О возможности использования видеотрансляций в сети Интернет для дистанционной регистрации ветрового волнения и сейшевых колебаний в озерах

В ТОИ ДВО РАН была разработана и применялась в исследованиях в заливе Петра Великого (Японское море) программная технология QAVIS для измерения параметров волновых процессов и колебаний уровня моря на основе анализа в реальном времени видеотрансляций с нескольких сетевых IP-камер, установленных сотрудниками института на побережье залива [1,2]. В QAVIS поддерживаются несколько измерительных инструментов, среди которых наиболее полезен инструмент Корреляция, позволяющий отслеживать с заданной частотой, обычно 5 Гц, вертикальные движения маркерных объектов на поверхности воды. Последние можно интерпретировать как сигнал изменения уровня водной поверхности в точке расположения маркера. Быстрые колебания этого сигнала обычно связывают с ветровыми либо корабельными волнами, медленные с колебаниями уровня моря - приливными, сгонно-нагонными, сейшевыми. В [3] было показано, что программа QAVIS легко может применятьcя для измерений волнения и колебаний уровня моря на любых прибрежных акваториях, с которых в сеть Интернет ведется трансляция морских сцен с маркерными объектами. Точность измерения уровня в стандартной процедуре корреляционного трекинга определяется линейным размером одного пикселя видео, что недостаточно, если маркер расположен далеко от камеры и претерпевает в поле видеокадра очень малые колебания с размахом в 2-3 пикселя или еще меньше. В связи с этим в 2023 г. в QAVIS была встроена поддержка процедуры субпиксельного трекинга [4,5].
Задача измерения колебаний уровня воды в озерах имеет большое прикладное и научное значение в общей проблематике исследования гидрологии суши. Измерения уровня проводятся традиционными средствами непосредственно в озерах, а также дистанционными спутниковыми альтиметрическими методами. Использование альтиметров осложняется ограниченными размерами водной поверхности в озерах, к тому же эти измерения уровня очень редкие. В последние годы в Интернете появилось много видеотрансляций с озер. Это дает основания надеяться расширить спектр методов измерений уровня в озерах за счет использования сетевого видео.
В докладе будут представлены результаты измерений уровня, прежде всего сейшевых колебаний, с помощь QAVIS в нескольких озерах. Измерения были выполнены в 2023-2025 годах, длительность сеансов непрерывных наблюдений варьировалась от нескольких часов до нескольких суток.
В июле и сентябре 2025 г. были проведены QAVIS-измерения колебаний уровня в Женевском озере (другое название – озеро Леман). Это озеро знаменито тем, что на его примере швейцарским ученым-лимнологом Франсуа-Альфонсом Форелем впервые было научно объяснено явление сейшей, как собственных колебаний масс воды в замкнутых водоемах, и предложена формула для расчета периода сейшевых колебаний – формула Мериана, Период пропорционален длине водоема и обратно пропорционален корню квадратному из его средней глубины. Форель теоретически рассчитал и подтвердил измерениями периоды первой и второй мод сейшей Женевского озера – 73 и 36.5 минут. Нами использовалась видеотрансляция https://www.youtube.com/watch?v=-3rTCWinLI4 с лодочной стоянки. Измерялись вертикальные колебания четырех прогулочных лодок. На всех устойчиво фиксировались периодичности около 72 и 36 минут. Размах сейшевых колебаний варьировался в разных циклах наблюдений от 0.7 до 6 см.
QAVIS измерения колебаний уровня альпийского озера Невшатель в значительной мере повторили неудачу Фореля на этом озере. Ему не удалось подтвердить в измерениях предсказанную формулой Мериана периодичность 56 минут. Вместо нее он получал периодичность около 42 минут, которая при этом была очень не стабильной. Позднее Форель сам нашел причину - в северной части озера была обнаруженная очень высокая подводная гора. В QAVIS сигналах также встречалась периодичность около 42 минут, которая спустя 2-3 часа после начала разваливалась. Однако однажды она длилась более 16 часов.
С Итальянским альпийским озером Гарда проблем не было. В QAVIS сигналах устойчиво проявлялась известная по справочным источникам сейшевая периодичность 41 минута.
Озеро Тахо расположено в США в горном массиве на границе между штатами Калифорния и Невада. В статье [6] были представлены результаты измерения уровня воды в Тахо в 2019 году в 10 точках побережья. Было выделено шесть устойчивых сейшевых мод с периодами от 18 до 10 минут. В разных точках побережья проявлялись от 1 до 3 мод. Нами в 2023 и 2025 годах было найдено 2 подходящие для QAVIS-анализа интернет-трансляции, территориально близкие к точкам реальных наблюдений, одна на северо-западе озера, другая на юго-востоке. В результате QAVIS измерений получены сигналы, в спектрах которых выделены моды, близкие по частоте к модам соответствующих натурных наблюдений.
Озеро Верхнее – одно из Великих озер на границе США и Канады. QAVIS измерения проводились на видеотрансляции с пирса деревни Лаэнс на южном побережье озера. Отслеживались вертикальные движения плавающих деревянных мостков. Длительность непрерывных наблюдений составляла более недели. В спектре сигналов присутствовали устойчивые пики сейшевых колебаний с периодами от 8 до 2 часов. QAVIS-сигналы сравнивались с сигналами измерителя уровня NOAA, развернутого в деревне Maркет (100 км от Лаэнс, шаг дискретизации – 1 час). Спектры сигналов оказались визуально очень похожи, взаимный спектральный анализ показал, что практически все сейшевые компоненты существенно когерентны.
Таким образом, полагаем, что приведенные в докладе результаты демонстрируют перспективность применения сетевых камер видеонаблюдений для измерения колебаний уровня водной поверхности в озерах. Специалисты могут поискать в интернете подходящие видеотрансляции, либо развернуть на побережье озера собственную систему сетевого видеонаблюдения.
Работа выполнена в рамках госбюджетной темы «Комплексное использование методов дистанционного зондирования Земли, а также наземных и подводных измерительных систем в исследованиях морских погодных образований, гидродинамических и биогеохимических процессов в верхнем слое океана и морей» (рег. номер 124022100080-0).