基于多波束和淺剖的海底淺表層沉積物分類關(guān)鍵問題研究

何林幫

1. 上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，上海 201306； 2. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306

基于多波束和淺剖的海底淺表層沉積物分類關(guān)鍵問題研究

何林幫

1. 上海深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，上海 201306； 2. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306

開發(fā)和利用海洋油氣資源是我國(guó)“海洋強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的一個(gè)非常重要組成部分，而基于聲學(xué)的沉積物結(jié)構(gòu)探測(cè)則在該工作中扮演著不可或缺的基礎(chǔ)保障作用。多波束和淺地層剖面儀(淺剖)均具備快速、大面積探測(cè)海底沉積物的能力，前者可探測(cè)海床表面沉積物，后者可探測(cè)淺表層數(shù)百米深度的沉積物。相對(duì)傳統(tǒng)的鉆孔取樣方法，基于多波束和淺剖的聲學(xué)沉積物探測(cè)方法提高了探測(cè)效率，顯著降低了作業(yè)成本，但不可否認(rèn)的是目前仍存在諸多問題。為此，本文在系統(tǒng)分析了現(xiàn)有海底沉積物聲學(xué)探測(cè)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展了基于多波束和淺剖回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的海底淺表層沉積物分類關(guān)鍵問題研究，完善了現(xiàn)有聲學(xué)探測(cè)理論和方法，實(shí)現(xiàn)了海底淺表層沉積物的準(zhǔn)確探測(cè)。本文的主要工作和貢獻(xiàn)如下：

(1) 分析了現(xiàn)有聲線跟蹤方法的不足以及海底投射點(diǎn)位置計(jì)算誤差對(duì)聲強(qiáng)的影響，提出了顧及姿態(tài)角的三維聲線跟蹤方法，取得了5‰的平均跟蹤精度，提高了波束海底投射點(diǎn)位置和聲強(qiáng)的計(jì)算精度。

(2) 為削弱多次波對(duì)淺剖有效一次反射波的影響，提出了一種基于二者組合的多次波綜合壓制方法，將淺剖數(shù)據(jù)的峰值信噪比提高了15%，壓制前后的淺剖圖像保真度達(dá)到0.87，顯著地提高了淺剖回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

(3) 為克服單一峰谷法層界劃分的不足，提出了一種回波損失曲線峰谷與沉積物品質(zhì)因子Q結(jié)合的淺地層沉積物層界綜合劃分方法。以鉆孔資料為參考，綜合劃分方法取得了優(yōu)于2%的相對(duì)層界劃分精度，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)峰谷法。

(4) 為削弱聲波在淺地層傳播過程中聲能衰減給回波強(qiáng)度和分類的影響，借助基于波動(dòng)理論的反Q濾波聲能補(bǔ)償方法，計(jì)算了聲能補(bǔ)償?shù)恼穹阕雍拖辔凰阕樱瑢?duì)傳播過程中的聲能衰減進(jìn)行了補(bǔ)償。試驗(yàn)表明，聲能補(bǔ)償后振幅平均提高了約18%，重構(gòu)后的回波圖像對(duì)層界的反映更加清晰。

(6) 針對(duì)小波BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在的收斂速度慢、易陷入局部極小和誤差陡峭處抖動(dòng)較大問題，通過增加自適應(yīng)學(xué)習(xí)率和動(dòng)量因子，并對(duì)初始連接權(quán)值和各層閾值進(jìn)行優(yōu)化，解決了上述問題，實(shí)現(xiàn)了小波BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，顯著地提高了沉積物分類的速度和可靠性。

(7) 通過樣本優(yōu)選、特征參量提取以及改進(jìn)的小波BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，分類器實(shí)現(xiàn)了基于多波束和淺剖回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)的海底淺表層沉積物監(jiān)督分類。試驗(yàn)表明，在海底床表沉積物分類中，樣本的識(shí)別準(zhǔn)確率和分類精度分別達(dá)到94%和98.8%；在淺地層沉積物分類中，樣本的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到96.26%，沉積物分類的內(nèi)符合和外符合精度分別達(dá)到97.98%、84.76%。

(8) 分析了基于多波束回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)實(shí)施海底床表沉積物分類與基于淺剖回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)實(shí)施淺地層沉積物分類的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為二者分類結(jié)果具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，為此提出了基于二者分類結(jié)果疊加的淺表層沉積物結(jié)構(gòu)獲取方法及其三維建模方法，實(shí)現(xiàn)了淺表層沉積物結(jié)構(gòu)的三維立體呈現(xiàn)。

Author：HE Linbang(1981—)，male，post-doctor, received his doctoral degree from Wuhan University on June 2015，majors in ocean surveying and mapping.

E-mail：whuhlb@163.com

Research on Key Issues of Sediment Classification for Seabed and Sub-bottom Based on Multi-beam and Sub-bottom Profile Echo Intensity

HE Linbang

1. Shanghai Research Center of Hadal Science and Engineering Technology Shanghai 201306，China； 2. College of Marine Sciences, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China

何林幫.基于多波束和淺剖的海底淺表層沉積物分類關(guān)鍵問題研究[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(12)：1498.

10.11947/j.AGCS.2016.20160466. HE Linbang.Research on Key Issues of Sediment Classification for Seabed and Sub-bottom Based on Multi-beam and Sub-bottom Profile Echo Intensity[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(12):1498. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20160466.

P229

A

1001-1595(2016)12-1498-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(41376109；41576107)

2016-09-20

何林幫(1981—)，男，博士后，2015年6月畢業(yè)于武漢大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：劉經(jīng)南院士，趙建虎教授)，研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y(cè)繪。