海底管道探测与三维可视化技术的研究与实现
发布时间：2021-06-15 15:01
海底管道是海洋油气资源的重要运输方式,如果出现悬空甚至破裂的状况,会带来巨大的经济损失和严重的环境污染。针对在复杂的海底环境中能见度低、检测成本高等难点,本文对海底管道的探测和三维可视化技术进行了研究与实现。首先,给出一种从多波束声呐图像中自动检测、识别和提取水下气体的方法,用最大类间方差法选取最佳阈值,分离水下各目标和水体背景,并用特征筛选和改进的局部阈值分割方法,即对原图像和参考图像的差值图像设定阈值,使得阈值与像素点的位置和局部明暗程度有关,从水下目标中分割出气体,该方法在气体目标和水体背景灰度值差异较小的情况下分割效果较好,解决了人工判读声呐图像效率低、准确性差的问题。通过数学形态学的方法提取轮廓,实现对于泄漏气体的定位和泄漏规模的定量估计。其次,从侧扫声呐文件中提取信息并生成二维的侧扫声呐图像,结合探测时的物理几何关系,给出一种计算海底管道悬空高度的方法,并以实测数据验证了其有效性和实用性。结合海底管道的特点,以拟合圆的形式完成三维点云重建。接着,针对海底管道所在区域的海底地形点云中存在孔洞的问题,结合侧扫声呐等间隔采样的特点,对点云均匀切片和投影,通过三次B样条曲线拟合的方...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
海洋油气泄漏然而海底管道长期受到洋流冲刷和地质灾害的影响，再加上人类活动等第三
浙江大学硕士学位论文8年代在单波束声呐的基础上发展起来，它是一种精密的海底地形勘测技术，将很多个独立的换能器单元以一定的排列方式组合成一个换能器阵列并加以封装。现有的多波束声呐测深系统由多个不同的子系统组成，包括多波束声学系统、多波束辅助系统和数据处理系统三大块。其中多波束声学系统包括发射换能器阵列、接收换能器阵列以及信号传输控制系统，多波束辅助系统包括实时导航和定位的全球定位系统（GPS），提供测量船横尧纵尧艏向、升沉等状态的姿态传感器，提供航向和波束归位的电罗经以及提供所测海区声速剖面信息的声速剖面仪等等，数据处理系统主要负责测深数据的输出、存储和显示等功能。图2.2多波束测深示意图多波束声呐安装在水面船只上，测深原理如图2.2所示：发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，以条带测量的方式对海底进行全覆盖测量，每个条带的覆盖宽度可达水深的数倍；接收换能器接收反射或散射的回波，在垂直于航向的方向上形成一个扇形波束区。由发射和接收扇区指向的正交性形成波束脚印，便可在和船只航迹垂直的条带覆盖区域内得到几十个甚至上百个水深点[7]，较为可靠和清晰地还原海底地形的起伏变化和特征。与传统的单波束声呐每次测量只能获得测量船垂直下方的一个测深点相比，多波束测深系统能够获得一个条带覆盖区域内多个测量点的水深值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，同时由于其具有扫幅宽、全覆盖、高效率和高精度的特点，在大面积的海底地形勘测中得到了广泛的应用。2.2多波束声呐水体成像原理多波束声呐起初的设计目的是水深测量，但是随着声学技术的发展，目前的
浙江大学硕士学位论文12沿航迹的波束水平开角为0.16°。向正下方发射声波对气体目标进行定位和识别。图2.6所示为声呐文件中记录的水下气体声呐图像截图，可以看出噪声较为严重且气体目标轮廓不连续、不清晰；同时软件自带的网格线会对边缘检测造成干扰。因此需要对原始的声呐图像进行预处理。图2.6原始声呐图像图2.7灰度图（1）灰度化彩色图像（RGB）是指由红色（Red,R）、绿色（Green,G）和蓝色（Blue,B）三种基本颜色组成的图像。灰度图像是指只有亮度差别而没有颜色差别的图像，每个像素由一个量化后的灰度值来描述，可以是0~255（从黑到白）的灰度区间内的任何一个值，用Y表示灰度级，彩色图像和灰度图像之间的转换公式为：=0.229×+0.587×+0.114×(2.2)转换后的灰度图像如图2.7所示，噪声干扰仍较为严重且对比度不足。（2）图像滤波由于声呐图像是从软件界面中截图得到，因此在灰度图像中存在网格线和刻度等无关目标。考虑用滤波的方式减弱噪声，同时去除网格线。在声呐图像中，噪声表现为高频特性，而目标表现为低频特性。滤波模型的选择对平滑后的图像效果有直接影响，较为经典的有均值滤波算子、中值滤波算子和频域低通滤波算子等。它们共同的特点是消除高频噪声，保留低频信号[8]。1.均值滤波算子均值滤波也叫邻域平均法，是较为常用的一种平滑算子。核心思想是在图像中选择一个邻域（子图像），用该邻域内所有像素点的平均灰度值替换中心像素点的灰度值，削弱随机噪声。设邻域为×个像素点，则
【参考文献】：
期刊论文
[1]油气管道泄露检测技术研究[J]. 蒲宏斌. 中国石油和化工标准与质量. 2019(17)
[2]海底地貌复杂度的表示与计算[J]. 翟京生,张冲,李兆兴,张亮. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2019(S1)
[3]水下油气泄露的研究进展[J]. 潘青青,李燕,于寒,杨静,李云,刘桂梅. 海洋预报. 2019(03)
[4]海底管道检测与三维点云重建算法[J]. 刘哲,张万远,黄晓霜,徐超,梁花. 海洋测绘. 2019(03)
[5]起伏地形条件下侧扫声呐探测存在的问题及改进方法——以海底管道检测为例[J]. 陶常飞,徐永臣,周兴华,王方旗,丁继胜,林旭波. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2019(05)
[6]多波束声呐水体影像沉船自动提取方法[J]. 李东辉,郑双强,陈建兵,刘洪霞,阳凡林. 海洋科学. 2019(03)
[7]多波束测深数据中系统偏差改正方法研究——以2003年SeaBat900X东海调查数据为例[J]. 李劭禹,卜宪海,胡浩,李守军,赵春霞. 海洋通报. 2018(05)
[8]顾及地形复杂度的多波束测深数据抽稀算法[J]. 文佳昕,李靖涵,行瑞星,杜佳威,刘旭升. 测绘科学技术学报. 2018(04)
[9]利用多波束水体成像数据进行管道气体泄漏检测[J]. 张志刚,郭俊,杨嘉斌,蒲定,张宏伟. 应用科技. 2018(06)
[10]三次B样条小波的曲线拟合研究[J]. 曾卓,阿达依·谢尔亚孜旦,申传鹏. 机械科学与技术. 2018(06)
博士论文
[1]三维数字几何处理中特征提取与孔洞修补研究[D]. 王小超.大连理工大学 2014
[2]多波束测深数据质量控制方法研究[D]. 黄贤源.解放军信息工程大学 2011
硕士论文
[1]散乱点云的孔洞修补及三维重构研究[D]. 曾露露.东南大学 2018
[2]基于点云数据的道路设计特征点、线的提取方法研究[D]. 姚利辉.长安大学 2017
[3]准均匀B样条函数在地形模型中的应用[D]. 韩艳.西南交通大学 2008
本文编号：3231275
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
海洋油气泄漏然而海底管道长期受到洋流冲刷和地质灾害的影响，再加上人类活动等第三
浙江大学硕士学位论文8年代在单波束声呐的基础上发展起来，它是一种精密的海底地形勘测技术，将很多个独立的换能器单元以一定的排列方式组合成一个换能器阵列并加以封装。现有的多波束声呐测深系统由多个不同的子系统组成，包括多波束声学系统、多波束辅助系统和数据处理系统三大块。其中多波束声学系统包括发射换能器阵列、接收换能器阵列以及信号传输控制系统，多波束辅助系统包括实时导航和定位的全球定位系统（GPS），提供测量船横尧纵尧艏向、升沉等状态的姿态传感器，提供航向和波束归位的电罗经以及提供所测海区声速剖面信息的声速剖面仪等等，数据处理系统主要负责测深数据的输出、存储和显示等功能。图2.2多波束测深示意图多波束声呐安装在水面船只上，测深原理如图2.2所示：发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，以条带测量的方式对海底进行全覆盖测量，每个条带的覆盖宽度可达水深的数倍；接收换能器接收反射或散射的回波，在垂直于航向的方向上形成一个扇形波束区。由发射和接收扇区指向的正交性形成波束脚印，便可在和船只航迹垂直的条带覆盖区域内得到几十个甚至上百个水深点[7]，较为可靠和清晰地还原海底地形的起伏变化和特征。与传统的单波束声呐每次测量只能获得测量船垂直下方的一个测深点相比，多波束测深系统能够获得一个条带覆盖区域内多个测量点的水深值，实现了从“点—线”测量到“线—面”测量的跨越，同时由于其具有扫幅宽、全覆盖、高效率和高精度的特点，在大面积的海底地形勘测中得到了广泛的应用。2.2多波束声呐水体成像原理多波束声呐起初的设计目的是水深测量，但是随着声学技术的发展，目前的
浙江大学硕士学位论文12沿航迹的波束水平开角为0.16°。向正下方发射声波对气体目标进行定位和识别。图2.6所示为声呐文件中记录的水下气体声呐图像截图，可以看出噪声较为严重且气体目标轮廓不连续、不清晰；同时软件自带的网格线会对边缘检测造成干扰。因此需要对原始的声呐图像进行预处理。图2.6原始声呐图像图2.7灰度图（1）灰度化彩色图像（RGB）是指由红色（Red,R）、绿色（Green,G）和蓝色（Blue,B）三种基本颜色组成的图像。灰度图像是指只有亮度差别而没有颜色差别的图像，每个像素由一个量化后的灰度值来描述，可以是0~255（从黑到白）的灰度区间内的任何一个值，用Y表示灰度级，彩色图像和灰度图像之间的转换公式为：=0.229×+0.587×+0.114×(2.2)转换后的灰度图像如图2.7所示，噪声干扰仍较为严重且对比度不足。（2）图像滤波由于声呐图像是从软件界面中截图得到，因此在灰度图像中存在网格线和刻度等无关目标。考虑用滤波的方式减弱噪声，同时去除网格线。在声呐图像中，噪声表现为高频特性，而目标表现为低频特性。滤波模型的选择对平滑后的图像效果有直接影响，较为经典的有均值滤波算子、中值滤波算子和频域低通滤波算子等。它们共同的特点是消除高频噪声，保留低频信号[8]。1.均值滤波算子均值滤波也叫邻域平均法，是较为常用的一种平滑算子。核心思想是在图像中选择一个邻域（子图像），用该邻域内所有像素点的平均灰度值替换中心像素点的灰度值，削弱随机噪声。设邻域为×个像素点，则
【参考文献】：
期刊论文
[1]油气管道泄露检测技术研究[J]. 蒲宏斌. 中国石油和化工标准与质量. 2019(17)
[2]海底地貌复杂度的表示与计算[J]. 翟京生,张冲,李兆兴,张亮. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2019(S1)
[3]水下油气泄露的研究进展[J]. 潘青青,李燕,于寒,杨静,李云,刘桂梅. 海洋预报. 2019(03)
[4]海底管道检测与三维点云重建算法[J]. 刘哲,张万远,黄晓霜,徐超,梁花. 海洋测绘. 2019(03)
[5]起伏地形条件下侧扫声呐探测存在的问题及改进方法——以海底管道检测为例[J]. 陶常飞,徐永臣,周兴华,王方旗,丁继胜,林旭波. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2019(05)
[6]多波束声呐水体影像沉船自动提取方法[J]. 李东辉,郑双强,陈建兵,刘洪霞,阳凡林. 海洋科学. 2019(03)
[7]多波束测深数据中系统偏差改正方法研究——以2003年SeaBat900X东海调查数据为例[J]. 李劭禹,卜宪海,胡浩,李守军,赵春霞. 海洋通报. 2018(05)
[8]顾及地形复杂度的多波束测深数据抽稀算法[J]. 文佳昕,李靖涵,行瑞星,杜佳威,刘旭升. 测绘科学技术学报. 2018(04)
[9]利用多波束水体成像数据进行管道气体泄漏检测[J]. 张志刚,郭俊,杨嘉斌,蒲定,张宏伟. 应用科技. 2018(06)
[10]三次B样条小波的曲线拟合研究[J]. 曾卓,阿达依·谢尔亚孜旦,申传鹏. 机械科学与技术. 2018(06)
博士论文
[1]三维数字几何处理中特征提取与孔洞修补研究[D]. 王小超.大连理工大学 2014
[2]多波束测深数据质量控制方法研究[D]. 黄贤源.解放军信息工程大学 2011
硕士论文
[1]散乱点云的孔洞修补及三维重构研究[D]. 曾露露.东南大学 2018
[2]基于点云数据的道路设计特征点、线的提取方法研究[D]. 姚利辉.长安大学 2017
[3]准均匀B样条函数在地形模型中的应用[D]. 韩艳.西南交通大学 2008
本文编号：3231275
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