郭 軍,馬桂云，馬金鳳,王愛(ài)學(xué),易 鋒,馮強(qiáng)強(qiáng)

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510760;2.河南省電子信息產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，河南 鄭州 450003；3.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學(xué) 海洋測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079)

一種針對(duì)側(cè)掃聲納圖像的數(shù)字鑲嵌技術(shù)方法

郭 軍1,馬桂云2，馬金鳳1,王愛(ài)學(xué)3,4,易 鋒1,馮強(qiáng)強(qiáng)1

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510760;2.河南省電子信息產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，河南 鄭州 450003；3.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學(xué) 海洋測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079)

以南海某海域?qū)崪y(cè)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)為例，研究側(cè)掃聲納圖像的數(shù)字鑲嵌技術(shù)方法，對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行詳細(xì)的闡述。通過(guò)對(duì)原始側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)校正、海底線跟蹤、斜距改正、TVG校正、船速校正、地理編碼與重采樣、拼接與鑲嵌等處理，生成大區(qū)域、大范圍、高分辨率、無(wú)縫拼接的側(cè)掃聲納圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明聲納圖像數(shù)字鑲嵌技術(shù)的有效性，并取得理想的效果。

側(cè)掃聲納系統(tǒng)；聲納圖像；海底線跟蹤；TVG校正；數(shù)字鑲嵌

側(cè)掃聲納系統(tǒng)以其高精度、高效率、高分辨率、海底微地形地貌直接成像的特點(diǎn)，為海底探測(cè)提供直觀完整的海底聲學(xué)圖像，從而獲得海底形態(tài)，并對(duì)海底的紋理特征進(jìn)行定性的描述[1-3]，其廣泛應(yīng)用于海底地貌測(cè)繪、海底底質(zhì)勘探、海底沉積物探測(cè)、水下目標(biāo)搜尋、海洋工程等方面。近年來(lái)隨著我國(guó)近海海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及清潔能源天然氣水合物資源勘查項(xiàng)目的開(kāi)展，側(cè)掃聲納系統(tǒng)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。科研生產(chǎn)單位采集了大量的側(cè)掃聲納資料，為海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和天然氣水合物冷泉等的探測(cè)提供分辨率高達(dá)厘米級(jí)的聲納圖像。

原始的側(cè)掃聲納圖像只是將掃描數(shù)據(jù)按照測(cè)量順序堆疊在一起以瀑布圖的形成顯示，其缺乏整體的地理方位，也不具有可測(cè)量性；同時(shí)由于側(cè)掃聲納系統(tǒng)自身的成像機(jī)理，瀑布圖分割成左右兩個(gè)通道聲納圖像，中間區(qū)域出現(xiàn)“盲區(qū)”，造成聲納圖像的不連續(xù)性；相鄰側(cè)掃聲納圖像條帶在公共區(qū)域呈現(xiàn)出拼接痕跡，圖像色調(diào)不一致、不連續(xù)。

側(cè)掃聲納數(shù)字鑲嵌技術(shù)是在手動(dòng)鑲嵌的原理上利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算功能進(jìn)行聲納數(shù)據(jù)的鑲嵌處理。數(shù)字鑲嵌技術(shù)可以大幅提高聲納圖像的拼接效率和質(zhì)量，輸出任意比例的帶有地理坐標(biāo)、可測(cè)量的數(shù)字化聲納圖像，適用于大規(guī)模大范圍的海底地形地貌探測(cè)及海底底質(zhì)識(shí)別等相關(guān)研究。在國(guó)外，GuyCochrane等利用側(cè)掃聲納鑲嵌圖像與海底不同底質(zhì)之間的聯(lián)系來(lái)尋找海洋瀕危物種棲息地[4]；Carl Jorg Petersen等將側(cè)掃聲納鑲嵌圖像與聲學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)海底圓丘的成因和空間位置分布進(jìn)行研究[5]。在國(guó)內(nèi)，徐建等利用側(cè)掃聲納圖像對(duì)西太平洋某海山的微地形地貌進(jìn)行了相關(guān)研究，對(duì)研究區(qū)域的特征地形地貌進(jìn)行了初步的解釋[6]；唐秋華等利用聲納鑲嵌圖對(duì)JFR海底熱液區(qū)的特征地形地貌進(jìn)行了分析，研究聲圖與海底熱液的形態(tài)特征、形成機(jī)制之間的相關(guān)聯(lián)系[7]；趙建虎等采用基于地理編碼和基于SURF的方法實(shí)現(xiàn)側(cè)掃聲納條帶的分段拼接與鑲嵌[8]；劉曉東等探討了側(cè)掃聲納系統(tǒng)在天然氣水合物調(diào)查應(yīng)用中的可行性[9]。

以上研究大多利用已有的側(cè)掃聲納鑲嵌圖進(jìn)行相關(guān)研究，沒(méi)有對(duì)由原始數(shù)據(jù)生成側(cè)掃聲納圖像整個(gè)過(guò)程中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析和探討，且研究區(qū)域所涉及的范圍較小，局限于單條或者多條側(cè)掃聲納圖像。

本文以南海某海域?qū)崪y(cè)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)為例，通過(guò)對(duì)原始側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成帶有地理坐標(biāo)的側(cè)掃聲納條帶圖像，在相鄰條帶之間的重合區(qū)域進(jìn)行鑲嵌處理，最終形成具有地理坐標(biāo)的大范圍大區(qū)域側(cè)掃聲納鑲嵌圖。通過(guò)對(duì)高分辨率的側(cè)掃聲納鑲嵌圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)海底的各種微地形地貌清晰可辨，目標(biāo)物輪廓清晰、連續(xù)性較好，沙波沙脊的紋理清晰，海底管線走向清晰，管線長(zhǎng)度及寬度可測(cè)量，表明形成的側(cè)掃聲納鑲嵌圖完全滿足海洋地質(zhì)調(diào)查的需求，為海底微地形地貌的識(shí)別、海底底質(zhì)的分類、海底目標(biāo)物的探測(cè)提供科學(xué)、精確可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 聲納圖像數(shù)字鑲嵌流程

聲納圖像數(shù)字鑲嵌流程[10]主要步驟為：①側(cè)掃聲納導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理，將掃描線歸位至正確的位置；②海底線跟蹤，檢測(cè)并識(shí)別出海底線，為斜距改正提供依據(jù)；③斜距改正，消除聲納圖像上的橫向傾斜幾何畸變，移除水柱，將左右兩個(gè)通道整合在一起；④速度校正，消除聲納圖像的縱向幾何畸變；⑤TVG(Time Varying Gain)校正，消除聲納圖像輻射畸變，調(diào)整橫向的灰度不均衡；⑥地理編碼，將每一個(gè)回波歸位至地理坐標(biāo)框架下；⑦圖像重采樣，消除由于測(cè)線拐彎造成的掃描線縫；⑧鑲嵌處理，生成側(cè)掃聲納鑲嵌圖。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2014年廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局使用Edge Tech 4 200 MP側(cè)掃聲納系統(tǒng)[11]在南海某海域進(jìn)行側(cè)掃聲納作業(yè)，數(shù)據(jù)記錄采用Edge Tech Discover軟件，數(shù)據(jù)格式為XTF。側(cè)掃單邊量程設(shè)置為200 m，拖魚距海底高度保持在20～30 m之間，拖魚電纜投放長(zhǎng)度在5～400 m之間，船速保持為3～5節(jié)之間。作業(yè)時(shí)采用雙頻作業(yè)模式，分別為100 kHz和400 kHz，船速保持為5節(jié)左右。定位系統(tǒng)采用Trimble SPS351 DGPS導(dǎo)航定位儀，測(cè)深系統(tǒng)選用SDE-28S測(cè)深儀，主測(cè)線走向?yàn)镹E-SE，聯(lián)絡(luò)測(cè)線走向NW-SE，圖1為測(cè)線布設(shè)示意圖,圖2為調(diào)查船只設(shè)備安裝位置示意圖。

圖1 測(cè)線布設(shè)示意圖

圖2 設(shè)備安裝位置示意圖

2.2 導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理

圖3和圖4展示了側(cè)掃聲納導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理前后的效果對(duì)比，其中綠色為左舷的掃描線，紅色為右舷的掃描線。從圖中可以看出，導(dǎo)航數(shù)據(jù)未校正之前，掃面線存在嚴(yán)重的交叉現(xiàn)象，且相鄰掃描線之間的空隙較大；校正之后，掃面線歸位垂直于航跡線，過(guò)渡平滑，交叉現(xiàn)象得到有效控制。

圖3 導(dǎo)航數(shù)據(jù)校正前掃描線

圖4 導(dǎo)航數(shù)據(jù)校正后掃描線

2.3 海底線跟蹤

海底線可提供計(jì)算海底目標(biāo)高度時(shí)所需的拖魚至海底高度的基準(zhǔn)線，為下一步的斜距改正提供精確的數(shù)學(xué)依據(jù)。海底線跟蹤算法通常有3種[12]，即振幅閾值法、窗口斜率法和人工干預(yù)法。通過(guò)比較3種算法的處理效果，得出振幅閾值法結(jié)合人工干預(yù)法或者窗口斜率法結(jié)合人工干預(yù)法效果最佳。

圖5和圖6展示了不同海底線檢測(cè)方法的海底線跟蹤效果。從圖中可以看出，振幅法檢測(cè)的海底線沒(méi)有達(dá)到與海底地形的精確匹配，尤其是海底地形起伏突變的區(qū)域，效果較差；振幅法結(jié)合人工干預(yù)法檢測(cè)出的海底線與海底地形起伏吻合度較高，達(dá)到精確的匹配，除一些細(xì)微的差別，兩者幾乎相重合。

圖5 振幅法海底線跟蹤效果

圖6 振幅法結(jié)合人工干預(yù)法海底線跟蹤效果

2.4 斜距改正

利用拖魚、海底及回波的三角關(guān)系，計(jì)算每一個(gè)回波的平距來(lái)進(jìn)行斜距改正，以此去除水柱，合并左右聲納圖像，并削弱側(cè)掃聲納圖像在橫向上的幾何畸變，改正前后對(duì)比如圖7、圖8所示。

圖7 斜距改正之前

圖8 斜距改正之后

2.5 TVG校正

側(cè)掃聲納圖像存在輻射畸變，其主要表現(xiàn)為橫向的灰度不均衡化。原因是聲波隨著傳播距離增加而產(chǎn)生的擴(kuò)展損失和吸收損失，遠(yuǎn)處回波的強(qiáng)度明顯低于近處回波的強(qiáng)度。在瀑布上表現(xiàn)為，中間區(qū)域較亮，兩側(cè)邊緣較暗。

TVG利用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)補(bǔ)償側(cè)掃聲納回波強(qiáng)度隨傳播時(shí)間而產(chǎn)生的擴(kuò)展損失和吸收損失[13]，校正前后如圖9、圖10所示。

圖9 TVG校正之前效果

圖10 TVG校正之后效果

從圖9和圖10可以看出，經(jīng)過(guò)TVG校正之后，圖像中間區(qū)域的強(qiáng)回波得到較好的壓制，圖像均衡化較好，色調(diào)表現(xiàn)一致，靠近中間區(qū)域的一些地形細(xì)節(jié)特征也清晰可辯。

2.6 船速校正

野外采集環(huán)境往往比較復(fù)雜，船速時(shí)快時(shí)慢，并不是勻速航行，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致聲納圖像產(chǎn)生一定程度上的幾何畸變，目標(biāo)物會(huì)被壓縮或拉伸，為此需要進(jìn)行速度校正，以消弱聲納圖像的幾何畸變。圖11為船速校正前后效果對(duì)比圖，可以看出校正后目標(biāo)物輪廓更加清晰，細(xì)節(jié)信息突出，紋理結(jié)構(gòu)更加分明。

圖11 船速校正前(左)后(右)效果對(duì)比圖

2.7 地理編碼與重采樣

通常為了便于顯示，側(cè)掃聲納系統(tǒng)圖像多采用瀑布圖的方式展示，該圖像是以拖魚航跡為縱軸，掃描線為橫軸的序列圖像，不具有準(zhǔn)確的方位和地理坐標(biāo)，不便于后續(xù)的目標(biāo)識(shí)別和量測(cè)。根據(jù)拖魚的位置、航向、掃幅寬度及回波序列號(hào)可估算出每一個(gè)回波的大概位置，從而形成側(cè)掃聲納回波的地理編碼圖像。

側(cè)掃聲納圖像經(jīng)過(guò)地理編碼后圖像中各掃描線之間會(huì)產(chǎn)生縫隙，航向的變化會(huì)造成縫隙大小不均勻，由航跡向彎道外側(cè)，掃描線之間的縫隙越來(lái)越大，由航跡向彎道內(nèi)側(cè)，掃描線之間的縫隙逐漸減少甚至交叉，為此需要對(duì)聲納圖像進(jìn)行重采樣，以消除掃描線之間的縫隙。通常的圖像重采樣算法有扇形填充法和掃描填充法兩種。圖12為經(jīng)過(guò)地理編碼與重采樣之后的側(cè)掃聲納圖像。

圖12 側(cè)掃聲納圖像與局部放大圖

2.8 拼接與鑲嵌

在完成單條側(cè)掃聲納條帶圖像處理之后，就可以進(jìn)行相鄰條帶圖像之間的配準(zhǔn)及鑲嵌處理，最終形成覆蓋整個(gè)工區(qū)范圍的側(cè)掃聲納圖像，為進(jìn)一步的海底地形地貌、海底底質(zhì)識(shí)別與判讀、海底目標(biāo)物及礦產(chǎn)油氣資源的探查提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)海底的全覆蓋，相鄰側(cè)掃聲納條帶邊緣掃幅會(huì)保持10%～20%的重疊帶。重疊帶的處理效果會(huì)直接影響聲納圖像的視覺(jué)效果及地形地貌、海底底質(zhì)的判讀。處理重疊區(qū)域的拼接與鑲嵌的方法主要有[14-15]：最大值法、最小值法和平均值法3種，圖13～圖15分別展示3種方法的拼接與鑲嵌效果。

圖13 最大值法拼接與鑲嵌效果

圖14 平均值法拼接與鑲嵌效果

圖15 最小值法拼接與鑲嵌效果

圖16 重疊區(qū)域ping數(shù)據(jù)曲線圖

圖13和圖14中方框標(biāo)記的為拼接重合區(qū)域，從圖中可以看出，最大值法和平均值法的拼接與鑲嵌結(jié)果圖均呈現(xiàn)出明顯的拼接痕跡，重疊區(qū)域色調(diào)過(guò)渡不自然，有明顯的突變，容易引起海底地形地貌及海底底質(zhì)的誤判；從圖15可以看出，最小值法的拼接與鑲嵌結(jié)果圖沒(méi)有出現(xiàn)拼接痕跡，圖像過(guò)渡自然平滑，整體色調(diào)保持一致。

圖16為重疊區(qū)域所有ping數(shù)據(jù)的灰度曲線，可以看出最大值法和平均值法曲線的中間區(qū)域起伏較大，且曲線抖動(dòng)較劇烈，這表明重合區(qū)域的過(guò)渡不自然，拼痕較為突出；而最小值法的曲線變化較小 ，曲線整體表現(xiàn)較為平緩，這表明重合區(qū)域過(guò)渡較為自然，拼痕影響很小。

表1為拼接鑲嵌的效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中標(biāo)準(zhǔn)差用來(lái)衡量圖像的清晰度和對(duì)比度，其數(shù)值越大，表明圖像越清晰；信息熵用來(lái)衡量圖像信息豐富程度的大小，其質(zhì)越大表明圖像所包含的平均信息量越多；平均梯度用來(lái)衡量圖像中微小細(xì)節(jié)反差和圖像的紋理特征，其值越大表明圖像細(xì)節(jié)信息和紋理結(jié)構(gòu)越清晰。從表1中可以看出，3種評(píng)價(jià)指標(biāo)中，最小值法均高于其它兩種方法，這表明對(duì)于側(cè)掃聲納圖像拼接與鑲嵌而言，最小值法為最優(yōu)。

表1 拼接鑲嵌效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 結(jié)果與分析

導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理可有效去除飛點(diǎn)的同時(shí)，確保了掃描線位置的準(zhǔn)確性；振幅法結(jié)合人工干預(yù)法提高了海底線跟蹤與提取的精度，為斜距改正提供了可靠的數(shù)學(xué)依據(jù)；斜距改正消除了水柱區(qū)域，將側(cè)掃聲納左右通道圖像合并，形成完整的側(cè)掃聲納條帶圖像；TVG校正改善了圖像的不均衡化，使得圖像整體色調(diào)一致，像素量級(jí)分布均衡，亮度適中；船速校正消除了圖像沿航跡方向的幾何畸變，使得目標(biāo)的形狀輪廓恢復(fù)原本的狀態(tài)；地理編碼及重采樣使得側(cè)掃聲納圖像具有了準(zhǔn)確的方位和地理坐標(biāo)，并具有可測(cè)量性；拼接與鑲嵌在消除重疊區(qū)域拼接痕跡的同時(shí)，生成了大范圍大規(guī)模海底全覆蓋的高分辨率側(cè)掃聲納區(qū)域圖像，為大范圍大規(guī)模的海洋地質(zhì)調(diào)查、海洋礦產(chǎn)油氣資源及天然氣水合物勘察提供了高質(zhì)量的聲納圖像。圖17展示了不同類型的底質(zhì)類型及地物。從圖中可以看出，沙坡和沙脊紋理結(jié)構(gòu)清晰，輪廓明朗，目標(biāo)物的連續(xù)性和分辨率較高，滿足地質(zhì)調(diào)查的需求。

圖17 不同類型的底質(zhì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文深入研究側(cè)掃聲納圖像的數(shù)字鑲嵌技術(shù)方法，對(duì)關(guān)鍵步驟進(jìn)行詳細(xì)的闡述，通過(guò)對(duì)原始側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)校正、海底線跟蹤、斜距改正、TVG校正、船速校正、地理編碼與重采樣、拼接與鑲嵌等處理，生成大區(qū)域大范圍高分辨率無(wú)縫拼接的側(cè)掃聲納圖像，總結(jié)一套適用海洋地質(zhì)調(diào)查的側(cè)掃聲納圖像數(shù)字鑲嵌技術(shù)方法,取得理想的效果。

高分辨率的側(cè)掃聲納圖像為大規(guī)模大范圍的海底地貌研究、海底目標(biāo)物探測(cè)及標(biāo)定、海底油氣資源及天然氣水合物資源的勘查提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將在海洋地質(zhì)調(diào)查和海洋測(cè)繪中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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[責(zé)任編輯：張德福]

A digital mosaic method for side-scan sonar images

GUO Jun1,MA Guiyun2,MA Jinfeng1,WANG Aixue3,4,YI Feng1,FENG Qiangqiang1

(1.Key Lab of Marine Mineral Resources，Ministry of Land and Resources, Guangzhou Marine Geological Survey Burean,Guangzhou 510760，China;2.Henan Institute of Electronic Product Quality Supervision and Inspection,Zhengzhou 450003,China;3.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China;4.Marine Surveying and Mapping Research Center，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

This paper proposes a digital mosaic method for side-scan images, taking the sonar data from the South China Sea as the example. The key steps of the method are analysed in detail. By the mean of a series of data preprocessing, it can create the high-resolution seamless mosaic sonar images. The experiment proves that it can obtain good effects for side-scan sonar images.

side-scan sonar system；sonar image；seafloor bottom track；TVG correction；digital mosaic

引用著錄：郭 軍,馬金鳳,王愛(ài)學(xué)，等.一種針對(duì)側(cè)掃聲納圖像的數(shù)字鑲嵌技術(shù)方法[J].測(cè)繪工程，2017，26(6)：34-39.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.06.007

2016-07-20

國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(KLMMR-2015-A-13);國(guó)家專項(xiàng)工作項(xiàng)目(DD20160227)

郭 軍(1984-)，男，工程師.

P229

A

1006-7949(2017)06-0034-06