Development of a hydroacoustic system for sea bed classification in the coastal zone

Transcript

1 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 605 Αναπτυξη ενός υδροακουστικου συστηματος ποιοτικης κατηγοριοποιησης βυθου στην παρακτια ζωνη Ν. Σπυριδάκης και Σ. Γεωργακαράκος Εργαστήριο Υδροακουστικών & Αλιευτικής Διαχείρισης, Τμήμα Επιστημών της Θάλασσας Πανεπιστήμιο Αιγαίου, Μυτιλήνη, περιληψη Αναπτύχθηκε ένα υδροακουστικό σύστημα κατηγοριοποίησης ποιότητας του θαλάσσιου βυθού, βασισμένο στην ανάλυση των ανακλάσεών του. Δοκιμαστικές μετρήσεις διενεργήθηκαν στη ΝΑ παράκτια ζώνη της νήσου Λέσβου, τον Ιούλιο του Για τον ηχοβολισμό χρησιμοποιήθηκε ένα αυτόνομο ηχοβολιστικό όργανο Simrad ES60, με συχνότητα 120 khz. Η πρόσληψη των δεδομένων, η αξιολόγησή τους και η επεξεργασία τους έγινε με ειδικό λογισμικό, που αναπτύχθηκε σε περιβάλλον LabVIEW for Windows (National Instruments), στο Πανεπιστήμιο Αιγαίου. Η κατηγοριοποίηση των ιδιοτήτων του βυθού βασίστηκε σε πολυμεταβλητή ανάλυση των δεδομένων. Η ολοκλήρωση του δεύτερου μέρους της πρώτης ανάκλασης του βυθού χρησιμοποιήθηκε ως κριτήριο αδρότητας και ολόκληρη η δεύτερη ανάκλασή του χρησιμοποιήθηκε ως κριτήριο σκληρότητας. Η μέθοδος της Διαχωριστικής Ανάλυσης (Discriminant Function Analysis) χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό εκείνων των στοιχείων ανάκλασης, με τη μέγιστη στατιστικά σημαντική διαχωριστική ικανότητα. Η ταυτοποίηση των υδροακουστικών μετρήσεων έγινε με επιφανειακά γεωλογικά δείγματα και υποβρύχιες λήψεις κοντά στην επιφάνεια του βυθού. Η ανάλυση έδειξε ότι οι εκτιμημένες παράμετροι μπορούν να περιγράψουν την επιφάνεια του βυθού, με ιδιαίτερα υψηλό ποσοστό επιτυχίας (100 %), τουλάχιστον για τα δεδομένα δοκιμής. Το σύστημα μπορεί να βελτιωθεί, αν διευρυνθεί η ποικιλομορφία του δείγματος που χρησιμοποιείται για βαθμονόμηση. Από την πλευρά του λογισμικού, το σύστημα είναι δυνατό να επεκταθεί, χρησιμοποιώντας περισσότερες της μίας συχνότητες, για την αύξηση του πλήθους των παραμέτρων και της ποιότητας της κατηγοριοποίησης. Λέξεις κλειδιά: Acoustic bottom classification Development of a hydroacoustic system for sea bed classification in the coastal zone N. Spyridakis and S. Georgakarakos Fisheries Management and Fisheries Acoustics Laboratory, Department of Marine Sciences University of the Aegean, Mytilini, stratisg@aegean.gr Abstract A hydroacoustic system has been developed for bottom classification based on signal analysis of bottom backscattering echoes. Test measurements have been conducted in the south-east coastal zone of Lesvos Island, in July Insonification was carried out using a stand-alone ES60 Simrad echosounder operating at 120 khz. Data acquisition, visualisation and processing were implemented by software developed in the Laboratory in LabView (National Instruments) environment. Multiple acoustic bottom descriptors were analysed using multivariate statistical tools to classify bottom features. The integration of the tail of the first bottom echo was used as a roughness index and the entire second bottom echo was used as a hardness index. Discriminant function analysis was used to identify echo components that provided the greatest discrimination power. Ground truthing has been carried out by geological surface samples and video camera close to the bottom. It is suggested after the statistical analysis that the extracted bottom descriptors can classify the sea floor at a very high score (100%), at least applying test data. The system can be improved taking into account a wider spectrum of seafloor qualities. From the software point of view it is possible to extend the system, by applying more than one insonification frequencies, in order to increase bottom descriptors and classification efficiency.

2 606 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Εισαγωγή Η ανάλυση της ακουστικής ανάκλασης του βυθού μπορεί κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις να δώσει στοιχεία σχετικά με την ποιότητά του. Η ακουστική σάρωση του βυθού και η χαρτογράφηση της ποιότητάς του, αποτελεί σήμερα την πρωταρχική φάση μελέτης και εκτίμησης της αφθονίας κάθε βενθικού οικοσυστήματος. Στη διάθεση του χρήστη υπάρχουν σήμερα μερικά εμπορικά συστήματα κατάλληλα για αυτό το σκοπό, όπου το κόστος του συστήματος είναι ανάλογο του αριθμού των ακουστικών κώνων, των συχνοτήτων και των τελικών παραμέτρων που υπολογίζονται. Η πραγματική αξία όμως του συστήματος βρίσκεται στην πληθώρα των δεδομένων που έχουν συλλεχθεί σε μια περιοχή και της αποτελεσματικότητας με την οποία οι ακουστικές παράμετροι μπορούν να προβλέψουν την ποιότητα του βυθού. Όλα τα εμπορικά συστήματα ποιοτικής εκτίμησης ποιότητας βυθού (RoxAnn, Olex, Biosonics, QTC) υπολογίζουν μερικές μόνο από τις ακουστικές παραμέτρους του και επιπλέον δεν επιτρέπουν στο χρήστη την πρόσβαση στους αλγορίθμους, την προσθήκη νέων παραμέτρων και γενικά βελτίωση του λογισμικού τους. Ο Orlowski το 1984 [1] και ο Chivers με τους συνεργάτες του το 1990 [2] χρησιμοποίησαν πρώτοι τις ενεργειακές ιδιότητες δυο διαδοχικών ανακλάσεων, για να κατηγοριοποιήσουν την ποιότητα του βυθού, ενώ αργότερα οι Heald και Pace [3] θεμελίωσαν το θεωρητικό υπόβαθρο αυτής της διαδικασίας. Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η ανάπτυξη του BottomLab, ενός υδροακουστικού συστήματος πρόσληψης και ανάλυσης ανακλάσεων βυθού, με σκοπό την κατηγοριοποίηση και χαρτογράφηση του θαλάσσιου υποστρώματος. Υλικα και Μεθοδοι Το σύστημα ποιοτικής κατηγοριοποίησης βυθού BottomLab είναι κατά κύριο λόγο ένα λογισμικό που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Υδροακουστικών και Αλιευτικής Διαχείρισης του Τμήματος Επιστημών της Θάλασσας και το οποίο μπορεί να συνεργάζεται με τη σειρά ηχοβολιστικών ΕΧ60 της Νορβηγικής εταιρείας Kongsberg Simrad, αλλά και γενικότερα με κάθε ακουστικό σύστημα που διαθέτει έξοδο δεδομένων που ακολουθεί το πρότυπο Ethernet. Το λογισμικό αναπτύχθηκε σε γραφικό περιβάλλον προγραμματισμού LabVIEW for Windows. Στην Εικ. 1 παριστάνεται η κύρια οθόνη λειτουργίας του. Εικ. 1. MultiplePingAnalysis.Vi. Λογισμικό πρόσληψης και επεξεργασίας δεδομένων.

3 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 607 Το λογισμικό προσλαμβάνει συνεχώς τις ανακλάσεις του βυθού και επιλέγει εκείνες που λόγω των χαρακτηριστικών τους, φανερώνουν μέγιστη γωνία ακουστικής πρόσπτωσης. Σε κάθε επιλεγμένη κατατομή αναλύεται διεξοδικά η πρώτη και δεύτερη ανάκλαση του βυθού και υπολογίζονται παράμετροι ικανές να περιγράψουν την ένταση, τη διάρκεια και το σχήμα των παλμών. Το κατώφλιο επεξεργασίας των ακουστικών σημάτων εκφρασμένων σε ένταση ανάκλασης κατ όγκο (Volume backscattering Strength, Sv) ορίζεται από το χρήστη (στη δοκιμή του συστήματος χρησιμοποιήθηκε η τιμή των -70 db). Η κατατομή μιας πρώτης ανάκλασης βυθού παριστάνεται στην Εικ. 2. Το λογισμικό υπολογίζει για την πρώτη και δεύτερη ανάκλαση του βυθού, την ενέργεια, τη διάρκεια και το σχήμα τους, χρησιμοποιώντας δείκτες τόσο στη γραμμική (sv) όσο και στη λογαριθμική κλίμακα (Sv), σύμφωνα με την αντιστοιχία: sv=10 0.1Sv όπου : Sv και sv εντάσεις ανάκλασης κατ όγκο, εκφρασμένες σε λογαριθμική και γραμμική κλίμακα αντίστοιχα. Η ταυτοποίηση της υφής του υποστρώματος στις περιοχές που σαρώθηκε ο βυθός, έγινε με επιφανειακά δείγματα βυθού και με λήψη υποβρύχιων βίντεο εικόνων. Επιλέχτηκαν περιοχές στα νοτιοανατολικά παράλια της νήσου Λέσβου, στις οποίες ήταν γνωστή η υφή του βυθού και από προηγούμενες έρευνες. Τέσσερα είδη ποιότητας βυθού μελετήθηκαν στην παρούσα έρευνα: λάσπη, άμμος, χάλικας και πέτρα. Η έρευνα διεξήχθη με το εκπαιδευτικό σκάφος «Αμφιτρίτη» του Πανεπιστημίου Αιγαίου, τον Ιούλιο του Οι ακουστικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με ένα ηχοβολιστικό διαιρούμενων κώνων (split beam) ES60 SIMRAD με συχνότητα ακουστικού κύματος 120 khz, ισχύ 1 kw και με συχνότητα ηχοβολισμού 1 Hz. Αποτελeσματα Επιλέχθηκαν 20 συνολικά περιοχές με χαρακτηριστικές διαφορές στο υπόστρωμα, για τις οποίες υπήρχε απόλυτη συμφωνία ανάμεσα στα γεωλογικά δείγματα και τις βίντεο εικόνες και υπολογίστηκαν από το λογισμικό 16 παράμετροι ποιότητας βυθού. Το σύνολο των παραμέτρων με την κατηγοριοποίηση του βυθού αναλύθηκαν στη συνέχεια στατιστικά για να βρεθεί ποιες από τις παραμέτρους είχαν διαχωριστική ικανότητα και ποια συνολικά ήταν η αποτελεσματικότητα της μεθόδου. Χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της βηματικής Διαχωριστικής Ανάλυσης (stepwise Discriminant Analysis, SPSS, ver. 12) ώστε να προσδιορι- Εικ. 2. Πρώτη ανάκλαση βυθού. Χαρακτηριστικά παλμού. Εικ. 2. Πρώτη ανάκλαση βυθού. Χαρακτηριστικά παλμού.

4 608 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Πίνακας 1: Σημαντικοί Παράμετροι για την Ανάλυση Step Tolerance F to Remove Wilks Lambda 3 E N(25-50)_A S_N(25-50) σθούν οι παράμετροι που είχαν σημαντική στατιστικά διαχωριστική ικανότητα. Η ανοχή και οι τιμές του F (κριτήριο συμμετοχής στη διαχωριστική συνάρτηση F > 3.84) επέτρεψαν την επιλογή των τριών παραμέτρων που αναγράφονται στον Πίνακα 1. Η ενέργεια του δεύτερου μέρους της πρώτης ανάκλασης παριστάνεται με Ε12, ενώ οι παράμετροι Ν(25-50) και S_N(25-50) παριστάνουν αντίστοιχα δείκτες της διάρκειας και του σχήματος της πρώτης και της δεύτερης ανάκλασης αντίστοιχα. Στην ανάλυση μας έχουμε 4 ομάδες διαχωρισμού άρα 3 διαχωριστικές συναρτήσεις. Σε κάθε διαχωριστική συνάρτηση έχουμε μια ιδιοτιμή (eigenvalue) η οποία μπορεί να ερμηνευτεί σαν μέτρο της διασποράς των μέσων. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 2 οι δυο πρώτες κανονικοποιημένες διαχωριστικές συναρτήσεις εξηγούν ήδη το 96.2% της συνολικής διακύμανσης. Ο Πίνακας 3 ελέγχει την υπόθεση στην ισότητα των μέσων τιμών των διαχωριστικών συναρτήσεων (δηλαδή τα κεντροειδή). Και Πίνακας 2: Ιδιοτιμές Συζητηση - Συμπερασματα Το BottomLab αποτελεί ένα δυναμικό εργαλείο που επιτρέπει την εκτίμηση παραμέτρων ποιότητας βυθού και στη συνέχεια την κατηγοριοποίηση των ακουστικών ανακλάσεων, εφόσον έχει βαθμονομηθεί προηγουμένως με τη βοήθεια γεωλογικών δειγμάτων. Οι τρεις σημαντικοί δείκτες ποιότητας βυθού που αναδείχτηκαν από τη στατιστική ανάλυση, παρότι προτείνονται από τη σχετική βιβλιογραφία, δεν θα πρέπει να θεωρηθούν και οι μοναδικοί δείκτες ποιότητας βυθού. Οι λοιποί δείκτες που υπολογίζονται από το σύστημα μπορεί να είναι επίσης σημαντικοί, αλλά για κάποιο άλλο υπόστρωμα, διαφορετι- Function Eigenvalue % of Variance Cumulative % Canonical Correlation (a) (a) (a) a First 3 canonical discriminant functions were used in the analysis. Πίνακας 3: Wilks Lambda Test of Function(s) Wilks Lambda Chi-square df Sig. 1 through through στις τρεις συναρτήσεις η υπόθεση ενός κακού διαχωρισμού απορρίπτεται, στις δυο πρώτες μάλιστα με πολύ υψηλή σημαντικότητα. Τέλος ο πίνακας ταξινόμησης μας δίνει για τους 20 σταθμούς της βαθμονόμησης υψηλό ποσοστό επιτυχίας (100%).

5 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 609 κής υφής από αυτά που χρησιμοποιήθηκαν στη βαθμονόμηση. Η διαδικασία της βαθμονόμησης είναι πολύ σημαντική, αφού τόσο η κλασική στατιστική ανάλυση (Συνάρτηση Διαχωρισμού), όσο και πιο πολύπλοκες τεχνικές κατηγοριοποίησης (Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα) δεν είναι σε θέση να κατηγοριοποιήσουν ένα δείγμα, χωρίς να υπάρχει προηγούμενη εμπειρία αυτού του είδους βυθού [4]. Συμπερασματικά πρέπει να τονισθεί η αξία της ανοικτής αρχιτεκτονικής του BottomLab, δηλαδή της ικανότητάς του να εξελίσσεται από πλευράς υπολογισμού νέων δεικτών αλλά και με τον εμπλουτισμό της βάσης του με νέα βαθμονομημένα δεδομένα. Ανοικτή επίσης παραμένει η επιλογή της μεθοδολογίας που χρησιμοποιείται στην κατηγοριοποίηση, σε αντίθεση με τα περισσότερα εμπορικά συστήματα που το σημαντικότερο μέρος της κατηγοριοποίησης δεν τεκμηριώνεται (black box). Το λογισμικό που αναπτύχθηκε επιτρέπει μελλοντικά την επέκταση των ακουστικών μετρήσεων με περισσότερες συχνότητες, γεγονός που το κάνει να ανταγωνίζεται και τα περισσότερο σοφιστικά εμπορικά συστήματα. Ευχαριστiες Οι συγγραφείς ευχαριστούν τη Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας για τη χρηματοδότηση της παρούσης έρευνας, μέσω του προγράμματος ΘΑΛΑΤΤΑ, ΕΠΑΝ- Ανθρώπινα Δίκτυα ( ). Βιβλιογραφiα Orlowski, Α., Application of multiple echo energy measurements for evaluation of sea bottom type. Oceanologia, 19, Chivers R.C., Emerson N. and Burns D.R., New acoustic processing for underway surveying. The Hydrographic Journal, 56, Heald, G.J. and Pace, N.G., 1996, An analysis of the 1st and 2nd backscatter for seabed classification. Proc. 3rd European Conference on Underwater Acoustics, June 1996 vol. II: Lurton X., An introduction to underwater acoustics: principles and applications. Springer, London.