基于XTF格式的侧扫声纳数据解码及可视化

郭　军，马金凤，王爱学

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510760；2.广州海洋地质调查局，广东 广州 510760;3.武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079;4.武汉大学 海洋测绘研究中心，湖北 武汉 430079)



基于XTF格式的侧扫声纳数据解码及可视化

郭军1,2，马金凤1,2，王爱学3,4

(1.国土资源部海底矿产资源重点实验室，广东 广州 510760；2.广州海洋地质调查局，广东 广州 510760;3.武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079;4.武汉大学 海洋测绘研究中心，湖北 武汉 430079)

从侧扫声纳原理出发，深入研究XTF格式的侧扫声纳数据结构，对其进行自动解码，提取各种统计参数及声纳回波强度信息，编程自动生成侧扫声纳瀑布图，实现侧扫声纳数据可视化。以南海某海域实测XTF格式侧扫声纳数据为例，进行解码和可视化，实验结果表明形成的侧扫声纳图像完全满足海洋地质调查需求，对识别海底微地形地貌提供精确可靠的依据。

侧扫声纳系统；XTF格式；解码；可视化；瀑布图

侧扫声纳系统具有海底全覆盖、分辨率高、效率高、精度高及海底微地形地貌直接成像的特点，其获取的声纳图像是海底地形地貌的一种真实客观地反映，声纳图像上呈现出的纹理及几何结构是海底不同类型底质的直观反映[1-6]。基于以上优势，侧扫声纳系统被广泛应用于海底区域地质调查项目中，为底质识别和海洋油气资源的探测提供可靠的基础数据。

近年来，随着广州海洋地质调查局区域调查项目和大洋科考项目的开展，获得越来越多XTF格式的侧扫声纳数据，包括浅水数据和深海数据。目前，对侧扫声纳数据的读取主要依靠专业的商业软件，如Triton Perspective软件，SonarWeb软件，SonarWizMap软件等，但由于软件的核心算法多涉及商业机密且软件侧重的功能不同，缺乏侧扫声纳数据统计参数提取功能，造成无法精确提取整个工区侧扫声纳的作业长度、覆盖面积、测线的起始时间、起始经纬度等参数，不能满足海洋地质调查的需求。为此，本文以南海某海域实测XTF格式侧扫声纳数据为例，从侧扫声纳原理出发，深入研究XTF格式的侧扫声纳数据结构，对其进行解码及可视化研究，提取相关统计参数并生成侧扫声纳瀑布图。

1　声纳成图机理

侧扫声纳原理：换能器发射声脉冲，以球面波的方式传播到物体后按原路径反向散射至换能器，形成PING数据[7-8]。PING数据接收的是一条反映海底底质特性的像素序列，每一个像素反映的是其对应的声强值。随着船体的运动，侧扫声纳不断地向海底垂直发射波束并记录回波，将采集的PING回波按测量的先后顺序堆叠在一起即可形成原始的侧扫声纳瀑布图[9-11]。最后将PING的回波强度量化至灰度级上，便可形成侧扫声纳灰度图像。图1为典型的侧扫声纳瀑布图。

侧扫声纳瀑布图由4部分组成：①零位线：换能器发射声脉冲信号直接在显示器上的记录，同时也是拖鱼航行的轨迹。②海底线：由每一行的第一个海底回波组成的强回波线，是水柱和海底回波图像之间的明显界限。③扫描线：声纳瀑布图像的主要组成部分，为PING回波序列量化至灰度级上形成的单行序列图像。④海面线：反映声纳的入水深度。

2　Edge Tech 4 200 MP

图2　Edge Tech 4 200 MP侧扫声纳测量系统

Edge Tech 4 200 MP是由美国生产的一款侧扫声纳系统(见图2)，该系统采用全频谱chirp技术，其技术优势为可获得宽频带、高能量发射脉冲和高分辨率、高信噪比的回声数据[12]，主要技术指标如表1所示。

表1　Edge Tech 4 200 MP主要技术指标

3　数据来源

试验数据来源于广州海洋地质调查局在南海某海域采集的XTF格式侧扫声纳数据。声纳系统为Edge Tech 4 200 MP，数据采集为Edge Tech Discover软件，单边量程为200 m，作业时采用双频作业模式，即同时打开122 kHz和400 kHz作业，船速保持为5节左右，主测线按垂直构造布设，为NE-SE走向，联络测线垂直于主测线，为NW-SE走向，测线间距为5 km。定位系统为Trimble SPS351 DGPS导航定位仪，导航系统选用SDE-28S测深仪自由行。图3为调查船只设备安装位置示意图。

调查海域位于南海近海，水深范围大约0～90 m，已有的历史调查资料显示：该海域海底底质比较复杂，主要为泥砂、淤泥、兼有少量的沙砾、基岩等。

图3　设备安装位置示意

野外作业时，受数据采集软件的限制，一条测线由若干个XTF格式文件组成，每一个XTF格式文件大小设置为300 MB左右，长度约4 km。

4　 XFT格式数据

XTF(Xtended Triton Format)是由美国Triton公司编制的一种用来存储多种数据类型的二进制数据格式，其具有很强的伸缩性和可扩展性，可保存声纳、航行、遥测、测深等多种类型的信息，且不同类型信息的存储并不互相影响。

每一个XTF文件都以一个文件头记录开始，紧跟其后为一个或者多个数据包，文件头数据存储在XTFFILEHEADER结构中，见图4。每一个XTFFILEHEADER结构包含6个通道信息，通道信息存储在CHANINFO结构中。

CHANINFO结构与文件结尾之间存储着数据包，每一个数据包包含一个hand结构，主要有4种类型的数据包：声纳、测深、姿态及注释。

图4　XTF文件结构

5　XFT格式解码及软件编程实现

解码时首先读取头部说明部分，依据头部说明中的文件格式来判断是否为XFT格式。编程读取PING数据时采用循环结构，首先计算总的PING数，采用指针循环读取每一个PING信息。根据采样点个数NumSamples乘以采样精度BytesPerSample计算出采样数据的字节数，并以此读取采样数据。最终将每一个PING的数据完全解编，转成明码文件，写到文本文件中，提供后续的参数统计计算及数据可视化。

本文采用MATLAB平台，编程实现了XTF格式侧扫声纳数据的解码，程序界面如图5和图6所示。程序主要由文件、数据处理、航迹信息、质量评价、可视化5个模块组成。数据处理包含单条测线解码和多条测线解码，获得参数有：文件名、采样设备、记录程序、采样间隔、采样点个数、总PING数、测线长度、斜距量程、覆盖面积等等。

图5　软件界面

图6　测线解码

6　瀑布图显示

对解码提取的左右舷回波分别进行处理，按采样顺序横向排列每一个回波得到一个PING数据，再将PING数据按照测量顺序纵向堆叠，便可以得到二维的回波数组，数组的每一个元素线性量化至[0,255]之间，从而形成图像数组，最后添加相应的图像头文件结构，即可形成侧扫声纳的瀑布图像文件。

表2为南海某海域实测XTF文件提取的数据包信息，据此计算Edge tech侧扫声纳的横向分辨率和纵向分辨率分别为1.7 cm和79 cm。

表2　实测XTF文件中提取的声纳数据包信息

从计算结果可以看出，横向分辨率非常高，达到了厘米级，纵向分辨率相对较低，达到了79 cm(纵向分辨率与野外采集时船速有关)，尽管横向分辨率和纵向分辨率的尺度不一样，但其成图效果足以满足海洋地质调查的需求。图7～图9展示了软件编程实现的侧扫声纳图像，可以看出沙波沙脊形态可辨，走向清晰，海底管线轮廓及走向格外明朗。经过计算获得，图7中沙波条纹宽度约4 m，高约1.3 m，图8中沙脊宽约21 m，图9中的海底管线宽约8 m。

图7　沙波

图8　沙脊

图9　海底管线

瀑布图中呈现出各种地形地貌，尤其是沙坡和沙脊，纹理结构清晰，轮廓明朗，连续性和分辨率较高，适用于大规模大范围的海底地貌研究和海底目标物探测及标定，完全满足地质调查的需求。

7　结束语

本文深入研究XTF格式侧扫声纳原始数据结构，对XTF格式进行解码，提取各种统计参数和声纳的回波强度信息，基于matlab平台实现回波强度的可视化编程，取得理想的效果。实验验证上述实施过程和技术方法的正确性。

[1]懂庆亮，欧阳永忠，陈岳英.侧扫声纳和多波束测深系统组合探测海底目标[J].海洋测绘，2009,29(5):51-53.

[2]赵建虎，刘经南.多波束测深及图像数据处理 [M].武汉：武汉大学出版社，2008.

[3]阳凡林，刘经南，赵建虎.基于数据融合的侧扫声纳图像预处理[J].武汉大学学报(信息科学版),2004,29(5):402-406.

[4]杨广.基于声纳图像的海底微地形形状恢复方法研究[D].武汉：武汉大学，2012.

[5]郭军，马金凤，王爱学.基于改进GLCM的侧扫声纳影像分类研究[J].测绘工程，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]赵建虎, 王爱学, 郭军. 多波束与侧扫声呐图像区块信息融合方法研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2013(3):287-290.

[9]郭军，马金凤，王爱学.基于SVM算法和GLCM的侧扫声纳影像分类研究[J].测绘与空间地理信息，2015,30(3) :60-63

[10] 李春雨.海底声纳图像的判读方法研究[J].科技信息,2012(1):159-159.

[11] 李军, 滕惠忠. 侧扫声纳数据的格式转换及应用[J].海洋测绘,2002,22(2):36-38.

[12] 高俊国，李增林，杜军.侧扫声纳系统成图中的位移，变形和噪声问题[J].海岸工程,2003,22(2):44-50.

[责任编辑：李铭娜]

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

国家专项工作资助项目(GZH201100312-01);国土资源部海底矿产资源重点实验室开放基金(1212011220117)

郭军(1984-)，男，工程师，硕士.

TP391.41

A

1006-7949(2016)11-0050-04