韓春花，殷汝廣，張俊明，孫思軍

（1.國家海洋信息中心 天津 300171；2.北京正航科技發(fā)展有限公司 北京 100039）

XTF格式側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)格式解析與應(yīng)用

韓春花1，殷汝廣1，張俊明2，孫思軍1

（1.國家海洋信息中心 天津 300171；2.北京正航科技發(fā)展有限公司 北京 100039）

從側(cè)掃聲納原理出發(fā)，深入分析XTF格式側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)文件組織結(jié)構(gòu)與內(nèi)容，通過軟件開發(fā)實(shí)現(xiàn)對批量XTF格式側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)的自動解碼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)批量XTF格式側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)文件自動航跡提取、測線長度、測線走向、測線用時(shí)等統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算，在短時(shí)間內(nèi)不使用專門軟件即可獲取大量XTF格式側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)信息，大大提高了此類數(shù)據(jù)的判讀效率。

側(cè)掃聲納；XTF格式；格式解編

側(cè)掃聲納系統(tǒng)以其高精度、高效率、高分辨率、海底微觀地貌直觀成像的特點(diǎn)，為海底探測提供了完整的海底聲學(xué)圖像，從而獲得海底形態(tài)，并對海底物質(zhì)的紋理特征進(jìn)行定性的描述，廣泛應(yīng)用于海底地貌測繪、海底底質(zhì)勘探、水下目標(biāo)搜尋、海洋工程等方面[1-5]。

側(cè)掃聲納以成像為主。將放置在拖魚兩側(cè)的換能器，垂直于航向的方向上沿左右船舷各發(fā)射一扇形波束，以球面波的形式向遠(yuǎn)處傳播[6]，碰到海底后反射波或反向散射波沿原路線返回到換能器（稱為回波）。由于海底地貌、底質(zhì)性質(zhì)、傳播路徑的遠(yuǎn)近不同等，回波幅度的高低就會發(fā)生變化，這樣，一次發(fā)射/接收（每ping）就獲得了一條反映海底信息的很多小方塊或者像素（pixel）序列。工作船向前航行，以一定時(shí)間間隔進(jìn)行發(fā)射和接收操作，就得到了二維海底地形地貌的聲圖。聲圖以不同顏色（偽色彩）或不同的黑白程度表示海底的特征，就可以進(jìn)行海底地形地貌的識別工作。

側(cè)掃聲納調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)文件格式隨儀器設(shè)備不同而不同，目前常見的有*.XTF、*.Q-mips、*.sdf等格式，其中以*.XTF格式較為常用。XTF格式數(shù)據(jù)文件是Triton Imaging Inc公司使用的數(shù)據(jù)文件格式，是目前通用的地球物理聲學(xué)探測數(shù)據(jù)格式。近年來，我國開展的“近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)專項(xiàng)”就將XTF格式作為側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)文件的標(biāo)準(zhǔn)格式。但此類數(shù)據(jù)需要配備專門的軟件（如sonarwizmap等）才能讀取，并且一般數(shù)據(jù)量都較大。如何能夠快速地、自動地對批量XTF格式數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取及統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算，是目前此類資料管理應(yīng)用中亟待解決的問題。

1 XTF文件格式

XTF格式文件是目前通用的聲學(xué)勘探數(shù)據(jù)組織格式文件，具有復(fù)雜的、多層次數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)[7]。XTF格式是一種可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)格式，它的伸縮性和可擴(kuò)展性很強(qiáng)，可保存聲納、航行、遙測、測深等多種類型的信息。它可以很容易地?cái)U(kuò)展成將遇到的不同數(shù)據(jù)類型。

XTF格式文件由許多數(shù)據(jù)包組成，每個數(shù)據(jù)包前面都有關(guān)于數(shù)據(jù)類型和大小的說明，數(shù)據(jù)包又叫Ping，相當(dāng)于地震數(shù)據(jù)中的“道（TRACE）”。如果處理軟件讀取時(shí)，不需要或不能識辨某個數(shù)據(jù)包，則根據(jù)數(shù)量包大小直接跳過。

XTF格式文件開始是XTFILEHEADER結(jié)構(gòu)，長度最少為1 024KB，它包括聲納通道信息和測深通道信息等。后面是不同的數(shù)據(jù)包，目前主要有聲納、測深、姿態(tài)和注釋4種類型。每個數(shù)據(jù)包都有一個頭結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)包的位置可以任意，讀取時(shí)依據(jù)頭結(jié)構(gòu)的頭類型信息來確定數(shù)據(jù)包的類型。對于通道，每個通道有通道頭結(jié)構(gòu)，后面是通道測量數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 XTF文件結(jié)構(gòu)

2 XTF格式數(shù)據(jù)解編方法與軟件實(shí)現(xiàn)

為了便于數(shù)據(jù)的存儲和管理，根據(jù)XTF文件格式說明文件（V26）定義了具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1 XTF格式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義表

所有XTF格式文件都是由文件頭開始，文件頭由一個頭部說明和CHANINFO結(jié)構(gòu)組成。形成一個完整的XTF FILEHEADER結(jié)構(gòu)，最小長度為1 024字節(jié)。當(dāng)XTF FILEHEADER結(jié)構(gòu)中的通道數(shù)大于6時(shí)，則XTF格式FILHEADER的長度應(yīng)該增加1 024字節(jié)。圖2是

一個2通道XTF格式文件的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)圖。

圖2 XTF格式文件數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

解編XTF格式數(shù)據(jù)文件首先應(yīng)正確讀出文件頭信息（XTF FILEHEADER）和文件頭中的通道結(jié)構(gòu)信息（CHANNINFO）。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)先從文件頭讀取1 024字節(jié)，讀取成功以后判斷該文件是否為XTF格式。判斷依據(jù)是第一個字節(jié)必須等于0X7B，轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制為123，否則該文件不是XTF格式。讀取了文件頭信息，便可取出文件頭信息（XTF FILFHEADER）結(jié)構(gòu)中的聲納通道數(shù)，當(dāng)通道數(shù)大于6時(shí)，需要再次讀取1 024字節(jié)。每個通道都有一個通道結(jié)構(gòu)信息（CHANNINFO），通道結(jié)構(gòu)信息中最重要的兩項(xiàng)是通道類型（TypeOfChannel）和采樣精度（BytesPerSample）。當(dāng)TypeofChannel值為0表示淺剖，值為1表示左舷，值為2表示右舷，值為3表示測深。采樣精度（BytesPerSample）值為1表示8位，值為2表示16位。

成功讀取XTF格式文件頭信息后繼續(xù)讀取每一Ping的數(shù)據(jù)。軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)使用一個循環(huán)操作，來讀取每一Ping的數(shù)據(jù)，循環(huán)結(jié)束的條件為讀取的字節(jié)小于每一Ping頭結(jié)構(gòu)（PINGHEADER）的大小。讀完一Ping數(shù)據(jù)之后，假設(shè)目前數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中已經(jīng)有讀入的數(shù)據(jù)，聲明一個BYTE（unsigned char）類型的指針ptr，指向緩沖區(qū)開始，然后聲明一個XTF格式Ping頭（PINGHEADER）類型的指針PingHeader，使其指向剛才的指針，即PingHeader＝ptr，即可訪問PingHeader中的數(shù)據(jù)，需要注意要進(jìn)行類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)。若想讀取之后的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行指針運(yùn)算，ptr＋＝sizeof（XTF格式PINGHEADER），意為指針位置向后移動了sizeof（XTF PINGHEADER）字節(jié)，便可繼續(xù)讀取每一Ping通道（XTF PINGCHANHEADER）結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)中包含有ChannelNumber（通道數(shù)）、Slant Range（斜距量程）、NumSamples（采樣點(diǎn)個數(shù)）3個必備數(shù)據(jù)。然后將指針ptr移動到文件頭結(jié)構(gòu)（PINGHEADER）結(jié)尾，即ptr＋＝sizeof（XTF PINGCHANHEADER），根據(jù)結(jié)構(gòu)XTF PINGCHANHEADER中的NumSamples（采樣點(diǎn)個數(shù)）的值乘以BytesPerSample（采樣精度），即可計(jì)算出采樣數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，并依次讀取采樣數(shù)據(jù)。至此，繼續(xù)讀取下一個通道的數(shù)據(jù)。最終逐一將每一Ping的數(shù)據(jù)完全解編，并進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算處理。在參數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算中，選取了采樣間隔、采樣點(diǎn)個數(shù)、總ping數(shù)、測線長度、覆蓋面積、測線用時(shí)及測線走向等。將以上功能封裝在專門的動態(tài)鏈接庫xtf.Lib中實(shí)現(xiàn)。

3 應(yīng)用

利用上述原理和方法，開發(fā)完成了XTF格式數(shù)據(jù)提取軟件，可實(shí)現(xiàn)對批量XTF格式數(shù)據(jù)的格式解析與統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算。程序界面如圖3所示。在處理文件時(shí)，可實(shí)現(xiàn)XTF文件解編、信息提取與統(tǒng)計(jì)計(jì)算同時(shí)進(jìn)行。如處理00.xtf文件時(shí)，同時(shí)生成一個00_trace.txt（航跡信息）、00_info.txt（xtf解編文件）和00.cvs（信息統(tǒng)計(jì)計(jì)算文件）。

00 _trace.txt文件內(nèi)容包含每一ping數(shù)據(jù)的經(jīng)度、緯度和時(shí)間（圖4）。

00 _info.txt文件為一個文本文件，以明碼方式記錄了頭信息（Header Data）、通道結(jié)構(gòu)信息（Channel Struct Data）和每一Ping（Ping Data）的數(shù)據(jù)信息（圖5）。

00.cvs為一個逗號分割的文本文件，記錄或者計(jì)算了測線文件名稱、采樣設(shè)備、記錄程序、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、采樣間隔、采樣點(diǎn)個數(shù)、總Ping數(shù)、測線長度、斜距量程、覆蓋面積、作業(yè)開始時(shí)間、作業(yè)結(jié)束時(shí)間、測線用時(shí)、起點(diǎn)經(jīng)度、起點(diǎn)緯度、起點(diǎn)水深、終點(diǎn)經(jīng)度、終點(diǎn)緯度、終點(diǎn)水深、測線走向等信息（圖6）。

圖3 數(shù)據(jù)提取過程中

圖4 提取后的航跡信息文件

圖5 格式解析后的文件

利用該軟件模塊，實(shí)現(xiàn)了對“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)專項(xiàng)”中所有XTF格式文件的航跡提取、格式解析與統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算，程序運(yùn)行時(shí)間不到一天，可處理近1TB的XTF格式數(shù)據(jù)。

圖6 生成的統(tǒng)計(jì)信息文件

4 結(jié)語

XTF格式數(shù)據(jù)是一類格式特殊、必須特殊軟件才能打開的數(shù)據(jù)。深入XTF格式數(shù)據(jù)內(nèi)部，通過格式解析，軟件編制，將XTF格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可讀的文件，并通過提取必備的參數(shù)設(shè)置，使用戶在短時(shí)間內(nèi)不需要安裝復(fù)雜的專用軟件，就可以對大批量的XTF數(shù)據(jù)有一個基本的認(rèn)識，具有比較實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

[1]唐秋華，陳義蘭，周興華，等.多波束海底聲像圖的形成及應(yīng)用研究[J].海洋測繪，2004（5）：9-l2．

[2]董慶亮，歐陽永忠，陳岳英，等.側(cè)掃聲納和多波束測深系統(tǒng)組合探測海底目標(biāo)[J].海洋測繪，2009，29（5）：51-53.

[3]李海濱，滕惠忠，宋海英，等.基于側(cè)掃聲納圖像海底目標(biāo)物提取方法[J].海洋測繪，2010，30（6）：71-73.

[4]李軍，騰惠忠.側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換及應(yīng)用[J].海洋測繪，2002，22（2）：36-38.

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[7]韓春花，張俊明，梁建峰，等.側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].海洋通報(bào)，2011，30（2）：187-192.

2011-10-09

我國近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)專項(xiàng)（908-03）；國家海洋局青年基金項(xiàng)目：側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)管理方法研究（18104002C）