本發(fā)明屬于海洋環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于聲納技術(shù)的含油沉積物自動(dòng)識(shí)別方法。

背景技術(shù)：

隨著海洋油氣資源勘探和開(kāi)發(fā)程度的不斷發(fā)展，作為海上石油“運(yùn)輸生命線(xiàn)”的輸油管道在海底的鋪設(shè)范圍不斷增大，在石油管道使用的過(guò)程中，由于設(shè)備老化、海水腐蝕、波浪及潮汐等水動(dòng)力作用的影響，管道滲漏、穿孔和破裂導(dǎo)致的原油泄漏，給海洋環(huán)境的安全問(wèn)題帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。含油沉積物具有“聲阻抗特征弱、且無(wú)明顯陰影區(qū)”的特點(diǎn)，海底輸油管線(xiàn)的鋪設(shè)需要一定的埋藏深度，檢查和維修存在困難，從輸油管道泄漏出的原油產(chǎn)生點(diǎn)源連續(xù)擴(kuò)散，在泄漏初期與海底泥、砂等沉積物混合，后期逐漸擴(kuò)散到海面，現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)對(duì)含油沉積物的自動(dòng)快速準(zhǔn)確識(shí)別和檢測(cè)，因此，使用上極不方便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種基于聲納技術(shù)的含油沉積物自動(dòng)識(shí)別方法，其識(shí)別迅速，使用方便，能夠準(zhǔn)確識(shí)別含油沉積物。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于聲納技術(shù)的含油沉積物自動(dòng)識(shí)別方法，其特征在于，包括：建立含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)，所述樣本庫(kù)包括含油沉積物的不同模擬結(jié)果，不同類(lèi)型特征以及典型圖像特征；對(duì)含油沉積物進(jìn)行探測(cè)，并提取相關(guān)聲學(xué)數(shù)據(jù)，以獲取聲納數(shù)據(jù)和顯示聲納圖像；根據(jù)所述聲納圖像的顯示結(jié)果，對(duì)聲納圖像進(jìn)行處理，以得出含油沉積物的聲納圖像特征；根據(jù)含油沉積物的聲納圖像特征，結(jié)合海底沉積環(huán)境、含油沉積物目標(biāo)的存在環(huán)境，進(jìn)行判斷，對(duì)典型含油沉積物聲納圖像進(jìn)行人工拾?。挥?jì)算所述典型含油沉積物聲納圖像與含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)中樣本圖像的匹配程度；根據(jù)所述匹配程度結(jié)果，識(shí)別含油沉積物的分布位置、形態(tài)和范圍，以得到第一識(shí)別結(jié)果。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于聲納技術(shù)的含油沉積物自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，包括：建立單元，用于建立含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)，所述樣本庫(kù)包括含油沉積物的不同模擬結(jié)果，不同類(lèi)型特征以及典型圖像特征；探測(cè)單元，用于對(duì)含油沉積物進(jìn)行探測(cè)，并提取相關(guān)聲學(xué)數(shù)據(jù)，以獲取聲納數(shù)據(jù)和顯示聲納圖像；處理單元，用于根據(jù)所述聲納圖像的顯示結(jié)果，對(duì)聲納圖像進(jìn)行處理，以得出含油沉積物的聲納圖像特征；判斷單元，用于根據(jù)含油沉積物的聲納圖像特征，結(jié)合海底沉積環(huán)境、含油沉積物目標(biāo)的存在環(huán)境，進(jìn)行判斷，對(duì)典型含油沉積物聲納圖像進(jìn)行人工拾??；計(jì)算單元，用于計(jì)算所述典型含油沉積物聲納圖像與含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)中樣本圖像的匹配程度；輸出單元，用于根據(jù)所述匹配程度結(jié)果，識(shí)別含油沉積物的分布位置、形態(tài)和范圍，以得到第一識(shí)別結(jié)果。。

本發(fā)明的有益效果為：

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，包括含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)建立、聲納數(shù)據(jù)獲取、聲納圖像處理、聲納圖像人工識(shí)別、聲納圖像自動(dòng)識(shí)別、聲納圖像交互識(shí)別、含油沉積物聲納圖像解釋步驟?；诤统练e物具有“聲阻抗特征弱、且無(wú)明顯陰影區(qū)”的特點(diǎn)，采用自動(dòng)識(shí)別與人工識(shí)別交互進(jìn)行的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)含油沉積物的準(zhǔn)確識(shí)別和預(yù)測(cè)，并能追蹤溯源，快速確定泄漏點(diǎn)的位置，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道漏油點(diǎn)的準(zhǔn)確檢測(cè)，在石油開(kāi)發(fā)后期因管線(xiàn)老化等導(dǎo)致的拋錨滴漏事故、海底管道出現(xiàn)裂紋和腐蝕形成小孔出現(xiàn)溢油現(xiàn)象、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏過(guò)程中導(dǎo)致的小規(guī)模原油泄漏等溢油應(yīng)急事件處理中發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)，隨著海洋石油事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，也具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明的基于聲納技術(shù)的含油沉積物自動(dòng)識(shí)別方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明的識(shí)別方法的實(shí)施例示意圖；

圖3是本發(fā)明的基于聲納技術(shù)的含油沉積物自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如在說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來(lái)指稱(chēng)特定組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解，硬件制造商可能會(huì)用不同名詞來(lái)稱(chēng)呼同一個(gè)組件。本說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求并不以名稱(chēng)的差異來(lái)作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來(lái)作為區(qū)分的準(zhǔn)則。如在通篇說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的“包含”為一開(kāi)放式用語(yǔ)，故應(yīng)解釋成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的誤差范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所述技術(shù)問(wèn)題，基本達(dá)到所述技術(shù)效果。說(shuō)明書(shū)后續(xù)描述為實(shí)施本申請(qǐng)的較佳實(shí)施方式，然所述描述乃以說(shuō)明本申請(qǐng)的一般原則為目的，并非用以限定本申請(qǐng)的范圍。本申請(qǐng)的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。

請(qǐng)參照?qǐng)D1，本發(fā)明的基于聲納技術(shù)的含油沉積物自動(dòng)識(shí)別方法，包括：步驟S101，建立含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)，所述樣本庫(kù)包括含油沉積物的不同模擬結(jié)果，不同類(lèi)型特征以及典型圖像特征；步驟S102，對(duì)含油沉積物進(jìn)行探測(cè)，并提取相關(guān)聲學(xué)數(shù)據(jù)，以獲取聲納數(shù)據(jù)和顯示聲納圖像；步驟S103，根據(jù)所述聲納圖像的顯示結(jié)果，對(duì)聲納圖像進(jìn)行處理，以得出含油沉積物的聲納圖像特征；步驟S104，根據(jù)含油沉積物的聲納圖像特征，結(jié)合海底沉積環(huán)境、含油沉積物目標(biāo)的存在環(huán)境，進(jìn)行判斷，對(duì)典型含油沉積物聲納圖像進(jìn)行人工拾?。徊襟ES105，計(jì)算所述典型含油沉積物聲納圖像與含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)中樣本圖像的匹配程度；步驟S106，根據(jù)所述匹配程度結(jié)果，識(shí)別含油沉積物的分布位置、形態(tài)和范圍，以得到第一識(shí)別結(jié)果。

請(qǐng)參照?qǐng)D2，所述建立含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)包括：根據(jù)不同的海洋環(huán)境和沉積物的不同物理參數(shù)，設(shè)計(jì)不同模型進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果加入聲納圖像樣本庫(kù)；根據(jù)不同的海洋地質(zhì)環(huán)境和含油沉積物的不同類(lèi)型，進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)，將含油沉積物的不同特征添加進(jìn)聲納圖像樣本庫(kù)；將實(shí)際資料中典型含油沉積物的聲納圖像特征進(jìn)行總結(jié)，添加進(jìn)聲納圖像樣本庫(kù)。

優(yōu)選地，所述對(duì)含油沉積物進(jìn)行探測(cè)包括根據(jù)含油沉積物分布范圍的大小和識(shí)別精度的要求,選擇采用側(cè)掃聲納設(shè)備和/或多波束聲納設(shè)備,及適應(yīng)的采樣頻率范圍對(duì)聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

優(yōu)選地，所述對(duì)聲納圖像進(jìn)行處理包括針對(duì)噪音和干擾信號(hào)的圖像平滑之后，再進(jìn)行圖像分割，之后,針對(duì)目標(biāo)圖像信號(hào)的圖像增強(qiáng)和圖像邊緣銳化，在此基礎(chǔ)之上再進(jìn)行圖像分割。

優(yōu)選地，所述計(jì)算包括根據(jù)含油沉積物聲納圖像的邊界灰度特征、紋理特征，結(jié)合幾何特征，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計(jì)算典型含油沉積物聲納圖像與含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)中樣本圖像的匹配程度。

優(yōu)選地，還包括采用人工識(shí)別進(jìn)一步進(jìn)行判別，二者相互驗(yàn)證，以得到第二識(shí)別結(jié)果。

優(yōu)選地，還包括將所述第二識(shí)別結(jié)果加入所述含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)。

請(qǐng)參照?qǐng)D3，本發(fā)明提供一種基于聲納技術(shù)的含油沉積物自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，包括：建立單元101，用于建立含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)，所述樣本庫(kù)包括含油沉積物的不同模擬結(jié)果，不同類(lèi)型特征以及典型圖像特征；探測(cè)單元102，用于對(duì)含油沉積物進(jìn)行探測(cè)，并提取相關(guān)聲學(xué)數(shù)據(jù)，以獲取聲納數(shù)據(jù)和顯示聲納圖像；處理單元103，用于根據(jù)所述聲納圖像的顯示結(jié)果，對(duì)聲納圖像進(jìn)行處理，以得出含油沉積物的聲納圖像特征；判斷單元104，用于根據(jù)含油沉積物的聲納圖像特征，結(jié)合海底沉積環(huán)境、含油沉積物目標(biāo)的存在環(huán)境，進(jìn)行判斷，對(duì)典型含油沉積物聲納圖像進(jìn)行人工拾取；計(jì)算單元105，用于計(jì)算所述典型含油沉積物聲納圖像與含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)中樣本圖像的匹配程度；輸出單元106，用于根據(jù)所述匹配程度結(jié)果，識(shí)別含油沉積物的分布位置、形態(tài)和范圍，以得到第一識(shí)別結(jié)果。

優(yōu)選地，所述探測(cè)單元包括多波束聲納設(shè)備，用于采用低頻進(jìn)行大范圍含油沉積物的測(cè)量。

優(yōu)選地，所述探測(cè)單元包括側(cè)掃聲納設(shè)備，用于采用高頻進(jìn)行小范圍含油沉積物的測(cè)量。

優(yōu)選地，在聲納數(shù)據(jù)有效采集的前提下，首先對(duì)聲納設(shè)備的原理及特性進(jìn)行分析。其中，所述聲納設(shè)備采用高頻側(cè)掃聲納設(shè)備(>350kHz)，其具有快速覆蓋探測(cè)面積、提供良好的沉底油探測(cè)結(jié)果和實(shí)現(xiàn)小面積沉底油探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)選地，所述聲納設(shè)備采用高頻多波束聲納設(shè)備(>350kHz)，具有可提供海底地形的偽色彩圖像、可提供測(cè)深圖用于沉底油檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)選地，所述采集頻率的選擇高低與沉底油的分布范圍面積大小成反比。

優(yōu)選地，采樣頻率為低頻率<350kHz，其優(yōu)點(diǎn)是聲納圖像波束角寬，實(shí)現(xiàn)大面積的沉底油聲納探測(cè)。

優(yōu)選地，采樣頻率為高頻率>350kHz，其優(yōu)點(diǎn)是聲納圖像質(zhì)量較好，實(shí)現(xiàn)小面積沉底油的精確測(cè)量。

如圖2所示，本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程為：研究區(qū)輸油管道埋藏在以砂巖、砂泥巖和泥巖為主的沉積地層中，輸油管道發(fā)生拋錨滴漏，部分溢油隨時(shí)間逐漸擴(kuò)散到水體表面，其余與泥、砂及其砂泥巖沉積物混合，形成含油沉積物。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于水槽水底平坦，因此，在對(duì)其聲學(xué)圖像進(jìn)行研究的過(guò)程中，可近似忽略陰影區(qū)，重點(diǎn)主要區(qū)分聲影區(qū)和背景區(qū)；對(duì)實(shí)際資料而言，需要考慮聲影區(qū)、背景區(qū)和陰影區(qū)三個(gè)因素。

首先，建立含油沉積物聲納圖像樣本庫(kù)。根據(jù)含油沉積物速度、密度參數(shù)、聲波在海水中的速度等物理參數(shù)，聲波傳播遵循Snell定律，采用波動(dòng)方程理論進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果為，含油沉積物反射強(qiáng)度較大，模擬結(jié)果為深灰色反射特征，背景反射強(qiáng)度??；接著進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)，將原油與淤泥混合、原油與砂混合及泥砂巖三個(gè)含油沉積物樣本分別放入不同的托盤(pán)，然后沉入消聲水槽底部，水槽地步平直，利用側(cè)掃聲納設(shè)備采用拖曳的方式對(duì)含油沉積物樣本的聲納信號(hào)進(jìn)行采集，含油砂巖聲納圖像表現(xiàn)為“深灰色(偏重)、弱紋理變化，邊緣清晰”的特征，含油砂泥巖混合物聲納圖像表現(xiàn)為“深灰色(略輕)、弱紋理變化，邊緣清楚”的特征，含油泥巖聲納圖像表現(xiàn)為“中灰色、弱紋理變化、邊界明顯”的特征；根據(jù)某地區(qū)實(shí)際資料，分別采用不同頻率聲納圖像進(jìn)行分析，在高頻聲納圖像上，含油沉積物聲納圖像變?nèi)?、灰度變暗為特征，根?jù)低頻聲納圖像，含油沉積物聲納圖像變?nèi)?，邊界不清楚，人工識(shí)別結(jié)果通過(guò)機(jī)械手臂對(duì)沉積物的采樣進(jìn)行確認(rèn)。最終，將數(shù)值模擬、水槽實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中典型含油沉積物的聲納圖像特征進(jìn)行數(shù)字化，存儲(chǔ)加入聲納圖像樣本庫(kù)。

下一步，獲取聲納數(shù)據(jù)。在探測(cè)區(qū)域之內(nèi)，采用Klein公司的Klein3000型雙頻側(cè)掃聲納設(shè)備以50m測(cè)線(xiàn)間距對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行聲納信號(hào)采集，采集到的聲納數(shù)據(jù)導(dǎo)入SonarWizMAP軟件，進(jìn)行讀取、處理和顯示，為聲納圖像處理和目標(biāo)識(shí)別提供資料準(zhǔn)備。

下一步，聲納圖像處理。對(duì)對(duì)圖像中由于混響等原因形成的圖像“麻點(diǎn)狀”噪聲信號(hào)進(jìn)行平滑，濾除噪音信號(hào)；針對(duì)聲納圖像的人工識(shí)別結(jié)果進(jìn)行圖像分割；對(duì)聲納圖像進(jìn)行均衡化，增強(qiáng)圖像對(duì)比度，是聲影區(qū)和背景區(qū)對(duì)比清楚，利于含油沉積物聲納圖像識(shí)別；同時(shí)，對(duì)含油沉積物聲納圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)和圖像邊緣銳化。

下一步，聲納圖像人工識(shí)別。對(duì)含油沉積物聲納圖像進(jìn)行人工識(shí)別，根據(jù)含油沉積物聲納圖像特征，結(jié)合海底管道鋪設(shè)的聲納圖像信息和作業(yè)信息，對(duì)含油沉積物聲納圖像進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別出的含油沉積物聲納圖像幾何邊界不規(guī)則，具有明顯的灰度特征，紋理特征清楚。結(jié)合含油沉積物采樣結(jié)果，對(duì)典型聲納圖像進(jìn)行數(shù)字化，歸納加入聲納圖像樣本庫(kù)。

下一步，自動(dòng)識(shí)別聲納圖像。將聲納圖像顯示結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，以幾何灰度程度、紋理特征為主要參數(shù)，參照邊界特征，計(jì)算聲納圖像顯示結(jié)果與聲納圖像樣本庫(kù)之間的匹配程度，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和偏差進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，使輸出結(jié)果與期望向量盡可能接近，由此達(dá)到對(duì)含油沉積物聲納圖像自動(dòng)識(shí)別的目的。

下一步，交互識(shí)別聲納圖像。對(duì)聲納圖像自動(dòng)識(shí)別的結(jié)果，結(jié)合海底管道鋪設(shè)環(huán)境和作業(yè)信息，對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行判定。

下一步，解釋含油沉積物聲納圖像。根據(jù)含油沉積物聲納圖像的識(shí)別結(jié)果，在灰度圖像上，含油沉積物聲納圖像邊界幾何特征清楚，灰度偏暗，紋理清晰，背景圖像灰度偏亮，二者之間對(duì)比清楚。

最后，根據(jù)含油沉積物識(shí)別結(jié)果，結(jié)合聲納圖像樣本庫(kù)，通過(guò)人工識(shí)別、自動(dòng)識(shí)別和交互識(shí)別相結(jié)合的識(shí)別思路，達(dá)到對(duì)含油沉積物準(zhǔn)確識(shí)別的目的，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，本發(fā)明的識(shí)別準(zhǔn)確率。

本發(fā)明的有益效果為：

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，包括含油沉積物聲學(xué)圖像特征樣本庫(kù)建立、聲納數(shù)據(jù)獲取、聲納圖像處理、聲納圖像人工識(shí)別、聲納圖像自動(dòng)識(shí)別、聲納圖像交互識(shí)別、含油沉積物聲納圖像解釋步驟。基于含油沉積物具有“聲阻抗特征弱、且無(wú)明顯陰影區(qū)”的特點(diǎn)，采用自動(dòng)識(shí)別與人工識(shí)別交互進(jìn)行的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)含油沉積物的準(zhǔn)確識(shí)別和預(yù)測(cè)，并能追蹤溯源，快速確定泄漏點(diǎn)的位置，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)海底管道漏油點(diǎn)的準(zhǔn)確檢測(cè)，在石油開(kāi)發(fā)后期因管線(xiàn)老化等導(dǎo)致的拋錨滴漏事故、海底管道出現(xiàn)裂紋和腐蝕形成小孔出現(xiàn)溢油現(xiàn)象、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏過(guò)程中導(dǎo)致的小規(guī)模原油泄漏等溢油應(yīng)急事件處理中發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)，隨著海洋石油事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，也具有廣闊的應(yīng)用前景。

上述說(shuō)明示出并描述了本申請(qǐng)的若干優(yōu)選實(shí)施例，但如前所述，應(yīng)當(dāng)理解本申請(qǐng)并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述申請(qǐng)構(gòu)想范圍內(nèi)，通過(guò)上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本申請(qǐng)的精神和范圍，則都應(yīng)在本申請(qǐng)所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。