郭　軍，馬金鳳，王愛學(xué)

(1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，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) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學(xué) 海洋測繪研究中心，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，王愛學(xué)3,4

(1.國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，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) 測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079;4.武漢大學(xué) 海洋測繪研究中心，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)，對其進(jìn)行自動解碼，提取各種統(tǒng)計參數(shù)及聲納回波強(qiáng)度信息，編程自動生成側(cè)掃聲納瀑布圖，實現(xiàn)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)可視化。以南海某海域?qū)崪yXTF格式側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行解碼和可視化，實驗結(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，對識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，其獲取的聲納圖像是海底地形地貌的一種真實客觀地反映，聲納圖像上呈現(xiàn)出的紋理及幾何結(jié)構(gòu)是海底不同類型底質(zhì)的直觀反映[1-6]?；谝陨蟽?yōu)勢，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)查項目中，為底質(zhì)識別和海洋油氣資源的探測提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

近年來，隨著廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局區(qū)域調(diào)查項目和大洋科考項目的開展，獲得越來越多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)計參數(shù)提取功能，造成無法精確提取整個工區(qū)側(cè)掃聲納的作業(yè)長度、覆蓋面積、測線的起始時間、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yXTF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)，對其進(jìn)行解碼及可視化研究，提取相關(guān)統(tǒng)計參數(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，每一個像素反映的是其對應(yīng)的聲強(qiáng)值。隨著船體的運(yùn)動，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)射聲脈沖信號直接在顯示器上的記錄，同時也是拖魚航行的軌跡。②海底線：由每一行的第一個海底回波組成的強(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)掃聲納測量系統(tǒng)

Edge Tech 4 200 MP是由美國生產(chǎn)的一款側(cè)掃聲納系統(tǒng)(見圖2)，該系統(tǒng)采用全頻譜chirp技術(shù)，其技術(shù)優(yōu)勢為可獲得寬頻帶、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)來源

試驗數(shù)據(jù)來源于廣州海洋地質(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)時采用雙頻作業(yè)模式，即同時打開122 kHz和400 kHz作業(yè)，船速保持為5節(jié)左右，主測線按垂直構(gòu)造布設(shè)，為NE-SE走向，聯(lián)絡(luò)測線垂直于主測線，為NW-SE走向，測線間距為5 km。定位系統(tǒng)為Trimble SPS351 DGPS導(dǎo)航定位儀，導(dǎo)航系統(tǒng)選用SDE-28S測深儀自由行。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，受數(shù)據(jù)采集軟件的限制，一條測線由若干個XTF格式文件組成，每一個XTF格式文件大小設(shè)置為300 MB左右，長度約4 km。

4　 XFT格式數(shù)據(jù)

XTF(Xtended Triton Format)是由美國Triton公司編制的一種用來存儲多種數(shù)據(jù)類型的二進(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、測深等多種類型的信息，且不同類型信息的存儲并不互相影響。

每一個XTF文件都以一個文件頭記錄開始，緊跟其后為一個或者多個數(shù)據(jù)包，文件頭數(shù)據(jù)存儲在XTFFILEHEADER結(jié)構(gòu)中，見圖4。每一個XTFFILEHEADER結(jié)構(gòu)包含6個通道信息，通道信息存儲在CHANINFO結(jié)構(gòu)中。

CHANINFO結(jié)構(gòu)與文件結(jié)尾之間存儲著數(shù)據(jù)包，每一個數(shù)據(jù)包包含一個hand結(jié)構(gòu)，主要有4種類型的數(shù)據(jù)包：聲納、測深、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現(xiàn)

解碼時首先讀取頭部說明部分，依據(jù)頭部說明中的文件格式來判斷是否為XFT格式。編程讀取PING數(shù)據(jù)時采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，首先計算總的PING數(shù)，采用指針循環(huán)讀取每一個PING信息。根據(jù)采樣點個數(shù)NumSamples乘以采樣精度BytesPerSample計算出采樣數(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PING的數(shù)據(jù)完全解編，轉(zhuǎn)成明碼文件，寫到文本文件中，提供后續(xù)的參數(shù)統(tǒng)計計算及數(shù)據(jù)可視化。

本文采用MATLAB平臺，編程實現(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)量評價、可視化5個模塊組成。數(shù)據(jù)處理包含單條測線解碼和多條測線解碼，獲得參數(shù)有：文件名、采樣設(shè)備、記錄程序、采樣間隔、采樣點個數(shù)、總PING數(shù)、測線長度、斜距量程、覆蓋面積等等。

圖5　軟件界面

圖6　測線解碼

6　瀑布圖顯示

對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回波得到一個PING數(shù)據(jù)，再將PING數(shù)據(jù)按照測量順序縱向堆疊，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yXTF文件提取的數(shù)據(jù)包信息，據(jù)此計算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　實測XTF文件中提取的聲納數(shù)據(jù)包信息

從計算結(jié)果可以看出，橫向分辨率非常高，達(dá)到了厘米級，縱向分辨率相對較低，達(dá)到了79 cm(縱向分辨率與野外采集時船速有關(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)過計算獲得，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)物探測及標(biāo)定，完全滿足地質(zhì)調(diào)查的需求。

7　結(jié)束語

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XTF格式進(jìn)行解碼，提取各種統(tǒng)計參數(shù)和聲納的回波強(qiáng)度信息，基于matlab平臺實現(xiàn)回波強(qiáng)度的可視化編程，取得理想的效果。實驗驗證上述實施過程和技術(shù)方法的正確性。

[1]懂慶亮，歐陽永忠，陳岳英.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.

[2]趙建虎，劉經(jīng)南.多波束測深及圖像數(shù)據(jù)處理 [M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.

[3]陽凡林，劉經(jīng)南，趙建虎.基于數(shù)據(jù)融合的側(cè)掃聲納圖像預(yù)處理[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2004,29(5):402-406.

[4]楊廣.基于聲納圖像的海底微地形形狀恢復(fù)方法研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2012.

[5]郭軍，馬金鳳，王愛學(xué).基于改進(jìn)GLCM的側(cè)掃聲納影像分類研究[J].測繪工程，2016,25(6)：6-9.

[6]VANDRISH P,VARDY A,WALKER D,et al.Side-scan sonar image registration for AUV navigation[A].In Underwater Technology (UT),2011 IEEESymposium on and 2011 Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies(SSC)[C],2011:1-7.

[7]CHAILLOUX C,LE CAILLEC J M,GUERIOT D,et al.Intensity-based block matching algorithm for mosaicing sonar images[J].Oceanic Engineering,IEEE Journal of,2011,36(4):627-645.

[8]趙建虎, 王愛學(xué), 郭軍. 多波束與側(cè)掃聲吶圖像區(qū)塊信息融合方法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2013(3):287-290.

[9]郭軍，馬金鳳，王愛學(xué).基于SVM算法和GLCM的側(cè)掃聲納影像分類研究[J].測繪與空間地理信息，2015,30(3) :60-63

[10] 李春雨.海底聲納圖像的判讀方法研究[J].科技信息,2012(1):159-159.

[11] 李軍, 滕惠忠. 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.

[12] 高俊國，李增林，杜軍.側(cè)掃聲納系統(tǒng)成圖中的位移，變形和噪聲問題[J].海岸工程,2003,22(2):44-50.

[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

國家專項工作資助項目(GZH201100312-01);國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點實驗室開放基金(1212011220117)

郭軍(1984-)，男，工程師，碩士.

TP391.41

A

1006-7949(2016)11-0050-04