声呐探测技术在人工鱼礁建设中的应用

人工鱼礁作为海洋牧场的重要组成部分,在增殖和优化渔业资源、改善海洋生态环境、调整海洋渔业产业结构方面发挥着重要作用。人工鱼礁的规划设计、施工验收和后续的监测是建设海洋牧场技术方面的关键。为了充分发挥人工鱼礁的功能,需要对人工鱼礁开展精细及大规模的调查研究。传统的水下调查方式受限程度高,作业效率低下,而侧扫声呐可获取高分辨率的海底目标物图像,多波束测深系统可获取高精度的海底地形数据,两者结合可以给人工鱼礁的建设提供精确的海底地形地貌信息及人工鱼礁的空间信息,为人工鱼礁的设计、投放以及监测提供有效的技术支持。本文以目前国内外有关人工鱼礁建设的研究技术文献为基础,从人工鱼礁的前期选址、施工投放、空方量估算和后期监测等方面,归纳总结了水声技术及对应声学设备（侧扫声呐及多波束测深系统）在人工鱼礁建设中的应用,并对该技术应用前景做了展望。     

基于多波束声呐的人工鱼礁区地形特征分析

建设人工鱼礁(Artificial Reef,AR)是恢复和养护近海渔业资源的重要措施。尽管中国沿海各地人工鱼礁规模宏大,但对于鱼礁投放后的监测明显不足。传统调查方法存在效率低、成本高等缺点,多波束测深系统(Multibeam Echo Sounder,MBES)为探测鱼礁区地形地貌提供了一种有效的技术手段。本文利用高分辨率的多波束测深系统,获取礁区详细的测深数据,快速确定鱼礁位置、形态等信息;应用地形分析工具提取地形变量(坡度、曲率、粗糙度、地形耐用指数及地形起伏度),分析投石后海底地形特征。研究表明,礁石投放后海底地形发生显著变化(水深5~10 m),礁石发生沉降现象(下沉深度约0.45 m),礁石周围出现冲淤地形(礁石堆高1.65 m,影响范围5 m左右)。分析人工鱼礁引起的微地形地貌的变化,可以为鱼礁的监测与效果评估工作提供一种新的技术方法,具有较强的现实意义。     

高精度和高分辨率水下地形地貌探测技术综述

为提高我国水下地形地貌探测技术水平,促进对海洋的科学认知和高效开发利用,文章综述高精度和高分辨率水下地形地貌探测技术研发进展,并分析关键技术发展方向。研究结果表明:采用机载激光、多波束、侧扫声呐、浅地层剖面、双频识别声呐、合成孔径声呐和水下三维扫描声呐等探测技术以及无人船、水下机器人和海底观测网等探测平台,可获取高精度和高分辨率水下地形地貌信息;应在提高设备性能、减小探测误差和完善数据算法等方面加大研究力度,重点发展综合探测技术,从而全面和清晰地反映水下地形地貌。     

利用侧扫声呐和单道地震提取海底微地貌的方法

文章简要介绍侧扫声呐和单道地震系统的工作原理,并以海南岛南部近海海域为例,分析通过侧扫声呐图像和单道地震剖面提取沙波、沙脊、海底礁石和陡坎等海底微地貌的可行性及其过程。研究表明:沙波和海底礁石可通过对侧扫声呐图像的判读和识别,对比单道地震剖面图,直接在侧扫声呐图像上圈定;陡坎和沙脊可通过对单道地震剖面图的判读和识别,提取海底水深剖面数据制作平面剖面图,并结合潮流动力方向圈定;综合利用侧扫声呐和单道地震数据,可有效提高海底微地貌的解译精度。     

基于侧扫声纳的人工鱼礁自动识别方法研究

人工鱼礁的投放是海洋牧场建设的重要措施,为实现大范围人工鱼礁信息的自动识别提取,提出了一套基于侧扫声纳影像的人工鱼礁自动识别方法。首先使用侧扫声纳后处理软件对采集的数据进行预处理,再对预处理后的图像进行均值平滑滤波整体去噪、自适应平滑滤波局部去噪、极差滤波锐化图像、提取目标边缘判定目标、二值化,最后进行矩阵运算提取礁体及其声影区,最终获得鱼礁的位置信息。实验结果表明,本方法应用于两种侧扫声纳图像人工鱼礁识别,正确度达94%以上,完整度达85%以上,且具有良好的通用性,能够为海洋牧场建设中人工鱼礁投放质量评估提供科学的数据支撑。     

基于双频识别声呐的东港大鹿岛人工鱼礁调查研究

2016年6月,使用双频识别声呐Aris-1800对东港大鹿岛海域内的人工鱼礁进行调查研究,分别采用走航式和定点式观测方法对M型人工鱼礁进行多角度连续观测,对其水下形态特征,鱼类和浮游动物的数量分布的动态变化规律进行了分析,结果表明,使用双频识别声呐对人工鱼礁的水下整体状态进行观测是可行的。声学方法和钓具采样方法相结合,较为客观、全面的反映了礁区水域内生物资源的数量、空间分布和生态行为变动情况,为今后声学方法在人工鱼礁海洋牧场规划建设和效果评估等方面的研究提供了理论基础和科学依据。     

起伏地形条件下侧扫声呐探测存在的问题及改进方法——以海底管道检测为例

基于海底管道的检测数据,讨论了起伏地形对传统侧扫声呐探测结果的影响,为起伏地形条件下应用侧扫声呐探测海底管道的调查方案设计、探测精度优化提供参考。研究表明:海底管道周边存在的冲刷槽以及堆积体等复杂地形对侧扫声呐探测有遮挡效应,测量过程中需控制拖体与目标物的相对位置,保证有效覆盖,避免漏测;根据区域地形分布特征,海底跟踪时通过手动设置符合整体地形走势的水深值,忽略小规模起伏地形对拖体高度取值的影响,可有效降低斜距改正后平面位置偏离及目标物的形态畸变;分析了地形起伏的影响因素(k)对海底管道出露及悬空高度计算结果的影响,通过几何近似和简化,提出了海底管道出露及悬空高度计算结果改进方法,并应用该方法对已知管径的海底管道进行了验证,修正后管径反演值的绝均差和均方差都减小为原来的10%左右,可供侧扫声呐数据解释借鉴。     

多波束在秦皇岛燕塞湖库区水下三维地形测量中的应用

介绍利用多波束对秦皇岛燕塞湖库区水下地形探测的方法,采用OMINISTAR星站差分GPS定位,库区设立多个水文站实时人工验潮、测深精度严格控制等方法,使多波束对测区进行全覆盖、无遗漏、高精度和高效率的扫测。扫测结果让我们对测区内的水深状况有了一个比较全面的了解,确定了库区水域内的最浅水深,保证了旅游船航线水域水下地形资料的完整,为秦皇岛燕塞湖库区提供了真实可靠的水深数据,完善了救援预案,为旅游船舶航行安全提供了详实的基础数据。     

长江口北支河口地貌特征及演变趋势分析

根据近年来侧扫声纳、单波束等野外调查资料,对长江口北支河口地形地貌特征进行了分析。分析结果表明,研究区内水深变化从0~20m,海底地形总体上由西向东倾斜;区内地貌特征主要由两个拦门沙、两个深槽以及一个沙脊组成。同时,利用历史海图与实测水深数据进行了对比分析,分析了研究区内地形地貌的演变趋势。     

侧扫声呐原始数据解析与可视化显示

XTF文件格式是侧扫声呐图像数据的主要存储格式之一,具有可伸缩性、可扩展性等特点;声波散射强度瀑布图是侧扫声呐回波数据直观的显示形式。准确高效解析XTF格式的侧扫声呐数据和正确生成瀑布图显示回波数据对后续数据图像处理过程中的目标变形改正、图像分割及镶嵌等具有重要意义。通过分析侧扫声呐工作原理及声波回波强度瀑布图的结构与特点,对XTF格式的侧扫声呐原始文件结构及十六进制编码原理进行深入研究,以渤海沉船搜寻实测数据为例,使用Matlab编程实现原始数据读取及解码,提取每Ping数据中各要素,比较分析2种灰度转换模型的特点,生成侧扫声呐瀑布图,实现XTF格式侧扫声呐数据的图像可视化。     

珊瑚环礁区侧扫声呐图像中的目标物识别方法

为研究西沙宣德环礁海底地貌特征及珊瑚分布情况,采用舷挂侧扫拖鱼的方式对环礁区域海底进行地貌扫测,从采集的侧扫声呐图像上可以识别出环礁区域珊瑚分布情况及珊瑚礁区地貌特征,利用侧扫声呐图像识别方法结合实物样品比对可以圈定出珊瑚分布范围、暗礁区域及环礁区域底质类型分布,采用基本的数学处理方法定量分析了水下珊瑚礁体的海底高度及疑似沉船的大小,分析了侧扫声呐图像显示的调查船转向效应。     

Fault scarp identification in side-scan sonar and bathymetry images from the Mid-Atlantic Ridge using wavelet-based digital filters

Digital filters designed using wavelet theory are applied to high resolution deep-towed side-scan sonar data from the median valley walls, crestal mountains, and flanks of the Mid-Atlantic Ridge at 29°10 N. With proper tuning, the digital filters are able to identify the location, orientation, length, and width of highly reflective linear features in sonar images. These features are presumed to represent the acoustic backscatter from axis-facing normal faults. The fault locations obtained from the digital filters are well correlated with visual geologic interpretation of the images. The side-scan sonar images are also compared with swath bathymetry from the same area. The digitally filtered bathymetry images contain nine of the eleven faults identified by eye in the detailed geologic interpretation of the side-scan data. Faults with widths (measured perpendicular to their strike) of less than about 150 m are missed in the bathymetry analysis due to the coarser resolution of these data. This digital image processing technique demonstrates the potential of wavelet-based analysis to reduce subjectivity and labor involved in mapping and analyzing topographic features in side-scan sonar and bathymetric image data.     

海上退役平台改作鱼礁体的稳定性及流场效应研究

海洋油气平台在达到作业寿命后必须进行废弃处置,将海上退役平台改作人工鱼礁投放,对优化渔业资源、促进海洋经济持续发展具有重要意义。基于平台拆卸结构,共制作了箱状、管状、柱状、网状4种典型鱼礁实物模型,通过室内模拟试验和数值模拟研究,分析了不同鱼礁类型单体的稳定性和流场效应。结果表明：开口率0.1至0.8的箱状礁的稳定性均能满足要求,但开口率高于0.6的箱状礁难以形成连续的背涡流区域,设计时应使开口率低于0.6;管状礁应选择堆叠放置方式投放,且堆叠层数与稳定性和流场造成能力均呈正相关,在设计时尽量提高管状礁的堆叠层数;柱状礁设计时应尽量降低其重心,并减小迎流投影面的中空面积投放;基于平台的钻井架、火炬臂、栈桥设计的3种网状礁,均满足礁体稳定条件,且均能形成大范围的背涡流区域,可作为人工鱼礁投放。研究成果为平台造礁礁体结构设计提供了理论依据与实践基础,对海上退役平台的废弃处置具有一定的参考价值。     

基于DIDSON的未知海域覆盖规划算法

针对自主水下机器人的路径规划问题,提出一种基于双频识别侧扫声呐(DIDSON)的全局路径规划算法。根据双频识别侧扫声呐的物理特性对AUV进行数学建模,根据声呐的工作频率不同,将AUV分为高频、低频两种工作模式。高频模式下成像精度高,低频模式下成像范围大。文中提出了一种D2-CPP算法,根据声呐返回的识别结果,算法会自主切换AUV的工作模式,并动态规划出对应的路径点,直到覆盖所有区域。通过与割草机算法的仿真对比,证明了算法的有效性,近海实验证明了算法的可靠性。     

Giant iceberg plow marks at more than 1 km water depth offshore West Greenland

During a recent (2006) cruise of RV ‘Dana’ high resolution side-scan sonar and sub-bottom profiling was carried out on selected shelf and slope transects offshore Disko Bugt, central West Greenland. Available commercial seismic data from the margin indicate here irregular seabed morphology with erosional features locally extending down to c. 1100 m water depth. The newly acquired side-scan sonar data reveal the presence of giant iceberg plow marks extending (sub)parallel to the slope between about 800 and 1085 m water depth. The height difference between bottom of the scours and rim crest is up to 40 m. The largest plow marks are about 750 m wide. To date no observed modern icebergs including those from Antarctica have drafts in excess of c. 500 m. Taking into account maximum glacial sea level lowering of c. 120 m, the paleo-iceberg keel depth was at least 950 m. Due to the presence of the relatively shallow (< 700 m) sill of Davis Strait to the south, calving of these paleo-icebergs is thought to have occurred from an ice margin in the Baffin Bay region (Jakobshavn Isbræ paleo-ice stream?). The depth of occurrence (> 1000 m) and dimensions of the plow marks are concluded to be exceptional, and comparable to glacial scouring features reported from the Arctic Ocean.     

联合小波和NLM滤波的侧扫声纳回波信号降噪

为进一步降低侧扫声纳回波信号中非高斯分布的乘性噪声,获取更佳效果的侧扫声纳图像,提出了一种利用小波和NLM(nonlocal means)滤波的组合降噪方法。首先采用同态变换将侧扫声纳回波ping信号中的乘性噪声转换为加性噪声,然后利用小波阈值和NLM滤波对侧扫声纳每ping回波数据实施降噪处理,最后经过小波反变换和指数变换获取降噪后信号和图像。仿真实验和实测数据验证结果表明,该方法适用于侧扫声纳回波信号处理,可以获取较好的图像降噪效果。     

Analysis on coral reefs mapping using SPOT5 data at the Dongsha Atoll

Coral reefs are an sensitive-to-environment complex marine ecosystem. The ecosystem of corals is rich in biodiversity. Remote sensing offers a powerful tool for categorizing coral reefs and is the most cost-effective approach for the large-scale reef survey. The Dongsha Atoll, more than 300 km2 with an average depth of 10 m, is located at the northern continental margin of the South China Sea. It has been abused by destructive fishing during recent decades. Three satellite imageries (Quickbird2, ETM and SPOT5) are used to evaluate the capabilities of SPOT5 imagery to provide data that are useful for categorizing the current distribution of coral reefs therein. During the data processing, unsupervised classification functions are adopted for ETM and SPOT5 data, while the supervised classification method is used for Quickbird2. The classes are (or not) merged into coral reef, and then will be operated by vectorization, simplification, and topological analysis. There are 1 331 coral reefs larger than 100 m2 with a detection limit of 3×3 pixels at the multi-band data of Quickbird2, which is taken as the comparison baseline. The results extracted from SPOT5 and ETM images are less in number and area than those from the Quickbird2 image, whereas the results from SPOT5 data are better than those of ETM data at the silty lagoon due to its higher resolution. SPOT5 XS band 2 fails to distinguish the deep substrate inside the atoll compared with ETM data because of its poor penetration capability. Only SPOT XS band 1 cannot be used to differentiate coral reef from sand bottom. Merging the SPOT5 multi-bands data with the spatial resolution of SPOT5 pan-data and referring to ETM imagery are expected to provide an optimal satellite-based approach for mapping of coral reefs.     

天津大神堂海洋牧场影响新生牡蛎因素初探

海洋牧场是维持海洋生态平衡、促进海洋可持续发展,以及满足人类对海洋资源需求的一种新兴技术和产业,海域中投放的人工鱼礁可以为牡蛎生物提供理想的繁殖和栖息生境。天津大神堂海洋牧场中已发现大量新生的牡蛎生物体,然而牡蛎的空间分布并不均衡,存在异质性,其影响因素尚未明确,需进一步探索和研究。本文立足于天津大神堂海域国家级海洋牧场示范区,基于线性相关和逐步多元回归分析,量化了礁体与牡蛎分布之间的相关性,明确了牡蛎分布的影响因素并识别了主次关系。结果表明：区域水深、坐底时长、礁体密度、牡蛎礁距离均对牡蛎生物量有重要影响,其中,坐底时长、礁体密度与牡蛎生物量为正相关,区域水深、牡蛎礁距离与牡蛎生物量为负相关,坐底时长、礁体密度及牡蛎礁距离等3 个环境变量对牡蛎生物量影响更为显著。本文研究成果可以为海洋牧场的建设和牡蛎礁的修复提供重要的技术支持。     

[已撤稿] 三亚珊瑚礁珊瑚藻种类及其空间特征与环境因子的关系

珊瑚藻是珊瑚礁生态系统中重要的功能性群体。2010年通过水肺潜水分析了三亚珊瑚礁区的珊瑚藻种类组成和丰度, 以及群落空间特征与环境因子的关系。共鉴定出3科10属25种珊瑚藻, 其中珊瑚藻科占优势地位。三亚珊瑚礁区的珊瑚藻优势种分别为叉节藻Amphiroa ephedraea、拟中叶藻Mesophyllum simulans、串胞新角石藻Neogoniolithon fosliei、中叶藻M. mesomorphum、圆锥呼叶藻Pneophyllum conicum、孔石藻Porolithon onkodes和布氏水石藻Hydrolithon boergesenii。基于多元统计的分析结果, 将调查采样站位分为近岸型和离岸型2个主要集群, 其中近岸型的珊瑚藻种类以浊度、沉积速率(0~63μm)和悬浮物耐受种类为主, 离岸型则以光依赖-沉积物敏感种类为主。以珊瑚藻种类组成和丰度为基础的群落相似性分析结果表明, 其空间变异处于显著性水平。生物与非生物变量的相关分析结果表明, 最佳两变量组合(浊度和盐度)显著影响三亚珊瑚礁区2种类型调查站位中的珊瑚藻集合。在同一个研究站位, 因受干扰程度不同, 深水处的珊瑚藻的覆盖率比浅水处高。分析结果表明, 在三亚独特的珊瑚礁区中, 自然或人为的物理干扰因素都对调节珊瑚藻群落结构非常重要。