地球物理学进展  2016, Vol. 31 Issue (4): 1845-1851   PDF    
海洋可控源电磁数据可视化预处理软件开发
王铭1,2, 景建恩1,2, 邓明1,2, 李媛1,2, 李少卿1,2     
1. 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院, 北京 100083
2. 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室和地质过程与矿产资源国家重点实验室, 北京 100083
摘要: 针对我国海洋可控源电磁数据预处理存在处理效率低、集成度低、缺少可视化界面的问题,本文基于VS2012的MFC框架,采用工厂模式,运用C+ +11语言,开发了一套海洋可控源电磁数据可视化预处理软件.软件开发中充分利用STL标准模板库简化开发难度,引入多线程技术以提高处理效率.软件的主要功能包括:电磁场数据与导航数据加载与回放、电磁场数据时域到频域转换、导航数据与频域数据合并以及生成MVO与PVO曲线.软件具有界面友好、操作便捷、处理高效等特点.最后,利用开发的软件对我国某海域实测数据进行处理,验证了其实用性与处理结果的正确性,取得较好应用效果.
关键词海洋可控源电磁法     数据处理     可视化软件    
Development of visualized software for data preprocessing of marine controlled- source electromagnetic method
WANG Ming1,2 , JING Jian-en1,2 , DENG Ming1,2 , LI Yuan1,2 , LI Shao-qing1,2     
1. Geodetection and Information Technology Institute, China University of Geosciences Beijing 100083, China
2. Key Laboratory of Geo-detection(China University of Geosciences, Beijing), Ministry of Education; State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources(China University of Geosciences, Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: For the matter of low processing efficiency and a low level of integration and lacking data visualization software environment, which result in an inefficient result in our country's Marine Controlled-Source Electromagnetic (MCSEM) data preprocessing. We developed a set of marine controlled-source electromagnetic data visualization pre-processing software to promote this procedure, in which we designed the Class type based on Factory Pattern, adopted C+ +11 programming standard language and constructed architecture based on MFC framework of VS2012, In addition, we not only widely used STL technology to simplify the difficulty of the software development, but also made full use of multi-threading technology to improve the computing power of the software. The main functions of the software are as follows: 1.loading and playback of electromagnetic data and navigation data, which displays the recorded data in chart; 2.transform from electromagnetic data to frequency domain, which obtains the required frequency characteristics; 3.combine navigation data with frequency domain data; 4.generating MVO and PVO curves, which generates preprocessed data and prepares for the next phase of the inversion processing. This software has some characteristics as friendly interface, easy operation, and high efficiency for procedures. The software is verified by some practical sampling MCSEM data on our south sea area in our country for related processing and analysis. In the processing, the software saved a lot of time for data processing and the preprocessed data quality was greatly as well. The software achieved good result in practices.
Key words: Marine Controlled-Source Electromagnetic Method(MCSEM)     data processing     visual Software    
0 引 言

我国海洋可控源电磁法在仪器装备与海上施工方面都取得了长足进步(邓明等,2013王猛等,2013陈凯等,2013),在数据处理方面开展了初步的理论研究(林昕等,2009崔金岭等,2014).然而,海洋电磁数据预处理这一部分还尚未有专用的预处理软件,从海底深处取得电磁数据主要依靠零散程序进行处理,因此存在手工操作复杂、容易出错、效率低下等问题.

为了解决海洋可控源电磁集成可视化数据预处理软件的缺少而导致的上述问题,本文基于VS2012的MFC框架,运用C++11语言,设计与开发了一套海洋可控源电磁数据可视化预处理软件,实现了电磁场数据与导航数据加载与回放、电磁场数据时域到频域转换、导航数据与频域数据合并、MVO与PVO曲线显示等功能.最后,通过处理我国某海域实测海洋可控源电磁数据,对软件的性能进行检验.

1 软件的设计 1.1 软件框架设计

由于Windows平台仍然是全球占有率最大的操作系统,本软件开发于Windows平台.软件基于visual studio2012的MFC开发框架,采用工厂模式,编码采用C++11语言标准.充分利用C++11的跨平台可移植的多线程模块提高计算效率.编码采用STL标准模板库技术实现.软件的界面利用MFC中的CDC类实现绘制.针对中国地质大学(北京)海洋可控源电磁法勘探仪器所采集的数据进行处理,设计的软件功能如下:

(1) 解析、加载与显示采集数据;

(2) 载入、解析与显示导航数据;

(3) 时域-频域转换;

(4) 导航数据合并与归一化;

(5) MVO,PVO数据显示.

本软件设计框架如图 1所示.软件采用工厂设计模式,充分利用C++11所提供的原子数据类型以及跨平台的多线程相关函数,提高了代码的可移植性和运行效率,设计了数据类、绘图类、控制类等类,以功能模块的方式实现上述功能,提高了模块的独立性.软件具有直观的图形界面,操作简单方便,可以在任何一台具有Windows操作系统的PC上运行.将以上所提及的功能集成于本软件中,并通过友好的交互界面使操作更加容易,同时增加数据的可视化使结果更利于后续研究.

图 1 软件框架设计 Figure 1 Design of software framework
1.2 软件的交互接口设计

主程序是基于单文档框架的MFC程序,通过菜单栏与对话框完成用户与系统的交互,菜单栏的信息如表 1所示,主程序启动界面如图 2所示.各个环节中,利用对话框实现数据的图形显示.

表 1 软件主菜单 Table 1 Main menu of software
图 2 软件交互界面 Figure 2 Interface of main software
2 软件的主要功能模块 2.1 海洋可控源电磁法数据格式

本软件目前只能处理中国地质大学(北京)海洋可控源电磁法仪器所采集的数据,包括发射电流信息数据、海底接收五分量电磁数据、接收信息辅助数据、记录发射状态的导航信息数据.

为了充分利用硬件资源中的内存资源和节约CPU处理I/O命令时的吞吐量,发射电流信息数据与海底五分量电磁数据均采用32位二进制格式记录数据.此数据是由多个相同大小的块组成的,每一块占据1 MB的存储空间,每块数据说明如表 2所示.

表 2 采集数据格式说明 Table 2 Illustration of acquired data format

每个采集数据文件都有对应的辅助数据文件.它是由上位机记录的文本数据,存放将二进制电流与电磁场数据恢复到真实数据的重要辅助信息.辅助数据格式说明如表 3所示.

表 3 辅助数据格式说明 Table 3 Illustration of auxiliary data format

导航数据记录发射拖体状态信息的文件.导航数据包括拖体姿态方位、时间、深度信息、GPS信息等.导航数据格式说明如表 4所示.

表 4 导航数据格式说明 Table 4 Illustration of navigation data format
2.2 采集数据解析、加载与显示模块

加载与解析采集的数据是本程序的首要功能.海洋可控源电磁场数据的回放功能,便于对数据有全面、详细的认识及后续处理.采集的数据占据存储空间大,因此采用分块显示的策略.每块数据只占据固定大小内存.这个模块具有电流与电磁场各分量数据移屏显示、放大显示、缩小显示、图像保存、以及数据截取与数据导出等功能.

本模块是通过设计三个类实现的.它们分别是数据模型类、数据的解析与加载类,绘制数据图像的类.数据模型类是对采集数据存储的实现,数据的解析与加载类是对采集数据的载入、解析等功能的实现,绘制数据图像类是对采集数据模型的可视化的实现.本模块实现的类关系如图 3所示.

图 3 采集数据模块的类关系 Figure 3 Class relations of acquired data module
2.3 导航数据载入、解析与显示模块

导航数据记录发射仪器的方向、状态、位置等信息.它们对后续分析与解释极为重要.载入与解析导航数据是本程序的基础功能.通过导航数据显示可以直观地了解发射系统轨迹与发射状态.

本模块实现与采集数据模块的实现类似,同样设计了三个类.本模块实现的类关系如图 4所示.

图 4 导航数据模块的类关系 Figure 4 Class relations of navigation data module
2.4 数据预处理模块

预处理核心功能模块主要包括数据解析还原、加窗滤波、方位校正、频域分析、标定校正、归一化处理等步骤.软件是通过对话框的形式实现设置预处理参数,通过以工厂模式设计的数据预处理类来实现本功能模块.设置方位校正所需要的旋转参数设置对话框如图 5所示,采集数据恢复与频率设置对话框如图 6所示,频域分析对话框如图 7所示.

图 5 旋转参数设置话框 Figure 5 Dialog of rotating parameter setting
图 6 数据处理参数设置对话框 Figure 6 Dialog of data processing parameter setting
图 7 频谱分析参数设置对话框 Figure 7 Dialog of spectrum analysis setting

在完成参数设置后,进入软件的数据核心处理环节.本功能模块的实现需要运用C++11标准库中的“thread”和“mutex”两个头文件.在软件运行的进程中再增加六个线程,分别完成对应于不同电磁场分量数据与发射电流数据的处理,这六个线程分配与功能说明如表 5所示.多线程数据预处理流程如图 8所示.

表 5 线程分配说明 Table 5 Illustration of threads allocation
图 8 多线程数据预处理流程图 Figure 8 Flow chart of multi-threaded data preprocessing
2.5 MVO,PVO数据载入、解析与显示模块

MVO,PVO数据并非勘探采集到的数据,而是程序内部运算环节的一个结果并以“emdata”为扩展名的文件存储.这个文件可以作为后续反演的输入文件.

MVO,PVO数据模型类是由多个复合数据类型组成,这些复合数据类型包括复数类、时间类,三维空间坐标类.MVO,PVO数据模型类如图 9所示.

图 9 MVO,PVO数据模型类 Figure 9 Class of MVO,PVO data model

完成MVO,PVO数据模型类设计之后,就要进行本功能模块的设计与实现.本功能模块的设计与实现与采集数据功能模块实现类似.由于数据校正的需要,增加了一个数据校正类.整个功能模块的类关系如图 10所示.

图 10 MVO,PVO数据模块的类关系 Figure 10 Class relations of MVO,PVO data module
3 处理实例

海洋可控源电磁法能在较短的勘探周期内获得海底介质电磁信息.2015 年3月,利用中国地质大学(北京)自主研发的仪器系统在我国南海某海域布置了四个有效勘探站位,进行可控源电磁信息采集.利用本文开发的软件对这批数据进行处理.下面展示了其中一个站位的处理过程及结果.

3.1 采集数据解析、加载与可视化

通过主界面菜单将电流与电磁场以及辅助数据文件载入软件,通过本功能模块设计的类实现数据的可视化等功能,效果如图 11所示.

图 11 采集数据可视化 (a)采集数据显示;(b)放大显示;(c)图像保存;(d)导出局部数据. Figure 11 Visual of acquired data (a)Display acquired data;(b)Enlarge and display;(c)Save picture;(d)Output part data.
3.2 导航数据解析、加载与可视化

通过主界面菜单将导航数据文件载入软件,通过本功能模块设计的类实现数据的可视化,效果如图 12所示.

图 12 导航数据可视化 Figure 12 Visual of navigation data
3.3 数据预处理及MVO,PVO曲线可视化

通过前面介绍的功能,对导入的电磁场数据进行预处理.根据接收机记录的方位信息进行电磁场数据旋转,经过均值滤波、增益和AD转换恢复、数据加窗(4096个样点汉明窗)处理,再进行FFT变换,再经过仪器系统的标定校正后与电流和导航数据结合,最终生成MVO,PVO曲线,见图 13.

图 13 MVO与PVO可视化 Figure 13 Visual of MVO,PVO

通过对话框上的调整按钮实现MVO,PVO数据收发距校正,结果如图 14所示.

图 14 MVO 与PVO收发距校正结果 (a)收发距调整图;(b)截取MVO,PVO图. Figure 14 Display of adjusted MVO,PVO (a)MVO,PVO after adjusting distance between transmitter and receiver;(b)MVO,PVO after constraining by distance between transmitter and receiver.
4 结论与展望

基于VS2012的MFC框架,开发了一套可视化的海洋可控源电磁数据预处理软件,实现了我国自主研发仪器数据的可视化预处理.通过对我国南海某海域实测数据的处理,验证了该软件的实用性与其处理结果的正确性.本软件实现了电磁场数据与导航数据加载与回放、电磁场数据时域到频域转换、导航数据频域数据合并以及生成MVO和PVO曲线等功能,并且具有界面与电磁场友好、操作便捷、处理高效等特点.

通过实测数据处理,对未来该软件的展望如下: (1)多线程编程技术能大幅度提高CPU的运算处理效率,后续数据反演软件研发可以采用此技术,从而提高软件的运算效率.

(2)本软件一次处理只能获得一个频点的结果.但是,从海洋可控源电磁勘探的发展方向看,一次拖曳多频激发是海上施工的发展趋势.因此有必要改进软件,以适应多频激发的需要.

致谢 向为本文辛勤付出的编辑们表示深深的感谢,也对参加数据采集的同仁表示衷心的感谢.
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