用“声纹”技术“诊断”海底航道边坡的稳定性，江苏海...

​日前，新华日报发的一条新闻引起了我的关注，“声纹技术，为海底航道安全预警”，于是查阅了在《海洋通报》上发表的一篇论文“淤泥质海底航道边坡失稳滑塌声纹特征分析”，作者是江苏海洋大学张存勇副教授。通过论文和相关报道了解了“声纹技术”，也联系到了论文作者，本文就来谈谈“声纹”技术及其如何“诊断”海底航道边坡的稳定性，供大家参考。张存勇副教授为本文编写提供了宝贵意见，特此致谢！

淤泥质海底航道出现失稳滑塌是航道边坡自身求得稳定状态的一种自然调整过程，海底航道边坡在海洋动力作用下土体强度、抗剪强度以及有效应力降低，可能导致航道边坡内部结构发生变化，在外因诱发下可能产生失稳滑塌，改变航道几何形状，导致港口堵塞，造成重大的经济和社会损失。江苏海洋大学张存勇副教授团队创造性提出“声纹”检测技术，在航道边坡稳定性实时监测、全周期声纹识别和预测预警三个关键技术上取得重大突破，并成功应用于连云港30万吨级航道，为江苏沿海航道安全运营及防灾预灾起到了重要作用。

‘诊断’依据

淤泥质海域海水良好的导电性、极强的吸热能力和极差的透光性，使依赖激光、电磁波传播的探测技术（如雷达、红外望远镜、卫星遥感技术等）对海底航道探测束手无策。

“声波是目前已知海洋中唯一能实现远距离传输信息的有效载体，它可以穿透海底沉积物，回波信号可直接显示出沉积物结构的变化特征。”张存勇团队创造性地提出利用“声纹”技术对海底航道失稳滑塌过程进行高效探测，为航道失稳滑塌研究开启了一扇新的大门。

“就像每个人的手有不同的‘指纹’，我们把航道边坡失稳滑塌过程中回波信号形成的不同强度的点状、块状和线状纹理图形称为‘声纹’。”张存勇介绍，“有了这些声纹图像，我们根据航道边坡失稳滑塌的不同阶段，按时间序列建立航道边坡失稳滑塌过程声学图谱，从图谱中识别失稳滑塌早期声纹特征，作为预测预警‘声学指纹’，为预测海底航道失稳滑塌提供‘诊断’依据。”

浅地层剖面图像中的声纹特征

浅地层剖面探测是利用声波在海水和海底沉积物中的传播和反射特性对海底沉积物进行连续探测，从而获得直观的海底浅部地层结构剖面的一种海底声学探测技术，能提供一套直观、连续的海底剖面声学记录图像，当沉积物的成分、结构和密度等因素发生变化时，声波在其中也会发生相应的变化。因此，浅地层剖面声图中蕴含海底航道边坡内部变化的信息，可以利用这些信息探测相应沉积层的结构、致密程度和完整程度等特征，进而实现对航道边坡内部结构变化的识别。

声纹变化特征

由海底航道边坡失稳滑塌过程典型声纹变化图可以看出，航道边坡失稳滑塌前声纹总体为近平行纹理（下图a），在失稳滑塌过程中声纹逐渐发生变化，由平行纹理开始变粗糙、不规则，强度不均匀，间距变化明显，出现声纹断裂现象，但声纹整体还保持近平行纹理（下图b）。

随着边坡失稳强度增大，声纹出现绒毛状、分叉、断裂，然后继续变粗糙，强度变大，不均匀（下图c），伴随着声纹强度逐渐变大，出现波纹状（下图d）。

随着时间的延续，不同纹理之间出现交叉分离、合并，强度变大（下图e）。边坡上部声纹不连续，出现波动，强度间断变化，底部声纹出现变形（下图f）。

声纹强度向下部变化，边坡发生失稳（下图g），反射不连续。失稳后声纹强度变化不规则，声纹变粗，部分声纹又恢复失稳前状态（下图h）。

综上所述，声纹形象地反映了海底航道边坡失稳滑塌过程及其动态变化，展示了滑塌过程的内部变化规律，为利用声纹研究航道边坡失稳滑塌提供了依据。

声纹参数变化特征

纹理是图像的一个重要属性，它是图像像素颜色或灰度在空间以一定形式变化而反映图像中同质现象的特征，包含了内部结构组织排列的重要信息。任何图像都可以看作三维空间中的一个曲面，在三维空间中，相邻一定长度间隔的两个像素具有相同或不同的灰度级，灰度共生矩阵从纹理的空间结构提供了图像方向、间隔和变化幅度的信息，是最常用的二阶纹理分析方法。目前这种方法已被广泛运用于目标动态监测、河道纹理、木材纹理识别、皮肤纹理检测、地震数据空间结构等纹理图像的分析，但鲜有利用灰度共生矩阵对海底航道边坡失稳滑塌过程浅地层剖面声学图像特征进行研究。

海底航道边坡失稳滑塌过程的不同阶段浅地层剖面声学图像纹理特征不同，采用灰度共生矩阵方法分析航道边坡失稳滑塌过程浅地层剖面图像纹理特征，结果表明，对比度、能量、相关度和逆差距在边坡失稳滑塌过程中具有明显的差异，分别从不同角度刻画了浅地层剖面图像声纹的清晰度、纹理粗细、主要方向和规则性，以定量的形式显示其内在异质性。

下表为航道边坡失稳滑塌过程中浅地层剖面声学图像的对比度、能量、相关度、逆差距纹理参数。对比度体现图像纹理清晰度，反映矩阵像素值的分布及其局部变化程度，值越大，纹理越明显，值越小，纹理效果越不明显。

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航道边坡失稳滑塌过程声图纹理特征值

上表中四个方向能量总体变化趋势基本一致，水平方向和垂直方向能量变化范围分别为 0.156～0.183和0.119～0.141。边坡失稳滑塌前能量总体偏小，反映边坡内部各方向受外界应力较均匀，图像强度分布相对均匀。边坡失稳滑塌过程中，能量变化明显，图像纹理逐渐变粗糙，边坡失稳滑塌时能量最大，尤以水平方向变化最显著，最大值为0.183，边坡滑塌后能量又变小。

相关度是图像在特定方向上的相似度，指示纹理主要方向，反映图像中局部灰度相关性，其值越大相似度越高。四个方向相关度总体变化趋势较一致，水平方向和垂直方向变化范围分别为0.385～0.529和0.259～0.306。边坡失稳滑塌前，相关度总体较小，随着边坡失稳滑塌，相关度呈增大趋势，边坡失稳滑塌时相关度变大，边坡滑塌后相关度变小。

逆差矩反映纹理的同质性或规则程度，度量纹理局部变化的多少，其值越大，纹理越规则，值越小，纹理越杂乱。四个方向逆差距变化趋势基本一致，水平方向变化范围为0.638～0.696，其他三个方向较一致。边坡失稳滑塌过程中，逆差距变化幅度较小，反映边坡内部变化多，局部不均匀，失稳滑塌时逆差距变大，失稳滑塌后逆差距变小。

总体上，对比度、能量、相关度和逆差距分别从不同角度反映了浅地层剖面图像声纹的清晰度、纹理粗细、主要方向和规则性，以定量的形式显示其内在异质性，实现人眼无法识别的信息。能量、相关度和逆差距三个特征值在水平和垂直方向明显大于对角方向。能量与相关度随方向变化明显。因此，纹理粗细、纹理方向和纹理规则性是航道边坡失稳滑塌过程浅地层剖面声图纹理的主要特征，在边坡失稳滑塌过程中具有明显的差异。

航道边坡在其失稳滑塌过程中，必然引起边坡沉积物空间结构和密度等因素的变化，声波在其中也会发生相应变化，相应地在航道边坡浅地层剖面图像上形成一种特殊的航道边坡失稳滑塌过程声学纹理。边坡失稳前，内部变化较小，随着边坡失稳滑塌，内部应力发生变化，局部应力变大，灰度共生矩阵内部声强灰度数据逐渐变化，在边坡失稳滑塌时变化明显。这些结果表明利用灰度共生矩阵提取出的纹理特征值能够反映航道边坡失稳滑塌过程，可以作为航道边坡失稳滑塌过程的重要参数，可以利用这些参数对边坡稳定性进行识别判定，实现预测预警。

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声纹变化规律

由于灰度共生矩阵特征参数是图像声纹的均值，为进一步刻画声纹特征的时空变化，采用小波多尺度分解方法对声纹变化规律进行分析。在航道边坡失稳滑塌过程中，边坡沉积物内部结构发生变化，声图时间序列内部蕴含着声强的变化趋势，为了分析声强随时间的变化规律，对边坡从上至下表、中、底三个典型部位声强时间序列进行小波分解，低频成分大致保持了原声强的起伏变化特征，高频成分变化的幅度和频率突出声强的小幅变化，更清楚地反映声强细节，并使声强变化差异更明显。这些特征为深入理解航道边坡失稳滑塌过程，以及通过不同深度声强变化强度、剧烈程度、突变点为边坡失稳滑塌预测预警提供了依据；声图中声强大小的空间变化决定了声纹的特征，垂向声强变化是航道边坡失稳滑塌过程主要方向之一，因此将声学图像垂向声强变化作为一个序列，对航道边坡失稳滑塌前、中、后三个典型时刻垂向声强变化序列分别进行分析。边坡失稳滑塌前、中、后垂向声强变化具有多个波峰，根据这些声强变化很难识别失稳滑塌的阶段，但是这些变化均表现出在某一深度处声强具有强烈的震荡特征，并且在失稳滑塌过程的不同阶段，声强波动的深度发生了变化，边坡内部垂向声强变大并向边坡浅部移动，是边坡失稳滑塌前的征兆。

海底航道边坡失稳滑塌过程的不同阶段浅地层剖面图像声纹特征不同，边坡失稳滑塌前，主要由近平行的声纹组成。随着边坡失稳滑塌，声纹逐渐发生变化，由平行声纹逐渐变得粗糙、不规则，强度不均匀，间距变化明显。边坡失稳后声纹变粗，声纹强度变化不规则，发生断裂。对淤泥质海底航道边坡失稳滑塌过程浅地层剖面图像采用灰度共生矩阵法提取能量、对比度、相关度、逆差距四个声纹特征值进行量化比较分析，四个特征参数在边坡失稳滑塌过程中具有明显的差异，水平和垂向变化大于对角方向，水平方向波动最显著，能量和相关度随方向变化较大，反映了航道边坡失稳滑塌过程中的内在异质性。

为此，研究团队将大量的声纹图像建成航道边坡失稳滑塌过程“声纹图谱库”，这个声纹图谱库直观、定量、动态地反映了航道边坡失稳滑塌的剧烈程度，显示了航道边坡内部的空间差异性，实现了对航道边坡失稳滑塌过程内部变化信息的可视化表达，也让监测技术真正“动起来”。

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尾声

张存勇研究团队将“声学指纹”特征与计算机技术相结合，设计开发了预测预警系统，将现场监测到的声纹图像与声纹图谱库中声纹图像进行特征匹配，据此鉴别出失稳滑塌早期地段，并进行预测预警。该系统在我国淤泥质海岸人工深水航道——连云港30万吨级航道得到成功应用，对航道安全运营以及防灾预灾起到了重要作用。

由于声波比较容易产生并且能够穿透沉积地层，因此，借助“声纹”检测技术可以很好地发挥遥测技术宏观、快速的优势，可以连续、高效、实时地进行航道检测，实现常规人工调查难以准确监测的困难，可望进一步在海底滑坡、海底工程等领域获得广泛应用，具有十分广阔的应用前景。

我国淤泥质海岸约4000多公里，沿岸港口众多，如天津港、黄骅港、潍坊港、洋山港、宁波港、温州港、厦门港、广州港、钦州港等，如何创新性地运用“声纹”检测技术更好地为港口安全运维服务值得关注，也是我所感兴趣的。

转载自：溪流之海洋人生