多波束声呐图像管理及应用

2023-11-29 理论教育版权反馈

【摘要】：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呐图像质量的好坏，也影响着图像对海底地貌以及底质类型的反映。经过抽样和量化后，便形成了多波束声呐图像。图5-9是根据上述方法形成的某个测区的多波束声呐图像。

5.4　多波束声呐图像

多波束系统既能给出点位和水深测量成果，又能给出回波强度信息，回波强度信息主要用于探测和反映海底地貌和海底底质。多波束声呐图像是通过将多个ping条带的回波强度数据按照一定的原则拼接起来，并对其进行抽样和量化而形成的。

1.ping与ping之间的拼接

由于受人为操作、海洋环境等因素的作用，测量船姿态将会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。前面讨论了波束投射点区内回波强度采样位置的确定问题，以及每个采样相对中心采样的水平距离，由此可获得每个回波强度采样所对应的地理坐标。这样，对于每一个采样，实际上已经获得了它的三个参量，即平面位置(x，y)和回波强度。因此，地理框架下条带内ping间声强数据的拼接就变得十分容易。

2.条带图像间的拼接

进行条带声呐图像间的拼接需解决两个问题，即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，每个声呐采样点均能获得其坐标，且两个条带的坐标系统统一，因此该问题较易解决。

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，按照这条曲线把声呐图像拼接起来。待镶嵌的声呐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。

若相邻条带的两个声呐图像为f₁和f₂，重叠区宽度为L，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。为此，只要选取一个长度为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如图5-8所示。

图5-8　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。尽管获得了镶嵌线，并保证采样点两边的对应回波强度(或灰度)差理论上最小，但实际上这种差异还是存在的，并在一定程度上可能还比较大(因为重叠区的回波强度是通过边缘波束获得的，而多波束边缘波束的测量精度比较低)。为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。

确定重叠点上回波强度的方法比较多，最简单的是均值法。设f'(i，j)为最终确定的声强，则

　　　　　　　　　　　f'(i，j)=(f₁(i，j)+ f₂(i，j))/2　　　　　　　(5-35)

另一种确定重合点声强的方法为加权平均法。该法考虑了不同条带中重合点声强的权重，就多波束而言，利用这种方法获得最终的声强值是比较恰当的。设w₁和w₂为重合点在两个条带中的权值(w₁和w₂定权原则一致)，则

(www.chuimin.cn)

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。

3.测区格网化及回波强度数据的选取(抽样)

为便于计算机图像处理，须对测区进行栅格化。与一般意义上的格网化不同的是，这种格网化处理时，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。由于回波强度测量值均具有位置信息，因而，格网化可在地理框架下进行。

回波强度采样的不均匀性可能导致格网内出现没有、一个或多个回波强度数据的情况。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，最终回波强度可采用接近均值原则和变化渐进性原则确定。

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呐图像质量的好坏，也影响着图像对海底地貌以及底质类型的反映。格网划分过粗，像素代表区域越大，形成的声呐图像Mosaic现象愈严重，对海底地貌和底质的反映愈粗糙;像素过多，达到饱和，图像质量将不再提高，相反还会造成计算量的增大。

4.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。

8 bit灰度级水平范围一般取0～255色，回波强度的变化范围主要取决于海床的地貌特征、底质类型以及多波束系统(如Kongsberg Simrad EM系列多波束回波强度的变化范围为128～126 dB)。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:

　　　　　　　　G=126+GBs(128～126dB)对应灰度范围(255～0)(5-37)

或:　　　　　　　G= 125-GBs(128～126dB)对应灰度范围(0～255)

式中:G为灰度级;GBs为回波声强。

若声强变化范围为(GBs_min～GBs_max)，量化后的灰度范围为(G _min～G _max)，则声强GBs量化后的灰度级G可表达为: