一種針對側掃聲納圖像的數(shù)字鑲嵌技術方法

郭 軍,馬桂云，馬金鳳,王愛學,易 鋒,馮強強

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510760;2.河南省電子信息產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，河南 鄭州 450003；3.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學 海洋測繪研究中心，湖北 武漢 430079)

一種針對側掃聲納圖像的數(shù)字鑲嵌技術方法

郭 軍1,馬桂云2，馬金鳳1,王愛學3,4,易 鋒1,馮強強1

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510760;2.河南省電子信息產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，河南 鄭州 450003；3.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學 海洋測繪研究中心，湖北 武漢 430079)

以南海某海域?qū)崪y側掃聲納數(shù)據(jù)為例，研究側掃聲納圖像的數(shù)字鑲嵌技術方法，對關鍵步驟進行詳細的闡述。通過對原始側掃聲納數(shù)據(jù)進行導航數(shù)據(jù)校正、海底線跟蹤、斜距改正、TVG校正、船速校正、地理編碼與重采樣、拼接與鑲嵌等處理，生成大區(qū)域、大范圍、高分辨率、無縫拼接的側掃聲納圖像。實驗結果證明聲納圖像數(shù)字鑲嵌技術的有效性，并取得理想的效果。

側掃聲納系統(tǒng)；聲納圖像；海底線跟蹤；TVG校正；數(shù)字鑲嵌

側掃聲納系統(tǒng)以其高精度、高效率、高分辨率、海底微地形地貌直接成像的特點，為海底探測提供直觀完整的海底聲學圖像，從而獲得海底形態(tài)，并對海底的紋理特征進行定性的描述[1-3]，其廣泛應用于海底地貌測繪、海底底質(zhì)勘探、海底沉積物探測、水下目標搜尋、海洋工程等方面。近年來隨著我國近海海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及清潔能源天然氣水合物資源勘查項目的開展，側掃聲納系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的作用?？蒲猩a(chǎn)單位采集了大量的側掃聲納資料，為海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和天然氣水合物冷泉等的探測提供分辨率高達厘米級的聲納圖像。

原始的側掃聲納圖像只是將掃描數(shù)據(jù)按照測量順序堆疊在一起以瀑布圖的形成顯示，其缺乏整體的地理方位，也不具有可測量性；同時由于側掃聲納系統(tǒng)自身的成像機理，瀑布圖分割成左右兩個通道聲納圖像，中間區(qū)域出現(xiàn)“盲區(qū)”，造成聲納圖像的不連續(xù)性；相鄰側掃聲納圖像條帶在公共區(qū)域呈現(xiàn)出拼接痕跡，圖像色調(diào)不一致、不連續(xù)。

側掃聲納數(shù)字鑲嵌技術是在手動鑲嵌的原理上利用計算機的強大運算功能進行聲納數(shù)據(jù)的鑲嵌處理。數(shù)字鑲嵌技術可以大幅提高聲納圖像的拼接效率和質(zhì)量，輸出任意比例的帶有地理坐標、可測量的數(shù)字化聲納圖像，適用于大規(guī)模大范圍的海底地形地貌探測及海底底質(zhì)識別等相關研究。在國外，GuyCochrane等利用側掃聲納鑲嵌圖像與海底不同底質(zhì)之間的聯(lián)系來尋找海洋瀕危物種棲息地[4]；Carl Jorg Petersen等將側掃聲納鑲嵌圖像與聲學數(shù)據(jù)相結合，對海底圓丘的成因和空間位置分布進行研究[5]。在國內(nèi)，徐建等利用側掃聲納圖像對西太平洋某海山的微地形地貌進行了相關研究，對研究區(qū)域的特征地形地貌進行了初步的解釋[6]；唐秋華等利用聲納鑲嵌圖對JFR海底熱液區(qū)的特征地形地貌進行了分析，研究聲圖與海底熱液的形態(tài)特征、形成機制之間的相關聯(lián)系[7]；趙建虎等采用基于地理編碼和基于SURF的方法實現(xiàn)側掃聲納條帶的分段拼接與鑲嵌[8]；劉曉東等探討了側掃聲納系統(tǒng)在天然氣水合物調(diào)查應用中的可行性[9]。

以上研究大多利用已有的側掃聲納鑲嵌圖進行相關研究，沒有對由原始數(shù)據(jù)生成側掃聲納圖像整個過程中的一些關鍵技術進行深入分析和探討，且研究區(qū)域所涉及的范圍較小，局限于單條或者多條側掃聲納圖像。

本文以南海某海域?qū)崪y側掃聲納數(shù)據(jù)為例，通過對原始側掃聲納數(shù)據(jù)進行處理，形成帶有地理坐標的側掃聲納條帶圖像，在相鄰條帶之間的重合區(qū)域進行鑲嵌處理，最終形成具有地理坐標的大范圍大區(qū)域側掃聲納鑲嵌圖。通過對高分辨率的側掃聲納鑲嵌圖進行分析，發(fā)現(xiàn)海底的各種微地形地貌清晰可辨，目標物輪廓清晰、連續(xù)性較好，沙波沙脊的紋理清晰，海底管線走向清晰，管線長度及寬度可測量，表明形成的側掃聲納鑲嵌圖完全滿足海洋地質(zhì)調(diào)查的需求，為海底微地形地貌的識別、海底底質(zhì)的分類、海底目標物的探測提供科學、精確可靠的基礎數(shù)據(jù)。

1 聲納圖像數(shù)字鑲嵌流程

聲納圖像數(shù)字鑲嵌流程[10]主要步驟為：①側掃聲納導航數(shù)據(jù)處理，將掃描線歸位至正確的位置；②海底線跟蹤，檢測并識別出海底線，為斜距改正提供依據(jù)；③斜距改正，消除聲納圖像上的橫向傾斜幾何畸變，移除水柱，將左右兩個通道整合在一起；④速度校正，消除聲納圖像的縱向幾何畸變；⑤TVG(Time Varying Gain)校正，消除聲納圖像輻射畸變，調(diào)整橫向的灰度不均衡；⑥地理編碼，將每一個回波歸位至地理坐標框架下；⑦圖像重采樣，消除由于測線拐彎造成的掃描線縫；⑧鑲嵌處理，生成側掃聲納鑲嵌圖。

2 試驗與分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

2014年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局使用Edge Tech 4 200 MP側掃聲納系統(tǒng)[11]在南海某海域進行側掃聲納作業(yè)，數(shù)據(jù)記錄采用Edge Tech Discover軟件，數(shù)據(jù)格式為XTF。側掃單邊量程設置為200 m，拖魚距海底高度保持在20～30 m之間，拖魚電纜投放長度在5～400 m之間，船速保持為3～5節(jié)之間。作業(yè)時采用雙頻作業(yè)模式，分別為100 kHz和400 kHz，船速保持為5節(jié)左右。定位系統(tǒng)采用Trimble SPS351 DGPS導航定位儀，測深系統(tǒng)選用SDE-28S測深儀，主測線走向為NE-SE，聯(lián)絡測線走向NW-SE，圖1為測線布設示意圖,圖2為調(diào)查船只設備安裝位置示意圖。

圖1 測線布設示意圖

圖2 設備安裝位置示意圖

2.2 導航數(shù)據(jù)處理

圖3和圖4展示了側掃聲納導航數(shù)據(jù)處理前后的效果對比，其中綠色為左舷的掃描線，紅色為右舷的掃描線。從圖中可以看出，導航數(shù)據(jù)未校正之前，掃面線存在嚴重的交叉現(xiàn)象，且相鄰掃描線之間的空隙較大；校正之后，掃面線歸位垂直于航跡線，過渡平滑，交叉現(xiàn)象得到有效控制。

圖3 導航數(shù)據(jù)校正前掃描線

圖4 導航數(shù)據(jù)校正后掃描線

2.3 海底線跟蹤

海底線可提供計算海底目標高度時所需的拖魚至海底高度的基準線，為下一步的斜距改正提供精確的數(shù)學依據(jù)。海底線跟蹤算法通常有3種[12]，即振幅閾值法、窗口斜率法和人工干預法。通過比較3種算法的處理效果，得出振幅閾值法結合人工干預法或者窗口斜率法結合人工干預法效果最佳。

圖5和圖6展示了不同海底線檢測方法的海底線跟蹤效果。從圖中可以看出，振幅法檢測的海底線沒有達到與海底地形的精確匹配，尤其是海底地形起伏突變的區(qū)域，效果較差；振幅法結合人工干預法檢測出的海底線與海底地形起伏吻合度較高，達到精確的匹配，除一些細微的差別，兩者幾乎相重合。

圖5 振幅法海底線跟蹤效果

圖6 振幅法結合人工干預法海底線跟蹤效果

2.4 斜距改正

利用拖魚、海底及回波的三角關系，計算每一個回波的平距來進行斜距改正，以此去除水柱，合并左右聲納圖像，并削弱側掃聲納圖像在橫向上的幾何畸變，改正前后對比如圖7、圖8所示。

圖7 斜距改正之前

圖8 斜距改正之后

2.5 TVG校正

側掃聲納圖像存在輻射畸變，其主要表現(xiàn)為橫向的灰度不均衡化。原因是聲波隨著傳播距離增加而產(chǎn)生的擴展損失和吸收損失，遠處回波的強度明顯低于近處回波的強度。在瀑布上表現(xiàn)為，中間區(qū)域較亮，兩側邊緣較暗。

TVG利用經(jīng)驗公式來補償側掃聲納回波強度隨傳播時間而產(chǎn)生的擴展損失和吸收損失[13]，校正前后如圖9、圖10所示。

圖9 TVG校正之前效果

圖10 TVG校正之后效果

從圖9和圖10可以看出，經(jīng)過TVG校正之后，圖像中間區(qū)域的強回波得到較好的壓制，圖像均衡化較好，色調(diào)表現(xiàn)一致，靠近中間區(qū)域的一些地形細節(jié)特征也清晰可辯。

2.6 船速校正

野外采集環(huán)境往往比較復雜，船速時快時慢，并不是勻速航行，結果會導致聲納圖像產(chǎn)生一定程度上的幾何畸變，目標物會被壓縮或拉伸，為此需要進行速度校正，以消弱聲納圖像的幾何畸變。圖11為船速校正前后效果對比圖，可以看出校正后目標物輪廓更加清晰，細節(jié)信息突出，紋理結構更加分明。

圖11 船速校正前(左)后(右)效果對比圖

2.7 地理編碼與重采樣

通常為了便于顯示，側掃聲納系統(tǒng)圖像多采用瀑布圖的方式展示，該圖像是以拖魚航跡為縱軸，掃描線為橫軸的序列圖像，不具有準確的方位和地理坐標，不便于后續(xù)的目標識別和量測。根據(jù)拖魚的位置、航向、掃幅寬度及回波序列號可估算出每一個回波的大概位置，從而形成側掃聲納回波的地理編碼圖像。

側掃聲納圖像經(jīng)過地理編碼后圖像中各掃描線之間會產(chǎn)生縫隙，航向的變化會造成縫隙大小不均勻，由航跡向彎道外側，掃描線之間的縫隙越來越大，由航跡向彎道內(nèi)側，掃描線之間的縫隙逐漸減少甚至交叉，為此需要對聲納圖像進行重采樣，以消除掃描線之間的縫隙。通常的圖像重采樣算法有扇形填充法和掃描填充法兩種。圖12為經(jīng)過地理編碼與重采樣之后的側掃聲納圖像。

圖12 側掃聲納圖像與局部放大圖

2.8 拼接與鑲嵌

在完成單條側掃聲納條帶圖像處理之后，就可以進行相鄰條帶圖像之間的配準及鑲嵌處理，最終形成覆蓋整個工區(qū)范圍的側掃聲納圖像，為進一步的海底地形地貌、海底底質(zhì)識別與判讀、海底目標物及礦產(chǎn)油氣資源的探查提供可靠的科學依據(jù)。

為了實現(xiàn)海底的全覆蓋，相鄰側掃聲納條帶邊緣掃幅會保持10%～20%的重疊帶。重疊帶的處理效果會直接影響聲納圖像的視覺效果及地形地貌、海底底質(zhì)的判讀。處理重疊區(qū)域的拼接與鑲嵌的方法主要有[14-15]：最大值法、最小值法和平均值法3種，圖13～圖15分別展示3種方法的拼接與鑲嵌效果。

圖13 最大值法拼接與鑲嵌效果

圖14 平均值法拼接與鑲嵌效果

圖15 最小值法拼接與鑲嵌效果

圖16 重疊區(qū)域ping數(shù)據(jù)曲線圖

圖13和圖14中方框標記的為拼接重合區(qū)域，從圖中可以看出，最大值法和平均值法的拼接與鑲嵌結果圖均呈現(xiàn)出明顯的拼接痕跡，重疊區(qū)域色調(diào)過渡不自然，有明顯的突變，容易引起海底地形地貌及海底底質(zhì)的誤判；從圖15可以看出，最小值法的拼接與鑲嵌結果圖沒有出現(xiàn)拼接痕跡，圖像過渡自然平滑，整體色調(diào)保持一致。

圖16為重疊區(qū)域所有ping數(shù)據(jù)的灰度曲線，可以看出最大值法和平均值法曲線的中間區(qū)域起伏較大，且曲線抖動較劇烈，這表明重合區(qū)域的過渡不自然，拼痕較為突出；而最小值法的曲線變化較小 ，曲線整體表現(xiàn)較為平緩，這表明重合區(qū)域過渡較為自然，拼痕影響很小。

表1為拼接鑲嵌的效果評價指標，其中標準差用來衡量圖像的清晰度和對比度，其數(shù)值越大，表明圖像越清晰；信息熵用來衡量圖像信息豐富程度的大小，其質(zhì)越大表明圖像所包含的平均信息量越多；平均梯度用來衡量圖像中微小細節(jié)反差和圖像的紋理特征，其值越大表明圖像細節(jié)信息和紋理結構越清晰。從表1中可以看出，3種評價指標中，最小值法均高于其它兩種方法，這表明對于側掃聲納圖像拼接與鑲嵌而言，最小值法為最優(yōu)。

表1 拼接鑲嵌效果評價指標

3 結果與分析

導航數(shù)據(jù)處理可有效去除飛點的同時，確保了掃描線位置的準確性；振幅法結合人工干預法提高了海底線跟蹤與提取的精度，為斜距改正提供了可靠的數(shù)學依據(jù)；斜距改正消除了水柱區(qū)域，將側掃聲納左右通道圖像合并，形成完整的側掃聲納條帶圖像；TVG校正改善了圖像的不均衡化，使得圖像整體色調(diào)一致，像素量級分布均衡，亮度適中；船速校正消除了圖像沿航跡方向的幾何畸變，使得目標的形狀輪廓恢復原本的狀態(tài)；地理編碼及重采樣使得側掃聲納圖像具有了準確的方位和地理坐標，并具有可測量性；拼接與鑲嵌在消除重疊區(qū)域拼接痕跡的同時，生成了大范圍大規(guī)模海底全覆蓋的高分辨率側掃聲納區(qū)域圖像，為大范圍大規(guī)模的海洋地質(zhì)調(diào)查、海洋礦產(chǎn)油氣資源及天然氣水合物勘察提供了高質(zhì)量的聲納圖像。圖17展示了不同類型的底質(zhì)類型及地物。從圖中可以看出，沙坡和沙脊紋理結構清晰，輪廓明朗，目標物的連續(xù)性和分辨率較高，滿足地質(zhì)調(diào)查的需求。

圖17 不同類型的底質(zhì)

4 結束語

本文深入研究側掃聲納圖像的數(shù)字鑲嵌技術方法，對關鍵步驟進行詳細的闡述，通過對原始側掃聲納數(shù)據(jù)進行導航數(shù)據(jù)校正、海底線跟蹤、斜距改正、TVG校正、船速校正、地理編碼與重采樣、拼接與鑲嵌等處理，生成大區(qū)域大范圍高分辨率無縫拼接的側掃聲納圖像，總結一套適用海洋地質(zhì)調(diào)查的側掃聲納圖像數(shù)字鑲嵌技術方法,取得理想的效果。

高分辨率的側掃聲納圖像為大規(guī)模大范圍的海底地貌研究、海底目標物探測及標定、海底油氣資源及天然氣水合物資源的勘查提供科學的基礎數(shù)據(jù)，將在海洋地質(zhì)調(diào)查和海洋測繪中發(fā)揮越來越重要的作用。

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[責任編輯：張德福]

A digital mosaic method for side-scan sonar images

GUO Jun1,MA Guiyun2,MA Jinfeng1,WANG Aixue3,4,YI Feng1,FENG Qiangqiang1

(1.Key Lab of Marine Mineral Resources，Ministry of Land and Resources, Guangzhou Marine Geological Survey Burean,Guangzhou 510760，China;2.Henan Institute of Electronic Product Quality Supervision and Inspection,Zhengzhou 450003,China;3.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China;4.Marine Surveying and Mapping Research Center，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

This paper proposes a digital mosaic method for side-scan images, taking the sonar data from the South China Sea as the example. The key steps of the method are analysed in detail. By the mean of a series of data preprocessing, it can create the high-resolution seamless mosaic sonar images. The experiment proves that it can obtain good effects for side-scan sonar images.

side-scan sonar system；sonar image；seafloor bottom track；TVG correction；digital mosaic

引用著錄：郭 軍,馬金鳳,王愛學，等.一種針對側掃聲納圖像的數(shù)字鑲嵌技術方法[J].測繪工程，2017，26(6)：34-39.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.06.007

2016-07-20

國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室開放基金(KLMMR-2015-A-13);國家專項工作項目(DD20160227)

郭 軍(1984-)，男，工程師.

P229

A

1006-7949(2017)06-0034-06