多频多波束声呐反演与地面验证相结合的海底沉积物分类研究

这篇研究通过整合170/300/450 kHz多频多波束测深系统（MBES）反演数据与地面验证样本，创新性地建立了海底沉积物分类框架。研究表明，低频（170 kHz）对沉积物次表层特征敏感，高频（450 kHz）有效捕捉表面纹理差异，多频组合显著提升了过渡带沉积物的分类精度（K-means/ISODATA聚类），为动态海岸带沉积动力学研究和海洋空间规划提供了新方法。

　　

海底沉积物多频声学反演技术突破

研究背景与意义

海底沉积物的物理和地球化学特性直接影响声波响应，其准确分类对海洋地质测绘、底栖生境评估和海岸工程建设至关重要。传统单频MBES系统虽广泛应用，但频谱分辨率有限，难以识别异质或过渡沉积环境。本研究通过三频段（170/300/450 kHz）MBES数据整合，结合地面验证样本，建立了更精确的沉积物分类体系。

研究方法与技术路线

研究区域选在韩国西海岸的牙山湾，该区域具有强潮汐动力（潮差>5 m）、复杂海底地形（水深5-22 m）和多样沉积环境。采用R2Sonic 2024型MBES系统，配合实时声速剖面（CTD）和惯性导航系统（INS）校准，获取高精度数据。数据处理采用Caris HIPS和QPS FMGT软件，包括声速校正、潮汐补偿和辐射校正，最终生成0.5 m分辨率的地形和反向散射强度数据集。

多频声学特征解析

低频170 kHz数据平均反向散射强度为-27.26 dB（标准差1.43 dB），对砂砾质沉积物（Class 3）的穿透深度达次表层；高频450 kHz数据（-28.25 dB±1.39 dB）则更敏感于表面粗糙度，如生物扰动痕迹。RGB合成图像中，过渡沉积带呈现独特的紫红色调，与单频图像相比，多光谱特征使分类精度提升18.29 dB。

沉积物分类验证

通过33个抓斗样本验证，三类沉积物特征明确：

• Class 1：泥质主导（含沙量14.06%），含水量50.42%，TOC 0.98%，对应低能环境

• Class 3：砂质为主（含沙量66.18%），TOC仅0.57%，分布于强潮汐通道边坡

• Class 2：过渡型沉积，含沙量42.83%，呈现声学响应和粒度的梯度变化

技术优势与局限

多频方法有效解决了单频系统在混合沉积区的分类模糊性，但生物膜覆盖和生物扰动可能干扰高频信号。未来可扩展至<100 kHz频段以增强深层探测，或结合机器学习提升分类自动化水平。

应用前景

该技术框架已证明适用于动态海岸系统，可为海底电缆路由规划、疏浚工程和生态系统管理提供高分辨率底质数据支持，推动海洋空间规划从经验判断向定量化发展。