地球物理數(shù)據(jù)三維可視化實現(xiàn)方法

李向?qū)?，朱懷亮，王申屾，羅 麗，趙 侃

(天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250)

0 引言

目前地球物理成果主要以二維圖形的方式展示，也有一些三維反演方法的研究，但目前還處于理論階段，還沒有廣泛應(yīng)用于實際工作中。為了能夠?qū)崿F(xiàn)地球物理成果的三維可視化，筆者研發(fā)團隊在測試了一些三維繪圖軟件后，發(fā)現(xiàn)由美國Tecplot公司推出的Tecplot系列軟件，具有功能強大的數(shù)據(jù)分析和可視化處理能力，而且該軟件界面友好操作簡單。Tecplot系列軟件具有強大的繪圖功能，可以繪制多種形式圖形，包括曲線圖、二維平面圖及三維立體圖。經(jīng)過對該軟件的繪圖原理、繪圖所需文件數(shù)據(jù)格式的詳細分析與研究后，充分掌握了該軟件繪圖所需的數(shù)據(jù)文件格式。為了能快速高效的進行數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)換，筆者研發(fā)團隊利用C++編程語言和Surfer automation技術(shù)結(jié)合Surfer軟件，編寫了專門用于數(shù)據(jù)提取和三維網(wǎng)格文件生成的程序。

筆者研發(fā)團隊參考了國內(nèi)大量相關(guān)文獻[1-4]，并首次將Tecplot系列軟件應(yīng)用于地球物理領(lǐng)域，最后以內(nèi)蒙古自治區(qū)烏拉特前旗白彥花地區(qū)和江蘇東?？h桃林鎮(zhèn)兩個項目的可控源音頻大地電磁測深數(shù)據(jù)為例，來展示本次三維可視化研究成果。

1 地球物理成果三維可視化實現(xiàn)方法

三維可視化是用于顯示和描述空間現(xiàn)象特征的一種工具，是現(xiàn)實世界在計算機內(nèi)的三維顯示，實現(xiàn)三維可視化有助于人們對抽象事物的理解。

本次實現(xiàn)地球物理成果的三維可視化主要從以下兩個方面出發(fā)：

1)三維可視化的數(shù)據(jù)準備。

2)利用Tecplot軟件進行繪圖并對其進行相應(yīng)操作，如制作三維圖、切片圖、動畫等。

1.1 三維可視化的數(shù)據(jù)準備

數(shù)據(jù)是三維可視化的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量決定了三維圖的質(zhì)量。理論上說，數(shù)據(jù)量越大繪制的三維圖會更加細膩。地球物理原始采集數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列處理后形成最終解釋成果數(shù)據(jù)。以電磁法為例，野外一般以剖面的形式進行測量，處理數(shù)據(jù)一般以剖面為一個單位進行，每條剖面形成一個二維空間的三維數(shù)據(jù)體模型，由圖1可見，圖上的節(jié)點是剖面上離散點經(jīng)差值后獲得。而整個工作區(qū)是由多條剖面組成的，這樣就形成了多組二維數(shù)據(jù)模型，將工作區(qū)內(nèi)的所有二維數(shù)據(jù)模型中的離散點再進行網(wǎng)格化處理，就形成了一個三維空間的四維數(shù)據(jù)體模型(圖2)。

Tecplot軟件使用的數(shù)據(jù)類型包括有序數(shù)據(jù)和有限元數(shù)據(jù)。本次使用的是有序數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)文件格式見圖3。數(shù)據(jù)的前三行分別是標題行、變量名稱、三維數(shù)組的點數(shù)，第四行起是數(shù)據(jù)內(nèi)容，四列數(shù)據(jù)分別是X坐標、Y坐標、Z坐標和變量值。

圖1 二維數(shù)據(jù)模型

圖3 繪制三維圖數(shù)據(jù)格式

由于網(wǎng)格化后的數(shù)據(jù)量會增大數(shù)倍，因此，這里利用C++編制程序進行數(shù)據(jù)的提取與合并，并使用Surfer軟件的網(wǎng)格化功能，對空間離散點進行網(wǎng)格化。本次實現(xiàn)的是對GDP32Ⅱ可控源音頻大地電磁測深的反演文件數(shù)據(jù)提取的程序，對于其他地球物理方法，可以分別編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)提取程序。程序的總體思路：利用VC++編程軟件建立基于對話框的應(yīng)用程序，然后編寫批量處理程序用于提取多條剖面文件中的同一深度的X、Y、Z坐標、視電阻率的數(shù)據(jù)。對每個同深度的X、Y、Z坐標、視電阻率分別進行網(wǎng)格化，最后把所有同深度的網(wǎng)格文件合并為一個四維的數(shù)據(jù)文件“dat”，用于Tecplot軟件的三維圖繪制，程序界面見圖4右側(cè)三維文件制作程序欄。為了便于讀者理解，下面給出程序的部分源代碼。

圖4 程序界面圖

首先利用VC++的ClassWizard工具導(dǎo)入Surfer提供的封裝了COleDispatchDriver類方法的類庫。然后在OnInitDialog函數(shù)中添加初始化SurferActiveX服務(wù)器的代碼。m_surfer.CreateDispatch("Surfer.Application")；//啟動Surfer進程。

m_surfer.Set-Visible(TRUE)；//顯示Surfer窗口[5-9]。

下面給出調(diào)用Surfer軟件網(wǎng)格化的方法。

首先在頭文件中定義Surfer導(dǎo)入的類IApplication 的對象m_surfer，然后在函數(shù)內(nèi)定義變量VARIANT vDefaultArg。

vDefaultArg.vt = VT_ERROR； //變量默認值

vDefaultArg.scode=DISP_E_PARAMNOT-FOUND；

COleVariant vtXCol(1L)； // 網(wǎng)格化文件的第一列為X。

COleVariant vtYCol(2L)； // 網(wǎng)格化文件的第二列為Y。

COleVariant vtZCol(4L)； // 網(wǎng)格化文件的第四列為Z。

COleVariant vtShowReport((long)FALSE， VT_I4)； // 不顯示網(wǎng)格化結(jié)果報告。

網(wǎng)格化函數(shù)GridData參數(shù)如下：

m_surfer.GridData(filename，vtXCol.lVal，vtYCol.lVal，vtZCol.lVal，vDefaultArg，vDefaultArg，vDefaultArg，vDefaultArg，vDefaultArg，vDefaultArg，vDefaultArg，vDefaultArg，vDefaultArg，vDefaultArg，vDefaultArg，vtShowReport，vDefaultArg，…..，strpath + "zhisanwei" + strcengshu + "out.dat"，……)； // 50號參數(shù)是輸出的文件名，4L，51號參數(shù)是輸出的文件格式，"4L"是文本格式。共57個參數(shù)。

通過編程可以快速完成數(shù)據(jù)的提取以及網(wǎng)格化，并形成最終Tecplot軟件繪圖的文件格式，為三維可視化做好充足的數(shù)據(jù)準備。

1.2 三維可視化的實現(xiàn)

在完成數(shù)據(jù)準備后，會形成一個后綴名為“dat”的文件，通過Tecplot軟件即可完成三維可視化，其方法如下：

從“File”菜單中選擇“Load Data”子菜單，在彈出的文件打開對話框中瀏覽到已經(jīng)生成的后綴為“dat”的文件，數(shù)據(jù)加載后通過軟件左側(cè)的功能窗口完成相應(yīng)的操作，如Contour是繪制等值線，Slices是制作不同方向切片，軟件界面見圖5。

2 成果展示

內(nèi)蒙古白彥花可控源項目工作區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗東部，東臨包頭市，西距烏拉特前旗烏拉山鎮(zhèn)約50 km，距巴彥淖爾市臨河區(qū)約180 km，東距包頭市昆都侖區(qū)市約50 km。此次可控源音頻大地電磁測深工作，共布設(shè)點距200 m、線距4 km的測線6條，測線總長度59.6 km，完成測點數(shù)共計304個，詳細測線信息見圖6。

經(jīng)過對6條測線數(shù)據(jù)的反演，提取反演結(jié)果進行三維數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化，最終利用Tecplot軟件繪制了三維立體圖(圖7)。在圖7中可以清晰地劃分地質(zhì)界線和地層界線，給解釋工作帶來便利，使解釋成果更加清晰易懂。通過對三維立體圖的不同方向切片來進一步分析地質(zhì)構(gòu)造，圖8是其東西方向切片，利用圖8可清晰地劃分地質(zhì)界線和分析構(gòu)造特征等操作。

江蘇東?？h桃林鎮(zhèn)可控源工作區(qū)位于秦嶺—大別造山褶皺系的東延部分，郯廬斷裂帶東側(cè)，蘇魯造山帶南緣超高壓變質(zhì)帶上。區(qū)內(nèi)基底地層為古元古界的東海群變質(zhì)巖系，蓋層主要有分布于郯廬斷裂帶斷陷盆地內(nèi)的中生代上白堊統(tǒng)王氏組(K2w)、下白堊統(tǒng)青山組(K2q)等。巖漿巖多為燕山晚期中酸性侵入巖，主要有花崗巖、花崗斑巖及閃長巖、石英閃長巖等。

此次可控源音頻大地電磁測深工作，共布設(shè)測線9條，測線總長度15.75 km，完成測點數(shù)共計280個，詳細測線信息及地質(zhì)情況見圖9。通過繪制三維立體圖(圖10)，清晰可見桃林巖體的地質(zhì)界線、巖體的厚度、地層的分布情況等。

3 結(jié)語

1)本次地球物理三維可視化的實現(xiàn)，主要是基于Tecplot軟件繪圖平臺與Surfer軟件數(shù)據(jù)網(wǎng)格化平臺，采用C++語言編寫程序提取數(shù)據(jù)，形成三維繪圖數(shù)據(jù)文件，最終實現(xiàn)了地球物理勘探數(shù)據(jù)的三維可視化。

圖5 Tecplot軟件界面圖

圖6 內(nèi)蒙古白彥花地區(qū)可控源音頻大地電磁測深實際材料圖

圖7 三維成果圖

2)通過對內(nèi)蒙古白彥花和江蘇東?？h桃林鎮(zhèn)兩個項目的數(shù)據(jù)三維可視化表現(xiàn)效果來看，無論是對地質(zhì)界線的把握，還是地層界線的劃分，都更加清晰明了；而且通過制作切片圖，可以進一步分析地質(zhì)構(gòu)造特征等。

圖8 東西向切片圖

3)利用本方法實現(xiàn)的地球物理數(shù)據(jù)三維可視化，可以把地球物性特征的空間分布描繪得更加形象與具體，三維立體圖相對于二維剖面圖更加形象具體，這為目標地質(zhì)體的分析解釋提供了更加有效的表現(xiàn)形式，為地球物理最終成果解釋工作提供便利條件。

圖9 江蘇東?？h桃林鎮(zhèn)可控源實際材料圖

圖10 三維成果圖