側掃聲吶圖像應用領域綜述

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(1. 淮海工學院測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005； 2. 武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079)

側掃聲吶(side scan sonar,SSS)作為一種高分辨率、多用途、低成本的海洋調查設備，廣泛應用于海洋、港口、河流、湖泊等水域。傳統應用有海道測量，水下工程選址，飛機殘骸、沉船、魚雷、水雷、集裝箱、化學品桶、錨鏈、沉石、浮標、錨地礙航物等水下目標的探測，以及海底底質分類、海洋調查和海洋科學研究等[1-7]。隨著設備性價比的不斷提高，越來越多的生產單位和科研機構有能力使用側掃聲吶進行相關生產調查和科學研究。為此，本文綜述目前側掃聲吶圖像的應用領域，為我國拓展其應用提供理論支持和技術指導。

1 目前應用領域

1.1 海洋局域生態系統監測

海洋活動的增加給海洋生態系統帶來一定程度的破壞。造成海洋環境污染的原因主要有：陸源污染物的排放、海洋石油勘探、海洋傾倒廢物、海上事故等。這些活動破壞了海洋生物的多樣性，某些有價值生態群落(如珊瑚礁生態系統、波西多尼亞水生植物群)也日益消亡，大范圍連續監測海洋局部生態系統的變化，對后續科學評估和治理具有重要意義。文獻[8]將側掃聲吶系統應用于荷蘭西南部河口的淺灘成圖，進而監測貝殼類生物的棲息環境，使用落潮時拍攝的水下圖片驗證了基于聲圖監測水下環境變化的有效性，證明了側掃聲吶可有效監測海洋生物棲息地的變化；文獻[9]應用側掃聲吶研究了大西洋Porcupine Bank中冷水珊瑚堆形成的腐蝕地貌；文獻[10]應用側掃聲吶圖像監測和管理地中海波西多尼亞水生植物(Posidonia oceanica)生態群；文獻[11]使用1990、1991、2006年3期側掃聲吶圖像分析了地中海波西多尼亞水生植物的變化，波西多尼亞水生植物群落被生物學家視為地球上最古老的植物，是局部生態系統不可缺少的部分，但由于海洋環境的惡化開始逐漸減少，上述研究給大范圍監測其變化提供了新的思路，從而為制定相關的保護措施提供了基礎資料；文獻[12]分析了應用側掃聲吶圖像評估珊瑚礁生態系統中不同菌落形態和數量的可能性；文獻[13]應用側掃聲吶監測了日本本州島的海草分布；文獻[14]利用側掃聲吶探測到了珊瑚礁生態系統中的以沙管蟲，開創了基于側掃聲吶圖像探測海洋中微小生物的先河；文獻[15]基于側掃聲吶和淺地層剖面數據研究了北愛爾蘭下厄恩湖的自然和人為沉積記錄，通過側掃聲吶圖像中的明暗變化，證實了淺表層記錄中的異常變化除底質因素外，主要誘因是人為活動對環境的影響，給全面了解海洋局部環境提供新的思路。

我國四大海區均具有很多高生產力的生態系統，如沿岸淺海生態系統、河口生態系統、近岸上升流生態系統、海藻(草)場生態系統、紅樹林生態系統、珊瑚礁生態系統、大洋生態系統等，其中蘊藏著各類豐富的海洋資源，成為我國沿海地帶經濟與社會發展的重要基礎。在一些重要河口、港灣水域，生態環境嚴重惡化，生物多樣性大大降低，赤潮頻發；許多典型生態系統面積急劇縮小，自然景觀不斷遭到破壞；港口淤積、航道萎縮、海岸侵蝕及風暴潮和臺風災害等問題也因生態環境惡化而日趨嚴重[16]。上述研究的成功示例將會為我國海洋局域生態環境監測提供新的思路。

1.2 海水養殖及瀕危動物監測

海水養殖業是海洋產業鏈的一個重要環節，在當前全球糧食危機日益嚴重的情勢下，海洋養殖資源成為各國追求的對象。不管是在開發還是在后續的管理過程中，養殖資源的調查評估都是一項基礎性內容，在各項調查方法中，基于聲學方法因探測范圍廣、效率高，且不會對養殖資源造成破壞的優點，得到了國內外學者的關注。文獻[17]利用側掃聲吶快速監測渾濁的激流系統中的水生動物，研究表明該方法比傳統的布網和誘騙技術在效率和準確性上都有明顯的提高，且克服了渾濁水體中光學儀器不易使用的缺陷；文獻[18]利用側掃聲吶探測瀕危的海洋鱘魚，研究證明了基于側掃聲吶圖像可以提高正確探測率，為在其他水域探測海洋瀕危物種提供了新的方法和思路；文獻[19]指出了側掃聲吶在探測海底地貌、沉積物類型和研究海洋循環系統的有效性，而上述因素決定著水中營養物質的分布，進而影響魚類種類和長勢。

據統計，世界上漁業資源的一半已經被人類充分利用，1/4還有潛力繼續加大利用，剩余的1/4已經處于嚴重衰退的狀態中[20]。我國東海存在素有“天然魚倉”之稱的舟山漁場，其余各海域分布著的主要漁場有：黃渤海漁場、呂泗漁場、大沙漁場、南海沿岸漁場、東沙漁場、北部灣漁場、中沙漁場、西沙漁場、南沙漁場等。前述研究為我國基于側掃聲吶圖像大范圍監測這些漁場的養殖資源提供了新的思路。

1.3 海底熱液噴口及冷泉探測

文獻[21]應用AUV上裝載的側掃聲吶，在沖繩島海域發現了熱狀羽流(如圖1所示)，開創了基于側掃聲吶圖像研究海底熱液噴口的先河；文獻[22]應用安裝在AUV上的側掃聲吶在馬里亞吶海溝發現了新的深海熱液噴口(如圖2所示)，結合磁力儀、多波束和水下照片數據，分析了熱液噴口周圍環境，表明基于高分辨率地球物理調查手段檢測熱液噴口的可行性。

海底冷泉研究在天然氣水合物、全球氣候變化、極端生物群落等方面都具有重要意義。目前世界上已發現多處冷泉和羽狀流發育區，冷泉和羽狀流與天然氣水合物存在密切相關，其發育區常發現天然氣水合物[23]。目前常規和主流的探測技術是應用地震波勘察，應用其他技術的報道相對較少。欒錫武等分析了將側掃聲吶應用于海底冷泉識別上的可能性[24]；文獻[25]應用側掃聲吶成功檢測到墨西哥灣的海底冷泉噴口，然后通過淺地層剖面和雷達數據驗證了海底天然氣水合物的存在。

廣州海洋地質調查局在2009年的南海鉆探過程中，發現我國南海北部蘊藏著豐富的天然氣水合物資源；2013年首次鉆獲高純度天然氣水合物樣品；并于2017年首次實現了天然氣水合物的試開采。上述樣品采集、試開采、聲學理論支持和聲學實踐的成功，將會為我國基于側掃聲吶圖像實現南海天然氣水合物的大范圍勘察提供新的技術。

1.4 水下搜救

隨著海上調查活動的增加及內陸湖泊水上交通運輸業的發展，水上事故也隨之增多，諸如2014年3月8號的馬航飛機失聯事件、2015年6月1號的長江沉船事件，造成了重大的人員傷亡和經濟損失。基于側掃聲吶圖像探測水下沉船及飛機的研究和報道很多，但是側掃聲吶應用于水下溺水人體的搜救研究相對匱乏。例如，文獻[26]系統地分析了基于側掃聲吶探測水下尸體的問題，指出了目標物的大小、水下地形及儀器設備的頻率選擇是決定水下尸體目標正確探測的關鍵；文獻[27]分析了基于不同方法進行水下搜救的優缺點，給出側掃聲吶用于此項任務的優勢：聲學探測傳播范圍遠、對探測物不會造成損傷等。表明側掃聲吶在未來水下溺水人體搜救領域會有更廣泛的應用前景。

1.5 其他應用

文獻[28]應用深拖側掃聲吶分析了哥斯達黎加海岸科克斯板塊中流體滲透和海丘的形成和演化機制；文獻[29]應用深拖側掃聲吶形成了北冰洋Hinlopen滑塊的海底地貌，并解釋了其滑動過程；文獻[30]基于側掃聲吶圖像分析了流花深水區塊典型滑坡特征；文獻[31]將側掃聲吶應用于太平洋Clarion-Clipperton Fracture區域錳結核的探測；文獻[32]利用側掃聲吶檢測船舶噸位，創新性地將原本用于掃測水底的側掃聲吶翻轉對水面掃測，給出了對水面目標的測量方案，試驗結果表明該測量技術較為準確地獲得了被測船舶的實載總噸位，對船舶噸位自動化測量的實現做出了有益的嘗試和探索，解決了現行收費方式中的諸多弊病。文獻[33]評價了側掃聲吶在粗糙的海底中檢測淡水河蚌的可行性。

這些研究表明了側掃聲吶在海洋地球物理研究、極端復雜海洋環境中的應用及基于側掃聲吶圖像探測小目標的可能性，極大地拓展了側掃聲吶圖像的應用領域。

上述應用的成功事例，為我國更深層次應用這一傳統設備提供了良好的借鑒。

2 結論及展望

本文綜述了側掃聲吶圖像的應用領域，為我國更好地基于側掃聲吶進行相關科學研究、生產實踐擴展了思路。同時，隨著設備應用領域的不斷拓展，對側掃聲吶圖像的精細處理要求也日益提高，本文對側掃聲吶圖像精細數據處理方向展望如下：

(1) 開展顧及海底底質影響的輻射畸變改正算法研究，以獲得灰度變化均勻、反映真實海底地貌的高質量、單條帶側掃聲吶圖像。

(2) 研究大區域圖像灰度均衡化方法，實現大區域圖像的灰度變化一致性，提高圖像獲取的質量。

(3) 研究聯合地理編碼和特征的大區域側掃聲吶圖像拼接方法，實現大區域海底地貌“一張圖”的精細獲取。

(4) 開展目標探測、識別方法研究，實現海底特殊目標的自動、準確探測和識別。