基于XTF格式的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)解碼及可視化

郭　軍，馬金鳳，王愛(ài)學(xué)

(1.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510760；2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760;3.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學(xué) 海洋測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079)

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基于XTF格式的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)解碼及可視化

郭軍1,2，馬金鳳1,2，王愛(ài)學(xué)3,4

(1.國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510760；2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760;3.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學(xué) 海洋測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079)

從側(cè)掃聲納原理出發(fā)，深入研究XTF格式的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)解碼，提取各種統(tǒng)計(jì)參數(shù)及聲納回波強(qiáng)度信息，編程自動(dòng)生成側(cè)掃聲納瀑布圖，實(shí)現(xiàn)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)可視化。以南海某海域?qū)崪y(cè)XTF格式側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行解碼和可視化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明形成的側(cè)掃聲納圖像完全滿足海洋地質(zhì)調(diào)查需求，對(duì)識(shí)別海底微地形地貌提供精確可靠的依據(jù)。

側(cè)掃聲納系統(tǒng)；XTF格式；解碼；可視化；瀑布圖

側(cè)掃聲納系統(tǒng)具有海底全覆蓋、分辨率高、效率高、精度高及海底微地形地貌直接成像的特點(diǎn)，其獲取的聲納圖像是海底地形地貌的一種真實(shí)客觀地反映，聲納圖像上呈現(xiàn)出的紋理及幾何結(jié)構(gòu)是海底不同類(lèi)型底質(zhì)的直觀反映[1-6]?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，側(cè)掃聲納系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于海底區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中，為底質(zhì)識(shí)別和海洋油氣資源的探測(cè)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

近年來(lái)，隨著廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域調(diào)查項(xiàng)目和大洋科考項(xiàng)目的開(kāi)展，獲得越來(lái)越多XTF格式的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)，包括淺水?dāng)?shù)據(jù)和深海數(shù)據(jù)。目前，對(duì)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)的讀取主要依靠專業(yè)的商業(yè)軟件，如Triton Perspective軟件，SonarWeb軟件，SonarWizMap軟件等，但由于軟件的核心算法多涉及商業(yè)機(jī)密且軟件側(cè)重的功能不同，缺乏側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)提取功能，造成無(wú)法精確提取整個(gè)工區(qū)側(cè)掃聲納的作業(yè)長(zhǎng)度、覆蓋面積、測(cè)線的起始時(shí)間、起始經(jīng)緯度等參數(shù)，不能滿足海洋地質(zhì)調(diào)查的需求。為此，本文以南海某海域?qū)崪y(cè)XTF格式側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)為例，從側(cè)掃聲納原理出發(fā)，深入研究XTF格式的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行解碼及可視化研究，提取相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)并生成側(cè)掃聲納瀑布圖。

1　聲納成圖機(jī)理

側(cè)掃聲納原理：換能器發(fā)射聲脈沖，以球面波的方式傳播到物體后按原路徑反向散射至換能器，形成PING數(shù)據(jù)[7-8]。PING數(shù)據(jù)接收的是一條反映海底底質(zhì)特性的像素序列，每一個(gè)像素反映的是其對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)值。隨著船體的運(yùn)動(dòng)，側(cè)掃聲納不斷地向海底垂直發(fā)射波束并記錄回波，將采集的PING回波按測(cè)量的先后順序堆疊在一起即可形成原始的側(cè)掃聲納瀑布圖[9-11]。最后將PING的回波強(qiáng)度量化至灰度級(jí)上，便可形成側(cè)掃聲納灰度圖像。圖1為典型的側(cè)掃聲納瀑布圖。

側(cè)掃聲納瀑布圖由4部分組成：①零位線：換能器發(fā)射聲脈沖信號(hào)直接在顯示器上的記錄，同時(shí)也是拖魚(yú)航行的軌跡。②海底線：由每一行的第一個(gè)海底回波組成的強(qiáng)回波線，是水柱和海底回波圖像之間的明顯界限。③掃描線：聲納瀑布圖像的主要組成部分，為PING回波序列量化至灰度級(jí)上形成的單行序列圖像。④海面線：反映聲納的入水深度。

2　Edge Tech 4 200 MP

圖2　Edge Tech 4 200 MP側(cè)掃聲納測(cè)量系統(tǒng)

Edge Tech 4 200 MP是由美國(guó)生產(chǎn)的一款側(cè)掃聲納系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)，該系統(tǒng)采用全頻譜chirp技術(shù)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)為可獲得寬頻帶、高能量發(fā)射脈沖和高分辨率、高信噪比的回聲數(shù)據(jù)[12]，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　Edge Tech 4 200 MP主要技術(shù)指標(biāo)

3　數(shù)據(jù)來(lái)源

試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局在南海某海域采集的XTF格式側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)。聲納系統(tǒng)為Edge Tech 4 200 MP，數(shù)據(jù)采集為Edge Tech Discover軟件，單邊量程為200 m，作業(yè)時(shí)采用雙頻作業(yè)模式，即同時(shí)打開(kāi)122 kHz和400 kHz作業(yè)，船速保持為5節(jié)左右，主測(cè)線按垂直構(gòu)造布設(shè)，為NE-SE走向，聯(lián)絡(luò)測(cè)線垂直于主測(cè)線，為NW-SE走向，測(cè)線間距為5 km。定位系統(tǒng)為T(mén)rimble SPS351 DGPS導(dǎo)航定位儀，導(dǎo)航系統(tǒng)選用SDE-28S測(cè)深儀自由行。圖3為調(diào)查船只設(shè)備安裝位置示意圖。

調(diào)查海域位于南海近海，水深范圍大約0～90 m，已有的歷史調(diào)查資料顯示：該海域海底底質(zhì)比較復(fù)雜，主要為泥砂、淤泥、兼有少量的沙礫、基巖等。

圖3　設(shè)備安裝位置示意

野外作業(yè)時(shí)，受數(shù)據(jù)采集軟件的限制，一條測(cè)線由若干個(gè)XTF格式文件組成，每一個(gè)XTF格式文件大小設(shè)置為300 MB左右，長(zhǎng)度約4 km。

4　 XFT格式數(shù)據(jù)

XTF(Xtended Triton Format)是由美國(guó)Triton公司編制的一種用來(lái)存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)類(lèi)型的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，其具有很強(qiáng)的伸縮性和可擴(kuò)展性，可保存聲納、航行、遙測(cè)、測(cè)深等多種類(lèi)型的信息，且不同類(lèi)型信息的存儲(chǔ)并不互相影響。

每一個(gè)XTF文件都以一個(gè)文件頭記錄開(kāi)始，緊跟其后為一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)包，文件頭數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在XTFFILEHEADER結(jié)構(gòu)中，見(jiàn)圖4。每一個(gè)XTFFILEHEADER結(jié)構(gòu)包含6個(gè)通道信息，通道信息存儲(chǔ)在CHANINFO結(jié)構(gòu)中。

CHANINFO結(jié)構(gòu)與文件結(jié)尾之間存儲(chǔ)著數(shù)據(jù)包，每一個(gè)數(shù)據(jù)包包含一個(gè)hand結(jié)構(gòu)，主要有4種類(lèi)型的數(shù)據(jù)包：聲納、測(cè)深、姿態(tài)及注釋。

圖4　XTF文件結(jié)構(gòu)

5　XFT格式解碼及軟件編程實(shí)現(xiàn)

解碼時(shí)首先讀取頭部說(shuō)明部分，依據(jù)頭部說(shuō)明中的文件格式來(lái)判斷是否為XFT格式。編程讀取PING數(shù)據(jù)時(shí)采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，首先計(jì)算總的PING數(shù)，采用指針循環(huán)讀取每一個(gè)PING信息。根據(jù)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)NumSamples乘以采樣精度BytesPerSample計(jì)算出采樣數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，并以此讀取采樣數(shù)據(jù)。最終將每一個(gè)PING的數(shù)據(jù)完全解編，轉(zhuǎn)成明碼文件，寫(xiě)到文本文件中，提供后續(xù)的參數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算及數(shù)據(jù)可視化。

本文采用MATLAB平臺(tái)，編程實(shí)現(xiàn)了XTF格式側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)的解碼，程序界面如圖5和圖6所示。程序主要由文件、數(shù)據(jù)處理、航跡信息、質(zhì)量評(píng)價(jià)、可視化5個(gè)模塊組成。數(shù)據(jù)處理包含單條測(cè)線解碼和多條測(cè)線解碼，獲得參數(shù)有：文件名、采樣設(shè)備、記錄程序、采樣間隔、采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)、總PING數(shù)、測(cè)線長(zhǎng)度、斜距量程、覆蓋面積等等。

圖5　軟件界面

圖6　測(cè)線解碼

6　瀑布圖顯示

對(duì)解碼提取的左右舷回波分別進(jìn)行處理，按采樣順序橫向排列每一個(gè)回波得到一個(gè)PING數(shù)據(jù)，再將PING數(shù)據(jù)按照測(cè)量順序縱向堆疊，便可以得到二維的回波數(shù)組，數(shù)組的每一個(gè)元素線性量化至[0,255]之間，從而形成圖像數(shù)組，最后添加相應(yīng)的圖像頭文件結(jié)構(gòu)，即可形成側(cè)掃聲納的瀑布圖像文件。

表2為南海某海域?qū)崪y(cè)XTF文件提取的數(shù)據(jù)包信息，據(jù)此計(jì)算Edge tech側(cè)掃聲納的橫向分辨率和縱向分辨率分別為1.7 cm和79 cm。

表2　實(shí)測(cè)XTF文件中提取的聲納數(shù)據(jù)包信息

從計(jì)算結(jié)果可以看出，橫向分辨率非常高，達(dá)到了厘米級(jí)，縱向分辨率相對(duì)較低，達(dá)到了79 cm(縱向分辨率與野外采集時(shí)船速有關(guān))，盡管橫向分辨率和縱向分辨率的尺度不一樣，但其成圖效果足以滿足海洋地質(zhì)調(diào)查的需求。圖7～圖9展示了軟件編程實(shí)現(xiàn)的側(cè)掃聲納圖像，可以看出沙波沙脊形態(tài)可辨，走向清晰，海底管線輪廓及走向格外明朗。經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得，圖7中沙波條紋寬度約4 m，高約1.3 m，圖8中沙脊寬約21 m，圖9中的海底管線寬約8 m。

圖7　沙波

圖8　沙脊

圖9　海底管線

瀑布圖中呈現(xiàn)出各種地形地貌，尤其是沙坡和沙脊，紋理結(jié)構(gòu)清晰，輪廓明朗，連續(xù)性和分辨率較高，適用于大規(guī)模大范圍的海底地貌研究和海底目標(biāo)物探測(cè)及標(biāo)定，完全滿足地質(zhì)調(diào)查的需求。

7　結(jié)束語(yǔ)

本文深入研究XTF格式側(cè)掃聲納原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對(duì)XTF格式進(jìn)行解碼，提取各種統(tǒng)計(jì)參數(shù)和聲納的回波強(qiáng)度信息，基于matlab平臺(tái)實(shí)現(xiàn)回波強(qiáng)度的可視化編程，取得理想的效果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述實(shí)施過(guò)程和技術(shù)方法的正確性。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

Decode and visualization of side-scan sonar data based on extended triton format

GUO Jun1,2,MA Jinfeng1,2,WANG Aixue3,4

(1.Key Laboratory of Marine Mineral Resources，Ministry of Land and Resources, Guangzhou 510760，China；2.Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760，China；3.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China；4.Marine Surveying and Mapping Research Center，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

This paper presents in detail the data structure of the XTF format of side-scan sonar, realizes decode automatically, then extractes the statistics parameters and the echo intensity advantages，finally achieves the waterfall image of side-scan sonar and visualization of side-scan sonar data form the south china sea. The result shows the side-scan sonar image can meet the needs of marine geological survey and provide an accurate and reliable basis for submarine microgeomorphology recognition.

side-scan sonar；extended triton format；decode；visualization；waterfall image

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.11.010

2016-02-16

國(guó)家專項(xiàng)工作資助項(xiàng)目(GZH201100312-01);國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(1212011220117)

郭軍(1984-)，男，工程師，碩士.

TP391.41

A

1006-7949(2016)11-0050-04