海洋论坛▏XTF格式的侧扫声纳数据解析
海底地貌测量是海洋环境建设的重要组成部分。侧扫声纳系统经过近60年的发展，已经形成了较为成熟的作业流程。在解释海底地貌、海底目标识别以及海底底质分类等方面发挥着十分重要的作用。
目前侧扫声纳采集软件大多采用侧扫声纳系统生产厂家的配套专用软件，其采集的原始数据格式也是生产厂商根据各自系统特点而制定的，这种现象导致目前侧扫声纳原始数据格式种类繁多，使得对其处理需要借助各种辅助软件，造成了资源浪费以及数据流失。
虽然一些厂商给出了数据结构，但侧扫声纳原始数据多采用二进制存储，而且对于原始数据的提取仍然没有成熟的软件，这就限制了侧扫声纳数据的二次开发。目前国内外学者对于这个问题以经有了一定的研究，但多数只是针对其中一种或几种数据格式，缺乏普遍性，且程序兼容性仍需完善。同时我国仍然没有相对成熟的侧扫声纳数据处理软件，因此对侧扫声纳原始数据格式解析以及对原始数据的提取是侧扫声纳数据处理的关键步骤。
为此本文对现在常用的侧扫声纳数据格式进行解析并选取应用最广泛的XTF数据格式进行深入分析。对其数据结构、数据编码规则进行分析，最后对数据包中的回波强度记录进行提取，形成侧扫声纳强度瀑布图。
⒈侧扫声纳原理及数据格式简介
侧扫声纳系统进行测量时，利用拖鱼向两侧发射一定频率的声波，接收经海底反射的反向散射回波强度，形成垂直于航向的窄条带，进而连续测量形成声图。这种测量方式的显著特点是声图显示海底信息直观但拖鱼受洋流、船速及海水声速扰动影响，这些因素使声纳图像产生形变；另外环境噪声也对声图判读造成一定影响。
目前世界上采用的侧扫声纳数据格式大约有二十几种，如:jsf格式，主要有美国Edgetech公司；CM2格式，代表有英国C-Max公司；此外还有GeoAcoustrics公司的GCF和RDF格式；Imagenex DeltaT Backscatter的83P格式；Kongsberg EM Backscatter的ALL格式；以及海道测量通用格式XTF格式等。部分主要数据格式及仪器品牌见表1。
表1 主要数据格式及仪器品牌
⑴jsf格式
jsf格式是目前应用较为广泛的一种格式。jsf文件以SonarMessageHeader作为开始，大小为16字节，包含数据类型等信息。后面为不同数据包，包括声纳数据信息、系统配置信息环境信息等。每个数据包由一个256字节的头结构和通道数据组成。
⑵ALL格式
ALL数据分为多个数据包，采用嵌套结构，根据记录数据不同分别存放于不同数据包。通过参数记录包开始，跟随各数据包并通过起始ID以及标示码和结束码确定数据包类型及大小。所有种类的文件格式，其主要的声纳数据内容见表2。对于不同格式的侧扫声纳数据，目前大部分对应的采集软件都支持向XTF格式的转化。
表2 主要数据格式内容
⒉ XTF数据格式解析
本文就以*.XTF格式为例对其进行详细分析。
*.XTF(eXtended TritonFormat)是一种海道测量通用格式。XTF文件结构为一个起始头文件，以及一个或多个数据包构成。结构如下:
图1 XTF数据结构示意图
头文件中包含测量基本信息，每个头文件中包含6个通道(CHANINFO)。在XTF格式中对通道有一定规定，普通侧扫声纳使用2个通道，高频采样的侧扫声纳使用4个通道，单频测深系统使用一个通道。其他传感器数据不使用通道而是存储在特定的数据包中。一个基本头文件大小为1024字节，当通道数大于6个时，头文件大小可以增大直到能够容纳所有通道。头文件中主要存储各种系统的基本信息以及通道信息。
通道信息主要包含测深和声纳参数以及数据存放所占的字节数。通常所有数据都采用公制。当使用Isis协议时可以在显示时选择英制。头文件数据结构见表3，通道数据结构见表4。
表３ 头文件数据主要结构
表4通道主要数据结构
数据包大小一般为64字节的整数倍，以数据包头(一般为256字节)记录开始，数据包头中有判断存储数据类型的标识码。同时数据包头还给出了数据包的大小以及后面存在的通道数。数据包头见表5。
表5 数据包头主要结构
通过以上对XTF格式侧扫声纳结构的分析，结合各部分的结构说明，对XTF格式数据的提取可采用C﹢﹢程序编程实现。主要分为以下几个步骤。
⑴根据各变量含义定义参数类型。为减少程序的冗长以及提高系统的处理效率，参照数据结构中给出的参数类型正确定义如Byte、Word、Char、Dward等类型参数大小。
⑵定义完变量后，结合整体数据结构编写程序。XTF格式数据主要为文件头以及各个数据包组成，所以首先要对头文件进行读取，并确定大小，然后对其进行数据输出。
⑶结合各数据包头信息的读取整体对所有数据包数据输出。需要注意的是由于XTF采用二进制存储，应注意数据的字节颠倒现象，即在记录时低位先记录，高位后记录的现象。
同时还要明确采集数据中对于坐标系的定义，以便判定数据的符号。其中坐标系定义为：原点为拖鱼对称中心，前进方向为Y轴正向，拖鱼左侧为X轴正向，Z轴正向为垂直向下，姿态数据定义为：左舷上升时横摇角为正，船首往右舷偏时首摇角为正，船首上升时纵摇角为正，垂直向上移动为升沉正向。通过上述分析，即可对XTF结构数据进行提取。
通过编程实现了对XTF格式原始数据的提取，见图2、3，并将提取出的侧扫声纳原始数据生成瀑布图，见图4。
图2 数据包头提取效果图
图3 头文件提取效果图
图4 瀑布图
本文完成了对XTF数据格式的解析，并通过编程实现了对侧扫声纳原始数据的提取，具有可行性和有效性。该方法对侧扫声纳数据的二次开发具有一定帮助。另外，程序仍然需要进一步优化，提高系统利用效率，以便发挥更好效果。
■本文作者：郭勇 尤保平 孙文川李玲玲。第一作者郭勇介绍：1987年出生，男，辽宁大连人，硕士研究生，主要从事侧扫声纳海底底质分类技术研究。本文来源于《中国测绘地理信息学会海洋测绘专业委员会第二十七届海洋测绘综合性学术研讨会论文集》，版权归《海洋测绘》所有。其他平台如要转载，请备注作者与出处。
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