胡清华，张建华，李海森，魏玉阔
摘要：mb-system软件包是一套运行于Linux系统下的针对多波束测深数据处理的软件工具，它可以对原始数据和波束数据进行灵活编辑，并利用强大的绘图功能对结果进行显示。利用mb-system软件包对国外典型的多波束测深数据进行了处理与结果显示，结果体现了此软件相较于其他同类软件兼容性强，应用灵活的特点；然后，交中对国产首台便携式多波束测深仪湖试数据进行了格式转换，并对转换后的数据使用了mb-system进行了处理，结果验证了数据的有效性与正确性。
1 引言
使用多波束测深仪进行水下地形扫测的重要成果就是水下地形图。由于成图前数据处理量特别大，处理时间长，多数的多波束测深仪在外业处理现场一般都不能快速获得测量质量的准确信息。因此，无论是多波束测深仪厂家还是有关的成图软件公司都在致力于快速有效的数据预处理和成图软件的研究。
当前，流行的成图软件制作平台大多基于Windows操作系统，成图和预处理软件工具主要有VB，C++，OpenGL，AutoCAD，MicroStation等。国内外相关领域的研究人员在基于上述平台和软件的基础上已经进行了大量的软件开发工作【2-5】。但是软件开发人员及用户越发认识到Windows操作系统安全性不高，且占用系统资源庞大，因此逐渐倾向于基于Linux系统的新型成图工具和软件的开发。近年来国外基于嵌入式Linux系统开发的mb-system软件包正是此开发趋势的杰出代表产品。
本文介绍了mb-system软件包的主要功能，进而使用此软件包处理了simrad EM121A型多波束测深仪的实验数据，验证了此软件包的种种优点，同时使用此软件包处理了国内首台便携式多波束测深仪的湖试数据，软件的处理结果验证了数据的有效性与正确性。
2 多波束测深数据格式
目前市场上比较典型的多波束测深仪产品有：德国Atlas公司的HydroSweep系列、美国Seabeam公司的SeaBeam系列，挪威SIMRAD公司的EM系列以及芬兰Hollming Ltd公司的Echos系列等。这些系统的指标都不仅相同，数据格式也不尽相同。因此许多公司都开发了针对本公司产品的专用后处理软件包；国外的一些软件公司针对主流的多波束测深仪开发了通用的数据处理的成图软件，如Hypack等。MB软件包也属于同类软件，它提供了一个模块化的输入/输出库，允许mb软件包 操作任何一种它所能支持的数据格式。在软件包支持的数据格式中以科学应用国际公司（Saic）为美国海军海洋局（Navoceano）制定的一般声纳数据格式GSF（Generic Sensor Format）【5】，最为通用，它适用于大部分厂家的多波束声纳系统，例如：EM100、EM950、EM1000、EM121/121A、EM3000、SeaBeam2112、SeaBat9000/9000II、SeaBat8101、ELACMKII、Reson8100系列等。此数据格式是当前世界上比较通用的一种多波束测深仪数据格式，且具有开放性，这为新起用户提供了极大便利。
3 用MB软件包进行多波束测深据处理
311 mb软件包组成与主要功能
这套软件的早期版本自1991年以来已经在Lamont Doherty地质观测所及其他地方使用，但自1993年初以来，其现行版本（5.1.017）在老版本基础上几乎全部重写，并做了很大改进。Mb的构思和设计受数据运算和绘图的实用工具软件包GMT的影响。Mb绘图使用工具与GMT完全兼容，一些mb执行文件链接了GMT库。Mb软件包由近百个程序组成，这些程序对多波束数据进行运算、转换、处理、列表或显示。其中，数据格式整理部分包含的主要程序有mbdatalist、mbinfo等；自动编辑数据部分包含的程序有mbvelocitytool、mbclean、mbedit等；网格化部分包含的程序有mbgrid等；显示及成图部分的程序有mbcontour，mbm_plot,mbm_3dgrdplot等。
Mb的核心是称为MBIO的输入/输出库。目前，MBIO支持市面上出现的大部分多波束测深声纳数据格式。Mb还包括对侧扫声纳图像数据进行矫正和滤波的使用程序。
所有可以生成数据文件的mb程序还支持插入包含任务、完成时间、使用者等内容的评论记录。这些记录可以使用mb的数据处理作为档案保存。
312 多波束测深数据处理方法
根据mb功能和使用特点，本文首先对一组Simrad EM121A型声纳测深数据进行处理。
首先，建立水深值。尽管对中间波束来说，把声线轨迹近似地视为直线式合适的，但对于超过垂线45度宽度的边缘波束而言，声线弯曲却是明显的。考虑了此因素后，mb利用一个合适的声速剖面，采用全射线跟踪，直接由声波传播时间重新建立测深值。
为了对每一个调查区域确定一个合适的声速剖面，可从Levitus数据库中相关的1度（经度）*1度（纬度）范围内提取水柱年平均有代表性的剖面。又因为浅水比深水结果变化大，故实际测量时可以通过温深计测量温度剖面，并据此获取当前的浅水（<800m）声速剖面。
其次，自动和交互数据编辑。用mb中图形使用工具mbvelocitytool，以人工交互方式估算声速剖面的系统误差。如果声速剖面未经过修正，边缘波束将表现为明显的向上或向下弯曲，并且这些偏差在剩余值上也会被反映出来。为剔除水深值的突变，mb也开发了许多实用的工具，它们可以并行进行自动和手工编辑水深值，有问题的水深值将被作上标记而不是被剔除。自动编辑滤波程序（mbclean）首先对重计算的水深值进行运算，标记那些最严重的超过坡度标准70度的突变点。
自动编辑之后，mb利用mbedit的交互式图像应用程序，手动编辑水深值数据。用户可以逐步读取数据文件，通过鼠标点击标记存在突变点的坏波束。
最后，网格化及显示。在数据编辑完毕之后需要进行数据的网格化处理。Mb的使用程序mbgrid既能应用高斯加权平均滤波器又能用中值滤波器对所有有数据的网格区域进行处理。如果需要，还可以使用样条处理，填充数据之间的空白区间。
Mb采用与其兼容的GMT工具，作为显示处理多波束数据的主要手段。GMT的模块化设计使之具有移植性等强大功能，也使之易于提供能与标准GMT程序链接进行复杂图形绘制的扩展功能。Mb对GMT的主要扩展是mbcontour工具，它能产生多波束数据的彩色等值线图，如图1所示。Mbm_plot命令可画出航行轨迹图。图4使三维彩色阴影填充图，相对图3转动了一个角度。
313 国产多波束测深仪数据处理过程
利用前面提到的mb实用工具，按如下步骤对国内首台便携式多波束测深仪的湖试数据进行处理。
（1）将湖试数据格式转换为mb软件包可以兼容的格式，即前面提到的GSF，其中还可加入描述数据来源和特征的文字说明。
（2）利用mb实用工具对数据进行一系列的处理，包括：①图形工具mbvelocitytool进行声速修正；②自动编辑滤波程序mbclean标记最严重的突变点；③交互式图像应用程序mbedit手动编辑水深特征数据；④mbgrid对水深值进行网格化处理；⑤最后利用mbm_plot以及mbm_3dgrdplot等绘图工具对数据进行显示。处理结果见图5-6
图5是测量船的航迹图。图6是用mbm_plot命令，并结合-c等值线选项得到等值线填充局部放大图。这两图给出国产首台便携式多波束测深仪逼真色彩丰富的处理结果，表明mb软件的成功应用。
4 结论
本文研究了基于Linux系统和mb软件包进行多波束测深数据的处理与成图问题，较详细介绍了mb软件包的组成和使用方法，并使用此软件对国内外两种多波束测深仪的试验数据进行了分析和处理，得到了有意义的结果，不仅验证了mb的强大功能，而且也证明了实验数据的有效性与正确性。相信mb对促进多波束数据处理及成图技术研究有重要作用。
【1】 李海森 多波束海底地形测绘系统研究【D】。哈尔滨：哈尔滨工程大学，1999
【2】 陈友元 便携式多波束测深仪实时测控与数据可视化技术研究【D】。哈尔滨 ：哈尔滨工程大学，2005
【3】 马纯方 基于AutoCAD软件的海底成图软件开发【D】哈尔滨：哈尔滨工程大学，2005
【4】 吴自银，高金耀，方银霞等海底底下那个成图子系统MBMap的设计及特点【J】海洋通报2002,21（1）：69~79
【5】 Paul Wessel,Walter H.F.Smith Thegeneric Mapping Tools GMT[EB/OL]Version 4 October 2004
【6】 Generic Sensor format specification Vesion2.02 SAIC doc 98215g[S] 20 June,l2003
【7】 Val Schmidt,Dale Chayes,Dave Caress The MB-System cookbook[EB/OL] 2003 09 08
【8】 David W Caress,Dale N Chays Improved Processing O Hydrosweep DS Multibeam Data on the R/V Mauric Ewing[J].Marine Geophysical Research,1996,(18):P631~650