海底底质分类技术底最新进展

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1、介绍几种典型的海底底质分类技术广州海洋地质调查局资料处理研究所(510760)刘胜旋关永贤编译摘要本文主要介绍了四家海洋仪器公司的最新海底底质分类技术。它们分别利用多波束的反向散射强度数据、单波束的回声波形结构数据和侧扫声纳数据。采用了多参数统计分析、波形结构分析和影像属性分析等方法，实现了快速、高效、大面积地对海底底质进行间接的分类。尽管它们的技术各不相同，但都可以分为监督分类方式和非监督分类方式。关键词　海底底质分类单波束多波束反向散射强度监督分类非监督分类6前言随着多波束技术及侧扫声纳技术的不断发展，人们已经不仅仅满足于单一的水深测量和粗略的人工侧扫声纳影像解释。无论是在渔业、

2、采掘业、海上商业调查、科学与环境研究方面，还是在国防军事应用方面，都希望能够快速、高效地获取海底浅层沉积环境信息。然而，传统的方法如可视化法与机械取样法都存在效率低、费用高、不适应于大面积调查等弊端。由于声学法具有高效率、低费用、高分辨率等优点，因此特别适合于大面积的调查或研究。目前，世界上已有多家海洋调查仪器公司或研究单位从不同的方面、采用不同的参数对海底进行分类识别。从研究对象数据方面来分，主要有单波束海底分类、多波束海底分类和侧扫声纳影像分类三大类。其中，单波束海底分类器及分类软件发展最为成熟，可以配合多种测深仪进行工作。多波束海底分类系统只能配合于某一特定类型的多波束测深系统

3、。不管采用何种技术，都可以分为监督分类方式和非监督分类方式。在监督分类方式下，必须首先对系统进行培训，通过在不同类型的海底采集一系列数据，获得特定的特征信息，建立起特征信息与海底类型之间的对应关系。在非监督分类方式下，只对海底类型进行逻辑分类。一、挪威Simrad公司的底质分类技术（一）分类原理Triton是挪威simrad公司的一个海底底质分类软件，它内嵌在多波束后处理软件Neptune里，适用于EM系列多波束测深系统采集的数据。当欲利用Triton来进行底质分类时，应首先用Neptune软件对多波束数据进行定位、定深及其它各种参数校正处理，然后由Triton读取反向散射数据（声纳

4、数据），并对其进行多参数统计分析，从而划分出各种不同的逻辑海底沉积类型（非监督分类）。欲得到确切、真实的海底沉积类型，必须首先根据先验资料定义一个分类数据库，供以后的多波束海底底质分类使用（监督分类）。反向散射强度数据也称为声纳数据，它与海底的反射能力有关。而反射能力又主要与海底的底质属性例如密度、声速、表面粗糙程度和水体的均一性有关。发射能量与接收器的记录信号之间的关系为：假设SL发射能级大小，EL为接收能级大小，则EL＝SL－2TL＋BTS2TL表示双路传播能量损失，定义为：2TL＝40logR＋2aR，R为声源至海底之间的距离，a为与频率有关的水体吸收系数。BTS为底部反向散射

5、强度，其与海底的反射率属性有关。假设A为某一波束的声照区大小，则BTS定义为：BTS＝BS＋10logA此处BS为海底反向散射系数，与海底的反射率有关。声照区A的大小随波束号的不同而不同，因此它与所使用的多波束探头有关。最后得到：BS＝EL-SL+40logR+2aR-10logA。Triton系统主要由三个模块组成：特征提取、培训和分类。图1显示了Triton系统的工作流程。6（二）特征提取图2三参数分类椭球及特征点的分布图特征提取分类培训区域划分分类数据库通过Neptune处理后的声纳数据图1Triton分类流程图在进行海底底质分类时，首先是提取多波束声纳数据的特征值。声纳数据可

6、以理解为海底的反向散射强度，它们取决于波束掠射角的大小、海底粗糙度、底质属性和声波在水体中的传播等因素。Triton海底分类系统通过对脉冲与脉冲之间的反向散射强度进行相互比较，从而确定不同区域之间的特征值。第一个版本的Triton于1994/95年开发出来的。当时对40多个特征参数进行了测试，最后只保留了五个特征参数。这是因为单独利用或组合使用这五个特征参数，就可以到达最佳的海底分类效果。这五个特征参数为：1．0.8分位数（Quantile）2．步距（Pace），一种功率谱运算。3．对比度（Contrast）4．平均值（Mean）5．标准方差（STD）（三）培训在Triton软件中，

7、某一特定的底质类型在特征空间中被定义的为一个椭圆。某一波束的特征数据在特征空间中被定义为一个点，如果该点位于椭圆里，则该波束对应的底质类型与该椭圆的类型一致。究竟特征空间中什么位置、什么形状的椭圆对应什么样的底质类型，这就需要通过培训来确定了。所谓培训，就是从某一海域采集到多波束数据后，运行特征提取模块以提取上述五个特征参数，再以点的形式显示在五维特征空间里。如果点足够多时，就可以拟合成一个椭圆。通过收集(采集)到先验资料，赋予该椭圆正确的底质类型。培训的