一种针对侧扫声纳图像的数字镶嵌技术方法

郭 军,马桂云，马金凤,王爱学,易 锋,冯强强

(1.广州海洋地质调查局 国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510760;2.河南省电子信息产品质量监督检验院，河南 郑州 450003；3.武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079;4.武汉大学 海洋测绘研究中心，湖北 武汉 430079)

一种针对侧扫声纳图像的数字镶嵌技术方法

郭 军1,马桂云2，马金凤1,王爱学3,4,易 锋1,冯强强1

(1.广州海洋地质调查局 国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510760;2.河南省电子信息产品质量监督检验院，河南 郑州 450003；3.武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079;4.武汉大学 海洋测绘研究中心，湖北 武汉 430079)

以南海某海域实测侧扫声纳数据为例，研究侧扫声纳图像的数字镶嵌技术方法，对关键步骤进行详细的阐述。通过对原始侧扫声纳数据进行导航数据校正、海底线跟踪、斜距改正、TVG校正、船速校正、地理编码与重采样、拼接与镶嵌等处理，生成大区域、大范围、高分辨率、无缝拼接的侧扫声纳图像。实验结果证明声纳图像数字镶嵌技术的有效性，并取得理想的效果。

侧扫声纳系统；声纳图像；海底线跟踪；TVG校正；数字镶嵌

侧扫声纳系统以其高精度、高效率、高分辨率、海底微地形地貌直接成像的特点，为海底探测提供直观完整的海底声学图像，从而获得海底形态，并对海底的纹理特征进行定性的描述[1-3]，其广泛应用于海底地貌测绘、海底底质勘探、海底沉积物探测、水下目标搜寻、海洋工程等方面。近年来随着我国近海海洋区域地质调查及清洁能源天然气水合物资源勘查项目的开展，侧扫声纳系统发挥着越来越重要的作用。科研生产单位采集了大量的侧扫声纳资料，为海洋区域地质调查和天然气水合物冷泉等的探测提供分辨率高达厘米级的声纳图像。

原始的侧扫声纳图像只是将扫描数据按照测量顺序堆叠在一起以瀑布图的形成显示，其缺乏整体的地理方位，也不具有可测量性；同时由于侧扫声纳系统自身的成像机理，瀑布图分割成左右两个通道声纳图像，中间区域出现“盲区”，造成声纳图像的不连续性；相邻侧扫声纳图像条带在公共区域呈现出拼接痕迹，图像色调不一致、不连续。

侧扫声纳数字镶嵌技术是在手动镶嵌的原理上利用计算机的强大运算功能进行声纳数据的镶嵌处理。数字镶嵌技术可以大幅提高声纳图像的拼接效率和质量，输出任意比例的带有地理坐标、可测量的数字化声纳图像，适用于大规模大范围的海底地形地貌探测及海底底质识别等相关研究。在国外，GuyCochrane等利用侧扫声纳镶嵌图像与海底不同底质之间的联系来寻找海洋濒危物种栖息地[4]；Carl Jorg Petersen等将侧扫声纳镶嵌图像与声学数据相结合，对海底圆丘的成因和空间位置分布进行研究[5]。在国内，徐建等利用侧扫声纳图像对西太平洋某海山的微地形地貌进行了相关研究，对研究区域的特征地形地貌进行了初步的解释[6]；唐秋华等利用声纳镶嵌图对JFR海底热液区的特征地形地貌进行了分析，研究声图与海底热液的形态特征、形成机制之间的相关联系[7]；赵建虎等采用基于地理编码和基于SURF的方法实现侧扫声纳条带的分段拼接与镶嵌[8]；刘晓东等探讨了侧扫声纳系统在天然气水合物调查应用中的可行性[9]。

以上研究大多利用已有的侧扫声纳镶嵌图进行相关研究，没有对由原始数据生成侧扫声纳图像整个过程中的一些关键技术进行深入分析和探讨，且研究区域所涉及的范围较小，局限于单条或者多条侧扫声纳图像。

本文以南海某海域实测侧扫声纳数据为例，通过对原始侧扫声纳数据进行处理，形成带有地理坐标的侧扫声纳条带图像，在相邻条带之间的重合区域进行镶嵌处理，最终形成具有地理坐标的大范围大区域侧扫声纳镶嵌图。通过对高分辨率的侧扫声纳镶嵌图进行分析，发现海底的各种微地形地貌清晰可辨，目标物轮廓清晰、连续性较好，沙波沙脊的纹理清晰，海底管线走向清晰，管线长度及宽度可测量，表明形成的侧扫声纳镶嵌图完全满足海洋地质调查的需求，为海底微地形地貌的识别、海底底质的分类、海底目标物的探测提供科学、精确可靠的基础数据。

1 声纳图像数字镶嵌流程

声纳图像数字镶嵌流程[10]主要步骤为：①侧扫声纳导航数据处理，将扫描线归位至正确的位置；②海底线跟踪，检测并识别出海底线，为斜距改正提供依据；③斜距改正，消除声纳图像上的横向倾斜几何畸变，移除水柱，将左右两个通道整合在一起；④速度校正，消除声纳图像的纵向几何畸变；⑤TVG(Time Varying Gain)校正，消除声纳图像辐射畸变，调整横向的灰度不均衡；⑥地理编码，将每一个回波归位至地理坐标框架下；⑦图像重采样，消除由于测线拐弯造成的扫描线缝；⑧镶嵌处理，生成侧扫声纳镶嵌图。

2 试验与分析

2.1 数据来源

2014年广州海洋地质调查局使用Edge Tech 4 200 MP侧扫声纳系统[11]在南海某海域进行侧扫声纳作业，数据记录采用Edge Tech Discover软件，数据格式为XTF。侧扫单边量程设置为200 m，拖鱼距海底高度保持在20～30 m之间，拖鱼电缆投放长度在5～400 m之间，船速保持为3～5节之间。作业时采用双频作业模式，分别为100 kHz和400 kHz，船速保持为5节左右。定位系统采用Trimble SPS351 DGPS导航定位仪，测深系统选用SDE-28S测深仪，主测线走向为NE-SE，联络测线走向NW-SE，图1为测线布设示意图,图2为调查船只设备安装位置示意图。

图1 测线布设示意图

图2 设备安装位置示意图

2.2 导航数据处理

图3和图4展示了侧扫声纳导航数据处理前后的效果对比，其中绿色为左舷的扫描线，红色为右舷的扫描线。从图中可以看出，导航数据未校正之前，扫面线存在严重的交叉现象，且相邻扫描线之间的空隙较大；校正之后，扫面线归位垂直于航迹线，过渡平滑，交叉现象得到有效控制。

图3 导航数据校正前扫描线

图4 导航数据校正后扫描线

2.3 海底线跟踪

海底线可提供计算海底目标高度时所需的拖鱼至海底高度的基准线，为下一步的斜距改正提供精确的数学依据。海底线跟踪算法通常有3种[12]，即振幅阈值法、窗口斜率法和人工干预法。通过比较3种算法的处理效果，得出振幅阈值法结合人工干预法或者窗口斜率法结合人工干预法效果最佳。

图5和图6展示了不同海底线检测方法的海底线跟踪效果。从图中可以看出，振幅法检测的海底线没有达到与海底地形的精确匹配，尤其是海底地形起伏突变的区域，效果较差；振幅法结合人工干预法检测出的海底线与海底地形起伏吻合度较高，达到精确的匹配，除一些细微的差别，两者几乎相重合。

图5 振幅法海底线跟踪效果

图6 振幅法结合人工干预法海底线跟踪效果

2.4 斜距改正

利用拖鱼、海底及回波的三角关系，计算每一个回波的平距来进行斜距改正，以此去除水柱，合并左右声纳图像，并削弱侧扫声纳图像在横向上的几何畸变，改正前后对比如图7、图8所示。

图7 斜距改正之前

图8 斜距改正之后

2.5 TVG校正

侧扫声纳图像存在辐射畸变，其主要表现为横向的灰度不均衡化。原因是声波随着传播距离增加而产生的扩展损失和吸收损失，远处回波的强度明显低于近处回波的强度。在瀑布上表现为，中间区域较亮，两侧边缘较暗。

TVG利用经验公式来补偿侧扫声纳回波强度随传播时间而产生的扩展损失和吸收损失[13]，校正前后如图9、图10所示。

图9 TVG校正之前效果

图10 TVG校正之后效果

从图9和图10可以看出，经过TVG校正之后，图像中间区域的强回波得到较好的压制，图像均衡化较好，色调表现一致，靠近中间区域的一些地形细节特征也清晰可辩。

2.6 船速校正

野外采集环境往往比较复杂，船速时快时慢，并不是匀速航行，结果会导致声纳图像产生一定程度上的几何畸变，目标物会被压缩或拉伸，为此需要进行速度校正，以消弱声纳图像的几何畸变。图11为船速校正前后效果对比图，可以看出校正后目标物轮廓更加清晰，细节信息突出，纹理结构更加分明。

图11 船速校正前(左)后(右)效果对比图

2.7 地理编码与重采样

通常为了便于显示，侧扫声纳系统图像多采用瀑布图的方式展示，该图像是以拖鱼航迹为纵轴，扫描线为横轴的序列图像，不具有准确的方位和地理坐标，不便于后续的目标识别和量测。根据拖鱼的位置、航向、扫幅宽度及回波序列号可估算出每一个回波的大概位置，从而形成侧扫声纳回波的地理编码图像。

侧扫声纳图像经过地理编码后图像中各扫描线之间会产生缝隙，航向的变化会造成缝隙大小不均匀，由航迹向弯道外侧，扫描线之间的缝隙越来越大，由航迹向弯道内侧，扫描线之间的缝隙逐渐减少甚至交叉，为此需要对声纳图像进行重采样，以消除扫描线之间的缝隙。通常的图像重采样算法有扇形填充法和扫描填充法两种。图12为经过地理编码与重采样之后的侧扫声纳图像。

图12 侧扫声纳图像与局部放大图

2.8 拼接与镶嵌

在完成单条侧扫声纳条带图像处理之后，就可以进行相邻条带图像之间的配准及镶嵌处理，最终形成覆盖整个工区范围的侧扫声纳图像，为进一步的海底地形地貌、海底底质识别与判读、海底目标物及矿产油气资源的探查提供可靠的科学依据。

为了实现海底的全覆盖，相邻侧扫声纳条带边缘扫幅会保持10%～20%的重叠带。重叠带的处理效果会直接影响声纳图像的视觉效果及地形地貌、海底底质的判读。处理重叠区域的拼接与镶嵌的方法主要有[14-15]：最大值法、最小值法和平均值法3种，图13～图15分别展示3种方法的拼接与镶嵌效果。

图13 最大值法拼接与镶嵌效果

图14 平均值法拼接与镶嵌效果

图15 最小值法拼接与镶嵌效果

图16 重叠区域ping数据曲线图

图13和图14中方框标记的为拼接重合区域，从图中可以看出，最大值法和平均值法的拼接与镶嵌结果图均呈现出明显的拼接痕迹，重叠区域色调过渡不自然，有明显的突变，容易引起海底地形地貌及海底底质的误判；从图15可以看出，最小值法的拼接与镶嵌结果图没有出现拼接痕迹，图像过渡自然平滑，整体色调保持一致。

图16为重叠区域所有ping数据的灰度曲线，可以看出最大值法和平均值法曲线的中间区域起伏较大，且曲线抖动较剧烈，这表明重合区域的过渡不自然，拼痕较为突出；而最小值法的曲线变化较小 ，曲线整体表现较为平缓，这表明重合区域过渡较为自然，拼痕影响很小。

表1为拼接镶嵌的效果评价指标，其中标准差用来衡量图像的清晰度和对比度，其数值越大，表明图像越清晰；信息熵用来衡量图像信息丰富程度的大小，其质越大表明图像所包含的平均信息量越多；平均梯度用来衡量图像中微小细节反差和图像的纹理特征，其值越大表明图像细节信息和纹理结构越清晰。从表1中可以看出，3种评价指标中，最小值法均高于其它两种方法，这表明对于侧扫声纳图像拼接与镶嵌而言，最小值法为最优。

表1 拼接镶嵌效果评价指标

3 结果与分析

导航数据处理可有效去除飞点的同时，确保了扫描线位置的准确性；振幅法结合人工干预法提高了海底线跟踪与提取的精度，为斜距改正提供了可靠的数学依据；斜距改正消除了水柱区域，将侧扫声纳左右通道图像合并，形成完整的侧扫声纳条带图像；TVG校正改善了图像的不均衡化，使得图像整体色调一致，像素量级分布均衡，亮度适中；船速校正消除了图像沿航迹方向的几何畸变，使得目标的形状轮廓恢复原本的状态；地理编码及重采样使得侧扫声纳图像具有了准确的方位和地理坐标，并具有可测量性；拼接与镶嵌在消除重叠区域拼接痕迹的同时，生成了大范围大规模海底全覆盖的高分辨率侧扫声纳区域图像，为大范围大规模的海洋地质调查、海洋矿产油气资源及天然气水合物勘察提供了高质量的声纳图像。图17展示了不同类型的底质类型及地物。从图中可以看出，沙坡和沙脊纹理结构清晰，轮廓明朗，目标物的连续性和分辨率较高，满足地质调查的需求。

图17 不同类型的底质

4 结束语

本文深入研究侧扫声纳图像的数字镶嵌技术方法，对关键步骤进行详细的阐述，通过对原始侧扫声纳数据进行导航数据校正、海底线跟踪、斜距改正、TVG校正、船速校正、地理编码与重采样、拼接与镶嵌等处理，生成大区域大范围高分辨率无缝拼接的侧扫声纳图像，总结一套适用海洋地质调查的侧扫声纳图像数字镶嵌技术方法,取得理想的效果。

高分辨率的侧扫声纳图像为大规模大范围的海底地貌研究、海底目标物探测及标定、海底油气资源及天然气水合物资源的勘查提供科学的基础数据，将在海洋地质调查和海洋测绘中发挥越来越重要的作用。

[1] 赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理 [M].武汉：武汉大学出版社，2008.

[2] 郭军，马金凤，王爱学.基于SVM算法和GLCM的侧扫声纳影像分类研究[J].测绘与空间地理信息，2015,30(3):60-63

[3] 郭军，马金凤 ，王爱学.基于改进GLCM的侧扫声纳影像分类研究[J].测绘工程，2016,25(6) :6-9.

[4] COCERANE G R,LAFFERTY K D.Use of Acoustic Classification of Sidescan Sonar Data for Mapping Benthic Habitatinthe Northern Channel Islands,California[J].ContinentalShelfResearch,2002,22(5):683-690.

[5] PETERSEN C J ,KLAUCKE I,WEINREBE W,et al.Fluid Seepage and Mound Formation Offshore Costa Rica Revealed by Deep-towed Sidescan Sonar and Sub-bottom Profiler Data[J].Marine Geology,2009,266 (1-4): 172-181.

[6] 徐建，郑玉龙，包更生，等.基于声学深拖调查的海山微地形地貌研究[J].海洋学研究,2011,29(1): 17-23.

[7] 唐秋华，李杰，吴永亭，等.JFR海底热液区多波束声纳数据处理与分析[J].海洋通报，2013,32(4) :368-373.

[8] 赵建虎，王爱学，王晓，等.侧扫声纳条带图像分段拼接方法研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2013,38(9): 1034-1038.

[9] 刘晓东，赵铁虎，曹金亮，等.用于天然气水合物调查的轻便型声学深拖系统总体方案分析[J].海洋地质前沿,2015,31(6): 8-16.

[10] BLONDEL P.The HandBook of SIDECSAN SONAR[M] .Springer,2009.

[11] 王培刚.海洋高新技术装备选购指南-海底探测类[M].北京：海军出版社，2013.

[12] 王爱学.基于侧扫声纳图像的三维海底地形恢复[D].武汉：武汉大学，2014.

[13] 李胜全，滕惠忠，凌勇，等.侧扫声纳图像实时增强技术分段拼接方法研究[J].应用声学，2006,25(5): 284-289.

[14] 王蕾，刘贵喜.图像配准技术及应用研究[D].西安：西安电子科技大学，2007.

[15] 曹明，郭军.基于共视目标的侧扫声纳条带图像拼接方法研究[J].测绘与空间地理信息,2014,29(12): 46-49.

[责任编辑：张德福]

A digital mosaic method for side-scan sonar images

GUO Jun1,MA Guiyun2,MA Jinfeng1,WANG Aixue3,4,YI Feng1,FENG Qiangqiang1

(1.Key Lab of Marine Mineral Resources，Ministry of Land and Resources, Guangzhou Marine Geological Survey Burean,Guangzhou 510760，China;2.Henan Institute of Electronic Product Quality Supervision and Inspection,Zhengzhou 450003,China;3.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China;4.Marine Surveying and Mapping Research Center，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

This paper proposes a digital mosaic method for side-scan images, taking the sonar data from the South China Sea as the example. The key steps of the method are analysed in detail. By the mean of a series of data preprocessing, it can create the high-resolution seamless mosaic sonar images. The experiment proves that it can obtain good effects for side-scan sonar images.

side-scan sonar system；sonar image；seafloor bottom track；TVG correction；digital mosaic

引用著录：郭 军,马金凤,王爱学，等.一种针对侧扫声纳图像的数字镶嵌技术方法[J].测绘工程，2017，26(6)：34-39.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.06.007

2016-07-20

国土资源部海底矿产资源重点实验室开放基金(KLMMR-2015-A-13);国家专项工作项目(DD20160227)

郭 军(1984-)，男，工程师.

P229

A

1006-7949(2017)06-0034-06