,愛(ài)學(xué),, ,

(1. 淮海工學(xué)院測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005； 2. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079)

側(cè)掃聲吶(side scan sonar,SSS)作為一種高分辨率、多用途、低成本的海洋調(diào)查設(shè)備，廣泛應(yīng)用于海洋、港口、河流、湖泊等水域。傳統(tǒng)應(yīng)用有海道測(cè)量，水下工程選址，飛機(jī)殘骸、沉船、魚(yú)雷、水雷、集裝箱、化學(xué)品桶、錨鏈、沉石、浮標(biāo)、錨地礙航物等水下目標(biāo)的探測(cè)，以及海底底質(zhì)分類(lèi)、海洋調(diào)查和海洋科學(xué)研究等[1-7]。隨著設(shè)備性?xún)r(jià)比的不斷提高，越來(lái)越多的生產(chǎn)單位和科研機(jī)構(gòu)有能力使用側(cè)掃聲吶進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)調(diào)查和科學(xué)研究。為此，本文綜述目前側(cè)掃聲吶圖像的應(yīng)用領(lǐng)域，為我國(guó)拓展其應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。

1 目前應(yīng)用領(lǐng)域

1.1 海洋局域生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

海洋活動(dòng)的增加給海洋生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)一定程度的破壞。造成海洋環(huán)境污染的原因主要有：陸源污染物的排放、海洋石油勘探、海洋傾倒廢物、海上事故等。這些活動(dòng)破壞了海洋生物的多樣性，某些有價(jià)值生態(tài)群落(如珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)、波西多尼亞水生植物群)也日益消亡，大范圍連續(xù)監(jiān)測(cè)海洋局部生態(tài)系統(tǒng)的變化，對(duì)后續(xù)科學(xué)評(píng)估和治理具有重要意義。文獻(xiàn)[8]將側(cè)掃聲吶系統(tǒng)應(yīng)用于荷蘭西南部河口的淺灘成圖，進(jìn)而監(jiān)測(cè)貝殼類(lèi)生物的棲息環(huán)境，使用落潮時(shí)拍攝的水下圖片驗(yàn)證了基于聲圖監(jiān)測(cè)水下環(huán)境變化的有效性，證明了側(cè)掃聲吶可有效監(jiān)測(cè)海洋生物棲息地的變化；文獻(xiàn)[9]應(yīng)用側(cè)掃聲吶研究了大西洋Porcupine Bank中冷水珊瑚堆形成的腐蝕地貌；文獻(xiàn)[10]應(yīng)用側(cè)掃聲吶圖像監(jiān)測(cè)和管理地中海波西多尼亞水生植物(Posidonia oceanica)生態(tài)群；文獻(xiàn)[11]使用1990、1991、2006年3期側(cè)掃聲吶圖像分析了地中海波西多尼亞水生植物的變化，波西多尼亞水生植物群落被生物學(xué)家視為地球上最古老的植物，是局部生態(tài)系統(tǒng)不可缺少的部分，但由于海洋環(huán)境的惡化開(kāi)始逐漸減少，上述研究給大范圍監(jiān)測(cè)其變化提供了新的思路，從而為制定相關(guān)的保護(hù)措施提供了基礎(chǔ)資料；文獻(xiàn)[12]分析了應(yīng)用側(cè)掃聲吶圖像評(píng)估珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中不同菌落形態(tài)和數(shù)量的可能性；文獻(xiàn)[13]應(yīng)用側(cè)掃聲吶監(jiān)測(cè)了日本本州島的海草分布；文獻(xiàn)[14]利用側(cè)掃聲吶探測(cè)到了珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中的以沙管蟲(chóng)，開(kāi)創(chuàng)了基于側(cè)掃聲吶圖像探測(cè)海洋中微小生物的先河；文獻(xiàn)[15]基于側(cè)掃聲吶和淺地層剖面數(shù)據(jù)研究了北愛(ài)爾蘭下厄恩湖的自然和人為沉積記錄，通過(guò)側(cè)掃聲吶圖像中的明暗變化，證實(shí)了淺表層記錄中的異常變化除底質(zhì)因素外，主要誘因是人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，給全面了解海洋局部環(huán)境提供新的思路。

我國(guó)四大海區(qū)均具有很多高生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)，如沿岸淺海生態(tài)系統(tǒng)、河口生態(tài)系統(tǒng)、近岸上升流生態(tài)系統(tǒng)、海藻(草)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)、紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)、珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)、大洋生態(tài)系統(tǒng)等，其中蘊(yùn)藏著各類(lèi)豐富的海洋資源，成為我國(guó)沿海地帶經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在一些重要河口、港灣水域，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，生物多樣性大大降低，赤潮頻發(fā)；許多典型生態(tài)系統(tǒng)面積急劇縮小，自然景觀(guān)不斷遭到破壞；港口淤積、航道萎縮、海岸侵蝕及風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)災(zāi)害等問(wèn)題也因生態(tài)環(huán)境惡化而日趨嚴(yán)重[16]。上述研究的成功示例將會(huì)為我國(guó)海洋局域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供新的思路。

1.2 海水養(yǎng)殖及瀕危動(dòng)物監(jiān)測(cè)

海水養(yǎng)殖業(yè)是海洋產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在當(dāng)前全球糧食危機(jī)日益嚴(yán)重的情勢(shì)下，海洋養(yǎng)殖資源成為各國(guó)追求的對(duì)象。不管是在開(kāi)發(fā)還是在后續(xù)的管理過(guò)程中，養(yǎng)殖資源的調(diào)查評(píng)估都是一項(xiàng)基礎(chǔ)性?xún)?nèi)容，在各項(xiàng)調(diào)查方法中，基于聲學(xué)方法因探測(cè)范圍廣、效率高，且不會(huì)對(duì)養(yǎng)殖資源造成破壞的優(yōu)點(diǎn)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。文獻(xiàn)[17]利用側(cè)掃聲吶快速監(jiān)測(cè)渾濁的激流系統(tǒng)中的水生動(dòng)物，研究表明該方法比傳統(tǒng)的布網(wǎng)和誘騙技術(shù)在效率和準(zhǔn)確性上都有明顯的提高，且克服了渾濁水體中光學(xué)儀器不易使用的缺陷；文獻(xiàn)[18]利用側(cè)掃聲吶探測(cè)瀕危的海洋鱘魚(yú)，研究證明了基于側(cè)掃聲吶圖像可以提高正確探測(cè)率，為在其他水域探測(cè)海洋瀕危物種提供了新的方法和思路；文獻(xiàn)[19]指出了側(cè)掃聲吶在探測(cè)海底地貌、沉積物類(lèi)型和研究海洋循環(huán)系統(tǒng)的有效性，而上述因素決定著水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分布，進(jìn)而影響?hù)~(yú)類(lèi)種類(lèi)和長(zhǎng)勢(shì)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上漁業(yè)資源的一半已經(jīng)被人類(lèi)充分利用，1/4還有潛力繼續(xù)加大利用，剩余的1/4已經(jīng)處于嚴(yán)重衰退的狀態(tài)中[20]。我國(guó)東海存在素有“天然魚(yú)倉(cāng)”之稱(chēng)的舟山漁場(chǎng)，其余各海域分布著的主要漁場(chǎng)有：黃渤海漁場(chǎng)、呂泗漁場(chǎng)、大沙漁場(chǎng)、南海沿岸漁場(chǎng)、東沙漁場(chǎng)、北部灣漁場(chǎng)、中沙漁場(chǎng)、西沙漁場(chǎng)、南沙漁場(chǎng)等。前述研究為我國(guó)基于側(cè)掃聲吶圖像大范圍監(jiān)測(cè)這些漁場(chǎng)的養(yǎng)殖資源提供了新的思路。

1.3 海底熱液噴口及冷泉探測(cè)

文獻(xiàn)[21]應(yīng)用AUV上裝載的側(cè)掃聲吶，在沖繩島海域發(fā)現(xiàn)了熱狀羽流(如圖1所示)，開(kāi)創(chuàng)了基于側(cè)掃聲吶圖像研究海底熱液噴口的先河；文獻(xiàn)[22]應(yīng)用安裝在AUV上的側(cè)掃聲吶在馬里亞吶海溝發(fā)現(xiàn)了新的深海熱液噴口(如圖2所示)，結(jié)合磁力儀、多波束和水下照片數(shù)據(jù)，分析了熱液噴口周?chē)h(huán)境，表明基于高分辨率地球物理調(diào)查手段檢測(cè)熱液噴口的可行性。

海底冷泉研究在天然氣水合物、全球氣候變化、極端生物群落等方面都具有重要意義。目前世界上已發(fā)現(xiàn)多處冷泉和羽狀流發(fā)育區(qū)，冷泉和羽狀流與天然氣水合物存在密切相關(guān)，其發(fā)育區(qū)常發(fā)現(xiàn)天然氣水合物[23]。目前常規(guī)和主流的探測(cè)技術(shù)是應(yīng)用地震波勘察，應(yīng)用其他技術(shù)的報(bào)道相對(duì)較少。欒錫武等分析了將側(cè)掃聲吶應(yīng)用于海底冷泉識(shí)別上的可能性[24]；文獻(xiàn)[25]應(yīng)用側(cè)掃聲吶成功檢測(cè)到墨西哥灣的海底冷泉噴口，然后通過(guò)淺地層剖面和雷達(dá)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了海底天然氣水合物的存在。

廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在2009年的南海鉆探過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)我國(guó)南海北部蘊(yùn)藏著豐富的天然氣水合物資源；2013年首次鉆獲高純度天然氣水合物樣品；并于2017年首次實(shí)現(xiàn)了天然氣水合物的試開(kāi)采。上述樣品采集、試開(kāi)采、聲學(xué)理論支持和聲學(xué)實(shí)踐的成功，將會(huì)為我國(guó)基于側(cè)掃聲吶圖像實(shí)現(xiàn)南海天然氣水合物的大范圍勘察提供新的技術(shù)。

1.4 水下搜救

隨著海上調(diào)查活動(dòng)的增加及內(nèi)陸湖泊水上交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，水上事故也隨之增多，諸如2014年3月8號(hào)的馬航飛機(jī)失聯(lián)事件、2015年6月1號(hào)的長(zhǎng)江沉船事件，造成了重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失?；趥?cè)掃聲吶圖像探測(cè)水下沉船及飛機(jī)的研究和報(bào)道很多，但是側(cè)掃聲吶應(yīng)用于水下溺水人體的搜救研究相對(duì)匱乏。例如，文獻(xiàn)[26]系統(tǒng)地分析了基于側(cè)掃聲吶探測(cè)水下尸體的問(wèn)題，指出了目標(biāo)物的大小、水下地形及儀器設(shè)備的頻率選擇是決定水下尸體目標(biāo)正確探測(cè)的關(guān)鍵；文獻(xiàn)[27]分析了基于不同方法進(jìn)行水下搜救的優(yōu)缺點(diǎn)，給出側(cè)掃聲吶用于此項(xiàng)任務(wù)的優(yōu)勢(shì)：聲學(xué)探測(cè)傳播范圍遠(yuǎn)、對(duì)探測(cè)物不會(huì)造成損傷等。表明側(cè)掃聲吶在未來(lái)水下溺水人體搜救領(lǐng)域會(huì)有更廣泛的應(yīng)用前景。

1.5 其他應(yīng)用

文獻(xiàn)[28]應(yīng)用深拖側(cè)掃聲吶分析了哥斯達(dá)黎加海岸科克斯板塊中流體滲透和海丘的形成和演化機(jī)制；文獻(xiàn)[29]應(yīng)用深拖側(cè)掃聲吶形成了北冰洋Hinlopen滑塊的海底地貌，并解釋了其滑動(dòng)過(guò)程；文獻(xiàn)[30]基于側(cè)掃聲吶圖像分析了流花深水區(qū)塊典型滑坡特征；文獻(xiàn)[31]將側(cè)掃聲吶應(yīng)用于太平洋Clarion-Clipperton Fracture區(qū)域錳結(jié)核的探測(cè)；文獻(xiàn)[32]利用側(cè)掃聲吶檢測(cè)船舶噸位，創(chuàng)新性地將原本用于掃測(cè)水底的側(cè)掃聲吶翻轉(zhuǎn)對(duì)水面掃測(cè)，給出了對(duì)水面目標(biāo)的測(cè)量方案，試驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)量技術(shù)較為準(zhǔn)確地獲得了被測(cè)船舶的實(shí)載總噸位，對(duì)船舶噸位自動(dòng)化測(cè)量的實(shí)現(xiàn)做出了有益的嘗試和探索，解決了現(xiàn)行收費(fèi)方式中的諸多弊病。文獻(xiàn)[33]評(píng)價(jià)了側(cè)掃聲吶在粗糙的海底中檢測(cè)淡水河蚌的可行性。

這些研究表明了側(cè)掃聲吶在海洋地球物理研究、極端復(fù)雜海洋環(huán)境中的應(yīng)用及基于側(cè)掃聲吶圖像探測(cè)小目標(biāo)的可能性，極大地拓展了側(cè)掃聲吶圖像的應(yīng)用領(lǐng)域。

上述應(yīng)用的成功事例，為我國(guó)更深層次應(yīng)用這一傳統(tǒng)設(shè)備提供了良好的借鑒。

2 結(jié)論及展望

本文綜述了側(cè)掃聲吶圖像的應(yīng)用領(lǐng)域，為我國(guó)更好地基于側(cè)掃聲吶進(jìn)行相關(guān)科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐擴(kuò)展了思路。同時(shí)，隨著設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對(duì)側(cè)掃聲吶圖像的精細(xì)處理要求也日益提高，本文對(duì)側(cè)掃聲吶圖像精細(xì)數(shù)據(jù)處理方向展望如下：

(1) 開(kāi)展顧及海底底質(zhì)影響的輻射畸變改正算法研究，以獲得灰度變化均勻、反映真實(shí)海底地貌的高質(zhì)量、單條帶側(cè)掃聲吶圖像。

(2) 研究大區(qū)域圖像灰度均衡化方法，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域圖像的灰度變化一致性，提高圖像獲取的質(zhì)量。

(3) 研究聯(lián)合地理編碼和特征的大區(qū)域側(cè)掃聲吶圖像拼接方法，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域海底地貌“一張圖”的精細(xì)獲取。

(4) 開(kāi)展目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別方法研究，實(shí)現(xiàn)海底特殊目標(biāo)的自動(dòng)、準(zhǔn)確探測(cè)和識(shí)別。