多波束與側(cè)掃聲吶高質(zhì)量測量信息獲取與疊加

嚴(yán) 俊

安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230601

多波束聲吶和側(cè)掃聲吶分別是目前獲取海底地形與地貌圖像最為有效的設(shè)備。多波束聲吶可以同時獲得海底測深地形與分辨率較低的海底圖像，側(cè)掃聲吶可以獲取高分辨率但位置精度較低的海底圖像。為了準(zhǔn)確獲取海底精細(xì)的地形地貌信息，本文分別從多波束測深數(shù)據(jù)處理、多波束聲吶圖像處理、側(cè)掃聲吶圖像處理、測深地形與側(cè)掃聲吶圖像的疊加4個方面開展研究，最終得到了高精度高分辨率的海底地形地貌圖像。論文的主要工作和創(chuàng)新如下：

(1) 多波束測深數(shù)據(jù)中殘余誤差綜合影響削弱。多波束聲吶在測量和數(shù)據(jù)處理中，盡管聲速、船姿態(tài)、換能器安裝偏差等因素被嚴(yán)格測定和校正，但它們的殘余誤差仍會對測深數(shù)據(jù)產(chǎn)生系統(tǒng)性影響。為此，提出了一種基于海底地形頻譜特征的殘余誤差綜合影響削弱方法。

該方法包括4個步驟：基于多項式模型和傅里葉分析的水深數(shù)據(jù)低頻和高頻地形信息分離，海底地形變化趨勢的重建，實際地形變化趨勢和海底微地形的融合，以及改正后數(shù)據(jù)的精度評估。并且形成了兩種具體的處理流程。

將該方法應(yīng)用于南海某水域多波束測深數(shù)據(jù)處理中，邊緣波束測深數(shù)據(jù)的平均不符值從3.382 m分別降低為0.624和0.695 m，殘余誤差的影響得到有效地削弱。

(2) 多波束聲吶圖像中角度響應(yīng)的改正。角度響應(yīng)效應(yīng)嚴(yán)重降低了多波束聲吶海底圖像的質(zhì)量，進(jìn)而影響了多波束聲吶圖像的應(yīng)用。為此，提出了兩種自適應(yīng)角度響應(yīng)改正方法，分別為建模法和分類改正法。

建模法包括連續(xù)脈沖平均角度響應(yīng)曲線的提取，平均角度響應(yīng)曲線的平滑，角度響應(yīng)參數(shù)的提取，以及角度響應(yīng)改正模型的建立4個步驟。分類改正法則包括角度響應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化，非監(jiān)督海底分類，不同底質(zhì)角度響應(yīng)曲線的提取，以及基于底質(zhì)分類的角度響應(yīng)改正4個步驟。

兩種方法均能較徹底地削弱角度響應(yīng)對多波束圖像的影響。試驗中，對于影響最嚴(yán)重的鏡面區(qū)中回波強度的平均不符值從3.98 dB分別改善為0.38和0.17 dB。

(3) 顧及底質(zhì)分布的側(cè)掃聲吶圖像輻射畸變改正方法。受波束模式、傳播損失、角度響應(yīng)、拖魚高度等影響，側(cè)掃聲吶圖像中輻射畸變嚴(yán)重，導(dǎo)致圖像質(zhì)量較低甚至無法應(yīng)用。為此，通過分析各畸變因素的特點，提出了顧及海底底質(zhì)變化的側(cè)掃聲吶圖像輻射畸變改正方法。

首先通過數(shù)據(jù)預(yù)處理消除了與角度無關(guān)的輻射畸變；然后根據(jù)同入射角下強度序列受影響相同的特點，對側(cè)掃聲吶圖像開展了海底底質(zhì)非監(jiān)督分類；接著，提取出不同底質(zhì)的角度-強度曲線；最后據(jù)此曲線實現(xiàn)輻射畸變改正。

利用福建沿海水域的實測側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)對該方法進(jìn)行驗證，重疊區(qū)域內(nèi)回波強度的平均不符值從原始的17.8 dB降低為3.6 dB，從而顯著地提高了側(cè)掃聲吶圖像的質(zhì)量。

(4) 多波束聲吶與側(cè)掃聲吶測量信息的疊加。多波束聲吶圖像與側(cè)掃聲吶圖像在位置和分辨率上具有較強的互補性，因而融合二者可獲取高精度高分辨率的海底地形地貌圖像。為此，提出了一種基于海底分類圖像分區(qū)匹配實現(xiàn)側(cè)掃聲吶圖像與多波束測深地形疊加方法。

首先，對多波束聲吶圖像和側(cè)掃聲吶圖像依次進(jìn)行海底底質(zhì)分類；然后，通過對兩種底質(zhì)圖像分區(qū)匹配實現(xiàn)對側(cè)掃聲吶圖像位置校正；最后，基于位置信息實現(xiàn)校正后高分辨率側(cè)掃聲吶圖像和高精度測深地形的疊加。

通過對福建沿海水域的實測多波束聲吶與側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗，校正后的側(cè)掃聲吶圖像中特征點位置最大差值從原來的19 m降低到3 m，精細(xì)地呈現(xiàn)了海底地形地貌。