风应力对河口潮汐流无人机热红外表面测速的影响评估

本文通过对比无人机热红外测速与声学流速剖面仪（ADCP）的同步测量数据，首次量化了风应力对河口潮流水面流速测量的影响。研究发现，顺风与逆风条件下水面流速与水体内部流速存在显著偏差，揭示了环境风场对遥感表面流场测量的系统性干扰，为改进地表水流遥感监测技术提供了关键实验依据。

　　

研究背景与方法创新

本研究创新性地将无人机搭载的热红外微测辐射计相机应用于河口潮汐流表面流速测量，通过对比同点位声学多普勒剖面仪（ADCP）的测量数据，首次系统量化了风应力对表面流速遥感测量的影响。实验在加利福尼亚卡平特里亚盐沼保护区进行，利用Micasense Altum六波段成像仪的热红外波段（160×120像素，8-14μm波长范围）捕捉水面自然温度图案，采用空间时间图像测速法（STIV）进行模式追踪测速。

风应力作用的量化分析

研究结果显示，风应力方向与潮汐流向的相对关系显著影响表面流速测量精度。当平行风应力（τ_‖）与潮汐流同向时，无人机测量的表面流速高于ADCP推算的表面外延流速（U_surfex）；而当风应力与潮汐流反向时，表面流速测量值则低于实际流速。特别值得注意的是，在潮汐流向转换期间（飞行B），表面流速测量甚至出现了方向性误判，这主要是由于风应力对水面薄层的持续作用与水体内部流动方向不一致所致。

技术细节与数据质量

研究采用了地面控制点（GCP）地理配准和图像稳定化处理，相比无人机GPS定位，GCP位移法的位置误差标准差仅为2.9厘米，显著优于GPS方法的49.6厘米。通过计算风应力平行分量（τ_‖ = ρC₁₀U₁₀²cosθ），发现流速差异（U_Δ）与风应力呈明显正相关。STIV测速方法虽然受限于热红外相机帧率（0.75Hz）和空间分辨率（1.6厘米/像素），但仍成功检测到84-89°范围内的图案运动角度。

应用意义与局限性

这项研究揭示了在风速低于5m/s的条件下，风应力引起的表面流速测量误差可达5-50厘米/秒，与ADCP测量的"真实"流速处于同一数量级。这表明在使用表面流速推估断面平均流速时（通常采用0.85的流速指数），必须考虑风应力引起的系统误差。研究还证明了无人机热红外测速技术在河口环境中的可行性，无需人工添加示踪剂即可追踪自然温度图案。

未来展望

该研究为改进地表水流遥感监测技术提供了重要依据，建议后续研究开发风应力校正算法，并探索更高时空分辨率的热红外成像系统在复杂水文环境中的应用潜力。同时，研究结果对准确估算河口物质通量和生态系统过程监测具有重要实践价值。