第8章-海洋地貌及地质探测

现代海洋测绘,赵建虎,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。,86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。近几十年来,具代表性的海底声学特性研究是美国学者Hamilton和BiotStoll的研究工作。Hamilton对海底沉积物的声学特性进行了系统研究,提出了简单且易于应用的粘弹模型,并据收集到的数据资料总结出了大量的经验公式。,87基于声纳图像划分海底底质类型,中国科学院声学研究所研制并不断改进了海底表层底质探测系统,多次在海上作了海底底质分类工作,获得回波的8种参数(反射系数、能量归一系数、回波能量分布、回波间相关系数、包络谱等),将航线上的底质分为8类,即礁石、细砂、泥质砂,砂质泥、泥和软泥等。受各方面条件的限制，国内对海底声学底质分类技术的研究大都仅限于基础方面,或是针对特定的海域,或是针对特定的底质类型,研究的程度不高。目前最典型的探测设备和软件主要有美国NOARL公司(NavalOceanographicandAtmosphericResearchLaboratory)的ASCS、挪威Simrad的多波束产品TRITON分类软件和加拿大QTC公司的QTCVIEW等。,按照测量仪器获得的海底声纳图像的不同，海底分类常采用的方法有如下几种：（1）剖面声纳、测深仪法对用剖面声纳、测深仪法提取的声学特征进行下列5种方法的计算和统计分析,以进行海底底质分类。这5种方法是反射系数；累积能量归一曲线(取决于沉积物衰减系数)；反射信号的时域波形特征(幅度分布统计、直方图等)；反射信号的频域特征；回波的屏间相关统计（2）侧扫法将用侧扫法提取的声学参数进行以下3种方法的计算和统计分析,以进行海底底质的分类。这3种方法是回波强度的统计量(分位点)；纹理特征提取；斜入射反向散射强度与入射角的关系。,（3）多波束法将利用多波束方法提取的声学特征进行下列6种方法的计算和分析,以进行海底底质的分类。这3种方法是均值；分位数(Quartile)；标准偏差(Standarddeviation)；对比度(Contrast)；频谱；回波幅度的直方图等；分形锥法和神经网络法。,综合看来,底质分类的能力和效果不仅取决于所使用的声纳手段，还取决于分类算法。剖面声纳和测深声纳使用的都是正入射信号，回波中能更多地携带地层信息，能以较高的置信度推测沉积物的物理性质，其中宽带剖面声纳所得到的分类和特征估计的效果要好于普通测深仪所得到的效果。共同的缺点是所测得的信息只是换能器正下方的单点信息。,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。,88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