侧扫声图镶嵌技术分析

冯 京，赵铁虎，杨 源，褚宏宪

(1.国土资源部海洋油气资源与环境重点实验室，山东青岛 266071；2.青岛海洋地质研究所，山东青岛 266071；3.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛 266100)

侧扫声图镶嵌技术分析

冯 京1，2，3，赵铁虎1，2，杨 源1，2，褚宏宪1，2

(1.国土资源部海洋油气资源与环境重点实验室，山东青岛 266071；2.青岛海洋地质研究所，山东青岛 266071；3.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛 266100)

以山东荣成近海实测侧扫声呐数据为例，利用CODA镶嵌软件制作该区侧扫声呐数据镶嵌图，并对声图增强处理、海底追踪精度分析、声图重叠区处理3个关键点作了详细分析，发现声图增强处理可有效均衡声图灰度，提高镶嵌声图分辨率；海底追踪精度越高，侧扫声图左右通道的拼合度就越高，镶嵌声图连续性也就越好；声图重叠区处理可有效减小拼接痕迹，提高镶嵌声图的质量。通过对侧扫镶嵌声图制作效果的分析，发现侧扫声图镶嵌技术可提高海底目标物的分辨率及连续性，是区域性海底地貌研究的有效方法之一。

侧扫声图；镶嵌；CODA软件；海砂

一、引 言

侧扫声呐技术始于20世纪60年代，它是利用超声波阵列向海底发射具有指向性的超声波，经工作站接收并处理成声图影像，用于探测海底地形、地貌及海底目标物的重要物探技术手段之一[1]。侧扫声呐具有声图成像分辨率高、数据采集效率高、成本低等优点，其探测成果在海洋工程建设[2-3]、海洋区域地质调查和海洋矿产资源调查[4-5]等领域具有重要作用。

侧扫声图镶嵌技术是将侧扫声图按照统一的坐标系统，通过空间配准和内容复合，获得大比例、高分辨率图像的一种技术方法[6-7]。它可实现对目标物全面连续追踪，广泛应用在区域性和局域性海底地貌研究及海底目标物标定等领域。如Adam Kubicki等利用不同时期采集的侧扫声图资料制作的波罗的海某泥沙区的镶嵌图，推断了该海区的泥沙演化模式[8]；GuyCochrane等利用侧扫镶嵌声图资料对海底底质进行了研究，寻找了海洋濒危物种栖息地[9]；Carl Jorg Petersen等利用侧扫镶嵌声图资料对大型海底圆丘进行了研究，结合其他声学数据分析了其成因和空间位置分布[10]。本文以山东荣成近海海砂典型分布区实测数据为例，运用CODA镶嵌软件，通过自动追踪及人工拾取海底相结合的方法进行精确海底追踪；通过对全覆盖海区侧扫声呐数据的增益分析，确定了全区最佳侧扫声图增益，调整了声图灰度，利用伪彩色显示提高了声图显示效果，实现了声图增强处理；通过对重叠声图区进行处理，减小了声图拼接痕迹，提高了目标声图的连续性；最终生成了带有地理坐标的侧扫镶嵌声图。通过对侧扫声图镶嵌效果的详细分析，发现海区内海砂目标物连续性良好，沙波和沙脊走向清晰可见，大大提高了目标物的连续性和分辨率，为最终海砂资源评价提供了基础依据。

二、材料与方法

2007年7月，青岛海洋地质研究所在山东省荣成近海海区开展了侧扫声呐数据采集工作。侧扫声呐采集系统为美国EdgeTech4200-FS侧扫声呐系统，主要采集参数为：工作频率120 kHz，单侧扫幅量程250 m，拖鱼入水深度8～10 m，船速小于5.0节，测线呈南北走向，间距400 m，全区实现全覆盖扫测。导航定位系统采用美国Trimble公司DSM132型DGPS接收机，定位中误差小于1 m；导航采集软件采用广州中海达综合导航系统，测量过程中实时记录定位数据。运用英国CODA镶嵌软件(如图1所示)对侧扫声呐数据进行了详细分析和精细处理，制作了侧扫镶嵌声图。

三、镶嵌声图制作关键点分析

侧扫镶嵌声图制作初期采用人工分割、拼接的方法，效率低，精度差。随着计算机技术的发展，实现了利用软件进行声图分析与处理、精确空间定位来制作侧扫镶嵌声图，取得了高效率、高精度的效果，如Pat S.Chavez Jr等制作了Monterey海区的镶嵌声图[11]。笔者利用英国CODA镶嵌软件对采集的全覆盖侧扫声呐数据进行了镶嵌声图制作，制作流程如图2所示。本文主要针对声图增强处理、海底追踪精度分析、声图重叠区处理3个关键点作了详细分析。

图1 CODA镶嵌界面

图2 镶嵌声图制作流程

1.声图增强处理

侧扫声图成像的主要特点是利用声图灰度强弱的变化来反映海底目标物体的形态和性质，因此声图增强处理主要是对声图灰度进行调节[12]。侧扫声呐测量过程中影响声图灰度分布不均的主要因素是声图近端和远端接收回波信号的强弱，声图往往表现为近端灰度较强，远端灰度较弱，在一定程度上降低了声图的分辨率。因此在制作镶嵌声图之前对全覆盖测区声图灰度的调节尤为重要。利用时变增益(TVG)可以对灰度差异进行调整，消除因接收时间差产生回波信号强弱导致的声图灰度不均衡问题。通过自动时变增益和手动调节TVG曲线，实现了声图灰度图像增强处理；同时通过调节图像的色彩提高了声图的视觉效果，即伪彩色显示，增强了声呐图像的显示效果，如图3所示，上半部分为TVG和伪彩色调节前，下半部分为调节后。通过对比发现，时变增益调整后侧扫声图近端的声图灰度得以减弱，远端显示效果明显增强，整体声图灰度得以均衡，声图中目标物沙波和沙脊的连续性得到了较好展示；利用伪彩色显示增强了图像的立体显示效果，提高了目标声图的分辨率，增强了声图视觉效果，为提高追踪沙波和沙脊空间分布特征精度提供了有利基础。

图3 声图增强前后对比

2.海底追踪精度分析

海底追踪即通过实时调节拖鱼距离海底高度，去除水体在声图中的显示，完成侧扫左右通道声图拼合显示的一种方法。测量过程中拖鱼距离海底高度受拖曳方式、水深变化、海况等因素影响而实时变化，因此数据采集时海底追踪准确性差，拼合左右通道声图时往往存在较大的缝隙，导致拼合精度低，影响镶嵌声图质量。笔者采用软件自动追踪海底后发现部分海底未能实现有效追踪，左右通道声图缝隙较大，拼合度差，通过手工拾取有效减小了左右声图缝隙，提高了左右通道声图拼合度，海底追踪精度得到有效提高，声图中目标物的连续性得到保障，如图4(a)为海底追踪前声图，(b)为自动追踪后声图，(c)为手动拾取海底后声图。因此利用软件自动追踪和手工拾取相结合的方式可实现高精度海底追踪，提高侧扫左右通道声图的衔接精度，为下一步侧扫声图镶嵌提供良好基础。

图4 海底追踪对比

3.声图重叠区处理

为保障侧扫声呐全覆盖测量，相邻测线扫测范围一般有20%左右的重叠区域，因此声图镶嵌时对拼接痕迹的处理效果直接关系镶嵌声图质量的高低[13]。处理重叠区域的声图主要是对声图的穿透属性进行调整，一般有3种方法：最大值、平均值和最小值[14]，与CODA软件中的Threshold Furthest、Average、Threshold Closest 3种穿透方法相对应。分别运用3种方法对同一重叠区的声图进行处理，如图5(a)为最大值法显示，(b)为平均值法显示，(c)为最小值法显示。发现最大值和平均值法处理的声图拼接痕迹明显，导致声图特征连续性差，相比之下最小值法处理得到的重叠区声图无明显拼接痕迹，图像信息较丰富，声图特征连续性较好，因此选用最小值法对重叠区声图显示进行处理可提高镶嵌声图的最终显示效果。

图5 声图重叠区处理

四、侧扫镶嵌声图效果分析

侧扫声图空间的准确性和声图分辨率是衡量声图镶嵌效果的两个主要因素。侧扫声呐数据采集系统EdgeTech4200-FS工作频率为120 kHz，获取声图的横向分辨率可达8 cm，单侧扫幅250 m，对应声图的纵向分辨率为2.5 m，采集工作系统内置拖鱼姿态改正系统，通过导航软件实时修正拖鱼定位信息，保证了侧扫声图空间信息的准确性。利用CODA镶嵌软件从声图增强处理、海底追踪精度分析、声图重叠区处理3个方面对侧扫声呐数据进行了处理，有效保障了镶嵌声图的分辨率，制作的海砂分布区典型侧扫镶嵌声图如图6所示。发现镶嵌声图灰度分布均匀，亮度适中，视觉效果良好；左右通道声图实现了无缝拼合，拼合效果好，表明海底追踪准确；声图重叠区拼合痕迹较弱，声图有效信号特征明显，海底目标物的连续性得到明显体现。镶嵌声图中海底地貌特征明显，沙波、沙脊形态特征显著，走向清晰，连续性强(图6中椭圆圈内)，结合其他地球物理资料可对其空间分布特征形成有效连续追踪，进而为分析该区海底地貌特征及水动力环境特征提供基础资料。

五、结束语

本文运用CODA镶嵌软件制作了高精度、高分辨率的海砂典型分布区侧扫镶嵌声图，发现调节侧扫声图TVG曲线和使用伪彩色显示取得了显著的图像增强处理效果；自动追踪和手动拾取海底相结合的方法实现了高精度海底追踪效果，提高了声图左右通道拼接的精度；结合软件性能对声图重叠区采用最小值法显示声图，有效减小了声图拼接痕迹，提高了重叠声图区的分辨率。通过分析海砂典型分布区侧扫镶嵌声图，发现沙波、沙脊形态清晰，走向连续，可为区域性追踪海砂资源空间分布特征提供科学依据，为海砂资源评价提供基础资料。

图6 海砂典型分布区镶嵌声图

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Analysis of Mosaic Techniques for Side-scan Sonar Image

FENG Jing，ZHAO Tiehu，YANG Yuan，CHU Hongxian

P229

B

0494-0911(2014)09-0066-04

2013-07-04

国家专项工作项目(GZH201200504)；国家自然科学基金(41276060)

冯 京(1983—)，男，山东菏泽人，硕士，工程师，主要从事海洋地球物理调查与研究工作。

冯京，赵铁虎，杨源，等.侧扫声图镶嵌技术分析[J].测绘通报，2014(9)：66-69.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0296