地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (10): 3744-3759   PDF    
重磁处理解释系统软件设计与关键实现技术
郑元满, 姚长利, 李泽林, 刘强     
地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室, 中国地质大学(北京), 北京 100083
摘要:重磁探测是金属矿勘探的主要手段之一,其处理和解释方法技术已得到很大的发展,研发与其相适应的重磁软件是重要的研究课题.在国家863课题的支持下,我们设计并研发了重磁处理解释集成化软件系统.在分析国内外现有软件不足的基础上,我们对重磁软件系统所应具有的操作行为进行了针对性的设计,提出了具有特色的功能设计思路,并进行了针对性的研发实现.为满足深部矿产资源勘探需求和精细化解释需要,提出了更加具有针对性的软件设计解决方案,研发了特色的处理解释模块,核心突出软件的实时可视化和协同交互操作,使软件系统能高效地服务于使用者的目标任务.在优化改进处理、正反演算法的基础上,提出多核并行化方案并实现,提高了软件整体运行速度.最终形成了将数据管理、数据可视化、数据处理及解释有机结合的特色软件系统,为金属矿探测提供了一个高效、有力的工具.
关键词: 重磁处理解释      软件系统设计      实时可视化      协同交互      并行化     
Software design and key implementation techniques of gravity and magnetic processing and interpretation system
ZHENG YuanMan, YAO ChangLi, LI ZeLin, LIU Qiang     
Key Laboratory of Geo-detection(China University of Geosciences, Beijing), Ministry of Education, Beijing 100083, China
Abstract: Gravity and magnetic exploration are one of main methods of metallic ore prospecting. The data processing methods and data interpretation techniques have been increasingly developed. Therefore, research and development of the corresponding software is one of the important problems. We have been developed a software system of gravity and magnetic data processing and interpretation. We analyzed inadequacies of software operation in domestic and foreign similar software products. Some specific and special features are designed and developed in our software system, which are aimed to improve software operation efficiency. Nowadays the prospecting of deeper mineral resource requires more refined interpretation techniques, and therefore novel software modules have been designed and implemented, in which our new software design solutions are adopted. In order to improve software operation efficiency, real-time visualization and collaborative interaction are highlighted in our new design solutions. And also, parallel software design has been carried out for processing and inversion modules. The final software system integrates data management, data visualization, data processing and data interpretation organically together, and it will be an efficient and powerful tool for metallic ore exploration.
Keywords: Gravity & magnetic data processing and interpretation    Software system design    Real-time visualization    Collaborative interaction    Parallelization    
0 引言

随着地球物理勘探处理技术和计算机软硬件水平的快速发展,国内外已经涌现出一批地球物理勘探领域的专业软件系统.这些地球物理勘探软件主要分为面向油气勘探的地震地球物理软件和面向金属矿勘探的非地震(重磁电)地球物理软件.由于市场需求大,地震软件发展快、功能强大齐全,国内外的石油巨头公司都持续投入大量资金开发了大型地震勘探软件系统(赵改善,2010),国外的比如:OpenWorks、Geoquest、GeoFrame、Jason等,国内的有:中石油的GeoEast、中石化的NEWS.在非地震软件方面,国外公司在软件研发方面起步早,目前已经形成了以Oasis Montaj、LCT、Intrepid、ArkField为代表的大型综合软件系统(王林飞,2011),同时国外也有中小型的各具专业特点的非地震处理解释软件,比如:面向重磁领域的ModelVision软件和GM-SYS/GM-SYS3D软件,面向磁力数据处理的Magick软件,面向电磁数据处理解释的EMIGMA软件,以及面向伽玛能谱数据处理的Praga软件;在国内,不少高校和地勘单位也研发出了一批比较实用、应用效果较好的非地震软件系统,其中代表性的有:中国国土资源航空物探遥感中心开发的航空物探数据处理GeoProbe软件、中国地质调查局发展研究中心开发的重磁电数据处理RGIS软件.目前国际上,地球物理软件的发展趋势呈现集成化、平台化、可视化、协同化和智能化的特点(赵改善,2010).国外地球物理软件(地震和非地震)都是由商业公司投入大资金研发并长期维护,软件集成度高,平台化功能强大,数据可视化方式多样化.在国内的地震软件研发方面,我国石油公司投入大资金已经开发出和国外主流地震软件相媲美的系统,并在某些方面具有一定的优势.然而在非地震软件方面,国内的软件产品相较于国外,还是处于跟跑阶段,整体水平亟待提升.其中GeoProbe软件是航空重磁电数据处理解释软件系统,采用插件技术实现软件平台化(王林飞,2013),支持二次开发与集成,是目前国内唯一具备平台化的软件系统(在这方面和国外软件处于并跑水平),但在协同化、智能化方面尚未考虑.由于其采用微软的.Net技术开发,无法实现跨平台运行(从软件的长期发展角度,这是一个不容忽视的问题).RGIS软件实现了重磁电数据处理的集成化,功能齐全,但在软件稳定性、可扩展性等方面离商业化产品还有不少差距.

随着资源勘查对地球物理勘探精细化要求的提高,结合近几年最新的重磁勘探技术(李泽林等,2018),对重磁处理中的关键技术开展进一步深化研究、算法优化和功能完善,同时集成研发具有完全自主知识产权的重磁处理解释软件系统,对进一步提高处理解释的精度和应用效率具有重要意义.在国家“863”课题的支持下,我们研发了针对金属矿勘探的重磁综合软件系统.该软件系统将数据管理、数据处理方法技术、数据可视化展示集成一体化,并集成开发了多种有效的重磁数据处理和反演解释模块,其中实现了国际上多种最新的重磁约束自动反演方法(国内目前的相关软件还没有研制出这些反演模块).另外,在充分调研国内外相关软件功能的基础上,特别是发现目前国内外重磁软件虽然集成了众多功能模块,但在模块之间的协同化、软件操作的有效性、便捷性等方面还存在诸多不足,因此我们针对性地设计了操作便捷、协同化程度高的软件操作行为,重点是突出软件使用中的方便性、快捷性、针对性,突出可视化在处理解释中的作用,形成了具有鲜明特色的重磁处理解释软件系统.本文主要介绍系统的功能设计,重点阐述特色功能的设计思想,以及介绍软件系统中的关键实现技术.

1 系统分析与总体设计

我们的设计目标是将目前最先进的重磁处理和解释技术集成于一体化,在保证软件功能齐全的基础上,最终形成的软件系统应具备处理解释交互操作先进性、系统一体化、并行化、协同化,并支持可扩展开发和升级与维护,生命周期长等特点.结合我们的目标和软件需求分析,软件功能核心包含:数据管理、数据成图可视化、位场数据处理、重磁反演、重磁交互建模正反演解释功能模块,我们研发实现的重磁综合处理解释系统的具体功能如图 1所示.

图 1 软件系统功能结构图 Fig. 1 The structural diagram of software system functions

基于以上软件功能的分析和设计,从大型软件构架的特点和要求出发,我们设计和开发了核心的软件框架平台,然后基于该软件框架平台开发上层专业应用功能模块,最终形成整体软件系统.在软件系统构架设计上,基于现代软件设计理论,采用自底而上的分层设计策略.在分层构架设计中,首先结合软件的功能设计进行软件模块上的设计和划分,软件模块之间在设计上遵循“高内聚、低耦合”的原则,然后将各开发模块按照业务逻辑分层,其中底层中的模块为高层中的模块提供“服务”.我们最终设计得到的软件系统构架具体为图 2所示.

图 2 软件系统构架设计 Fig. 2 The architecture design of software system

为达到软件系统的目标,我们在以下方面进行了具有创新性的功能设计,包括合理有效的底层处理算法和相应的实现优化手段.

(1) 在集成常规重磁数据处理算法之外,优化改进了系列重磁处理算法,包括我们团队研究提出的处理算法(姚长利等, 2003a, 2004),并在软件设计上采用多核并行技术,集成到软件系统中;

(2) 针对国内外重磁软件的操作行为在有效性、便捷性等方面存在的不足,我们设计并实现了一批能更好地体现重磁处理特点的特色功能,提供给用户以“实时可视化交互”方式进行操作,能大大提高处理解释的效率(见2.2节);

(3) 提出重磁数据级联可视化处理技术(这是同类软件中没有的功能设计),可以大大提高数据处理的工作效率,解决精细化解释需求(见2.2.3节和3.1节);

(4) 提出二三维协同交互建模技术,创新设计了协同交互响应机制,大大提高建模的效率,满足精细化解释需求(见3.3节);

(5) 提出优化的三维物性自动约束反演方法(李泽林,2018),实现多种有效的重磁三维反演方法技术,解决起伏地形、大数据、有剩磁影响等复杂情况下的三维自动反演关键技术问题(见3.2节);

(6) 提出三维物性反演多核并行方案,实现快速并行反演计算(见3.2节);

(7) 采用跨平台开发方案(见2.1节),使得软件具有在不同操作系统下运行的能力,这是目前多数同类软件还不具备的.

和国内外主流同类型重磁处理解释软件的功能及特点情况分析对比如表 1所示(只关注重磁处理解释功能).

表 1 同类软件功能对比 Table 1 Feature comparison of similar software products
2 软件系统研发 2.1 软件开发方案

根据软件系统目标和需求,基于分层架构设计,按照软件工程开发的标准,采用面向对象开发方法,研发了重磁处理解释系统.在开发环境与开发工具方面,我们采用表 2中的开发方案进行研发.

表 2 软件开发方案 Table 2 The software development solution

其中我们采用Qt界面库进行软件系统的界面开发,其主要原因为Qt能够跨平台编译运行(从长期发展角度考虑,软件系统的跨平台能力是一个很重要的因素),而MFC和.NET界面库只能运行于微软的操作系统之上.同时Qt在开发效率方面比MFC要高效很多,能大大提高开发效率.在具体开发时代码按模块独立目录组织, 体现模块化设计, 体现封装性, 有利于后期扩展与代码维护.代码采用Git管理工具进行管理, 使得代码版本能够进行有效控制, 同时在团队多人开发时,避免代码出现管理混乱的问题.

2.2 软件特色功能设计与研发 2.2.1 数据可视化

数据可视化成图是软件的基础功能,是整个系统的支柱.为了突出软件系统的“可视化”特性,我们针对重磁勘探数据的特点和实际工作需求,设计并研发了多种成图可视化表达方式(见图 1中数据成图部分).其中等值线图的绘制是基于本文作者提出的快速填充算法(郑元满等,2010)的进一步改进,同时采用并行技术进行优化实现,其功能特点有:支持多种绘制方式、支持自动标值、支持图形旋转绘制、支持假值处理绘制、支持大数据绘制.经对比测试,其绘制效果和绘制效率完全能和国外Surfer软件相媲美.在等值线图绘制技术的基础上,我们进一步提出了立体渲染图绘制技术,实现了渲染和等值线融合图(见图 3),该图形绘制技术采用三维增强技术,突出数据的三维立体感,弥补二维图形的不足,是本软件的特色之一(国内外软件中还没有见到).我们设计了多种三维数据体的可视化方式(等值面、阈值、垂直切片、全局裁剪、局部裁剪)(见图 4),以方便用户多角度查看三维反演结果数据,提高反演解释的精细度.虽然数据可视化是软件系统的基础功能,但在开发实现上是具有很大难度,其中底层涉及大量几何图形算法;同时面对大数据绘制需求,我们研究并提出相应的大数据绘制技术并进行了优化实现.克服了可视化编程实现上的困难,与国内相关软件(GeoProbe、RGIS)对比,在可视化图形方式的丰富度上,以及绘制响应快捷度上,具有更加突出的表现.

图 3 网格数据的立体晕渲图 Fig. 3 The relief-shading map of grid data
图 4 三维数据体可视化方式 Fig. 4 Multi-ways of visualization of 3-D volume data
2.2.2 软件整体界面

为了更好地设计该软件系统,我们在对比学习研究之后发现,国内外同类主流软件(Oasis、ModelVision、Potent、GeoProbe、RGIS)在对数据、图形对象的管理和组织方面存在明显的不足(导入的数据或产生的处理结果数据存在于后台,用户不能直观地查看和选取数据).因此我们进行了针对性的界面设计,弥补这些不足.本软件系统整体主界面如图 5所示.其中以“管理树”方式组织和管理数据对象和一键导入工程文件都是我们的软件系统的特色功能之一,具体功能和特点分析如下.

图 5 软件系统主界面 Fig. 5 The software main user interface

我们设计了“数据管理中心”、“数据处理中心”和“建模中心”,数据管理中心负责数据的导入和导出、数据信息或图形图像的查看等操作,数据处理中心以“专家模式”的方式提供给专家级用户进行数据精细化处理工作,建模中心管理重磁交互建模过程中的相关数据信息.在软件界面上,这3个中心分别以面板形式停靠在软件主界面中.每个面板上都以“管理树”的方式组织管理用户操作过程中产生的数据对象,当用户点击选中某个数据对象时,面板上的工具按钮自动变灰或变亮,提示给用户对当前选中的数据对象可以进行的操作(信息查看,图形图像浏览,保存、删除、增加、修改参数、设置配置属性等).这样的界面设计以“可见即可得”的方式展示用户操作过程中的数据,方便用户随时查看数据信息和了解当前工作状态,能够极大方便用户对数据对象的管理和操作.同时在这3个中心中,用户都可以将操作过程和结果保存为工程文件,这些工程文件将所有的相关参数设置信息都记录下来,用户可以实现一键导入,能够大大提高数据处理和解释工作的效率.目前国内外重磁软件基本上没有或很少有这样的功能,在这一方面,也是重磁专业软件的发展趋势.

2.2.3 重磁位场数据处理

目前我们开发并集成实现了21种有效的重磁数据处理方法(见图 1中的“位场数据处理”).根据工作场景和用户类型,我们为重磁数据处理模块设计了两种工作模式:简单模式和专家模式.提供这两种处理模式,为初级用户和专家级用户分别考虑使用场景,是我们的特色设计,这是国内外同类软件目前还不具备的.相应的设计优势介绍如下.

简单模式面向初级用户,它适用于这样的工作场景:对数据仅需要执行单一方法的处理,调整参数获得满意的处理结果后便结束处理工作.

在国内外同类重磁软件(Oasis、ModelVision、GeoProbe、RGIS)中,数据处理的操作流程是这样的:选择相应菜单→弹出数据处理对话框→在对话框中设置输入数据和算法参数→点击“确定”进行处理计算并保存结果→最后再手动打开处理结果进行成图显示.如果用户发现处理结果不理想,需要重复一遍相同的流程设置新的处理参数得到新的处理结果.这样的操作流程是很不方便的.针对同类软件的设计上的不便性,我们提出了优化操作流程的设计方案:用户在主对话框(图 6左图)中设置好数据和参数,点击计算,然后点击“对比查看”弹出图形查看窗口(图 6右图),用户可以马上对处理结果进行对比查看.用户可以在主对话框不关闭的情况下多次修改参数,在修改参数的同时,软件会自动实时计算,同时在对比查看窗口中会实时显示处理结果的图像.用户得到满意的处理结果之后,才保存结果,结束处理.

图 6 重磁数据处理(简单模式)软件操作界面 Fig. 6 The user interface of gravity and magnetic data processing in simple mode

专家模式是我们设计的具有特色的重磁数据级联可视化处理模块子系统,其面向专家级用户.图 7为该可视化处理系统(专家模式)的软件操作界面.

图 7 重磁数据处理(专家模式)软件操作界面 Fig. 7 The user interface of gravity and magnetic data processing in expert mode

在该可视化处理系统中地球物理专家可以进行具有复杂数据处理流程的解释工作.比如:对同一源数据进行多种不同方法的处理,或者进行“级联处理”(图 7a中的树节点表示级联处理的父子关系).处理的同时能够即时对比查看处理结果的图像.可以对已经处理得到的结果,重新修改参数后进行更新计算,并实时更新图像.

为了专家级用户能够进行精细化对比解释,我们设计了3种处理结果查看方式:单结果查看(图 7b)、多结果查看(图 7c)和对比查看(图 7d).用户可以根据工作需要即时开启或关闭查看窗口.当这些查看窗口在打开时,随着用户在管理树中点击选中不同的处理结果,查看窗口都会实时更新显示当前被选中的数据图像或选中状态.另外,在多结果查看窗口中,我们设计了图像智能排列、父子关系箭头显示开关、图像位置锁定等特色功能,提高操作的方便性、快捷性.在对比查看窗口中,我们设计了颜色锁(锁定所对比的两幅图像采用相同的颜色表)、同步操作锁(2幅对比图像同时同步移动或缩放)、上下叠合对比查看(通过透明度控制)等特色功能,让用户以精细化对比的方式开展解释工作.这些特色功能将极大地提高重磁处理解释的效率.

2.2.4 重磁三维物性反演

重磁三维反演是高精度重磁勘探资料定量解释的重要手段.结合系统设计目标,我们研发实现了先进的重磁三维物性反演模块并集成软件系统中.这些三维反演模块有:三维重磁光滑反演、三维重磁稀疏反演、三维重磁聚焦反演、井地磁异常联合反演.在软件操作界面上,采用统一的一套软件界面设计(图 8),底层计算内核不同.

图 8 重磁三维物性反演软件操作界面 Fig. 8 The user interface of 3-D property inversion of gravity and magnetic data

在软件操作行为上,我们进行了一些更加人性化的特色设计.(1)在软件界面上提供了查看原始数据或地形数据的数据基本信息和查看浏览二三维图像的功能.(2)以树目录形式管理反演方法的高级参数,对这些高级参数提供文字解释说明.(3)设计了模型剖分可视化设置界面,让用户在三维环境中“可视化”地对模型剖分情况一目了然(图 8中下方左图).(4)设计了三维反演结果浏览查看工具(以多种三维可视化方式查看).(5)还设计了一键保存/导入所有参数功能,方便用户日后修改个别参数值后进行重新反演计算.(6)另外,设计了将反演结果保存为文件功能,提供了两种文件保存格式(.vol和.vtk),其中.vtk文件格式是一种通用的三维数据体交换格式,可以被Golden Software公司的Voxler软件读取进行三维成图.在反演内核代码实现上,我们采用多核并行技术实现加速计算.跟UBC-Mag3D/Grav3D(由加拿大不列颠哥伦比亚大学地球物理反演研究团队研发,是目前国际上使用面最广的重磁三维物性反演软件模块)相比:在软件操作行为便捷性和反演结果可视化方面,我们的系统都优于UBC软件(本软件中设计的特色功能在UBC软件中多数是没有的);在三维反演结果上,经过理论模型和实际数据的对比运行,我们的反演结果和UBC具有一致性;在反演计算速度上,由于我们在代码实现上采用了并行化,经过相同条件下的对比运行测试,本软件的反演计算速度要明显提高很多(注:UBC版本为4.0).

2.2.5 重磁交互建模

重磁交互建模是当今重磁系统重要的功能.我们在深入学习研究国内外重磁领域软件的基础上,提出二三维协同交互建模技术,使得二维人机交互建模和三维可视化、三维人机交互建模互相结合,进一步突出可视化、突出协同化.图 9是我们设计并开发的二三维交互建模软件操作界面.设计了3种可视化交互窗口:二维剖面建模窗口、三维可视化建模窗口和二维俯视建模窗口.在二维俯视窗口中可以显示地形图、原始数据图、模型的俯视投影图等.在三维可视化建模窗口中显示三维模型并可以在三维场景中交互编辑模型,同时显示原始测量数据和正演数据曲面图.在二维剖面建模窗口中对重磁数据进行原始数据和正演数据的曲线拟合,同时提供二维模型交互编辑功能.用户以多种视角进行模型的人机交互操作,可以同时在二维剖面中和三维中交互编辑模型,二维剖面中的模型交互实时反应到三维中,三维模型交互实时反应到二维中,二维剖面交互环境更符合用户习惯,能有效提高交互准确性和便利性,能大大提高建模效率和效果.

图 9 重磁二三维交互建模软件操作界面 Fig. 9 The user interface of 2-D and 3-D interactive modeling of gravity and magnetic data
3 关键实现技术 3.1 重磁数据级联可视化处理技术

在重磁数据的数据处理方面,目前已经形成有一批成熟的处理方法,在软件操作行为设计上,目前国内外软件的做法都是将这些处理方法封装成各自独立的方法模块,并简单集成到大的软件系统中.用户在操作时,通过菜单选择方法触发特定方法的对话框界面,在该界面上设置参数,点击确定并保存处理结果,然后用户使用系统中的成图模块将处理结果进行图形可视化来观察评估结果数据的处理情况.这种设计方式有两个缺点:(1)使得数据处理和数据可视化分离,对中间的处理细节缺少实时可视化功能;(2)不同的处理方法是孤立的,即使在一个大系统下,各方法模块也是相互分散,相互缺少“沟通与配合”.如果用户对当前处理结果不满意,需要修改处理方法的参数,对同一输入数据进行再次处理,用户只能再次重复刚才相同的操作过程.另外,地球物理用户在进行实际数据处理解释工作时,通常需要进行更为复杂的处理操作:对同一数据进行多种不同方法的处理,然后进行结果对比;或者对数据使用不同方法进行级联处理(“源数据→方法1处理结果→方法2处理结果→…”)形成多级父子处理结果,然后进行分析解释评价工作.在这些处理流程中,用户通常都需要进行方法参数的调整,再重复同样的处理过程.面对这样的用户需求,在目前国内外软件中,用户只能进行“计算—显示结果—修改参数—再计算—再显示…”重复性的步骤.

鉴于目前国内外软件设计的现状情况,结合重磁数据精细化处理解释的真实工作需求,我们在软件功能行为上进行了针对性的设计,提出数据级联可视化处理技术,研发实现了具有特色的重磁数据级联可视化处理系统(图 7).该数据处理系统将数据处理、数据可视化、数据管理集成于一体,使得用户能够实时修改参数、实时计算、实时可视化,突出实时性、突出可视化,体现了可视化处理的设计理念,能大大提高工作效率和解释效果,弥补了目前重磁数据处理软件设计状况的不足.

该可视化处理系统将多种处理方法集成于一体,形成一个处理方法库,用户可以从处理方法库中任意选择方法进行数据处理.用户导入源数据后,根据自己的解释需求可以进行多级的“级联处理”(图 10),即:对源数据处理得到处理结果1,再对结果数据1处理得到结果2,……,数据结果N.我们采用“工程管理树”对这些级联处理结果进行记录和管理,直观展示处理过程.通过树上节点的父子关系,用户能够一目了然地掌握数据之间的“来龙去脉”,同时对树上的任何数据可以快捷地进行相关的操作(保存、查看图形、删除、修改参数、重命名).当管理树上某一数据的处理参数被调整后,后续具有父子依赖关系的数据自动进行级联更新计算,同时所有图像也实时更新显示,极大方便专家进行精细调整处理.我们让处理树上的每个节点都记录下各自的父子节点以及该节点对应处理方法的所有参数等信息,便可以将整个处理过程保存为工程文件,用户可以日后一键导入工程文件恢复整个处理过程.

图 10 级联可视化数据处理示意图 Fig. 10 The diagram of data cascaded processing using visualizations

通过可视化处理技术和相应软件设计,用户能够摆脱繁琐的重复操作,将处理解释工作发展到实时可视化的新境界.可视化计算、可视化解释可以充分发挥人的判断和想象能力,直接干预、引导计算过程,直观地验证、启发地球物理工作者的创造性思想,因而大大提高工作效率和解释效果.

3.2 三维物性自动约束反演技术

三维反演目前有两种类型:形态模型反演、物性模型自动反演(姚长利等,2007).三维物性自动反演是将地下场源区域剖分成规则的长方体组合单元模型,形成长方体单元的三维规则网格,在反演计算过程中,这些单元的形态不变,物性发生变化,通过物性变化来勾画出场源的物性展布来达到反演的目的.由于三维物性反演具有模型物性易于操作,能模拟任意复杂地质体的能力,反演方法技术受限制条件少等优点,因而这种反演方式一直是三维反演的主流研究方向.三维物性自动反演技术一直以来面临着两大问题:多解性、计算耗时(Boulanger and Chouteau, 2001Li and Oldenburg, 1996, Li and Oldenburg,1996,19982003Portniaguine and Zhdanov, 2002姚长利等, 2003b, 2007).对于多解性问题,我们必须附加约束条件来约束反演过程,得到有地质意义的反演解.对于计算耗时问题,一方面,从优化反演算法角度出发,采用小波变换、数据压缩等技术降低数据空间的维度来提高计算速度;另一方面,利用现代计算机的多核并行技术,实现软件程序的并行化运行,提高计算速度.我们对这些问题开展了深入研究,开发实现了国际上先进的重磁三维物性自动反演算法(光滑反演、聚焦反演)以及我们自己提出的反演算法:稀疏反演(Li et al., 2018)、井地磁异常模量联合反演(李泽林等,2018),后续还可以集成其他新的有效反演方法.

我们研究实现的三维物性自动反演算法的流程见图 11.欧拉反演和相关成像都具有计算速度快的特点.利用这个特点,我们在三维物性反演之前,先进行欧拉反演或相关成像计算,并将其结果通过相应转化作为三维物性反演的初始模型.为了提高反演算法的计算速度,我们采用自适应采样技术对数据进行压缩,减少冗余数据,降低数据空间维度;同时采用小波压缩技术,对核函数进行小波变换并压缩,得到核函数在小波域的稀疏表示,大大减少内存开销以及后续反演的计算开销.为了提高反演结果的有效性,我们采用多种约束技术(物性范围约束、光滑约束、聚焦约束、稀疏约束、深度加权约束)对反演计算进行有效约束控制,形成带起伏地形的重磁光滑反演、重磁聚焦反演、重磁稀疏反演和井地磁异常联合反演系列软件模块.

图 11 三维物性自动反演算法流程图 Fig. 11 The flow chart of automatic 3-D property inversion algorithm

为了进一步提高反演速度,我们采用现代计算机多核并行技术,进行了三维反演算法程序的并行设计与开发.三维反演的计算过程分3个阶段:数据优化处理、核矩阵计算、迭代反演计算.由于核矩阵计算本质上是对场源剖分单元进行正演计算,对每个模型单元的正演计算是独立的,因此可以进行数据并行计算.同时,在实际开发功能模块时,需要开发相应UI窗口界面,用户在界面上完成数据输入和算法参数设置后,启动反演计算.在反演计算过程中,我们期望在窗口界面上显示反演过程中的状态信息(见图 8中主窗口中下面的消息文字),同时窗口界面还可以是活动的.在这种需求下,我们就必须在主界面的线程中创建出一个独立的子线程,让该子线程负责进行反演计算(该线程即为反演线程).

综合分析,我们设计了如图 12所示的三维反演并行计算方案.

图 12 三维反演算法的并行设计方案 Fig. 12 The parallel design scheme of 3-D inversion algorithm

在开发实现时,采用Qt中的线程类(QThread)来创建反演线程.Qt内部支持线程之间的信号通讯,在反演线程中给UI界面主线程发送信号,把反演计算的状态信息作为信号的携带参数并传递给主线程,主线程获取该信号附带的信息后显示在主界面上.在反演线程中,我们又对其中的核矩阵计算进行并行设计,采用OpenMP实现并行.将众多三维模型单元的核矩阵正演计算分解(因为这些模型单元的正演计算是独立的,互不依赖,因此可以进行并行分解计算)成和计算机CPU核数目相等的多线程(正演计算线程)进行独立计算,反演线程等待这些正演计算线程全部结束后合并得到最终的核矩阵.在迭代反演计算的实现中,我们调用Eigen数学库进行数值计算.Eigen是一个高层次的C++库,有效支持线性代数,矩阵和矢量运算,数值分析及其相关的算法.Eigen是一个开源库,其内部支持OpenMP并行计算.我们这里开启其内部的并行开关即可.

为了检证反演软件模块的效果,我们设计了一个倾斜薄板模型,其磁化率为0.05 SI.地磁场强度为50000 nT,倾角和偏角分别为75°和25°.地表磁异常数据为21×21的网格数据,网格间距为50 m,磁异常见图 13,其中加入了2%加1 nT的高斯噪声.分别采用光滑、聚焦和稀疏这3种反演方法对该模型产生的磁异常进行反演.地下模型剖分为40×40×30的立方体单元,立方体的边长为25 m,即立方体单元为地面网格间隔的一半.反演结果切片如图 14所示.其中a和b为光滑反演结果,c和d为聚焦反演结果,e和f为稀疏反演结果.可以看出,当给定正确的磁化率上界时,三种算法都成功恢复出了倾斜薄板模型.光滑反演的结果较为模糊,边界难以确定,深部分辨率低.聚焦反演相对光滑反演有所改善,但深部分辨率依然不高.稀疏反演结果则与真实模型最接近.

图 13 倾斜薄板模型所产生的磁异常 Fig. 13 The magnetic anomaly produced by the thin dipping slab model
图 14 倾斜薄板模型不同算法的反演结果 (a)和(b)光滑反演结果;(c)和(d)聚焦反演结果;(e)和(f)稀疏反演结果.黑框代表了真实模型的位置. Fig. 14 Inversion results of the magnetic anomaly produced by the thin dipping slab model by using different methods (a—b) The inversion result of smooth method; (c—d) The inversion result of focusing method; (e—f) The inversion result of sparse method. The true location of model is indicated by black lines.
3.3 二三维协同交互建模技术

重磁解释技术有两种:物性自动反演技术和人机交互建模技术.人机交互建模及实时正演拟合技术是利用计算机辅助重磁解释的一种技术,有二维剖面人机交互建模和三维人机交互建模两种技术形式.二维剖面交互建模技术相对成熟,国内学者从20世纪90年代初开始就已经开始研究该技术(黎益仕等,1994杨高印和管志宁,1995),并持续开展研究和应用(姚长利等,1998眭素文等,2004何畏,2015杨高印,2019).目前国内外重磁领域主流软件Encom ModelVision、GSS Potent、Geosoft GM-SYS/GM-SYS3D、航遥GeoProbe等都开发了二度半建模技术的软件模块.而三维交互建模技术由于开发的难度大,重磁领域的国外公司也尚未推出正式商用的软件模块,目前只有国内航遥中心研发出了三维交互建模软件模块(MG3D,交互功能丰富,处于国内外领先地位).在面对深部综合复杂矿产勘探任务时(需要进行多条剖面的同时建模,而且需要结合地质、钻井、地震/电法等资料进行综合解释),单一二维剖面交互建模和单一三维交互建模就会显得很困难.我们在软件设计上的解决思路是:让软件具有同时创建多个二维剖面建模窗口、多个二维俯视图建模窗口,多个三维建模窗口(如图 9所示,注:图中只创建了一个三维建模窗口)的能力;二维俯视图建模窗口中显示辅助解释资料(如:钻井井位、已知矿床点位、地质图、高程图、地球物理测点轨迹线等)以及模型的俯视图,同时在二维俯视图中可以交互编辑模型(移动位置、修改角点等);三维建模窗口以三维视角可视化显示所有模型,同时用户也可以在三维空间中交互编辑模型;用户在任一窗口下编辑模型时,这3种建模窗口之间具有“联动响应”功能,让用户在不同视角下同时对地下三维地质/矿体模型进行综合正反演拟合及解释.因此我们提出二三维协同交互建模技术(图 15),该项技术能将二维交互建模和三维交互建模相结合,各自取长补短,实现方便快捷的建模,提高工作效率.

图 15 二三维协同交互建模示意图 Fig. 15 The diagram of concurrently interactive 2-D and 3-D modeling

在这3种窗口中,用户以不同的方位视角去交互编辑模型,提高建模的效率;3种窗口以协同交互响应的方式工作(在任何一个窗口中编辑模型后,其他窗口都会对修改做出实时响应),达到方便用户快速有效建模的目的.图 15中创建了2条二维剖面(用户可以在二维俯视窗口中用鼠标拉线截取确定出剖面的位置),在三维交互建模窗口中对应显示了这2条剖面的垂直截面.二维剖面建模窗口中分别有重、磁实测和正演曲线,同时下方有二维模型编辑区域.在二维俯视建模窗口和二维剖面交互建模窗口中,都可以创建模型(圆柱体、长方体、圆锥体、球体),而在二维剖面交互建模窗口中,可以创建截面为任意多边形的二度半模型.模型编辑动作(创建、删除、编辑修改、移动位置)在以上任意窗口中都能进行.模型交互编辑不管在哪个窗口中进行,其他窗口都会对当前的编辑动作做出实时的响应.这项技术的特点是:重磁联合正反演、同时多条剖面建模能力、实时可视化交互、多视角联动响应、综合资料可视化辅助解释.这样的软件解释技术能够大大提高工作效率,并提高精细化解释的效果.

4 结论

设计并研发了针对金属矿勘探的重磁处理解释软件系统,该软件系统具备处理解释交互操作先进性、系统一体化、并行化,跨平台、并具有完全自主知识产权.根据总体设计目标,在软件设计与开发方面,我们设计了底层开放式的软件框架,研发了二维三维数据的多种可视化成图模块,在研究并行计算技术的基础上开发了丰富的重磁三维物性反演模块,提出并开发了重磁级联可视化处理与解释技术,提出并实现二三维协同交互建模技术.最终形成的软件系统突出可视化、协同化、功能特色化,为我国重磁软件的进一步深化研究奠定了良好的基础.

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