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海底底质分类技术底最新进展


介绍几种典型的海底底质分类技术
广州海洋地质调查局资料处理研究所(510760) 刘胜旋 关永贤 编译 摘要 本文主要介绍了四家海洋仪器公司的最新海底底质分类技术。 它们分别利用多波束的

反向散射强度数据、单波束的回声波形结构数据和侧扫声纳数据。采用了多参数统计分析、波形 结构分析和影像属性分析等方法,实现了快速、高效、大面积地对海底底质进行间接的

分类。尽 管它们的技术各不相同,但都可以分为监督分类方式和非监督分类方式。 关键词 海底底质分类 单波束 多波束 反向散射强度 监督分类 非监督分类 EM 系列多波束测深系统采集的数据。 当欲利用 Triton 来进行底质分类时,应首先用 Neptune 软件对多波束 数据进行定位、定深及其它各种参数校正处理,然后 由 Triton 读取反向散射数据 (声纳数据) 并对其进行 , 多参数统计分析,从而划分出各种不同的逻辑海底沉 。 真实的海底沉积 积类型 非监督分类) 欲得到确切、 ( 类型,必须首先根据先验资料定义一个分类数据库, 供以后的多波束海底底质分类使用(监督分类) 。 反向散射强度数据也称为声纳数据,它与海底的 反射能力有关。而反射能力又主要与海底的底质属性 例如密度、 声速、 表面粗糙程度和水体的均一性有关。 发射能量与接收器的记录信号之间的关系为: 假设 SL 发射能级大小,EL 为接收能级大小,则 EL=SL-2TL+BTS 2TL 表示双路传播能量损失,定义为:2TL= 40logR+2aR, R 为声源至海底之间的距离,a 为与频率有关的 水体吸收系数。 BTS 为底部反向散射强度, 其与海底的反射率属 性有关。假设 A 为某一波束的声照区大小,则 BTS 定义为: BTS=BS+10logA 此处 BS 为海底反向散射系数,与海底的反射率 有关。声照区 A 的大小随波束号的不同而不同,因此 它与所使用的多波束探头有关。 最后得到:BS=EL-SL+40logR+2aR-10logA。 = 。 Triton 系统主要由三个模块组成: 特征提取、 培训 和分类。图 1 显示了 Triton 系统的工作流程。
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前言
随着多波束技术及侧扫声纳技术的不断发展,人 们已经不仅仅满足于单一的水深测量和粗略的人工侧 扫声纳影像解释。无论是在渔业、采掘业、海上商业 调查、科学与环境研究方面,还是在国防军事应用方 面,都希望能够快速、高效地获取海底浅层沉积环境 信息。然而,传统的方法如可视化法与机械取样法都 存在效率低、费用高、不适应于大面积调查等弊端。 由于声学法具有高效率、低费用、高分辨率等优点, 因此特别适合于大面积的调查或研究。目前,世界上 已有多家海洋调查仪器公司或研究单位从不同的方 面、采用不同的参数对海底进行分类识别。从研究对 象数据方面来分,主要有单波束海底分类、多波束海 底分类和侧扫声纳影像分类三大类。其中,单波束海 底分类器及分类软件发展最为成熟,可以配合多种测 深仪进行工作。多波束海底分类系统只能配合于某一 特定类型的多波束测深系统。 不管采用何种技术,都可以分为监督分类方式和 非监督分类方式。在监督分类方式下,必须首先对系 统进行培训, 通过在不同类型的海底采集一系列数据, 获得特定的特征信息,建立起特征信息与海底类型之 间的对应关系。在非监督分类方式下,只对海底类型 进行逻辑分类。

一、挪威 Simrad 公司的底质分类技术
(一)分类原理 Triton 是挪威 simrad 公司的一个海底底质分类软 件,它内嵌在多波束后处理软件 Neptune 里,适用于

(二)特征提取 在进行海底底质分类时,首先是提取多波束声纳 数据的特征值。声 纳数据可以理解为 海底的反向散射强 度,它们取决于波 束掠射角的大小、 海底粗糙度、底质 属性和声波在水体 中的传播等因素。 Triton 海底分类系 统通过对脉冲与脉 冲之间的反向散射 强度进行相互比 较,从而确定不同 区域之间的特征 值。 第一个版本的 Triton 于 1994/95 区域划分 图 1 Triton 分类流程图 分类 分类数据库 培训 特征提取 通过 Neptune 处理后的 声纳数据

由三个特征参数构成的三维特征空间将被显示为三个 二维平面图(图 2) 。 (四)分类与区域划分 分类与区域划分实际上是属于同一个模块。分类 就是对某一区域赋予底质类型说明。这一过程是建立 在特征参数和分类数据库的基础上的,然后通过贝叶 斯判定规则(Bayes decision rule)来进行分类。 区域划分通常与圆滑和边界检测相关。实际上也

图 2 三参数分类椭球及特征点的分布图 就是通过用户定义的网格大小,然后对落在每一网格 内的不同分类数据进行统计,从而根据统计的结果来 决定该网格属于哪一种分类。这个步骤实际上与网格 化绘制等值线类似。 Triton 处理后的结果图件有:底质类型分布图和 特征值分布图。

年开发出来的。当时对 40 多个特征参数进行了测试, 最后只保留了五个特征参数。这是因为单独利用或组 合使用这五个特征参数,就可以到达最佳的海底分类 效果。这五个特征参数为: 1. 0.8 分位数(Quantile) 2. 步距(Pace) ,一种功率谱运算。 3. 对比度(Contrast) 4. 平均值(Mean) 5. 标准方差(STD) (三)培训 在 Triton 软件中,某一特定的底质类型在特征空 间中被定义的为一个椭圆。某一波束的特征数据在特 征空间中被定义为一个点,如果该点位于椭圆里,则 该波束对应的底质类型与该椭圆的类型一致。究竟特 征空间中什么位置、什么形状的椭圆对应什么样的底 质类型,这就需要通过培训来确定了。所谓培训,就 是从某一海域采集到多波束数据后,运行特征提取模 块以提取上述五个特征参数,再以点的形式显示在五 维特征空间里。如果点足够多时,就可以拟合成一个 椭圆。通过收集(采集)到先验资料,赋予该椭圆正确 的底质类型。培训的结果是得到一个描述海底类型的 分类数据库。 如果培训时只选择三个特征参数, 那么,

二、加拿大 Quester Tangent 公司的底质分 类技术
(一)分类原理 QTC VIEW 是加拿大 Quester Tangent 公司 (简称 QTC)的产品,主要面向单波束测深系统。与 Simrad 公司的分类技术不同, QTC 底质分类技术从分析反射 波束的波形特征入手的。 QTC 认为, 从海底反射回来 声学信号的振幅和形状受海底的硬度、粗糙度、海水 与海底之间的声学阻抗强度等因素的影响(图 3) 。通 过使用一套专有算法来测量回声包络线,提取 166 个 波形特征或描述符,这组 166 个波形特征被称为全特 征矢量(FFV’s) 。为了解释和显示的需要,通过进一 步的算法把这 166 个特征简化到三个最具有代表性的 值,称为 Q1,Q2 和 Q3,统称为作 Q-values。海底底 质分类就是通过使用这三个 Q-values 值来实现的。假

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设从相似的海底类型反射回来的信号也是相似的,当 Q1、Q2 和 Q3 绘制在相互垂直的 Q-space 时,从相似 的海底反射回来的信号形成的簇如图 4 所示。 一个回 声信号的分类是根据它在由培训数据生成的 Q-space 中的簇的位置而定,它与最接近的簇的类型相同。

分类与数据库的匹配程度产生一个可信级别,并保存 在每一个记录里(图 5 右下) 。 一旦已经建立了一个分类数据库后,只要是使用 相同的测深仪,以相同的频率,在大致相同的水深范 围的调查区里,就不需要重复这种校正过程,直接使 用以前存储的分类数据库即可。 (三)后处理非监督分类 在非监督分类时,通过统计分析一些有规律的数 据子集而生成参考簇,这些参考簇就组成了回声信号 的逻辑种群。非监督分类可以在海上实时进行,也可 以在室内后处理时进行。 QTC IMPACT 是一套后处理软件。它允许用户 在调查前不需要建立一个海底类型分类数据库,就可 以直接进行数据采集。然后通过后处理的三维分簇处 理程序把它们分成不同的声学分类,这样用户就可以

图 3 回声波形 (二)培训与野外实时分类 同 Triton 系统一样,QTC VIEW 也分为监督分类 与非监督分类。当需要在野外进行实时分类时,必须 首先对分类系统进行培训。培训就是通过从已知海底 生成参考簇的方法。实际上,在安装系统试验时,在 校正位置“a”上停船,采集一组回声样品,这个位置 通过先验资料建立起海底类型与声学分类之间的关 系。然后在“b”位置上重复这一过程,直到能够建立 起一个有代表性的分类数据库。在实时调查时,系统 采集到的数据通过与这个数据库进行参考对比,并被 放置在三维空间中的适当位置 (图 5 左上) 同时, 。 航

得到一幅调查区域海底声学差异性图。 由于所有的作业都是在后处理进行而不是实时进

图 5 野外实时分类窗口界面图 行,这就能够保证得到更好的处理和质量控制。数据 滤波允许删除任何坏的或不想要的数据点以防止分类 偏差,可以控制分簇处理以提供最佳的分类效果。 以上所介绍的是 QTC 针对单波束测深仪的海底 底质分类技术。为了能够对多波束数据进行海底底质 分类, QTC 也开展利用多波束数据和侧扫声纳数据进 行海底底质分类的开发研究。利用多波束数据进行海 底分类时,输入数据同 Triton 系统一样,均为反向散 射(backscatter)数据。 目前, QTC 的第一个多波束海底

图 4 Q-空间里簇包含相似的声学信号实 迹图、水深剖面图都被细分为相应的分类。并对每一

底质分类软件叫做 QTC MULTIVIEW。 该产品正处在 开发测试阶段,于去年 10 月份刚发布了第一个 beta 产品给爱尔兰地质调查局,其能够与 Simrad EM2000
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型多波束测深仪配套工作。

海底的声学属性可以随频率的不同而显著变化。 例如,在同一区域用不同的频率进行粗糙度识别,当 使用较低的频率时,由于波长较海底的微地形起伏大 得多,结果在反射与散射信号中将以反射信号为主, 海底就显得比较平坦;当使用较高的频率时,由于波 长较海底的微地形起伏小得多,结果在反射与散射信 号中将以散射信号为主, 海底就显得比较粗糙。 另外, 声波穿透底层的深度也依频率而定,在松软沉积的环 境下,低频声波的穿透深度较高频声波的穿透深度要 大。因为这些特性的差异,双频声学海底分类仪的优 势要比单频声学海底分类仪高得多。ECHOplus 利用 两个独立的频率通道来充分发挥这种优势。

三、英国 Echoplus 公司的底质分类技术
(一)分类的原理 图 6 显示了一个单脉冲典型的回声信号电压轨迹 图。左部分为发射脉冲结束时的尾迹,该部分可能由 于受到附近构造物或探头底部的汽泡的反射而形成。 中部为海底的第一次反射。通常,该部分至少由三部

图 6 第一次回波的分析窗口 分组成:换能器底部海底的初始反射、换能器底部海 底周围区域的散射和可能存在的海底以下的反射。右 部分为海底的第二次反射。虽然第二次反射的历时大 约是第一次反射的两倍,但是第二次反射并不仅仅是 第一次反射的比例缩放与延迟,它还包含着更多的信 息。 简要地说,ECHOplus 是利用: 第一次反射的散射信息来判断海底粗糙度。 第二次反射的反射信息来判断海底硬度。 换能器以一定的波束角向海底发射波束,如果海 底十分平坦,那么所有垂直发射向海底的能量将返回 换能器,其它角度的能量将反射离开。事实上,海底 并不是完全地平坦,以其它角度发射的一部分能量也 能够回到换能器。海底越粗糙,就有越多的能量被散 射回到换能器, 也就是有更多的能量出现在分析窗内。 为了避免散射能量受到换能器底部的直接反射能 量的干扰,仅仅使用第一次反射的尾迹来进行分析, 如图 6 的红色窗口部分。 第二次反射并不象第一次反射那么简单,基于该 物理机制,这里至少有两种理论存在:简单原理 (Chives 等 1990)与高级理论(Heald and Pace, 1996)。 两 种理论都认为海底越硬就有越多的能量出现在分析窗 口内,因此 ECHOplus 采用了这种理论,并且利用这 种特性去确定分析窗口的参数。 (二) 系统特性

ECHOplus 除了采用上述专利技术外,它还能够 进行自动频率补偿、自动深度补偿、自动功率电平补 偿和自动脉冲长度补偿。 (三)野外工作方式 ECHOplus 系统能自动对测深仪的频率、功率电 平、脉冲长度和深度变化进行补偿。因此,只要海底 的硬度与粗糙度保持不变,系统的输出就为同一数值 并保持在中心位置。但是,由于系统的噪声和自然环 境的变化,输出值总会有一些微小的变化。系统的输 出值实际上受控于系统内的比例因子,该比例因子可 以设置为工厂默认设置和已知背景设置两种模式,系 统在这两种模式下均能很好地工作。当采用用工厂默 认设置时,叫做非参考作业模式;当采用已知背景设 置时,叫做参考作业模式。不管是采用参考模式还是 非参考模式, 输出值的一致性和重复性都很好, 因此, 对同一地区进行重复调查时,输出将以相同值返回分 类簇的中心。这两种模式的不同之处在于,在参考模 式下用户可以控制产生绝对值的大小。当通过已知背 景的海域时,可以按下面板背后的“参考”按钮,这 种海底类型的输出值将被设置为中心值:硬度值为 1 与粗糙度值为 1。因此,用户最好将系统的“参考” 设置为海底类型的中间范围,例如沙质。该比例因子 将一直保存下去,直到用户再次按下该按钮,然后系 统又恢复到工厂默认设置的非参考工作模式。如果用 户又按下该按钮,系统将参考最新的海底类型,而不 是前一个类型。当关掉电源时,系统可以记住其处于

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何种工作模式及比例因子。

(二)影像属性的分类方法 假设 TMS 有一个至少包含一种影像属性特征的 特征集,系统就能够对侧扫声纳记录的影像属性进行 分类。为了对影像上的一个未知象素进行分类,TMS 首先提取该象素特征值,该特征值在特征空间里相应 地定义了一个位置点,然后计算它与已知象素位置点 之间的差异。假如他们之间的差异小于给定的阈值, 则该未知象素就被认为与已知象素具有相同的属性。 其中,阈值为分类开始前用户设定的一个参数值。如 果未知象素与已知象素之间的差异超出
卵石 粗砾 砾 砾沙 沙 细沙 阴影

英国 GeoAcoustics 公司的侧扫声纳底质 四、 分类技术
(一)特征提取与培训 为了能够通过侧扫声纳影像对海底进行分类,必 须首先对底质分类系统 Texture Mapping System (以下 简称为 TMS)进行培训,使其能够识别影像属性(提取 影像的特征), 然后再建立起影像属性与海底类型之间 的联系。

给定的阈值,则该象素的属性将被定义 为“未知” 。如果用户只是希望 TMS 识 别出那些与已知影像严格匹配的影像属 性,例如,如果用户想搜寻那些与自己 特别感兴趣的海底类型相一致的影像属 性,那么阈值就要设得低一点。相反, 如果把阈值设得较高的话,则会强迫 TMS 把某一象素划分为已知特征属性 中的某一种。 (三)应用实例 图 7 与图 8 显示了一个侧扫声纳影 像分类结果的例子。图 7 的左部分显示 了一个包含砾石-细沙的侧扫声纳影像。彩色矩形框 画出了将要进行提取特征的轮廓位置。右部分显示了

未知

图 7 侧扫声纳影像(左)与影像结构的特征化(右) 培训前,通常需要进行海底直接取样,例如,使 用抓斗,或在低潮时检查出露的海底。这样收集到足 够的先验信息后,然后再进行影像属性提取与培训。 提取影像属性时,用户必须在侧扫声纳记录上定义一 个包含影像属性的区域,给该海底类型选择一个名字 作为标签,然后选择一种颜色来代表该种海底类型。 TMS 将通过该特征区域提取侧扫声纳影像属性特征, 经过特征筛选后形成特征空间域里的描述符。重复该 过程,直到侧扫声纳记录上所有的特征区域全部培训 完毕,最后得到一个包含有各种海底底质类型的特征 属性库。 在监督分类下得到的影像属性分类构成了侧扫声 纳记录的真实的地质、 地物解释。 TMS 也提供了非监 督分类的功能。在非监督分类下进行的影像属性特征 化后,影像属性并没有与海底类型之间建立起关系, 仅仅是对影像属性进行边界划分,而不是对其进行真 实的分类解释。

图 8 影像属性分类结果 在左边矩形框采集到的属性以及文字说明、 彩色代码。 图 8 为影像属性分类的结果,以彩色填充的方式显示 各种底质的分布情况。

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图 7 与图 8 也说明了怎样使用 TMS 来对海底雷 状物进行高亮度显示。仔细检查图 7 左边的下部分, 可以发现一些非构造的小型目标,它们代表海底雷状 可疑物。在图 7 的右部分,与该不明目标相对应的彩 色代码为红色。 在影像分类图(图 8)中, 该海底雷状可 疑物与红点相对应。通过设置适当的阈值,可以使这 些雷状可疑物在图上显示为“未知”属性的小圆点。 另外,该图也说明了地球物理工作者在解释时遇 到了主观性的问题。在该图的大部分地方都存在梯度 均匀变化的影像特点。这对于解释人员来说是很难进 行划分的。然而对于 TMS 来说,它总能够客观地、 一致地对影像进行属性分类。可以看出,图 8 的影像 属性分类结果解决了大量的细节问题,其详细程度远 远超过了人工解释。

http://www.Seatronics.com [5] Mapping image texture on side-scan sonar records. http://www.Geoacoustics.com [6] Mapping Image Texture with the Geotexture Mapping System http://www.Seatronics.com

结论
以上分别介绍了挪威 Simrad 公司、加拿大 QuesterTangent 公司、英国 ECHOplus 公司和英国 GeoAcoustics 公司的海底底质分类技术。他们的这些 技术可以说是当今世界上最先进的海底底质分类技术 的典型代表。在这些技术中,其中利用单波束的回声 波形结构来进行底质分类技术相对较简单,发展得也 较为成熟,该技术在加拿大得到了广泛的应用。由于 多波束海底底质分类技术相对较复杂,目前发展得不 是很成熟,但随着多波束技术的不断发展和应用范围 的扩大,其在未来的海底底质分类应用中将会占到越 来越重要的地位。在目前的侧扫声纳影像解释中,往 往还是以人工解释为主,绘制的声纳影像图件也只仅 是声纳镶嵌图而已。因此,侧扫声纳影像机器解释在 未来的侧扫声纳应用中将会起到十分重要的作用。

参考资料
[1] Triton [2] William T Collins and Karl P Rhynas. Acoustic Seabed Classification of the Using Echo and Sounders: Strategies, Hydrographic Operational Proceedings 1998. [3] B G Stenhouse, ECHOplus-Product Description (SEA/AP/oo/TR/0003 Issue 1), February 2000 [4] Consideration

Canadian

Conference. 384-390. Victoria BC, Canada March

C.R. Bates, E.J. Whitehead, ECHOplus
Measurements in Hopav?gen Bay, Norway
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