海底的声学底质分类

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　　海底声学分类正迅速成为世界海洋界一种有用的工具，商业分类产品可以测量表层海底区域的声学多样性并生成声学分类底质的专题图。世界各地的海道测量工作通常采用单波束和多波束测深仪进行水深测量，这些工作是“机会调查”中用于获取声学分类信息的理想候选者。海道测量局制图的目的是为了获取更好的海底信息，额外的好处是海洋学以外的海洋社区获得了更有效管理精细底层环境的新能力。当然，一套新的基于数据分类的产品和以前一些未知的海底信息应用都源于这项工作。然而，海道测量局也必须非常谨慎地将这项新技术纳入其计划中。

　　一、灰度调谐
　　多年来，水手和渔夫一直花费数小时和数天通过纸卷上记录的灰度图，来观察水深数据。这些海员知道在纸上所呈现的是对海底的测量，而不仅仅是简单的深度。这些早期的研究人员将在拖网渔船上附带的海底物质与他们在回声图上观察到的独特样式相关联，从而首次利用声音进行海底分析作为一种工具。同时，细微的回声模式还能够确定最好的海底捕鱼区。

　　二、完美契合
　　如今，这种海床信息在任何船舶上都能够系统、客观和可重复的实现。用于海底分类的全球海洋所需的总投资是令人望而却步的，因此，最好该技术是可以与其他与分类调查需求相兼容的操作，否则这种工作就不可行，大多数海道测深测量完全符合这一要求。随着技术上的发展，海道测量办公室现在有机会获得这种新的数据类型，但在几年前是无法达到的。利用声学进行远距离海底海床分类是一个有用的和划算的方法，这种用来测绘海床类型的方法是每个海道测量办公室必须解决的问题。为了实现这个功能，必须平衡调查能力、对海底连续测绘所需的时间和物理资源的实际成本。

　　三、调查设计
　　在当线间距较大，而沉积物变化不大的条件下，也就是在通常单波束测深的测量尺度上，声学底质分类就已经能够有效地展现其多样性。与单波束相比，多波束技术需要动态勘测设计，为了测深范围能够达到100%覆盖，线间距就要根据水深进行动态设置。在浅水中，声纳几何要求多波束航迹线相对近一些。因为海底地形在浅层地区往往更复杂，在这种地方作业既适用于单波束，也适用于多波束进行海底声学分类。它们需要在更密的线密度下采样，以避免地质多样性的空间混淆(即欠采样)。这样，底部类型可以基本的且更精确的划定，同样重要的是，类型之间的边界可以精确定位。这里的改进类似于海道测量办公室从引线测深到连续电子声探测的重大进步。

　　四、海底真实数据
　　来源于声学海底分类调查的结果，是由海底离散类型表示的声学多样性测量成果组成。通常，这种聚类测量直接对应于明确的地质。为了验证这种相关性，需要对海底进行物理和(或者)图像样本分析，然后与该采样海底类型的结果对应(海底真实类型)进行声学分类。土工方法包括传统的引线(用牛脂获取小的沉积物样品)、抓取、取样器、照片和例如视频这种较少的传统方法。然而，这些采样方法的尺度是非常不同的。这里，展示了海底最大深度与声学系统的面积覆盖率和土工方法采样或成像的频率是成反比的。还要考虑到，当声学多样性实际上不反映当地地层地质时，所产生的地图将是不正确的，因此必须注意使用物理样品来校准分类。即使如此，在进行分类调查之后，仍然需要海底真实数据。自从利用声学分类面积分布的先进知识指导，进行视觉采样的位置和采样点密度后，采样工作的效率就提高了。

　　经验表明，通过使用声学分类作为指导，在每一类底质进行2-4个采样点，就可以得到改进的结果，而且工作了只有大约20%的常规取样。

　　五、操作限制
　　相对于水深测量，海底分类对测深仪或声纳换能器安装提出了更严格的工程要求。由于声学海底回波的精细结构分析是分类处理的基础，因此必须在源头上保持该信号的质量：换能器安装。虽然螺旋桨空泡会给测深仪增加低频噪声信息，但是沿船底气泡的破裂会对所有频率的信号质量有更加的显著影响。为了保证船只行驶速度并且降低噪声，换能器需要齐平船底安装。因此，为了提高回声的声学信号质量，换能器应该安装在整流罩中，这将有助于转移气泡并将传感器置于气泡层之下，从而工作在更优化的声学环境中。在极端情况下，可以安装气泡导流栅，这样做的话，分类和测深结果都会得到改善。

　　六、性价比
　　除了设备购买和维护的消耗，还要考虑时间和数据管理成本与分类方案集成到调查测量作业中。用于分类的数据收集所需的附加时间，约为常规水深测量所需的10%。数据管理的需要也会相应增加，因为单波束双频和多波束反向散射数据每周都会相应的增加1～4GB的存档数据。然而，最大的实际成本来自于对数据的后处理，其中需要20%~30%的测量现场时间用于生成清后的数字分类文件、元数据和可视化输出。从积极的一面看，随着计算机技术和软件自动化的发展，正在迅速降低加工成本。虽然这些估计是粗糙的，但是它们是主要因素，在进行分类工作之前，这是海道测量办公室必须要考虑的问题。

　　尽管资源和时间这些都是实际成本，但是将声学海底分类技术融入到海道测量工作中，有一个具体好处。那就是，由于地质区域的底部材料和边界清楚地勾画出来，测量图作业质量得到明显提高。这种新的综合海底信息可以很好地引起导航图未来格式的修改。

　　七、总结
　　通过应用声学分类技术映射海底声学多样性，以改善海底的信息。虽然这些信息可以用来提高导航海图的质量，海底分类的真正内在价值是为无数的应用提供落脚点和环境健康信息。航道测量船是进行声学分类操作的理想平台，为了分类目的而获得的声学信号，必须注意确保高质量。海道测量办公室将声学海底分类成功地纳入其水文程序所需的时间和资源的投资是值得的，现在技术已经赶上了老水手的经验技能，所以任何一个海道测量办公室现在都能客观地解读海底，至少和那些花了数年来观察回声的人一样准确。

　　来源：溪流之海洋人生微信公众号(ID：xiliu92899)，作者：James Galloway。