[发明专利]多波束水柱数据中海底气体羽状流处理方法、系统及应用

说明书

本发明属于海洋测绘、海洋探测技术领域，公开了一种多波束水柱数据中海底气体羽状流提取方法、系统及应用，气体或气‑液混合的水体会比正常的水体环境产生更大的声阻抗，为利用水体的散射信息来识别气体羽状流提供了可能性。针对多波束原始数据进行解析提取，使用提取到的船位坐标及艏向、测量船姿态信息等信息计算获取各类多波束WCI并依据其空间参考进行三维重建，构建基于水体声学散射信息的三维点云模型。利用图像学方法实现WCI降噪、滤波、二值化以从整体水体点云中初步分离羽状流部分数据；将Kmeans、局部异常因子数据挖掘算法引入水体信息处理，在尽可能保证羽状流保留的基础上进一步去噪，提升羽状流的提取效果。

技术领域

本发明属于海洋测绘、海洋探测技术领域，尤其涉及一种多波束水柱(WaterColumn，WC)数据中海底气体羽状流处理方法、系统及应用。

背景技术

目前，海底气体渗漏是在全球海洋环境中广泛分布的一种自然现象，渗漏出的气体(如CH₄、CO₂等) 可能影响全球的气候变化。同时，海底气体渗漏也是天然气水合物成藏区识别的重要标志之一。海底气体的渗漏现象，在全球多个海域，尤其是在陆架边缘区普遍存在，往往伴随着一些特殊的地质活动现象，如热液、冷泉的分布、天然气水合物成藏、海底火山的发育等。海底气体渗漏区的圈定和海底气体羽状流的快速识别，有益于高效率的获取海底气体渗漏点分布，对气体渗漏区地形地貌和底质分布研究、渗漏气体通量估算、资源勘查以及气候环境变化研究具有重要意义；此外，基于多波束探测的水柱数据也可以用于海底输气管道的渗漏检测。多波束测深系统是在单波束回声测深仪的基础上发展起来的，与单波束测深仪相比，有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的特点。随着现代声呐技术的发展，多波束水体信息记录的巨大磁盘空间需求和数字化的水体信息记录问题得以解决，新一代的多波束测深系统除了可以通过声波确定水深外，也可以记录声波传播过程中途经的水体和海底的声散射信息。

对于海底气体渗漏区的探测可以采用多种调查技术手段实现，如卫星遥感等针对海面的探测，其探测效率高、范围大，对于浅水区或海水表层的渗漏表征现象探测具有优势，但由于电磁波穿透性弱，无法探测水深较大的海底渗漏现象；多道地震声反射数据成像可以结合地层分布信息进行海底渗漏的识别，但由于其为保证声波穿透性，发射声波波长大、分辨率低、覆盖面窄，无法完全反馈水体环境信息，难以探测气体渗漏点；CTD观测及水体取样、ROV探测及深海摄像、海底观测站原位监测等探测手段对工作量、观测成本高，事先需要了解测区内气体渗漏概况，在前期准备上都有较高的要求。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术对于浅水区或海水表层的渗漏表征现象探测具有优势，但无法探测水深较大的海底渗漏现象；

(2)现有技术多道地震声反射数据成像可以结合地层分布信息进行海底渗漏的识别，但难以准确探测气体渗漏点位置；

(3)现有技术CTD观测及水体取样、ROV探测及深海摄像、海底观测站原位监测等探测手段对工作量、观测成本高，事先需要了解测区内气体渗漏概况，在前期准备上有较高的要求且探测成功率低。

解决以上问题及缺陷的难度为：

(1)多波束具有探测效率高、分辨率高、覆盖宽的优点，且可有效记录水体中羽状流目标，但从多波束原始数据中解析、计算获取测区完整水体点云信息、多波束WCI波束阵列图、扇面图(相对坐标和投影坐标)、航向剖面图为难点之一。

(2)多波束WC数据记录了异常目标，但其中存在成因广、范围大的噪声给提取气体羽状流带来极大阻碍。如何在尽可能高的自动化程度基础上同时将不同来源、分布的噪声去除，将羽状流剥离出来为难点之一。

(3)在去噪提取羽状流的过程中，选用何种方法以保证羽状流提取完整性，并良好去除噪声为难点之一。

解决以上问题及缺陷的意义为：