基于側(cè)掃聲吶的海底管道可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

庫(kù)安邦，楊 鯤

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

海底環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，受海洋水動(dòng)力、海流的沖刷等影響，海底管道下方沉積物容易被掏蝕從而出現(xiàn)裸露、懸空等現(xiàn)象，懸跨長(zhǎng)度過長(zhǎng)就會(huì)使管道發(fā)生斷裂[1]，出現(xiàn)油氣泄漏，經(jīng)濟(jì)蒙受巨大損失的同時(shí)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成惡劣的影響。因此人們?cè)絹碓街匾暫５坠艿赖臋z測(cè)和維護(hù)，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)以其低成本、高效率、高分辨率等優(yōu)勢(shì)在海底管道檢測(cè)方面應(yīng)用越來越廣泛[2-6]。來向華[7-8]等針對(duì)單波束和側(cè)掃聲吶探測(cè)海底管道進(jìn)行了探究，驗(yàn)證了單波束和側(cè)掃聲吶系統(tǒng)檢測(cè)海底管道的實(shí)用性；安永寧[9]等提出了針對(duì)管道懸空具體的治理方法；荊少東[10]考慮了不同海底地貌對(duì)海底管道穩(wěn)定性的影響；王雷[11]等分析了海底管道存在的不同狀態(tài)，根據(jù)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)探測(cè)結(jié)果，針對(duì)不同的管道狀態(tài)提出了對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法；張彥昌[12]、張永明[13]、馮百全[14]等人針對(duì)綜合側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、多波束系統(tǒng)等多種手段探測(cè)海底管線進(jìn)行了介紹，對(duì)比分析了各個(gè)聲學(xué)探測(cè)方法的優(yōu)劣性，最后得出了綜合探測(cè)效果最佳的結(jié)論。

雖然前人對(duì)側(cè)掃聲吶探測(cè)海底管道進(jìn)行了大量的總結(jié)和論述，但是傳統(tǒng)的分析和研究多基于商業(yè)軟件，各廠商軟件雖然可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的瀑布圖顯示和處理，但鑒于各個(gè)公司軟件側(cè)重功能不同，無法滿足針對(duì)性的需求。對(duì)感興趣的區(qū)域研究或直接在圖像顯示軟件上截取灰度圖，針對(duì)截取的灰度圖做進(jìn)一步的分析，顯示軟件上的目標(biāo)灰度圖像經(jīng)過了系統(tǒng)的壓縮、轉(zhuǎn)換處理等，在一定程度上存在失真和畸變，為保證后續(xù)數(shù)據(jù)二次開發(fā)的準(zhǔn)確性，本文以XTF格式側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)為例，解析原始數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行一系列的改正處理，最終得到完整的、較準(zhǔn)確的管道聲吶圖像，并將其集成開發(fā)了聲吶管道數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。

1 XTF格式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

XTF文件由一個(gè)頭文件開始，包含文件的標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)通道信息。一個(gè)頭文件至少是1 KB，文件信息占256個(gè)字節(jié)，包含聲吶類型、通道數(shù)量等信息；一個(gè)頭文件結(jié)構(gòu)體包含六個(gè)通道空間，主要記錄通道的類型、采樣精度等信息。頭文件之后就是各個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包包含各自的頭文件，用于識(shí)別數(shù)據(jù)包的類型和大小等，各數(shù)據(jù)包相互獨(dú)立，可以按需讀取。XTF文件中主要的數(shù)據(jù)包類型有測(cè)深、聲吶等，數(shù)據(jù)包頭文件后邊就是通道數(shù)據(jù)，通道數(shù)據(jù)包含通道頭文件和采樣數(shù)據(jù)，通道頭文件中包含聲吶系統(tǒng)采樣方式、采樣率等信息，對(duì)于側(cè)掃聲吶采樣數(shù)據(jù)就是回波強(qiáng)度。其他幾個(gè)數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)分布和聲吶數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)是一致的，本次研究?jī)H針對(duì)聲納數(shù)據(jù)開展研究，其他就不再贅述。

2 關(guān)鍵技術(shù)

從采集的原始側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)入手，分析XTF格式側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)成圖關(guān)鍵步驟，著重介紹了數(shù)據(jù)解碼、海底線檢測(cè)和航跡處理等部分，最后集成各關(guān)鍵步驟算法，集成開發(fā)了海底管道可視化系統(tǒng)，高效的管理和使用側(cè)掃聲吶海底管道數(shù)據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)解碼

根據(jù)XTF文件的組成結(jié)構(gòu)，按照?qǐng)D1順序讀取XTF文件，XTF頭文件主要包括字段、字節(jié)偏移量和注釋三部分，字段表示各部分名稱，字節(jié)偏移量對(duì)應(yīng)字段開始的位置，根據(jù)這一特點(diǎn)，讀取數(shù)據(jù)時(shí)可合理利用指針工具，根據(jù)字節(jié)偏移量針對(duì)性的讀取聲吶數(shù)據(jù)包內(nèi)的所有內(nèi)容。利用指針偏移讀取數(shù)據(jù)包頭文件后就進(jìn)入到通道記錄的數(shù)據(jù)，經(jīng)過通道數(shù)據(jù)頭文件的“放行”后，就見到了重要的聲強(qiáng)采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)高低頻，左右舷的先后順序，依次讀取每個(gè)通道中的采樣數(shù)據(jù)，再依次按順序組合。

圖1 XTF數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)圖Fig.1 XTF structure diagram of data flow

2.2 閾值法檢測(cè)海底線

2-a 閾值法檢測(cè)海底線 2-b 海底線跟蹤圖2 閾值法檢測(cè)海底線Fig.2 Threshold method for detection of submarine line

海底線由海底點(diǎn)連接形成，每個(gè)海底點(diǎn)是單Ping掃描序列的第一個(gè)海底強(qiáng)回波。傳播至海底的回波信號(hào)會(huì)發(fā)生階躍性變化，可通過設(shè)定合適的閾值I，按照發(fā)射接收的先后順序，提取每個(gè)回波序列中首個(gè)大于I的回波并認(rèn)為該回波為到達(dá)海底的第一個(gè)回波(圖2)，也就是拖魚至海底的高度，連接每一個(gè)海底點(diǎn)就得到了海底線，本文設(shè)定閾值檢測(cè)首個(gè)回波采用左-右綜合提取法，當(dāng)一側(cè)“水柱區(qū)域”存在懸浮物時(shí)，多個(gè)異常點(diǎn)會(huì)對(duì)首個(gè)回波檢測(cè)產(chǎn)生干擾，此時(shí)利用海底線左右對(duì)稱原則，檢測(cè)另一側(cè)海底點(diǎn)對(duì)稱該對(duì)應(yīng)區(qū)域，此法對(duì)于復(fù)雜海況聲吶數(shù)據(jù)海底線跟蹤適用性更強(qiáng)。

表1 聲吶圖像部分Ping對(duì)應(yīng)的時(shí)間和位置信息Tab.1 The time and location with part of sonar image

2.3 航跡處理

表1為解碼出的部分Ping對(duì)應(yīng)的時(shí)間和位置信息，可以看出側(cè)掃聲吶采樣間隔約為0.12 s；GPS記錄通常以秒為單位，前5Ping的位置信息是一樣的，7、8Ping位置信息也是一樣的，因此要想得到每一Ping的真實(shí)位置，保證地理編碼的準(zhǔn)確性，需要對(duì)其位置進(jìn)行重采樣。

如圖3可知，原始航跡點(diǎn)非常稀疏，經(jīng)等距插值后每一Ping均具有位置信息，但當(dāng)航向不穩(wěn)定或有轉(zhuǎn)角的地方，插值后仍存在扇形裂縫無法消除，將會(huì)影響圖像的細(xì)節(jié)特征，因此對(duì)插值后的航跡采取三次B樣條函數(shù)平滑，本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平滑后的航跡有效的刪除了扇形裂縫和重疊，更加符合真實(shí)效果。當(dāng)測(cè)量船急轉(zhuǎn)彎或避讓測(cè)線上障礙物而導(dǎo)致的航跡劇烈變化時(shí)，此時(shí)需在對(duì)原始航跡點(diǎn)插值前進(jìn)行預(yù)處理編輯，如剔除異常點(diǎn)之后再進(jìn)行插值擬合，或直接將航跡以突變區(qū)為節(jié)點(diǎn)截?cái)喾珠_處理，最后在對(duì)應(yīng)時(shí)間位置進(jìn)行地理編碼。

2.4 地理編碼

像素地理編碼是指根據(jù)處理后的航跡數(shù)據(jù)，將每一個(gè)采樣點(diǎn)的位置納入指定的坐標(biāo)系，賦予聲吶圖像每一個(gè)像素點(diǎn)位置信息，主要步驟包括：(1)建立地理編碼模型；(2)定義像素分辨率；(3)計(jì)算地理編碼矩形；(4)像素點(diǎn)坐標(biāo)變換。考慮篇幅大小，在此不再贅述具體過程。

3-a 等距離插值航跡圖3-b 三次B樣條函數(shù)平滑航跡圖圖3 等距離插值和三次B樣條函數(shù)擬合航跡圖Fig.3 Equidistance interpolated and three B spline fitted track map

圖4 側(cè)掃聲吶海底管道數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)Fig.4 Visualization system of side scan sonar data of submarine pipeline

3 海底管道可視化系統(tǒng)

前面介紹了從數(shù)據(jù)解碼一直到地理編碼完成的關(guān)鍵步驟。為更方便快捷的處理側(cè)掃聲吶海底管道數(shù)據(jù)，集成關(guān)鍵算法，編寫了一套海底管道可視化系統(tǒng)，界面簡(jiǎn)潔明了，實(shí)現(xiàn)了側(cè)掃聲吶海底管道數(shù)據(jù)預(yù)處理的友好的人機(jī)交互界面。系統(tǒng)的主要框架如圖4所示，主要包括數(shù)據(jù)顯示、處理和評(píng)價(jià)三個(gè)方面，具體包括原始側(cè)掃聲吶管道數(shù)據(jù)的可視化顯示，可以直觀的展示懸空裸露段的海底管道，然后根據(jù)需要進(jìn)行針對(duì)性的摘取分析、處理，提高了數(shù)據(jù)分析的效率，另外還可以對(duì)原始文件里提取的管道數(shù)據(jù)和輔助信息進(jìn)行二次開發(fā)利用，并對(duì)其數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)。

檢測(cè)到海底線后，可以對(duì)聲吶圖像進(jìn)行畸變校正等操作，主要包括斜距改正和輻射校正，圖5為改正前后的對(duì)比圖，斜距改正后的聲吶圖像消除了距離向的畸變，經(jīng)過輻射校正消除了縱向灰度不均勻產(chǎn)生的圖像畸變。斜距改正的好壞在于海底線跟蹤的準(zhǔn)確性，本文采用左-右綜合閾值檢測(cè)法跟蹤海底線，可靠性和準(zhǔn)確性更強(qiáng)；輻射校正先根據(jù)式(1)計(jì)算出聲吶圖像每列像素灰度值相對(duì)整個(gè)聲吶圖像灰度的改正因子，然后根據(jù)(2)式改正每列聲吶圖像像素灰度的不均衡，從而達(dá)到消除輻射畸變的目的。

(1)

式中：i是行號(hào)；j是列號(hào)；n為每列像素個(gè)數(shù)；m為聲吶圖像總像素?cái)?shù)；xij表示i行j列像素的灰度值。

(2)

圖5 聲吶圖像畸變改正前后對(duì)比圖Fig.5 Comparison of sonar images before and after distortion correction

另外該軟件還可以提取姿態(tài)、時(shí)間等其他輔助信息，并將它們以文本的形式保存，如圖6為提取的部分輔助信息并將其以文本形式存儲(chǔ)以備二次利用，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)換參數(shù)，在航跡處理環(huán)節(jié)，可以提取原始數(shù)據(jù)中記錄的坐標(biāo)信息，可實(shí)現(xiàn)大地坐標(biāo)和直角坐標(biāo)等之間的相互轉(zhuǎn)換，改正后的航跡應(yīng)用到地理編碼中，最終得到具有地理位置信息的無畸變聲吶圖像。

圖6 輔助信息存儲(chǔ)文本Fig.6 Auxiliary information stores by text

4 結(jié)論

本文從實(shí)測(cè)側(cè)掃聲吶海底管道數(shù)據(jù)入手，介紹了數(shù)據(jù)處理過程的關(guān)鍵部分，最后對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了整合和封裝，開發(fā)了一套海底管道可視化系統(tǒng)，可以快速的對(duì)實(shí)測(cè)聲吶管道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和相關(guān)信息提取，為數(shù)據(jù)的二次開發(fā)利用提供了很好的條件，本系統(tǒng)的創(chuàng)新性主要在于以聲吶管道數(shù)據(jù)處理為切入點(diǎn)，綜合各個(gè)關(guān)鍵步驟算法，可以對(duì)海底顯著特征物進(jìn)行針對(duì)性的分析，軟件相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用，另外可以根據(jù)需要針對(duì)性的添加對(duì)應(yīng)的處理算法；但仍存在需要完善的地方，由于開發(fā)語言存在一定的低效性，所以對(duì)于單個(gè)數(shù)據(jù)量很大的聲吶條帶存在一定的局限性，后續(xù)筆者會(huì)繼續(xù)深入研究并優(yōu)化各個(gè)算法，增加條帶鑲嵌等功能，使整個(gè)系統(tǒng)更加完善實(shí)用。