郭 軍,曹 明,王愛(ài)學(xué),陳宏文,馮強(qiáng)強(qiáng),易 鋒

(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.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006;4.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079;5.武漢大學(xué) 海洋測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079)

側(cè)掃聲納系統(tǒng)可以低成本、寬掃幅、高效率地獲取大區(qū)域、高分辨海底微地形、地貌圖像信息，圖像中豐富的灰度、形態(tài)、紋理等特征，為海底目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、底質(zhì)的定性分析提供了可靠、直觀的判斷依據(jù)[1-4]。目前，側(cè)掃聲納圖像作為一種面狀數(shù)據(jù)源，已成為天然氣水合物資源勘查的重要基礎(chǔ)資料[5-7]。

隨著天然氣水合物資源勘查項(xiàng)目的不斷推進(jìn)與擴(kuò)展，獲取了越來(lái)越多的高密度、大區(qū)域側(cè)掃聲納資料，為天然氣水合物資源的全面科學(xué)分析提供了可行性，但也同時(shí)帶來(lái)了較為棘手的問(wèn)題：不同型號(hào)側(cè)掃聲納設(shè)備配備的數(shù)據(jù)處理軟件不同，不同軟件數(shù)據(jù)處理結(jié)果質(zhì)量良莠不齊，處理結(jié)果多以二維圖像為主，沒(méi)有三維顯示功能，且不能與其他聲學(xué)數(shù)據(jù)相互疊加，缺乏綜合分析能力，不利于可疑目標(biāo)物的快速精準(zhǔn)定位與測(cè)量，難以滿足天然氣水合物資源勘查項(xiàng)目的需求。

天然氣水合物資源勘查項(xiàng)目所獲取的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn)：屬于深海數(shù)據(jù)，拖曳長(zhǎng)度達(dá)數(shù)千公里；水下定位難度大；輔助測(cè)量數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多；數(shù)據(jù)類(lèi)型與結(jié)構(gòu)復(fù)雜；海底覆蓋面積超大；聲納及輔助測(cè)量數(shù)據(jù)量龐大[8-10]。而傳統(tǒng)的文件管理方式過(guò)于簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)查詢(xún)、調(diào)用繁瑣、數(shù)據(jù)利用率及可視化程度較低，不適用日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)管理和需求，造成一定程度上的數(shù)據(jù)浪費(fèi)。

為建設(shè)準(zhǔn)確、統(tǒng)一、科學(xué)、高效的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)，通過(guò)完備的處理理論以盡可能地挖掘側(cè)掃聲納圖像中有效的海底微地形地貌底質(zhì)信息，突顯側(cè)掃聲納面狀數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步滿足新形勢(shì)下天然氣水合物調(diào)查海量數(shù)據(jù)處理與管理的需求，本文研發(fā)一款適用于天然氣水合物資源勘查的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)管理及可視化軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要功能包括側(cè)掃聲納原始數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及查詢(xún)、可視化顯示、數(shù)據(jù)輸出等。軟件采用C#編寫(xiě)，在Windows操作系統(tǒng)、Visual Studio 2013開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用MFC工具設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

結(jié)合側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)及項(xiàng)目開(kāi)發(fā)需求，系統(tǒng)架構(gòu)分為：數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與管理、功能應(yīng)用、顯示與操作控制4個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

1.1 側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)處理模塊

主要包括：原始數(shù)據(jù)文件解碼、導(dǎo)航姿態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、拖魚(yú)航向延遲探測(cè)、圖像輻射畸變改正、底線自動(dòng)提取、斜距改正、地理編碼、無(wú)縫填充、消噪、條帶圖像坐標(biāo)級(jí)鑲嵌、條帶圖像特制級(jí)鑲嵌、鑲嵌質(zhì)量評(píng)估等。

1.2 側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與管理模塊

主要包括：側(cè)掃聲納原始數(shù)據(jù)(原始回波、導(dǎo)航、姿態(tài)、航向、時(shí)間、測(cè)線長(zhǎng)度)、成果數(shù)據(jù)(質(zhì)量控制后的航跡、姿態(tài)、瀑布圖、編碼圖、鑲嵌圖、質(zhì)量評(píng)價(jià)報(bào)告)的分類(lèi)入庫(kù)；基于時(shí)間、位置及其他屬性條件建立上述各數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，以及基于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)修改、刪除、重新處理、空間分析、多樣化查詢(xún)等。

1.3 應(yīng)用功能模塊

主要包括：文件管理、數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)價(jià)、圖像信息統(tǒng)計(jì)及特征提取、目標(biāo)識(shí)別與標(biāo)記、與其他信息的疊加分析、成果格式化輸出等。

1.4 用戶(hù)可視化顯控模塊

主要包括：基于功能分類(lèi)的易操作菜單；以時(shí)間、航次或工程名等屬性為節(jié)點(diǎn)的測(cè)線樹(shù)列表；點(diǎn)、線、面等數(shù)據(jù)元的分層、多色、多窗口顯示；窗口的放大、縮小顯示；元數(shù)據(jù)插入、刪除、再處理以及框選、點(diǎn)選查詢(xún)；選擇數(shù)據(jù)的格式化輸出等。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能包括：原始數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量評(píng)價(jià)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、可視化操作、成果輸出等7部分。

2.1 原始數(shù)據(jù)管理功能

管理原始數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)，各類(lèi)原始數(shù)據(jù)采用文件形式存儲(chǔ)，不做任何改動(dòng)，以保證數(shù)據(jù)的原始屬性；提取原始數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息，作為數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵字段，方便數(shù)據(jù)的查詢(xún)檢索；自動(dòng)生成電子資料的清單目錄，包括：文件名、文件大小、文件類(lèi)型、創(chuàng)建時(shí)間、修改時(shí)間、訪問(wèn)時(shí)間、文件所在目錄等信息。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理功能

數(shù)據(jù)重命名：按照統(tǒng)一的命名規(guī)則，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重命名，將原始命名與標(biāo)準(zhǔn)命名一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；格式轉(zhuǎn)換：將原始的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為XTF通用格式；數(shù)據(jù)修正：剔除跳變點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修改，并重新寫(xiě)入XTF文件中。

2.3 數(shù)據(jù)處理功能

實(shí)現(xiàn)單條測(cè)線解編和多條測(cè)線批量解編，解碼后的XTF數(shù)據(jù)為明碼的TXT文件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單條測(cè)線和多條測(cè)線的信息提取與統(tǒng)計(jì)計(jì)算；實(shí)現(xiàn)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)的瀑布圖顯示、增益調(diào)整、斜距校正，圖像增強(qiáng)、圖像地理編碼；對(duì)每一PING數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；生成單條測(cè)線鑲嵌圖和區(qū)域性側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)鑲嵌圖。

2.4 質(zhì)量評(píng)價(jià)功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)功能，主要評(píng)價(jià)內(nèi)容包括：定位數(shù)據(jù)、時(shí)間數(shù)據(jù)、信號(hào)數(shù)據(jù)、測(cè)量船速、數(shù)據(jù)完整性。

2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能

側(cè)掃聲納原始數(shù)據(jù)管理：管理海量的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)查詢(xún)檢索；資料信息數(shù)據(jù)管理：存放資料目錄清單、航跡數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)查詢(xún)檢索；聲納圖像目標(biāo)數(shù)據(jù)管理：存儲(chǔ)目標(biāo)圖像，保留原始圖像的所有信息，并提取圖像的相關(guān)特征參數(shù)信息；元數(shù)據(jù)管理：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(xì)信息。

2.6 可視化功能

商用的側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)可視化基本上以二維可視化為主：包括航跡信息二維可視化、鑲嵌圖二維可視化、海底底質(zhì)分類(lèi)圖二維可視化。

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)增加三維可視化功能，可以加載外部地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)，將側(cè)掃聲納圖像和地形數(shù)據(jù)相疊加，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的精準(zhǔn)定位與量測(cè)。同時(shí)增加空間分析功能，將側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)與水深、多波束背向散射圖像等數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，采用多種聲學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，相互驗(yàn)證，進(jìn)一步提高目標(biāo)物的立體勘查探測(cè)識(shí)別能力。

2.7 數(shù)據(jù)輸出功能

系統(tǒng)提供成果數(shù)據(jù)輸出功能，主要包括：

1)TXT格式PING數(shù)據(jù)；

2)TIFF格式側(cè)掃聲納圖像；

3)TIFF格式目標(biāo)圖像。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建

3.1 側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)分類(lèi)

根據(jù)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)特點(diǎn)，可將側(cè)掃聲納調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)分為以下類(lèi)型：

1)航次綜合信息：包括調(diào)查單位、調(diào)查項(xiàng)目、調(diào)查區(qū)域、調(diào)查區(qū)塊、調(diào)查船、調(diào)查時(shí)間、起止港口、首席科學(xué)家、采用的設(shè)備、測(cè)線數(shù)、測(cè)線長(zhǎng)度等信息。

2)測(cè)線信息：包括測(cè)線號(hào)、數(shù)據(jù)文件名稱(chēng)、采樣設(shè)備、記錄程序、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)、總Ping數(shù)、測(cè)線起始時(shí)間、測(cè)線結(jié)束時(shí)間、測(cè)線起點(diǎn)位置、測(cè)線終點(diǎn)位置、水深分布、航線走向、斜距量測(cè)、覆蓋面積等。

3)原始測(cè)線數(shù)據(jù)：包括測(cè)線號(hào)、文件名稱(chēng)、采樣設(shè)備、記錄程序、脈沖間隔、采樣個(gè)數(shù)、總Ping數(shù)、測(cè)線起始結(jié)束時(shí)間、測(cè)線用時(shí)、測(cè)線起點(diǎn)位置、測(cè)線終點(diǎn)位置、水深分布、航線走向、斜距量測(cè)、覆蓋面積等。

4)鑲嵌圖信息：包括測(cè)線號(hào)、鑲嵌圖左下角坐標(biāo)、鑲嵌圖右上角坐標(biāo)、數(shù)據(jù)量、鑲嵌圖格式、圖像分辨率、投影參數(shù)、側(cè)掃聲納圖像解譯信息。

5)目標(biāo)鑲嵌圖及解譯信息：包括測(cè)線號(hào)、鑲嵌圖坐標(biāo)、數(shù)據(jù)量、鑲嵌圖格式、圖像分辨率、投影參數(shù)、側(cè)掃聲納圖像解譯信息，如圖2所示。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)模型構(gòu)建

根據(jù)上述側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)分類(lèi)，按照概念模型設(shè)計(jì)、邏輯模型設(shè)計(jì)和物理模型設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。

4 側(cè)掃聲納條帶數(shù)據(jù)處理

4.1 原始數(shù)據(jù)文件解碼與轉(zhuǎn)換

本次側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)來(lái)源于南海某天然氣水合物資源勘查試驗(yàn)區(qū)。根據(jù)XTF包的結(jié)構(gòu)信息，掃描整個(gè)XTF文件[11-14]，根據(jù)時(shí)間先后，將同類(lèi)型數(shù)據(jù)重新組合在一起，從而得到聲納回波序列、導(dǎo)航序列以及姿態(tài)序列等原始數(shù)據(jù)，依據(jù)這些原始數(shù)據(jù)，便可以對(duì)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)成圖及后處理操作。

4.2 輔助測(cè)量數(shù)據(jù)處理

由于導(dǎo)航數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)的采樣周期不一致，故在確定拖魚(yú)位置之前，首先需要對(duì)導(dǎo)航、羅經(jīng)及姿態(tài)數(shù)據(jù)做插值處理；其次，因海洋環(huán)境及儀器自身測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)比較明顯的粗差，還需對(duì)其進(jìn)行濾波平滑，為后續(xù)地理編碼和姿態(tài)改正提供高質(zhì)量的導(dǎo)航和姿態(tài)數(shù)據(jù)。

圖2 側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)方法

4.3 聲納條帶圖像處理

1)斜距改正：移除水柱信息，確保聲納圖像的連續(xù)性，消除側(cè)掃聲納圖像在橫向上存在傾斜的幾何畸變，如圖3所示。

圖3 斜距改正前(上)后(下)效果圖

2)灰度均衡：彌補(bǔ)聲波隨著傳播距離增加而產(chǎn)生的擴(kuò)展損失和吸收損失，調(diào)整圖像橫向灰度變化，消除輻射畸變，如圖4所示。

圖4 灰度均衡前(上)后(下)效果圖

3)地理編碼：根據(jù)拖魚(yú)的位置、航向、寬度及回波序列號(hào)可估算出每一個(gè)回波的大概位置，生成地理坐標(biāo)框架下的側(cè)掃聲納圖像，如圖5所示。

圖5 地理坐標(biāo)下的側(cè)掃聲納圖像

4.4 多條側(cè)掃聲納圖像鑲嵌

將多個(gè)條帶圖像劃歸至統(tǒng)一坐標(biāo)框架下，同時(shí)解決重疊區(qū)域多源圖像的統(tǒng)一問(wèn)題，從而生成大區(qū)域、大面積的海底聲納圖像，為查看與識(shí)別海底表面底質(zhì)類(lèi)型及可疑目標(biāo)物提供最為直觀的可視化數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 側(cè)掃聲納鑲嵌圖像

5 軟件編寫(xiě)

作者采用Visual Studio 2013作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具，以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，編程實(shí)現(xiàn)了側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)管理及可視化系統(tǒng)。界面的設(shè)計(jì)采用圖像化界面，風(fēng)格統(tǒng)一，操作簡(jiǎn)便，便于操作員快速掌握系統(tǒng)操作方法，符合業(yè)務(wù)辦理流程。最后采用南海某海域?qū)崪y(cè)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明該軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)管理方便快捷；二維及三維圖形顯示清晰流暢。完全滿足天然氣水合物資源勘查對(duì)側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)處理、管理、展示的要求，達(dá)到了理想的效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于C#語(yǔ)言，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)管理及可視化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并將其應(yīng)用于天然氣水合物資源勘查項(xiàng)目中，解決了海量側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理、管理及可視化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了大范圍大面積的側(cè)掃聲納的高質(zhì)量鑲嵌圖，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)用性，為高效、科學(xué)、規(guī)范地管理及處理側(cè)掃聲納數(shù)據(jù)提供了技術(shù)保障。為天然氣水合物資源深入研究的開(kāi)展和數(shù)字海洋工程提供了科學(xué)可靠的可視化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。