基于側掃聲吶的海底管道可視化系統實現

庫安邦，楊 鯤

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津水運工程勘察設計院 天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456)

海底環境錯綜復雜，受海洋水動力、海流的沖刷等影響，海底管道下方沉積物容易被掏蝕從而出現裸露、懸空等現象，懸跨長度過長就會使管道發生斷裂[1]，出現油氣泄漏，經濟蒙受巨大損失的同時對海洋生態環境造成惡劣的影響。因此人們越來越重視海底管道的檢測和維護，側掃聲吶系統以其低成本、高效率、高分辨率等優勢在海底管道檢測方面應用越來越廣泛[2-6]。來向華[7-8]等針對單波束和側掃聲吶探測海底管道進行了探究，驗證了單波束和側掃聲吶系統檢測海底管道的實用性；安永寧[9]等提出了針對管道懸空具體的治理方法；荊少東[10]考慮了不同海底地貌對海底管道穩定性的影響；王雷[11]等分析了海底管道存在的不同狀態，根據側掃聲吶系統探測結果，針對不同的管道狀態提出了對應的計算方法；張彥昌[12]、張永明[13]、馮百全[14]等人針對綜合側掃聲吶、淺地層剖面儀、多波束系統等多種手段探測海底管線進行了介紹，對比分析了各個聲學探測方法的優劣性，最后得出了綜合探測效果最佳的結論。

雖然前人對側掃聲吶探測海底管道進行了大量的總結和論述，但是傳統的分析和研究多基于商業軟件，各廠商軟件雖然可以實現簡單的瀑布圖顯示和處理，但鑒于各個公司軟件側重功能不同，無法滿足針對性的需求。對感興趣的區域研究或直接在圖像顯示軟件上截取灰度圖，針對截取的灰度圖做進一步的分析，顯示軟件上的目標灰度圖像經過了系統的壓縮、轉換處理等，在一定程度上存在失真和畸變，為保證后續數據二次開發的準確性，本文以XTF格式側掃聲吶數據為例，解析原始數據并對其進行一系列的改正處理，最終得到完整的、較準確的管道聲吶圖像，并將其集成開發了聲吶管道數據可視化系統。

1 XTF格式數據結構

XTF文件由一個頭文件開始，包含文件的標識和數據通道信息。一個頭文件至少是1 KB，文件信息占256個字節，包含聲吶類型、通道數量等信息；一個頭文件結構體包含六個通道空間，主要記錄通道的類型、采樣精度等信息。頭文件之后就是各個數據包，每個數據包包含各自的頭文件，用于識別數據包的類型和大小等，各數據包相互獨立，可以按需讀取。XTF文件中主要的數據包類型有測深、聲吶等，數據包頭文件后邊就是通道數據，通道數據包含通道頭文件和采樣數據，通道頭文件中包含聲吶系統采樣方式、采樣率等信息，對于側掃聲吶采樣數據就是回波強度。其他幾個數據包的結構分布和聲吶數據包的結構是一致的，本次研究僅針對聲納數據開展研究，其他就不再贅述。

2 關鍵技術

從采集的原始側掃聲吶數據入手，分析XTF格式側掃聲吶數據成圖關鍵步驟，著重介紹了數據解碼、海底線檢測和航跡處理等部分，最后集成各關鍵步驟算法，集成開發了海底管道可視化系統，高效的管理和使用側掃聲吶海底管道數據。

2.1 數據解碼

根據XTF文件的組成結構，按照圖1順序讀取XTF文件，XTF頭文件主要包括字段、字節偏移量和注釋三部分，字段表示各部分名稱，字節偏移量對應字段開始的位置，根據這一特點，讀取數據時可合理利用指針工具，根據字節偏移量針對性的讀取聲吶數據包內的所有內容。利用指針偏移讀取數據包頭文件后就進入到通道記錄的數據，經過通道數據頭文件的“放行”后，就見到了重要的聲強采樣數據，根據高低頻，左右舷的先后順序，依次讀取每個通道中的采樣數據，再依次按順序組合。

圖1 XTF數據流結構圖Fig.1 XTF structure diagram of data flow

2.2 閾值法檢測海底線

2-a 閾值法檢測海底線 2-b 海底線跟蹤圖2 閾值法檢測海底線Fig.2 Threshold method for detection of submarine line

海底線由海底點連接形成，每個海底點是單Ping掃描序列的第一個海底強回波。傳播至海底的回波信號會發生階躍性變化，可通過設定合適的閾值I，按照發射接收的先后順序，提取每個回波序列中首個大于I的回波并認為該回波為到達海底的第一個回波(圖2)，也就是拖魚至海底的高度，連接每一個海底點就得到了海底線，本文設定閾值檢測首個回波采用左-右綜合提取法，當一側“水柱區域”存在懸浮物時，多個異常點會對首個回波檢測產生干擾，此時利用海底線左右對稱原則，檢測另一側海底點對稱該對應區域，此法對于復雜海況聲吶數據海底線跟蹤適用性更強。

表1 聲吶圖像部分Ping對應的時間和位置信息Tab.1 The time and location with part of sonar image

2.3 航跡處理

表1為解碼出的部分Ping對應的時間和位置信息，可以看出側掃聲吶采樣間隔約為0.12 s；GPS記錄通常以秒為單位，前5Ping的位置信息是一樣的，7、8Ping位置信息也是一樣的，因此要想得到每一Ping的真實位置，保證地理編碼的準確性，需要對其位置進行重采樣。

如圖3可知，原始航跡點非常稀疏，經等距插值后每一Ping均具有位置信息，但當航向不穩定或有轉角的地方，插值后仍存在扇形裂縫無法消除，將會影響圖像的細節特征，因此對插值后的航跡采取三次B樣條函數平滑，本次實驗數據平滑后的航跡有效的刪除了扇形裂縫和重疊，更加符合真實效果。當測量船急轉彎或避讓測線上障礙物而導致的航跡劇烈變化時，此時需在對原始航跡點插值前進行預處理編輯，如剔除異常點之后再進行插值擬合，或直接將航跡以突變區為節點截斷分開處理，最后在對應時間位置進行地理編碼。

2.4 地理編碼

像素地理編碼是指根據處理后的航跡數據，將每一個采樣點的位置納入指定的坐標系，賦予聲吶圖像每一個像素點位置信息，主要步驟包括：(1)建立地理編碼模型；(2)定義像素分辨率；(3)計算地理編碼矩形；(4)像素點坐標變換。考慮篇幅大小，在此不再贅述具體過程。

3-a 等距離插值航跡圖3-b 三次B樣條函數平滑航跡圖圖3 等距離插值和三次B樣條函數擬合航跡圖Fig.3 Equidistance interpolated and three B spline fitted track map

圖4 側掃聲吶海底管道數據可視化系統Fig.4 Visualization system of side scan sonar data of submarine pipeline

3 海底管道可視化系統

前面介紹了從數據解碼一直到地理編碼完成的關鍵步驟。為更方便快捷的處理側掃聲吶海底管道數據，集成關鍵算法，編寫了一套海底管道可視化系統，界面簡潔明了，實現了側掃聲吶海底管道數據預處理的友好的人機交互界面。系統的主要框架如圖4所示，主要包括數據顯示、處理和評價三個方面，具體包括原始側掃聲吶管道數據的可視化顯示，可以直觀的展示懸空裸露段的海底管道，然后根據需要進行針對性的摘取分析、處理，提高了數據分析的效率，另外還可以對原始文件里提取的管道數據和輔助信息進行二次開發利用，并對其數據質量進行客觀的評價。

檢測到海底線后，可以對聲吶圖像進行畸變校正等操作，主要包括斜距改正和輻射校正，圖5為改正前后的對比圖，斜距改正后的聲吶圖像消除了距離向的畸變，經過輻射校正消除了縱向灰度不均勻產生的圖像畸變。斜距改正的好壞在于海底線跟蹤的準確性，本文采用左-右綜合閾值檢測法跟蹤海底線，可靠性和準確性更強；輻射校正先根據式(1)計算出聲吶圖像每列像素灰度值相對整個聲吶圖像灰度的改正因子，然后根據(2)式改正每列聲吶圖像像素灰度的不均衡，從而達到消除輻射畸變的目的。

(1)

式中：i是行號；j是列號；n為每列像素個數；m為聲吶圖像總像素數；xij表示i行j列像素的灰度值。

(2)

圖5 聲吶圖像畸變改正前后對比圖Fig.5 Comparison of sonar images before and after distortion correction

另外該軟件還可以提取姿態、時間等其他輔助信息，并將它們以文本的形式保存，如圖6為提取的部分輔助信息并將其以文本形式存儲以備二次利用，根據不同的轉換參數，在航跡處理環節，可以提取原始數據中記錄的坐標信息，可實現大地坐標和直角坐標等之間的相互轉換，改正后的航跡應用到地理編碼中，最終得到具有地理位置信息的無畸變聲吶圖像。

圖6 輔助信息存儲文本Fig.6 Auxiliary information stores by text

4 結論

本文從實測側掃聲吶海底管道數據入手，介紹了數據處理過程的關鍵部分，最后對各個環節進行了整合和封裝，開發了一套海底管道可視化系統，可以快速的對實測聲吶管道數據進行處理和相關信息提取，為數據的二次開發利用提供了很好的條件，本系統的創新性主要在于以聲吶管道數據處理為切入點，綜合各個關鍵步驟算法，可以對海底顯著特征物進行針對性的分析，軟件相對簡單實用，另外可以根據需要針對性的添加對應的處理算法；但仍存在需要完善的地方，由于開發語言存在一定的低效性，所以對于單個數據量很大的聲吶條帶存在一定的局限性，后續筆者會繼續深入研究并優化各個算法，增加條帶鑲嵌等功能，使整個系統更加完善實用。