基于C#的侧扫声纳数据管理及可视化软件设计与实现

郭 军,曹 明,王爱学,陈宏文,冯强强,易 锋

(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.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006;4.武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 430079;5.武汉大学 海洋测绘研究中心，湖北 武汉 430079)

侧扫声纳系统可以低成本、宽扫幅、高效率地获取大区域、高分辨海底微地形、地貌图像信息，图像中丰富的灰度、形态、纹理等特征，为海底目标的发现、底质的定性分析提供了可靠、直观的判断依据[1-4]。目前，侧扫声纳图像作为一种面状数据源，已成为天然气水合物资源勘查的重要基础资料[5-7]。

随着天然气水合物资源勘查项目的不断推进与扩展，获取了越来越多的高密度、大区域侧扫声纳资料，为天然气水合物资源的全面科学分析提供了可行性，但也同时带来了较为棘手的问题：不同型号侧扫声纳设备配备的数据处理软件不同，不同软件数据处理结果质量良莠不齐，处理结果多以二维图像为主，没有三维显示功能，且不能与其他声学数据相互叠加，缺乏综合分析能力，不利于可疑目标物的快速精准定位与测量，难以满足天然气水合物资源勘查项目的需求。

天然气水合物资源勘查项目所获取的侧扫声纳数据具有以下特点：属于深海数据，拖曳长度达数千公里；水下定位难度大；辅助测量数据种类繁多；数据类型与结构复杂；海底覆盖面积超大；声纳及辅助测量数据量庞大[8-10]。而传统的文件管理方式过于简单，数据查询、调用繁琐、数据利用率及可视化程度较低，不适用日益增长的数据管理和需求，造成一定程度上的数据浪费。

为建设准确、统一、科学、高效的侧扫声纳数据处理与管理系统，通过完备的处理理论以尽可能地挖掘侧扫声纳图像中有效的海底微地形地貌底质信息，突显侧扫声纳面状数据源的优势，进一步满足新形势下天然气水合物调查海量数据处理与管理的需求，本文研发一款适用于天然气水合物资源勘查的侧扫声纳数据管理及可视化软件系统。该系统主要功能包括侧扫声纳原始数据管理、数据预处理、数据处理、数据质量评价、数据库建设及查询、可视化显示、数据输出等。软件采用C#编写，在Windows操作系统、Visual Studio 2013开发环境下采用MFC工具设计并开发。

1 系统构架

结合侧扫声纳数据处理的特点及项目开发需求，系统架构分为：数据处理、数据库构建与管理、功能应用、显示与操作控制4个部分，如图1所示。

图1 系统总体构架

1.1 侧扫声纳数据处理模块

主要包括：原始数据文件解码、导航姿态数据质量控制、拖鱼航向延迟探测、图像辐射畸变改正、底线自动提取、斜距改正、地理编码、无缝填充、消噪、条带图像坐标级镶嵌、条带图像特制级镶嵌、镶嵌质量评估等。

1.2 侧扫声纳数据库构建与管理模块

主要包括：侧扫声纳原始数据(原始回波、导航、姿态、航向、时间、测线长度)、成果数据(质量控制后的航迹、姿态、瀑布图、编码图、镶嵌图、质量评价报告)的分类入库；基于时间、位置及其他属性条件建立上述各数据之间的关系，以及基于数据库的数据修改、删除、重新处理、空间分析、多样化查询等。

1.3 应用功能模块

主要包括：文件管理、数据的质量评价、图像信息统计及特征提取、目标识别与标记、与其他信息的叠加分析、成果格式化输出等。

1.4 用户可视化显控模块

主要包括：基于功能分类的易操作菜单；以时间、航次或工程名等属性为节点的测线树列表；点、线、面等数据元的分层、多色、多窗口显示；窗口的放大、缩小显示；元数据插入、删除、再处理以及框选、点选查询；选择数据的格式化输出等。

2 系统功能设计

根据需求，系统设计功能包括：原始数据管理、数据预处理、数据处理、质量评价、数据库管理、可视化操作、成果输出等7部分。

2.1 原始数据管理功能

管理原始数据层数据，各类原始数据采用文件形式存储，不做任何改动，以保证数据的原始属性；提取原始数据的元数据信息，作为数据库的关键字段，方便数据的查询检索；自动生成电子资料的清单目录，包括：文件名、文件大小、文件类型、创建时间、修改时间、访问时间、文件所在目录等信息。

2.2 数据预处理功能

数据重命名：按照统一的命名规则，对原始数据进行重命名，将原始命名与标准命名一一对应的关系存储到数据库中；格式转换：将原始的数据格式转换为XTF通用格式；数据修正：剔除跳变点，对导航数据进行必要的修改，并重新写入XTF文件中。

2.3 数据处理功能

实现单条测线解编和多条测线批量解编，解码后的XTF数据为明码的TXT文件，同时实现单条测线和多条测线的信息提取与统计计算；实现侧扫声纳数据的瀑布图显示、增益调整、斜距校正，图像增强、图像地理编码；对每一PING数据进行统计分析；生成单条测线镶嵌图和区域性侧扫声纳数据镶嵌图。

2.4 质量评价功能

系统设计数据质量评价功能，主要评价内容包括：定位数据、时间数据、信号数据、测量船速、数据完整性。

2.5 数据库管理功能

侧扫声纳原始数据管理：管理海量的侧扫声纳数据，实现查询检索；资料信息数据管理：存放资料目录清单、航迹数据、统计信息数据，实现查询检索；声纳图像目标数据管理：存储目标图像，保留原始图像的所有信息，并提取图像的相关特征参数信息；元数据管理：存放数据的元数据信息，分为元数据基本信息、概要信息、详细信息。

2.6 可视化功能

商用的侧扫声纳数据可视化基本上以二维可视化为主：包括航迹信息二维可视化、镶嵌图二维可视化、海底底质分类图二维可视化。

本次设计的系统增加三维可视化功能，可以加载外部地形网格数据，将侧扫声纳图像和地形数据相叠加，实现目标物的精准定位与量测。同时增加空间分析功能，将侧扫声纳数据与水深、多波束背向散射图像等数据进行叠加，采用多种声学数据进行综合分析，相互验证，进一步提高目标物的立体勘查探测识别能力。

2.7 数据输出功能

系统提供成果数据输出功能，主要包括：

1)TXT格式PING数据；

2)TIFF格式侧扫声纳图像；

3)TIFF格式目标图像。

3 数据库构建

3.1 侧扫声纳数据分类

根据侧扫声纳数据特点，可将侧扫声纳调查获取的数据分为以下类型：

1)航次综合信息：包括调查单位、调查项目、调查区域、调查区块、调查船、调查时间、起止港口、首席科学家、采用的设备、测线数、测线长度等信息。

2)测线信息：包括测线号、数据文件名称、采样设备、记录程序、数据标准、采样点个数、总Ping数、测线起始时间、测线结束时间、测线起点位置、测线终点位置、水深分布、航线走向、斜距量测、覆盖面积等。

3)原始测线数据：包括测线号、文件名称、采样设备、记录程序、脉冲间隔、采样个数、总Ping数、测线起始结束时间、测线用时、测线起点位置、测线终点位置、水深分布、航线走向、斜距量测、覆盖面积等。

4)镶嵌图信息：包括测线号、镶嵌图左下角坐标、镶嵌图右上角坐标、数据量、镶嵌图格式、图像分辨率、投影参数、侧扫声纳图像解译信息。

5)目标镶嵌图及解译信息：包括测线号、镶嵌图坐标、数据量、镶嵌图格式、图像分辨率、投影参数、侧扫声纳图像解译信息，如图2所示。

3.2 数据库模型构建

根据上述侧扫声纳数据分类，按照概念模型设计、逻辑模型设计和物理模型设计来进行侧扫声纳数据库的设计。

4 侧扫声纳条带数据处理

4.1 原始数据文件解码与转换

本次侧扫声纳数据来源于南海某天然气水合物资源勘查试验区。根据XTF包的结构信息，扫描整个XTF文件[11-14]，根据时间先后，将同类型数据重新组合在一起，从而得到声纳回波序列、导航序列以及姿态序列等原始数据，依据这些原始数据，便可以对侧扫声纳数据进行后续成图及后处理操作。

4.2 辅助测量数据处理

由于导航数据、姿态数据的采样周期不一致，故在确定拖鱼位置之前，首先需要对导航、罗经及姿态数据做插值处理；其次，因海洋环境及仪器自身测量过程中出现比较明显的粗差，还需对其进行滤波平滑，为后续地理编码和姿态改正提供高质量的导航和姿态数据。

图2 侧扫声纳数据库建库方法

4.3 声纳条带图像处理

1)斜距改正：移除水柱信息，确保声纳图像的连续性，消除侧扫声纳图像在横向上存在倾斜的几何畸变，如图3所示。

图3 斜距改正前(上)后(下)效果图

2)灰度均衡：弥补声波随着传播距离增加而产生的扩展损失和吸收损失，调整图像横向灰度变化，消除辐射畸变，如图4所示。

图4 灰度均衡前(上)后(下)效果图

3)地理编码：根据拖鱼的位置、航向、宽度及回波序列号可估算出每一个回波的大概位置，生成地理坐标框架下的侧扫声纳图像，如图5所示。

图5 地理坐标下的侧扫声纳图像

4.4 多条侧扫声纳图像镶嵌

将多个条带图像划归至统一坐标框架下，同时解决重叠区域多源图像的统一问题，从而生成大区域、大面积的海底声纳图像，为查看与识别海底表面底质类型及可疑目标物提供最为直观的可视化数据，如图6所示。

图6 侧扫声纳镶嵌图像

5 软件编写

作者采用Visual Studio 2013作系统的开发工具，以C#为开发语言，编程实现了侧扫声纳数据管理及可视化系统。界面的设计采用图像化界面，风格统一，操作简便，便于操作员快速掌握系统操作方法，符合业务办理流程。最后采用南海某海域实测侧扫声纳数据对软件系统进行了测试，测试结果表明该软件系统运行稳定，数据管理方便快捷；二维及三维图形显示清晰流畅。完全满足天然气水合物资源勘查对侧扫声纳数据处理、管理、展示的要求，达到了理想的效果。

6 结束语

本文基于C#语言，设计并实现了侧扫声纳数据管理及可视化系统的开发，并将其应用于天然气水合物资源勘查项目中，解决了海量侧扫声纳数据的统一处理、管理及可视化问题，实现了大范围大面积的侧扫声纳的高质量镶嵌图，具有较强的针对性和实用性，为高效、科学、规范地管理及处理侧扫声纳数据提供了技术保障。为天然气水合物资源深入研究的开展和数字海洋工程提供了科学可靠的可视化基础数据。