海洋測繪-第8章海洋地貌及地質(zhì)探測.ppt

1、現(xiàn)代海洋測繪,趙 建 虎,第八章 海底地貌及底質(zhì)探測 Survey of Seabed Topography 海底底質(zhì)圖像如漂礫、沙帶、巖石等。 水體圖像包括水體散射、溫度階層、尾流、海面反射等水體運動形成的圖像,86 基于聲納圖像判讀海底地貌,干擾圖像包括換能器基陣橫向、縱向和舶向產(chǎn)生搖擺的干擾圖像，海底和水體等的混響干擾圖像，各種電子儀器及交流電源產(chǎn)生噪聲的干擾圖像。 聲納圖像是海底目標(biāo)、海底地貌、水體和干擾等多種反射聲波的接收信號特征的記錄，這些特征稱之為判讀特征，也稱判讀標(biāo)志。聲納圖像具有如下判讀特征： 形狀特征 ：是指某類圖像外部輪廓在聲圖上表現(xiàn)出的 形狀。 大小特征：是指在聲圖上的

2、尺寸。 色調(diào)和顏色特征：色調(diào)特征是對黑白聲圖而言，彩色特征是對偽彩色聲圖而言。色調(diào)特征是指聲圖上所表示的灰階由深到淺的灰度。 陰影特征 ：是指目標(biāo)和地貌的高出海底面阻擋聲波照射的地段，在聲圖上表示為無灰度的小區(qū)域,紋形特征 ：是指聲圖上強灰度的灰階形成的各種形態(tài)特征，如魚群的橢圓形態(tài)，燕尾形態(tài)；沙波的波狀形態(tài)等。 相關(guān)體特征 ：是指伴隨某類圖像同時出現(xiàn)的無固定紋形特征的相關(guān)圖像。如沉船圖像周圍必然伴隨有堆積和溝槽圖像,一般可采用以下幾種方法進(jìn)行判讀聲圖圖像： 直接判讀法：利用判讀特征，直接對一張聲圖圖 像判讀目標(biāo)和地貌。 對比判讀法：把粗掃測與掃測的聲圖進(jìn)行對照比較來判讀聲圖中的目標(biāo)和地貌。

3、鄰比判讀法：把兩掃測趟的重疊帶的圖像相拼，對照比較判讀目標(biāo)和地貌,邏輯推理判讀法：根據(jù)掃測區(qū)的水體的情況、潮流和氣象等動力因素、海底底質(zhì)分布狀況、海區(qū)特點及海底地貌、海事資料，并結(jié)合掃測記錄，來判讀聲圖的目標(biāo)和地貌圖像。 影響判讀效果的因素是多方面的，當(dāng)各種判讀因素提供得充分時，判讀成功率高。影響判讀聲圖中的目標(biāo)和地貌成功率的主要因素有判讀人員對聲圖的結(jié)構(gòu)、特點、特征的理解認(rèn)識程度、掃測記錄的詳盡程度、掃測符合規(guī)定要求情況、儀器狀態(tài)以及聲圖圖像清晰程度等。 下面給出兩張地貌聲圖供參閱,沉積巖褶皺形成的小盆地,沙礫海底上覆蓋的沙帶和沙波,利用聲納圖像除可以判斷目標(biāo)和海底地貌特征外，聲納圖像還可用

4、于計算目標(biāo)的形狀、尺寸和深度等幾何參數(shù)。如,海底目標(biāo)高度的確定,垂直深度,目標(biāo)靶高度,目標(biāo)靶深度,目標(biāo)靶的水平距離,海底底質(zhì)聲學(xué)特性一直是海洋地質(zhì)、水下工程地質(zhì)、海底礦產(chǎn)資源、海洋漁業(yè)和水下通訊等領(lǐng)域重要的研究內(nèi)容, 通過海底聲反射和聲散射等手段可以進(jìn)行海底底質(zhì)的聲學(xué)特征研究。 我國在海底底質(zhì)分類方面的研究程度還較低, 雖然近些年來引進(jìn)了多波束系統(tǒng), 獲得了大量的數(shù)據(jù)資料, 但仍然只利用了該系統(tǒng)的海底測深功能, 其底質(zhì)分類等功能的技術(shù)潛力還沒有得到充分開發(fā)和利用。 近幾十年來,具代表性的海底聲學(xué)特性研究是美國學(xué)者Hamilton和BiotStoll的研究工作。Hamilton對海底沉積物的聲學(xué)

5、特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究,提出了簡單且易于應(yīng)用的粘彈模型,并據(jù)收集到的數(shù)據(jù)資料總結(jié)出了大量的經(jīng)驗公式,87 基于聲納圖像劃分海底底質(zhì)類型,中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研制并不斷改進(jìn)了海底表層底質(zhì)探測系統(tǒng), 多次在海上作了海底底質(zhì)分類工作, 獲得回波的8 種參數(shù)(反射系數(shù)、能量歸一系數(shù)、回波能量分布、回波間相關(guān)系數(shù)、包絡(luò)譜等) , 將航線上的底質(zhì)分為8 類, 即礁石、細(xì)砂、泥質(zhì)砂, 砂質(zhì)泥、泥和軟泥等。 受各方面條件的限制，國內(nèi)對海底聲學(xué)底質(zhì)分類技術(shù)的研究大都僅限于基礎(chǔ)方面, 或是針對特定的海域, 或是針對特定的底質(zhì)類型, 研究的程度不高。 目前最典型的探測設(shè)備和軟件主要有美國NOARL 公司(Naval O

6、ceanographic and Atmospheric Research Laboratory) 的ASCS、挪威Simrad的多波束產(chǎn)品TRITON 分類軟件和加拿大QTC 公司的QTC VIEW 等,按照測量儀器獲得的海底聲納圖像的不同，海底分類常采用的方法有如下幾種： （1）剖面聲納、測深儀法 對用剖面聲納、測深儀法提取的聲學(xué)特征進(jìn)行下列5 種方法的計算和統(tǒng)計分析, 以進(jìn)行海底底質(zhì)分類。這5種方法是反射系數(shù)；累積能量歸一曲線(取決于沉積物衰減系數(shù))；反射信號的時域波形特征(幅度分布統(tǒng)計、直方圖等)；反射信號的頻域特征；回波的屏間相關(guān)統(tǒng)計 （2）側(cè)掃法 將用側(cè)掃法提取的聲學(xué)參數(shù)進(jìn)行以下3

7、 種方法的計算和統(tǒng)計分析, 以進(jìn)行海底底質(zhì)的分類。這3種方法是回波強度的統(tǒng)計量(分位點)；紋理特征提?。恍比肷浞聪蛏⑸鋸姸扰c入射角的關(guān)系,3）多波束法 將利用多波束方法提取的聲學(xué)特征進(jìn)行下列6 種方法的計算和分析, 以進(jìn)行海底底質(zhì)的分類。這3種方法是均值；分位數(shù)(Quartile)；標(biāo)準(zhǔn)偏差(Standard deviation)；對比度(Contrast)；頻譜；回波幅度的直方圖等；分形錐法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,綜合看來, 底質(zhì)分類的能力和效果不僅取決于所使用的聲納手段，還取決于分類算法。剖面聲納和測深聲納使用的都是正入射信號，回波中能更多地攜帶地層信息，能以較高的置信度推測沉積物的物理性質(zhì)，其中寬

8、帶剖面聲納所得到的分類和特征估計的效果要好于普通測深儀所得到的效果。共同的缺點是所測得的信息只是換能器正下方的單點信息,海底淺層剖面儀又稱次海底剖面儀，它是研究海底各層形態(tài)構(gòu)造和其厚度的有效工具，其工作原理與回聲測深儀相同。 淺地層剖面儀由發(fā)射機、接收機、換能器、記錄器、電源等組成。發(fā)射機受記錄器的控制，發(fā)射換能器周期性的向海底發(fā)射低頻超聲波脈沖，當(dāng)聲波遇到海底及其以下地層界面時，產(chǎn)生反射，返回信號，經(jīng)接收換能器接收，接收機放大，最后輸給記錄器，并自動繪制出海底及海底以下幾十米的地層剖面,88 淺地層剖面儀,海底淺層剖面儀的探測深度與工作頻率有關(guān)。常應(yīng)用的工作頻率為3.5kHz和12kHz兩種

9、，前者探測地層深度為100m，后者約為20m。頻率增高，聲波吸收衰減加大，探測深度減小，頻率低，探測深度大，但是，剖面儀的分辨率差。 海底沉積層中聲波的吸收衰減是根據(jù)大量的取樣在勘測船上或在實驗室中測定的。沉積層中除了泥、砂、石灰石外，還夾雜著水，其構(gòu)造是比較松散的，對于這種介質(zhì)而言，其吸收衰減主要取決于聲波傳播過程中質(zhì)點所引起的摩擦損耗。這種損耗與沉積物的孔隙度n有關(guān),海底沉積層的結(jié)構(gòu)是分層的，剖面儀測量的是地層界面反射信號的到達(dá)時間，假設(shè)沉積層中的聲速在深度剖面內(nèi)按常梯度增加，其關(guān)系式如下,式中c0為沉積層表面聲速；k為沉積層聲速梯度；t為聲波在沉積層中單程傳播時間,利用地層界面回波的單程

10、傳播時間t，求得沉積層中的平均聲速為,由于海域不同，沉積層的地質(zhì)構(gòu)造不同，上式中的c0和k不是常數(shù)，一般根據(jù)鉆孔取樣所測得的數(shù)據(jù)確定不同海域中c0和k的經(jīng)驗值,根據(jù)沉積層中的聲速和吸收系數(shù)與孔隙度之間的關(guān)系，建立海底沉積層的聲學(xué)模型，通過遙測海底聲學(xué)參數(shù)來判斷和分析沉積物的物理特性,EdgeTech 2000C和EdgeTech 3100P淺地層剖面儀系統(tǒng),其中，EdgeTech 2000C 是一種經(jīng)濟、適用于近海的組合式側(cè)掃聲吶/淺地層剖面儀系統(tǒng)。EdgeTech 3100P 是一種高分辨率寬帶調(diào)頻（FM）便攜式淺地層剖面儀系統(tǒng)。主要應(yīng)用于工程勘察、底質(zhì)調(diào)查、管線探測、沉積物分類等,根據(jù)淺地層剖面儀探測的海底回波的強度可以繪制淺地層剖面圖。淺地層剖面圖是反映海底淺地層底質(zhì)性質(zhì)的斷面圖或圖像,a) 水庫異重流現(xiàn)象,b) 大壩壩前淤積情況,c)根石層的分布情況,圖(a)中，淺地層剖面圖通過三種不同的顏色清楚地表明了存在三類不同地質(zhì)的介質(zhì)層，即異常流層、淤泥層和硬河底；圖（b）中，淺地層剖面圖通過顏色不同和顏色的分界清楚地表明了淤泥覆