1. 引言
在新时代我国海洋经济快速发展过程中，海上经济活动越来越频繁，海洋测绘勘查产业带来了较多机遇。侧扫声呐系统能够迅速快捷地执行各种海洋调查任务，已成为海洋测量调查研究的重要技术手段[1]。侧扫声呐系统技术通常由发射器、接收器和信号处理器组成，利用声波在水中传播的特性，通过发射声波并接收其回波来确定目标的位置，是开展水下地形地貌探测工作的重要方法。在海洋测绘过程中，很多自动化与智能化设备能够应对不同测绘任务与场景，侧扫声呐系统在海岸带测量中的应用主要体现在其能够高效、准确地探测海底地形、地貌特征及其分布变化规律，以及各种地形地貌形态、结构、深部结构成因类型等方面。这些应用对于海洋经济的迅速发展、海域使用开发活动的日益频繁具有重要意义[2]。
海岸带作为一个地球上独特且重要的生态系统，扮演着至关重要的角色。它连接着陆地和海洋，为许多生物提供了栖息地和食物来源[3]。刘永虎在大连市蚂蚁岛附近海域采用侧扫声纳技术进行了人工鱼礁区石料进行调查评估，表明了该技术在海洋牧场建设中具有良好的应用效果[4]。蔺岩在马迹山港扫海测量中进行了侧扫声呐系统与多波束测深系统两种测量方法的相互比较和验证，提出综合运用两种方法可以提高地物、地貌的图像特性判断的准确率，为港口航道扫海测量提供了宝贵的经验[5]。卢胜周在琼州海峡跨海通道工程物探中运用了侧扫声呐技术，为跨海通道建设论证和历史破坏性地震分析提供了海底基础数据[6]。张兴强通过融合GNSS和水声定位学原理的侧扫声纳技术全覆盖地扫测施工区海域，准确探明水下冲刷坑的大小、形状、位置等，为海上风电场施工提供了准确的海底信息[7]。
侧扫声呐技术应用领域广阔，然而该技术在城市地质调查项目中的应用鲜有介绍，陆海统筹综合地质调查是一项非常重要的工作，它涉及到国家资源的合理利用和环境保护。在陆海统筹综合地质调查中存在一个重要的问题，那就是缺乏对海底地貌的全面调查[8]。本文通过在海口市海岸带综合地质调查中进行侧扫声呐技术探测，通过清晰的典型图像特征分析了海底地形地貌特征，查明了海口市近岸海域海底状况和水下障碍物情况。从而证明侧扫声呐技术方法在城市地质调查项目中开展的必要性，使地形地貌海陆统筹得以实现。
2. 研究区概况
海口江东新区位于海南省海口市东北部，东起东寨港(海口行政边界)，西至南渡江入海口，北临琼州海峡，南至绕城高速二期和212省道，总面积约298 km，地貌以滨海平原、河流冲洪积平原为主，局部为火山地貌[9]。
3. 数据采集
侧扫声呐设备又称海底地貌仪，主要由数据显示与记录单元、数据传输单元、水下声波发射器、拖拽电缆和接收换能器等模块组成，通过回声测深原理对海底地貌和水下物体进行探测，工作频率基本上都在几十千赫到几百千赫之间，有效作用范围则在300~600 m之间。换能器主要位于拖拽体和船壳当中，在海面航行过程中朝着两侧下方发出声脉冲，总体呈现为扇形波束的状态。在这个过程中，使用声波对海面、海底和水体的介质属性进行判定，并探测了区域的声学结构，完成了相关数据的记录与处理(图1)。
本次侧扫声呐扫海采用EdgeTech4200-FS型侧扫声呐系统，该系统采用先进的数字信号处理技术，能够快速准确地获取水下地形数据，并生成清晰的地形图像。其高频率的声波信号能够穿透水下介质，实现对海底地形和目标的高分辨率成像，EdgeTech4200-FS型侧扫声呐系统还具有自动化控制功能，能够实现对声呐系统的远程控制和监测，提高了操作的便捷性和效率。搭载方式为后托式，导航定位采用美国Trimble公司生产的SPS 356型DGPS系统，入水深度不小于2 m (不受船体遮挡)，单面扫测宽带为150 m，增益设置为自动增益，并进行了滤波和GPS位置校准，最大限度地发挥系统的性能优势，获得高质量的成像结果。坐标系统采用CGCS2000坐标系统，高斯投影三度带，中央子午线111˚，高程采用1985国家高程基准。
Figure1.Schematic diagram of side-scan sonar operation
图1.侧扫声纳工作示意图
4. 数据处理及分析
4.1. 数据处理
本次侧扫声呐数据处理采用美国Chesapeake公司的SonarWiz6软件，该软件拥有可靠的数据编辑、强大的后处理功能及灵活的输出选项，通过导航数据编辑、海底追踪、增益设置和目标圈定和判读，得到了海口市东北部海域的海底地形地貌信息。
4.2. 图像分析
侧扫声呐图像数据可以获得海底地物的性质、大小、范围。海底侧扫声图像可分类为目标图像、地貌图像和水体图像等。目标图像包括沉船、礁石、电缆、水下障碍物及水下建筑物等图像。地貌图像包括沙带、沙川、断岩、沟槽及各种混合形成的地貌图像。水体图像包括水中散体条纹、温度跃层、尾流块状、水中气泡等图像。当各种因素提供充分时，判读目标的成功率就会越高。对于本文扫测而言以目标图像的判读为主，共判读出锚痕、砂波、冲沟、槽沟、海底养殖区、浮球锚地、桥墩、沙丘和礁石地貌地物。该区域为典型的潮流沙脊沉积体系。
锚迹是在人为作用改变海底的原始自然地貌。声呐图像特征为海底锚痕不规则、线状杂乱，锚痕厚度多变。拖曳痕迹的早期形成受人工作用的影响很大，但当人工作用的影响暂时消失时，潮汐、水流等自然因素再次沉积和演变。受自然因素影响，部分拖曳痕迹会在海底软化区域填平消失。与此同时，一些小型拖曳痕迹较深较宽，与周围地形差异较大，会慢慢形成冲刷槽(图2)。
Figure 2.Investigation of anchor scar features shown in side-scan sonar images of the survey area
图2.调查区侧扫声呐图像显示的锚痕特征
砂波微地貌广泛分布在海滩、海滩等地表，主要是在细粒砂沉积物的搬运过程中形成的强水动力扰动或波浪。由于沉积物颗粒较细，水流强度较大，较细颗粒在流水、波浪等作用下沿地表移动。声纳图像呈现出一系列规则的明暗反射，在海底呈垂直于水流的带状分布(图3)。沙波的发展非常普遍，包括河口、陆架、陆坡，甚至海盆区。
Figure3.Investigation of sand wave features in the side-scan sonar images of the survey area
图3.调查区侧扫声呐图像显示的砂波特征
槽沟地貌主要分布在陆岛和岛屿之间的趋势通道冲刷作用形成。该区域的槽沟地貌为负地形，槽沟内海底发育了明显的冲刷痕迹。槽沟海底反射波的波形明显扭曲，反射界面突然断裂或下沉，与周围地形有明显差异(图4)。
Figure4.Investigation of slot features in the side-scan sonar images of the survey area
图4.调查区侧扫声呐图像显示的槽沟特征
礁石是海洋中一种常见的地质形态，主要分布于冲刷槽底部、基岩质海岸附近以及部分近岸海域。靠近岸边部分的水下礁石多为陆地岩石向海域的自然延伸，大多分布于基岩质海岸以及岛礁近岸区，且水下礁石的伸展趋势基本和陆上岩体保持一致。在侧扫声呐图像上，礁石表现为不规则堆积的高亮强反射、斑状起伏，与底质均一的平坦海底地形形成鲜明的对比；礁石在浅地层剖面上表现为凸起变化。由于浅剖面发射声波，根据海底的底质分类进行穿透和回波反射，底质越松软，穿透越强(图5)。
Figure5.Survey area side-scan sonar images displaying reef features
图5.调查区侧扫声呐图像显示的礁石特征
从海底地貌图(图6)不难发现，江东新区附近海域为典型的潮流沙脊沉积体系。工作区内沙波、沙脊及沙丘较为发育，其中沙脊分布较为集中，主要分布于测区西侧和东北侧，东南大部分平坦区域不存在沙脊，故推断西侧和北侧海水冲刷强度明显强于东南侧。沙波(明暗相间的细条纹)分布不连续，从海底影像判读的礁石(3处)分布较为集中，主要分布于东北侧沿岸区域。
Figure6.Seabed geomorphological distribution map of Jiangdong New Area
图6.江东新区海域海底地貌分布图
5. 结论
通过本次侧扫声呐技术，对海口市北侧近岸海域海底地形地貌进行了探测，高效、准确地探测和分析海底地形、地貌特征及其分布变化规律，以及海底障碍物的定位和识别。对海域海底开展空间、资源、环境、灾害等开展了多要素评价，为海口综合地质调查及构建多要素三维地质结构模型提供海域基础资料，为海口市海域工程建设提供科学支撑。从而证明侧扫声呐技术方法在城市地质调查项目中开展的必要性，进而实现地形地貌海陆统筹。
目前侧扫声呐图像圈定和解译主要依靠人工解译，图像增强和预处理效果直接决定着解译的准确性和精度，可以通过开展几何变换、自适应双边滤波去噪技术及自动增益控制法等技术进而提高侧扫声呐图像的质量和检测精度。其次通过基于深度学习技术理论有效提升目标的检测有效性，进而提高可以海底微地貌解译的精度和效率，从而为海洋资源的开发和海洋环境保护提供了重要的技术支持。
基金项目
天津市地质研究和海洋地质中心“珠江口地层特征指示的沉积环境研究(编号：ZX2023-C2)”项目资助。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。