基于gis的航磁实测切割线网调平系统的研究

基于gis的航磁实测切割线网调平系统的研究

0实测切割线网自动调平技术在航空磁体测量过程中，由于许多因素的影响，测量数据不可避免地存在一些误差。导致这些误差的因素主要有:(1)测量仪器。由航空磁力仪的动态噪声引起的误差。(2)导航定位。由GPS定位误差引起的误差。(3)飞行高度。由于测区地形起伏,各测线的航高不在同一海拔高度引起的区域磁场误差。(4)飞机磁场补偿。由磁补偿平面八方位的剩余误差引起的航向磁场误差。(5)正常场改正。由地磁正常场改正引起的误差。(6)磁日变校正。由磁日变观测及校正引起的误差。(7)磁场水平调整。在磁场调平中产生的背景磁场基点误差。在上述误差中,有随机误差,也有系统误差。其中系统误差主要表现为,各测线的背景场不处于同一水平或同一基点上,并具有较强的规律性。它们在剖面平面图中,表现为不同飞行架次的测线间,磁场强度曲线总体高低不一致。在平面等值线图中,表现为串珠、锯齿、突变、波纹条带等虚假异常。因此,这种磁场水平的不一致,对成图质量影响较大,给资料推断解释会带来虚假信息。对于上述系统误差,可利用实测切割线网对测线的磁场水平进行调整(即调平),使测区内所有测线背景场的场值统一到同一水平或同一基点上,从而达到消除该系统误差的目的。在实测切割线网调平中,必须将测线与切割线在它们交点(即切割点)处的磁场值作为调平参考值。因此,为了提高调平精度,要求切割点为平静磁场点(即平静切割点)。但在切割线网的实际测量中,切割线难免会穿过异常区,很难保证所测切割点均为平静点。因此,只有在数据后处理中,通过人～机联作方式,对切割点是否为平静点作出自动/人工判定,筛选出较高质量的平静点,以达到提高调平精度和成图质量的目的。随着社会的不断发展,航磁测量的地域也越来越广大,观测数据量也越来越巨大。因此,迫切需要一种自动高效的海量数据处理手段,来满足当前社会发展的要求。鉴于此要求,我们设计开发了一套基于地理信息系统(GIS)的航磁实测切割线网自动调平软件。作者在本文使用的航磁数据,是中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所使用的GB-4A型三光系高精度氦光泵磁力仪采集的数据。1原则和算法由于氦光泵磁力仪无零点漂移,所以我们采用算术平均迭代法进行测线数据调平。1.1各测线调平、调平先逐条求取各切割线与所有测线在平静切割点处的磁场差值的算术平均值,并逐条对各切割线进行调平。在完成各切割线调平后,再逐条求取各测线与所有切割线在平静切割点处的磁场差值的算术平均值,并逐条对各测线进行调平。重复迭代此过程,直到测区内所有测线在满足给定条件的切割点处的磁场均方差(参见1.2.5测量总精度计算)最小或变化很小为止。1.2该算法1.2.1切割线的优化算法因航磁数据量巨大,所以在计算测线与切割线的交点时,必须采用优化算法,否则将会占用很长的计算时间。在本软件中,作者采用了如下优化算法。(1)确定测量线和切割线是否相交取测线的起始和结束点形成一条线段;取切割线的起始和结束点形成另一条线段。判断这二条线段是否相交。(2)各测点的距离如果方法(1)中判断为测线与切割线相交,则进一步计算测线上各测点与切割线上各测点的距离的平方值(不是距离本身,因开方运算的计算时间开销很大),并找出最短距离平方值、测线点号,以及切割线点号。如果此平方值小于给定值(如100.0m2,相当于10.0m距离),则认为此处为切割点。1.2.2安抚消毒点的选择(1)静态切割点的确定在△T正磁区域,沿测线方向的磁场梯度变化较平缓,且测线与切割线在相交处的飞行高度相差不大的切割点,可视为平静切割点;在△T负磁区域,沿测线方向的磁场梯度变化较平缓,测线与切割线的切割点可视为平静切割点。(2)切割点磁场方差在测线上,以切割点与其前后各n个测点(不包括切割点)磁场的方差,来衡量该切割点附近测点的磁场波动情况。如果该方差小于给定值,则说明该切割点处的磁场梯度变化较平缓,为平静切割点。切割点磁场方差计算公式见式(1)。σi=√12ni+n∑j=i-n(Τi-Τi+j)2(1)σi=12n∑j=i−ni+n(Ti−Ti+j)2−−−−−−−−−−−−−−−−ue001⎷ue000ue000(1)式中σi为测线上第i个切割点处的磁场与该切割点前后各n个测点磁场的方差,单位为nT;n为测线上在第i个切割点前后所取的测点个数;Ti+j为测线上第i+j个测点的磁场,单位为nT;Ti为测线上第i个切割点的磁场,单位为nT。1.2.3割断线程值将一条切割线上各测点的磁场值,减去此切割线与各测线在平静切割点处的磁场差值的算术平均值。按照此方法,逐步推广到测区内所有切割线。(1)第三条切割线磁场值的计算ΔˉΤci=1nn∑k=1(Τci-Τj)k(2)ΔT¯¯¯ci=1n∑k=1n(Tci−Tj)k(2)式中ΔˉΤT¯¯¯ci为第i条切割线与各测线在切割点处的磁场差值的算术平均值,即切割线磁场修正值,单位为nT;n为第i条切割线上参与计算的平静切割点的个数;Tci为第i条切割线与第j条测线在切割点处的切割线磁场值,单位为nT;Tj为第i条切割线与第j条测线在切割点处的测线磁场值,单位为nT。(2)第i条切割线上第1点的磁场值tc0ijΤcij=Τc0ij-ΔˉΤci(3)Tcij=Tc0ij−ΔT¯¯¯ci(3)式中Tcij为第i条切割线上第j点修正后的磁场值,单位为nT;Tc0ij为第i条切割线上第j点修正前的磁场值,单位为nT;ΔˉΤT¯¯¯ci为第i条切割线的磁场修正值,单位为nT。1.2.4连接线的值的更改将一条测线上各测点的磁场值,加上此测线与各切割线在平静切割点处的磁场差值的算术平均值。按照此方法,逐步推广到测区内所有测线。(1)切割点磁场修正ΔˉΤj=1nn∑k=1(Τci-Τj)k(4)ΔT¯¯¯j=1n∑k=1n(Tci−Tj)k(4)式中ΔˉΤT¯¯¯j为第j条测线与各切割线,在切割点处的磁场差值的算术平均值,即测线磁场修正值,单位为nT;n为第j条测线上参与计算的平静切割点的个数;Tci为第j条测线与第i条切割线,在切割点处的切割线磁场值,单位为nT;Tj为第j条测线与第i条切割线,在切割点处的测线磁场值,单位为nT。(2)第i条第5项的磁场值Τij=Τ0ij+ΔˉΤi(5)Tij=T0ij+ΔT¯¯¯i(5)式中Tij为第i条测线上第j点修正后的磁场值,单位为nT;T0ij为第i条测线上第j点修正前的磁场值,单位为nT;ΔˉΤT¯¯¯i为第i条测线的磁场修正值,单位为nT。1.2.5切割点精度的计算按照我国航空磁测技术规范,采用公式(6)可计算出航磁测量总精度。σ=√12nn∑i=1δ2i(6)σ=12n∑i=1nδ2i−−−−−−−√(6)式中σ为航磁测量总精度(即总误差),在切割点处的测线磁场与切割线磁场的均方差,单位为nT;δi为第i个切割点处的测线磁场与切割线磁场的差值,单位为nT;n为参与计算的切割点个数。在计算σ时,允许舍掉磁场梯度较大(在设计的平面定位误差范围内,交叉点处的磁场变化大于3√2σ)32√σ),且磁场差值大于3√2σ的切割点,其余的切割点均应参与计算。2调整过程2.1数据预处理在调平前,需要对原始数据进行一些必要的预处理。(1)数据整合将测区内不同架次的测线数据合并到一起;将测区内不同架次的切割线数据合并到一起。(2)数据访问对测区内的所有测线和切割线进行检查,删除坏测线段和重复测线段。(3)日的变化按照同一日变基准值,对测区内的所有测线和切割线进行磁日变改正。(4)正常现场处理采用IGRF参数,按月对测区内的所有测线和切割线进行正常场改正。(5)投影坐标变换将原始数据中的WGS84球面,经纬度坐标转换为北京54平面直角坐标。(6)数据滤波对测区内的所有测线和切割线的磁场曲线进行递归滤波,消除随机干扰,使曲线保持相对平滑。2.2切割点的显示在调平前,必须同时装载测线和切割线数据,它们将以GIS的图层叠加方式显示在图形区内(如图1所示)。测线数据以颜色渐变剖面平面图方式显示;切割线数据以曲线剖面平面图方式显示;测线与切割线的切割点以圆点方式显示。切割点的状态分为二种:①平静切割点;②非平静切割点(即异常切割点)。平静切割点在界面上显示为灰色小圆圈;非平静切割点在界面上显示为白色小圆圈。2.3切割点的测量精度计算所有测线与所有切割线的切割点(包括平静点和异常切割点),此计算过程需要的时间相对较长。在计算完成后,将每个切割点按测线号、切割线号、测线点号、切割线点号的格式保存到文件中,供以后的平静切割点选定、切割线场值修正、测线场值修正,以及测量总精度计算功能使用。在测线和切割线的条数及线号、测点数不改变的情况下,可不再进行重复计算。此时,切割点的默认状态为非平静点,在图形区以白色小圆点显示(如图1所示)。2.4切割点的选取在切割点计算完成后,可通过以下二种方式,在图形区选定切割点的状态。选定方法:(1)计算机自动选定。按照公式(1)对切割点的状态进行自动判定。(2)人～机联作选定。在计算机自动判定切割点的状态后,可在图形区对点的状态进行人工调整。选定为平静点:按下鼠标左键在图形区拉方框,将要作为平静点的切割点圈在方框内,松开鼠标左键,即可将方框内的切割点选定为平静点。选为平静点的切割点,在界面变为灰色小圆圈(如图1所示)。选定为非平静点:按下鼠标左键在图形区拉方框,将要作为非平静点的切割点圈在方框内,松开鼠标左键,即可将方框内的切割点选定为非平静点。选为非平静点的切割点,在界面变为白色小圆圈(如图1所示)。2.5自动提取磁场点在完成平静点选定后,可按照公式(2)和式(3)进行切割线场值修正。程序将自动根据平静点的测线点号和切割线点号,提取测线磁场值和切割线磁场值,并计算出它们的磁场差值。在差值计算后,按切割线逐条求取磁场差值的算术平均值,并以此算术平均值来修正切割线上各测点的磁场值。最后,将修正后的磁场值保存到文件中。2.6切割点磁场差值的计算在完成切割线场值修正后,可按照公式(4)和公式(5)进行测线场值修正。程序将自动根据平静点的测线点号和切割线点号,提取测线磁场值和切割线修正后的磁场值,并计算它们的磁场差值。差值计算后,按测线逐条求取磁场差值的算术平均值,并以此算术平均值来修正测线上各测点的磁场值。最后,将修正后的磁场值保存到文件中。2.7测量总精度在完成测线场值修正后,可按照公式(6)进行测量总精度(磁场均方差)计算。切割线和测线场值(本节2.5和2.6)可进行迭代修正,直到测量总精度最小或变化很小为止。3航空异物综合站航磁实测切割线网自动调平软件在内蒙古自治区大兴安岭中南段1∶50000航空物探综合站勘查中得到了实际应用。以下是某测区的航磁数据调平处理结果。3.1t剖面位置图2(见下页)是调平前、后的航磁△T剖面平面图。图2(a)为调平前的航磁△T剖面平面图,可以明显看出,有少数测线的△T曲线与其周围测线的△T曲线在总体磁场水平上不一致,显得稀疏不均。图2(b)为调平后的航磁△T剖面平面图,通过调平处理,图2(b)中所有测线的△T曲线的总体磁场水平基本一致,曲线分布较均匀。3.2近南方磁场分布不一致图3(见后面)为调平前后的航磁△T等值线平面图。图3(a)为调平前的航磁△T等值线平面图,可以明显看出,在图3(a)中的中部近南东向有串珠状和锯齿状条带异常存在,此条带异常为少数测线的磁场水平不一致所引起,为虚假异常,它们使磁场分布变得杂乱,严重扭曲了真实异常。图3(b)为调平后的航磁△T等值线平面图,通过调平处理,消除了图3(a)中的虚假条带异常,显示出更符合实际的场值分布特征。3.3迭代算法收敛性分析上述调平处理,共进行了七次迭代计算。该区的数据在计算过程中,总精度(σ)的变化情况如图4(见下页)所示。从图4中可以看出,迭代算法的收敛性较好,在调平前的总精度为11.82nT,在七次迭代调平后的总精度为1.75nT,调平前后的数据精度提高了10.07nT。因此,数据质量得到了明显改善。由以上对比可以看到,通过该软件对测线场值的调平处理,能有效地消除导致背景场水平不一致的系统误差