淺剖數(shù)據(jù)解譯中淤泥層層界提取方法

胡夢(mèng)濤，蔣廷臣，李佳琦，劉志強(qiáng)，董春來

(1. 淮海工學(xué)院測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

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淺剖數(shù)據(jù)解譯中淤泥層層界提取方法

胡夢(mèng)濤1，蔣廷臣1，李佳琦2，劉志強(qiáng)1，董春來1

(1. 淮海工學(xué)院測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

港口與航道淤泥層層界確定對(duì)于港航建設(shè)開發(fā)與工程實(shí)施有著重大意義。本文針對(duì)港口航道淺地層剖面儀原始采集數(shù)據(jù)模糊的問題，分析了影響原始數(shù)據(jù)真實(shí)性的主要原因，實(shí)施了中值濾波法多次波壓制與消噪處理，取得了清晰可靠的真實(shí)數(shù)據(jù)圖像文件，根據(jù)海底聲波不同層界反射特征，對(duì)比分析了脈沖信號(hào)聲強(qiáng)圖像變化情況，探討了基于淺剖數(shù)據(jù)聲強(qiáng)圖像提取淤泥層厚的方法。試驗(yàn)證明該方法可以達(dá)到當(dāng)前鉆孔資料所能達(dá)到的精度范圍。

淺地層剖面；層界提??；信號(hào)分析

淺地層剖面探測(cè)是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法[1-2]。淺地層剖面儀是對(duì)海洋、江河、湖泊底部地層進(jìn)行剖面顯示的設(shè)備，結(jié)合地質(zhì)解譯，可以探測(cè)到水底以下地質(zhì)構(gòu)造情況。本文數(shù)據(jù)采集工作所用儀器為德國(guó)Innomar公司生產(chǎn)的SES-2000型參量陣淺地層剖面儀，該儀器有較高的地層分辨率和地層穿透能力，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集顯示界面的實(shí)時(shí)顯示效果選擇不同發(fā)射頻率，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)地設(shè)計(jì)調(diào)整工作參量，可以在航道勘測(cè)中測(cè)量河(海)底的淤泥層厚度，也可以測(cè)量在海上油田鉆井中的基巖深度和厚度[1-3]，因而是一種在海洋地質(zhì)調(diào)查，地球物理勘探和海洋工程，海洋觀測(cè)、海底資源勘探開發(fā)，航道港灣工程，海底管線鋪設(shè)中廣泛應(yīng)用的儀器。與傳統(tǒng)海底探測(cè)方法相比，淺剖儀探測(cè)淺地層剖面具有成本低、效率高、電子自動(dòng)成圖等優(yōu)點(diǎn)。但是由于受噪聲、多次波等因素的影響，對(duì)淺剖圖像判讀之后的底質(zhì)層界劃分結(jié)果往往不盡如人意，近年來，國(guó)內(nèi)不少專家學(xué)者針對(duì)淺剖數(shù)據(jù)的這些影響因素進(jìn)行了分析與研究，王鵬偉等提出了應(yīng)用變周期預(yù)測(cè)反褶積壓制多次波的方法，試驗(yàn)表明該方法對(duì)多次波壓制效果明顯[4]；李淑闊等利用淤泥層反射圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)淤泥層空間分布與水下淤積進(jìn)行測(cè)定，也得到了較好的結(jié)果[5]；劉玉萍等利用淺剖資料海底振幅的特征屬性直接進(jìn)行底質(zhì)分析，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性[6]。本文在消除淺剖圖像中噪聲、多次波等因素的基礎(chǔ)上，依據(jù)淺剖原始數(shù)據(jù)，采用信號(hào)分析方法并結(jié)合試驗(yàn)區(qū)域少量鉆孔資料，實(shí)現(xiàn)了淤泥層層界的準(zhǔn)確劃分。

1 淺剖圖像處理

淺地層剖面數(shù)據(jù)采集過程中受噪聲、氣泡、紊流等海洋環(huán)境的影響，導(dǎo)致淺剖圖像出現(xiàn)模糊、失真及多次波等問題，為后期圖像判讀和地層提取工作帶來困難。通常在判讀圖像之前都要對(duì)淺剖圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行消噪，壓制二次波的處理。

1.1 消除噪聲

受有源噪聲和環(huán)境噪聲影響，淺剖換能器接收的聲波信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)大量的噪聲信號(hào)，實(shí)際工作中應(yīng)濾除。有源噪聲是聲源或次生源形成的干擾，環(huán)境噪聲主要是船舶發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，二者均可采用中值濾波法進(jìn)行消除。中值濾波屬于非線性濾波方法[7-9]，是一種基于排序統(tǒng)計(jì)理論能有效抑制噪聲的平滑濾波信號(hào)處理技術(shù)。

對(duì)淺剖原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波消噪的過程為：首先確定一個(gè)以某個(gè)像素為中心點(diǎn)的窗口，一般為方形，然后將窗口中各像素的灰度值排序，取排序后的灰度值的中間值作為窗口中心點(diǎn)像素的灰度值，當(dāng)窗口移動(dòng)時(shí)，利用中值濾波可以對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理。中值濾波模板的大小決定著濾波的質(zhì)量，如果模板過小，濾波不明顯，如果濾波模板過大，圖像會(huì)丟失有效信息，這需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行試驗(yàn)來選取最合適的濾波模板。圖1與圖2分別為加鹽噪聲淺剖原始灰度圖像和進(jìn)行中值濾波后的圖像，可以看出進(jìn)行濾波后的噪聲得到了明顯壓制。

1.2 壓制多次波

換能器發(fā)射的聲波波束從海底反射到海面時(shí)，因海面與空氣的分界面(自由界面)是一個(gè)波阻抗差別很明顯的界面，其反射系數(shù)可以認(rèn)為是-1，因此是一個(gè)良好的反射界面，反射波又可能從這個(gè)反射界面向下傳播；當(dāng)遇到反射界面時(shí)，又可以再次發(fā)生反射返回海面被換能器所接收，這樣在淺剖圖像上就出現(xiàn)了多次波。

多次波是影響地層層界劃分的主要因素，判讀淺剖圖像前需對(duì)其進(jìn)行壓制[10-11]。與地震波相比，淺剖圖像中出現(xiàn)的多次波多為規(guī)則干擾波，文獻(xiàn)[12—14]表明在眾多壓制多次波的方法中，預(yù)測(cè)反褶積法壓制該類多次波效果最為明顯。

設(shè)換能器發(fā)射的聲波b(t)滿足最小相位條件，反射系數(shù)為白噪聲，褶積模型為

(1)

式中：x(t)為t時(shí)刻反射波強(qiáng)度值；ε(t)為反射系數(shù)；*為褶積運(yùn)算符。

則t+l時(shí)刻輸出的反射波強(qiáng)度值為(包含一次波和多次波)

(2)

與誤差公式相對(duì)照

(3)

從式(2)和式(3)得出

(4)

(5)

e(t+l)=b′(t)*ε(t+l)

(6)

即將前一個(gè)子波的前部與反射系數(shù)的褶積就得到了一次反射波。反之，用這種方法可壓縮子波長(zhǎng)度，提高淺剖圖像的分辨率。

由于預(yù)測(cè)反褶積后，子波被切成l長(zhǎng)，因此預(yù)測(cè)反褶積實(shí)際上是一種子波波形1切除反褶積。特別當(dāng)l=1時(shí)，子波變成了δ脈沖，以上預(yù)測(cè)反褶積實(shí)際上變成了脈沖反褶積。

(7)

根據(jù)解經(jīng)典維納濾波問題的方法[15]，依據(jù)最小二乘原則求得預(yù)測(cè)因子c(t)，從而預(yù)測(cè)出多次波，結(jié)合式(3)即可去除淺剖原始圖像中多次波的影響。

2 層界提取

淺地層剖面儀按照一定的時(shí)間間隔向海底發(fā)射聲波，由于海水及海底沉積物對(duì)聲波會(huì)有不同程度的吸收，因此聲波向海底傳播過程中會(huì)出現(xiàn)能量的衰減，同時(shí)在聲阻抗較大的界面也會(huì)發(fā)生反射。聲波在海底處反射的能量取決于反射界面的反射系數(shù)，可用瑞利反射系數(shù)公式表示為

(8)

式中，ρ1、c1、ρ2、c2分別表示兩個(gè)層界中介質(zhì)的密度和聲速。

當(dāng)兩個(gè)層界中的介質(zhì)密度與聲波傳播速度的乘積有較大差值時(shí)反射系數(shù)將會(huì)變大，從而使兩不同層界之間的層界面產(chǎn)生相對(duì)大的聲強(qiáng)，在淺剖圖像中會(huì)以明顯的灰度界面線表現(xiàn)出來，判讀淺剖圖像時(shí)可依據(jù)此灰度界面線進(jìn)行淤泥層層界劃分。

圖3 聲波在層間的傳播路徑

從淺剖原始數(shù)據(jù)中提取出單道剖面數(shù)據(jù)聲強(qiáng)文件，以此表示出聲波在一個(gè)剖面上不同介質(zhì)中的振幅大小。聲波的振幅與反射能量成正比，可以把一個(gè)剖面上不同深度位置的樣本反射的聲強(qiáng)表現(xiàn)為振幅圖像，根據(jù)圖像中聲強(qiáng)的變化趨勢(shì)分析樣本差異性，在信號(hào)處理軟件選中振幅接近的兩個(gè)層界面點(diǎn)，利用式(9)可計(jì)算出相似樣本的層厚度，達(dá)到層界提取目的。

如圖4中M022豎線是淺剖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集過程中經(jīng)過鉆孔位置時(shí)打下的標(biāo)記，便于后期淤泥層界提取與鉆孔資料作對(duì)比。圖5是從淺剖原始數(shù)據(jù)中提取出的在標(biāo)記M022處的單道信號(hào)強(qiáng)度文件，由于單道剖面上跟蹤樣本數(shù)多達(dá)480個(gè)，因此圖5只是展現(xiàn)了聲強(qiáng)數(shù)據(jù)的一部分，具體說明詳見表1。某一樣本的聲強(qiáng)對(duì)應(yīng)的深度數(shù)據(jù)可以按照式(9)自行計(jì)算

(9)

式中,h為某一樣本對(duì)應(yīng)的深度；H0為深度起始值；H1為深度變化范圍值；n為第n個(gè)樣本；N為該聲強(qiáng)文件中總的樣本數(shù)。

圖4 帶有標(biāo)記M022的原始圖像

圖5 與標(biāo)記M022對(duì)應(yīng)的信號(hào)文件

聲強(qiáng)文件各行數(shù)據(jù)描述數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集時(shí)間11：11：31經(jīng)度12135．83緯度2814．832UTC時(shí)31132船速(節(jié))2有效衛(wèi)星顆數(shù)8導(dǎo)航定位精度因子1．1與經(jīng)度對(duì)應(yīng)的UTM坐標(biāo)362385．4與緯度對(duì)應(yīng)的UTM坐標(biāo)3125385顯示深度起始值/m0深度顯示范圍/m25換能器發(fā)射聲波的頻率/kHz10脈沖長(zhǎng)度/μS195采樣頻率/Hz14467跟蹤樣本個(gè)數(shù)480NO．1(樣本所對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度)0NO．2—NO．479…NO．479580

圖6中有3個(gè)明顯的波峰，結(jié)合圖4帶有M022標(biāo)記的經(jīng)消噪、多次波壓制的淺剖灰度圖像，可判斷樣本14、樣本48、樣本114分別為圖中標(biāo)注的位置，水底位置及層間夾雜有堅(jiān)硬物質(zhì)的位置，按照式(9)可分別求得3個(gè)樣本位置的深度值分別為0.73 m、2.50 m、5.94 m，則兩者之間的差值分別為1.77和3.44 m,與圖4中樣本所處位置的深度值基本符合。

圖6 標(biāo)記M022振幅圖像

3 試驗(yàn)與結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證本文方法所劃分層界的準(zhǔn)確性，在浙江溫嶺某港池進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，并鉆孔獲取工程地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)等鉆孔資料(ZK1，ZK2，…,ZK7)，鉆孔位置及測(cè)線圖如圖7所示，圖中高亮圓點(diǎn)的分布為鉆孔位置分布。數(shù)據(jù)采集所用儀器為德國(guó)Innomar公司產(chǎn)的SES-2000型參量陣淺地層剖面儀，儀器聲波發(fā)射頻率為10 kHz,增益水平為18 dB，換能器吃水深度65 cm，數(shù)據(jù)采集軟件中顯示深度范圍25 m，測(cè)量船速度為2～4節(jié)，由聲速儀測(cè)得海水中聲速為1507 m/s，并在淺剖數(shù)據(jù)采集軟件中進(jìn)行聲速參數(shù)設(shè)置。

圖7 測(cè)線與鉆孔位置分布

以鉆孔3為例，圖4中標(biāo)記M022即為鉆孔3的坐標(biāo)位置，相應(yīng)的圖5與圖6分別為該剖面上的聲強(qiáng)數(shù)據(jù)與振幅圖像，文章第二部分已確定圖6中樣本49為海水與海底沉積物的界面點(diǎn)?？紤]到聲波能量的衰減及振幅變化趨勢(shì)，選定樣本431為淤泥層與下一層界的界面點(diǎn)，根據(jù)式(9)計(jì)算得到兩界面點(diǎn)處的深度值分別為2.55和22.45 m,可得兩界面間的層間厚度為19.90 m，與鉆孔3的工程地質(zhì)剖面圖8所示的20.00 m層厚比較，層間厚度相差0.1 m。

圖8 鉆孔3工程地質(zhì)剖面

對(duì)以上方法提取的層界厚度進(jìn)行結(jié)果分析，結(jié)合測(cè)區(qū)的7個(gè)鉆孔ZK1、ZK2、…、ZK7提供的層界信息及對(duì)應(yīng)深度信息，分析以上層界劃分的準(zhǔn)確性。比較二者淤泥層厚度及其層間厚度偏差，結(jié)果見表2。

表2 鉆孔層界與本文方法提取的層界值比較 m

從表2可看出，基于本文方法提取的淤泥層層間厚度與鉆孔數(shù)據(jù)提供的淤泥層層間厚度最大偏差為+0.30 m，最小偏差為-0.03 m,平均偏差為+0.05 m。本文方法提取的層間厚度達(dá)到了分米級(jí)，與鉆孔提供的分米級(jí)淤泥層厚度值一致。

4 結(jié) 論

(1) 在淺剖數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，采用中值濾波法對(duì)淺剖圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了消噪處理，使得淺剖原始圖像的灰度圖像更清晰，同時(shí)利用預(yù)測(cè)反褶積算法進(jìn)行了多次波壓制，使得原始數(shù)據(jù)可靠性更高。

(2) 提取單道剖面數(shù)據(jù)的聲強(qiáng)文件，借助信號(hào)分析技術(shù)形成樣本-振幅關(guān)系圖像，選取樣本-振幅圖像中跳變樣本點(diǎn)進(jìn)行深度計(jì)算進(jìn)而確定出淤泥層層厚，與鉆孔資料相較差異性較小，證明基于淺剖數(shù)據(jù)的淤泥層層界提取方法可行。

(3) 從理論上講，本文淤泥層層界提取方法在其他海底沉積物層界提取中應(yīng)同樣適用，但是其可靠性有待今后驗(yàn)證。

致謝：衷心感謝無錫智海科技有限公司李太春總經(jīng)理和廖榮發(fā)工程師在淺剖數(shù)據(jù)采集工作方面提供的幫助。

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The Extraction Method of Silt Boundary Layer in Sub-bottom Profiler Data Interpretation

HU Mengtao1,JIANG Tingchen1,LI Jiaqi2,LIU Zhiqiang1,DONG Chunlai1

(1. School of Geomatics and Marine Information, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005, China; 2. College of Geoscience and Surveying Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

Port and waterway silt layers determination is of great significance for the development and implementation of the harbor construction project. Based on the fuzzy problem of the original data collection of sub-bottom profiler, analyze the main reasons affecting the authenticity of the original data, process the median filter multiple attenuation and de-noising, clear and reliable real data image files have been obtained. According to the reflection characteristics of different layer boundaries of submarine acoustic wave, comparatively analyze the change of the sound intensity image of pulse signal, discuss the shallow profile data extraction method of sound intensity image based on silt layer. Experiments show that the boundary layer division method can achieve the current range of precision drilling data.

sub-bottom profiling； layer boundary extraction； signal analysis

胡夢(mèng)濤，蔣廷臣，李佳琦,等.淺剖數(shù)據(jù)解譯中淤泥層層界提取方法 [J].測(cè)繪通報(bào)，2017(6)：72-76.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0193.

P229

A

0494-0911(2017)06-0072-05

2016-11-05；

2017-01-19 基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金(41004003)；研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(XKYCXZ2016-4)；江蘇省海洋資源開發(fā)研究院開放課題(JSIMR201332； JSIMR201508)；江蘇省科技廳項(xiàng)目(BE2016701)；連云港市科技項(xiàng)目(SH1506)

胡夢(mèng)濤(1991—)，男，碩士生，研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y(cè)繪。E-mail:China_hmtljq@163.com