多波束XTF格式数据航向信息重写入实例

丁维凤，冯霞，傅晓明，叶连春，杨根新

（1.国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州职业技术学院信息电子系，浙江 杭州 310018）

多波束XTF格式数据航向信息重写入实例

丁维凤1，冯霞2，傅晓明1，叶连春1，杨根新1

（1.国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州职业技术学院信息电子系，浙江 杭州 310018）

以多波束实际调查数据为例，分析与讨论无航向角的 RESON SeaBat 8101er系统 XTF格式多波束数据处理问题，提出从Hypack导航软件输出的RAW文本数据中提取电罗经航向与时间数据，经时间匹配与插值处理后重新写进XTF数据文件内。实现时在没有明确的XTF数据格式说明的情况下，通过二进制数据位的系统分析，确定罗经航向数据的位置和结构，使用自编程序实现航向数据重新写入原始XTF数据内，再经Caris软件精细处理后很好地解决了无航向数据处水深空白带的问题。

多波束；航向数据；XTF

Abstract: Based on the long time field multibeam surveying, it is very possible for communicating line breaking off which connecting different devices, just as the gryo communicating line.As it was not found at time, the gyro heading data wasn’t inputted to the multibeam XTF file.Generally it need to survey the no heading line again at spot, but it was not convenient when the working ship and device were whithdrawn from the spot, so processor must deal with the no heading XTF file using all potential methods.To the RESON Seabeat8101er outputting XTF file, the paper analyse the file’s structure and search the heading variable bytes’ location within the file’s definition, and the paper discusses how to look for the heading data from another recording file and extract the heading data from Hypack navigation outputing RAW file, at last it studies the rewriting these heading data to the XTF file with flexible programming.All the methods are proved to be valid when processing XTF file of no heading data surveying line again and plotting the bathymetry.

Key words: multibeam; gyro heading data; XTFfile

引 言

多波束勘测是一种具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形测量新技术[1-4]。该技术自20世纪70年代问世以来，在最近几十年高性能计算机、高分辨率显示、高精度定位和各种数字化传感器以及其他相关高新技术的介入和支撑下，设备技术和勘测水平有了极大的发展[5]。我国自上世纪90年代引进首套多波束系统以来，已有多家测绘单位陆续引进了多套先进的多波束系统，并广泛应用于海道测量、海洋工程测量、海洋划界测量、海洋资源调查与水下考古测量等领域。

多波束系统是一种多传感器的复杂组合系统，包括结构复杂的多阵列发射接收换能器和用于信号控制与处理的电子柜，以及高精度的运动传感器（包括垂直参考单元与电罗经）、导航定位系统与声速剖面仪等[1]，如图1所示的 RESON SeaBat 8101er系统组成结构图。各组成单元与输入输出控制电子柜的正确连接是保证野外勘测工作顺利进行的基础，任一单元的连接脱落或信号出错都会导致水深数据的无效，无效数据测线原则上都需要进行重新测量。在大范围的海域勘测工作中，长时间的野外调查容易造成测量人员工作疏忽，设备间的连线松动或脱落不能被及时发现，数据处理发现问题后因调查船驶离现场或人员设备的撤离已来不及补测。如图2中绘制的水深地形图，因电罗经与输入输出控制单元的连线松动，造成XTF测量数据无航向数据，处理后形成了图中一条近4 km长的水深空白带，野外补测这些数据已非常麻烦，可行的办法是由处理人员通过数据处理方法将航向数据重新写入XTF格式水深数据中，再用专业软件重新处理并绘图检查写进的航向数据正确与否。

下面详细讨论图2中水深空白带形成的原因，并研究如何提取有效航向数据，以及如何实现航向数据重新写入XTF文件中的方法。

1 问题分析

1.1 空白带形成原因

在野外测线调查过程中，由于受海流与海风的影响，调查船的航向与航迹方向一般存在一个角度，只有在海流为零以及船只完全顺流或逆流的情况下，存在的角度才会趋于0。而多波束换能器总是沿垂直航向向两侧发射接收波束，因此每一个扇区扫描得到的是一系列垂直航向而非航迹并向两侧对称排列的波束测点[1]。航向数据只有通过电罗经才能获得准确的实时数据，并通过数据线将获得的实时航向数据输入到信号控制单元中，经专业软件自动运算计算出每个波束点的空间位置，实现多波束测点的正确空间归位。

图2中因原始XTF记录文件内水深空白处的航向数据为都 0，处理软件按照与航向数据垂直的90°方向投影计算各波束点，归位后的各波束都投影在同一个空间位置上，形成的水深条带就会与图中实际航迹接近平行且极其窄，由此产生了图中的水深空白带。野外没有补测这些空白带测线时，室内资料处理必须想办法加以解决，解决的关键是修改原始XTF数据文件内错误的航向数据，修改这些数据就要求处理人员必须找到航向数据在 XTF数据文件中的存储位置，因而了解多波束XTF数据存储格式的定义是修改工作的基础。

图1 RESON SeaBat 8101er系统组成结构图[1]Fig.1 Structure view of RESON SeaBat8101er system[1]

图2 数据缺失区海底地形张贴图（未做消噪处理，图中白线为切水深剖面位置）Fig.2 Blank sounding view without gyro heading data(without removing noise)

1.2 XTF文件中与航向数据相关的变量

XTF(eXtended Triton Format)数据格式由Triton公司创建，用于在一个文件内存储多种不同的数据源信息，如声呐数据、导航数据、水深数据等，这种格式非常方便扩充内容以容纳新的数据源，至2007年06月份该格式已发展到X241)Triton Imaging, Inc..eXtended Triton Format(XTF), Rev.24.2007.06.)版。RESON SeaBat 8101er 多波束采集的原始数据（包括各波束点水深数据、DGPS导航数据、运动传感器输入的姿态数据与电罗经的航向数据等）一般都转换成XTF格式后再存储处理，转换后的RESON 多波束XTF文件主要包括文件头、位置数据包、姿态数据包与水深数据包，其中水深数据包又包含记录参数集、波束范围数据、波束质量数据与波束振幅数据，如图3所示，XTF文件中除了文件头固定在文件开始位置外，其余的数据包出现顺序不固定，依现场设备输入信号的到达时间依次存储，如图4用Triton公司的XTF文件查看器查看RESON的XTF文件后显示的数据内容，在文件开始位置的XTF Header Record后，有出现次序与位置不固定的Unknown Packet、Attitude Package及Bathy Package 3项内容，其中的Unknown Packet为RESON公司自定义的Position Package，该软件不能自动识别，在未得到RESON公司自定义格式说明书的情况下，该数据包内定义的具体内容不能获得，只能通过字节计算得到其大小为64字节，其余的Attitude Package与Bathy Package两数据包内容完全按照Triton公司定义的XTF格式数据内容填写，在这两数据包内，Attitude Package数据包内有一个4字节浮点的Heading变量与航向数据有关，而Bathy Package数据包中有ShipGyro与SensorHeading两个变量与航向数据有关，寻找这3个变量的位置、数据大小与时间参数成为重写航向数据的关键。

图3 RESON Seabat81)Triton Imaging, Inc..eXtended Triton Format(XTF), Rev.24.2007.06.01er多波束采集系统输出的XTF数据结构示意图Fig.3 Structure of RESON Seabat8101er outputting multibeam XTF file

图4 XTF文件查看软件显示RESON的多波束XTF文件数据包列表Fig.4 List of RESON XTF file content using Triton viewing program

1.3 Hypack导航软件输出的航向数据

确定了航向变量在XTF文件中的定义位置，就可以通过数据记录时间将航向数据写回到 XTF文件中对应的变量字节上，然而室内资料处理时航向数据从哪提取又是个问题。多波束勘测野外资料采集时一般都要从电罗经引出两根数据线，一根连接多波束采集系统，另一根则连接导航定位计算机，导航软件在运行窗口上一般都有调查船只的实时航向数据，该数据就为电罗经的输入数据，若无电罗经数据输出到导航计算机，导航软件会从差分GPS数据项内提取，DGPS航向数据为船舶航迹方向，不适宜用于多波束数据的航向角。针对上面的问题从导航定位数据中获取电罗经信息成为可能。野外采用的 Hypack导航软件在完成一条测线任务后会自动生成一个以测线名命名且后缀为RAW的文本文件，在该RAW文件中一般每隔1s间隔就有一个以GYR字符串开头的记录时间与航向角，提取这些记录时间与航向角就可以解决重新写入时所需航向角的问题。

2 问题解决

2.1 导航软件中航向数据的提取

既然导航软件输出的RAW文本文件中有我们需要的航向数据，我们就可以通过编写数据访问与抽取程序来提取航向数据及对应的记录时间数据项。实现方法是通过寻找数据文件中的GYR字符串，提取该字符串所在数据行中的时间与航向角数据，提取时需利用编程软件灵活的动态数组存储功能，如VC++编程软件中的模板数组，因RAW文件中航向数据的总数在访问结束前无法获得，开辟固定数目的一维数组变量不方便使用，因此程序编制时内存开辟方法需仔细考虑。图5为编写程序提取航向数据与记录时间后的结果显示，其中的时间为秒单位，使用时需转换为时分秒计时，航向角为度单位。

图5 提取Hypack导航软件输出文件中的时间与航向角结果图Fig.5 Program results of extracting time and gyro data from Hypack RAW file

2.2 XTF文件航向数据重写入方法

航向数据提取完成并存入内存数组后，接着需要调入无航向数据的多波束测线文件。通过分析XTF文件存储格式，我们发现所有数据包的大小都是 64字节数的倍数，而且每个数据包都有MagicNumber与HeadType两变量，MagicNumber变量表示该数据包的开始部分，赋予十六进制值FACE，十进制为64206，而HeadType表示该数据包的类型，Triton公司规定了专门数字代表各种不同的数据包，对于RESON公司输出的多波束数据类型，用 2代表BathymetryHeader，用 3代表AttitudeHeader，程序编制时通过判断这两个变量的值就能实现访问所需数据包的文件位置。按照这种思想，通过定义专门的数据包类型结构体并判断结构体变量中数值内容，就可以跳过无关数据项，如图4中软件显示为Unknown Packet的数据包，我们就可以不用关心其具体的变量定义内容，将其数据项照原样写进新的文件后继续访问后面的数据内容，表1为程序找到航向数据后输出的部分数据内容，表中Attitude Package内的Heading变量以及BathymetryHeader内的shipGyro与SensorHeading两变量值都为0表示无航向数据输入，需要对其进行重新写入。

比较图5与表1中的时间数据会发现导航软件与多波束采集系统两者采集数据的时间间隔不一致，导航软件基本按1秒间隔采集数据，而多波束却不到1s，且间隔时间不固定，若按照时间匹配的方法对XTF文件进行航向数据重新写入，则需要对图5中的时间按照表1内XTF时间间隔进行航向角线性插值，否则两者的时间匹配不上，航向角无法写入。发现这些问题后，按照上面讨论的方法重新写入航向数据，并存储新的XTF文件后用专业Caris软件再次处理空白带测线数据，最终结果如图6所示，从图中可以看出水深空白带已被解决，所有测线地形地貌拼接正确。图7显示的是从图2中白线位置处切出的水深剖面图，从该图可以看出缺失航向数据处的水深剖面数据缺失严重，地形变化剧烈，不符合实际地形情况，图8显示的是从图6中相同位置的白线切出的水深剖面图，从该图可以看出重新写入航向数据后的水深剖面变化平缓，无数据缺失区，不同测线间的水深变化连续且能正确拼接，说明重新写入的航向角基本正确。

另外野外采集时因没有很好的跟踪波束水深范围，导致图中出现一些小的水深空洞，这些空洞因对应波束点处的水深值出错而被删除，室内资料处理已不能修复，只能通过数据拟合与插值方法来进行完善，图9为插值拟合后的最终三维光照结果图，从图中可以看出水深空洞已基本解决，整体图件显示比较完美。

表1 XTF文件输出的部分航向角与时间Tab.1 Output heading and time data coming from XTF file

图6 航向数据重新写入后的XTF文件经精细处理后的结果图（图中白线为切水深剖面位置）Fig.6 New fine processing result of XTF multibeam data after rewriting gyro data

图7 从图2中的白线位置切出的水深剖面图Fig.7 Bathymetry profile coming from the white line of fig.2

图8 从图6中的白线位置切出的水深剖面图Fig.8 Bathymetry profile coming from the white line of fig.6

图9 插值拟合后的三维光照图Fig.9 3D lighting view after interpolating and simulating

3 总 结

因野外调查任务的繁重，多波束野外勘测很容易出现各种难以发现的问题，特别是设备间的数据连接问题。本文以实际多波束勘测中电罗经与多波束采集系统之间未正确连接导致数据文件无航向数据为题，分析讨论了多波束XTF文件记录格式，航向数据的重新提取以及重新写入 XTF文件中的方法，该方法很好的解决了无航向数据测线水深图中出现空白带问题。

航向数据我们可以从导航软件的文件中提取，但有些数据是无法从中提取的，如调查船的实时姿态数据，因该数据只用一根线直接连接到采集记录系统，野外采集时若连线出错就无法从别的数据文件中提取，只能进行重新勘测。因此加强野外勘测实时监控的工作非常重要，另外采集软件数据出错的声音报警功能也非常重要，它能及时提醒工作人员采集工作出现了问题，减少监控工作的疏忽。

[1]李家彪, 王小波, 郑玉龙, 等.多波束勘测原理技术与方法 [M]北京: 海洋出版社, 1999, 48-50.

[2]高金耀, 方银霞, 徐赛英.原始多波束数据的格式转换与统一[J].海洋通报, 2002, 21(6): 68-74.

[3]吴自银, 李家彪.多波束勘测的数据编辑方法 [J].海洋通报, 2000, 19(3): 74-78.

[4]唐秋华, 陈义兰, 周兴华, 等.多波束海底声图像的形成及应用研究 [J].海洋测绘, 2004, 24(5): 9-12.

[5]黄谟涛, 翟国君, 欧阳永忠, 等.多波束与单波束测深数据的融合处理技术 [J].测绘学报, 2001, 30(4): 299-303.

A case study for rewriting gyro data in multibeam XTF file

DING Wei-feng1, Feng Xia2, Fu Xiao-ming1, Ye Lian-chun1,Yang Gen-xin1

(1.Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China; 2.The college of Hangzhou vocational technology, Hangzhou 310018,China)

P229.1；P209

A

1001-6932(2011)01-0001-06

2010-03-19 ；收修改稿日期：2010-05-17

国家海洋局 第二海洋研究所基本科研业务费专项资助项目（SZ0812），中国海洋大学海底科学与探测技术教育部重点实验室资助项目（2008-05）

丁维凤（1978－ ），男，江西德安县人，高级工程师，主要从事海洋地球物理勘查与研究工作。电子邮箱：fwxf1769@126.com。