一种侧扫声纳图像的无缝拼接方法论文_胡鑫玉,程彬彬,徐从营

中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所 湖北宜昌 443003

摘要：本文以某湖泊实测的侧扫声纳数据为例，研究侧扫声纳图像的无缝拼接方法，对其中的关键步骤进行详细的阐述。本文先对图像进行校正，通过研究地理编码的拼接方法，提出基于共视地形的图像拼接处理，生成了大区域、无缝拼接的侧扫声纳图像。实验验证了该方法的有效性和可行性，实验结果较理想。

关键词：侧扫声纳系统；无缝拼接；图像校正；地理编码；共视地形

1 引言

高分辨率声纳图像对水底地形构建、水下小目标探测及底质判别都有着重要作用，受尺寸影响，多波束图像分辨率有限，而侧扫声纳就以其高精度、高效率、高分辨率的特点成为获取水下图像的主要设备。为获得水下大范围地形地貌，需要对侧扫声纳图像进行拼接和镶嵌。

原始侧扫声纳瀑布图按时间序列堆叠，没有结合地理信息；由于航行器姿态、风浪、海流等因素影响，侧扫声纳记录位置信息时存在一定误差；声波强度随距离加大产生的扩展损失和吸收损失使图像存在灰度畸变；而受航速和航向变化的影响，图像也存在几何畸变，给图像的无缝拼接带来困难。

2 声纳图像拼接流程

侧扫声纳图像的无缝拼接主要分为以下步骤：①原始数据的读取：提取出原始数据和辅助信息；②斜距改正：利用高度信息消除由于声波波束倾斜造成的数据横移，削弱图像横向畸变；③图像增强：调整机器自动增益后的灰度不均衡；④航速校正：消除由于航行体速度变化引起的图像纵向畸变；⑤地理编码与重采样：将瀑布图映射到具有地理信息的图像中；⑥图像拼接：将多条侧扫条带图像拼接成大比例高精度的图像。

3 研究方法

3.1 侧扫声纳数据读取

本文利用Edgetech公司的侧扫声纳扫测某湖泊，对原始数据进行处理。通过检测文本文件头，得到数据类型和有效数据长度，对文件头后的数据及侧扫声纳回波强度信息进行提取，得到原始数据和辅助信息（包含航行体的位置、姿态、速度和时间等）。

3.2 斜距改正

其中，代表采样点到声呐的平面距离，为可调参数。

图6 速度校正前 图7 速度校正后

3.5 地理编码与重采样

侧扫声纳瀑布图是以潜航体航迹为纵轴，扫描线为横轴的时间序列图像，没有结合采样点的地理坐标，我们通过像素地理编码将侧扫图像映射到具有地理信息的图像中，便于后续拼接。

3.5.1航迹处理

经过读取JSF文件发现，扫描线的采样频率比GPS位置信息记录的频率大，此时会出现多个航迹点经纬度相同的情况。为了提高位置信息的精度，我们要对航迹进行内插。由于Gavia自动记录直航段数据，潜航体相对速度稳定，本文采用线性内插的方法，得出每ping真实的航迹点位置信息。

3.5.2坐标计算

图8 声纳扫描模式

如图9，形成经纬度范围可知的图像。

4 拼接结果及分析

读取JSF文件可以得到原始声强信息和辅助记录信息，利用回波三角关系进行精确的斜距改正，使水柱区变窄，有效抑制图像的横向几何畸变；计算采样点与潜航体的距离，从而进行图像增强，改善图像灰度的不均衡；利用潜航体速度信息进行速度校正，削弱图像的纵向几何畸变；研究地理编码模型，将原始数据映射到具有地理信息的图像中；再利用湖底地形进行共视图像配准，通过比较三种融合方法，得到最优的拼接方案。由图15可看出，条带图像重叠带的融合效果较好，在扫测覆盖范围完整的情况下，基本能够做到无缝拼接，分辨率较高，各种地形地貌清晰可辨。

图9 地理编码图像

5 总结

本文提出一种侧扫声图的拼接方法，并对关键步骤进行详细的阐述。分析了利用地理编码技术进行图像拼接的优缺点，在其基础上提出利用共视地形进行图像配准的拼接方法，再对图像重叠带的融合方法进行比较，将侧扫声纳扫测的数据输出为大区域高分辨率的图像。通过实验验证，该方法效果较为理想。生成的图像可为湖底、海底地形地貌的研究提供数据基础，也可为后续目标的探测识别做铺垫，对于水下小目标、沉船等探测具有重要的军事意义。

参考文献：

[1] 王爱学．基于侧扫声纳图像的三维海底地形恢复[D]．武汉：武汉大学，2014．

[2] 许剑，王胜平．侧扫声纳图像精细化生成技术研究[J]．中国水运，2016，16(9)：283-286．

[3] 郭军，马金凤，王爱学．一种针对侧扫声纳图像的数字镶嵌技术方法[J]．测绘工程，2017，26(6)：34-39．

论文作者:胡鑫玉,程彬彬,徐从营

论文发表刊物:《防护工程》2019年8期

论文发表时间:2019/7/30

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