韓春花，張俊明，梁建峰,3，殷汝廣

（1.國家海洋信息中心，天津 300171； 2.北京正航科技有限公司，北京 100039； 3.南開大學計算機系，天津 300071）

側(cè)掃聲吶探測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

韓春花1，張俊明2，梁建峰1,3，殷汝廣1

（1.國家海洋信息中心，天津 300171； 2.北京正航科技有限公司，北京 100039； 3.南開大學計算機系，天津 300071）

側(cè)掃聲吶調(diào)查獲得的數(shù)據(jù)是一類格式特殊、類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大、包含信息豐富的數(shù)據(jù)，設(shè)計和建立側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)深層次應(yīng)用和共享的前提。針對側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的特點，本文將側(cè)掃聲吶獲得的完整數(shù)據(jù)體系規(guī)劃為原始數(shù)據(jù)層、標準化數(shù)據(jù)層、目標數(shù)據(jù)層和元數(shù)據(jù)層4個層次，設(shè)計并開發(fā)了側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，整個管理系統(tǒng)包括原始數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、質(zhì)量評價模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和數(shù)據(jù)成果集成展示與服務(wù)模塊。各個模塊既可獨立運行，相互之間又有關(guān)聯(lián)，形成一個相對完整的管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)及各類成果數(shù)據(jù)多樣化有效處理與管理。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項中的全部側(cè)掃聲吶調(diào)查數(shù)據(jù)的管理，并取得了較好的效果。

側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)管理；數(shù)據(jù)體系；管理系統(tǒng)

Abstract：Side-scan sonar data is characterized by special format, large amount and rich information.It is necessary to design and implement the side-scan sonar data management system for these data’s sharing and reusing.Aiming at the characters of side-scan sonar data, the data system is divided into four layers: raw data, standard data, aim data, and metadata.A massive side-scan sonar data management system is designed to manage the data system.There are six modules in this management system.That is, raw data management, data preprocessing, data processing, data assessment, database and data display & service.They can not only operate individually, but also be associated.So a unitary management system comes into being to realize the effective management of both raw data and product data.It has been applied to manage all the side-scan sonar data of Comprehensive Inshore Investigation and Assessment, and good effect has been acquired.

Keywords: Side-scan sonar data; data management; data system; management system.

側(cè)掃聲吶融合了聲學、數(shù)字信號處理、導(dǎo)航定位和計算機等多種技術(shù)，是利用聲波來揭示水體環(huán)境下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的有效系統(tǒng)，為人們提供了一種新型的海底面狀數(shù)據(jù)源，在海底目標探測、海洋地質(zhì)勘探、海洋工程、港口及航道疏浚等方面具有廣泛的應(yīng)用[1-7]。側(cè)掃聲吶探測所獲取的數(shù)據(jù)是一類格式特殊、類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大、包含信息豐富的數(shù)據(jù)。對這類數(shù)據(jù)的管理與一般的二維數(shù)據(jù)表有所不同，目前，測量單位對于這類數(shù)據(jù)的管理普遍采用文件管理的方式，即不同類型的文件分散存放，使用時再利用不同的軟件進行數(shù)據(jù)回放。這種管理方式雖然簡單，但是數(shù)據(jù)查詢、調(diào)用比較繁瑣，數(shù)據(jù)利用率及可視化程度都較低，且不方便說明各種類型數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，隨著數(shù)據(jù)量的與日俱增，數(shù)據(jù)管理、檢索和使用變得極為困難。

1 側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)分析

側(cè)掃聲吶以柵格數(shù)據(jù)記錄環(huán)境聲學特征，輸出圖像產(chǎn)品。通過圖像的人工解譯，獲取海底地形地貌特征，并進一步揭示地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)作用過程。分析大量的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)特點如下：

（1）格式的特殊性：側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)需要特定的軟件才能讀取，普通編輯軟件是無法讀取的。

不同型號的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，存儲的探測數(shù)據(jù)格式不同；各設(shè)備使用者，由于探測環(huán)境的差異，采用的參數(shù)設(shè)置不同，數(shù)據(jù)的采集和存儲記錄方式?jīng)]有統(tǒng)一的標準，導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲方式差異較大，不利于數(shù)據(jù)的標準化、統(tǒng)一化管理。

（2）數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)復(fù)雜：側(cè)掃聲吶調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)類型較多，既有以不同格式記錄的側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)等原始文件，航跡圖、側(cè)掃聲吶聲學影像圖等圖件文件，還有現(xiàn)場質(zhì)量控制的各類班報記錄等文檔說明材料，以及后續(xù)的調(diào)查報告（包括航次報告）、加工后處理的各類數(shù)據(jù)－柵格數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)和材料種類繁多，數(shù)據(jù)類型復(fù)雜但它們又相互聯(lián)系。

圖1 側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)體系Fig.1 Side-scan sonar data system

（3）數(shù)據(jù)量龐大：側(cè)掃聲吶的數(shù)據(jù)是海量的，且數(shù)據(jù)的增長和更新的速度也越來越快。單就我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項而言，就已經(jīng)獲取了近2TB的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)。

（4）包含信息豐富：側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)中記錄了導(dǎo)航、水深、溫度、壓力等各類豐富的信息，對這些信息進一步加工利用，將大大提高數(shù)據(jù)的價值。

可見，建立側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系并構(gòu)建數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的再利用是十分有意義的。

2 側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)體系

按照側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)特點，將整個數(shù)據(jù)體系自下而上分為4個層次，即：原始數(shù)據(jù)層、標準化數(shù)據(jù)層、目標數(shù)據(jù)層和元數(shù)據(jù)層。采用這種分層次管理數(shù)據(jù)的方式，可以滿足不同人員、不同研究目標的需求。

原始數(shù)據(jù)層：包括原始的航次報告、現(xiàn)場測量班報、室內(nèi)處理班報、資料處理與質(zhì)量評價報告等文檔材料；原始的導(dǎo)航數(shù)據(jù)、儀器現(xiàn)場記錄的不同格式的原始數(shù)據(jù)；標準化數(shù)據(jù)層：按照有關(guān)標準和格式，具有標準命名、標準格式、修正了明顯訛誤的數(shù)據(jù)、從原始數(shù)據(jù)中提取或統(tǒng)計計算出的數(shù)據(jù)（如航跡數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)、測線長度、測線走向等信息）、解編后的數(shù)據(jù)等。

目標數(shù)據(jù)層：主要包括可直接利用的成果數(shù)據(jù)，包括鑲嵌圖數(shù)據(jù)、目標圖像數(shù)據(jù)、目標解譯信息和成果圖件等。

元數(shù)據(jù)層：元數(shù)據(jù)基本信息、概要信息、詳細信息[8]。

3 側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

針對側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的特點及數(shù)據(jù)體系管理要求，筆者及相關(guān)人員組織開發(fā)了大規(guī)模側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)運行Windows平臺，編程工具采用Visual Studio 2008，全部代碼由C++實現(xiàn)。整個管理系統(tǒng)包括6個模塊，分別為：原始數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、質(zhì)量評價模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和數(shù)據(jù)成果集成展示與服務(wù)模塊。各個模塊既可獨立運行，相互之間又有關(guān)聯(lián)，形成一個相對完整的管理系統(tǒng)，既可對原始數(shù)據(jù)進行管理，也可對原始數(shù)據(jù)進行加工處理，生成標準化數(shù)據(jù)、目標數(shù)據(jù)、提取元數(shù)據(jù)，并對各層數(shù)據(jù)進行有效管理。整個數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)體系的關(guān)系如圖1所示。

3.1 原始數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊主要是管理原始數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)，各類原始數(shù)據(jù)采用文件形式存儲，不做任何改動，以保證數(shù)據(jù)的原始屬性。通過原始數(shù)據(jù)模塊提取原始數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息，作為索引信息，方便數(shù)據(jù)的查詢檢索。該模塊功能主要是可自動生成電子資料的清單目錄，包括：文件名、文件大小、文件類型、創(chuàng)建時間、修改時間、訪問時間、文件所在目錄等信息。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是形成一套具有標準命名、格式統(tǒng)一、修正了明顯錯誤的數(shù)據(jù)（如異常定位點的刪除），為數(shù)據(jù)處理作準備。數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的功能包括數(shù)據(jù)重命名、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)修正等。

3.2.1 數(shù)據(jù)重命名 各調(diào)查單位的數(shù)據(jù)命名規(guī)則不統(tǒng)一，為方便管理和計算機自動批處理，按照統(tǒng)一的命名規(guī)則（資料類型代碼＋項目代碼＋單位代碼＋區(qū)塊名稱＋序號），對原始數(shù)據(jù)進行重命名，并將原始命名與標準命名的一一對應(yīng)關(guān)系同時存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便查找對應(yīng)，數(shù)據(jù)重命名界面如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)標準化重命名Fig.2 Standardized rename of data

3.2.2 格式轉(zhuǎn)換 由于側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，包括：Q-mips、.SDF、.JSF、.XTF等多種格式，在數(shù)據(jù)應(yīng)用時，統(tǒng)一采用目前通用的海底聲學勘探數(shù)據(jù)組織格式XTF文件格式。目前可參考的文獻中大部分格式轉(zhuǎn)換是將原始的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)（Q-mips格式、XTF格式、JSF格式）轉(zhuǎn)換成通用的tif、Geotiff 或BMP格式[9-11]。本系統(tǒng)不但實現(xiàn)了上述格式轉(zhuǎn)換功能，還根據(jù)不同數(shù)據(jù)格式標準，實現(xiàn)了由Q-mips、SDF、JSF向XTF格式轉(zhuǎn)換功能。圖3與圖4所示為Q-mips格式向XTF格式轉(zhuǎn)換的實例，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后并沒有丟失任何信息。

3.2.3 數(shù)據(jù)修正 數(shù)據(jù)修正功能主要是對導(dǎo)航數(shù)據(jù)的修正，在原始數(shù)據(jù)中，往往會出現(xiàn)導(dǎo)航點偏移、劇烈跳動的情況，對導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行必要的修正，并將修正后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)重新寫入XTF文件中。

圖3 Q-mips格式數(shù)據(jù)回放效果Fig.3 Display of Q-mips data

圖4 轉(zhuǎn)換成XTF格式數(shù)據(jù)后的回放效果Fig.4 Display after conversion

經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊的處理后，產(chǎn)生的是一套具有規(guī)則的標準命名、格式統(tǒng)一、去除了訛誤的原始數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

為更好的利用數(shù)據(jù)，還需要從數(shù)據(jù)中提取出必要信息，數(shù)據(jù)處理模塊基本實現(xiàn)了這一功能。該模塊功能主要包括XTF文件解編、統(tǒng)計信息提取與計算統(tǒng)計、側(cè)掃聲吶圖形顯示及處理、鑲嵌圖制作等功能。

3.3.1 XTF文件解編 XTF文件由文件頭和Ping數(shù)據(jù)包組成，分別讀取頭文件中的文件頭結(jié)構(gòu)、通道信息結(jié)構(gòu)，讀取Ping數(shù)據(jù)包中的Ping頭結(jié)構(gòu)信息和通道信息，即可解編XTF數(shù)據(jù)，解編后的XTF數(shù)據(jù)為明碼的.txt文件，可以直接從中讀取頭結(jié)構(gòu)與每一Ping的數(shù)據(jù)信息。

3.3.2 信息提取與統(tǒng)計計算 XTF文件全部解編后，便可深入到數(shù)據(jù)內(nèi)部，提取與統(tǒng)計計算所需要的信息?？商崛『桔E信息：包括每一Ping數(shù)據(jù)的經(jīng)度、緯度、時間；計算統(tǒng)計信息：包括采樣設(shè)備、記錄程序、數(shù)據(jù)標準、Ping間隔、采樣點個數(shù)、總Ping數(shù)、測線長度、斜距量程、覆蓋面積、作業(yè)始、終時間、測線用時、測線始、終點的經(jīng)緯度、測線走向等信息。

本系統(tǒng)可實現(xiàn)XTF文件解編、信息提取與統(tǒng)計計算批量同時進行。如處理99.xtf 文件時，同時生成一個99_trace.txt（航跡信息）（圖5）、99_info.txt（xtf解編文件）（圖6）和 99.cvs（信息統(tǒng)計計算文件）。

3.3.3 側(cè)掃聲吶圖形顯示及處理 在此模塊中可以實現(xiàn)側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的瀑布圖顯示、增益和調(diào)整[12]、斜距校正（圖7，圖8）及鑲嵌圖制作[13]等功能，可直觀的瀏覽XTF格式數(shù)據(jù)，并可對其進行各種操作。

圖5 提取后的航跡信息Fig.5 Trace data extracted

圖6 解編后的XTF文件Fig.6 Extended Triton Format data released

圖7 原始圖像顯示Fig.7 Display of raw data

3.4 質(zhì)量評價模塊

根據(jù)實際工作經(jīng)驗，選取了XTF數(shù)據(jù)中的定位數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)、信號強度、船速、測線平直度及數(shù)據(jù)完整性6個要素作為質(zhì)量評價指標，可批量地對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質(zhì)量評價?？稍敿毑榭疵織l測線的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，同時可輸出質(zhì)量評價報告。上述的6項評價參數(shù)，既評價了當時現(xiàn)場施工時的工作情況，如資料完整性、測量船速，又評價了測線文件的質(zhì)量情況，如信號強度。且實現(xiàn)了計算機批量的自動評價，大大節(jié)省了人力，且提高了評判的質(zhì)量。

圖8 斜距校正后的圖像顯示Fig.8 Display of the data after the Slant Range corrected

圖9 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價模塊Fig.9 Data assessment module

3.5 數(shù)據(jù)庫管理模塊

整個側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)庫包括：側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)庫、資料管理信息數(shù)據(jù)庫、聲納圖像目標庫、元數(shù)據(jù)庫4個部分。

3.5.1 側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)庫 側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)量龐大，該類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲一般采用數(shù)據(jù)庫中存放索引信息，數(shù)據(jù)并不存儲在數(shù)據(jù)庫中的方式，這種方式簡單，但是不利于隨時查看數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)成功運用了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲大規(guī)模的側(cè)掃聲吶原始數(shù)據(jù)。一個測區(qū)使用一個數(shù)據(jù)庫，該測區(qū)中的測線使用數(shù)據(jù)庫中的表存儲，原始文件中每一Ping或者每一包的信息使用數(shù)據(jù)表中的一條記錄存取，由此化整為零。這種方式加快了數(shù)據(jù)庫響應(yīng)速度，雖然數(shù)據(jù)庫中的表增多，但每個表中的記錄行數(shù)和數(shù)據(jù)規(guī)模不會很大，一般 10萬余條數(shù)據(jù)和4GB空間基本足夠。數(shù)據(jù)加載入庫后，可調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊中的圖形顯示功能，可直觀的進行數(shù)據(jù)查詢。

3.5.2 資料管理信息數(shù)據(jù)庫 存放了資料目錄清單、航跡數(shù)據(jù)、統(tǒng)計信息數(shù)據(jù)，使用時可方便地查詢檢索。

3.5.3 側(cè)掃聲吶圖像目標庫 采用騰惠忠等人（2003年）提出的在側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)庫管理設(shè)計時建立聲納圖像目標庫的思路。聲納圖像目標庫以原始數(shù)據(jù)格式記錄圖像，保留原始圖像的所有信息，給今后的目標圖像比對分析和處理留下空間，同時實時記錄圖像的處理方法和分析說明，并提取圖像的特征信息[14]。海底地貌聲納圖像是走航式的條帶圖像，根據(jù)目標管理思想，截取典型的側(cè)掃聲吶圖像進行單獨存儲，將有利于資料的使用。

3.5.4 元數(shù)據(jù)庫 存放數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息，分為元數(shù)據(jù)基本信息、概要信息、詳細信息，方便用戶查詢檢索，有關(guān)元數(shù)據(jù)的內(nèi)容在這里不再詳述。

3.6 數(shù)據(jù)成果集成展示和服務(wù)模塊

數(shù)據(jù)集成展示和服務(wù)是大規(guī)模數(shù)據(jù)處理與管理的重要手段，也是實現(xiàn)處理結(jié)果圖形化檢索的用戶接口。用戶通過這種方式既可以直觀的在地圖上瀏覽處理成果，也可以直觀的從海量的數(shù)據(jù)文件中直接調(diào)取原數(shù)據(jù)。TrueGIS系統(tǒng)是成果展示基礎(chǔ)平臺的主要組成部分，是基于地理空間的存儲管理核心。系統(tǒng)的基礎(chǔ)包括大地計算模塊與基本幾何庫、計算幾何庫。主要內(nèi)容包括基本空間數(shù)據(jù)的組織管理、二維呈現(xiàn)、三維可視化、空間分析等內(nèi)容(圖10)。采用Windows Server 2008R2 64位操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，完成了TrueGIS的研究開發(fā)。在整個成果集成展示與服務(wù)系統(tǒng)上，將處理系統(tǒng)中處理的航跡、調(diào)查信息、鑲嵌圖等信息加載入該系統(tǒng)，就可直觀的看到航跡的分布與演示與海底地貌等（圖11）。

圖10 TrueGIS系統(tǒng)總體框架Fig.10 Frame of TrueGIS system

圖11 圖形化成果顯示Fig.11 Display in graphics mode

4 結(jié) 語

筆者根據(jù)實際的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)管理工作經(jīng)驗，劃分了側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)體系，并通過側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)成功實現(xiàn)了海量側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的高效管理，該系統(tǒng)已經(jīng)在國家海洋信息中心數(shù)據(jù)平臺運行，實現(xiàn)了對我國近海海洋綜合調(diào)查專項中的全部 28個區(qū)塊近2TB的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的管理，收到了較好的效果，盡管整個管理系統(tǒng)還需要進一步完善，但該類數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)具有較大的理論和實踐意義，具有較廣泛的應(yīng)用前景。

致謝：國家海洋信息中心孫思軍參加數(shù)據(jù)處理工作，評審老師為文章修改提出寶貴意見，中國海洋大學楊榮民教授也為文章修改提供幫助，在此一并致謝。

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[14]騰惠忠, 鄧雪清, 郭思海.側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)庫管理設(shè)計 [J].海洋測繪, 2003, 23: 27-30.

Design and implementation of side-scan sonar data management system

HAN Chun-hua1, ZHANG Jun-ming2, LIANG Jian-feng1,3, YIN Ru-guang1

( 1.National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China; 2.Beijing TRUNCOM SYSTEM CO.LTD, Beijing 100039, China; 3.Computer department of Nankai University, Tianjin 300071, China)

P714+7

A

1001-6932(2011)02-0188-06

2010-09-06；收修改稿日期：2010-11-10

我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項（908－03）；國家海洋局青年基金項目（18104002C）。

韓春花（1979－），女，碩士，主要從事海洋地質(zhì)信息管理、側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)管理等方面的研究。電子信箱：hanchunhua2008@126.com。

收稿日期：2010-03-03；收修改稿日期：2010-11-14

基金項目：科技部基礎(chǔ)性工作專項（2006FY220700）；國家海洋局第三海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)基金（海三科2009031, 海三科2009008）；國家海洋局青年海洋科學基金（2009130）；國家海洋局908專項（908-01-BC07）。

作者簡介：王雨（1981－），男，碩士，助理研究員，從事海洋浮游生物生態(tài)的研究，電子郵箱：wy2007607@126.com。

林茂，研究員，電子郵箱：lm3011@126.com。