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《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第二期

摘要：

針對(duì)現(xiàn)有淺地層剖面圖像中層界人工劃分方法效率低、準(zhǔn)確度不高的缺陷，提出了基于圖像處理技術(shù)的層界自動(dòng)劃分方法及層界提取流程．首先對(duì)淺地層剖面原始觀測(cè)數(shù)據(jù)解碼，并對(duì)每Ping的振幅數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，形成原始淺地層剖面圖像；然后對(duì)原始圖像進(jìn)行Ping插補(bǔ)、異常Ping修復(fù)、消噪和多次波壓制等處理，消除異常觀測(cè)值的影響，提高圖像質(zhì)量；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)回波振幅與層界的響應(yīng)機(jī)制以及回波強(qiáng)度時(shí)序的變化特點(diǎn)，提出了基于灰度突變的閾值法層界粗提取及實(shí)施原則，實(shí)現(xiàn)了概略層界位置的確定；最后，顧及淺地層底質(zhì)變化的漸進(jìn)性和連續(xù)性，提出了基于拓?fù)淅碚摰膶咏缱粉櫤途崛》椒ǎ瑢?shí)現(xiàn)了離散層界的濾除及連續(xù)層界的提取．該方法實(shí)現(xiàn)了層界的自動(dòng)提取及與鉆孔取芯相同的劃分精度．

關(guān)鍵詞：

淺地層剖面；層界提取；灰度突變；拓?fù)渌惴ǎ蛔詣?dòng)追蹤

海底淺地層底質(zhì)結(jié)構(gòu)及其層界對(duì)于判讀礦產(chǎn)、油氣資源的存在，開(kāi)展海底工程施工等具有非常重要的作用［1－2］．淺地層底質(zhì)結(jié)構(gòu)和層界通常借助鉆孔取芯方式獲得，即通過(guò)在調(diào)查水域開(kāi)展一定密度的鉆孔取芯工作，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析，獲得不同位置、深度的層界及底質(zhì)類別．該方法雖簡(jiǎn)單、直接，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力、作業(yè)成本高［3］．相對(duì)傳統(tǒng)鉆孔方法，聲學(xué)探測(cè)方法因其效率高、成本低等特點(diǎn)廣受學(xué)者和業(yè)界關(guān)注．淺地層剖面儀（淺剖）是一種典型的聲學(xué)探測(cè)設(shè)備，其原理是借助換能器向海床發(fā)射低頻聲波，聲波在海床下傳播并在不同深度返回，將多Ping回波強(qiáng)度序列轉(zhuǎn)換成灰度值并疊加，最終形成淺剖圖像［3－4］．由于在不同介質(zhì)交界面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)回波，在圖像上表現(xiàn)為高灰度級(jí)影像，依此可判讀淺表層的底質(zhì)層界．結(jié)合少量鉆孔數(shù)據(jù)，通過(guò)人工判讀可得到各層對(duì)應(yīng)的底質(zhì)類型．然而，噪聲、多次波、丟Ping等因素的干擾，淺剖圖像很不清晰，人工識(shí)別常會(huì)給層界判讀帶來(lái)嚴(yán)重的誤差，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且可靠性不高［4－5］．為此，本文提出一種基于圖像處理技術(shù)的淺地層層界自動(dòng)追蹤和劃分方法，以消除上述干擾因素的影響，實(shí)現(xiàn)層界的自動(dòng)、準(zhǔn)確劃分．

1淺剖圖像生成

由于測(cè)量信息量非常大，淺地層剖面儀（淺剖）Ping測(cè)量數(shù)據(jù)通常以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)，如通用的SEG－Y文件格式．為形成淺剖圖像，需要對(duì)該文件解碼，獲得每Ping回波信息．淺剖的發(fā)射信號(hào)可看作是一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，而收到的回波信號(hào)則可視為響應(yīng)信號(hào)．以C－Boom為例，每Ping接收信號(hào)的瞬時(shí)采樣值以相對(duì)發(fā)射聲波振幅的形式記錄（圖1）．圖1中縱坐標(biāo)為采樣值強(qiáng)度與發(fā)射強(qiáng)度的比值。

2淺剖圖像預(yù)處理

淺剖圖像客觀地反映了原始觀測(cè)狀態(tài)．測(cè)量中，換能器接收到的回波常受到船速、換能器性能及海洋環(huán)境等引起的Ping丟失、噪聲和多次波影響，進(jìn)而導(dǎo)致圖像質(zhì)量較低，嚴(yán)重時(shí)幾乎難以目視判讀．為提高圖像質(zhì)量和利于后續(xù)淺地層層界劃分，首先需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理．

2．1Ping修復(fù)修復(fù)丟失Ping的前提是探測(cè)到其位置．由于丟失Ping的位置幾乎無(wú)回波，圖像中表現(xiàn)為列像素形成的序列灰度級(jí)相同，且等于背景灰度級(jí)．因此，沿淺剖航跡遍歷每Ping即可定位丟失Ping的位置．實(shí)際測(cè)量中可能存在離散的單Ping丟失，也可能存在多Ping丟失問(wèn)題．前者可對(duì)相鄰Ping列灰度集采用均值內(nèi)插的方法修復(fù)，后者則需基于底質(zhì)的漸變?cè)瓌t，在不同深度層構(gòu)建多項(xiàng)式模型來(lái)內(nèi)插修復(fù).

2．2消噪處理受海洋環(huán)境等因素影響，淺剖圖像中存在大量噪聲，需濾除．文獻(xiàn)［8－10］研究表明，中值濾波借助鄰域序列灰度中值實(shí)施濾波，運(yùn)算簡(jiǎn)單且速度快，在有效濾除噪聲的同時(shí)，能很好地保護(hù)信號(hào)的細(xì)節(jié)信息．將其用于圖像消噪，可很好地抑制圖像中由環(huán)境噪聲及淺表層中離散介質(zhì)產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲，同時(shí)對(duì)二次回波引起的圖像灰度異常具有很好的抑制作用．中值濾波窗口長(zhǎng)度直接決定著濾波效果，窗口過(guò)大會(huì)引起有效信息丟失，過(guò)小則噪聲壓制效果不明顯，因此需結(jié)合實(shí)際并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)給定．2．3多次波壓制多次波是指在層界中經(jīng)多次反射后被換能器接收到的回波，圖像中表現(xiàn)為干擾信息，應(yīng)予以壓制．預(yù)測(cè)反褶積法［11－13］是一種常用的多次波壓制方法，主要利用多次波的周期性特征。

3層界提取

3．1粗提取海底淺地層是不同時(shí)期沉積而成的，層間由于沉積物類型不同而形成了多個(gè)層界．根據(jù)水聲學(xué)原理，聲信號(hào)傳播到這些層界面會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的回波反射［14－15］，在圖像上則表現(xiàn)為較強(qiáng)的灰度突變．因此，借助每Ping（列）形成的灰度序列的梯度突變，可以發(fā)現(xiàn)概略的層界位置（如圖2，3）．基于以上機(jī)理，對(duì)預(yù)處理后的淺剖圖像實(shí)施層界粗界定：首先在每Ping形成的列灰度序列中定義一個(gè)由一定數(shù)量采樣點(diǎn)的灰度值組合形成的統(tǒng)計(jì)窗口L；然后根據(jù)灰度突變，定位對(duì)應(yīng)的層界．基于上述原則可在單Ping列序列內(nèi)找到多個(gè)灰度梯度突變點(diǎn)，然而受殘余噪聲、多次波壓制不徹底等因素的影響，存在虛假層界信息．顧及淺地層結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)期沉積作用的結(jié)果，其層界在Ping間具有連續(xù)分布特點(diǎn)，因此在以上基本原則基礎(chǔ)上增加如下附加原則：1）取相鄰的多Ping平均，形成虛擬Ping；2）采用中值濾波對(duì)虛擬Ping序列濾波，再借助基本原則1）和2）確定其突變點(diǎn)位置；3）突變位置的前段一定存在灰度陡變，而后段可能存在小幅度連續(xù)變化（對(duì)于連續(xù)層界），也可能存在另一個(gè)陡變（離散層界）；4）考慮聲強(qiáng)隨傳播距離衰減，后一個(gè)突變點(diǎn)的灰度值要小于前一個(gè)．基于以上原則，沿航跡線滑動(dòng)構(gòu)建虛擬Ping并劃分層界，實(shí)現(xiàn)整個(gè)淺剖圖像的層界劃分．

3．2精提取受殘余噪聲及粗提取方法影響，上述提取出的層界存在不連續(xù)問(wèn)題，有必要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行精處理，可借助拓?fù)渌枷雭?lái)實(shí)現(xiàn)相鄰?fù)瑢咏绲倪B通．基本原理是：對(duì)第j個(gè)Ping中提取出的某個(gè)層界點(diǎn)，通過(guò)判斷其相鄰的（j－m）～（j＋m）（m為可選變量）范圍內(nèi)Ping中是否存在與當(dāng)前層界點(diǎn)相連續(xù)的層界點(diǎn)，來(lái)決定當(dāng)前層界點(diǎn)的取舍以及層界點(diǎn)是否需要連通．整個(gè)連通過(guò)程遵循從左到右、自上而下的基本查找原則．其流程如下：1）查找目標(biāo)層界點(diǎn)左側(cè)是否連續(xù)，如不連續(xù)則考慮是否為新一個(gè)層界的起始點(diǎn)．2）查找目標(biāo)層界點(diǎn)右側(cè)是否連續(xù)，如果連續(xù)則不作任何操作，如不連續(xù)則考慮是否為層界間斷，并擴(kuò)大層界的搜索范圍．3）在擴(kuò)大的層界搜索范圍內(nèi)繼續(xù)向右查找是否存在其他連續(xù)的層界線，如果存在則認(rèn)為當(dāng)前點(diǎn)屬于該層界并連接該點(diǎn)，如不存在且目標(biāo)層界點(diǎn)左側(cè)也不連續(xù)則認(rèn)為該點(diǎn)為偽層界．4）流程3）中確定的連續(xù)層界線位置仍采用灰度梯度突變?cè)瓌t來(lái)獲得．圖4中綠色孤立點(diǎn)代表異常層界點(diǎn)，需濾除；黃色層界點(diǎn)由于左右鄰域都有層界點(diǎn)連接，不需作任何處理；藍(lán)色層界點(diǎn)為某一層界的起始點(diǎn)，通過(guò)判斷予以保留；紅色層界點(diǎn)為間斷層界點(diǎn)（灰色點(diǎn)為層界插值點(diǎn)）；紅色矩形框?yàn)閿U(kuò)大搜索的范圍，主要用于確定搜索是否存在連續(xù)層界線；灰色矩形框?yàn)樾枰獙ふ覂?nèi)插層界點(diǎn)的搜索范圍，在灰色矩形框中仍按照粗提取中的原則尋找灰度突變點(diǎn)位置，其上下搜索范圍需根據(jù)區(qū)域灰度變化的顯著性及緊鄰已搜索層界等原則來(lái)確定．5）對(duì)已連通的層界實(shí)施模板濾波，濾掉不滿足條件的孤立層界，并對(duì)符合條件的連續(xù)層界加粗顯示．層界精提取流程如圖5所示.

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證上述方法的正確性，借助C－Boom淺地層剖面儀在山東煙臺(tái)某水域開(kāi)展了一條測(cè)線的淺地層剖面測(cè)量，同時(shí)開(kāi)展了鉆孔取芯，航跡線及取芯位置（ZK1，ZK2，…，ZK7））如圖6所示．測(cè)量中，C－Boom的采樣頻率為4Hz，船速為4～5節(jié)，Ping間隔約為0．5m．?dāng)?shù)據(jù)處理時(shí)，首先對(duì)SEG－Y格式原始文件解碼和轉(zhuǎn)換，并以偽彩色顯示形成如圖7a所示的圖像．從圖7a可以看出，圖像中噪聲、多次波影響較嚴(yán)重，為消除上述因素影響，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，在滑動(dòng)中取濾波窗口大小平均為20像素、丟Ping修復(fù)中m取7（即利用待插值點(diǎn)前后共14個(gè)Ping的灰度值構(gòu)建式（5）多項(xiàng)式函數(shù)）時(shí)濾波和Ping修復(fù)效果最好．處理后的圖像如圖7b所示．

比較圖7a，7b預(yù)處理前、后圖像效果可以看出，噪聲得到了很好的壓制，層界邊緣的細(xì)節(jié)信息得到了很好保留，層界更加清晰．對(duì)預(yù)處理后的圖像開(kāi)展層界粗提取．為了凸現(xiàn)層界，對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行灰度拉伸處理．分別取2，5，10，20，50Ping平均，得到虛擬Ping灰度變化曲線如圖8所示．從圖8可以看出，隨著參與平均的Ping數(shù)增加，高頻噪聲得到了很好壓制，曲線變得光滑，但同時(shí)曲線反映的小峰位置被作為噪聲平滑掉．為了得到真實(shí)層界以及參與平均的合適Ping數(shù)，以鉆孔層界分布為參考，當(dāng)參與平均的Ping數(shù)為10時(shí)，可以很好地反映層界．根據(jù)上述原理即可得到虛擬Ping層界的分布，如圖9所示．每10Ping構(gòu)建虛擬Ping序列曲線，基于以上5個(gè)原則開(kāi)展虛擬Ping內(nèi)層界的劃分；采用相同方法，沿航線構(gòu)建虛擬Ping，劃分層界．圖9給出了所有虛擬Ping繪制的層界．與圖7比較，可以看出，粗提取方法基本正確地反映了層界的分布變化，表明了算法的有效性．將提取出來(lái)的所有虛擬Ping中的層界繪制在圖10a中，發(fā)現(xiàn)層界分布離散且存在偽層界．

因此，采用層界精提取方法，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、合理層界的獲取，采用4像素×60像素模板進(jìn)行層界的連通，得到的淺地層層界如圖10b所示，可以看出層界曲線已基本形成，但存在小跳變現(xiàn)象．采用2像素×7像素模板進(jìn)行層界濾波并加粗，得到的層界如圖10c所示，可以看出得到的層界曲線清晰地描繪了淺地層的層界分布．通過(guò)對(duì)基于圖像處理技術(shù)得到的層界劃分效果分析，結(jié)合測(cè)區(qū)的7個(gè)鉆孔ZK1，ZK2，…，ZK7（圖6）提供的層及對(duì)應(yīng)深度DC信息（表1），分析以上層界劃分的準(zhǔn)確性．首先根據(jù)鉆孔位置和圖像坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，并將ZK1，ZK2，…，ZK7表示在圖像中（圖11）．從圖11可以看出，基于本文方法劃分的層界與鉆孔提供的層界具有很好的一致性．比較二者層界深度DCi（i＝1，2，3）及層間厚度ΔDi＋1，i（i＝1，2），可得層深度偏差dDi（i＝1，2，3）、層厚度差ΔΔi＋1，i（i＝1，2）及其相對(duì)誤差見(jiàn)表1.從表1可以看出，提取的層界深度與鉆孔數(shù)據(jù)提供的深度最大偏差為0．15m，最大標(biāo)準(zhǔn)差為±0．11m，二者的層厚度差最大為0．20m，最大標(biāo)準(zhǔn)差為±0．12m，比例誤差最大為6．90％．鉆孔數(shù)據(jù)提供的層界深度和層厚度為分米級(jí)，本文給出的層界提取方法也實(shí)現(xiàn)了分米級(jí)精度，與鉆孔取芯精度一致．

5結(jié)論

1）相比簡(jiǎn)單的線性內(nèi)插法，多項(xiàng)式模型法顧及了淺表層底質(zhì)變化的漸進(jìn)性，因此可準(zhǔn)確地獲得不同深度層的灰度值，是一種較好的丟失Ping插補(bǔ)方法．該方法對(duì)于異常Ping的修復(fù)同樣適用．2）層界粗提取和精提取中的閾值法和拓?fù)浞ǎ紤]了回波的形成機(jī)制和層界的連續(xù)變化，二者結(jié)合，不但解決了單Ping層界的確定問(wèn)題，而且實(shí)現(xiàn)了單Ping離散層界的濾除以及連續(xù)層界的提取．3）給出的基于圖像處理技術(shù)的淺剖層界劃分流程，實(shí)現(xiàn)了層界的自動(dòng)劃分；以鉆孔取芯數(shù)據(jù)為參考，實(shí)現(xiàn)了最大絕對(duì)偏差0．15m、最大標(biāo)準(zhǔn)差±0．11m的層界劃分精度．

作者：趙建虎 馮杰 施鳳 張紅梅 何林幫 單位：武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院 武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院