6.1.2 多波束声呐图像
多波束系统除能给出每个波束在海底投射点的点位和水深测量成果外，还能给出回波强度BS(backscatter strength)信息，回波强度信息主要用于探测和反映海底地貌和海底底质。多波束声呐图像是通过将多个ping(多波束每发射一次称为ping)、条带的回波强度数据按照一定的原则拼接起来并对其进行抽样和量化来形成的。
1.ping拼接
受人为操作、海洋环境等因素的影响，测量船姿态会引起换能器姿态做瞬时变化，从而导致测量断面不完全与设计航线正交，因此，为了形成海底地貌图像，就必须按照船位，在地理框架下实现测量断面的拼接。在ping间对回波强度数据进行拼接之前，首先需要对回波强度数据进行预处理。前面已经讨论了波束投射点区内回波强度采样位置的确定问题，以及每个采样相对中心采样的水平距离，由此可获得每个回波强度采样所对应的地理坐标。自此，对于每一个采样，实际上已经获得了它的三个参量，即平面位置(x、y)和回波强度。这样，在地理框架下，条带内ping与ping之间声强数据的拼接就变得十分容易。
2.条带图像间的拼接
条带声呐图像间的拼接要解决如下两个统一问题:
其一，几何位置的统一;
其二，回波强度值的统一。
几何位置的统一是为了实现条带重叠区重合采样点位置的对应。对于相邻条带，每个声呐采样点均能获得其坐标，且坐标系统统一。因此，解决第一个问题相对比较容易。
图像拼接的关键问题是解决接边线，即选择出一条曲线，按照这条曲线把声呐图像拼接起来。待镶嵌的声呐图像按照这条曲线拼接后，曲线两侧的回波强度变化不显著或变化最小，即实现回波强度的统一，这条理论上的曲线被称为接边线或镶嵌线。
若相邻条带的两个声呐图像为f1和f2，重叠区宽度为L，要在重叠区找出镶嵌线，只要找出该线与每ping形成的断面线的交点即可。为此，只要选取一个长度为d的一维窗口，让该窗口在断面线内逐个采样点上滑动，若窗口内所有重合点回波强度差值的绝对值的和最小，则该点即为镶嵌线与该断面线的交点(亦称接边点)。
接边点的选取原则为:
式中: f1(i，j0+ j)和f2(i，j0+ j)为滑动窗口内重合点(i，j0+ j)在图像f1和f2上对应的回波强度值(若图像已经转换为8bit的灰度图像，则为对应的灰度值); i为重合点(i，j0+ j)所对应的断面行，j0为窗口左端点对应的列，j0+ j为点(i，j0+ j)对应的列。
图6-4 图像镶嵌中镶嵌线确定示意图
满足上述条件的点即为接边点。将重叠区内相邻断面线上的接边点连接起来，即形成了镶嵌线。尽管镶嵌线采样点两边对应的回波强度(或灰度)差理论上最小，但实际上这种差异还是存在的。为了保证回波强度水平的一致，就需对镶嵌线确定的重叠点上的回波强度进行重新计算。
确定重叠点上回波强度的方法比较多，其中最简单的方法是均值法。
设f'(i，j)为最终确定的回波强度，则有:
式中，f'1(i，j)和f'2(i，j)分布为相邻条带1和2在相同位置上的像素灰度级或回波强度值。
另一种确定重合点声强的方法为加权平均法，该法考虑了不同条带中重合点声强的权重，就多波束而言，利用这种方法获得最终的声强值是比较恰当的。设w 1和w 2为重合点在两个条带中的权值(w 1和w 2定权原则一致)，则:
式中，L为重叠区的宽度，x为重合点至重叠区靠近f1一侧的距离。
3.测区格网化及回波强度数据的选取(抽样)
为便于计算机图像处理，需对测区进行栅格化。与一般意义上的格网化不同的是，这种格网化处理时，每个小的格网代表一个回波采样，即图像像素。由于回波强度测量值均具有位置信息，因而，格网化可在地理框架下进行。
回波强度采样的不均匀性可能导致格网内回波强度的个数为零、一个或多个。为真实反映海底底质的特征，对于没有回波强度数据的格网，在灰度量化时，可将之设置为背景灰度级，或者根据周围像素内回波强度的采样内插得到;对于存在单个回波强度数据的情况，用该回波强度反映格网所对应实际海床的底质类型;若存在多个回波强度数据，最终回波强度可根据如下原则确定:
(1)接近均值原则。所有声强数据与均值较差，绝对差值最小者为可能的备选值。
(2)变化渐进性原则。由于格网代表的实际海底区域较小，底质类型不可能发生大的突变，小区域范围内，底质类型的变化具有渐进性。
4.回波强度向灰度级的转换(量化)
该转换实际上是将回波强度同描述图像的灰度级对应起来，实现回波强度向灰度级的量化。量化的方法较多，一般根据具体情况而定。
8bit灰度级水平范围一般取0～255色，回波强度的变化范围主要取决于海床的地貌特征、底质类型及多波束系统，如Kongsberg Simrad EM系列多波束回波强度的变化范围为128～－126dB。对于一个测区而言，若海底地貌特征和底质类型变化复杂，回波强度分布于整个变化范围，则回波强度BS可量化为灰度G为:
式中，G为灰度级;BS为回波声强。
若声强变化范围为从BSmin到BSmax，量化后的灰度范围为从Gmin到Gmax'则声强BS量化后的灰度级G可表达为:
式中，G为灰度级;(BSmax～BSmin)对应于(Gmax～Gmin)。
抽样和量化工作完成后，便形成了多波束声呐图像。图6-5是根据上述方法形成的一个测区的多波束声呐图像。图像中每个像素对应着两组表达参量:
一组为图像表达参量，即像素的位置(i，j)，以及与之对应的灰度f(i，j);
另一组为地理参量，即像素中心对应的地理坐标(x，y)和声强BS，若存在深度采样点，像素内还对应着深度z。
图6-5 多波束声呐图像
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