[发明专利]一种海底气体羽状流提取方法及应用

说明书

本发明属于海洋测绘、海洋资源勘探及海底探测技术领域，公开了一种基于图像处理模式多波束声呐水柱数据中海底气体羽状流提取方法及应用。本发明基于对多波束声呐水柱(Water Column，WC)中存在的噪声细致分析，发现以中央波束为轴镜面对称分布水体采样点的后向散射强度呈正相关，且WCI(Water Column Image)中气体羽状流反射强度高于对称位置水体声强，可通过WC数据对称做差实现多波束水柱影像的初步降噪；若WCI未受第三方声呐干扰，直接逐一对全部Ping的WCI进行二值化，再采用开操作设置阈值滤除小连通分量的方式实现对气体羽状流的提取。本发明可以提高了实际探测和检测效率。

技术领域

本发明属于海洋测绘、海洋资源勘探及海底探测技术领域，尤其涉及一种基于图像处理模式多波束声呐水柱数据中海底气体羽状流提取方法及应用。

背景技术

近年来，新一代多波束测深系统除能够获取海底底质概况外，同时获得了水体信息数据存储功能，其所采集的水柱(Water Column，WC)数据包含从换能器到海底全程的水体声学散射信息，通过WC数据获取的水柱影像(Water Column Image，WCI)能够在探测鱼群、航道障碍物、海底突起物、气体羽状流等水体异常目标探测中发挥重要作用。其中对于利用多波束WC数据观测海底气体羽状流指示天然气水合物埋藏位置方面，Schneider等利用多波束WCI，在北海和黑海海域探测到海底气体泄漏的情况，通过绘制3D图像数据分析了泄漏气体的空间结构。Greinert等使用多波束对黑海克里米亚半岛以西陆架多种不同喷溢特点天然气水合物进行实时观测，通过多波束WCI对该区喷溢活动特点进行详细研究。Nikolovska 等使用多波束测深声纳配合搭载了Kongsberg MS1000单波束扫描声纳以及回波测深仪的 ROV对黑海海域的泄漏区域进行气体羽状流成像，并对存在泄漏的位置进行记录。Weber等使用单波束和高分辨率多波束完成墨西哥湾气体羽状流渗透上升过程调查。梅赛等利用高频成像声纳系统分析了羽状流的基本特征及其分布。刘斌等结合2016年于南海西北部陆坡琼东南海域多波束WCI和浅剖数据，分析了该区域羽状流分布形态，并对多波束WCI和浅剖水体数据进行对比，发现浅剖数据无法发现水体中羽状流存在。由此可见，多波束WC数据处理获取的WCI能够用于海底气体羽状流监测提取，为天然气水合物勘测提供极具价值的现场观测数据，具有相当高的应用价值。

目前，部分多波束处理软件能够实现水体数据成像及简单处理，如CARIS、PDS2000、 Fledermaus等。但由于旁瓣、船舶、第三方声呐、环境等噪声影响，多波束WCI中存在大量干扰，对于从水体数据中快速提取气体羽状流的方法尚待发掘。目前，有学者提出相关方法提取WCI中的气体羽状流，如Urban等采用1000Ping WCI堆叠取中值，选取合适阈值降噪，生成掩膜以去噪提取WCI中气体羽状流。汪诗奇等通过最小二乘法拟合同采样号平均回波强度，设置采样点真实回波强度与拟合后曲线值差值大于kσ为阈值降噪，并利用前后相邻奇(偶)数Ping影像求交作为背景与包含目标影像相减完成对WCI中羽状流提取。现在大部分学者使用多波束WCI提取气体羽状流多采用多Ping数据先降噪，再设置阈值的方法。由于多波束WCI中噪声来源多、范围广，此类羽状流提取方法，最终提取结果羽状流与噪声分离情况达不到实际需要，还需人为去除噪声，自动化程度有限。而利用多波束WCI自动提取气体羽状流能给天然气水合物矿藏探测带来极大便利，因此现亟需一种WCI中气体羽状流自动提取方法，合理利用水体数据，以提高探测效率，指示矿藏位置；其次，基于多波束探测的水体羽状流信息可以用于海底输气管道的渗漏检测。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)目前，使用多波束WCI提取气体羽状流多采用多Ping数据先降噪，再设置阈值的方法提取气体羽状流，这种羽状流提取方法需考虑数据整体特征，自动化程度有限。

(2)多波束WC数据记录了异常目标，但其中存在成因广、范围大的噪声给提取气体羽状流带来极大阻碍。

解决以上问题及缺陷的难度为：