武汉大学海洋测绘-第八章—海洋地貌及地质探测

第八章海底地貌及底质探测SurveyofSeabedTopography海底底质图像如漂砾、沙带、岩石等。水体图像包括水体散射、温度阶层、尾流、海面反射等水体运动形成的图像。,8.6基于声纳图像判读海底地貌,干扰图像包括换能器基阵横向、纵向和舶向产生摇摆的干扰图像，海底和水体等的混响干扰图像，各种电子仪器及交流电源产生噪声的干扰图像。声纳图像是海底目标、海底地貌、水体和干扰等多种反射声波的接收信号特征的记录，这些特征称之为判读特征，也称判读标志。声纳图像具有如下判读特征：形状特征：是指某类图像外部轮廓在声图上表现出的形状。大小特征：是指在声图上的尺寸。色调和颜色特征：色调特征是对黑白声图而言，彩色特征是对伪彩色声图而言。色调特征是指声图上所表示的灰阶由深到浅的灰度。阴影特征：是指目标和地貌的高出海底面阻挡声波照射的地段，在声图上表示为无灰度的小区域。,纹形特征：是指声图上强灰度的灰阶形成的各种形态特征，如鱼群的椭圆形态，燕尾形态；沙波的波状形态等。相关体特征：是指伴随某类图像同时出现的无固定纹形特征的相关图像。如沉船图像周围必然伴随有堆积和沟槽图像。,一般可采用以下几种方法进行判读声图图像：直接判读法：利用判读特征，直接对一张声图图像判读目标和地貌。对比判读法：把粗扫测与扫测的声图进行对照比较来判读声图中的目标和地貌。邻比判读法：把两扫测趟的重叠带的图像相拼，对照比较判读目标和地貌。,逻辑推理判读法：根据扫测区的水体的情况、潮流和气象等动力因素、海底底质分布状况、海区特点及海底地貌、海事资料，并结合扫测记录，来判读声图的目标和地貌图像。影响判读效果的因素是多方面的，当各种判读因素提供得充分时，判读成功率高。影响判读声图中的目标和地貌成功率的主要因素有判读人员对声图的结构、特点、特征的理解认识程度、扫测记录的详尽程度、扫测符合规定要求情况、仪器状态以及声图图像清晰程度等。下面给出两张地貌声图供参阅。,沉积岩褶皱形成的小盆地,沙砾海底上覆盖的沙带和沙波,利用声纳图像除可以判断目标和海底地貌特征外，声纳图像还可用于计算目标的形状、尺寸和深度等几何参数。如：,海底目标高度的确定,垂直深度：,目标靶高度：,目标靶深度：,目标靶的水平距离：,海底浅层剖面仪又称次海底剖面仪，它是研究海底各层形态构造和其厚度的有效工具，其工作原理与回声测深仪相同。浅地层剖面仪由发射机、接收机、换能器、记录器、电源等组成。发射机受记录器的控制，发射换能器周期性的向海底发射低频超声波脉冲，当声波遇到海底及其以下地层界面时，产生反射，返回信号，经接收换能器接收，接收机放大，最后输给记录器，并自动绘制出海底及海底以下几十米的地层剖面。,8.7浅地层剖面仪,海底浅层剖面仪的探测深度与工作频率有关。常应用的工作频率为3.5kHz和12kHz两种，前者探测地层深度为100m，后者约为20m。频率增高，声波吸收衰减加大，探测深度减小，频率低，探测深度大，但是，剖面仪的分辨率差。海底沉积层中声波的吸收衰减是根据大量的取样在勘测船上或在实验室中测定的。沉积层中除了泥、砂、石灰石外，还夹杂着水，其构造是比较松散的，对于这种介质而言，其吸收衰减主要取决于声波传播过程中质点所引起的摩擦损耗。这种损耗与沉积物的孔隙度n有关。,海底沉积层的结构是分层的，剖面仪测量的是地层界面反射信号的到达时间，假设沉积层中的声速在深度剖面内按常梯度增加，其关系式如下：,式中c0为沉积层表面声速；k为沉积层声速梯度；t为声波在沉积层中单程传播时间。,利用地层界面回波的单程传播时间t，求得沉积层中的平均声速为：,由于海域不同，沉积层的地质构造不同，上式中的c0和k不是常数，一般根据钻孔取样所测得的数据确定不同海域中c0和k的经验值。,根据沉积层中的声速和吸收系数与孔隙度之间的关系，建立海底沉积层的声学模型，通过遥测海底声学参数来判断和分析沉积物的物理特性。,EdgeTech2000C和EdgeTech3100P浅地层剖面仪系统,其中，EdgeTech2000C是一种经济、适用于近海的组合式侧扫声呐/浅地层剖面仪系统。EdgeTech3100P是一种高分辨率宽带调频（FM）便携式浅地层剖面仪系统。主要应用于工程勘察、底质调查、管线探测、沉积物分类等。,根据浅地层剖面仪探测的海底回波的强度可以绘制浅地层剖面图。浅地层剖面图是反映海底浅地层底质性质的断面图或图像。,(a)水库异重流现象,(b)大坝坝前淤积情况,(c)根石层的分布情况,图(a)中，浅地层剖面图通过三种不同的颜色清楚地表明了存在三类不同地质的介质层，即异常流层、淤泥层和硬河底；图（b）中，浅地层剖面图通过颜色不同和颜色的分界清楚地表明了淤泥覆盖的坝体以及坝前淤泥层的分布和层厚度；图(c)中，也清楚地呈现出了河底、根石层及其厚度。,海底底质声学特性一直是海洋地质、水下工程地质、海底矿产资源、海洋渔业和水下通讯等领域重要的研究内容,通过海底声反射和声散射等手段可以进行海底底质的声学特征研究。我国在海底底质分类方面的研究程度还较低,虽然近些年来引进了多波束系统,获得了大量的数据资料,但仍然只利用了该系统的海底测深功能,其底质分类等功能的技术潜力还没有得到充分开发和利用。,8.8海底底质分类,通过典型的声波特征来大面积划分水底的底质类型（包括海底、湖底、河底），这种技术已经成熟，其应用领域已越来越广泛，典型的应用包括：1.海底工程（管线路由调查、井场调查、锚地选址等）2.军事（潜艇机动、布雷）3.环境保护及工程评价4.渔业资源调查及生态环境评估5.海洋声学特性研究6.港口、码头疏浚施工7.沙源勘探,海底底质分类技术,海底的声学反射回波的波形特征和海底的底质特性有关，不同的海底底质给出的反射波形特征是不同的.,理论基础,平滑简单海底,粗糙复杂的海底,理论基础,沉积特性颗粒大小沉积状态,表面粗糙度海底的形态不规则特征,海洋生物的组成海底蔓草底栖动物,利用专业底质分类设备获取底质分类数据单波束测深仪模拟信号采集记录器,底质分类的数据来源,QTCImpact,5种算法生成166个全特性向量(FFV),数据分析处理过程,Classes,PCA主成份分析聚类分析,回声波形分析,分类结果,单波束航迹上显示的不同底质类型,2.利用常规的多波束、侧扫声呐数据进行底质分类,侧扫声呐图像数据,多波束测深及后向散射数据,5种算法生成132个全特性向量(FFV),数据分析处理过程,Classes,PCA主成份分析聚类分析,图像纹理分析,回声波形分析,分类结果,补偿前,关键技术：数据条件化数据的特征补偿,对入射角和距离数据进行补偿QTC公司专利处理技术,补偿后,典型的多波束/侧扫声纳声学特性底质分类成果图,非监督分类：仅仅对声学特性进行规类,分类方法,结合海底真值调查，对声学特性相同的区域进行标定规类海底采样电视摄像观察潜水员探摸,成本高、效率低,2.监督分类,一种新型快速、高效的调查设备-走航式自由落体静力触探系统（FFCPT）,最佳解决办法：,在走航条件下对海底的底质特性进行探测，为底质分类提供标定数据；同时能获得实时声速剖面，为多波束测深系统提供实时声速校正信息，确保在复杂水文条件下的测深精度。,声速传感器,电子电路模块,压载/电阻率传感器,光学传感器,孔隙水传感器,电池模块,稳定尾翼,LED灯,加速度计,FFCPT的结构组成及各传感器的功能,粘土,砾石,净细沙,沙混合物,淤泥,FFCPT走航测量结果,温哥华岛某海域的底质分类三维图,暴露的岩石基岩上层叠的鹅卵石砾石和沙沙,RESONSeabat8125多波束数据,可为多波束测量提供实时声速剖面信息，保证测量精度。,FFCPT的另一个重要功能,RESONSeabat系列多波束、ELACSeabeam多波束系统其它市场主流多波束系统,能提供底质分类数据的主流仪器设备,注意：买多波束时一定要选择多波束的侧扫声呐功能模块。QTC底质分类软件需要侧扫和水深2种数据。,SeaBat8125,SeaBat8101,Seabeam1xxx,Seabeam3XXX,3.EDGETECH公司侧扫声呐系列产品,