海洋技术▏海底底质测量数据处理技术体系研究
一、引言
海底底质是海底基岩和沉积物的总称，“底”是指海洋底部，包括海岸带、大陆架、大陆坡和大洋盆地等；“质”是指海底的性质，包括岩层构造、区域分布等空间性质和物理性质、声学性质和化学性质等。底质按照物质形态划分，底质通常分为“软底”和“硬底”两种。“软底”是指海底被稳定的、具有一定厚度的松散沉积物所覆盖；“硬底”是指海底由裸露基岩为主，其上部不存在稳定的沉积物或被少量不稳定的沉积物覆盖。
海底底质测量数据包括:针对“软底”的二维空间分布、物理力学、声学特性和化学属性等方面数据；针对“硬底”的岩层构造、二三维空间分布等方面数据。使用者关注的是通过对测量数据的处理，能够获取底质类型、特点和分布等方面信息，然而任何一种测量手段采集的底质数据都无法独立满足这些需求。如何有效利用这些多源异构的测量数据，实现数据的优势互补，最终得到满足用户需求的相关底质信息。首要的任务就是需要整合现有底质测量数据，构建一种多源异构底质测量数据处理的技术体系。在大洋深处，所谓“硬底”也可以是由沉积物在水压的作用下，具有了与基岩固结程度相当的属性，而我们通常所研究的底质性质是以实际应用为牵引，因此我们研究关注于对“软底”的数据获取、处理和应用。针对底质的研究区域主要集中在海岸带、近岸海域和其他重要区域。
二、常用海底底质测量数据获取方式
底质数据主要有定量数据和定性数据组成，定量数据包括外业和内业采集的底质测量成果数据(现场测量数据、声学原位测量数据和测量反演数据等)；定性数据包括经过实验测定或计算得到的底质分类数据(地质学基础分类数据、专题应用分类数据)。目前，为了获得测量数据，我国主要采用测量船携带相关仪器进行接触型和非接触型的探测方式进行，包括接触型的现场样品采集作业和原位测量方式和基于声学特性的非接触型的多波束、浅地层剖面测量等。
⒈现场样品采集
现场样品采集是接触型采样的最常用方式，根据底质的性质采用的形式和方法众多，主要有重力法、活塞法、振动法、钻探法、液压法和拖网法，对应的采样器也不相同，具体总结见表1。
表1 接触型采样的常用方式
现场样品采集，经过现场数据采集和实验室测定，对测量成果数据进行处理，从而得到基于粒度的地学基础分类。上述方式可以直观、准确的得到粒度数据，并进行基础分类，由于样品脱离海底至舰船甲板和室内实验室的过程中，所处的环境发生了改变，而恢复和模拟水下环境非常困难，导致获取的声学、含水量、承载力和粘着力等数据与实际值存在偏差较大。现场样品采集其优点为可以直观、准确的获取底质分类数据，测定项目完整、内容详细；缺点为声学特性数据误差较大，测量效率低，成本高，不适用于大面积底质探测。综上所述，急需可以大幅提高声学数据精度测量手段来弥补，即声学原位测量。
⒉声学原位测量
现场样品采集的各种方式采集的样品出水后，所处环境(水文环境、沉积环境等)都发生改变，从而造成声学参数的测量值和真实值差别较大。声学原位测量技术是将声学测量换能器插入海底沉积物中，直接测量声波在沉积物中的传播特性，从而可以获取精确的声学参数。这种方法避免了对沉积物的扰动，较好地保持了海底沉积物的原位状态，因此测量结果相比于实验室样品测量更加准确、可靠。
声学原位测量设备主要是使用探针透射法和折射法，透射法测量是声波通过插入沉积物的发射、接收换能器进行传播，传播介质是介于换能器之间的沉积物。折射法测量是声波经发射换能器发射后，在海水与沉积物界面发生折射，被插入沉积物中的接收换能器接收。目前属于透射方式的测量技术包括ISSAMS SAPPA、ISSAP、SPADE、基于液压的海底沉积物声学原位测量系统、海底底质声学性质原位测量技术等，属于折射方式的测量技术主要有Acoustic Lance、SAMS、多频海底声学原位探测系统等。
底质沉积物原始状态受到沉积环境、水下环境和海底地形类型等因素的影响，因此沉积物的结构和空间分布具有非均匀性和各项异性等特点，样品出水后环境发生变化，一些动态因素的影响难以复原，造成测定准确度较差，因此原位测量可以最大程度的保持好样品水下状态和环境，其测定数据更加接近真实值，原位测量的尺度相对较小，不适合大范围面状测量。因此，国内外现有的原位测量系统均采用站点式测量，在目标海域选定多个典型站位后，以典型站位的数据代表整个测量区域的声学参数。其优点为避免了对沉积物的扰动，较好地保持了海底沉积物的原位状态，因此测量结果相比于采样测量更加准确、可靠；其缺点为效率低，成本高(尤其是深海区域)，测定难度大，不适用于大面积底质探测。
⒊多波束声学反演
多波束声学测量是通过对非接触的方式对海洋沉积物来进行测量，我们利用声学对海洋沉积物进行探测，一般是采用传统的单波束测量方式，这种方法效率低下，而且在面对海洋底质情况复杂的区域时采样的精度不能满足对海洋底质的探测要求，可靠性不高。与之相比，多波束声学测量是具有高效率和高精度的，能够满足探测海底复杂沉积物的需求，为现今的海洋探索以及海洋底质的研究提供了技术支持。其优点为效率高，适用于大面积底质表层探测；缺点为只能表层类型划分，无法确定底质类型。
⒋浅地层剖面声学测量反演
浅地层剖面声学测量这一项技术是测量船在走航测量时采用的一种基于声学原理的方法，来测量海底浅层的底质分布构造。通过底质对声波的反射衰减强度实现底质类型反演，从而得到底质纵向层化分类的基础数据。它的优点在于高效率、成本低廉，并且在测量时所获得的声学分辨率很高，其剖面与地质剖面的形态相似。其优点为效率高，适用于大面积底质纵向分类构造数据的获取；其缺点为只能纵向结构类型划分，无法确定底质类型。
三、二维底质数据处理方法研究
二维底质分类界线数据有两种，一是多波束反演得到的底质类型分布区域界线数据，即分类数据，二是以表层采样站点形式存在离散数据经过计算得到的底质类型分布区域界线数据，即定性数据。两种数据在反映底质分布规律时各具优势，多波束反演可以得到高精度的分布区域界线数据，但无法对某一区域内的底质类型进行判定，而且数据量大，处理过程相对复杂；表层采样数据是可以得到准确的定性数据，数据量小、处理方法和过程相对简单，但由于站点密度不足，通过数据处理得到的分布区域界线数据的准确性相对较差。
为了解决上述问题，采取多波束反演＋采样表层数据相结合的方式(见图1)，利用多波束反演数据进行分布区域界线数据处理，获得基于声学反射强度的定量化底质分类数据；利用采样表层数据进行底质类型判定处理，获得基于粒度的定量化、定性化底质分类数据。具体处理方法如下。
图1 二维底质数据处理方式示意图
针对上述处理方式，以表层采样数据(图2(a))和多波束反演数据(图2(b))为基础，采用数据融合处理方法，具体步骤如下。
⒈定量处理
对多波束反演数据进行处理，采用声学强度反演得到若干底质类型的不同分布区域，提取底质分布边界线。结果见图2(b)。
⒉定性处理
通过采样表层数据的实验室测定，对不同站点样品的粒度进行量化分析，采用“福克”分类法对样品的底质类型进行确定，结果见图2(c)。
⒊融合处理
将定性和定量结果进行数据融合，以多波束反演的定量处理结果与采样表层数据定性处理结果进行综合判定，即确定某一区域内底质类型，结果见图2(d)。
⒋特殊情况处理
当一个区域内出现多个表层数据类型不一致的情况(见图2(e))，首先确定区域主类；然后，对其他站点分类界线的处理，即利用三角网、构建站点泰森多边形(影响域)；采用数据合并、分割等空间分析方法对此区域进行二次划分，结果见图2(f)。
图2 二维底质数据融合处理示意图
四、三维底质数据处理方法研究
浅地层剖面确定不同底质类型的三维分布区域界线，采样柱状数据以站点的形式提供离散数据，通过构建曲面拟合得到三维分布区域界线。两种方法各有优势，浅地层剖面可以得到更加详细的分布区域界线数据，但无法对某一层面内的底质类型进行定性，而且数据量大，处理过程相对复杂；采样柱状数据是可以得到准确的定性数据，并可以得到基于某一特定点的高精度底质分类数据，但基于线和面的三维分布区域界线数据准确性不高。
为了解决上述问题，采用浅地层剖面＋采样柱状数据相结合的方式，见图3，利用采样柱状数据获取基于特定点的准确分层数据，以其作为三维底质数据处理的控制点实现数据修正(“扩硬缩软”和“连续化”原则)，并进行基于粒度定量化的底质类型划分；利用浅地层剖面数据作为体模型构建过程中面状分层的辅助数据，得到若干(除站点外)剖面的三维分层准确界线。
图3 三维底质数据处理示意图
针对上述处理方式，以柱状采样数据和浅剖反演数据为基础，采用数据融合处理方法，具体步骤如下。
⒈定性、定量处理
通过采样柱状数据的实验室测定，对柱状样品的不同层面进行垂直方向的定性，对样品不同深度的粒度进行量化分析，采用“福克”分类法对样品的底质类型进行确定。对浅剖数据进行处理，获得基于剖面的垂直方向的不同底质类型的分布结构，确定垂直方向的底质分布结构的界线。处理结果见图4(a)。
⒉融合处理
首先，利用剖面线上的柱状样品数据对剖面数据进行修正，尤其是对分层结构的修正，由于接触型数据优先级大于非接触型数据，采用“扩硬缩软”和“连续化”的原则，对剖面数据进行修正；然后，利用剖面垂直方向的底质分布结构的界线替代基于站点插值获得的分层界线；最后，利用柱状数据的定性和剖面数据的定量分层，确定底质垂直方向的底质分布结构和类型，结果见图4(b)。
图4 三维底质数据融合处理示意图
五、底质测量数据处理体系构建
底质测量数据处理体系构建是发展海底底质测量和测绘保障工程的基础性工作，也是首要任务。体系建设(见图5)涵盖从数据采集端到成果应用端，包括数据获取、数据处理方法、模型构建、专题应用和综合应用等5个部分。
图5 测量数据处理体系总体方案设计示意图
⒈数据获取
现场采样是定点式接触型样品采集方式获取数据；多波束和浅剖数据是利用声学仪器，采用走航式非接触型方式的获取数据。
⒉数据处理方法
现场采样数据形式为近似格网的离散点数据，其中包括几何数据和属性数据；多波束数据形式为高密度的面状数据和经过预处理的抽稀线状数据，主要包括声学反射强度数据；浅剖数据形式为航线数据和高密度的剖面数据，主要包括基于剖面的结构数据。
⒊模型构建
现场采样数据经过实验室测定后，采用定量分析进行底质类型定性，为二三维底质类型的确定提供基础性和控制性的数据；多波束声学反演数据经过定量处理后，与采样表层数据进行综合分析判定，得到二维底质类型数据；浅剖测量数据经过定量处理后，与采样柱状数据进行综合分析判定，得到三维底质类型数据。
⒋专题应用
经过数据处理，为底质专题图生产、底质专题数据库和底质分析系统等专题应用所需的基础性数据；并且可以为底质测量的测区规划和任务制定提供辅助数据支持。
⒌综合应用
专题应用的子系统和子库为集成于海洋环境地理信息系统和海洋环境专题数据库提供可能，海洋环境建设的基础性研究提供了系统的、标准化的数据源。
六、结束语
海底底质测量数据处理技术体系是指导和规范底质测量实际应用的基础，针对当前国内海底底质测量技术现状和发展趋势，设计了一套涵盖测量技术、处理方法和流程的初步解决方案，研究结论可总结如下。
⑴分析海底底质测量常用的数据获取方式，梳理总结各测量方式的特点，以及在适用性方面的优缺点；
⑵针对二三维底质数据的处理和应用方法进行了研究和总结，提出了基于多源异构底质测量数据处理体系的初步框架设计方案，进一步梳理了从获取端到处理端的应用融合技术处理底质测量数据的流程和方法，为底质测量数据处理体系的进一步完善提供基本框架。
目前，我国海底底质测量技术和方法的研究处于不断深入的阶段，数据量不断增加，随之而来的规范化、科学化、系统化的体系建设是当务之急，从海底底质数据采集端到成果应用端的全流程设计，可以更好地指导未来的工作，在实际应用中有一定的借鉴价值。
1
END
1
【作者简介】文/王沫 金绍华 王美娜 温凤丹，均来自海军大连舰艇学院军事海洋与测绘系。第一作者王沫，男，1980年出生，吉林长春人，讲师，博士，主要从事空间数据处理与地理信息系统开发研究。文章来自《海洋测绘》（2021年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，本文编发取得了授权。
相关阅读推荐
海洋论坛▏基于多波束背向散射数据的海底底质分类海洋论坛▏基于浅地层回波信号的底质分类技术研究
海洋技术▏海底底质对声纳探测性能的影响分析
科技前沿▏一种顾及辐射畸变的多波束与侧扫声呐通用海底底质分类方法
海洋技术▏海底沉积环境对海底表层沉积物声学参数测量影响研究
海洋技术▏海底的声学底质分类
公众号
溪流之海洋人生
微信号▏xiliu92899
用专业精神创造价值
用人文关怀引发共鸣
您的关注就是我们前行的动力
投稿邮箱▏12163440@qq.com