基于DLL集成的大地電磁處理解釋可視化系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

管貽亮,胡祥云,張 靜,程正璞,陳宇峰

(1.山東省地震局,山東濟(jì)南250014;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北武漢430074)

基于DLL集成的大地電磁處理解釋可視化系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

管貽亮1,2,胡祥云2,張 靜2,程正璞2,陳宇峰2

(1.山東省地震局,山東濟(jì)南250014;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北武漢430074)

介紹了基于C++和Fortran混合編程,通過動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)集成的大地電磁處理解釋系統(tǒng)(MTI)。概要介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的實(shí)現(xiàn)、內(nèi)存優(yōu)化和多線程工作模式以及軟件的四大功能模塊,包括了從數(shù)據(jù)管理、分析、處理到反演解釋的整個(gè)流程,基本涵蓋了目前常用的大地電磁處理解釋方法,功能全面,集成度高。模型數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)資料的應(yīng)用結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造解釋的有效性,體現(xiàn)了多算法分析解釋的優(yōu)越性。

大地電磁;數(shù)據(jù)處理;反演;軟件開發(fā);動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù);人機(jī)交互

目前,電磁勘探理論技術(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟,數(shù)據(jù)處理解釋已經(jīng)形成比較全面、系統(tǒng)的方法技術(shù)系統(tǒng),一些新的處理技術(shù)和反演方法在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。隨著電磁勘探應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,面臨的地質(zhì)構(gòu)造等復(fù)雜程度增加,解釋精度要求高,解釋難度加大,因而對(duì)處理技術(shù)和解釋方法提出了更高的要求,對(duì)處理解釋軟件的要求也相應(yīng)提高。

現(xiàn)有的電磁處理解釋軟件有國(guó)外的WinGlink和GeoTools,軟件功能比較全面,相對(duì)比較成熟,但是價(jià)格昂貴,且與國(guó)內(nèi)系統(tǒng)存在兼容性問題,使用不便。其中WinGlink已經(jīng)不再對(duì)外發(fā)布更新,現(xiàn)有的版本存在兩大短板,一是缺少資料分析方法,二是反演方法單一,很難滿足現(xiàn)階段高精度解釋的要求。國(guó)內(nèi)許多科研院所也在軟件開發(fā)方面做了大量的研究,取得了一定的成果。最早由魏勝等[1]推出的電磁解釋工作站,在一定程度上推動(dòng)了國(guó)內(nèi)電磁資料處理解釋軟件的發(fā)展?，F(xiàn)在比較常用的有王緒本等[2]開發(fā)的MtSoft和陳小斌等[3-4]推出的MTPoineer,都得到了很好的推廣。經(jīng)過十幾年的沉淀和積累,國(guó)內(nèi)的軟件在功能和體驗(yàn)上取得了很大的進(jìn)步,獲得了從業(yè)者的肯定。但是,傳統(tǒng)的軟件多是利用現(xiàn)有的可執(zhí)行程序打包集成,更多的是一個(gè)軟件包,因而軟件執(zhí)行效率較差,而且僅開發(fā)了32位軟件版本,在二維大數(shù)據(jù)量計(jì)算方面效率較低,很難滿足大數(shù)據(jù)量反演和精細(xì)解釋的需求。

當(dāng)前,電磁法已經(jīng)邁入精細(xì)勘探和精細(xì)解釋階段,對(duì)數(shù)據(jù)處理和反演算法提出了更高的要求,需要我們開發(fā)能夠滿足當(dāng)前處理解釋需要的一體化軟件,提供不同特點(diǎn)的算法以滿足不同數(shù)據(jù)的需要和各種類型的地質(zhì)解釋。實(shí)踐證明,不同的分析算法適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)類型,不同的反演方法對(duì)于各類地質(zhì)構(gòu)造、異常體等反演能力也有一定的差距?；诖?本文以C++和Fortran混編的方式,基于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)集成,開發(fā)了基于Windows系統(tǒng)(Windows XP/7/10)的大地電磁處理解釋系統(tǒng)(MTI)。各類算法均基于DLL集成,尤其是各種二維反演算法的集成,相比于單獨(dú)運(yùn)行子程序提高了執(zhí)行效率,對(duì)同一數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多種方法的快速對(duì)比解釋,保證了反演的可靠性。

1 軟件關(guān)鍵技術(shù)

MTI軟件基于C++和Fortran混合編程,充分利用了微軟基礎(chǔ)類庫(kù)(MFC)的可視性和Fortran強(qiáng)大的計(jì)算能力。界面基于MFC開發(fā),所有的算法都采用Fortran編寫或者利用現(xiàn)有的算法代碼改編。軟件的兩大關(guān)鍵技術(shù)是人機(jī)交互的可視化實(shí)現(xiàn)和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的使用,人機(jī)交互通過MFC來實(shí)現(xiàn),主要包括軟件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和可視化操作兩方面,而動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)涉及相關(guān)算法和代碼的優(yōu)化以及通信等問題。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

參照Windows程序的設(shè)計(jì)模式,結(jié)合電磁處理解釋的需要,采取工程化的軟件設(shè)計(jì)理念?；跀?shù)據(jù)量方面的考慮,所有的操作都在工程中進(jìn)行,最大程度保證操作的流暢性和軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性。為了達(dá)到更好的人機(jī)交互效果,充分利用MFC的可視性,軟件整體采用分層設(shè)計(jì),無論是主界面還是各子系統(tǒng)界面,操作按鍵與圖形顯示一目了然。各個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立分布,便于后期維護(hù)和更新,子系統(tǒng)間通過公用數(shù)據(jù)類進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,在降低內(nèi)存需求的同時(shí)保證數(shù)據(jù)流的安全。

1.2 可視化操作

在人機(jī)交互操作中,最核心的技術(shù)是解決圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示問題,因?yàn)槊恳淮问髽?biāo)操作都將帶來圖像的改變和重繪,造成圖像的閃爍。因此采取了基于雙緩沖的成圖機(jī)制。所謂雙緩沖就是創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存設(shè)備,然后在這個(gè)內(nèi)存設(shè)備上成圖,完成后再將它整體拷貝到屏幕上,這樣能提高成圖的速度,同時(shí)解決閃屏問題。由于MTI支持Windows 10操作系統(tǒng),可以安裝在平板上操作,希望借此便攜的設(shè)備以及更快的速度,將數(shù)據(jù)處理解釋由室內(nèi)帶到野外,帶來新的進(jìn)步。

1.3 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

目前,混合編程一般有兩種實(shí)現(xiàn)方式[5]。一是以子程序的形式單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算,與主程序之間通過文件或者其它方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn),但是效率較低,目前多數(shù)電磁處理解釋軟件都是通過這種方式實(shí)現(xiàn)的。另一種方式是以DLL的形式集成到主程序中,需要改寫現(xiàn)有的Fortran程序,軟件開發(fā)工作量較大,但是軟件運(yùn)行效果最優(yōu)。MTI系統(tǒng)全部采用DLL方式集成,只有一個(gè)主程序,功能模塊或者計(jì)算模塊全部由DLL完成,沒有利用任何一個(gè)現(xiàn)有的可執(zhí)行程序或者軟件包,高度集成,從根本上提高了軟件的執(zhí)行效率。

動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是微軟提供的一種共享函數(shù)的方式,在Windows系統(tǒng)中得到了廣泛使用。其本質(zhì)可以理解為一個(gè)可被重復(fù)調(diào)用的函數(shù),最大的特點(diǎn)是可被多種語(yǔ)言共享調(diào)用且安全性極高。傳統(tǒng)電磁處理解釋軟件核心算法都交由子程序來獨(dú)立執(zhí)行,而DLL調(diào)用需要主程序與子程序共同完成,涉及到主程序與DLL的即時(shí)通信問題,需要給出最合適的技術(shù)解決方案。

1.4 多線程工作模式

MTI系統(tǒng)采用了多線程的工作方式,尤其是在二維反演計(jì)算中,開發(fā)了工作線程、用戶界面線程分別負(fù)責(zé)冗長(zhǎng)的后臺(tái)計(jì)算和處理結(jié)果反饋。工作線程沒有消息循環(huán),只負(fù)責(zé)后臺(tái)的數(shù)據(jù)計(jì)算;界面線程可以在計(jì)算過程中保證程序持續(xù)運(yùn)行,繼續(xù)接受消息隊(duì)列,處理用戶反饋以及系統(tǒng)響應(yīng)等。多線程的工作方式保證了復(fù)雜的計(jì)算獨(dú)立于主程序之外,對(duì)于提升軟件性能和用戶體驗(yàn)效果具有很大的幫助。

1.5 內(nèi)存優(yōu)化

計(jì)算量是制約電磁處理解釋軟件發(fā)展的關(guān)鍵因素,隨著精細(xì)化勘探解釋的需要,數(shù)據(jù)量會(huì)越來越大,而又很難從算法角度進(jìn)行改進(jìn),所以必須從內(nèi)存方面對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化。MTI采取了兩種方式,一是對(duì)現(xiàn)有的Fortran代碼進(jìn)行優(yōu)化,將大數(shù)組改為動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)或者是采用數(shù)據(jù)文件進(jìn)行緩存;二是充分利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存,由于32位的Windows系統(tǒng)最大支持4G內(nèi)存,而64位的系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存沒有限制,于是對(duì)原32位的軟件和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)進(jìn)行了改寫,編譯了64位版本,最大限度地使用計(jì)算機(jī)內(nèi)存,對(duì)大數(shù)據(jù)二維反演是很好的支撐。內(nèi)存優(yōu)化帶來的優(yōu)勢(shì)不僅是處理量的提升,更是執(zhí)行效率的提高。

2 軟件功能開發(fā)

基于大地電磁數(shù)據(jù)處理、解釋的需要,MTI軟件主要分為4個(gè)功能模塊,包括數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)解釋,各個(gè)功能模塊又下設(shè)多個(gè)子系統(tǒng),相應(yīng)的功能由各子系統(tǒng)來完成,詳細(xì)功能如圖1所示。

圖1 MTI主要功能

2.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要實(shí)現(xiàn)從工程建立到測(cè)線測(cè)點(diǎn)管理以及坐標(biāo)、剖面等數(shù)據(jù)的輸入、輸出等。MTI系統(tǒng)采取工程、測(cè)線、測(cè)點(diǎn)三級(jí)管理,結(jié)構(gòu)明了,層次清晰,所有操作均在工程中進(jìn)行,簡(jiǎn)單安全。MTI系統(tǒng)主要支持兩種電磁數(shù)據(jù)格式,分別為功率譜數(shù)據(jù)文件和阻抗傾子數(shù)據(jù)文件,從而支持了GMS系列、鳳凰V5V8以及EH4等主流電磁儀器采集的數(shù)據(jù),基本支持所有的EDI數(shù)據(jù)文件。

2.2 數(shù)據(jù)分析

在實(shí)際資料中,由于局部畸變等影響,觀測(cè)到的數(shù)據(jù)往往不能最大限度地反映地下真實(shí)信息,在進(jìn)行二維反演的時(shí)候需要將數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到構(gòu)造主軸方向。MTI系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分析模塊主要分析阻抗張量和傾子矢量,主要手段包括張量分解和極化模式識(shí)別,核心目的是求得最能反映地下真實(shí)信息的數(shù)據(jù)用于反演,兩大難點(diǎn)是電性主軸的選取和極化模式的判別,二者直接影響最終的反演結(jié)果。

張量分解的目的是從觀測(cè)的大地電磁響應(yīng)中消除局部畸變的影響,獲得區(qū)域構(gòu)造阻抗、電性主軸和走向等參數(shù)[6],常用的方法有Swift分解[7]、Bahr分解[8-10]、相位張量[11-12]和GB分解[13-14],不同的方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。MTI系統(tǒng)提供了3種張量分解方法(Swift分解、Bahr分解、相位張量(CBB)),基于統(tǒng)計(jì)玫瑰圖進(jìn)行快速定性分析,如圖2所示。利用阻抗張量極坐標(biāo)圖可以分析構(gòu)造走向、維性及極化模式(圖3)。

圖2 基于統(tǒng)計(jì)玫瑰圖的電性主軸及維性分析

圖3 阻抗張量極坐標(biāo)圖分析

2.3 數(shù)據(jù)處理

MTI系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)處理和反演為兩大核心模塊,人機(jī)交互操作的可視化程度將直接影響軟件體驗(yàn)效果和處理水平。MTI將成圖模塊與處理模塊統(tǒng)一放在視圖類中,采取雙緩存繪圖的形式解決人機(jī)交互過程中的閃屏問題。

坐標(biāo)測(cè)線管理：可以實(shí)現(xiàn)地理坐標(biāo)系與平面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,MTI實(shí)現(xiàn)了WGS84,北京54和西安80三種坐標(biāo)系統(tǒng)之間的任意轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)了測(cè)點(diǎn)自動(dòng)擬合、手繪測(cè)線自動(dòng)投影和按照設(shè)計(jì)方向投影3種測(cè)點(diǎn)投影方式。

數(shù)據(jù)處理：進(jìn)行解釋時(shí),需要將數(shù)據(jù)盡可能地平滑以滿足反演擬合的需要,設(shè)計(jì)了三點(diǎn)、五點(diǎn)、七點(diǎn)線性平滑以及二次、三次等7種圓滑算法,滿足不同質(zhì)量數(shù)據(jù)的需要。對(duì)于質(zhì)量較差的數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了基于交互式操作的人工挑點(diǎn)、單頻點(diǎn)刪除、多頻點(diǎn)刪除等,基于反演需要,可以完成測(cè)線整體截頻。結(jié)合數(shù)據(jù)分析,設(shè)計(jì)了主軸旋轉(zhuǎn)、極化模式選擇、數(shù)據(jù)交換、靜校正(手動(dòng)、自動(dòng))等整體化數(shù)據(jù)處理功能。詳細(xì)功能如圖4和圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理功能

圖5 數(shù)據(jù)處理界面

2.4 數(shù)據(jù)反演

數(shù)據(jù)反演是MTI的核心模塊,目前主要的解釋方法是二維反演。一維反演主要用于電性結(jié)構(gòu)分析,便于對(duì)地下結(jié)構(gòu)有整體的認(rèn)識(shí),而三維反演方法[15-20]雖然已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段,但是由于計(jì)算效率低等不足,全面推廣尚需一定的時(shí)間。目前常用的解釋軟件中一般只提供一種二維反演方法,并以非線性共軛梯度反演(NLCG)居多?？紤]到反演的多解性,MTI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了3種一維反演和3種二維反演。由于全部采用了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的集成方式,各種反演方法所需的數(shù)據(jù)、模型等參數(shù)格式不再受代碼限制,使用同一個(gè)模型可以完成所有的反演解釋,極大地提高了反演的效率,并且可以在相同條件下進(jìn)行快速對(duì)比解釋,以盡可能地保證解釋的準(zhǔn)確性。

2.4.1 一維反演

MTI可以完成Bostick反演、奧可姆(OCCAM)反演[21]和廣義逆反演。Bostick反演簡(jiǎn)單快速,但精度較差;OCCAM反演穩(wěn)定性和精度較好;廣義逆反演分層性較好,適合定量解釋,但是高度依賴初始模型。3種反演方法具有不同的適應(yīng)性,可以各取所長(zhǎng),互補(bǔ)所短,針對(duì)不同的地質(zhì)情況提供了多種選擇?；诔跏寄Ｐ蛯?duì)于反演的重要性,MTI提供了4種初始模型設(shè)計(jì)方案,分別為自動(dòng)模型、基于初始量的自動(dòng)模型、分層模型和人機(jī)交互模型,能夠滿足不同的解釋需要。

MTI系統(tǒng)也對(duì)算法本身進(jìn)行了改進(jìn),在OCCAM算法中增加了一個(gè)反演因子,該反演因子直接參與到反演過程中,能夠控制最終的模型粗糙度。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)實(shí)測(cè),總結(jié)出了模型優(yōu)化算法,當(dāng)檢測(cè)到所設(shè)置的初始模型容易引起假異?；蛘哂绊懯諗繒r(shí),會(huì)利用相應(yīng)的優(yōu)化算法自動(dòng)對(duì)初始模型進(jìn)行優(yōu)化,以使其更利于反演。

2.4.2 二維反演

網(wǎng)格剖分是二維反演的基礎(chǔ),尤其是對(duì)初始條件要求高的反演方法,會(huì)直接影響反演結(jié)果。人機(jī)交互的可視化操作對(duì)于剖分必不可少,MTI可以基于高程數(shù)據(jù)自動(dòng)生成帶地形的模型,通過交互式操作實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的修改。同時(shí),模型對(duì)于所有反演方法都通用,每個(gè)方法既可以使用當(dāng)前模型,也可以使用其它方法已經(jīng)反演過的模型繼續(xù)反演,實(shí)現(xiàn)多種方法的聯(lián)動(dòng)反演。

NLCG和OCCAM作為目前主要的兩種反演方法,代表了當(dāng)今電磁反演的精髓。MTI中可以完成OCCAM[22],簡(jiǎn)化基奧可姆(REBOCC)[23],NLCG[24-25]3種反演,其中NLCG包含了帶地形的反演。這3種反演方法中,OCCAM反演比較穩(wěn)定,初始條件要求低;REBOCC反演速度較快,但是反演精度不如OCCAM;而NLCG反演精度較高,反演速度較快,尤其是帶地形反演對(duì)于地形起伏較大的數(shù)據(jù)解釋優(yōu)勢(shì)明顯,但是對(duì)初始條件依賴程度較高?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)硬件水平已經(jīng)完全能夠滿足二維快速反演的需要,因此多種方法的聯(lián)合解釋也變成了一項(xiàng)基本要求,這既降低了反演的多解性,增加了解釋的可信度,又能夠?qū)Ψ囱萁Y(jié)果進(jìn)行快速評(píng)價(jià)。

3 算例分析

為了檢驗(yàn)MTI中各個(gè)子系統(tǒng)的有效性和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的準(zhǔn)確性,設(shè)計(jì)了多個(gè)模型驗(yàn)證各反演方法對(duì)各種地質(zhì)模型的適應(yīng)性。同時(shí)基于相同的初始條件,與經(jīng)典的電磁處理解釋軟件WinGlink進(jìn)行對(duì)比研究,保證了對(duì)比的公正性和結(jié)果的有效性。本文以斷層模型和層狀模型為例進(jìn)行說明。

3.1 模型一

模型一為一個(gè)斷層模型,如圖6所示,主要用來檢驗(yàn)反演方法對(duì)于層位的識(shí)別效果和對(duì)斷層參數(shù)的反演精度。圖7 到圖9給出了采用MTI軟件中3種方法和WinGlink軟件的NLCG方法對(duì)斷層模型在不同模式下的反演結(jié)果。從圖7到圖9可以看出,MTI中的3種反演方法均能較準(zhǔn)確地反演出模型的相關(guān)參數(shù)(邊界、電阻率),能較好地識(shí)別斷層,尤其是OCCAM和NLCG反演精度較高,不遜于WinGlink軟件的反演結(jié)果,相比而言,REBOCC的反演精度稍差。從反演細(xì)節(jié)看,OCCAM的反演結(jié)果優(yōu)于兩種NLCG反演結(jié)果,對(duì)各項(xiàng)構(gòu)造參數(shù)的識(shí)別均比較接近實(shí)際,尤其是層位識(shí)別,優(yōu)勢(shì)較為明顯,說明OCCAM反演方法對(duì)于斷層的反演效果更優(yōu)。就3種模式而言,TE模式和聯(lián)合模式的反演結(jié)果更接近于設(shè)置的模型。

3.2 模型二

模型二為一個(gè)層狀模型,總共分為5層,第1層和第3層較薄,第4層和第5層為厚度遞增的高阻層,如圖10所示。首先進(jìn)行了一維反演,如圖11所示,3種一維反演結(jié)果對(duì)于層狀劃分效果均不錯(cuò),各個(gè)反演結(jié)果的擬合程度也較高。OCCAM反演對(duì)于每一層均有較好的識(shí)別效果,擬合精度很高;而廣義逆反演分層性更加明確,層位參數(shù)更加準(zhǔn)確,在反演過程中其厚度會(huì)參與反演,基本與我們?cè)O(shè)置的模型參數(shù)一致,說明其對(duì)于層狀模型的地電結(jié)構(gòu)劃分效果更好。

圖6 斷層模型

圖7 斷層模型二維反演結(jié)果(TE模式)a MTI軟件的OCCAM反演; b MTI軟件的REBOCC反演; c MTI軟件的NLCG反演; d WinGlink軟件的NLCG反演

圖8 斷層模型二維反演結(jié)果(TM模式)a MTI軟件的OCCAM反演; b MTI軟件的REBOCC反演; c MTI軟件的NLCG反演; d WinGlink軟件的NLCG反演

圖9 斷層模型二維反演結(jié)果(TE & TM聯(lián)合模式)a MTI軟件的OCCAM反演; b MTI軟件的REBOCC反演; c MTI軟件的NLCG反演; d WinGlink軟件的NLCG反演

圖10 層狀模型

圖11 層狀模型一維反演結(jié)果

圖12到圖14給出了采用MTI軟件中3種方法和WinGlink軟件的NLCG方法在不同模式下對(duì)層狀模型的反演結(jié)果?？梢钥闯龈鱾€(gè)方法的分層性均不錯(cuò)。OCCAM的反演精度最高,WinGlink的NLCG反演效果整體表現(xiàn)不如MTI。而仔細(xì)對(duì)比兩種NLCG反演結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),兩種軟件的NLCG反演結(jié)果中均有一定的邊界效應(yīng),說明NLCG反演對(duì)初始條件要求較高,其穩(wěn)定性較OCCAM低,建議與OCCAM反演結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合解釋。

圖12 層狀模型二維反演結(jié)果(TE模式)a MTI軟件的OCCAM反演; b MTI軟件的REBOCC反演; c MTI軟件的NLCG反演; d WinGlink軟件的NLCG反演

圖13 層狀模型二維反演結(jié)果(TM模式)a MTI軟件的OCCAM反演; b MTI軟件的REBOCC反演; c MTI軟件的NLCG反演; d WinGlink軟件的NLCG反演

圖14 層狀模型二維反演結(jié)果(TE & TM聯(lián)合模式)a MTI軟件的OCCAM反演; b MTI軟件的REBOCC反演; c MTI軟件的NLCG反演; d WinGlink軟件的NLCG反演

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

選取2016年在青海某地采集的大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解釋,旨在查明10km以上的地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征及花崗巖的電性結(jié)構(gòu)等。該測(cè)線包含66個(gè)測(cè)點(diǎn),分別用MTI和WinGlink進(jìn)行了帶地形的反演,用imagem的Bostick進(jìn)行了簡(jiǎn)單反演,反演結(jié)果如圖15所示。

3種軟件不同方法的反演結(jié)果整體較為一致,基本查明了第四系、新近系和古近系的厚度,下伏花崗巖受F1,F2斷層控制逆沖至淺地表;測(cè)線中段受斷裂控制形成一局部地塹構(gòu)造,新近系和古近系沉積厚度約6km。兩種NLCG的反演結(jié)果無論是在構(gòu)造參數(shù)還是電阻率方面都具有很強(qiáng)的一致性,而OCCAM與NLCG對(duì)F2斷裂的反演有細(xì)微差別,與算法本身和其對(duì)模型的依賴程度有一定的關(guān)系。相比而言,Bostick由于是簡(jiǎn)單反演,其精度受到一定的限制。但3種軟件的反演結(jié)果都反映了地下電性結(jié)構(gòu)特征,也證明了MTI軟件的可靠性和穩(wěn)定性。

圖15 青海某地MT資料反演結(jié)果對(duì)比a MTI-OCCAM反演; b WinGlink-NLCG反演; c MTI-NLCG反演; d imagem-Bostick反演

MTI和WinGlink軟件3種反演方法的反演參數(shù)如表1所示?？梢钥闯鯫CCAM的單次反演速度較慢,但是其達(dá)到設(shè)計(jì)精度所需的迭代次數(shù)較少,反演穩(wěn)定性較高,能夠得到較好的反演結(jié)果。NLCG算法計(jì)算優(yōu)勢(shì)明顯,但是對(duì)于初始模型要求較高,迭代收斂性和反演粗糙度較差。綜合對(duì)比兩種軟件,NLCG算法基本一致,但是MTI的OCCAM算法更加穩(wěn)定,在擬合差和粗糙度方面的尋優(yōu)能力更強(qiáng)。

表1 青海某地MT資料反演參數(shù)對(duì)比

基于反演結(jié)果,設(shè)計(jì)了能夠反映地下電性結(jié)構(gòu)的地質(zhì)模型,模型由兩個(gè)主要斷裂控制,如圖16a所示?；诖说刭|(zhì)模型進(jìn)行正演,再分別用MTI和WinGlink進(jìn)行了反演解釋,一方面為了驗(yàn)證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演結(jié)果的準(zhǔn)確性,另一方面可以再次對(duì)比反演軟件的可靠性。

從圖16中可以看出,3種反演結(jié)果均較好地反映了地下電性結(jié)構(gòu)特征,包括古近系、新近系和第四系的厚度分布、斷裂參數(shù)等,電阻率結(jié)果也均與模型接近。基于地質(zhì)模型的反演結(jié)果,能夠輔證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)解釋結(jié)果的可靠性。整體看,3種反演方法對(duì)于復(fù)雜模型的反演能力均較好,反演精度符合預(yù)期要求。從細(xì)節(jié)看,OCCAM的反演穩(wěn)定性較好,反演得到的構(gòu)造參數(shù)與模型設(shè)置更加接近,相比而言兩種軟件的NLCG反演結(jié)果對(duì)于斷裂的識(shí)別稍有偏差,但是兩種軟件的反演結(jié)果具有很強(qiáng)的一致性。表2給出了MTI和WinGlink軟件3種反演方法反演的參數(shù)。由表2可見,OCCAM在收斂性和模型穩(wěn)定性方面優(yōu)勢(shì)明顯,MTI和WinGlink的NLCG算法在迭代收斂性和計(jì)算速度上基本一致。

圖16 基于地質(zhì)模型的反演結(jié)果對(duì)比a 地質(zhì)模型; b MTI-OCCAM反演; c WinGlink-NLCG反演; d MTI-NLCG反演

反演方法迭代次數(shù)反演時(shí)間/s反演擬合差反演粗糙度反演結(jié)果MTI-OCCAM253900.499051.536達(dá)到設(shè)計(jì)迭代次數(shù)MTI-NLCG501160.6652565.000達(dá)到設(shè)計(jì)迭代次數(shù)WinGlink-NLCG501700.6850399.000達(dá)到設(shè)計(jì)迭代次數(shù)

綜合對(duì)比兩種軟件,對(duì)于較為復(fù)雜的地質(zhì)解釋,OCCAM算法更加穩(wěn)定,對(duì)初始模型要求較低,擬合尋優(yōu)和控制模型粗糙度的能力更強(qiáng);NLCG算法計(jì)算速度較快,但是模型粗糙度較大,對(duì)初始模型要求較高。對(duì)于復(fù)雜構(gòu)造的地質(zhì)解釋,建議采用對(duì)比解釋或者OCCAM和NLCG聯(lián)合反演,充分利用二者的優(yōu)點(diǎn),取長(zhǎng)補(bǔ)短,相輔相成。兩種軟件的NLCG算法表現(xiàn)基本一致,對(duì)不同的地質(zhì)模型其反演能力存在一定的細(xì)微差別,主要是由于初始模型的設(shè)計(jì)模式不同引起的。由于MTI設(shè)計(jì)了64位的軟件模式,能夠承載更多測(cè)點(diǎn)的計(jì)算,滿足較大數(shù)據(jù)量的反演要求,較WinGlink存在一定的內(nèi)存優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

基于DLL集成的MTI軟件集成度高,對(duì)內(nèi)存進(jìn)行了一定的優(yōu)化,執(zhí)行效率高?；贛FC開發(fā)的人機(jī)交互系統(tǒng),能夠完成電磁資料(MT/AMT/EH4)的數(shù)據(jù)處理解釋一體化操作。系統(tǒng)包含了完整的數(shù)據(jù)分析方法和目前主流的經(jīng)典反演算法,功能比較全面,可以實(shí)現(xiàn)快速的對(duì)比分析和解釋,尤其是OCCAM和NLCG兩大經(jīng)典算法的加入,保證了反演結(jié)果的可靠性,從技術(shù)層面降低了解釋結(jié)果的多解性。開發(fā)了64位軟件版本,在大數(shù)據(jù)量的處理解釋方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

目前,軟件在功能方面依舊需要進(jìn)一步完善,隨著電磁法和計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展,我們將對(duì)MTI繼續(xù)改進(jìn)更新,加入新的電磁方法和新的計(jì)算機(jī)技術(shù),以使MTI滿足電磁勘探技術(shù)發(fā)展的需要。

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(編輯：陳 杰)

DevelopmentandapplicationofvisualizationsystemforprocessingandinterpretationofmagnetotelluricdatabasedonDLLintegration

GUAN Yiliang1,2,HU Xiangyun2,ZHANG Jing2,CHENG Zhengpu2,CHEN Yufeng2

(1.ShandongEarthquakeAgency,Jinan250014,China; 2.InstituteofGeophysicsandGeomatics,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

An MTI workstation system was developed for processing and interpretation of magnetotelluric data through dynamic link library (DLL) integration based on C++ and Fortran mixed programming.First,the paper briefly illustrates the key technologies for software development,including the design idea of the system,the realization of the DLL,the memory optimization,and the multi-threaded mode of operation.The design of the system takes full advantage of the visibility of MFC library and the excellent computing power of Fortran,enabling high efficiency because of the high integration.Next,the paper presents the four main function modules of the MTI system,namely,data management,data analysis,data processing,and data inversion.They basically cover the commonly used methods of magnetotelluric processing and interpretation,with full functionality and high integration.The synthetic data and field data test results showed the validity of the proposed MTI system for complex geological interpretation and the superiority of its interpretation based on multiple algorithms compared with conventional electromagnetic software.

magnetotelluric,data processing,inversion,software development,dynamic link library,human-computer interaction

P631

：A

1000-1441(2017)05-0755-11DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2017.05.016

管貽亮,胡祥云,張靜,等.基于DLL集成的大地電磁處理解釋可視化系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用[J].石油物探,2017,56(5):765

GUAN Yiliang,HU Xiangyun,ZHANG Jing,et al.Development and application of visualization system for processing and interpretation of magnetotelluric data based on DLL integration

[J].Geophysical Prospecting for Petroleum,2017,56(5):765