孫衛(wèi)華 尹 慧 姜 凌

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

水下淺地層剖面探測是一種基于水聲學(xué)原理，通過連續(xù)走航方式對(duì)水底淺剖地層進(jìn)行精細(xì)探測的方法［1］，該方法發(fā)射主動(dòng)源的高頻聲波信號(hào)，利用水底不同巖性地層之間的聲阻抗差來產(chǎn)生反射回波信號(hào)，再根據(jù)回波信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)水下底質(zhì)的類別、分布及性質(zhì)進(jìn)行識(shí)別、劃分；該技術(shù)是海底淺地層精細(xì)勘測手段之一［2］。

目前基于水下結(jié)構(gòu)體的淺地層剖面探測應(yīng)用已十分廣泛，在工程建設(shè)調(diào)查、橋墩沖淤監(jiān)測、航道疏浚調(diào)查、通訊光纜與油氣管道的路由調(diào)查及檢測等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用［3～5］，急需一套系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)后處理方法，通過對(duì)原始淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行高分辨率處理，改善淺剖數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高淺地層剖面數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率，有效實(shí)現(xiàn)淺剖數(shù)據(jù)的解釋與可視化。

2 系統(tǒng)模型

水下淺地層剖面數(shù)據(jù)后處理的系統(tǒng)模型和步驟如圖1所示。

圖1 水下淺地層剖面數(shù)據(jù)后處理的系統(tǒng)模型

3 數(shù)據(jù)處理方案

根據(jù)圖1所述系統(tǒng)模型，本節(jié)將分別對(duì)每一步的數(shù)據(jù)處理方案進(jìn)行論述。

3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與解析

水下淺地層剖面數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與解析，主要是完成將采集端的原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分類識(shí)別及數(shù)據(jù)讀取、展示，具體包括如下步驟：

1）對(duì)原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式識(shí)別，剔除未識(shí)別文件。

通過讀取原始數(shù)據(jù)文件并對(duì)該數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式識(shí)別，將無法識(shí)別格式的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行剔除。該步驟是為了對(duì)不同淺地層剖面的原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式識(shí)別，從而基于相應(yīng)的解析規(guī)則對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，進(jìn)而將原始數(shù)據(jù)讀入第一數(shù)據(jù)庫中。

2）根據(jù)格式識(shí)別結(jié)果對(duì)原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和解析，提取原始數(shù)據(jù)，并對(duì)原始數(shù)據(jù)的圖譜進(jìn)行預(yù)覽。

通過對(duì)原始數(shù)據(jù)文件的讀取，根據(jù)水下結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)字典模板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，對(duì)解碼后的原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析，提取相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。此時(shí)的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)可以通過圖譜進(jìn)行展示，故可以對(duì)原始數(shù)據(jù)的圖譜進(jìn)行預(yù)覽，該原始數(shù)據(jù)的圖譜包括勘測航跡圖譜、回波信號(hào)數(shù)據(jù)的振幅圖譜、相位圖譜、F-K圖譜和自相關(guān)圖譜［9］。

3）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，導(dǎo)入第一數(shù)據(jù)庫。

對(duì)于經(jīng)過解析后的水下淺地層剖面探測原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分揀、排重等預(yù)處理后，導(dǎo)入第一數(shù)據(jù)庫，即原始數(shù)據(jù)庫。

3.2 原始數(shù)據(jù)處理

對(duì)淺地層剖面原始數(shù)據(jù)的處理，主要是將已解析入庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行深層加工，以滿足相應(yīng)的數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，具體包括如下步驟：

1）基于能量均衡算法對(duì)回波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行第一處理。

對(duì)原始數(shù)據(jù)中的回波信號(hào)數(shù)據(jù)通過能量均衡算法進(jìn)行處理，使得回波信號(hào)中反射剖面數(shù)據(jù)在不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)能量達(dá)到一致。能量均衡過程通過自動(dòng)增益控制的方式進(jìn)行調(diào)控［10］。

2）基于濾波算法對(duì)第一處理后的回波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行第二處理。

對(duì)能量均衡后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，包括一維FFT濾波、二維F-K濾波等；其中，一維FFT濾波包括帶通、帶阻、高通、低通四種濾波處理，二維F-K濾波通過交互式帶阻二維濾波進(jìn)行處理［11～12］。

3）基于Hibert變換、多次波壓制和涌浪改正算法對(duì)第二處理后的回波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行第三處理。

對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行Hibert包絡(luò)變換，從而提高反射層位分辨率；其次進(jìn)行多次波壓制處理，從而消除強(qiáng)能量的多次波干擾；最后進(jìn)行涌浪改正，消除野外海浪對(duì)剖面數(shù)據(jù)影響。更具體地，涌浪改正算法用于消除勘測航行姿態(tài)對(duì)回波信號(hào)數(shù)據(jù)的影響，即獲取淺地層剖面儀勘測船只在靜水中航行獲得的回波信號(hào)數(shù)據(jù)。

4）基于空間域平滑、水下反射數(shù)據(jù)切除和水深改正算法對(duì)第三處理后的回波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行第四處理。

根據(jù)水下結(jié)構(gòu)體淺剖探測數(shù)據(jù)的特性，首先對(duì)第三處理后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間域平滑，其次將水下底質(zhì)以上的反射信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行切除，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行水深改正處理，水深改正處理用于消除水域潮汐對(duì)回波信號(hào)數(shù)據(jù)的影響。

通過以上四個(gè)步驟可以獲取實(shí)際的海底深度；經(jīng)上述處理后的精加工數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)淺地層剖面的可視化，將上述加工后的數(shù)據(jù)和淺地層剖面圖像導(dǎo)入第二數(shù)據(jù)庫，即精加工數(shù)據(jù)庫。

3.3 反射層位拾取

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，需結(jié)合水下結(jié)構(gòu)體的固有特性及歷史測量情況，對(duì)其進(jìn)行反射層位自動(dòng)拾取、人機(jī)交互拾取和特征點(diǎn)標(biāo)注，具體包括如下步驟：

1）基于雙門限萬有引力邊緣檢測算法，在淺地層剖面圖像中拾取至少一種地層反射界面圖像。具體實(shí)施方式如下。

（1）獲取淺地層剖面圖像中所有像素點(diǎn)灰度值；

（2）計(jì)算第一像素點(diǎn)灰度值對(duì)應(yīng)的水平方向質(zhì)量和垂直方向質(zhì)量；

（3）計(jì)算3*3鄰域內(nèi)所有像素點(diǎn)對(duì)第一像素點(diǎn)的水平方向萬有引力合力和垂直方向萬有引力合力；

（4）計(jì)算3*3鄰域內(nèi)所有像素點(diǎn)對(duì)第一像素點(diǎn)的萬有引力的合力；

（5）將第一像素點(diǎn)的萬有引力的合力與預(yù)設(shè)的第一閾值和第二閾值進(jìn)行比較，判定第一像素點(diǎn)是否為地層反射界面的邊緣點(diǎn)。雙門限萬有引力邊緣檢測算法的實(shí)現(xiàn)如下：

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)可以通過圖像方式展示，將此圖像看作一個(gè)力場，則圖像中的像素點(diǎn)兩兩之間就存在引力的作用。以g（i，j）表示圖像中坐標(biāo)值為（i，j）的像素點(diǎn)的灰度值，則其水平方向質(zhì)量m（i，j）x和垂直方向質(zhì)量m（i，j）y的表達(dá)式分別為

其中，D(i，j)x和 D(i，j)y分別為水平方向梯度和垂直方向梯度，分別可表達(dá)為

其中，非線性算子T的表達(dá)式為

對(duì)于像素點(diǎn)g（i，j）的3*3鄰域內(nèi)像素點(diǎn) g（k，l）的水平方向分力和垂直方向分力分別表述為

鄰域內(nèi)像素點(diǎn)對(duì)像素點(diǎn)g（i，j）的水平方向萬有引力合力和垂直方向萬有引力合力為

像素點(diǎn)g（i，j）所受萬有引力的合力大小為

根據(jù)歷史測量數(shù)據(jù)設(shè)定經(jīng)驗(yàn)閾值TH1和TH2，當(dāng)萬有引力的合力滿足以下約束條件時(shí)，像素點(diǎn)g（i，j）可判定為邊緣點(diǎn)，否則不是邊緣點(diǎn)：

（6）遍歷淺地層剖面圖像中所有像素點(diǎn)，基于雙門限萬有引力邊緣檢測算法在像素點(diǎn)中提取地層反射界面的邊緣點(diǎn)。

（7）將所有地層反射界面的邊緣點(diǎn)連接，從而拾取相應(yīng)的地層反射界面圖像。

2）根據(jù)水下歷史測量數(shù)據(jù)，對(duì)地層反射界面圖像中跳點(diǎn)或偏差區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，形成第一淺地層剖面解釋圖像。

因存在噪聲的影響，自動(dòng)拾取的地層反射界面可能存在少量跳點(diǎn)或者偏差的情況，這時(shí)可根據(jù)水下結(jié)構(gòu)體所處的水聲環(huán)境和水下結(jié)構(gòu)體歷史測量數(shù)據(jù)特點(diǎn)，通過人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)地層反射界面的手動(dòng)調(diào)整［13］。通過單點(diǎn)或拉直線多點(diǎn)拾取，并可自動(dòng)追蹤打標(biāo)線位置或等間隔拾取。

3）在第一淺地層剖面解釋圖像提取ROI區(qū)域并進(jìn)行特征點(diǎn)標(biāo)注，形成第二淺地層剖面解釋圖像，與第一淺地層剖面解釋圖像一同導(dǎo)入第三數(shù)據(jù)庫。

劃定水下結(jié)構(gòu)體ROI區(qū)域，根據(jù)其沖刷或淤積情況通過人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)地層反射界面特征點(diǎn)標(biāo)注，與第2）步獲得的地層反射界面一并存放入第三數(shù)據(jù)庫，即解釋數(shù)據(jù)庫。

3.4 成果數(shù)據(jù)輸出

水下淺剖成果數(shù)據(jù)輸出，主要對(duì)已精加工的數(shù)據(jù)和已進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋的成果數(shù)據(jù)，按照不同數(shù)據(jù)格式、不同導(dǎo)出方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，以便于將淺剖處理后的成果數(shù)據(jù)提供給其它應(yīng)用系統(tǒng)使用，具體包括如下步驟：

1）將第二數(shù)據(jù)庫和第三數(shù)據(jù)庫中存放的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換處理；

2）根據(jù)水下結(jié)構(gòu)體成果數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，導(dǎo)出長剖面位圖、SEG-Y文件、剖面導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)、剖面定位Event數(shù)據(jù)、解釋層位數(shù)據(jù)等，從而服務(wù)于應(yīng)用系統(tǒng)［14～15］。

4 處理結(jié)果

根據(jù)本文提出的水下淺地層剖面數(shù)據(jù)后處理方法開發(fā)了一套軟件系統(tǒng)，使用此系統(tǒng)對(duì)通過對(duì)原始淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到的成果圖像如圖2、圖3所示?？梢钥闯觯鞠到y(tǒng)拾取的反射層位清晰，分辨率高，可有效用于后續(xù)系統(tǒng)應(yīng)用。

圖3 淺剖數(shù)據(jù)后處理成果圖二

5 結(jié)語

本文研究了一種水下淺地層剖面數(shù)據(jù)的后處理方法，該方法讀取并識(shí)別原始淺地層剖面數(shù)據(jù)，根據(jù)水下結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)字典模板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析；經(jīng)能量均衡、濾波、包絡(luò)變換、多次波壓制、涌浪改正、空間光滑、數(shù)據(jù)切除、水深改正等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精處理；通過地層反射界面層位自動(dòng)拾取、人機(jī)交互拾取、特征點(diǎn)標(biāo)注等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解釋，并經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后輸出成果數(shù)據(jù)。本研究可以改善淺地層剖面數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高淺地層剖面數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率，有效實(shí)現(xiàn)淺地層剖面數(shù)據(jù)的解釋與可視化。