results/131-176-149-30_200688102120.pdf

ftp://podaac.jpl.nasa.gov/allData/ghrsst/docs/GDS-v1.0-rev1.6.pdf

2-ci metod

Dəniz səthinin vəziyyətini (təmiz və ya çirkli dalğanın dərəcəsi) məsafədən təyin edən "güzgü əksi nöqtələr" metodu əsasında tərs problemin qoyulması və həlli; Dəniz səthində Günəş parıltılarının ölçülərinin (sahələrinin) paylanma qanununun (Gardashov's distribution) tapılması.

Pariltıların xarakteristikaları (sayı, ölçüləri, aralarındaki məsafələr) dəniz səthinin dəyişməsinə çox həssasdır. Bu səbəbdən bu xarakteristikaları distansion metodlarla öyrənərək dəniz səthinin vəziyyətini müəyyən etmək mümkündür.

Məsələn, dəniz səthi paralel düşən Günəş və ya lazer şüaları ilə işıqlandırılmış olsun və səthdən əks olunan işıq enerjisi məsafədən (distansiyon ) qəbul edilsin. Bu durumda qəbuledicinin qeyd etdiyi işıq enerjisi dəniz səthindəki parıltılardan gələn enerjilərin toplamıdır :

Bu toplamda parıltıların sayı Nsvə parıltının ölçüsü Xi təsadüfi kəmiyyətlərdir və səth dəyişdikcə onlar da dəyişirlər. Dəniz səthinin riyazi modeli olaraq"Gauss təsadüfi səthi" götürülür və hələ keçən əsrin ortalarından dənizdə aparılan ölçmələr bu modelin kifayət qədər dəqiqliklə doğru olduğunu göstərir.

Parıltının ölçüsü "güzgü-əksi nöqtədə"ki əyrilik radiusu Xi -yə mütənasibdir (Şəkil 7).

"Güzgü-əksi nöqtə" z = z(x.y) səthinin qradientinin sabit olduğu nöqtələrdir.

Qəbul edilən siqnalın statistik xarakteristikaları ilə səthin statistik xarakteristikaları arasındaki riyazi əlaqəni müəyyən etmək üçün Gauss təsadüfi səthinin qradienti sabit olan nöqtələridə əyrilik radiuslarının paylanma qanununu (sıxlığını) tapmaq lazımdır. 2D - z=z(x) və 3D - z = z(x.y) Gauss təsadüfi səthlərinin "güzgü-əksi nöqtə"lərdə əyrilik radiuslarının paylanma sıxlıqları üçün tərəfimizdən kompakt analitik formullar tapılmışdır.

2D - z=z(x) səthi üçün bu paylanma sıxlığı ölçüsüz əyrilik radiusu X üçün yazıldığı zaman sadə bir şəkil alır (Şəkil 7):

Bu paylanma sıxlığına heç bir parametr daxil olmur, bu da onun universal olduğunu, yəni bütün Gauss təsadüfi səthləri üçün doğru olduğunu ifadə edir.

3D - z = z(x.y) səthi üçün paylanma sıxlığı nisbətən mürəkkəb olub, xətalar funksiyası və elleptik inteqrallarla ifadə edilir. Həm də bura səthin anizotropiya dərəcəsini göstərən bir parametr daxil olur. Bu paylanma sıxlığının ifadəsini sonda verilən məqalələrdə tapmaq olar. Şəkil 9-da güzgü-əksi nöqtələrdə əyrilik radiuslarının (yəni parıltının sahələrinin) paylanmasının nəzəri formul ilə, ədədi model və Səkil 10-dakı parıltıların fotoşəklinin işlənməsindən tapılan əyriləri verilmişdir.

Şəkil 11-də təmiz və neft təbəqəsi ilə örtülü dalğalı səthdə parıltıların sahələrinin paylanma sıxlığı verilmişdir. Səth neft təbəqəsi ilə örtüldüyü zaman parıltıların orta sayı 200 dəfə azalır, orta sahəsi isə 700 dəfə artır.

Qeyd edək ki, güzgü-əksi nöqtələrin sayı NS az olduğu zaman inteqral tənliyi cəbri tənlik şəklində yazmaq daha münasibdir.

Beləliklə, ölçülən siqnalın paylanma sıxlığı Wz(Z) məlum olduğu zaman inteqral tənlik həll edilərək parıltıların sayının paylanma sıxlığı tapila bilər. Məlum olduğu kimi, Fredqolm 1-ci növ inteqral tənliyinin həlli korrekt olmayan məsələdir və Tixonovun requlyarizasiya metodu ilə təxmini həll edilir.

Biz əldə etdiyimiz inteqral tənliyə əsaslanan distansion metodun tətbiqinin mümkünlüyünü araşdırmaq üçün 160 ədəd Şəkil 13-də göstərilən tip parıltı şəkillərini statistik analiz edərək Wz(Z) və WN(NS) sıxlıqlarını tapmışıq. Daha sonra bu Wz(Z) sıxlığına görə inteqral tənliyin həllini, yəni WN(NS) funksiyasını Tixonovun həmmüəlliflər ilə birgə təklif etdiyi "FORTRAN" proqramı ilə tapmışıq.

Natural eksperimentdən (parıltı fotoşəkillərindən) və inteqral tənliyin həllindən tapılan parıltıların sayının paylanma sıxlıqları WN(NS) Səkil 14-də verilmişdir.

Göründüyü kimi, metodun tətbiq potensialı mövcuddur və inteqral tənliyin həlli prosedurunu daha da yaxşılaşdıraraq (məsələn, parıltıların sayı üçün formal olaraq kəsir ədədlər götürərək) onun dəqiqliyini artırmaq mümkündür.

Bu metodun işlənməsi və eksperimentlə yoxlanılması aşağıdakı 6 məqalədə (SCI daxil olan) verilmişdir:

1.Gardashov R.The Distribution of Sun Glints Sizes on the SeaSurface, Cent. Eur. J. Geosci. X 1(2) X 2011 X 169-174.

2.Gardashov R.G., Gardashova T.G. Determination of the Statistical Characteristics of the Specular Points of 3 Dimensional Gaussian Sea Surface. Izvestiya RAN, Atmospheric and Oceanic Physics, 2009, Vol. 45, No. 5, pp. 620-628.

3.Gardashov R.G. Determination of the Distribution Density of Specular Points on the Sea Surface. InverseProblems in Science and Engineering,Vol. 16 No.4, pp. 447 - 460, 2008.

4.Gardashov R.G. Determination of the Distribution Density of Specular Points on the Sea Surface: Formulation of the Inverse Problem. Izvestiya RAN, Atmospheric and Oceanic Physics. Vol.42, No 5, p. 632-636, 2006, Moscow.

5.Gardachov R.G. The probability density of the total curvature of a uniform random gaussian sea surface in the specular points. International Journal of Remote Sensing, Vol. 21, No 15, p.2917-2926, 2000.

6.Gardashov R.G. The distribution density of the Gaussian curvature of the sea surface at he mirror image points. Izvestiya AN USSR, Atmospheric and Oceanic Physics. Vol.27, No 12, p.1367-1371, 1991 , Moscow.

Qeyd edək ki, parıltıların sahələrinin paylanma sıxlığının Qardaşov tərəfindən tapılması elmi ədəbiyyatda artıq qəbul edilmişdir. Bunu onun aşağıdakı məqaləsinə edilən istinadlardan görmək olar: [Gardachov R.G. The probability density of the total curvature of a uniform random gaussian sea surface in the specular points. International Journal of Remote Sensing, Vol. 21, No 15, p.2917-2926, 2000]. Bu istinadlardan bir neçəsinin məzmunu SCI daxil olan jurnallarda:

" For isotropic surfaces, Gardachov [16] obtains closed-form expressions..." istinad "Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions" jurnalında edilir;

"E which can also be obtained from equations (34) and (35) in [16] in the limiting case of statistically isotropic surface ...." - istinad "Waves in Random and Complex Media" jurnalında edilmişdir.

Rauf QARDAŞOV,

AMEA-nın akademik H.Ə.Əliyev adına Coğrafiya

İnstitutu Xəzər dənizi problemləri şöbəsinin baş

elmi işçisi, fizika-riyaziyyat elmləri doktoru

Elm.- 2013.- 15 mart.- S.17.