一种基于回声探测的人工鱼礁堆分布特征分析方法

1.本发明涉及海洋监测技术领域，特别涉及一种基于回声探测的人工鱼礁堆分布特征分析方法。


背景技术：

2.人工鱼礁是人为在海中设置的构造物，通过改善海洋生态环境和营造海洋生物栖息生境，以起到保护和恢复渔业资源的作用。根据不同海域特点和建礁目的，人工鱼礁的类型和布设方式不同，常用的材料包括天然石块、水泥预制件及废旧船只等。人工鱼礁区鱼类资源量的分布和礁体布局之间的关系，对人工鱼礁区建设和管理至关重要。
3.海底和鱼类的回声散射能力强于海水，表现出较高的背向散射强度，因此海底和鱼群可从回声信号中分离出来，这是海底生境和渔业回声探测的基本条件。采用多波束或侧扫声呐进行鱼礁探测，仪器成本高、数据处理算法更为复杂，需额外配置船只进行跑航；而采用渔探仪在进行礁区鱼类信号探测时，同步提取出测线所扫过的礁堆位置，则可减少额外的物力和时间成本。申请号为202110046963.5的中国发明专利公开了一种基于声学数据的海洋牧场海床遥测与识别方法，能够对海床情况进行识别，但是并不能够对人工鱼礁情况进行准确有效的识别和分析，造成后续数据处理复杂。
4.目前，虽然具有利用单波束或分裂波束回声探测进行海底底质分类的方法，但是现有方法主要是依靠海底回声信号波形特征的差异，其算法复杂度高、可直观解释性不强。
5.有鉴于此，实有必要提供一种新的技术方案以解决上述问题。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本技术提供一种基于回声探测的礁堆分布规律分析方法，能够以二维图像为视野进行人工鱼礁堆探测，使用简单，解释性极强且直观。
7.一种基于回声探测的人工鱼礁堆分布特征分析方法，包括：获取待测海域中包括背向散射强度、水深深度和经纬度坐标的人工鱼礁堆回声探测数据；将背向散射强度数据转换为二维矩阵形式，绘制回声图；滤除不属于待测海域水深范围内的噪声数据点；对滤除噪声数据点后二维矩阵形式的背向散射强度数据进行二值化，获得二值化矩阵；对背向散射强度数据的二值化矩阵进行连通域检测，剔除干扰信号，获得人工鱼礁堆的二值化矩阵；将人工鱼礁堆的二值化矩阵按列求和，得到每个脉冲声波中海底回声层的厚度，并进行中值滤波；设置海底回声层厚度阈值，并根据阈值提取出人工鱼礁堆出现的声波脉冲；利用经纬度坐标，绘制待测海域中的人工鱼礁堆分布图。
8.优选的，取待测海域中包括背向散射强度、水深深度和经纬度坐标的人工鱼礁堆回声探测数据中，具体包括：使用单波束或分裂波束回声探测仪在待测海域进行走航式垂直探测，获取人工鱼礁堆回声探测数据。
9.优选的，所述二维矩阵形式背向散射强度数据的列对应于每个脉冲声波的数据，所述二维矩阵形式背向散射强度数据的行对应于不同水深数据。
10.优选的，所述滤除不属于待测海域水深范围内的噪声数据点的具体包括：通过浏览回声图，获取待测海域的水深范围及海底回声强度阈值，将不属于待测海域水深范围内噪声数据点的数值修改为小于海底回声强度阈值。
11.优选的，所述对滤除噪声数据点后的背向散射强度数据进行二值化，获得二值化矩阵的具体包括：根据海底回声强度阈值，将二维矩阵形式背向散射强度数据中大于海底回声强度阈值的数据赋值为1，剩余背向散射强度数据赋值为0。
12.优选的，所述对背向散射强度数据的二值化矩阵进行连通域检测，剔除干扰信号，获得人工鱼礁堆的二值化矩阵具体包括：对背向散射强度数据的二值化矩阵进行连通域检测，获取各连通域的宽度尺寸数据；按照宽度尺寸数据对各连通域进行归类；根据归类结果设定阈值；滤除各连通域宽度尺寸小于阈值的连通域，获得人工鱼礁堆的二值化矩阵。
13.与现有技术相比，本技术至少具有以下有益效果：（1）本发明与常规的以海底回波信号波形特点为分类原理的方法相比，该方法以二维图像为视野进行人工鱼礁堆探测，原理明晰、解释性极强且直观。
14.（2）本发明中涉及的参数不需要复杂的统计学和机器学习的基础，即可以设置相应参数，使用简便。
附图说明
15.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1为本发明的总体流程图；图2为本发明实施例将采集的背向散射强度数据进行可视化得到的回声图；图3为本发明实施例中连通域宽度直方分布图；图4为本发明实施例中对冗余海底回波滤除后的海底回声图；图5为本发明实施例中海底回声层厚度图；图6为本发明实施例中误检出的人工鱼礁堆图；图7为本发明实施例中滤除误检数据后的人工鱼礁堆图。
具体实施方式
16.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及
相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
17.申请人在人工鱼礁区渔业声学调查时发现，泥沙底的海底地势平坦且底质均一，海底回声层厚度基本一致，人工鱼礁投放处的海底强回声层的厚度会出现明显增厚，利用该特点，人工查看回声图亦可快速辨别出采集到的回声探测数据中的人工鱼礁堆，但当渔业声学调查航线长、人工鱼礁堆数量多时，却亟需自动的数据分析方法。基于上述情况，本发明公开的一种基于回声探测的人工鱼礁堆分布特征分析方法，以整体回声图为视野，采用二维图像处理思路进行人工鱼礁堆的检测并以此进行人工鱼礁堆分布特征分析，该方法的建立对于充分挖掘回声探测数据，分析鱼类分布与人工鱼礁堆布局的关系具有较强的应用价值，同时应用单波束或分裂波束回声探测仪器也自动提取人工鱼礁堆的坐标，则避免了再引入多波束或侧扫声呐而带来的人力和时间消耗。
18.如图1-7所示，一种基于回声探测的人工鱼礁堆分布特征分析方法，包括以下步骤：s100、获取待测海域中包括背向散射强度、水深深度和经纬度坐标的人工鱼礁堆回声探测数据。
19.具体的，使用单波束或分裂波束回声探测仪在待测海域进行走航式垂直探测，将人工鱼礁堆回声探测数据中的背向散射强度数据与经纬度坐标同步保存，所记录回声数据的水深要超过调查海域海底深度，以保证能够采集到调查海域全部海底的数据。
20.优选的，使用simrad ey60分裂波束回声探测仪在待研究人工鱼礁堆海域进行走航式垂直探测，背向散射强度数据及对应的水深深度数据和经纬度坐标同步保存。通过查看海图可知该海域水深约在4-25米，投放的天然石块人工鱼礁堆最大高度不超过3米，因此数据保存设置水深为60米以确保能够完整记录到调查海域全部海底的第一次回声信号。
21.s200、将背向散射强度数据转换为二维矩阵形式，绘制回声图。所述二维矩阵背向散射强度数据的列对应于每个脉冲声波的数据，所述二维矩阵背向散射强度数据的行对应于各水深数据。将背向散射强度数据转为二维矩阵形式便可利用图像处理思路进行进一步分析。
22.优选的，利用现有常规回声探测数据后处理软件echoview或sonar5软件生成回声图。同时，使用现有常规回声探测数据后处理软件echoview或sonar5软件提取每个脉冲声波的背向散射强度数据及对应水深深度数据、经纬度坐标。将背向散射强度数据整理为二维矩阵形式，记作矩阵sv，其列和行分别为不同脉冲声波的数据和不同水深。共调查采集到82597个脉冲的有效回声数据。通过将矩阵sv标准化到（0,255）区间，进行可视化。
23.如图2所示，第一次海底回波要明显强于第二次和第三次，投放人工鱼礁堆的地方海底回声从厚度也明显高于泥沙底区。
24.s300、滤除不属于待测海域水深范围内的噪声数据点。
25.具体的，通过浏览回声图，获取待测海域的水深范围，将不属于待测海域水深范围内噪声数据点的数值修改为小于海底回声强度阈值，以去除第二海底回波及其他噪音。
26.优选的，通过浏览回声图，获取待测海域大致的水深分布范围，与海图对比后发现，基于声学探测的待测海域水深分布与海图基本一致，证明基于声学探测的数据准确可
用。以水深范围适度扩大至2-30米，作为海底回声层提取的范围，将矩阵sv中不在该水深范围内的数据点修改为-99db。
27.s400、对滤除噪声数据点后二维矩阵形式的背向散射强度数据进行二值化，获得二值化矩阵。
28.具体的，设置阈值，将二维矩阵形式中大于阈值的背向散射强度数据赋值为1，剩余背向散射强度数据赋值为0。
29.优选的，由于海底回声强度通常大于-35db，因此将阈值设置为-35db，以-35db为阈值对矩阵sv进行二值化，将大于-35db的背向散射强度数据赋值为1，其余则为0。将生成的二值化矩阵记作sv1，则sv1中海底回声层应为1。
30.如图4所示，对矩阵sv1的部分声波进行可视化，海底被完整检测出，同时少量噪音和二次海底回波也被检测出来。
31.s500、对背向散射强度数据的二值化矩阵进行连通域检测，剔除干扰信号，获得人工鱼礁堆的二值化矩阵。
32.具体的，包括以下具体步骤：s501、对背向散射强度数据的二值化矩阵进行连通域检测，获取各连通域的宽度尺寸数据；s502、按照宽度尺寸数据对各连通域进行归类；s503、根据归类结果设定阈值；s504、滤除各连通域宽度尺寸小于阈值的连通域，获得人工鱼礁堆的二值化矩阵。
33.优选的，对二值化矩阵sv1进行连通域检测，获取各连通域的外接矩形，以外接矩形的宽度来表示连通域的宽度。将连通域的宽度数据从小到来排序。具体的连通域的宽度数据由小到大依次为：鱼群和气泡、海底二次回波、真实海底。设定连通域的宽度阈值为w，删除宽度小于w的连通域，以剔除鱼群、气泡、海底二次或多次回波信号等干扰。连通域的宽度阈值w的设定需要人工设定和查看海底回声层检测图进行调整。
34.如图3所示并参考图4，将排序好的连通域的宽度数据进行归类统计，并以直方图分布的形式进行直观性展示。由于小于10000的连通域数量较多，经过回声图查看，因此将阈值w设定为10000。删除宽度小于w的连通域，以剔除鱼群、气泡、海底二次或多次回波信号等干扰，生成的人工鱼礁堆的二值化矩阵记作sv2。
35.s600、将人工鱼礁堆的二值化矩阵按列求和，得到每个脉冲声波中海底回声层的厚度，并进行中值滤波。
36.优选的，矩阵sv2按列求和，得到每个脉冲声波中海底回声层的厚度，并进行中值滤波，记作向量t。
37.s700、设置海底回声层厚度阈值，并根据阈值提取出人工鱼礁堆出现的声波脉冲。
38.如图5所示，绘制海底回声层厚度曲线，查看人工鱼礁堆投放点的海底回声层厚度，将海底回声层厚度阈值设置为0.7米，提取出人工鱼礁堆出现的声波脉冲编号。
39.若检测出的人工鱼礁堆声波脉冲中两脉冲相邻，则认为是相同人工鱼礁堆的回声信号，将上一步中检测到的声波脉冲划分为不同的人工鱼礁堆，计算各人工鱼礁堆的宽度即各礁堆的占的声波脉冲数目。人工查看人工鱼礁堆宽度，将阈值设置为50，删除宽度小于阈值的人工鱼礁堆，如图6和图7所示。
40.s800、利用经纬度坐标，绘制待测海域中的人工鱼礁堆分布图。
41.优选的，根据上述出现人工鱼礁堆的位置所在的经纬度，绘制所调查航线上的人工鱼礁堆分布图。
42.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
43.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
44.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。