水下淺地層剖面數(shù)據(jù)的后處理研究

孫衛(wèi)華 尹 慧 姜 凌

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

水下淺地層剖面探測是一種基于水聲學(xué)原理，通過連續(xù)走航方式對水底淺剖地層進(jìn)行精細(xì)探測的方法［1］，該方法發(fā)射主動源的高頻聲波信號，利用水底不同巖性地層之間的聲阻抗差來產(chǎn)生反射回波信號，再根據(jù)回波信號數(shù)據(jù)對水下底質(zhì)的類別、分布及性質(zhì)進(jìn)行識別、劃分；該技術(shù)是海底淺地層精細(xì)勘測手段之一［2］。

目前基于水下結(jié)構(gòu)體的淺地層剖面探測應(yīng)用已十分廣泛，在工程建設(shè)調(diào)查、橋墩沖淤監(jiān)測、航道疏浚調(diào)查、通訊光纜與油氣管道的路由調(diào)查及檢測等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用［3～5］，急需一套系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)后處理方法，通過對原始淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行高分辨率處理，改善淺剖數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高淺地層剖面數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率，有效實現(xiàn)淺剖數(shù)據(jù)的解釋與可視化。

2 系統(tǒng)模型

水下淺地層剖面數(shù)據(jù)后處理的系統(tǒng)模型和步驟如圖1所示。

圖1 水下淺地層剖面數(shù)據(jù)后處理的系統(tǒng)模型

3 數(shù)據(jù)處理方案

根據(jù)圖1所述系統(tǒng)模型，本節(jié)將分別對每一步的數(shù)據(jù)處理方案進(jìn)行論述。

3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與解析

水下淺地層剖面數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與解析，主要是完成將采集端的原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分類識別及數(shù)據(jù)讀取、展示，具體包括如下步驟：

1）對原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式識別，剔除未識別文件。

通過讀取原始數(shù)據(jù)文件并對該數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式識別，將無法識別格式的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行剔除。該步驟是為了對不同淺地層剖面的原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式識別，從而基于相應(yīng)的解析規(guī)則對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，進(jìn)而將原始數(shù)據(jù)讀入第一數(shù)據(jù)庫中。

2）根據(jù)格式識別結(jié)果對原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和解析，提取原始數(shù)據(jù)，并對原始數(shù)據(jù)的圖譜進(jìn)行預(yù)覽。

通過對原始數(shù)據(jù)文件的讀取，根據(jù)水下結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)字典模板實現(xiàn)數(shù)據(jù)解碼，對解碼后的原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析，提取相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。此時的原始數(shù)據(jù)已經(jīng)可以通過圖譜進(jìn)行展示，故可以對原始數(shù)據(jù)的圖譜進(jìn)行預(yù)覽，該原始數(shù)據(jù)的圖譜包括勘測航跡圖譜、回波信號數(shù)據(jù)的振幅圖譜、相位圖譜、F-K圖譜和自相關(guān)圖譜［9］。

3）對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，導(dǎo)入第一數(shù)據(jù)庫。

對于經(jīng)過解析后的水下淺地層剖面探測原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分揀、排重等預(yù)處理后，導(dǎo)入第一數(shù)據(jù)庫，即原始數(shù)據(jù)庫。

3.2 原始數(shù)據(jù)處理

對淺地層剖面原始數(shù)據(jù)的處理，主要是將已解析入庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行深層加工，以滿足相應(yīng)的數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，具體包括如下步驟：

1）基于能量均衡算法對回波信號數(shù)據(jù)進(jìn)行第一處理。

對原始數(shù)據(jù)中的回波信號數(shù)據(jù)通過能量均衡算法進(jìn)行處理，使得回波信號中反射剖面數(shù)據(jù)在不同時間段的數(shù)據(jù)能量達(dá)到一致。能量均衡過程通過自動增益控制的方式進(jìn)行調(diào)控［10］。

2）基于濾波算法對第一處理后的回波信號數(shù)據(jù)進(jìn)行第二處理。

對能量均衡后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，包括一維FFT濾波、二維F-K濾波等；其中，一維FFT濾波包括帶通、帶阻、高通、低通四種濾波處理，二維F-K濾波通過交互式帶阻二維濾波進(jìn)行處理［11～12］。

3）基于Hibert變換、多次波壓制和涌浪改正算法對第二處理后的回波信號數(shù)據(jù)進(jìn)行第三處理。

對濾波后的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行Hibert包絡(luò)變換，從而提高反射層位分辨率；其次進(jìn)行多次波壓制處理，從而消除強(qiáng)能量的多次波干擾；最后進(jìn)行涌浪改正，消除野外海浪對剖面數(shù)據(jù)影響。更具體地，涌浪改正算法用于消除勘測航行姿態(tài)對回波信號數(shù)據(jù)的影響，即獲取淺地層剖面儀勘測船只在靜水中航行獲得的回波信號數(shù)據(jù)。

4）基于空間域平滑、水下反射數(shù)據(jù)切除和水深改正算法對第三處理后的回波信號數(shù)據(jù)進(jìn)行第四處理。

根據(jù)水下結(jié)構(gòu)體淺剖探測數(shù)據(jù)的特性，首先對第三處理后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間域平滑，其次將水下底質(zhì)以上的反射信號數(shù)據(jù)進(jìn)行切除，最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行水深改正處理，水深改正處理用于消除水域潮汐對回波信號數(shù)據(jù)的影響。

通過以上四個步驟可以獲取實際的海底深度；經(jīng)上述處理后的精加工數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)淺地層剖面的可視化，將上述加工后的數(shù)據(jù)和淺地層剖面圖像導(dǎo)入第二數(shù)據(jù)庫，即精加工數(shù)據(jù)庫。

3.3 反射層位拾取

原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，需結(jié)合水下結(jié)構(gòu)體的固有特性及歷史測量情況，對其進(jìn)行反射層位自動拾取、人機(jī)交互拾取和特征點標(biāo)注，具體包括如下步驟：

1）基于雙門限萬有引力邊緣檢測算法，在淺地層剖面圖像中拾取至少一種地層反射界面圖像。具體實施方式如下。

（1）獲取淺地層剖面圖像中所有像素點灰度值；

（2）計算第一像素點灰度值對應(yīng)的水平方向質(zhì)量和垂直方向質(zhì)量；

（3）計算3*3鄰域內(nèi)所有像素點對第一像素點的水平方向萬有引力合力和垂直方向萬有引力合力；

（4）計算3*3鄰域內(nèi)所有像素點對第一像素點的萬有引力的合力；

（5）將第一像素點的萬有引力的合力與預(yù)設(shè)的第一閾值和第二閾值進(jìn)行比較，判定第一像素點是否為地層反射界面的邊緣點。雙門限萬有引力邊緣檢測算法的實現(xiàn)如下：

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)可以通過圖像方式展示，將此圖像看作一個力場，則圖像中的像素點兩兩之間就存在引力的作用。以g（i，j）表示圖像中坐標(biāo)值為（i，j）的像素點的灰度值，則其水平方向質(zhì)量m（i，j）x和垂直方向質(zhì)量m（i，j）y的表達(dá)式分別為

其中，D(i，j)x和 D(i，j)y分別為水平方向梯度和垂直方向梯度，分別可表達(dá)為

其中，非線性算子T的表達(dá)式為

對于像素點g（i，j）的3*3鄰域內(nèi)像素點 g（k，l）的水平方向分力和垂直方向分力分別表述為

鄰域內(nèi)像素點對像素點g（i，j）的水平方向萬有引力合力和垂直方向萬有引力合力為

像素點g（i，j）所受萬有引力的合力大小為

根據(jù)歷史測量數(shù)據(jù)設(shè)定經(jīng)驗閾值TH1和TH2，當(dāng)萬有引力的合力滿足以下約束條件時，像素點g（i，j）可判定為邊緣點，否則不是邊緣點：

（6）遍歷淺地層剖面圖像中所有像素點，基于雙門限萬有引力邊緣檢測算法在像素點中提取地層反射界面的邊緣點。

（7）將所有地層反射界面的邊緣點連接，從而拾取相應(yīng)的地層反射界面圖像。

2）根據(jù)水下歷史測量數(shù)據(jù)，對地層反射界面圖像中跳點或偏差區(qū)域進(jìn)行調(diào)整，形成第一淺地層剖面解釋圖像。

因存在噪聲的影響，自動拾取的地層反射界面可能存在少量跳點或者偏差的情況，這時可根據(jù)水下結(jié)構(gòu)體所處的水聲環(huán)境和水下結(jié)構(gòu)體歷史測量數(shù)據(jù)特點，通過人機(jī)交互方式實現(xiàn)地層反射界面的手動調(diào)整［13］。通過單點或拉直線多點拾取，并可自動追蹤打標(biāo)線位置或等間隔拾取。

3）在第一淺地層剖面解釋圖像提取ROI區(qū)域并進(jìn)行特征點標(biāo)注，形成第二淺地層剖面解釋圖像，與第一淺地層剖面解釋圖像一同導(dǎo)入第三數(shù)據(jù)庫。

劃定水下結(jié)構(gòu)體ROI區(qū)域，根據(jù)其沖刷或淤積情況通過人機(jī)交互方式實現(xiàn)地層反射界面特征點標(biāo)注，與第2）步獲得的地層反射界面一并存放入第三數(shù)據(jù)庫，即解釋數(shù)據(jù)庫。

3.4 成果數(shù)據(jù)輸出

水下淺剖成果數(shù)據(jù)輸出，主要對已精加工的數(shù)據(jù)和已進(jìn)行數(shù)據(jù)解釋的成果數(shù)據(jù)，按照不同數(shù)據(jù)格式、不同導(dǎo)出方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，以便于將淺剖處理后的成果數(shù)據(jù)提供給其它應(yīng)用系統(tǒng)使用，具體包括如下步驟：

1）將第二數(shù)據(jù)庫和第三數(shù)據(jù)庫中存放的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換處理；

2）根據(jù)水下結(jié)構(gòu)體成果數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，導(dǎo)出長剖面位圖、SEG-Y文件、剖面導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)、剖面定位Event數(shù)據(jù)、解釋層位數(shù)據(jù)等，從而服務(wù)于應(yīng)用系統(tǒng)［14～15］。

4 處理結(jié)果

根據(jù)本文提出的水下淺地層剖面數(shù)據(jù)后處理方法開發(fā)了一套軟件系統(tǒng)，使用此系統(tǒng)對通過對原始淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到的成果圖像如圖2、圖3所示?？梢钥闯觯鞠到y(tǒng)拾取的反射層位清晰，分辨率高，可有效用于后續(xù)系統(tǒng)應(yīng)用。

圖3 淺剖數(shù)據(jù)后處理成果圖二

5 結(jié)語

本文研究了一種水下淺地層剖面數(shù)據(jù)的后處理方法，該方法讀取并識別原始淺地層剖面數(shù)據(jù)，根據(jù)水下結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)字典模板實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析；經(jīng)能量均衡、濾波、包絡(luò)變換、多次波壓制、涌浪改正、空間光滑、數(shù)據(jù)切除、水深改正等實現(xiàn)數(shù)據(jù)精處理；通過地層反射界面層位自動拾取、人機(jī)交互拾取、特征點標(biāo)注等實現(xiàn)數(shù)據(jù)解釋，并經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后輸出成果數(shù)據(jù)。本研究可以改善淺地層剖面數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高淺地層剖面數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率，有效實現(xiàn)淺地層剖面數(shù)據(jù)的解釋與可視化。