侧扫声呐图像应用领域综述

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(1. 淮海工学院测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005； 2. 武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430079)

侧扫声呐(side scan sonar,SSS)作为一种高分辨率、多用途、低成本的海洋调查设备，广泛应用于海洋、港口、河流、湖泊等水域。传统应用有海道测量，水下工程选址，飞机残骸、沉船、鱼雷、水雷、集装箱、化学品桶、锚链、沉石、浮标、锚地碍航物等水下目标的探测，以及海底底质分类、海洋调查和海洋科学研究等[1-7]。随着设备性价比的不断提高，越来越多的生产单位和科研机构有能力使用侧扫声呐进行相关生产调查和科学研究。为此，本文综述目前侧扫声呐图像的应用领域，为我国拓展其应用提供理论支持和技术指导。

1 目前应用领域

1.1 海洋局域生态系统监测

海洋活动的增加给海洋生态系统带来一定程度的破坏。造成海洋环境污染的原因主要有：陆源污染物的排放、海洋石油勘探、海洋倾倒废物、海上事故等。这些活动破坏了海洋生物的多样性，某些有价值生态群落(如珊瑚礁生态系统、波西多尼亚水生植物群)也日益消亡，大范围连续监测海洋局部生态系统的变化，对后续科学评估和治理具有重要意义。文献[8]将侧扫声呐系统应用于荷兰西南部河口的浅滩成图，进而监测贝壳类生物的栖息环境，使用落潮时拍摄的水下图片验证了基于声图监测水下环境变化的有效性，证明了侧扫声呐可有效监测海洋生物栖息地的变化；文献[9]应用侧扫声呐研究了大西洋Porcupine Bank中冷水珊瑚堆形成的腐蚀地貌；文献[10]应用侧扫声呐图像监测和管理地中海波西多尼亚水生植物(Posidonia oceanica)生态群；文献[11]使用1990、1991、2006年3期侧扫声呐图像分析了地中海波西多尼亚水生植物的变化，波西多尼亚水生植物群落被生物学家视为地球上最古老的植物，是局部生态系统不可缺少的部分，但由于海洋环境的恶化开始逐渐减少，上述研究给大范围监测其变化提供了新的思路，从而为制定相关的保护措施提供了基础资料；文献[12]分析了应用侧扫声呐图像评估珊瑚礁生态系统中不同菌落形态和数量的可能性；文献[13]应用侧扫声呐监测了日本本州岛的海草分布；文献[14]利用侧扫声呐探测到了珊瑚礁生态系统中的以沙管虫，开创了基于侧扫声呐图像探测海洋中微小生物的先河；文献[15]基于侧扫声呐和浅地层剖面数据研究了北爱尔兰下厄恩湖的自然和人为沉积记录，通过侧扫声呐图像中的明暗变化，证实了浅表层记录中的异常变化除底质因素外，主要诱因是人为活动对环境的影响，给全面了解海洋局部环境提供新的思路。

我国四大海区均具有很多高生产力的生态系统，如沿岸浅海生态系统、河口生态系统、近岸上升流生态系统、海藻(草)场生态系统、红树林生态系统、珊瑚礁生态系统、大洋生态系统等，其中蕴藏着各类丰富的海洋资源，成为我国沿海地带经济与社会发展的重要基础。在一些重要河口、港湾水域，生态环境严重恶化，生物多样性大大降低，赤潮频发；许多典型生态系统面积急剧缩小，自然景观不断遭到破坏；港口淤积、航道萎缩、海岸侵蚀及风暴潮和台风灾害等问题也因生态环境恶化而日趋严重[16]。上述研究的成功示例将会为我国海洋局域生态环境监测提供新的思路。

1.2 海水养殖及濒危动物监测

海水养殖业是海洋产业链的一个重要环节，在当前全球粮食危机日益严重的情势下，海洋养殖资源成为各国追求的对象。不管是在开发还是在后续的管理过程中，养殖资源的调查评估都是一项基础性内容，在各项调查方法中，基于声学方法因探测范围广、效率高，且不会对养殖资源造成破坏的优点，得到了国内外学者的关注。文献[17]利用侧扫声呐快速监测浑浊的激流系统中的水生动物，研究表明该方法比传统的布网和诱骗技术在效率和准确性上都有明显的提高，且克服了浑浊水体中光学仪器不易使用的缺陷；文献[18]利用侧扫声呐探测濒危的海洋鲟鱼，研究证明了基于侧扫声呐图像可以提高正确探测率，为在其他水域探测海洋濒危物种提供了新的方法和思路；文献[19]指出了侧扫声呐在探测海底地貌、沉积物类型和研究海洋循环系统的有效性，而上述因素决定着水中营养物质的分布，进而影响鱼类种类和长势。

据统计，世界上渔业资源的一半已经被人类充分利用，1/4还有潜力继续加大利用，剩余的1/4已经处于严重衰退的状态中[20]。我国东海存在素有“天然鱼仓”之称的舟山渔场，其余各海域分布着的主要渔场有：黄渤海渔场、吕泗渔场、大沙渔场、南海沿岸渔场、东沙渔场、北部湾渔场、中沙渔场、西沙渔场、南沙渔场等。前述研究为我国基于侧扫声呐图像大范围监测这些渔场的养殖资源提供了新的思路。

1.3 海底热液喷口及冷泉探测

文献[21]应用AUV上装载的侧扫声呐，在冲绳岛海域发现了热状羽流(如图1所示)，开创了基于侧扫声呐图像研究海底热液喷口的先河；文献[22]应用安装在AUV上的侧扫声呐在马里亚呐海沟发现了新的深海热液喷口(如图2所示)，结合磁力仪、多波束和水下照片数据，分析了热液喷口周围环境，表明基于高分辨率地球物理调查手段检测热液喷口的可行性。

海底冷泉研究在天然气水合物、全球气候变化、极端生物群落等方面都具有重要意义。目前世界上已发现多处冷泉和羽状流发育区，冷泉和羽状流与天然气水合物存在密切相关，其发育区常发现天然气水合物[23]。目前常规和主流的探测技术是应用地震波勘察，应用其他技术的报道相对较少。栾锡武等分析了将侧扫声呐应用于海底冷泉识别上的可能性[24]；文献[25]应用侧扫声呐成功检测到墨西哥湾的海底冷泉喷口，然后通过浅地层剖面和雷达数据验证了海底天然气水合物的存在。

广州海洋地质调查局在2009年的南海钻探过程中，发现我国南海北部蕴藏着丰富的天然气水合物资源；2013年首次钻获高纯度天然气水合物样品；并于2017年首次实现了天然气水合物的试开采。上述样品采集、试开采、声学理论支持和声学实践的成功，将会为我国基于侧扫声呐图像实现南海天然气水合物的大范围勘察提供新的技术。

1.4 水下搜救

随着海上调查活动的增加及内陆湖泊水上交通运输业的发展，水上事故也随之增多，诸如2014年3月8号的马航飞机失联事件、2015年6月1号的长江沉船事件，造成了重大的人员伤亡和经济损失。基于侧扫声呐图像探测水下沉船及飞机的研究和报道很多，但是侧扫声呐应用于水下溺水人体的搜救研究相对匮乏。例如，文献[26]系统地分析了基于侧扫声呐探测水下尸体的问题，指出了目标物的大小、水下地形及仪器设备的频率选择是决定水下尸体目标正确探测的关键；文献[27]分析了基于不同方法进行水下搜救的优缺点，给出侧扫声呐用于此项任务的优势：声学探测传播范围远、对探测物不会造成损伤等。表明侧扫声呐在未来水下溺水人体搜救领域会有更广泛的应用前景。

1.5 其他应用

文献[28]应用深拖侧扫声呐分析了哥斯达黎加海岸科克斯板块中流体渗透和海丘的形成和演化机制；文献[29]应用深拖侧扫声呐形成了北冰洋Hinlopen滑块的海底地貌，并解释了其滑动过程；文献[30]基于侧扫声呐图像分析了流花深水区块典型滑坡特征；文献[31]将侧扫声呐应用于太平洋Clarion-Clipperton Fracture区域锰结核的探测；文献[32]利用侧扫声呐检测船舶吨位，创新性地将原本用于扫测水底的侧扫声呐翻转对水面扫测，给出了对水面目标的测量方案，试验结果表明该测量技术较为准确地获得了被测船舶的实载总吨位，对船舶吨位自动化测量的实现做出了有益的尝试和探索，解决了现行收费方式中的诸多弊病。文献[33]评价了侧扫声呐在粗糙的海底中检测淡水河蚌的可行性。

这些研究表明了侧扫声呐在海洋地球物理研究、极端复杂海洋环境中的应用及基于侧扫声呐图像探测小目标的可能性，极大地拓展了侧扫声呐图像的应用领域。

上述应用的成功事例，为我国更深层次应用这一传统设备提供了良好的借鉴。

2 结论及展望

本文综述了侧扫声呐图像的应用领域，为我国更好地基于侧扫声呐进行相关科学研究、生产实践扩展了思路。同时，随着设备应用领域的不断拓展，对侧扫声呐图像的精细处理要求也日益提高，本文对侧扫声呐图像精细数据处理方向展望如下：

(1) 开展顾及海底底质影响的辐射畸变改正算法研究，以获得灰度变化均匀、反映真实海底地貌的高质量、单条带侧扫声呐图像。

(2) 研究大区域图像灰度均衡化方法，实现大区域图像的灰度变化一致性，提高图像获取的质量。

(3) 研究联合地理编码和特征的大区域侧扫声呐图像拼接方法，实现大区域海底地貌“一张图”的精细获取。

(4) 开展目标探测、识别方法研究，实现海底特殊目标的自动、准确探测和识别。