海洋测绘-第8章海洋地貌及地质探测.ppt
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1、现代海洋测绘,赵 建 虎,第八章 海底地貌及底质探测 Survey of Seabed Topography & Geology,赵建虎,本 章 内 容,概述 声波与海底底质的相互作用 回波强度及其数据处理 声纳图像的形成原理 多波束声纳图像 侧扫声纳及其声纳图像 基于声纳图像判读海底地貌 基于声纳图像划分海底底质类型 海底浅层剖面仪 思考题,海底地貌是指海底表面的形态、样式和结构。由于地壳构造等内营力、海水运动等外营力相互作用生成,并由于这种作用的性质、强弱和时间等因素,使海底地表起伏形成大、中、小不同规模的三级地貌单元 。按所处位置和基本特征分为大陆边缘、大洋盆地和大洋中脊三大基本地貌单元
2、。 海底地貌的探测通过海底地貌探测仪来实现,通常采用的是侧扫声纳系统。海底底质探测主要是针对海底表面及浅层沉积物性质进行的测量。在所有的海底底质探测手段中,基于声学设备通过获取海底底质声纳图像反映海床底质、地貌的方法具有简单、有效等特点,它们也成为本章介绍的重点。,波束传播过程中的声能变化可用下式描述:,则距离声源R处的声强为:,波束在传播的过程中,随着球形扩展和海水的吸收,能量的减少量TL(传播损失)为:,BS取决于海底底质类型、地形条件和波束在海底的投射面积AE,表达为:,81 声波与海底底质的相互作用,设为脉冲宽度,T、R、分别为发射、接收波束宽度以及波束的入射角,则AE为:,BSB是B
3、S0(反映海底底质特征和粗糙度)项以及角度相关项的和,即:,当波束入射角位于150650范围时,BSB与入射角的相关性用Lambert法则(k=2)可以很好的描述;当波束近乎垂直入射时,BSB(BSN)是比较复杂的,是海底类型和粗糙度的函数。, 00时:, 150时:,综上,,由上可知,声能方程具有计算系统探测距离的能力;声能方程还能反映海底底质类型的变化,因而具有解释海底底质特征的作用。,根据海水中声波传播理论,声波遇到不连续界面时会产生反射、折射和散射现象 。讨论光滑界面上入射、反射和折射声压之间的关系时,需做如下两个假设:,(1)界面上不存在剩余压力,即,(2)界面上质点的法线方向运动速
4、度为零,则反射系数R为:,令,则:,由此可知,声波在介质面处的反射特性与物质的密度相关,密度大,则反射系数大。,上述模型是在假设海底为镜面情况下得出的结论,实际海床的起伏、底质的多变均会给回波强度带来一定的影响,研究其影响对于波束为非垂直入射的声纳系统具有重要意义。 根据声能方程式,发射波束与海底的直接作用体现在BS项上。海底对声波的散射强度与声波在海底的照射面积AE有关,还与海底物质的物理属性(BSB)有关。,BSB可表达为:,根据BSB与海底物质的关系,则可反演海底不同地质类型的区域分布,即海底底质分类。,底部检测可以获得每个到达波束的回波强度,而回波强度正是声纳图像形成的基本参数。回波强
5、度反映的是波束与其海底投射点的相互作用产生的声能的变化。影响BSB的因素主要有SL、EL、DIR、TL、NL和声波的散射以及混响。若能准确得到这些参量,就能获得反映海底特征的真正散射信号强度。 实际海洋环境是复杂的,影响声强的因素主要有:海洋环境噪声、声波的散射和混响、声能的传播损失、海底沉积层对声波的吸收、海底地形的影响、声速剖面的影响。,82 回波强度及其数据处理,信号的传播损失,扩展损失是波阵面随距离扩展产生的声强衰减。设距离声源R1和R2的两个波阵面面积分别为S1=4R21和S2=4R22,在波阵面上所对应的声强为I1和I2,可表示为:,由于在无耗损介质中,声波穿透波阵面的功率应该保持
6、不变,则有关系式:,根据无耗损介质的特点有:,R1=1m时,,综合考虑,则距离声源R处的声强I2为:,式中为衰减系数, n为波束的传播形式,对于球面传播n等于2。,则海水中声能的传播损失为:,在海洋水文因素一定的情况下,吸收造成的衰减主要与频率相关,频率愈大,衰减愈大,当频率大于10kHz时,衰减因子对声强的影响变成一个主要因素。,声线弯曲改正,根据声线跟踪原理,波束在整个水柱中经历的实际声程R为:,或,若声速在层i中以常梯度gi变化,则,式中,i和i+1为厚度zi水层表面波束的入射角和层底的出射角,对应着声速Ci和Ci+1 。 根据Snell法则,结合声速剖面和波束在水表层发射时刻的入射角,
7、便可追踪到波束到达海底的入射角,进而根据该角度和Lambert 法则进行声能计算。,海底地形对波束入射角的影响,设波束在平坦海底的入射角为,由于海底地形的影响,实际入射角为:,式中,R、T为因坡面影响产生的二维入射角在横向和纵向的分量,为海底坡度;上式(a)式反映的是坡面与测量断面走向相同情况下波束在海底的实际入射角,为特殊情况;(b)式是坡面产生的二维入射角,为一般情况。 根据Lambert法则有:,坡面方程为:,则坡度为:,声照区面积改正,Hammerstad 1994给出了实际投射面积AE的计算公式:,根据声能方程,波束在海底投射区面积对声能的影响应为10logAE。,Lambert 法
8、则改正,综上,海底地形对回波强度的总影响为:,对于回波强度测量,探测的是一个回向散射强度的时序观测量,每一个时序观测量相对波束投射点园要小的多,单位时间内,时序采样的个数是测深采样的几倍或十几倍(视声纳图像的分辨率而定)。回波强度采样测量的是该穿透区内、由多个波束模式所包围的波束投射点园区域。其原理图如下:,单个波束投射区内的声纳图像时序采样原理,83 声纳图像的形成原理,测区声纳图像的获得需要通过完成声线改正和图像镶嵌(Mosaic)两项工作后才能获得。,将每ping所形成的断面线按照船速和ping发射的时间序列紧密地排列起来,形成扫测系统原始声纳图像。(如图)自此,便完成了图像镶嵌的准备工
9、作。,多波束声纳图像的成像原理,在形成声纳图像之前,还需对回波强度进行如下处理:,(1)回波强度数据滤波,理论上,回波强度数据滤波也可采用深度数据滤波中的算法,由于数据量庞大,这里采用简单的滑动平均滤波,其模型为:,式中N为选定窗口内声强的采样个数;BSi为第i个被平滑对象,BSj为窗口内声强采样。,(2)回波强度采样位置的确定,由波束振幅投影法,设波束的入射角为,在角(-)不是很小的情况下,则波束的横向距离为:,式中,d0为波束中心的横向距离,i为声强采样序号,i0为对应的波束中心声强采样序号,r为斜距方向距离采样的间隔,为坡度。,若海底地形起伏变化不大,由上式可以获得准确的回波强度采样位置
10、;反之,投影到图中f-g线上的振幅对应位置与投影到f-g (实际投影面)线上的位置将出现偏差,实际上该偏差很小,对于投影距离的计算精度影响甚微。,回声强度位置的确定,(3)回波强度数据的内插,为了得到等间距的声强分布,就需要根据波束投射点的位置对声强进行内插。一般采用简单的线形内插便可获得高精度的内插回波强度值。采样点空隙较大时,则需根据周围回波强度数据内插。,多波束声纳图像通过将多个Ping(多波束发射一次称为一ping,每一ping形成一个断面)、条带的回波强度数据按照一定的原则拼节起来,并对其进行抽样和量化来形成的。,Ping与Ping之间的拼接,受人为操作、海洋环境等因素的作用,测量船
11、姿态引起换能器姿态做瞬时变化,从而导致测量断面不完全与设计航线正交,因此,为了形成图像,就必须按照船位,在地理框架下实现测量断面的拼接。 ping间回波强度数据拼接之前需首先对回波强度数据进行预处理。 前面已作介绍。对于每一个采样点实际上已经获得了它的平面位置(x、y)和回波强度,由此条带内ping与ping之间声强数据的拼接变得非常容易。,84 多波束声纳图像,条带图像间的拼接,条带声纳图像间的拼接要解决两个问题:几何位置的统一和回波强度值的统一。 几何位置的统一实际上是为了实现条带重叠区重合采样点位置的对应。对于相邻条带而言,每个声纳采样点均能获得其坐标,且两个条带的坐标系统统一, 故解决
12、该问题较容易。,图像拼接的关键问题是解决接边线的问题,即选择出一条曲线,按照这条曲线把声纳图像拼接起来。待镶嵌的声纳图像按照这条曲线拼接后,曲线两侧的回波强度变化不显著或变化最小,这条理论上的曲线被称为接边线或镶嵌线。,要在重叠区找出镶嵌线,只要找出该线与每ping形成的断面线的交点即可。方法:选取一个长度为d的一维窗口,让该窗口在断面线内逐个采样点上滑动,若窗口内所有重合点回波强度差值的绝对值和最小,则该点即为镶嵌线与该断面线的交点(亦称接边点)。接边点的选取原则即为:,式中:f1(i,j0+j)和f2(i,j0+j)为滑动窗口内重合点(i,j0+j)在图像f1和f2上对应的回波强度值(若图
13、像已经转换为8 bit的灰度图像,则为对应的灰度值); i为重合点(i,j0+j)所对应的断面行,j0为窗口左端点对应的列,j0+j为点(i,j0+j)对应的列;,图像镶嵌中镶嵌线确定示意图,满足上述条件的点即为接边点,将重叠区内相邻断面行上的接边点连接起来,便形成了镶嵌线。为了保证回波强度水平的一致,就需对镶嵌线确定的重叠点上的回波强度进行重新计算。下面介绍两种确定重叠点上回波强度的方法 : 均值法 设f(i,j)为最终确定的声强,则:,加权平均法,式中,L为重叠区的宽度,x为重合点至重叠区靠近f1一侧的距离。,测区格网化及回波强度数据的选取(抽样),为了便于计算机图像处理,就须对测区进行栅
14、格化。每个小的格网需要代表一个回波采样,该格网即为图像的像素。 为了真实反映海底底质的特征,对于没有回波强度数据的格网,在灰度量化时,可将之设置为背景灰度级;对于存在单个回波强度数据的情况,用该回波强度反映格网所对应实际海床的底质类型;若存在多个回波强度数据,最终回波强度可根据如下原则确定:接近均值原则 ;变化渐进性原则 。,格网化和回波强度数据抽样工作完成的优劣,直接影响着多波束声纳图像质量的好坏,也影响着图像对海底地貌以及底质类型的反映。,回波强度向灰度级的转换(量化),该转换实际上是将回波强度同描述图像的灰度级对应起来,实现回波强度向灰度级的量化。,回波强度的变化范围主要取决于海床的地貌
15、特征、底质类型以及多波束系统。对于一个测区而言,若海底地貌特征和底质类型变化复杂,回波强度分布于整个变化范围,则回波强度GBs可量化为灰度G为:,G=126+GBs (128126dB) 对应灰度范围(2550),或:,G=128-GBs (128126dB) 对应灰度范围(0255),式中,G为灰度级;GBs为回波声强。,若声强变化范围为(GBsmin GBsmax),量化后的灰度范围为(Gmin Gmax),则声强GBS量化后的灰度级G可表达为:,式中,GB为灰度级;(GBSmax GBSmin )对应于(GBmax GBmin )。,在声强向灰度级的转换过程中,灰度级的选择十分重要。 抽
16、样和量化工作完成后,便形成了多波束声纳图像。,多波束声纳图像,如下图,图像中每个像素对应着两组表达参量,一组为图像表达参量,即像素的位置(i,j),以及与之对应的灰度f(i,j);另一组为地理参量,即像素中心对应的地理坐标(x,y)和声强BS。,海底地貌探测仪又称侧扫声纳。它可显示海底地貌,确定目标的概略位置和高度。海底地貌仪分单侧和双侧两种,目前多使用双侧地貌仪。 侧扫声纳是一种主要用于大洋底勘探,而不是用于测量距离或深度的声纳。海底测绘用的是双侧扫声纳,把两个换能器装在称为“鱼”形或流线型的拖曳体内,为了获得最佳效果,拖曳体离海底的深度是可调的。,海底地貌探测仪组成可分为换能器、发射机、接
17、收机、收发转换装置、记录器、主控电路六个主要部份。如图:,85 侧扫声纳及其声纳图像,侧扫声纳系统的组成示意图,现以国产SDH8型双侧海底地貌仪为例,说明各部分的作用。,侧扫声纳换能器外部形状似鱼形,故称为拖鱼。拖体左右两侧各有一个长条型换能器基阵。,发射机与换能器基阵相对应,分左、右发射机,分别产生一定宽度、频率的高频等幅振荡电脉冲,再分别送入左、右换能器基阵,转换成声波脉冲向两侧海底辐射。,接收机可将两个换能器基阵送来的微弱电信号加以选择放大处理,然后送到记录器将信号在记录纸上记录下来。接收机还设有自动增益控制,能自动地压低强信号,增强弱信号,即压缩回波信号的动态范围,使海底回波变化均能在
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