（计算机应用技术专业论文）电法勘探数据与解释的可视化方法研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 电法勘探数据- q 解释的可视化方法研究 计算机应用技术 董劲松 ( 签名) 垄型公 秋兴国( 签名)衄i 匆 摘要 电法勘探是工程物探中应用较广的一种勘探方法。在电法勘探中也开发了许多应用 软件。但从目前国内电法数据处理软件来讲，要么功能单一，一个工程有时可能要用几 种相关电法软件，要么针对特定仪器，通用性差。为此有必要开发一种通用性强，能够 同时满足电法勘探多种测量方法所测数据解释需要的电法处理软件。而电法数据处理的 可视化解释是能否开发成功的关键，有必要对其进行重点研究。 本文通过对国内电法数据可视化处理加以研究，按照软件工程的分层思想，对电法 数据与解释的可视化进行深入的研究和探讨，形成一套条理清晰，实用性强的电法数据 可视化解释理论。并在此基础上开发出直流电法数据解释系统( w m e p s ) 。 针对电法数据反演解释中一些参数的微妙性，在向用户提供了当前应用实践中较为 理想的默认参数设置的同时，在作一维反演和二维反演时，还采用了更加灵活的解释手 段，即用户可以根掘具体情况对一些参数进行人为调整，这样做使得数据解释更具灵活 性，增强了解释的精度，同时使得程序具有了一定的学习特性。 为解决曲线绘制的打印精度问题，制作了坐标曲线绘制模块，对打印作了单独处理， 解决了因不同打印机分辨率不同而打印出的图像大小不定的问题。 音频电透模块的图形使用v c + + 调用s u r f e r 软件绘制，用户只需提供原始数据即可 自动生成音频电透法图件。 研究的内容包括了电剖面法、电测深法、高密度电法、音频电透法在内的直流电法 可视化解释方法，绘制了相应的解释图件。 关键词：电法勘探；可视化；电法剖面；电测深；高密度电法；音频电透 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ev i s u a l i z a t i o nm e t h o d ss t u d yo fd a t aa n di t si n t e r p r e t a t i o n o fe l e c t r i cp r o s p e c t s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：d o n gj i n s o n g i n s t r u c t o r ：q i ux i n g g u o ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t a sak i n do fe l e c t r i cp r o s p e c t i n gm e t h o d ，e l e c t r i cs o u n d i n gh a saq u i t ew i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp r o s p e c t i n g ，i nt h ef i e l d so fi n t e r p r e t a t i o na n d d r a w i n gi ne l e c t r i cs o u n d i n g ，m a n ys o f t w a r eo fd a t ap r o c e s sh a sb e e nd e v e l o p e da c c o r d i n g l y b u ts o m eo f t h e s es o t t w a r e sf i m c t i o ni sp o o r ，o t h e r si so n l yf o rt h es p e c i a li n s t r u m e n t s oi t s n e c e s s a r i l yt od e v e l o pai n t e g r a t e ds o f t w a r ew i t c hc a l lb es u i t a b l ef o rv a r i a b l en e e d s b yt h i s s t u d d i n gt h ed a t ai n t e r p r e t a t i o nv i s u a l i z a t i o no fe l e c t r i cp r o s p e c t i n gi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h i s p u r p o s e a c c o r d i n gt ot h et h i n k i n go fl a y e r i n gi nt h es o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，a u t h o rs t u d yt h e c u r r e n ta d v a n c e dv i s u a l i z a t i o ne l e c t r i c p r o s p e c t i n gm e t h o d so ff o r e i g na n di n t e r n a la n d d i s c u s sd e e p l yo ft h ea d v a n c e dv i s u a l i z a t i o ne l e c t r i cp r o s p e c t i n gm e t h o d s t h e na u t h o r p r o d u c e das e to ft h et h e o r i e so fv i s u a l i z a t i o ne l e c t r i cp r o s p e c t i n gm e t h o d sa n dd e v e l o p i n ga e l e c t r i cs o u n d i n gp r o s p e c t i n gs o f t w a r ew m e p s f o rt h ed e l i c a c yo fs o m ep a r a m e t e r si ne l e c t r i cs o u n d i n gd a t ai n v e r s i o n ，t h es o f tg i v et h e t o o l sf o ru s e r st o v e r i f yt h e ma c c o r d i n gt os p e c i a ld e t m l s ，w h i l ep r o v i d e dt h ed e f a u l t p a r a m e t e r sw h i c hw e r ei d e a la p p l i e di nt h ec u r r e n ta p p l i c a t i o np r a c t i c e t h er e s e a r c hc o n t e n th a si n c l u d e dv i s u a l i z a t i o ne l e c t r i c p r o s p e c t i n gm e t h o d so ft h e e l e c t r i c a lm e t h o ds e c t i o np l a n e ，t h ee l e c t r i c a lm e t h o dd e p t hs o u n d i n g ，t h eh i g hd e n s i t y e l e c t r i c a lm e t h o d ，t h ea u d i of r e q u e n c yc a t a p h o r e s i s a n di nt h i sf o u n d a t i o na u t h o r ，p r o p o s e d m o r ei d e a lv i s u a l i z a t i o ne l e c t r i cp r o s p e c t i n gm e t h o d si nt h ep r a c t i c e k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lp r o s p e c t i n g v i s u a l i z a t i o nm e t h o d se l e c t r i c a lp r o f i l e e l e c t r i c a ls o u n d i n g h i g h _ d e n s i t ye l e c t r i c a lm e t h o d a u d i of r e q u e n c ye l e c t r i c i t yp a s s e s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要科技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：辛励松指导教师签名：私闺 年月日 1 绪论 l 绪论 1 1 选题的背景及研究意义 电法勘测是勘探地球物理学的重要分支之一，而直流电测深法则是电法勘测中普遍 应用的一种方法。它以地下探测介质电阻率为基础，根据电场在不同电阻率介质中的分 布规律，来研究探测对象在不同深度上的地质构造情况。由于其适用范围广、探测成本 低，工作效率高、装备轻便等特点，因而在地质构造探测、地下水、能源r 石油、天然 气、地热、煤田) 及矿产资源勘探等领域得到广泛的应用，近年来其应用又扩展到考古、 工程勘查、环境监测等领域【1 1 1 2 1 。 与之同时，国内也开发出了许多较为优秀的电法软件，但是，这些电法软件要么功 能单一，要么针对特定仪器，给电法勘探工作造成一定影响。又由于电法勘探问题的多 解性，一个勘探任务可能需要同时使用多种勘探方法，才能对问题作出正确判断，在目 前情况下可能要用几种软件对数据进行解释，这样不仅使用不便，而且不利于数据的统 一管理。所以，有必要开发出一套综合的软件，使得电法工作成本降低，提高工作效率。 在这种背景下，我们受陕西省教育厅的委托，开发集成化电法数据处理系统 ( w m e p s ) 。我主要完成电法数据图形解释部分，并且研究数据与解释的可视化方法。 电法数据的显示与解释过程，本身就是一个可视化的过程，目的在于怎样将地层情况( 特 别是异常) 用图像的方式显示出来再通过人的视觉去发现异常。所以，它也是电法软件 开发成功与否的关键所在。 1 2 电法可视化艇释研究现状和存在的问题 1 2 1 国内外发展情况 就目前来讲，我国电法勘探软件研究尚处于发展阶段。1 9 9 5 年中国地质大学的罗延 钟教授研制的电法勘探工作站软件系统。1 9 9 7 年，时在煤炭科研总院西安分院的秋兴国 高工率先研制出了“直流电法微机处理软件”是当时我国第一款功能较为完善的电法勘 探软件l l7 1 。近两年随着计算机硬、软件技术的飞速发展，电法勘探数据处理软件不断 涌出，较具代表性的有：中国地质大学的金胜、魏文博研制的地面电法勘探信息系统； 中国黄河水利委员会王运生高工研制的w y s 2 0 0 5 工程物探信息系统等。但是纵观这些 电法勘探解释系统，有的功能单一，有的精度不高，有的反演成图解释含混不清晰，有 的操作过于繁杂。均不能很好的满足当前电法勘探工作的需要。 国外电法勘探技术较我国起步早，从技术门类上来讲与我国无太大差别，只是我国 西安科技大学硕士学位论文 在发展深度上与欧美、日、俄尚有一定的差距；并且在各种理论的原创性上我国不具备 优势。例如：频谱激电法( s i p ) 是由美国人w h p e l t o n 在1 9 7 8 年发表的论文“利用 多频激电测量做矿物区分和取出电磁耦合”首次提出的；瞬变电磁法是由前苏联首次采 用，并在5 0 6 0 年代完成该方法的一维和二维反演解释。利用探地雷达对地表以下物体 进行定位及测量的理论是由德国人l e i m b a c h 和l o w y 在1 9 1 0 年首次提出并申请专利等。 国外电法勘探数据处理软件技术较国内成熟。如美国荣基工程及研究公司( z o n g e ) 8 0 年代早期生产的g d p 1 2 2 g b 型地球物理数椐收录系统( g e o p h y s i c a ld a t ar e c e i v e r ) 及 相应的电法勘探解释软件。该仪器为微机控制的多功能交流数字电法仪，仪器可以进行 大地电磁测深法( m t ) 、可控源声频大地电磁法( c s a m t ) 、瞬变电磁测深法( m ) 、 复电阻率法( c r ) 、激发极化法等多种方法的勘探，其配套软件可以对以上各种方法采 集的资料进行处理和解释，最近进口我国的主要是g d p 1 6 和g d p 3 2 型仪器及配套软 件：另外，加拿大凤凰公司生产的v - 5 、v - 6 地球物理探测及解释系统是我国进行可控 源音频大地电磁法( c s a m t ) 勘探采用的设备，该设备在寻找隐伏金属矿、油气构造 勘探、推覆体和火山岩下找煤、地热勘查和水文勘察方面能力非凡，其随设备附带的解 释软件功能也较完善。 但是，这些软件一方面是由国外技术公司开发，接口及操作全是英文，没有汉化， 使用十分的困难，导致随设备购买的软件闲置不用而造成极大浪费；另一方面，这些设 备及相应软件价格昂贵，甚至软件价格比设备价格还要高；因此，我们开发具有自主知 识产权的电法软件解释系统是十分有必要的。 1 2 2 国内软件在可视化方面存在的问题 就目前国内所开发的软件来说，所存在的问题如下： ( 1 ) 功能不全 国内目前在直流电法方面的软件一般只提供一维反演。对于带有高密度电法数据处 理的软件，也只能进行视电阻率截面成像，二维反演解释更谈不上。音频电透是目前在 我国煤炭行业中普遍使用的一种电法勘探技术，但目前国内只有中国煤炭科学研究总院 西安分院所提供的软件。该软件解释效果好，地质异常反映明显、准确。但在作图时没 有实现自动化，要人工利用s u r f e r ( 专用等值线绘制软件) 绘图，要成图必须进行一系列 繁杂的操作。 ( 2 ) 成图不理想 在电法剖面、一维反演方面，国内软件在可视化成图方面没有多大差异。在高密度 电法的可视化解释方面，只能做视电阻率截面图，且效果不理，成图速度慢，而且粗糙， 有的对于梯形数据成图后变成矩形，与实地情况差别较大。 2 1 绪论 1 3 本论文所作的主要工作 针对目前应用中的电法软件所存在的问题和不足和不完善之处，综合现有可视化解 释软件的优点，开发出解释结果准确，用户界面良好，易于使用的电法解释软件。 ( 1 ) 调研了国内外有关电法处理软件现状、分析了存在的问题：构架了本文工作的研 究思路。 ( 2 ) 对于电法数据与解释的可视化研究来讲，不懂电法解释理论，就不可能做出实 用的软件。所以本文对电法数据解释作了较为系统的研究。 ( 3 ) 结合现有软件中的优秀的可视化解释手段，找出适合的可视化解释方法。 ( 4 ) 在功能上尽量完备。本软件提供电法剖面、一维反演、二维反演、音频电透等 功能。 ( 5 ) 开发出了实用的电法数据处理软件一集成化直流电法数据处理系统( w m e p s ) 。 西安科技大学硕士学位论文 2 电法勘探的基本理论 直流电法是以矿石、岩石的电学性质之间的差异为基础，利用岩石、矿石的导电性、 激电性，通过对电磁场的观测，分析和研究它们的分布状态和分布规律，达到寻找矿产 资源和查明地下地质构造的目的。根据所利用岩石、矿石的不同电学性质，可分为电阻 率法和激发极化法。 根据所研究地质问题的不同，电阻率法可分为三种类型：电测深法，电剖面法和激 发极化，这三种方法统称常规方法。在九十年代中后期又出现了高密度电法。 2 1 常规方法 2 1 1 电测深法 电测深法是电法勘探技术中应用最广的物探方法之一，用来解决的地质问题有：探 查陷伏构造，煤系地层、各种矿体及其它地层的分布范围、厚度、埋深及岩性变化，解 决水文地质及工程地质方面如确定古河床位置及层状稳定的含水层，圈定岩溶发育带、 老窑采空区以及地质填图等地质问题。 电测深法是在同一测点上逐次增大供电电极a b ，使勘探深度由小逐渐增大，然后逐 次接收m n 电极间的电位差，通过计算得到测点处由浅入深反映地断面特征的视电阻率 曲线，经分析处理解释后即可了解深度方向地质变化规律，从而解决地质勘探任务。 电法测深最常用的是对称四极装置( 如图2 1 ) ： _ 。i 。 n amo nb 图2 1 对称四极装置 图中a b 为供电电极，m n 为电位测量电极，它们对称于测量点0 点布置。工作时， 通过a b 按固定比值变化，即从最小电极距a 。b 1 变化至最大电极距a n b 。每改变一次a b ， 相应观测一次电位差和供电电流i 。，计算出该极距的视电阻率ps 值，改变n 个电 极可得到n 个视电阻率值，这样，根据观测计算得到的u 。i 。ps 值便可绘出该测 点以a b 2 为横坐标，ps 为纵坐标的电法测深曲线。曲线图多采用双对数坐标系，特殊 需要，如井下探测小深度或进行曲线对比时，也可采用单对数或算术坐标系。视电阻率 4 2 电法勘探基本理论 ；i i i i i i i ；i i i ；i ；j i ；i i i i i ；i i ；i ；i i i ；i i i i ；i i ；i 标系。视电阻率计算公式为： 任意装置时： 这里 u l 删= 2 石( 去一上b m 一上a n + 与b n 、4 m 7 望监 ( 去a 一击一上a n + 上b n ) k、mb m 些k i u ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 肛焉焉2 焉7 l ：巧 p 3 ) 【面一面一面+ 丽) 当为对称温纳四极装置时，由式( 2 ) 可以导出： p 。：万生丝：生丝垒三二盟 m n i k ：石a m a n k 礅 ( 2 4 ) 式中，a m 、a n 、b m 、b n 、均为电极间的水平距离，用米表示，电流i a b 单位为 安培，电位差au m n 单位为伏特，计算得到的视电阻率ps 值为欧姆米。 2 1 2 电剖面法 保持供电电极和测量电极间距不变，同时沿测线移动并逐点观测和计算ps 值，研 究某个深度( a b 2 ) 上沿剖面方向的视电阻率横向变化，从而研究沿剖面方向上地质构造 的变化规律或寻找有用矿体。这类测量方法称为电剖面法，最常用的有对称四极剖面法， 联合剖面法和偶极剖面法。 西安科技大学硕士学位论文 2 1 3 激发极化法 激发极化法是根据地下岩石、矿石激发极化效应的差异，在人工电场的作用下，观 n - 次场( 激发极化电场) 以达到找矿和解决各种地质问题的一种物探方法，目前它广 泛应用于金属矿探测方面。 当采用对称四极排列向地下供电时，利用m n 测量电极可观测到人工电位差u 1 ( 称 一次场电位差1 ，且u l 随着供电时间的增加而逐渐增大，当供电数分钟后，电位差u 。 趋于稳定值( 饱和值u ) ；当a b 供电电流断开后，会发现测量电极m n 之间仍能观测 到一定大小的电位差u 2 ，且在断电初始瞬时u 2 衰减特别快，到一定值后衰减减慢， 仅几秒钟甚至几分中方衰减至零。如果把激发场u l 作为一次场，则断电后的衰减常为 二次场，u 称为总场。 2 2 高密度电法 高密度电法是九十年代后期才发展起来的高分辨率电法新技术，仍属直流电阻率法 范畴。但与常规电阻率法相比，设置了较高的测点密度，仪器利用多路电极转换装置， 自动实现多种电极排列和多参数测量，同一测线可以一次完成纵横二维的勘探过程，既 包含电测深，反映所探地质体在垂直方向不同深度上岩性的变化规律，又包含了电剖面 法，反映地质体在同一深度沿水平方向的岩性变化。获取地质信息分获取地质信息丰富， 资料量大，探测精度高，因此在工程地质和水文地质勘探中得到越来越多的应用。 高密度电阻率法通常有四种测量方式：对称四极装置( d 法) 、偶极装置( b 法) 、 差分四极装置( y 法) 和联剖装置( 6 法) 。实质上是常规电法中电测深与电剖面法不 同装置的组合，依靠多路转换开关，一条测线同时完成四个装置的数据采集工作，其资 料量较常规方法增加了几百倍，一条测线上，就可以采集上万个数据，因此，利用以往 人工方法处理资料和资料解释己不适应，必须依靠计算机进行处理，种好的处理软件 就成为工作效率和成果好坏的关键。 2 3 常用测深装置 根据电法理论，点电源电场分布公式为： u = ip ( 2 r )( 2 - 4 ) 该公式为电阻率法的最基本公式和出发点。其它所有装置电阻率的计算都从这个公 式推导出来。 直流电法的电阻率计算公式为： p = k au 。i ( 2 - 5 ) p 为电阻率，u 。为测量电极之间的电位差，i 为供电电流，k 为装置系数，不 6 2 电法勘探基本理论 同的装置具有不同的装置系数。 3 ) 测量装置 常用的测量装置有对称四极装置、温纳四极装置、四极装置、三极装置、差分四极 装置，偶级装置。 _ 。_ 。 n am o nb ( a ) 对称四极装置 对称四极装置中，a 、b 为供电极，m 、n 为测量电极，a b 、m n 都关于0 点对称。 - _ 。 广1 amo nb c o ) 温纳四极装置 在温纳四极装置中，a m = m n = n b a bomn ( c 1 偶极装置 一r 什厂竹 am0b n ( d ) 差分四极装置 西安科技大学硕士学位论文 amo nb r e 、三极装詈 图2 - 2 直流电法装置示意图 2 4 本软件所采用的电法勘探方法命名体系 电法勘探的命名方法有很多种，本软件所采用的命名方法为：电学性质+ 装置+ 施工 方法。这是目前在国内电法软件中所通用的命名方法。比如电阻率四极测深，电阻率是 所利用的电学性质，四极指所采用的装置名称，测深之施工方法。又如激发极化三极剖 面，激发极化指所利用的岩石电学性质为岩石的激发极化性，三极指所采用的装置为三 极装置，剖面指施工方法。 尘一 3 软件需求分析和绘图部分总体设计 3 软件需求分析和图形部分总体设计 根据软件工程的基本理论，软件开发的生命周期大致分为三个阶段：1 ) 定义阶段，包 括可行性研究与计划，需求分析两个子阶段；2 ) 开发阶段，包括概要设计，详细设计，原 型建立及实现，组装测试，确认测试五个子阶段；3 ) 维护阶段，即运行及维护交互进行的 阶段。 本软件的设计严格按照软件工程的要求进行，相关软件特点及分析即是定义阶段中 的可行性研究与计划过程中必不可少的一个环节。下面我们对该软件进行简要的需求分 析。 3 1 需求分析 在人机界面软件的开发过程中，定义阶段中的需求分析是至关重要的，它包括用户 特性分析，任务分析，建立界面模型三个部分。关于用户特性分析，为了让本软件有 更广的用户群体，我们假定用户对计算机掌握水平在初级或中级水平。基于此，我们更 多的使用了微软设计理念中推荐的按钮与选框，与较浅的菜单深度( 最多两级菜单) ，此 外还减少了常规数据处理软件中所具有的大量的参数设置模块，让软件使用者更容易掌 握其使用方式。经过分析，考虑到旨在解决现存电测深软件的不足之处( 如数据库及软 件间数据共享的缺陷，手工数据处理功能的不足等) ，设计出更合理数据处理流程是有 必要的。 如图3 1 所示： 数据通信 l数据管理与编辑 0 数据预处理 l数据解释与成图 图3 - 1 电法勘探数据处理流程 根据该流程，我们将软件按功能分为数据通信，数据管理与预处理，解释成图及输 出三个部分部分。 西安科技大学硕士学位论文 3 2 详细设计 本软件整体数据处理流程图如图3 2 所示。 由于我主要研究的是电法数据解释的可视化，数据库管理部分的设计不属于我的研 究范围。关于数据接口，将在下面可视化解释部分加以解释。 3 3 软件开发平台及开发环境的选择 由于现阶段中国大多数计算机使用w i n d o w s 操作系统，所以软件以w i n d o w s 作为运 行平台。 d e l p h i 语言在设计图形界面方面比较快捷简便，所以在数据管理和通信这一方面采 用d e l p h i 语言设计。v i s u a lc 什作为软件开发语言在绘图方面有其独特优势，加之我 主要做数据解释的可视化方面工作，所以我采用v i s u a lc 十+ 作为编程语言。虽然语言不 同，但对软件的性能无任何影响。 对于图形处理部分曲线的绘制，用现有的绘图工具所作的盐线在打印时不够精确， 我采用我自己做的曲线模块。等值线图的绘制采用专业等值线图绘制软件s u r f e r8 0 。 s u f e r 软件在绘制等值线图方面有其他软件很难替代的优点，比如地形图加入、图形的 旋转变形、数据的各种表现方法以及提供大量的等值线算法，这是别的软件所无法比拟 的。而且易于使用，所以用来绘制等值线图及c t 图是最理想的工具。 1 0 3 软件需求分析和绘图部分总体设计 数字直流电法仪 j 井下电法仪 f常规电法仪 高密度电法 ll 与微机通讯生成数据文件 + 系统管理数据编辑 + 数据预处理 0+ 数据内插数据全空间处数据光滑处理k 剖面处理 + 数据可视化处理解释 + 电法剖面一维反演二维反演音频电透 l 生成电法图件 l 土l上j l j ll 视 频 剖测 电 真 电 阻 电频 透 向深蛊阻 电 测 曲曲 彩 塞 透 网 线线 色 推成 图图 n断 果 不 一 图图 思 图 图 _ _ _ _ _ - 一 _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 。 _ _ _ _ _ _ - 打印 图3 - 2w m e p s 软件系统数据流程图 西安科技大学硕士学位论文 3 4 电法数据解释可视化部分设计 根据第一节的分析，直流电法数据处理软件主要由三部分组成，即数据通信、数据 管理和资料图形解释。数据通信解决资料从数据采集设备发送到计算机这个问题。数据 管理解决项目管理，资料存储，资料异常处理及资料编辑等问题。资料图形图像解释是 对资料进行处理并用可视化手段表现出来。我研究的问题是资料怎样处理并用什么样的 可视化方法表现出来，即资料的图形解释部分。 数据可视化解释部分，其结构如下图3 2 所示。根据功能和处理的数据不同分四个 模块，两层结构。顶层的四个模块( 电法剖面模块、一位反演模块、二维反演模块、音 频电透模块) 为资料解释层，面向具体应用，主要解决对用户提供怎样的可视化解释手 段工具，怎样满足用户对资料解释的需要。底层为顶层应用的具体支撑，包括一些图形 工具的制作和一些算法，底层为理论支撑，解决资料解释的理论问题。包括电法勘探解 释相关理论和图形显示相关理论。图形显示部分的结构如下图所示。本文也是根据这个 结构来进行编写的。 资料解释 理论支撑层 电法资料解释理论图形图像理论 图3 - 2 图形解释部分结构示意图 3 5 软件数据接口设计 由于我主要是研究电法数据解释的可视化部分，数据可视化解释与数据管理部分的 接口由我设计。 3 软件需求分析和绘图部分总体设计 3 5 1 剖面曲线模块接口 第一批数第一行：方法名称( 装置) ，测线名称，深度( 名称，：a b 2 ) ，深度值( 数值， 单位为米) ，参数表( 如：视电阻率，视反射系数，激化率，激发比，半衰时等，用符号表示，符号见 符号规定) 第二行：x l ，对应参数值表l x 2 ，对应参数值表2 x n ，对应参数值表n 第二批数第一行( n + 2 行) ：方法名称( 装置) ，测线名称，深度( 名称，：a b 2 ) ，深度值 ( 数值，单位为米) ，参数表( 如：视电阻率，视反射系数，激化率，激发比，半衰时等，用符号表示， 符号见符号规定1 第二批数的第二行：( n + 3 行1 x 1 ，对应参数值表1 x 2 ，对应参数值表2 x n , 对应参数值表n ( 数据应在同一测线上，此接口只支持同一装置或联合装置；有联合装置，则第二批数 存在，否则，只有一批数，至于其他分析方法，不在剖面分析之范围内1 3 5 2 一维反演模块接口 o f f s e tw e n n e rd a t as e t 标题 a r r a yt y p e ( w e n n e r0 1 s c h l u m b e g e r ) l 装置类型( 温纳或四轮伯格) w i n n e r l 具体装置名称 n u m b e ro fd a t ap o i m s i 资料点个数 1 6 1 个数 d a t at y p e ( r e s i s t i v i t y , i p , s 1 p ) i 数据类型( 电阻率，激发极，频谱l 激发极化法) r e s i s t i v i t y l 电阻率 e r r o ri nm e a s u r e m e n t si n l u d e d ( y e s , n o ) i 是否包含测量误差 n o i 否 d a t as e c t i o n ( s p a c i n g ，a p p r e s ) l 资料部分( 间距，视电阻率) o 5 ，1 4 9 i 资料 1 0 ，2 0 7 西安科技大学硕士学位论文 1 0 ，2 0 7 1 2 8 ，3 5 4 j 资料 u s e rs t a r t i n gm o d e la v a i l a b l e ( y e s n o ) i 存在资料初始模型( 是否) y e s f i xp a r a m e t e r s ( y e s n o ) n o n u m b e ro fm o d e ll a y e r s 4 m o d e lp a r a m e t e r s ( r e s ，t h i c k n e s s ) 1 4 0 ，1 0 1 5 0 ，1 5 5 0 0 若没有初始模型，以下没有 是 是否固定参数( 是否) 否 模型层数 4 模型参数( 电阻率，厚度) 第一层参数 最后一层参数 3 5 3 二雏反演模块接口 l a n d f i l ls u r v e y l i n e 卜数据名称 3 0l i n e2 一最小极距 1 i l i n e3 一装置类型( 温纳装置= 1 ，三极a = 3 ，三极b = 6 ， 斯伦伯格装置= 7 ) 3 3 4 | l i n e4 一数据点总数 1 l i n e5 一数据点x 坐标类型，如果是如果是装置的第一个电 极坐标则为0 ，若用装置的中点坐标则取i 。 o l i n e6 一激发极化数据标志( 如果是电阻率此值取0 ，是激发 极化法数据此值取1 。 4 5 0 3 08 4 9l i n e7 一第一个数据点，x 坐标，电极距，视电阻率 7 5 0 3 06 2 8 l l i n e8 一第二个数据点，x 坐标，电极距，视电阻率 3 5 4 音频电透模块接口 n 1 ，n 2 ，n 3 ( 发射点总数、插值频数、叠代次数) m - ，m 2 ，m 3 ，地，m 5 ( 水平、纵向的网格间隔值、搜索半径、比较值、旋转角) 1 ) x f 1 ) ，y f m ，j ( 1 )( 第一个发射点坐标、接收点个数) x - ，y t ，v - ，i ，m n ，0 ( 接收点的坐标( x 、y ) 、电位差、电流、值、收发偏角) 3 软件需求分析和绘图部分总体设计 x 。y z ，v z ，i ：，m n ，0 1 ： 【共j m 个接收点的参数 ： f x jn ) ，y j ( 1 ) ，v ，i j n ) ，m n ，0j 2 ) x m ，y f ( mj ( 2 ) ( 第二个发射点坐标、接收点个数) i l ，y 。，v 1 ，1 1 ，m n ，0 i 2 ，y 2 ，v 2 ，i2 ，m n ，0 i j ( 2 ) ，y j ( 2 ) ) ，a v j ( 2 ) ，i ，m n ，0 3 ) i f ，y f ( m ，j o u ， ( 第n 1 个发射点坐标、接收点个数) x 拦1 , y bv “l , i i , m n , 0 x av m n 0 2 ，k ，2 ，1 2 ， ： l 共j m 个接收点的参数 。，y 。，：。，。j 数参的 占一 收接个几 共 、illl厂l、 西安科技大学硕士学位论文 4 电法数据可视化解释模块 在上一章我们对电法可视化部分给以功能划分，从这一章开始研究电法可视化解释 部分的实现。本章主要研究电法的可视化解释模块。电法可视化解释模块是直接面向用 户的。它主要解决电法数据怎样用和视化手段来解释，需要提供什么可视化手段，以及 电法数据解释的过程。 4 1 电剖面曲线 电剖面法主要研究沿剖面方向地下某一深度范围内电阻律的变化规律，借此来有效 地解决地质问题，如基岩起伏、地质填图，水文地质工程问题及找矿。剖面分析有两个 目的：其一是反映水平方向地层的断裂位置，第二是为了反映断裂带的走向。电剖面法 要处理两大类资料，即电阻率资料和激发极化法资料。激发极化法和电阻率法所采用的 装置类型相同( 由四极电剖面，三级联合剖面，偶极剖面及中间梯度法等) 。激发极化 的参数有极化率( 用n 表示) 、激发比( 用d 表示) 、半衰时( 用s t 表示) 。电阻率剖面 的参数为电阻率。 方法结构如下： 四极剖面法 三极联台剖面 偶极剖面法 中间梯度法剖面 图4 - 1 方法结构图 4 1 1 模块结构及功能要求 多参数问题 在数据解释模块在整体上要求多参数，这个多参数包含两层含义，一是能够处理多 种参数的数据，另一层含义是能够提供多参数在同一座标平面显示的功能。另外对图像 的操作上要要提供图图像的放大缩小及图像的打印存储功能。 对于多种参数盐线在同一平面上显示问题，我采用了多种坐标系共享同一绘制区 域，每种参数给它建立一种坐标系。不同的坐标系其坐标区间是不一样的，不过坐标系 之间互不影响，只是共享图像绘制区域的关系。为了分辨出多种曲线，我为每条曲线都 面削 法化极发 激 、l，、rj rl，、l 面削率阻电 4 电法数据可视化解释模块 采用了不同的颜色，同时，在图的右方标明什么颜色代表什么曲线。 对于图像的操作 提供图像的放大缩小功能及图像打印功能。 数据可视化分析过程 在分析数据时，我们首先要选择所要分析的数据，根据数据绘制原始曲线。所要分 析的数据类型如上图4 1 所示，通过选择分析的参数( 电阻率、半衰时、激发比等) ， 装置类型( 三极装置、四极装置、偶极装置) ，探测深度( a b 2 、a o 等) 及是否联剖 来生成所要分析的数据。在数据生成以后，进行原始曲线的绘制，这时就可对数据进行 分析，显示结果可以打印输出。若需要导数分析，则选择导数分析，导数分析是为了将 异常放大，它对于视电阻率薄层有较高的分辨效果。若是联剖数据，可进行下面的联剖 分析，我们在联剖分析中提供了比值法以增强分辨能力。比值法是将同一测线不同装置 所测的同参数数据在它们对应的点处的值进行相除，这样处理以后两种装置的数据之 间的差异被放大，这对于当两组曲线之间的焦点不是很明显时效果较好。对于联剖来说， 光从两条曲线的走势上是看不出异常的分布范围的，为了将异常的分布范围反映出来， 可以将两条曲线进行合并。 电剖面曲线分析处理流程如图4 2 所示： 图4 - 2 电法剖面数据处理流程图 由于电法勘探数据解释的多解性，一般需要不同的装置所测同一深度数据的对比 西安科技大学硕士学位论文 ，r i i j ；i ；i i i i i i i ；i i i i ；i ；i i i i i i ；i ；i ；i ；i i i i ；i i ；i i i i i i i ；i ；i i ；i i i i i ；i i i ；j ；i i ；i i i 分析进行数据解释分析，也有可能不同参数的数据放在一起进行分析，这要才能避免错 误解释的出现。这就提出了两个要求，第一，可以绘制不同参数的数据并在同一平面显 示。第二，不同装置数据也可以在同一平面显示。 本模块拟绘制所有装置所有参数的剖面曲线，同一装置的不同方法所测同一深度 数据可以在同一平面上显示，以达到多种数据解释的需要。 4 1 2 剖面数据的解释 一般来讲，可以通过数据原始曲线绘制可以比较不同装置或参数来确定异常情况。 有时有可能异常不很明显，所以提供了导数分析的功能，导数分析能够将不太明显的异 常放大，点剖面数据解释重视以有力分析工具。对于联剖来讲，比之法分析是必不可少 的，因为联剖有确定异常具体位置的功能，在分析时，根据曲线的正交和反交可以判断 出异常是高阻异常还是低阻异常，并且可以根据焦点位置准确判断出异常在水平方向的 具体位置，而比值分析可将这种异常放大，使得异常更明显一些。曲线合并功能是用来 反映横断面电阻变化的总体走势的。就拿三极联剖来讲，虽然三极法也反映横断面电阻 率的走势，但在分析总体电阻率走势时由于装置的影响位置会有偏差，两种三极装置 ( a m n o o 和o o m n b ) 反映的走势位置上有偏差，而两种装置所测数据结合起来才可判 断异常断面具体位置，但不能明显反映异常的变化趋势，只有将两种装置数据合并起来 才可判断异常变化情况。以下图4 3 是剖面曲线数据分析的一个例子，数据来源于青藏 高原工程构造的应用实例。 1 8 4 电法数据可视化解释模块 ( c ) 联剖比值曲线图 图4 - 3 电法剖砸曲线图 ( d ) 联剖曲线合并图 4 2 电法勘探一维反演模块 反演的过程是已知结果求其原因的过程。电法的一维反演就是根据通过电法仪器所 测的地层视电阻率求其各层厚度及真电阻率的过程。电法勘探中地层的层参数是多解 的，所以，必须在初始时根据已测视电阻率来给出初始层参数，而整个反演的过程就是 层参数的最小二乘逼近。与之相对，电法的正演就是根据已知层参数来计算视电阻率的 过程。电法的反演是要调用正演的。 现在的理论可以不用给出初始层参数来进行电法数据的反演，但是这种自动反演的 结果虽然均方误差很小，但往往不能反映实地的地层分层情况，只能给分析者以参考， 不能作为最终分层结果。通过自动反演可以给出初始分层。 反演分为人工反演和自动反演，人工反演需要人为的根据反演曲线修改初始参数， 1 9 西安科技大学硕士学位论文 自动反演则在输入初始参数后，由计算机自动拟合逼近，直至达到要求精度。 ( 1 ) 一维反演的菜单系统 菜单结构为： 文件参数设置反演反演结果显示正演打印存储 读取资料设定阻尼因子使用初始分层模型显示反演结果正演计算以b m p 格式保存 退出 设定迭代次数自动反演 以p o x 和式保存 设置收敛极限调整模型外扩范围 ( 2 ) 文件 读取数据文件，数据文件扩展名为d a t ，文件格式上面已经给出。可处理激发极化、 视电阻率和频谱激发极化法电法测深资料。 ( 3 ) 参数设置 1 ) 设定阻尼因子 初始阻尼因子般情况下设定在o 2 5 到o 0 5 这个范围。对于存在干扰的资料集， 应该将阻尼因子设的大一些。若不确定的话，可使用o 1 5 或者其附近的值。最小阻尼因 子的值一般情况下应该介于o 1 0 到0 。o l 之间，对于存在干扰较大的情况下，可以选择 相对较大的阻尼因子。如果不确定的话可以选择0 0 3 到0 0 l 之间的值。 2 ) 迭代次数 一般情况下最小二乘法的接待次数应该选在5 1 2 次这个范围内，程序通常在5 到 1 5 次就会收敛。迭代次数超过1 2 次没多大意义。 3 ) 收敛极限 收敛极限是用来告诉程序误差小到多少财富和要求。收敛极限一般因选择小于1 0 即可，考虑到干扰情况，并不是收敛极限设得越小越好。 ( 4 ) 反演 根据前面设定的参数进行反演。当用户对所要反演分析的资料已建立初始分层模型 时，可以在初始模型的基础上进行反演计算。否则，可通过预先自动反演然后根据反演 结果调整层数、层厚度和各层电阻率，如图4 4 和4 5 。也可直接进行自动反演，若用 户对系统预定的层扩展厚度不满意，可以自行调整扩展厚度。 ( 5 ) 反演结果显示 本软件可以对反演反演过程中各次迭代结果进行记录，产生中间迭代文件，这样， 用户可以从而可以对反演的整个过程进行观察，对各次迭代的结果进行了解，从中选取 用户较为满意反演结果。反演结果显示就是为这一目的服务的。 图4 _ 4 人工手动反演层参数设置 图4 - 5 电测深一维反演 ( 6 ) 印和转储 反演的结果有时需要用图像方式进行保存，并打印出来。本软件所绘制的图形可以 用两种常用方式进行保存，种为b m p 位图格式，这是很常用的格式，几乎所有的图像 显示软件都支持这一格式。另一种是p c x 文件格式。 ( 7 ) 维反演的数据处理流程 一维反演的处理流程如下： 西安科技大学硕士学位论