基于C#的側掃聲納數據管理及可視化軟件設計與實現

郭 軍,曹 明,王愛學,陳宏文,馮強強,易 鋒

(1.國土資源部海底礦產資源重點實驗室，廣東 廣州 510760;2.廣州海洋地質調查局,廣東 廣州 510760；3.浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006;4.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079;5.武漢大學 海洋測繪研究中心，湖北 武漢 430079)

側掃聲納系統可以低成本、寬掃幅、高效率地獲取大區域、高分辨海底微地形、地貌圖像信息，圖像中豐富的灰度、形態、紋理等特征，為海底目標的發現、底質的定性分析提供了可靠、直觀的判斷依據[1-4]。目前，側掃聲納圖像作為一種面狀數據源，已成為天然氣水合物資源勘查的重要基礎資料[5-7]。

隨著天然氣水合物資源勘查項目的不斷推進與擴展，獲取了越來越多的高密度、大區域側掃聲納資料，為天然氣水合物資源的全面科學分析提供了可行性，但也同時帶來了較為棘手的問題：不同型號側掃聲納設備配備的數據處理軟件不同，不同軟件數據處理結果質量良莠不齊，處理結果多以二維圖像為主，沒有三維顯示功能，且不能與其他聲學數據相互疊加，缺乏綜合分析能力，不利于可疑目標物的快速精準定位與測量，難以滿足天然氣水合物資源勘查項目的需求。

天然氣水合物資源勘查項目所獲取的側掃聲納數據具有以下特點：屬于深海數據，拖曳長度達數千公里；水下定位難度大；輔助測量數據種類繁多；數據類型與結構復雜；海底覆蓋面積超大；聲納及輔助測量數據量龐大[8-10]。而傳統的文件管理方式過于簡單，數據查詢、調用繁瑣、數據利用率及可視化程度較低，不適用日益增長的數據管理和需求，造成一定程度上的數據浪費。

為建設準確、統一、科學、高效的側掃聲納數據處理與管理系統，通過完備的處理理論以盡可能地挖掘側掃聲納圖像中有效的海底微地形地貌底質信息，突顯側掃聲納面狀數據源的優勢，進一步滿足新形勢下天然氣水合物調查海量數據處理與管理的需求，本文研發一款適用于天然氣水合物資源勘查的側掃聲納數據管理及可視化軟件系統。該系統主要功能包括側掃聲納原始數據管理、數據預處理、數據處理、數據質量評價、數據庫建設及查詢、可視化顯示、數據輸出等。軟件采用C#編寫，在Windows操作系統、Visual Studio 2013開發環境下采用MFC工具設計并開發。

1 系統構架

結合側掃聲納數據處理的特點及項目開發需求，系統架構分為：數據處理、數據庫構建與管理、功能應用、顯示與操作控制4個部分，如圖1所示。

圖1 系統總體構架

1.1 側掃聲納數據處理模塊

主要包括：原始數據文件解碼、導航姿態數據質量控制、拖魚航向延遲探測、圖像輻射畸變改正、底線自動提取、斜距改正、地理編碼、無縫填充、消噪、條帶圖像坐標級鑲嵌、條帶圖像特制級鑲嵌、鑲嵌質量評估等。

1.2 側掃聲納數據庫構建與管理模塊

主要包括：側掃聲納原始數據(原始回波、導航、姿態、航向、時間、測線長度)、成果數據(質量控制后的航跡、姿態、瀑布圖、編碼圖、鑲嵌圖、質量評價報告)的分類入庫；基于時間、位置及其他屬性條件建立上述各數據之間的關系，以及基于數據庫的數據修改、刪除、重新處理、空間分析、多樣化查詢等。

1.3 應用功能模塊

主要包括：文件管理、數據的質量評價、圖像信息統計及特征提取、目標識別與標記、與其他信息的疊加分析、成果格式化輸出等。

1.4 用戶可視化顯控模塊

主要包括：基于功能分類的易操作菜單；以時間、航次或工程名等屬性為節點的測線樹列表；點、線、面等數據元的分層、多色、多窗口顯示；窗口的放大、縮小顯示；元數據插入、刪除、再處理以及框選、點選查詢；選擇數據的格式化輸出等。

2 系統功能設計

根據需求，系統設計功能包括：原始數據管理、數據預處理、數據處理、質量評價、數據庫管理、可視化操作、成果輸出等7部分。

2.1 原始數據管理功能

管理原始數據層數據，各類原始數據采用文件形式存儲，不做任何改動，以保證數據的原始屬性；提取原始數據的元數據信息，作為數據庫的關鍵字段，方便數據的查詢檢索；自動生成電子資料的清單目錄，包括：文件名、文件大小、文件類型、創建時間、修改時間、訪問時間、文件所在目錄等信息。

2.2 數據預處理功能

數據重命名：按照統一的命名規則，對原始數據進行重命名，將原始命名與標準命名一一對應的關系存儲到數據庫中；格式轉換：將原始的數據格式轉換為XTF通用格式；數據修正：剔除跳變點，對導航數據進行必要的修改，并重新寫入XTF文件中。

2.3 數據處理功能

實現單條測線解編和多條測線批量解編，解碼后的XTF數據為明碼的TXT文件，同時實現單條測線和多條測線的信息提取與統計計算；實現側掃聲納數據的瀑布圖顯示、增益調整、斜距校正，圖像增強、圖像地理編碼；對每一PING數據進行統計分析；生成單條測線鑲嵌圖和區域性側掃聲納數據鑲嵌圖。

2.4 質量評價功能

系統設計數據質量評價功能，主要評價內容包括：定位數據、時間數據、信號數據、測量船速、數據完整性。

2.5 數據庫管理功能

側掃聲納原始數據管理：管理海量的側掃聲納數據，實現查詢檢索；資料信息數據管理：存放資料目錄清單、航跡數據、統計信息數據，實現查詢檢索；聲納圖像目標數據管理：存儲目標圖像，保留原始圖像的所有信息，并提取圖像的相關特征參數信息；元數據管理：存放數據的元數據信息，分為元數據基本信息、概要信息、詳細信息。

2.6 可視化功能

商用的側掃聲納數據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、海底底質分類圖二維可視化。

本次設計的系統增加三維可視化功能，可以加載外部地形網格數據，將側掃聲納圖像和地形數據相疊加，實現目標物的精準定位與量測。同時增加空間分析功能，將側掃聲納數據與水深、多波束背向散射圖像等數據進行疊加，采用多種聲學數據進行綜合分析，相互驗證，進一步提高目標物的立體勘查探測識別能力。

2.7 數據輸出功能

系統提供成果數據輸出功能，主要包括：

1)TXT格式PING數據；

2)TIFF格式側掃聲納圖像；

3)TIFF格式目標圖像。

3 數據庫構建

3.1 側掃聲納數據分類

根據側掃聲納數據特點，可將側掃聲納調查獲取的數據分為以下類型：

1)航次綜合信息：包括調查單位、調查項目、調查區域、調查區塊、調查船、調查時間、起止港口、首席科學家、采用的設備、測線數、測線長度等信息。

2)測線信息：包括測線號、數據文件名稱、采樣設備、記錄程序、數據標準、采樣點個數、總Ping數、測線起始時間、測線結束時間、測線起點位置、測線終點位置、水深分布、航線走向、斜距量測、覆蓋面積等。

3)原始測線數據：包括測線號、文件名稱、采樣設備、記錄程序、脈沖間隔、采樣個數、總Ping數、測線起始結束時間、測線用時、測線起點位置、測線終點位置、水深分布、航線走向、斜距量測、覆蓋面積等。

4)鑲嵌圖信息：包括測線號、鑲嵌圖左下角坐標、鑲嵌圖右上角坐標、數據量、鑲嵌圖格式、圖像分辨率、投影參數、側掃聲納圖像解譯信息。

5)目標鑲嵌圖及解譯信息：包括測線號、鑲嵌圖坐標、數據量、鑲嵌圖格式、圖像分辨率、投影參數、側掃聲納圖像解譯信息，如圖2所示。

3.2 數據庫模型構建

根據上述側掃聲納數據分類，按照概念模型設計、邏輯模型設計和物理模型設計來進行側掃聲納數據庫的設計。

4 側掃聲納條帶數據處理

4.1 原始數據文件解碼與轉換

本次側掃聲納數據來源于南海某天然氣水合物資源勘查試驗區。根據XTF包的結構信息，掃描整個XTF文件[11-14]，根據時間先后，將同類型數據重新組合在一起，從而得到聲納回波序列、導航序列以及姿態序列等原始數據，依據這些原始數據，便可以對側掃聲納數據進行后續成圖及后處理操作。

4.2 輔助測量數據處理

由于導航數據、姿態數據的采樣周期不一致，故在確定拖魚位置之前，首先需要對導航、羅經及姿態數據做插值處理；其次，因海洋環境及儀器自身測量過程中出現比較明顯的粗差，還需對其進行濾波平滑，為后續地理編碼和姿態改正提供高質量的導航和姿態數據。

圖2 側掃聲納數據庫建庫方法

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性，消除側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：彌補聲波隨著傳播距離增加而產生的擴展損失和吸收損失，調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：根據拖魚的位置、航向、寬度及回波序列號可估算出每一個回波的大概位置，生成地理坐標框架下的側掃聲納圖像，如圖5所示。

圖5 地理坐標下的側掃聲納圖像

4.4 多條側掃聲納圖像鑲嵌

將多個條帶圖像劃歸至統一坐標框架下，同時解決重疊區域多源圖像的統一問題，從而生成大區域、大面積的海底聲納圖像，為查看與識別海底表面底質類型及可疑目標物提供最為直觀的可視化數據，如圖6所示。

圖6 側掃聲納鑲嵌圖像

5 軟件編寫

作者采用Visual Studio 2013作系統的開發工具，以C#為開發語言，編程實現了側掃聲納數據管理及可視化系統。界面的設計采用圖像化界面，風格統一，操作簡便，便于操作員快速掌握系統操作方法，符合業務辦理流程。最后采用南海某海域實測側掃聲納數據對軟件系統進行了測試，測試結果表明該軟件系統運行穩定，數據管理方便快捷；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側掃聲納數據處理、管理、展示的要求，達到了理想的效果。

6 結束語

本文基于C#語言，設計并實現了側掃聲納數據管理及可視化系統的開發，并將其應用于天然氣水合物資源勘查項目中，解決了海量側掃聲納數據的統一處理、管理及可視化問題，實現了大范圍大面積的側掃聲納的高質量鑲嵌圖，具有較強的針對性和實用性，為高效、科學、規范地管理及處理側掃聲納數據提供了技術保障。為天然氣水合物資源深入研究的開展和數字海洋工程提供了科學可靠的可視化基礎數據。