XTF格式側掃聲納數據格式解析與應用

韓春花，殷汝廣，張俊明，孫思軍

（1.國家海洋信息中心 天津 300171；2.北京正航科技發展有限公司 北京 100039）

XTF格式側掃聲納數據格式解析與應用

韓春花1，殷汝廣1，張俊明2，孫思軍1

（1.國家海洋信息中心 天津 300171；2.北京正航科技發展有限公司 北京 100039）

從側掃聲納原理出發，深入分析XTF格式側掃聲納數據文件組織結構與內容，通過軟件開發實現對批量XTF格式側掃聲納數據的自動解碼，進而實現批量XTF格式側掃聲納數據文件自動航跡提取、測線長度、測線走向、測線用時等統計信息計算，在短時間內不使用專門軟件即可獲取大量XTF格式側掃聲納數據的基礎信息，大大提高了此類數據的判讀效率。

側掃聲納；XTF格式；格式解編

側掃聲納系統以其高精度、高效率、高分辨率、海底微觀地貌直觀成像的特點，為海底探測提供了完整的海底聲學圖像，從而獲得海底形態，并對海底物質的紋理特征進行定性的描述，廣泛應用于海底地貌測繪、海底底質勘探、水下目標搜尋、海洋工程等方面[1-5]。

側掃聲納以成像為主。將放置在拖魚兩側的換能器，垂直于航向的方向上沿左右船舷各發射一扇形波束，以球面波的形式向遠處傳播[6]，碰到海底后反射波或反向散射波沿原路線返回到換能器（稱為回波）。由于海底地貌、底質性質、傳播路徑的遠近不同等，回波幅度的高低就會發生變化，這樣，一次發射/接收（每ping）就獲得了一條反映海底信息的很多小方塊或者像素（pixel）序列。工作船向前航行，以一定時間間隔進行發射和接收操作，就得到了二維海底地形地貌的聲圖。聲圖以不同顏色（偽色彩）或不同的黑白程度表示海底的特征，就可以進行海底地形地貌的識別工作。

側掃聲納調查獲取的數據文件格式隨儀器設備不同而不同，目前常見的有*.XTF、*.Q-mips、*.sdf等格式，其中以*.XTF格式較為常用。XTF格式數據文件是Triton Imaging Inc公司使用的數據文件格式，是目前通用的地球物理聲學探測數據格式。近年來，我國開展的“近海海洋綜合調查與評價專項”就將XTF格式作為側掃聲納數據文件的標準格式。但此類數據需要配備專門的軟件（如sonarwizmap等）才能讀取，并且一般數據量都較大。如何能夠快速地、自動地對批量XTF格式數據進行信息提取及統計參數計算，是目前此類資料管理應用中亟待解決的問題。

1 XTF文件格式

XTF格式文件是目前通用的聲學勘探數據組織格式文件，具有復雜的、多層次數據組織結構[7]。XTF格式是一種可擴展的數據格式，它的伸縮性和可擴展性很強，可保存聲納、航行、遙測、測深等多種類型的信息。它可以很容易地擴展成將遇到的不同數據類型。

XTF格式文件由許多數據包組成，每個數據包前面都有關于數據類型和大小的說明，數據包又叫Ping，相當于地震數據中的“道（TRACE）”。如果處理軟件讀取時，不需要或不能識辨某個數據包，則根據數量包大小直接跳過。

XTF格式文件開始是XTFILEHEADER結構，長度最少為1 024KB，它包括聲納通道信息和測深通道信息等。后面是不同的數據包，目前主要有聲納、測深、姿態和注釋4種類型。每個數據包都有一個頭結構。數據包的位置可以任意，讀取時依據頭結構的頭類型信息來確定數據包的類型。對于通道，每個通道有通道頭結構，后面是通道測量數據。結構如圖1所示。

圖1 XTF文件結構

2 XTF格式數據解編方法與軟件實現

為了便于數據的存儲和管理，根據XTF文件格式說明文件（V26）定義了具體的數據結構，如表1所示。

表1 XTF格式數據結構定義表

所有XTF格式文件都是由文件頭開始，文件頭由一個頭部說明和CHANINFO結構組成。形成一個完整的XTF FILEHEADER結構，最小長度為1 024字節。當XTF FILEHEADER結構中的通道數大于6時，則XTF格式FILHEADER的長度應該增加1 024字節。圖2是

一個2通道XTF格式文件的數據組織結構圖。

圖2 XTF格式文件數據組織結構

解編XTF格式數據文件首先應正確讀出文件頭信息（XTF FILEHEADER）和文件頭中的通道結構信息（CHANNINFO）。軟件實現時先從文件頭讀取1 024字節，讀取成功以后判斷該文件是否為XTF格式。判斷依據是第一個字節必須等于0X7B，轉換為10進制為123，否則該文件不是XTF格式。讀取了文件頭信息，便可取出文件頭信息（XTF FILFHEADER）結構中的聲納通道數，當通道數大于6時，需要再次讀取1 024字節。每個通道都有一個通道結構信息（CHANNINFO），通道結構信息中最重要的兩項是通道類型（TypeOfChannel）和采樣精度（BytesPerSample）。當TypeofChannel值為0表示淺剖，值為1表示左舷，值為2表示右舷，值為3表示測深。采樣精度（BytesPerSample）值為1表示8位，值為2表示16位。

成功讀取XTF格式文件頭信息后繼續讀取每一Ping的數據。軟件實現時使用一個循環操作，來讀取每一Ping的數據，循環結束的條件為讀取的字節小于每一Ping頭結構（PINGHEADER）的大小。讀完一Ping數據之后，假設目前數據緩沖區中已經有讀入的數據，聲明一個BYTE（unsigned char）類型的指針ptr，指向緩沖區開始，然后聲明一個XTF格式Ping頭（PINGHEADER）類型的指針PingHeader，使其指向剛才的指針，即PingHeader＝ptr，即可訪問PingHeader中的數據，需要注意要進行類型強制轉。若想讀取之后的數據，可以進行指針運算，ptr＋＝sizeof（XTF格式PINGHEADER），意為指針位置向后移動了sizeof（XTF PINGHEADER）字節，便可繼續讀取每一Ping通道（XTF PINGCHANHEADER）結構，此結構中包含有ChannelNumber（通道數）、Slant Range（斜距量程）、NumSamples（采樣點個數）3個必備數據。然后將指針ptr移動到文件頭結構（PINGHEADER）結尾，即ptr＋＝sizeof（XTF PINGCHANHEADER），根據結構XTF PINGCHANHEADER中的NumSamples（采樣點個數）的值乘以BytesPerSample（采樣精度），即可計算出采樣數據的字節數，并依次讀取采樣數據。至此，繼續讀取下一個通道的數據。最終逐一將每一Ping的數據完全解編，并進行各項參數統計計算處理。在參數統計計算中，選取了采樣間隔、采樣點個數、總ping數、測線長度、覆蓋面積、測線用時及測線走向等。將以上功能封裝在專門的動態鏈接庫xtf.Lib中實現。

3 應用

利用上述原理和方法，開發完成了XTF格式數據提取軟件，可實現對批量XTF格式數據的格式解析與統計參數計算。程序界面如圖3所示。在處理文件時，可實現XTF文件解編、信息提取與統計計算同時進行。如處理00.xtf文件時，同時生成一個00_trace.txt（航跡信息）、00_info.txt（xtf解編文件）和00.cvs（信息統計計算文件）。

00 _trace.txt文件內容包含每一ping數據的經度、緯度和時間（圖4）。

00 _info.txt文件為一個文本文件，以明碼方式記錄了頭信息（Header Data）、通道結構信息（Channel Struct Data）和每一Ping（Ping Data）的數據信息（圖5）。

00.cvs為一個逗號分割的文本文件，記錄或者計算了測線文件名稱、采樣設備、記錄程序、數據標準、采樣間隔、采樣點個數、總Ping數、測線長度、斜距量程、覆蓋面積、作業開始時間、作業結束時間、測線用時、起點經度、起點緯度、起點水深、終點經度、終點緯度、終點水深、測線走向等信息（圖6）。

圖3 數據提取過程中

圖4 提取后的航跡信息文件

圖5 格式解析后的文件

利用該軟件模塊，實現了對“我國近海海洋綜合調查與評價專項”中所有XTF格式文件的航跡提取、格式解析與統計參數計算，程序運行時間不到一天，可處理近1TB的XTF格式數據。

圖6 生成的統計信息文件

4 結語

XTF格式數據是一類格式特殊、必須特殊軟件才能打開的數據。深入XTF格式數據內部，通過格式解析，軟件編制，將XTF格式數據轉換成可讀的文件，并通過提取必備的參數設置，使用戶在短時間內不需要安裝復雜的專用軟件，就可以對大批量的XTF數據有一個基本的認識，具有比較實際的應用價值。

[1]唐秋華，陳義蘭，周興華，等.多波束海底聲像圖的形成及應用研究[J].海洋測繪，2004（5）：9-l2．

[2]董慶亮，歐陽永忠，陳岳英，等.側掃聲納和多波束測深系統組合探測海底目標[J].海洋測繪，2009，29（5）：51-53.

[3]李海濱，滕惠忠，宋海英，等.基于側掃聲納圖像海底目標物提取方法[J].海洋測繪，2010，30（6）：71-73.

[4]李軍，騰惠忠.側掃聲納數據的格式轉換及應用[J].海洋測繪，2002，22（2）：36-38.

[5]騰惠忠，鄧雪清，郭思海.側掃聲納數據庫管理設計[J].海洋測繪，2003，23（1）：27-30.

[6]于杰.側掃聲納原始信息轉換及其應用[J].水雷戰與艦船防護，2009，17（1）：56-59.

[7]韓春花，張俊明，梁建峰，等.側掃聲納數據管理系統設計與實現[J].海洋通報，2011，30（2）：187-192.

2011-10-09

我國近海海洋綜合調查與評價專項（908-03）；國家海洋局青年基金項目：側掃聲納數據管理方法研究（18104002C）