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(1.中海石油環(huán)保服務(wù)(天津)有限公司，天津 300457;2.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院，山東 青島 266061;3.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司,天津 300450)

海上石油運(yùn)輸船只、海洋石油平臺等會產(chǎn)生油品泄漏事故，因油水密度比、湍流、沉積過程中油水相互作用等因素的不同，泄漏的原油以漂浮、懸浮、沉底3種狀態(tài)存在。尤其對油水密度比較大、湍流作用較弱、沉積過程相互作用較小的海上泄漏原油而言，非常容易形成海底沉油。

海底沉油形成之后，在波浪、水動力等作用下還會產(chǎn)生移動，對海底生態(tài)環(huán)境、海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖等有著重要的影響作用[1]，如何對這部分原油進(jìn)行快速識別和定位，以便為海洋溢油應(yīng)急處置工作提供數(shù)據(jù)支持和決策支持，是水下溢油應(yīng)急不可缺少的環(huán)節(jié)之一。

1 方法

采用聲吶技術(shù)對海底沉油進(jìn)行識別和定位[2]，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于聲吶圖像的二次處理。采用船載或水下航行器搭載聲吶設(shè)備對疑似溢油污染海域及其周邊區(qū)域進(jìn)行掃描，得到回波反射數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行處理和顯示[3]；對海底沉油的聲吶圖像初步篩選結(jié)果進(jìn)行二次處理，即針對海底沉油的特點(diǎn)，采用圖像增強(qiáng)和圖像邊緣銳化等算法，由此在聲吶圖像上得到海底沉油的精細(xì)顯示；最后，根據(jù)聲吶圖像的聲吶反射特征，結(jié)合周圍環(huán)境，對海底沉油進(jìn)行識別和定位，由此達(dá)到借助聲吶圖像對海底沉油進(jìn)行識別和描述的目的。

在聲吶圖像二次處理的過程中，圖像增強(qiáng)和圖像邊緣銳化兩種方法在海底沉油的有效識別中發(fā)揮著重要的作用。

1.1 基于灰度變換的圖像增強(qiáng)算法

圖像增強(qiáng)采用灰度變換的方法，是一種基于點(diǎn)操作的圖像增強(qiáng)方法，將每一個像素的灰度值按照一定數(shù)學(xué)變換公式轉(zhuǎn)換為一個新的灰度值，如增強(qiáng)處理中的對比度，一般通過曲線拉伸來實(shí)現(xiàn)。由于海底沉油在聲吶圖像上主要集中在低亮度區(qū)，因此，采用非線性拉伸中的對數(shù)擴(kuò)展方法[4]。

對數(shù)變換，是指輸出圖像的像素點(diǎn)的灰度值與對應(yīng)的輸出圖像的像素灰度值之間為對數(shù)關(guān)系,其一般公式為：

(1)

式中：a、b、c為可以選擇的參數(shù)；f(x,y)+1是為了避免對0求對數(shù)，確保ln [f(x,y)+1]≥0。當(dāng)f(x,y)=0時，ln [f(x,y)+1]=0，則y=a，a為y軸上的截距，確定變換曲線的初始位置的變換關(guān)系；b、c兩個參數(shù)確定變換曲線的變換速率。

通過對數(shù)變換，擴(kuò)展了低灰度區(qū)，壓縮了高灰度區(qū)，能使低灰度區(qū)的圖像較清晰地顯示出來，由此達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。

1.2 基于微分算法的圖像邊緣銳化算法

在聲吶圖像預(yù)處理過程中需要圖像平滑，因?yàn)閳D像平滑過程中高頻分量被衰減，容易出現(xiàn)圖像模糊的現(xiàn)象，為此需要進(jìn)行圖像邊緣銳化，即對圖像進(jìn)行微分運(yùn)算，就可達(dá)到使圖像變清晰的目的[5-6]。

對于微分算法，一階微分運(yùn)算主要指梯度模運(yùn)算，圖像的梯度模值包含了邊界及細(xì)節(jié)信息。梯度模算子用于計(jì)算梯度模值，通常認(rèn)為它是邊界提取算子，具有極值性、位移不變性和旋轉(zhuǎn)不變性。

圖像f(x,y)在點(diǎn)(x,y)處的梯度G[f(x,y)]定義為一個二維列矢量。

(2)

梯度大的幅值即模值，為

(3)

梯度的方向在f(x,y)最大變化率方向上，方向角可表示為

(4)

由梯度計(jì)算公式可知，在圖像灰度變化較大的邊沿區(qū)域其梯度值大，在灰度變化平緩的區(qū)域梯度值較小，而在灰度均勻的區(qū)域其梯度值為零。

根據(jù)梯度值來返回像素值，如將梯度值大的像素設(shè)置成白色，梯度值小的設(shè)置為黑色，就可提取出邊緣，或加強(qiáng)梯度值大的像素灰度值,由此突出細(xì)節(jié)，達(dá)到圖像邊緣銳化的目的。

1.3 聲吶圖像識別

根據(jù)圖像二次處理的結(jié)果，結(jié)合回波反射特征及其周圍環(huán)境，對海底沉油進(jìn)行識別和定位，可知在聲波入射角度相差不大的前提下，不同海底地形起伏和不同海底底質(zhì)特點(diǎn)具有不同的回波反射特征[7]。

根據(jù)海底地形的起伏變化，在地形凸起、凹陷位置正對聲波入射的方向，為強(qiáng)回波反射特征；凸起位置的底部及平坦的地面，為弱回波反射特征；凸起和凹陷位置背對聲波入射的方向，則無回波反射特征。

根據(jù)海底底質(zhì)的特點(diǎn)，堅(jiān)硬的、粗糙的海底底質(zhì)具有強(qiáng)回波反射特征；光滑的、柔軟的海底底質(zhì)具有弱回波反射特征。海底沉油的存在，使海底底質(zhì)變得光滑和柔軟，因此，在聲吶圖像上顯示弱回波反射特征。

圖1 海底沉油的回波反射特征

根據(jù)海底地形的起伏變化及海底底質(zhì)的特點(diǎn)，結(jié)合周圍施工和操作環(huán)境，在經(jīng)過二次處理的聲吶圖像上對海底沉油進(jìn)行識別，并根據(jù)聲吶圖像識別結(jié)果，結(jié)合船載聲吶GPS定位，確定其位置，并對海底沉油的分布情況進(jìn)行識別和描述。

2 實(shí)例

根據(jù)上述方法，對某地區(qū)的海底沉油進(jìn)行識別和定位研究。在利用船載側(cè)掃聲吶設(shè)備對某溢油點(diǎn)及其周圍地區(qū)進(jìn)行聲吶數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理之后，初步篩選聲吶圖像顯示異常的地區(qū)進(jìn)行,然后，對疑似含油區(qū)域的聲吶圖像進(jìn)行濾波和圖像邊緣銳化，即進(jìn)行二次處理。

將增強(qiáng)之后的圖像(見圖2b))與原始圖像(見圖2a))進(jìn)行對比可知，增強(qiáng)之后的圖像更為清晰，擴(kuò)大了像素的對比度，有效改善了圖像的視覺效果。在圖像增強(qiáng)的基礎(chǔ)之上繼續(xù)進(jìn)行圖像邊緣銳化，將邊緣銳化之后的圖像(見圖2c))與原始圖像(圖2a))進(jìn)行對比可知，圖像邊緣和灰度跳變的部分得到增強(qiáng)，輪廓邊界得到補(bǔ)償后顯得更為清晰。

經(jīng)過二次處理之后，結(jié)合海底沉油的回波反射特征及周邊環(huán)境，對海底沉油進(jìn)行識別和定位。海底沉油在聲吶圖像上表現(xiàn)為“弱回波反射”特征，聲吶特征結(jié)合海底地形情況，對海底沉油的分布區(qū)域進(jìn)行確定，結(jié)合周邊環(huán)境中集油罩的安放的位置，確定海底沉油的分布范圍，并根據(jù)聲吶數(shù)據(jù)采集過程中的GPS定位，定位海底沉油的精確位置。

圖2 海底沉油聲吶圖像二次處理

3 結(jié)論

以聲吶技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合聲吶圖像二次處理結(jié)果、回波反射特征及其周圍環(huán)境對海底沉油進(jìn)行識別和描述，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①通過進(jìn)行二次處理，使海底沉油在聲吶圖像上的分布輪廓更為清楚，便于根據(jù)圖像對海底沉油的分布范圍進(jìn)行辨識；②經(jīng)二次處理之后的聲吶圖像與海底沉油的回波反射特征及周圍環(huán)境相結(jié)合，用于海底沉油的識別和定位研究，可減少聲吶圖像識別過程中的多解性；③可以較快地實(shí)現(xiàn)海底沉油的識別和定位，為海洋環(huán)境應(yīng)急提供技術(shù)服務(wù)和決策支持。

[1] 安偉,楊勇,李建偉,等.深水溢油事故防范與應(yīng)急處理措施探討[J].中國造船,2012,53(增刊2):458-463.

[2] AI Ling Chew, POH Bee Tong, CHIN Swee Chia. Automatic detection and classification of man-made targets in sidescan sonar images[C].2017 IEEE:126-132.

[3] WANG Lei, LI Minhui, YE Xinfei, et.al. Specific target recognition and segmentation algorithmfor real-time side scan sonar images[C].2015 IEEE:2649-2653.

[4] 朱昊.基于MATLAB圖像增強(qiáng)技術(shù)研究[J].信息與電腦,2015(9):79-81.

[5] 季永煒.基于微分的數(shù)字圖像銳化[J].電子世界,2014(12):288-289.

[6] 劉直芳,王運(yùn)瓊,朱敏.數(shù)字圖像處理與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[7] LI Baojuan, AN Wei, LI Jianwei,et.al.Application of side scan sonar in the detection of sunken oil in shallow sea[C].CGS/SEG, 2017:886-889.