海洋技術研究 多波束聲學底質(zhì)分類研究進展與展望

Tel知識的力量Tel海洋論壇▏多波束聲學底質(zhì)分類研究進展與展望海底作為一個具有重要意義的地質(zhì)界面，一直都是海洋科學研究的熱點。海底底質(zhì)研究是海底研究的基礎，除此之外，海底底質(zhì)作為海洋環(huán)境的重要組成部分、海洋測繪調(diào)查的主要內(nèi)容，在海洋地質(zhì)、海洋工程、海洋環(huán)境科學、海道測量及海洋資源開發(fā)利用中發(fā)揮重要作用，得到國內(nèi)外專家學者的高度重視。海底作為一個具有重要意義的地質(zhì)界面，一直都是海洋科學研究的熱點。海底底質(zhì)研究是海底研究的基礎，除此之外，海底底質(zhì)作為海洋環(huán)境的重要組成部分、海洋測繪調(diào)查的主要內(nèi)容，在海洋地質(zhì)、海洋工程、海洋環(huán)境科學、海道測量及海洋資源開發(fā)利用中發(fā)揮重要作用，得到國內(nèi)外專家學者的高度重視。傳統(tǒng)的海底底質(zhì)分類通常采用箱式取樣、重力取樣、可視抓斗等方式，按一定網(wǎng)格離散現(xiàn)場取樣，并通過室內(nèi)測試分析后進行底質(zhì)類型劃分。該方法雖能直觀進行底質(zhì)判斷，但效率低、取樣有限、作業(yè)成本較高、在深水區(qū)實施困難，且格網(wǎng)節(jié)點間沉積物類型受各種因素影響可靠度不高，無法滿足現(xiàn)代海洋科研和開發(fā)需要。隨著海上工程建設、海洋資源開發(fā)活動的開展，迫切需要更新、更高效、更便捷的技術手段對海區(qū)底質(zhì)類型及其分布情況進行全面、系統(tǒng)的掌握。水聲學技術不斷發(fā)展，出現(xiàn)了單波束、多波束、側(cè)掃聲吶等一系列海底勘測設備，這使得傳統(tǒng)的海底底質(zhì)分類通常采用箱式取樣、重力取樣、可視抓斗等方式，按一定網(wǎng)格離散現(xiàn)場取樣，并通過室內(nèi)測試分析后進行底質(zhì)類型劃分。該方法雖能直觀進行底質(zhì)判斷，但效率低、取樣有限、作業(yè)成本較高、在深水區(qū)實施困難，且格網(wǎng)節(jié)點間沉積物類型受各種因素影響可靠度不高，無法滿足現(xiàn)代海洋科研和開發(fā)需要。隨著海上工程建設、海洋資源開發(fā)活動的開展，迫切需要更新、更高效、更便捷的技術手段對海區(qū)底質(zhì)類型及其分布情況進行全面、系統(tǒng)的掌握。水聲學技術不斷發(fā)展，出現(xiàn)了單波束、多波束、側(cè)掃聲吶等一系列海底勘測設備，這使得 知識的力量Tel 海底底質(zhì)探測從傳統(tǒng)的現(xiàn)場底質(zhì)取樣法發(fā)展到非接觸式聲學底質(zhì)探測海底底質(zhì)探測從傳統(tǒng)的現(xiàn)場底質(zhì)取樣法發(fā)展到非接觸式聲學底質(zhì)探測法，其中多波束測深系統(tǒng)（MBES法，其中多波束測深系統(tǒng)（MBES）不僅可以得到高精度的水深地形數(shù)據(jù)，還能獲取豐富的反向散射強度數(shù)據(jù)。反向散射強度與海底底質(zhì)的粗據(jù)，還能獲取豐富的反向散射強度數(shù)據(jù)。反向散射強度與海底底質(zhì)的粗糙度、沉積物粒徑、孔隙度、飽和度等物理屬性及入射角有極強的相關糙度、沉積物粒徑、孔隙度、飽和度等物理屬性及入射角有極強的相關性，兩者的有效結(jié)合使得多波束測深系統(tǒng)在底質(zhì)分類研究中被更多的科性，兩者的有效結(jié)合使得多波束測深系統(tǒng)在底質(zhì)分類研究中被更多的科研工作者使用，其憑借全覆蓋、高采樣率、高效率和低成本等優(yōu)勢，逐研工作者使用，其憑借全覆蓋、高采樣率、高效率和低成本等優(yōu)勢，逐漸成為海洋聲學底質(zhì)探測的重要方法和手段。漸成為海洋聲學底質(zhì)探測的重要方法和手段?；诙嗖ㄊ鴾y深系統(tǒng)獲取的反向散射強度數(shù)據(jù)和海底聲像圖，結(jié)合基于多波束測深系統(tǒng)獲取的反向散射強度數(shù)據(jù)和海底聲像圖，結(jié)合海底底質(zhì)取樣獲取的真實海底沉積物樣品數(shù)據(jù)，并以多種分類方法，實海底底質(zhì)取樣獲取的真實海底沉積物樣品數(shù)據(jù)，并以多種分類方法，實現(xiàn)海底底質(zhì)類型自動分類識別。多波束底質(zhì)自動分類識別與應用是常規(guī)現(xiàn)海底底質(zhì)類型自動分類識別。多波束底質(zhì)自動分類識別與應用是常規(guī)海洋底質(zhì)調(diào)查的有益補充，能快速、準確獲取海底沉積物分類狀況，將海洋底質(zhì)調(diào)查的有益補充，能快速、準確獲取海底沉積物分類狀況，將在海洋資源調(diào)查、海洋工程建設、海洋科學考察和國防建設等方面發(fā)揮在海洋資源調(diào)查、海洋工程建設、海洋科學考察和國防建設等方面發(fā)揮越來越重要的角色。越來越重要的角色。多波束海底底質(zhì)分類涉及數(shù)字信號處理、水聲學、高性能計算機、多波束海底底質(zhì)分類涉及數(shù)字信號處理、水聲學、高性能計算機、高分辨顯示、高精度導航定位、數(shù)字化傳感器、數(shù)字圖像處理、機器學高分辨顯示、高精度導航定位、數(shù)字化傳感器、數(shù)字圖像處理、機器學習等多學科，經(jīng)過近30a的發(fā)展取得了豐碩成果。本文梳理了20世紀習等多學科，經(jīng)過近30a的發(fā)展取得了豐碩成果。本文梳理了20世紀60年代多波束測深系統(tǒng)問世以來，國內(nèi)外研究人員在多波束底質(zhì)分類60年代多波束測深系統(tǒng)問世以來，國內(nèi)外研究人員在多波束底質(zhì)分類方面的研究及重要成果；對比分析了多波束底質(zhì)分類各環(huán)節(jié)關鍵技術研方面的研究及重要成果；對比分析了多波束底質(zhì)分類各環(huán)節(jié)關鍵技術研究突破和技術瓶頸；對市面上主要的多波束設備及底質(zhì)分類軟件進行匯究突破和技術瓶頸；對市面上主要的多波束設備及底質(zhì)分類軟件進行匯總整理；對多波束底質(zhì)分類研究及其應用予以分析和展望?？傉?；對多波束底質(zhì)分類研究及其應用予以分析和展望。知識的力量Tel ”一、關鍵技術研究⒈精細化反向散射強度數(shù)據(jù)處理海底沉積物類型與反向散射強度相關性較大，反向散射強度在較大程度上可決定沉積物類型，因此，多波束反向散射強度數(shù)據(jù)精細處理是準確獲取海底底質(zhì)特征、提高底質(zhì)分類精度的前提基礎和重要保障。多波束聲學底質(zhì)分類流程如圖1解析、定姿定位、補償改正、聲吶圖像處理、分類模型構(gòu)建等技術。知識的力量Tel圖１多波束聲學底質(zhì)分類流程作業(yè)平臺的動態(tài)性，聲信號傳播環(huán)境的不確定性決定了多波束反向散回波聲強信息的采集存儲功能，并使用通用或可相互轉(zhuǎn)換的文件存儲格 知識的力量Tel Tel維坐標。在海底地形測量中，高精度水下聲學定位技術結(jié)合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）/慣性導航系統(tǒng)（INS）面解算能力，聲速影響因素、聲線傳播特性］、聲速校正方法的研究，逐步削弱水體環(huán)境、儀器姿態(tài)等帶來的誤差，實現(xiàn)了測深點坐標精準跟蹤計算。多子陣檢測法和多波束相干法的海底地貌探測算法實現(xiàn)了海底地形與據(jù)補償改正部分每一環(huán)節(jié)都進行了大量實驗研究，構(gòu)建了包括時變增益（TVG）、聲照面積改正、地形起伏度改正、中央波束改正在內(nèi)的較為完善的反向散射聲強數(shù)據(jù)補償改正模型。UrickChuTVGMichalopoulou和金紹華等先后驗證了聲照面積對反向散射聲強的影響并將其納入改正；Hellepuin分析了地形起伏度對海底真實入射角的影響；唐秋華等將垂直航跡二維方向的地形起伏影響納入分析；紀雪在此基礎上對海底地形起伏度計算模型進行了優(yōu)化，計算海底真實入射角，得到完全反映海底底質(zhì)信息的回波強度BSO，可較好地消除海底坡度的影響。固定值修訂、高斯加權(quán)平均、區(qū)域統(tǒng)計平均等方法有效地消除解決了多波束中央波束反射區(qū)異常的現(xiàn)象。由于聲學散射模型不完善，多波束聲吶圖像中存在沿航跡線的條帶狀Chang玉芳等提出了混合掃描線多邊形填充算法；徐勝攀等提出了一種改進的活性邊表區(qū)域填充算法。這些算法不僅提高了聲吶圖像縫隙的填充，還大大提高了數(shù)據(jù)重采樣的時間效率和空間效率。多波束聲吶圖像拼接與鑲嵌處理研究中，Sensor-Specific算法實現(xiàn)了聲吶圖像的幾何畸變和放射性畸變糾正。偽灰度雙模板匹配的多波束數(shù)據(jù)拼接的算法實現(xiàn)了條帶拼接幾何位置和聲強信息的高度統(tǒng)一。⒉反向散射強度與底質(zhì)類型特征之間關系模型構(gòu)建反向散射強度雖能粗略表征海底底質(zhì)特征，但是要利用反向散射強度實現(xiàn)底質(zhì)類別的精確劃分需要建立其與底質(zhì)類型之間的關系模型，這就需要進行大量的特征提取、取樣分析、統(tǒng)計分析工作，目前反向散射強度與底質(zhì)類型特征之間關系構(gòu)建常用的模型有海底聲學參數(shù)反演模型、反向散射強度與入射角的關系對、譜參數(shù)、分形維數(shù)、紋理分析等。Biot介質(zhì)模型和Jackson散射模型通過分析海底回波信號，反演海底床表沉積物的聲學參數(shù)（如聲阻抗、聲吸收系數(shù)等），結(jié)合沉積物的物理特性（如密度、孔隙度、平均粒徑、聲速等）經(jīng)驗公式進行沉積物分類；Hughes通過計算反向散射強度與入射角的關系，建立了不同底質(zhì)對應的反向散射強度與入射角的關系對；Lanmark等通過角度與反向散射強度之間的關系建立標準Bayesian模型；金紹華等在已有的EM角度響應模型、Hellequin綜合聲學模型及邊界微分提取模型基礎上，采用容差性強的非線性最小二乘擬合算法，結(jié)合Hellequin參數(shù)模型，提取底質(zhì)相關特征參數(shù)，研究了不同底質(zhì)對應的角度響應曲線模型；此外，趙建虎等提出了 種自適應角度響應（AR）ARARAR進行校正，克服了傳統(tǒng)方法的缺陷，明顯提高了圖像質(zhì)量；Santos角度距離分析技術ARA）對不同多波束測深系統(tǒng)所獲得后向散射數(shù)據(jù)進行分析，估計了底部沉積物的平均粒徑，構(gòu)建了粒徑與底質(zhì)之間的對應關系。Pace等根據(jù)反向散射強度對數(shù)能量譜提取譜特征進行了底質(zhì)分類研究，Camricheal等利用分形維對于回波強度和深度變化的分布和結(jié)構(gòu)非常敏感，與沉積物的物理和化學特性聯(lián)系強于回波信號的能量特性，進行了底質(zhì)分類研究。盧博等通過用“聲速－波形－振幅”三參數(shù)識別技術獲得海底沉積物的聲速和頻譜分析結(jié)果，根據(jù)聲速、波形、振幅認識海底沉積物物理狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合沉積層的其他地質(zhì)信息綜合判別海底沉積物性質(zhì)，之后又開展了海底沉積物聲學物理特性研究。這些理論研究大大地促進了多波束聲學底質(zhì)分類的研究。Goff等，Gonidec等，Cpllier和Brown利用多波束反向散射強度與底質(zhì)類型特征之間的關系，結(jié)合多波束反向散射強度和實地取樣數(shù)據(jù)，詳細分析了反向散射強度與波束入射角、反向散射強度與沉積物平均粒度之間的統(tǒng)計關系，建立了它們之間的數(shù)學關系模型，獲取了反向散射強度與底質(zhì)類型之間的改正參數(shù)并將改正結(jié)果應用到底質(zhì)分類中，有效地提高了分類精度。與其他特征分析相比，紋理分析更多考慮了反向散射強度的空間相關性，且具有較高的容錯率，因此得到了普遍應用。目前紋理特征約有 100多種，大致可歸類為統(tǒng)計法、結(jié)構(gòu)法和模型法三種類，其中使用較多的紋理特征為灰度共生矩陣。⒊聲吶圖像底質(zhì)分類技術隨著計算機技術、數(shù)字圖像處理與識別技術的革新，以及機器學習、已知海底沉積物類型的區(qū)域。無監(jiān)督分類應用較早，但分類結(jié)果普遍不佳，通常用于海底底質(zhì)類型未知且沒有現(xiàn)場底質(zhì)取樣的情況，主要用于海底底質(zhì)類型的粗略劃分。馬飛虎等利用迭代自組織數(shù)據(jù)分析算法（ISODATA）實現(xiàn)了海底底質(zhì)的自動VanessaGeoffroy利用無監(jiān)督的模糊C（FCM）Yasuhiro等提出了高階局部自相關方法（HLAC）對聲吶圖形進行海底底質(zhì)自動分類，通過與傳統(tǒng)的灰度共生矩陣和局部二值模式算子等紋理方法對比驗證了其分類優(yōu)勢。尤加春等分別采用支持向量機（SVM）CC究的一般化流程，之后，呂良等又引入K－均值聚類算法進行底質(zhì)分類研究。分類方法得到了不斷豐富。監(jiān)督分類應用較廣，其中應用最多的就是神經(jīng)網(wǎng)絡分類方法。神經(jīng)網(wǎng)絡是數(shù)據(jù)驅(qū)動、非線性、非參數(shù)的模型，在分類上表現(xiàn)出色而得到廣泛研究和應用。1990AlexandrouPantzartzis最早應用反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡方法對海底底質(zhì)進行分類，但存在訓練時間長、網(wǎng)絡收斂慢以及分類精度低等不利因素；Marsh等采用自組織人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法進行底質(zhì)分類；Chakraborty等先后研究了自組織特征映射網(wǎng)（SOFM）及學習向量量化（LVQ）神經(jīng)網(wǎng)絡方法，但存在神經(jīng)元未被充分利用以及算法對初值敏感的問題。針對BPSOFMLVQLVQBPCNN）實現(xiàn)對海底底質(zhì)的精確分類；陳佳兵等基于粒子群優(yōu)化算法實現(xiàn)海底聲學底質(zhì)精確分類；LiHerkul］分別對隨機森林（RF）進行了深入研究，通過比較分析充分證明了其在分類中的優(yōu)勢。Tel知識的力量Tel ”二、多波束底質(zhì)分類軟硬件研發(fā)國外對聲學底質(zhì)分類的研究開展較早，可追溯到20502080ESMAC（1992～1994）主要由瑞典和挪威負責實施，北歐多國參與；ISACSTel 知識的力量Tel 項目（1996～1999）術研究計劃（MAST-Ⅲ）中的一個子項目。經(jīng)過幾十年的研究，獲得了比較豐碩的應用研究成果。從聲吶數(shù)據(jù)的獲取、預處理到最后圖像分類，目前市場上已有多家比較成熟的海底底質(zhì)分類的商業(yè)軟件：挪威Simrad司與挪威計算中心合作基于多波束開發(fā)的TritonQuesterTangent公司面向多波束測深系統(tǒng)開發(fā)的QTCVIEW，荷蘭QPS公FledermausGeoAcoustics公司基于側(cè)掃聲吶影像開發(fā)的TextureMappingSystem，美國BiosonicsVBT-BottomClassifierMarineMicroSystem公司研制的RoxAnnEchoplusCMSTCMST-GAMB等。除此之外，還有其他公開的多波束反向散射處理軟件，如法國海洋開SonarScope及美國拉蒙特－多爾蒂地球觀察所研制的MB-System等。相比于國外的海底底質(zhì)分類技術與應用研究，國內(nèi)研究工作開展較晚。19821992～1995年，中國科學院南沙綜合科學考察隊對南沙群島及其鄰近海區(qū)開展了有關海底底質(zhì)分類的考察和研究工作，經(jīng)過幾十年的研究，在海底底質(zhì)分類研究方面取得較大的突破和創(chuàng)新。國內(nèi)底質(zhì)分類系統(tǒng)有中科院聲學所開發(fā)的海底表層底質(zhì)探測系統(tǒng)、自然資源部第一海洋研究所聯(lián)合中國海洋大學開發(fā)的多波束聲吶參數(shù)的海底底質(zhì)分類軟件CLASSMAP洋研究所研制的多波束底質(zhì)分類測試軟件MBClassTel知識的力量Tel學、ft東科技大學、哈爾濱工程大學、中國地質(zhì)大學（北京）都開展了多波束底質(zhì)分類軟件的研制工作，但目前都沒有大規(guī)模的應用?！睂W、ft東科技大學、哈爾濱工程大學、中國地質(zhì)大學（北京）都開展了多波束底質(zhì)分類軟件的研制工作，但目前都沒有大規(guī)模的應用。三、存在的問題盡管眾多國內(nèi)外學者對多波束沉積物分類進行了一系列研究，但在水深數(shù)據(jù)、反向散射強度數(shù)據(jù)采集、處理，分類器研究等方面仍存在很多問題和不足。⒈硬件系統(tǒng)限制 知識的力量Tel Tel由于多波束測深系統(tǒng)發(fā)射聲波頻率較高、功率較小，聲波只能穿透海床表層約數(shù)厘米至十幾厘米的范圍，難以得到較深地層的信息，因而多波束聲強數(shù)據(jù)一般只能進行海底表層底質(zhì)研究，不能滿足深層區(qū)域的海底底質(zhì)研究。如何在已有發(fā)射機陣中增加大功率低頻脈沖聲波，增加多波束地層結(jié)構(gòu)探測功能是需要解決的研究熱點。⒉波束初始入射角給定模糊由于船體姿態(tài)的動態(tài)性，波束受船體橫搖角和縱搖角的影響，采用二蹤和入射角精準計算意義重大。⒊海底散射改正模型不完善反向散射強度與發(fā)射功率、接收增益、發(fā)射脈寬等因素相關，基于聲底入射角及聲照區(qū)面積產(chǎn)生的影響，因此必須配以精密水深重新計算參數(shù)，準確計算地形因素聲強改正量對回波強度進行改正。⒋特征提取及分類器待改進”StephensDising不同對分類結(jié)果影響很大。目前利用反向散射強度統(tǒng)計特性進行沉積物分類時，存在統(tǒng)計特性選擇標準不統(tǒng)一，混合沉積物難以區(qū)別等問題。在利用圖像紋理進行沉積物分類時，雖然紋理特征較多，但是對成像質(zhì)量要求較高。在有監(jiān)督分類中，樣本質(zhì)量、分類器擬合精度直接影響分類結(jié)果。目前分類器較多，而適合沉積物分類的最優(yōu)分類器選擇問題未有定論，存在參數(shù)選擇困難、參與分類的特性統(tǒng)計參量少且未系統(tǒng)分析統(tǒng)計特征參量對沉積物的區(qū)分能力，對混合沉積物識別率不高。在利用沉積物的品質(zhì)因子進行分類時，各類沉積物的權(quán)重會影響分類可靠性，而權(quán)重給定尚缺少依據(jù)，分類結(jié)果與現(xiàn)有商業(yè)成圖軟件兼容性不夠?！盩el知識的力量Tel四、結(jié)論與展望目前，國外多波束產(chǎn)品和底質(zhì)分類技術日趨成熟，國內(nèi)相對完善的系列化國產(chǎn)多波束產(chǎn)品正在逐步推出，但總體上看國內(nèi)仍落后于國外，尤其是在海底散射信號精細處理技術、聲學底質(zhì)分類技術等方面仍充滿了巨大的挑戰(zhàn)，基于多波束測深聲吶平臺實現(xiàn)海底地形、地貌、底質(zhì)分類與識別等多功能一體化探測仍是未來海底地形地貌探測與應用研究的熱點方向。⒈多源數(shù)據(jù)融合助力底質(zhì)分類多波束可以獲得測點的高精度平面位置和深度，但成像分辨率較低，側(cè)掃聲吶可獲得高分辨率的底圖像，但只能得到海底目標的概略位置和相對海底的高度，兩數(shù)據(jù)的融合可得到高位置精度的高分辨率聲吶圖像。然而由于現(xiàn)實條件限制，多波束、側(cè)掃聲吶在淺海海區(qū)如淺灘、島礁區(qū)等作業(yè)環(huán)境復雜區(qū)工作受限。近年來，機載激光雷達（LiDRA）測深技術不斷發(fā)展，其憑借測點密度高、測量周期短、低消耗、易管理、高機動性等特點迅速占領淺海水下地形勘測市場。同聲信號類似，LiDRA獲取的綠色激光脈沖波形（海底反射波形）的大小和形狀可衡量海底反射強度，可用于底質(zhì)分類。沒有哪一種數(shù)據(jù)或模型適應于所有情況，往往不Tel 知識的力量Tel 同數(shù)據(jù)和模型的組合會