馮 京，趙鐵虎，楊 源，褚宏憲

(1.國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境重點實驗室，山東青島 266071；2.青島海洋地質(zhì)研究所，山東青島 266071；3.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島 266100)

側(cè)掃聲圖鑲嵌技術(shù)分析

馮 京1，2，3，趙鐵虎1，2，楊 源1，2，褚宏憲1，2

(1.國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境重點實驗室，山東青島 266071；2.青島海洋地質(zhì)研究所，山東青島 266071；3.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島 266100)

以山東榮成近海實測側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)為例，利用CODA鑲嵌軟件制作該區(qū)側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)鑲嵌圖，并對聲圖增強處理、海底追蹤精度分析、聲圖重疊區(qū)處理3個關(guān)鍵點作了詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)聲圖增強處理可有效均衡聲圖灰度，提高鑲嵌聲圖分辨率；海底追蹤精度越高，側(cè)掃聲圖左右通道的拼合度就越高，鑲嵌聲圖連續(xù)性也就越好；聲圖重疊區(qū)處理可有效減小拼接痕跡，提高鑲嵌聲圖的質(zhì)量。通過對側(cè)掃鑲嵌聲圖制作效果的分析，發(fā)現(xiàn)側(cè)掃聲圖鑲嵌技術(shù)可提高海底目標(biāo)物的分辨率及連續(xù)性，是區(qū)域性海底地貌研究的有效方法之一。

側(cè)掃聲圖；鑲嵌；CODA軟件；海砂

一、引 言

側(cè)掃聲吶技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，它是利用超聲波陣列向海底發(fā)射具有指向性的超聲波，經(jīng)工作站接收并處理成聲圖影像，用于探測海底地形、地貌及海底目標(biāo)物的重要物探技術(shù)手段之一[1]。側(cè)掃聲吶具有聲圖成像分辨率高、數(shù)據(jù)采集效率高、成本低等優(yōu)點，其探測成果在海洋工程建設(shè)[2-3]、海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和海洋礦產(chǎn)資源調(diào)查[4-5]等領(lǐng)域具有重要作用。

側(cè)掃聲圖鑲嵌技術(shù)是將側(cè)掃聲圖按照統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)，通過空間配準(zhǔn)和內(nèi)容復(fù)合，獲得大比例、高分辨率圖像的一種技術(shù)方法[6-7]。它可實現(xiàn)對目標(biāo)物全面連續(xù)追蹤，廣泛應(yīng)用在區(qū)域性和局域性海底地貌研究及海底目標(biāo)物標(biāo)定等領(lǐng)域。如Adam Kubicki等利用不同時期采集的側(cè)掃聲圖資料制作的波羅的海某泥沙區(qū)的鑲嵌圖，推斷了該海區(qū)的泥沙演化模式[8]；GuyCochrane等利用側(cè)掃鑲嵌聲圖資料對海底底質(zhì)進行了研究，尋找了海洋瀕危物種棲息地[9]；Carl Jorg Petersen等利用側(cè)掃鑲嵌聲圖資料對大型海底圓丘進行了研究，結(jié)合其他聲學(xué)數(shù)據(jù)分析了其成因和空間位置分布[10]。本文以山東榮成近海海砂典型分布區(qū)實測數(shù)據(jù)為例，運用CODA鑲嵌軟件，通過自動追蹤及人工拾取海底相結(jié)合的方法進行精確海底追蹤；通過對全覆蓋海區(qū)側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的增益分析，確定了全區(qū)最佳側(cè)掃聲圖增益，調(diào)整了聲圖灰度，利用偽彩色顯示提高了聲圖顯示效果，實現(xiàn)了聲圖增強處理；通過對重疊聲圖區(qū)進行處理，減小了聲圖拼接痕跡，提高了目標(biāo)聲圖的連續(xù)性；最終生成了帶有地理坐標(biāo)的側(cè)掃鑲嵌聲圖。通過對側(cè)掃聲圖鑲嵌效果的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)海區(qū)內(nèi)海砂目標(biāo)物連續(xù)性良好，沙波和沙脊走向清晰可見，大大提高了目標(biāo)物的連續(xù)性和分辨率，為最終海砂資源評價提供了基礎(chǔ)依據(jù)。

二、材料與方法

2007年7月，青島海洋地質(zhì)研究所在山東省榮成近海海區(qū)開展了側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)采集工作。側(cè)掃聲吶采集系統(tǒng)為美國EdgeTech4200-FS側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，主要采集參數(shù)為：工作頻率120 kHz，單側(cè)掃幅量程250 m，拖魚入水深度8～10 m，船速小于5.0節(jié)，測線呈南北走向，間距400 m，全區(qū)實現(xiàn)全覆蓋掃測。導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用美國Trimble公司DSM132型DGPS接收機，定位中誤差小于1 m；導(dǎo)航采集軟件采用廣州中海達綜合導(dǎo)航系統(tǒng)，測量過程中實時記錄定位數(shù)據(jù)。運用英國CODA鑲嵌軟件(如圖1所示)對側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)進行了詳細(xì)分析和精細(xì)處理，制作了側(cè)掃鑲嵌聲圖。

三、鑲嵌聲圖制作關(guān)鍵點分析

側(cè)掃鑲嵌聲圖制作初期采用人工分割、拼接的方法，效率低，精度差。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了利用軟件進行聲圖分析與處理、精確空間定位來制作側(cè)掃鑲嵌聲圖，取得了高效率、高精度的效果，如Pat S.Chavez Jr等制作了Monterey海區(qū)的鑲嵌聲圖[11]。筆者利用英國CODA鑲嵌軟件對采集的全覆蓋側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)進行了鑲嵌聲圖制作，制作流程如圖2所示。本文主要針對聲圖增強處理、海底追蹤精度分析、聲圖重疊區(qū)處理3個關(guān)鍵點作了詳細(xì)分析。

圖1 CODA鑲嵌界面

圖2 鑲嵌聲圖制作流程

1.聲圖增強處理

側(cè)掃聲圖成像的主要特點是利用聲圖灰度強弱的變化來反映海底目標(biāo)物體的形態(tài)和性質(zhì)，因此聲圖增強處理主要是對聲圖灰度進行調(diào)節(jié)[12]。側(cè)掃聲吶測量過程中影響聲圖灰度分布不均的主要因素是聲圖近端和遠端接收回波信號的強弱，聲圖往往表現(xiàn)為近端灰度較強，遠端灰度較弱，在一定程度上降低了聲圖的分辨率。因此在制作鑲嵌聲圖之前對全覆蓋測區(qū)聲圖灰度的調(diào)節(jié)尤為重要。利用時變增益(TVG)可以對灰度差異進行調(diào)整，消除因接收時間差產(chǎn)生回波信號強弱導(dǎo)致的聲圖灰度不均衡問題。通過自動時變增益和手動調(diào)節(jié)TVG曲線，實現(xiàn)了聲圖灰度圖像增強處理；同時通過調(diào)節(jié)圖像的色彩提高了聲圖的視覺效果，即偽彩色顯示，增強了聲吶圖像的顯示效果，如圖3所示，上半部分為TVG和偽彩色調(diào)節(jié)前，下半部分為調(diào)節(jié)后。通過對比發(fā)現(xiàn)，時變增益調(diào)整后側(cè)掃聲圖近端的聲圖灰度得以減弱，遠端顯示效果明顯增強，整體聲圖灰度得以均衡，聲圖中目標(biāo)物沙波和沙脊的連續(xù)性得到了較好展示；利用偽彩色顯示增強了圖像的立體顯示效果，提高了目標(biāo)聲圖的分辨率，增強了聲圖視覺效果，為提高追蹤沙波和沙脊空間分布特征精度提供了有利基礎(chǔ)。

圖3 聲圖增強前后對比

2.海底追蹤精度分析

海底追蹤即通過實時調(diào)節(jié)拖魚距離海底高度，去除水體在聲圖中的顯示，完成側(cè)掃左右通道聲圖拼合顯示的一種方法。測量過程中拖魚距離海底高度受拖曳方式、水深變化、海況等因素影響而實時變化，因此數(shù)據(jù)采集時海底追蹤準(zhǔn)確性差，拼合左右通道聲圖時往往存在較大的縫隙，導(dǎo)致拼合精度低，影響鑲嵌聲圖質(zhì)量。筆者采用軟件自動追蹤海底后發(fā)現(xiàn)部分海底未能實現(xiàn)有效追蹤，左右通道聲圖縫隙較大，拼合度差，通過手工拾取有效減小了左右聲圖縫隙，提高了左右通道聲圖拼合度，海底追蹤精度得到有效提高，聲圖中目標(biāo)物的連續(xù)性得到保障，如圖4(a)為海底追蹤前聲圖，(b)為自動追蹤后聲圖，(c)為手動拾取海底后聲圖。因此利用軟件自動追蹤和手工拾取相結(jié)合的方式可實現(xiàn)高精度海底追蹤，提高側(cè)掃左右通道聲圖的銜接精度，為下一步側(cè)掃聲圖鑲嵌提供良好基礎(chǔ)。

圖4 海底追蹤對比

3.聲圖重疊區(qū)處理

為保障側(cè)掃聲吶全覆蓋測量，相鄰測線掃測范圍一般有20%左右的重疊區(qū)域，因此聲圖鑲嵌時對拼接痕跡的處理效果直接關(guān)系鑲嵌聲圖質(zhì)量的高低[13]。處理重疊區(qū)域的聲圖主要是對聲圖的穿透屬性進行調(diào)整，一般有3種方法：最大值、平均值和最小值[14]，與CODA軟件中的Threshold Furthest、Average、Threshold Closest 3種穿透方法相對應(yīng)。分別運用3種方法對同一重疊區(qū)的聲圖進行處理，如圖5(a)為最大值法顯示，(b)為平均值法顯示，(c)為最小值法顯示。發(fā)現(xiàn)最大值和平均值法處理的聲圖拼接痕跡明顯，導(dǎo)致聲圖特征連續(xù)性差，相比之下最小值法處理得到的重疊區(qū)聲圖無明顯拼接痕跡，圖像信息較豐富，聲圖特征連續(xù)性較好，因此選用最小值法對重疊區(qū)聲圖顯示進行處理可提高鑲嵌聲圖的最終顯示效果。

圖5 聲圖重疊區(qū)處理

四、側(cè)掃鑲嵌聲圖效果分析

側(cè)掃聲圖空間的準(zhǔn)確性和聲圖分辨率是衡量聲圖鑲嵌效果的兩個主要因素。側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)EdgeTech4200-FS工作頻率為120 kHz，獲取聲圖的橫向分辨率可達8 cm，單側(cè)掃幅250 m，對應(yīng)聲圖的縱向分辨率為2.5 m，采集工作系統(tǒng)內(nèi)置拖魚姿態(tài)改正系統(tǒng)，通過導(dǎo)航軟件實時修正拖魚定位信息，保證了側(cè)掃聲圖空間信息的準(zhǔn)確性。利用CODA鑲嵌軟件從聲圖增強處理、海底追蹤精度分析、聲圖重疊區(qū)處理3個方面對側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)進行了處理，有效保障了鑲嵌聲圖的分辨率，制作的海砂分布區(qū)典型側(cè)掃鑲嵌聲圖如圖6所示。發(fā)現(xiàn)鑲嵌聲圖灰度分布均勻，亮度適中，視覺效果良好；左右通道聲圖實現(xiàn)了無縫拼合，拼合效果好，表明海底追蹤準(zhǔn)確；聲圖重疊區(qū)拼合痕跡較弱，聲圖有效信號特征明顯，海底目標(biāo)物的連續(xù)性得到明顯體現(xiàn)。鑲嵌聲圖中海底地貌特征明顯，沙波、沙脊形態(tài)特征顯著，走向清晰，連續(xù)性強(圖6中橢圓圈內(nèi))，結(jié)合其他地球物理資料可對其空間分布特征形成有效連續(xù)追蹤，進而為分析該區(qū)海底地貌特征及水動力環(huán)境特征提供基礎(chǔ)資料。

五、結(jié)束語

本文運用CODA鑲嵌軟件制作了高精度、高分辨率的海砂典型分布區(qū)側(cè)掃鑲嵌聲圖，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)側(cè)掃聲圖TVG曲線和使用偽彩色顯示取得了顯著的圖像增強處理效果；自動追蹤和手動拾取海底相結(jié)合的方法實現(xiàn)了高精度海底追蹤效果，提高了聲圖左右通道拼接的精度；結(jié)合軟件性能對聲圖重疊區(qū)采用最小值法顯示聲圖，有效減小了聲圖拼接痕跡，提高了重疊聲圖區(qū)的分辨率。通過分析海砂典型分布區(qū)側(cè)掃鑲嵌聲圖，發(fā)現(xiàn)沙波、沙脊形態(tài)清晰，走向連續(xù)，可為區(qū)域性追蹤海砂資源空間分布特征提供科學(xué)依據(jù)，為海砂資源評價提供基礎(chǔ)資料。

圖6 海砂典型分布區(qū)鑲嵌聲圖

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Analysis of Mosaic Techniques for Side-scan Sonar Image

FENG Jing，ZHAO Tiehu，YANG Yuan，CHU Hongxian

P229

B

0494-0911(2014)09-0066-04

2013-07-04

國家專項工作項目(GZH201200504)；國家自然科學(xué)基金(41276060)

馮 京(1983—)，男，山東菏澤人，碩士，工程師，主要從事海洋地球物理調(diào)查與研究工作。

馮京，趙鐵虎，楊源，等.側(cè)掃聲圖鑲嵌技術(shù)分析[J].測繪通報，2014(9)：66-69.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0296