多波束XTF格式數(shù)據(jù)航向信息重寫入實例

丁維鳳，馮霞，傅曉明，葉連春，楊根新

（1.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州職業(yè)技術(shù)學院信息電子系，浙江 杭州 310018）

多波束XTF格式數(shù)據(jù)航向信息重寫入實例

丁維鳳1，馮霞2，傅曉明1，葉連春1，楊根新1

（1.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.杭州職業(yè)技術(shù)學院信息電子系，浙江 杭州 310018）

以多波束實際調(diào)查數(shù)據(jù)為例，分析與討論無航向角的 RESON SeaBat 8101er系統(tǒng) XTF格式多波束數(shù)據(jù)處理問題，提出從Hypack導航軟件輸出的RAW文本數(shù)據(jù)中提取電羅經(jīng)航向與時間數(shù)據(jù)，經(jīng)時間匹配與插值處理后重新寫進XTF數(shù)據(jù)文件內(nèi)。實現(xiàn)時在沒有明確的XTF數(shù)據(jù)格式說明的情況下，通過二進制數(shù)據(jù)位的系統(tǒng)分析，確定羅經(jīng)航向數(shù)據(jù)的位置和結(jié)構(gòu)，使用自編程序?qū)崿F(xiàn)航向數(shù)據(jù)重新寫入原始XTF數(shù)據(jù)內(nèi)，再經(jīng)Caris軟件精細處理后很好地解決了無航向數(shù)據(jù)處水深空白帶的問題。

多波束；航向數(shù)據(jù)；XTF

Abstract: Based on the long time field multibeam surveying, it is very possible for communicating line breaking off which connecting different devices, just as the gryo communicating line.As it was not found at time, the gyro heading data wasn’t inputted to the multibeam XTF file.Generally it need to survey the no heading line again at spot, but it was not convenient when the working ship and device were whithdrawn from the spot, so processor must deal with the no heading XTF file using all potential methods.To the RESON Seabeat8101er outputting XTF file, the paper analyse the file’s structure and search the heading variable bytes’ location within the file’s definition, and the paper discusses how to look for the heading data from another recording file and extract the heading data from Hypack navigation outputing RAW file, at last it studies the rewriting these heading data to the XTF file with flexible programming.All the methods are proved to be valid when processing XTF file of no heading data surveying line again and plotting the bathymetry.

Key words: multibeam; gyro heading data; XTFfile

引 言

多波束勘測是一種具有高效率、高精度和高分辨率的海底地形測量新技術(shù)[1-4]。該技術(shù)自20世紀70年代問世以來，在最近幾十年高性能計算機、高分辨率顯示、高精度定位和各種數(shù)字化傳感器以及其他相關(guān)高新技術(shù)的介入和支撐下，設備技術(shù)和勘測水平有了極大的發(fā)展[5]。我國自上世紀90年代引進首套多波束系統(tǒng)以來，已有多家測繪單位陸續(xù)引進了多套先進的多波束系統(tǒng)，并廣泛應用于海道測量、海洋工程測量、海洋劃界測量、海洋資源調(diào)查與水下考古測量等領域。

多波束系統(tǒng)是一種多傳感器的復雜組合系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)復雜的多陣列發(fā)射接收換能器和用于信號控制與處理的電子柜，以及高精度的運動傳感器（包括垂直參考單元與電羅經(jīng)）、導航定位系統(tǒng)與聲速剖面儀等[1]，如圖1所示的 RESON SeaBat 8101er系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。各組成單元與輸入輸出控制電子柜的正確連接是保證野外勘測工作順利進行的基礎，任一單元的連接脫落或信號出錯都會導致水深數(shù)據(jù)的無效，無效數(shù)據(jù)測線原則上都需要進行重新測量。在大范圍的海域勘測工作中，長時間的野外調(diào)查容易造成測量人員工作疏忽，設備間的連線松動或脫落不能被及時發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)問題后因調(diào)查船駛離現(xiàn)場或人員設備的撤離已來不及補測。如圖2中繪制的水深地形圖，因電羅經(jīng)與輸入輸出控制單元的連線松動，造成XTF測量數(shù)據(jù)無航向數(shù)據(jù)，處理后形成了圖中一條近4 km長的水深空白帶，野外補測這些數(shù)據(jù)已非常麻煩，可行的辦法是由處理人員通過數(shù)據(jù)處理方法將航向數(shù)據(jù)重新寫入XTF格式水深數(shù)據(jù)中，再用專業(yè)軟件重新處理并繪圖檢查寫進的航向數(shù)據(jù)正確與否。

下面詳細討論圖2中水深空白帶形成的原因，并研究如何提取有效航向數(shù)據(jù)，以及如何實現(xiàn)航向數(shù)據(jù)重新寫入XTF文件中的方法。

1 問題分析

1.1 空白帶形成原因

在野外測線調(diào)查過程中，由于受海流與海風的影響，調(diào)查船的航向與航跡方向一般存在一個角度，只有在海流為零以及船只完全順流或逆流的情況下，存在的角度才會趨于0。而多波束換能器總是沿垂直航向向兩側(cè)發(fā)射接收波束，因此每一個扇區(qū)掃描得到的是一系列垂直航向而非航跡并向兩側(cè)對稱排列的波束測點[1]。航向數(shù)據(jù)只有通過電羅經(jīng)才能獲得準確的實時數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)線將獲得的實時航向數(shù)據(jù)輸入到信號控制單元中，經(jīng)專業(yè)軟件自動運算計算出每個波束點的空間位置，實現(xiàn)多波束測點的正確空間歸位。

圖2中因原始XTF記錄文件內(nèi)水深空白處的航向數(shù)據(jù)為都 0，處理軟件按照與航向數(shù)據(jù)垂直的90°方向投影計算各波束點，歸位后的各波束都投影在同一個空間位置上，形成的水深條帶就會與圖中實際航跡接近平行且極其窄，由此產(chǎn)生了圖中的水深空白帶。野外沒有補測這些空白帶測線時，室內(nèi)資料處理必須想辦法加以解決，解決的關(guān)鍵是修改原始XTF數(shù)據(jù)文件內(nèi)錯誤的航向數(shù)據(jù)，修改這些數(shù)據(jù)就要求處理人員必須找到航向數(shù)據(jù)在 XTF數(shù)據(jù)文件中的存儲位置，因而了解多波束XTF數(shù)據(jù)存儲格式的定義是修改工作的基礎。

圖1 RESON SeaBat 8101er系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖[1]Fig.1 Structure view of RESON SeaBat8101er system[1]

圖2 數(shù)據(jù)缺失區(qū)海底地形張貼圖（未做消噪處理，圖中白線為切水深剖面位置）Fig.2 Blank sounding view without gyro heading data(without removing noise)

1.2 XTF文件中與航向數(shù)據(jù)相關(guān)的變量

XTF(eXtended Triton Format)數(shù)據(jù)格式由Triton公司創(chuàng)建，用于在一個文件內(nèi)存儲多種不同的數(shù)據(jù)源信息，如聲吶數(shù)據(jù)、導航數(shù)據(jù)、水深數(shù)據(jù)等，這種格式非常方便擴充內(nèi)容以容納新的數(shù)據(jù)源，至2007年06月份該格式已發(fā)展到X241)Triton Imaging, Inc..eXtended Triton Format(XTF), Rev.24.2007.06.)版。RESON SeaBat 8101er 多波束采集的原始數(shù)據(jù)（包括各波束點水深數(shù)據(jù)、DGPS導航數(shù)據(jù)、運動傳感器輸入的姿態(tài)數(shù)據(jù)與電羅經(jīng)的航向數(shù)據(jù)等）一般都轉(zhuǎn)換成XTF格式后再存儲處理，轉(zhuǎn)換后的RESON 多波束XTF文件主要包括文件頭、位置數(shù)據(jù)包、姿態(tài)數(shù)據(jù)包與水深數(shù)據(jù)包，其中水深數(shù)據(jù)包又包含記錄參數(shù)集、波束范圍數(shù)據(jù)、波束質(zhì)量數(shù)據(jù)與波束振幅數(shù)據(jù)，如圖3所示，XTF文件中除了文件頭固定在文件開始位置外，其余的數(shù)據(jù)包出現(xiàn)順序不固定，依現(xiàn)場設備輸入信號的到達時間依次存儲，如圖4用Triton公司的XTF文件查看器查看RESON的XTF文件后顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容，在文件開始位置的XTF Header Record后，有出現(xiàn)次序與位置不固定的Unknown Packet、Attitude Package及Bathy Package 3項內(nèi)容，其中的Unknown Packet為RESON公司自定義的Position Package，該軟件不能自動識別，在未得到RESON公司自定義格式說明書的情況下，該數(shù)據(jù)包內(nèi)定義的具體內(nèi)容不能獲得，只能通過字節(jié)計算得到其大小為64字節(jié)，其余的Attitude Package與Bathy Package兩數(shù)據(jù)包內(nèi)容完全按照Triton公司定義的XTF格式數(shù)據(jù)內(nèi)容填寫，在這兩數(shù)據(jù)包內(nèi)，Attitude Package數(shù)據(jù)包內(nèi)有一個4字節(jié)浮點的Heading變量與航向數(shù)據(jù)有關(guān)，而Bathy Package數(shù)據(jù)包中有ShipGyro與SensorHeading兩個變量與航向數(shù)據(jù)有關(guān)，尋找這3個變量的位置、數(shù)據(jù)大小與時間參數(shù)成為重寫航向數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

圖3 RESON Seabat81)Triton Imaging, Inc..eXtended Triton Format(XTF), Rev.24.2007.06.01er多波束采集系統(tǒng)輸出的XTF數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of RESON Seabat8101er outputting multibeam XTF file

圖4 XTF文件查看軟件顯示RESON的多波束XTF文件數(shù)據(jù)包列表Fig.4 List of RESON XTF file content using Triton viewing program

1.3 Hypack導航軟件輸出的航向數(shù)據(jù)

確定了航向變量在XTF文件中的定義位置，就可以通過數(shù)據(jù)記錄時間將航向數(shù)據(jù)寫回到 XTF文件中對應的變量字節(jié)上，然而室內(nèi)資料處理時航向數(shù)據(jù)從哪提取又是個問題。多波束勘測野外資料采集時一般都要從電羅經(jīng)引出兩根數(shù)據(jù)線，一根連接多波束采集系統(tǒng)，另一根則連接導航定位計算機，導航軟件在運行窗口上一般都有調(diào)查船只的實時航向數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就為電羅經(jīng)的輸入數(shù)據(jù)，若無電羅經(jīng)數(shù)據(jù)輸出到導航計算機，導航軟件會從差分GPS數(shù)據(jù)項內(nèi)提取，DGPS航向數(shù)據(jù)為船舶航跡方向，不適宜用于多波束數(shù)據(jù)的航向角。針對上面的問題從導航定位數(shù)據(jù)中獲取電羅經(jīng)信息成為可能。野外采用的 Hypack導航軟件在完成一條測線任務后會自動生成一個以測線名命名且后綴為RAW的文本文件，在該RAW文件中一般每隔1s間隔就有一個以GYR字符串開頭的記錄時間與航向角，提取這些記錄時間與航向角就可以解決重新寫入時所需航向角的問題。

2 問題解決

2.1 導航軟件中航向數(shù)據(jù)的提取

既然導航軟件輸出的RAW文本文件中有我們需要的航向數(shù)據(jù)，我們就可以通過編寫數(shù)據(jù)訪問與抽取程序來提取航向數(shù)據(jù)及對應的記錄時間數(shù)據(jù)項。實現(xiàn)方法是通過尋找數(shù)據(jù)文件中的GYR字符串，提取該字符串所在數(shù)據(jù)行中的時間與航向角數(shù)據(jù)，提取時需利用編程軟件靈活的動態(tài)數(shù)組存儲功能，如VC++編程軟件中的模板數(shù)組，因RAW文件中航向數(shù)據(jù)的總數(shù)在訪問結(jié)束前無法獲得，開辟固定數(shù)目的一維數(shù)組變量不方便使用，因此程序編制時內(nèi)存開辟方法需仔細考慮。圖5為編寫程序提取航向數(shù)據(jù)與記錄時間后的結(jié)果顯示，其中的時間為秒單位，使用時需轉(zhuǎn)換為時分秒計時，航向角為度單位。

圖5 提取Hypack導航軟件輸出文件中的時間與航向角結(jié)果圖Fig.5 Program results of extracting time and gyro data from Hypack RAW file

2.2 XTF文件航向數(shù)據(jù)重寫入方法

航向數(shù)據(jù)提取完成并存入內(nèi)存數(shù)組后，接著需要調(diào)入無航向數(shù)據(jù)的多波束測線文件。通過分析XTF文件存儲格式，我們發(fā)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)包的大小都是 64字節(jié)數(shù)的倍數(shù)，而且每個數(shù)據(jù)包都有MagicNumber與HeadType兩變量，MagicNumber變量表示該數(shù)據(jù)包的開始部分，賦予十六進制值FACE，十進制為64206，而HeadType表示該數(shù)據(jù)包的類型，Triton公司規(guī)定了專門數(shù)字代表各種不同的數(shù)據(jù)包，對于RESON公司輸出的多波束數(shù)據(jù)類型，用 2代表BathymetryHeader，用 3代表AttitudeHeader，程序編制時通過判斷這兩個變量的值就能實現(xiàn)訪問所需數(shù)據(jù)包的文件位置。按照這種思想，通過定義專門的數(shù)據(jù)包類型結(jié)構(gòu)體并判斷結(jié)構(gòu)體變量中數(shù)值內(nèi)容，就可以跳過無關(guān)數(shù)據(jù)項，如圖4中軟件顯示為Unknown Packet的數(shù)據(jù)包，我們就可以不用關(guān)心其具體的變量定義內(nèi)容，將其數(shù)據(jù)項照原樣寫進新的文件后繼續(xù)訪問后面的數(shù)據(jù)內(nèi)容，表1為程序找到航向數(shù)據(jù)后輸出的部分數(shù)據(jù)內(nèi)容，表中Attitude Package內(nèi)的Heading變量以及BathymetryHeader內(nèi)的shipGyro與SensorHeading兩變量值都為0表示無航向數(shù)據(jù)輸入，需要對其進行重新寫入。

比較圖5與表1中的時間數(shù)據(jù)會發(fā)現(xiàn)導航軟件與多波束采集系統(tǒng)兩者采集數(shù)據(jù)的時間間隔不一致，導航軟件基本按1秒間隔采集數(shù)據(jù)，而多波束卻不到1s，且間隔時間不固定，若按照時間匹配的方法對XTF文件進行航向數(shù)據(jù)重新寫入，則需要對圖5中的時間按照表1內(nèi)XTF時間間隔進行航向角線性插值，否則兩者的時間匹配不上，航向角無法寫入。發(fā)現(xiàn)這些問題后，按照上面討論的方法重新寫入航向數(shù)據(jù)，并存儲新的XTF文件后用專業(yè)Caris軟件再次處理空白帶測線數(shù)據(jù)，最終結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出水深空白帶已被解決，所有測線地形地貌拼接正確。圖7顯示的是從圖2中白線位置處切出的水深剖面圖，從該圖可以看出缺失航向數(shù)據(jù)處的水深剖面數(shù)據(jù)缺失嚴重，地形變化劇烈，不符合實際地形情況，圖8顯示的是從圖6中相同位置的白線切出的水深剖面圖，從該圖可以看出重新寫入航向數(shù)據(jù)后的水深剖面變化平緩，無數(shù)據(jù)缺失區(qū)，不同測線間的水深變化連續(xù)且能正確拼接，說明重新寫入的航向角基本正確。

另外野外采集時因沒有很好的跟蹤波束水深范圍，導致圖中出現(xiàn)一些小的水深空洞，這些空洞因?qū)ㄊc處的水深值出錯而被刪除，室內(nèi)資料處理已不能修復，只能通過數(shù)據(jù)擬合與插值方法來進行完善，圖9為插值擬合后的最終三維光照結(jié)果圖，從圖中可以看出水深空洞已基本解決，整體圖件顯示比較完美。

表1 XTF文件輸出的部分航向角與時間Tab.1 Output heading and time data coming from XTF file

圖6 航向數(shù)據(jù)重新寫入后的XTF文件經(jīng)精細處理后的結(jié)果圖（圖中白線為切水深剖面位置）Fig.6 New fine processing result of XTF multibeam data after rewriting gyro data

圖7 從圖2中的白線位置切出的水深剖面圖Fig.7 Bathymetry profile coming from the white line of fig.2

圖8 從圖6中的白線位置切出的水深剖面圖Fig.8 Bathymetry profile coming from the white line of fig.6

圖9 插值擬合后的三維光照圖Fig.9 3D lighting view after interpolating and simulating

3 總 結(jié)

因野外調(diào)查任務的繁重，多波束野外勘測很容易出現(xiàn)各種難以發(fā)現(xiàn)的問題，特別是設備間的數(shù)據(jù)連接問題。本文以實際多波束勘測中電羅經(jīng)與多波束采集系統(tǒng)之間未正確連接導致數(shù)據(jù)文件無航向數(shù)據(jù)為題，分析討論了多波束XTF文件記錄格式，航向數(shù)據(jù)的重新提取以及重新寫入 XTF文件中的方法，該方法很好的解決了無航向數(shù)據(jù)測線水深圖中出現(xiàn)空白帶問題。

航向數(shù)據(jù)我們可以從導航軟件的文件中提取，但有些數(shù)據(jù)是無法從中提取的，如調(diào)查船的實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，因該數(shù)據(jù)只用一根線直接連接到采集記錄系統(tǒng)，野外采集時若連線出錯就無法從別的數(shù)據(jù)文件中提取，只能進行重新勘測。因此加強野外勘測實時監(jiān)控的工作非常重要，另外采集軟件數(shù)據(jù)出錯的聲音報警功能也非常重要，它能及時提醒工作人員采集工作出現(xiàn)了問題，減少監(jiān)控工作的疏忽。

[1]李家彪, 王小波, 鄭玉龍, 等.多波束勘測原理技術(shù)與方法 [M]北京: 海洋出版社, 1999, 48-50.

[2]高金耀, 方銀霞, 徐賽英.原始多波束數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一[J].海洋通報, 2002, 21(6): 68-74.

[3]吳自銀, 李家彪.多波束勘測的數(shù)據(jù)編輯方法 [J].海洋通報, 2000, 19(3): 74-78.

[4]唐秋華, 陳義蘭, 周興華, 等.多波束海底聲圖像的形成及應用研究 [J].海洋測繪, 2004, 24(5): 9-12.

[5]黃謨濤, 翟國君, 歐陽永忠, 等.多波束與單波束測深數(shù)據(jù)的融合處理技術(shù) [J].測繪學報, 2001, 30(4): 299-303.

A case study for rewriting gyro data in multibeam XTF file

DING Wei-feng1, Feng Xia2, Fu Xiao-ming1, Ye Lian-chun1,Yang Gen-xin1

(1.Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China; 2.The college of Hangzhou vocational technology, Hangzhou 310018,China)

P229.1；P209

A

1001-6932(2011)01-0001-06

2010-03-19 ；收修改稿日期：2010-05-17

國家海洋局 第二海洋研究所基本科研業(yè)務費專項資助項目（SZ0812），中國海洋大學海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室資助項目（2008-05）

丁維鳳（1978－ ），男，江西德安縣人，高級工程師，主要從事海洋地球物理勘查與研究工作。電子郵箱：fwxf1769@126.com。