一種基於航跡線文件的側掃聲納拖魚航跡處理方法
2023-11-04 08:01:37 1
專利名稱：一種基於航跡線文件的側掃聲納拖魚航跡處理方法
技術領域：
本發明涉及聲納領域，特別是涉及一種基於航跡線文件的側掃聲納拖魚航跡處理方法。
背景技術：
隨著科學技術的高速發展，人類對海洋認識的逐漸深化，海洋因其經濟上的巨大潛力和戰略上的重要地位越來越被人們重視。側掃聲納技術使人們在認識海洋和開發海洋資源的過程中有了更先進的技術手段。側掃聲納技術綜合了聲學、數位訊號處理、導航定位和計算機技術，它運用海底地物對入射聲波反向散射的原理來探測海底形態，直觀地提供海底地貌的聲成像，因其具有高解析度，拖魚高度可調節，造價便宜，使用方便等優點，被廣泛應用於海洋測繪、海洋地質勘探、海底沉積物探測、海洋製圖和海洋工程等方面。
原始測掃聲納圖像是按掃描線順序排列的序列圖像，不具有整體性的地理方位和可量測性，地理編碼技術使之具有整體性的地理方位和可量測性，是對其做進一步分析和應用的基礎。與一般的遙感影像不同，側掃聲納圖像主要是依據導航信息，結合拖魚航行軌跡與掃描線的幾何關係進行地理編碼的。但是由於聲納定位系統粗差、瞬時定位錯誤、定位與掃描不同步等問題，以及拖魚因受船速、潮水等諸多因素影響造成的航行軌跡不穩定，經過地理編碼後的側掃聲納圖像往往存在大量的空白縫隙，嚴重影響海底地形地貌影像的清晰度和連貫性。因此，在對側掃聲納數據進行地理編碼之前，必須對其進行航跡處理。目前，國際上比較著名的側掃聲納系統生產商都有自己成熟的處理軟體，如
VISTA、 CODA、 Isis等等，這些軟體一般只有功能說明，相關的技術文檔則較為少見。從檢索的資料到的研究資料來看，國內外只有少數文獻提到了側掃聲納拖魚航跡處理方法，如文獻1、文獻2中提出的垂線分割濾波算法，以及文獻3中提出的內插掃描線法等，這些方法雖然在一定程度上消除了側掃聲納圖像在地理編碼後存在的縫隙，但容易造成圖像的細節丟失，且運算量較大，算法實現複雜。
參考文獻
1側掃聲納圖像地理編碼技術研究.鄧雪清，鞏丹超，羅睿.海洋測繪.2002，22 (4)
2側掃聲納圖像幾何糾正技術研究.鄧雪清，滕惠忠，鞏丹超.解放軍測繪研究所學報.2002， 23(1)
3Sidescan Sonar Image Processing Techniques.R Cervenka and C de Moustier.IEEE J . Oceanic Eng. , 1993 , 18(2)
發明內容
本發明的目的是克服現有航跡處理方法中存在的運算複雜，效率不高的缺點，提供一種基於航跡線文件的側掃聲納拖魚航跡處理方法。
基於航跡線文件的側掃聲納拖魚航跡處理方法包括以下步驟
1) 對側掃聲納數據文件進行解析類編寫；
2) 順序讀取航跡線文件中的記錄，並提取時間信息和航跡坐標點；
3) 利用貝塞爾插值模型對所述步驟2)提取的航跡坐標點進行插值，構建經過航跡坐標點的平滑曲線，擬合拖魚得航行軌跡；
4) 解析側掃聲納數據中掃描線的時間信息，同所述步驟2)中提取的時間信息比較，統計出各相鄰航跡點間接收到掃描線的條數；
5) 對所述步驟3)和所述步驟4)中產生的結果進行內插處理，計算拖魚運行時的瞬時坐標。
步驟l)所述對側掃聲納數據文件進行解析類編寫步驟採用面向對象的方法，將側掃聲納數據文件作為一個對象進行封裝，對側掃聲納數據文件進行解析類編寫，實現對側掃聲納文件頭，掃描線信息頭和掃描線數據的快速訪問。
步驟2)所述順序讀取航跡線文件中的記錄，並提取時間信息和航跡點坐標步驟逐行讀取航跡線文件中的記錄，以空格為分隔符把讀取到的記錄字符串分隔成測線信息、事件信息、時間信息和航跡坐標點四個欄位，時間信息記為T!， T2...Ti ， Ti+1...Tn，航跡坐標點記為P,， P2...Pi， Pi+1...Pn。
步驟3)所述利用貝塞爾插值模型對所述步驟2)提取的航跡坐標點進行插值，構建經過航跡坐標點的平滑曲線，擬合拖魚得航行軌跡步驟順序連接
航跡坐標點P,， P2...Pi， Pw...Pn創建多義線S，並對多義線S進行二次貝塞爾曲線插值，構建經過航跡坐標點Pp P2...Pi， Pi+卜.Pn的二次貝塞爾曲線，
擬合聲納拖魚的航跡。
步驟4)所述解析側掃聲納數據中掃描線的時間信息，同所述步驟2)中提取的時間信息比較，統計出各相鄰航跡坐標點間接收到掃描線的條數步驟取航跡線文件中相鄰記錄的時間信息Ti ， Ti+1，設Nj為統計結果，初始值為零，
利用所述步驟l)中的側掃聲納數據文件解析類讀取側掃聲納數據，逐條讀取
掃描線信息頭，獲得掃描線接收的時間t，如果t^Ti，說明掃描線的接收時間超出了航跡線文件中時間記錄Ti到Tw的範圍，不作處理，繼續讀取下一條掃描線的接收時間信息；如果t滿足Ti <t^Ti+1，則該掃描線是在Ti ， Ti+1時
間內接收的，則統計結果Ni累加一個計數；如果t〉Tj，則開始Nw的統計。
步驟5)所述對所述步驟3)和所述步驟4)中產生的結果進行內插處理，計算拖魚運行時的瞬時坐標步驟根據統計結果Ni，對兩個相鄰航跡坐標點Pi， Pw段的曲線等距內插，計算出拖魚換能器在Ti， Tw時間段內接收掃描線時的瞬時坐標，即拖魚接收掃描線k時的瞬時航跡坐標(x4， y》為
屍* _
r丄s咖=JVi+Ao/oo2^
屍/
1 X* =屍ge:^(丄* - (X/》
、h = Ae勿(々)
式中4^f是航跡坐標點Pi ， Pw間二次貝賽爾曲線的長度，是二次貝塞爾曲線厶2,,,的原函數，；c,是Tj時間點拖魚的x坐標。本發明與現有技術相比具有的有益效果
(1) 側掃聲納數據中記錄的坐標信息是地理坐標，在地理編碼重採樣過程中需要將地理坐標轉換為大地坐標，坐標轉換過程複雜且運算量較大，在本發明中，坐標轉換由側掃聲納數據採集系統完成，減少了地理編碼過程的計算
(2) 拖魚在執行探測時，並不是理想中勻速進行，而且聲納系統在定位數據沒有到達之前，當前掃描線記錄中的定位數據與前次記錄保持一致，即存在掃描與定位不同步的現象，這樣就導致了掃描線延航跡分布的不均勻。本發明可以有效地修正因船速、掃描與定位不同步導致的掃描線不均勻分布；
(3) 側掃聲納系統在探測過程中，常常存在著聲納測深系統粗差、聲納定位系統粗差等，在以往航跡處理過程中，需要預先定義粗差閾值，剔出含有粗差的掃描線。在本發明中，無需考慮因定位系統以及由拖魚姿態瞬時錯誤造成的定位誤差；
(4) 本發明有效地消除了側掃聲納數據在地理編碼過程中由於掃描線延航跡分布不均勻，拖魚行進方向變化而產生的各種縫隙；
(5) 本發明算法結構簡單清晰，實現方便。
圖1是基於航跡線文件的側掃聲納拖魚航跡處理方法的流程圖；圖2是經過本發明航跡處理後的掃描線分布示意圖。
具體實施例方式
基於航跡線文件的側掃聲納拖魚航跡處理方法包括以下步驟-
1) 對側掃聲納數據文件進行解析類編寫；
2) 順序讀取航跡線文件中的記錄，並提取時間信息和航跡坐標點；
3) 利用貝塞爾插值模型對所述步驟2)提取的航跡坐標點進行插值，構建經過航跡坐標點的平滑曲線，擬合拖魚得航行軌跡；
4) 解析側掃聲納數據中掃描線的時間信息，同所述步驟2)中提取的時間信息比較，統計出各相鄰航跡點間接收到掃描線的條數；
5) 對所述步驟3)和所述步驟4)中產生的結果進行插值處理，計算拖魚運行時的瞬時坐標。
步驟l)所述對側掃聲納數據文件進行解析類編寫步驟採用面向對象的方法，將側掃聲納數據文件作為一個對象進行封裝，對側掃聲納數據文件進行解析類編寫，實現對側掃聲納文件頭，掃描線信息頭和掃描線數據的快速訪問。
步驟2)所述順序讀取航跡線文件中的記錄，並提取時間信息和航跡點坐標步驟逐行讀取航跡線文件中的記錄，以空格為分隔符把讀取到的記錄字符串分隔成測線信息、事件信息、時間信息和航跡坐標點四個欄位，時間信息記為T" T2...Ti， Ti+1...Tn， 航跡坐標點記為P!， P2...Pi ， Pi+1...Pn。
步驟3)所述利用貝塞爾插值模型對所述步驟2)提取的航跡坐標點進行插值，構建經過航跡坐標點的平滑曲線，擬合拖魚得航行軌跡步驟順序連接航跡坐標點Pi, P2...Pi， Pw...Pn創建多義線S，並對多義線S進行二次貝塞
爾曲線插值，構建經過航跡坐標點Pi， P2...Pi， PiW...Pn的二次貝塞爾曲線，
擬合聲納拖魚的航跡。
步驟4)所述解析側掃聲納數據中掃描線的時間信息，同所述步驟2)中提取的時間信息比較，統計出各相鄰航跡坐標點間接收到掃描線的條數步驟-取航跡線文件中相鄰記錄的時間信息Ti ， Ti+1，設Nj為統計結果，初始值為零，
利用所述步驟l)中的側掃聲納數據文件解析類讀取側掃聲納數據，逐條讀取掃描線信息頭，獲得掃描線接收的時間t，如果t^Ti，說明掃描線的接收時間超出了航跡線文件中時間記錄Tj到Tw的範圍，不作處理，繼續讀取下一條掃描線的接收時間信息；如果t滿足Tj <t^Ti+1，則該掃描線是在1\ ， Ti+1時間內接收的，則統計結果Ni累加一個計數；如果t〉Tj，則開始Nw的統計。步驟5)所述對所述步驟3)和所述步驟4)中產生的結果進行內插處理，計算拖魚運行時的瞬時坐標步驟根據統計結果Ni，對兩個相鄰航跡坐標點Pi， Pw段的曲線等距內插，計算出拖魚換能器在Ti， Tw時間段內接收掃描
線時的瞬時坐標，即拖魚接收掃描線k時的瞬時航跡坐標(A， ^)為
屍* _
h = y^e2,er (義A )
式中Z^，是航跡坐標點Pi ， Pw間二次貝賽爾曲線的長度，是二次貝塞爾曲線/^,,,的原函數，；c,.是Tj時間點拖魚的x坐標。實施例
第一步是對側掃聲納數據文件進行解析類編寫現有的聲納數據主要有Qmips和XTF兩種文件格式，本發明以XTF數據格式為研究對象。XTF文件格式是一種可擴展的數據格式，它以二進位的方式存儲聲納通道信息，掃描線屬性信息和掃描線數據，直接訪問這些是非常困難的。側掃聲納數據文件解析類的編寫採用面向對象的方法，將側掃聲納數據文件作為一個對象進行封裝，實現對聲納通道信息，掃描線屬性信息和掃描線數據的快速訪問。
第二步是順序讀取航跡線文件中的記錄，並提取時間信息和航跡坐標點側掃聲納系統在工作時，相關採集軟體會產生一個航跡線文件，該文件由多條記錄組成，每條記錄包含測線信息、事件信息、時間信息和航跡坐標點四個欄位，欄位之間以空格分隔。逐行讀取航跡線文件中的記錄，以空格為分隔符把讀取到的記錄字符串分隔成測線信息、事件信息、時間和信息和航跡坐標點四個欄位，順序歷遍所有記錄，將時間信息記為T,， T2...Ti， Ti+1...Tn，航跡坐標點記為Pp P2...Pi ， Pi+i...Pn。
第三步是利用貝塞爾插值模型對第二步中提取的航跡坐標點進行插值，構建經過航跡坐標點的平滑曲線，擬合拖魚得航行軌跡順序連接航跡坐標點Pp P2...Pj， Pi+卜.Pn構建多義線S，並對多義線S進行二次貝塞爾插值平滑處理，構建經過航跡坐標點Pp P2...Pi， Pw…Pn的平滑曲線，擬合聲納拖魚的航跡。為了取得更好的平滑效果，本發明採用如下條件對二次貝塞爾插值過禾
呈
進行約束在每個航跡坐標點處，相鄰的兩段貝塞爾弧段的切線必須為互補關係。
第四步是解析側掃聲納數據中掃描線的時間信息，同第二步中提取的時間信息比較，統計出各相鄰航跡坐標點間接收到掃描線的條數取航跡線文件中相鄰記錄的時間信息Ti， Ti+1，設Nj為統計結果，初始值為零，利用第一步中的側掃聲納數據文件解析類讀取側掃聲納數據，逐條讀取掃描線信息頭，獲得
掃描線接收的時間t，如果t^Tj，說明掃描線的接收時間超出了航跡線文件中時間記錄Tj到Tw的範圍，不作處理，繼續讀取下一條掃描線的接收時間信息；如果t滿足Ti <t^Ti+1，則該掃描線是在Ti， T^時間內接收的，則統計結果Ni累加一個計數；如果t〉Ti，則開始Nw的統計。例如航跡線文件中相鄰記錄的時間信息為Tt^l: 58: 19， T2=ll: 58: 35，初始化N!為零，利
用側掃聲納數據文件解析類訪問聲納數據的掃描線的掃描線屬性信息，獲取掃描線接收時間t:
a) 如果58: 19，不作處理，繼續讀取下一條掃描線的接收時間，當讀取到的掃描線接收時間t第一次滿足ll: 58: 19<1:時，定義該條掃描線
為符合航跡線文件中^ ， T2時間段內的第一條有效掃描線；
b) 如果ll: 58: 19<tSll: 58: 35，則將Nt增加一個計數；C)如果ll: 58: 35〉t，則開始N2的統計；
第五步是對第三步和第四步中產生的結果進行內插處理，計算拖魚運行時
的瞬時坐標根據統計結果Ni，對兩個相鄰航跡坐標點Pi ， Pw段的曲線等距內插，計算出拖魚換能器在Ti ， Tw時間段內接收掃描線時的瞬時坐標，即拖魚接收掃描線k時的瞬時航跡坐標(& ，力)為-「"瞎=JV"A,，W2^
formula see original document page 9式中i^，是航跡坐標點pi， Pw間二次貝塞爾曲線的長度，是二次貝塞
爾曲線/^的原函數，、是Ti時間點拖魚的x坐標。等距內插後掃描線沿航跡分布示意圖見圖2。
權利要求
1.一種基於航跡線文件的側掃聲納拖魚航跡處理方法，其特徵在於包括以下步驟1)對側掃聲納數據文件進行解析類編寫；2)順序讀取航跡線文件中的記錄，並提取時間信息和航跡坐標點；3)利用貝塞爾插值模型對所述步驟2)提取的航跡坐標點進行插值，構建經過航跡坐標點的平滑曲線，擬合拖魚得航行軌跡；4)解析側掃聲納數據中掃描線的時間信息，同所述步驟3)中提取的時間信息比較，統計出各相鄰航跡點間接收到掃描線的條數；5)對所述步驟3)和所述步驟4)中產生的結果進行內插處理，計算拖魚運行時的瞬時坐標。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟1)所述對側掃聲納數據文件進行解析類編寫步驟採用面向對象的方法，將側掃聲納數據文件作為一個對象進行封裝，對側掃聲納數據文件進行解析類編寫，實現對側掃聲納文件頭，掃描線信息頭和掃描線數據的快速訪問。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟2)所述順序讀取航跡線文件中的記錄，並提取時間信息和航跡點坐標步驟逐行讀取航跡線文件中的記錄，以空格為分隔符把讀取到的記錄字符串分隔成測線信息、事件信息、時間信息和航跡坐標點四個欄位，時間信息記為T" H ， Ti+1...Tn，航跡坐標點記為Pp P2...Pi ， Pi+1...Pn。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟3)所述利用貝塞爾插值模型對所述步驟2)提取的航跡坐標點進行插值，構建經過航跡坐標點的平滑曲線，擬合拖魚得航行軌跡步驟順序連接航跡坐標點Pi， P2...Pi ， Pi+1...Pn創建多義線S,並對多義線S進行二次貝塞爾曲線插值，構建經過航跡坐標點Pp P2...Pj， Pw...Pn的二次貝塞爾曲線，擬合聲納拖魚的航跡。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟4)所述解析側掃聲納數據中掃描線的時間信息，同所述步驟2)中提取的時間信息比較，統計出各相鄰航跡坐標點間接收到掃描線的條數步驟取航跡線文件中相鄰記錄的時間信息Ti， Ti+1，設Ni為統計結果，初始值為零，利用所述步驟l)中的側掃聲納數據文件解析類讀取側掃聲納數據，逐條讀取掃描線信息頭，獲得掃描線數據接收的時間t，如果d，說明掃描線的接收時間超出了航跡線文件中時間記錄Ti到Tw的範圍，不作處理，繼續讀取下一條掃描線接收時間信息；如果t滿足Ti〈t^Ti+p則該掃描線是在Ti， Tw時間內接收的，則統計結果Nj累加一個計數；如果t〉Ti，則開始Nw的統計。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，步驟5)所述對所述步驟3)和所述步驟4)中產生的結果進行內插處理，計算拖魚運行時的瞬時坐標步驟根據統計結果Nj，對兩個相鄰航跡坐標點Pi ， Pw段的曲線等距內插，計算出拖魚換能器在Ti， Tw時間段內接收掃描線時的瞬時坐標，即拖魚接收掃描線k時的瞬時航跡坐標(A， h)為formula see original document page 3式中^^,是航跡坐標點Pi，PW間二次貝賽爾曲線的長度，是二次貝塞爾曲線/&2^的原函數，x,是Ti時間點拖魚的x坐標。
全文摘要
本發明公開了一種基於航跡線文件的側掃聲納拖魚航跡處理方法。它首先提取出航跡線文件中的航跡點坐標信息，採用貝塞爾插值模型對其進行平滑處理，擬合出拖魚的實際航行軌跡，然後根據時間信息統計出拖魚在相鄰航跡坐標點間運行時所接收到的掃描線的條數，最後通過等距內插獲取拖魚運行的瞬時坐標。本發明充分利用了航跡線文件，簡化了航跡處理過程，有效解決了因船速不穩定以及掃描與定位不同步導致的掃描線分布不均勻的問題。同時，對於因拖魚行進方向改變而造成的掃描線交叉，也可以取得良好的修正效果。利用本發明對聲納拖魚的航行軌跡進行處理，可以有效消除側掃聲納數據地理編碼過程中產生的各種縫隙，獲得清晰連續的海底地形地貌影像。
文檔編號G01S15/00GK101592731SQ20091010049
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月9日 優先權日2009年7月9日
發明者南 劉, 劉仁義, 尹天鶴, 豐 張, 杜震洪, 黃克玲 申請人:浙江大學