多种确定地球化学异常下限方法的比较

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1、多种软件联合实现等值线快速绘制的制图模式赵豫 ,张慧利 ,武秀江(河南省地球物理工程勘察院 ,河南 郑州450053 )摘 要 : 针对地震解释成图的特点 ,提出了一种多种软件联合绘制等值线的制图模式 ,它包括用 Exce l取数据 、用Su rfe r网格化模型自动绘制等值线 、用 A u toCAD 修改等值线和用 M ap G IS处理成图 4个步骤 。应用该制图模式减少 计算工作量 ,避免人为误差 ,实现了高精度高效率地勾绘有构造的等值线 。通过实例对比线性内插的三角网法 、距离倒数乘方法 、最小曲率法 、径向基本函数法和克立金法这 5种网格化法的特点 ,说明克里金网格化模型绘制等值

2、线的效果最佳 ,以及 A u toCAD 比 M ap G IS在编辑修改等值线图形时的优异之处 。关键词 : Exce l; Su rfe r;网格化模型 ; A u toCAD; M ap G IS;等值线 ;制图模式文章编号 : 1000 - 8918 ( 2009) 04 - 0472 - 05中图分类号 : P631; TP31文献标识码 : A目前地震解释日趋自动化和综合化 ,计算机辅助的地震解释系统绘图日益普及 ,但是用地震解释 系统绘图需要专业的解释软件 ,成本高 ,对解释员的 素质要求高 ,否则人机联作解释的高效率和高精度是不易达到的 1 。用时 间剖 面 解释 配合 绘 图

3、软 件 绘制等值线构造图仍非常实用有效 。地震解释成图 有自身的特点 : 由于地震波传播的特点 ,地层倾斜 时需作空间校正 ,绘制等深度构造图时需要作时深 转换 ,计算复杂且工作量大 ; 实际采集到的地震数据有限 ,绘制等值线需将有限的离散数据进行网格 化内插 ,这是科学可 视 化的 前提 2 ; 地 震 构造 图 的等值线被断层分割成不同的断块 ,仅仅使用某一 种网格化模型绘制的等值线往往与真实的地质构造 不尽相符 ,构造附近等值线的精细绘制需要手动完成 。由于以上原因 , 单 一软 件 (如 M ap G IS) 并不 能 完全胜任快速绘制地震构造图 ,改进单一软件制图 的方法已势在必 行

4、 。现 在计 算 和绘 图的 软 件非 常 多 ,如 Exce l、Su rfe r、A u toCAD 和 M ap G IS等 ,通过实 践总结出了一套制图模式 ,综合利用以上 4 种软件 联合制图 ,充分发挥各自所长 ,既实现解释绘图的高效率和高精度 ,又对人员的素质要求不高 。 此制图模式的基本步骤是 : 利用 Exce l的单元格公式计算功能和 VBA 编程功能获取三维数据 ;Su rfe r软件的网格化数据内插功能自动生成等值 线 ; A u toCAD 强大的精确制图功能组合断层并合理地修改等值线 ; 最后调入 M ap G IS中利用专业 符号库处理成图 ,满足了利用 M ap

5、 G IS建库 、入库的需要 。该制图模式使用轻松灵活 ,方便测量 、绘图 、物探等不同技术 人 员之 间快 速 协作 。时深 转换 计 算 、部分空间校正由擅长计算的 Exce l完成 ; Su rfe r 是通过数学模型自动计算网格插值点 、绘制等值线 ,更准确高效 ;各种数据展绘 、断层组合连接 、修改等 值线由擅长精确几何制图的 A u toCAD 处理 , M ap G IS 可以轻松地建立专业的点线面图库 。由于从各个重 要环节提高效率 ,充分发挥每个软件的优势 ,比单一 使用 M ap G IS绘制等值线构造图要快一倍 。1 绘制等值线的制图模式煤田地震勘探的成果图件有各地层的等

6、 t0 时 间图和等深度构造图等 ,其中煤层底板等值线图是 最重要的成果图件 ,现在以制作煤层底板等值线图 为例将这个制图模式详细说明如下 。1. 1 用 Exce l获取三维数据Exce l具有强大的公式计算功能和 VBA 编程功 能 ,内置了丰富的函数 ,如数学与三角函数 、统计函 数 、逻辑函数等 ,可以进行各种数据计算和统计 。针对地震解释的数据计算创建一些含有公式的表格来 获取数据 ,例如时 深转换表格 、地层倾角计算表 、 空间校正表 、速度计算表格等 ,在这些表格中桩号 、 时间 、速度 、深度和坐标等各自有固定的列和相应的 公式 。随着地震 、地质 、钻孔等资料掌握的丰富全面

7、,需要增加或调整数据时 ,只需对个别数据作修改 即可得到结果 ,不需重复输入公式 ,非常灵活实用 。 实际工作中有些计算比较复杂或专业 ,用 Exce l收稿日期 : 2008 - 03 - 28的 VBA 语言编写宏程序来计算 ,更简便 ,例如某区横向变速时 ,根据已知的几点速度和其对应的桩号 , 求取其他桩号相应的速度 ,仍输入公式来计算烦琐 易出错 ,用 VBA 语言编写速度内插计算程序实现自 动判断计算 ,程序界面见图 1。勾绘等值线需要三维数据 ( x, y, z) , 桩号的平面 x、y 坐标 ,逐个在测量 成果中查找工作量大 ,而用测量公式计算 ,则受专业 知识制约 。因此编写了

8、坐标内插计算程序实现计算 自动化 ,程序界面见图 2。使用时点击执行便能得 到结果 ,非常简单快捷 。化数据插值方法 ,几乎包括了目前所有的网格化插值方法 。 Su rfe r软件可以直接调用 Exce l格式 ( 3 . xls)的数据 ,并且该软件可以导出 dxf文件 ,从而被 A u toCAD 调用 。不同方法有不同的数学模型 ,下面结合实际的地震资料来分析这些方法的原理和特点 。以河南省 禹州预查区的地震数据为例 ,使用 12种网格化模型 插值方法绘制等值 线 , 其中 多项 式 回归 法 、改进 的 Shep a rd法 、移动平均值法 、D a ta M e tric s法 、局

9、部 多 项式法 、最近邻法绘制的等值线形态与真实地层相差太大 ,受篇幅限制不再叙述 。笔者选择线性内插 的三角网法 、距离倒数乘方法 、最小曲率法 、径向基 本函数法 、克立金法这 5 种网格方法绘制的等值线 (图 3图 7 )来作比较 。观察以下 5 幅等值线图 ,每 幅图的中部都有一条等值线密集的条带 ,这是因为网格化插值时没有加入断层数据 ,断层的落差以密 集的等值线表现出来 。断层未进行平面组合时 ,仅 根据等值线的疏密 ,就可以大致确定断层的形态和 位置 。下面具体来分析这 5种网格方法绘制的等值 线 。线性内插的三角网法是通过在原始数据点之间 连线形成一张由三角形拼接而成的覆盖整个

10、数据的 三角网 ,网中所有三角形的边都不能与另外的三角 形相交 。给定三角形内的全部结点由定义该三角形 的 3个原始数据点计算出 。该方法是一种严密的插 值器 ,其工作过程与手工绘制等值线类似 ,然而生成的等值线不光滑 , 且不推断轮廓以外的等值线 (图3 ) 。该方法在数据均匀分布时网格效果 最佳 。实 际数据不可能完全分布均匀 ,所以效果不好 。图 1 速度内插计算程序界面图 2 坐标内插计算程序界面经过计算获取了绘制等值线的三维坐标 ( x, y, z) (表 1 ) , 一对 x、y 坐标可以对应多个 z值 , z值可以代表 t0 时间 、煤层底板高程 h、地层厚度 、元素含量等 。这

11、个 Exce l数据可以直接被 Su rfe r绘图软件 打开调用 ,不用转换格式 。表 1 三维数据 ( x, y, z)1. 2 用 Surfer软件自动绘制等值线由于经济条件和地理因素的制约 ,实际采集到 的地震数据有限 ,通过有限的地震数据来直观地显 示大范围内的地层信息通常要 对离 散不 规 则数 据( x, y, h )作空间插值得到网格数据 , 这一过程称为网格化 ,最后通过网格内插得到的网格化数据就可 以对地下情况进行科学可视化展示 ,如生成的地质 剖面图 、等值线图 、立体图等 2 ,由此可以迅速地建 立对地层构造形态的整体认知 。美国 GOLD EN 公 司的 Su rfe

12、 r软件具有卓越的网格化和等值线功能 , 是目前最强大 、最灵活和最简便易用的等值线和三 维立体图形绘图软件 。 Su rfe r8. 0 采用的 12 种网格图 3 采用线性内插的三角网法绘制的等值线距离倒数乘方法是一种加权平均插值的方法 ,通过乘方系数控制权重 ,随着离格网结点距离的增 大而权重减小 。随着乘方系数的增大 ,网格结点的数值越接近最邻近点的值 。距离加权平均插值法非常快 ,但是它通常围绕数据点生成靶心“bu lls2eye ”桩号t /m shxy1790228924532889328918401856. 6671846. 6671806. 6671736. 667- 394

13、2. 72- 3995. 53- 3963. 81- 3837. 85- 3618. 143800771. 8033801270. 8023801434. 8013801870. 8003802270. 798616754. 220616754. 227616754. 229616754. 235616754. 240物 探与化 探33卷474状的等值线 。这种方法没有考虑方向 ,当某个方向上的数据点很集中时 ,其他方向上已知数据点的影 响就有可能被忽略 ,从而造成较大的误差 3 。地震 野外数据采集是沿一条条的测线进行 ,由于纵横向 采样不均匀带来一定的误差 (图 4 ) 。图 6 采用径向

14、基本函数法绘制的等值线克立金法是一个在许多领域已广泛应用的和受 欢迎的地质统计学的网格化方法 ,这种方法从不规 则的空间数据产生一个视觉吸引力的真实地图 ,并 且根据数据尽量地表现趋势 。克立金法分为两步 : 第一步是对空间场进行结构分析 ,即在充分了解场的性质的前提下 ,提出变差函数模型 ;第二步是在该 模型的基础上进行计算 。克立金法以空间结构分析 为基础进行估值 ,这种方法可以自动识别数据点的 空间分布 ,如果若干数据距离较近而且在同一方向 , 那么离待估点较近的点的权值较大 ,而其他点的权值较小 ,这样就消除了由于采样不均匀带来的误差 。图 4 采用距离倒数乘法绘制的等值线最小曲率法广

15、泛用于地球科学 。用最小曲率法 生成的插值面类似于一个薄的矩形弹性面 ,这个弹 性面通过各个数值点且具有最小曲率 。最小曲率法 在最大限度照顾数据的同时 ,生成尽可能圆滑的曲 面 。最小曲率法不是确切的内插方法 ,并不总是尊重数据 。并且在没 有数 据的 区 域生 成大 量 杂乱 曲 线 ,如图 5。实际地层情况是非常复杂的 ,这种方法 将地下情况设计得过于理想化 2 , 4 。图 7 采用克立金法绘制的等值线由上述对比可知 : 普通克里金法是对空间数据 求最优 、线性 、无偏内插估计量的方法 ,所绘等值线 既保持数据的细节又尽力地表现趋势 ,能够最大程 度的利用所给的 信 息 , 具有 很高

16、 的 空间 外推 精 度 。所以我们选择克里金法绘制等值线 。使用 Su rfe r绘制等值线的具体操作为 :( 1 )自动 绘 制 等 值 线 。首 先 使 用 网 格 菜 单 中 “GR ID | D a ta”命令将准备好的数据直接调入 Su rfe r 中 ,对话框中 x、y、z放入对应的 x、y、h 列数据 ,选择克里金网格 化插 值 方法 , 生 成网 格文 件 ( 3 . grd ) 。 然后用“M ap | Con tou r M ap | N ew Con tou r M ap ”菜图 5 采用最小曲率法绘制的等值线径向基本函数法是多个数据插值方法的组合 。 根据数据特性和生

17、成圆滑曲面的能力 ,其中的复二次函数 (m u ltiquad ric)被许多人认为是最好的方法 。 所有径向基本函数法都是很准确的插值器 ,为了能 够生成一个更圆滑的曲面 ,所有这些方法都引入了 一个圆滑系数 。可以指定的函数类似于克立金法中 的变化图 。当对一个格网结点插值时 ,这些函数为数据点规定了一系列最佳权重值 。但观察图 6中的 等值线 ,靶心状等值线多 ,对各项异性表现多 。( 3 ) A u toCAD 比 M ap G IS图形编辑功 能强 。如A u toCAD 中使用复制 、粘贴能将一系列坐标 ( x, y ) 一次绘成线 ;将捕捉按钮按下去 ,绘制同一条线时可 以捕捉不

18、同的如圆心 、端点 、中点 、交叉点 、垂足等特征点连线 ;可以利用各种几何方法绘图等功能 ,非常方便快捷 。M ap G IS在后期版本上增加了用点连线 和解析 造 线 功 能 , 由 于 其 文 件 有 点 ( 3 . W T) 、线 ( 3 . WL ) 、面 ( 3 . W P ) 之分 ,用点连线或解析造线 时只能在 单 一 的 状 态 下 编 辑 , 所 以 使 用 中 远 不 如 A u toCAD 方便 。虽然 M ap G IS具 有 完善 的制 图 功能 , 毕 竟它 是 地理信息系统 ,在绘图方面与 A u toCAD 这个专业制 图软件相比功能不如其强大且使用烦琐 ,效

19、率不高 , 所以使用 A u toCAD 修改断层附近的等值线 ,虽然增 加了一个步骤 ,但效率和准确度反而提高 。1. 4 M a pG IS地图入库并使图面更丰富M ap G IS是 国 产 优 秀 的 桌 面 地 理 信 息 系 统( G IS)软件 ,具有强大的制图功能 , 图面美观 ; 对于 各种专题图例符号的制作较其 他软 件 方便 灵活 得 多 ;基本上完成了 G IS方面的分析功能 。M ap G IS单命令调入网格文件自动生成等值线 。另外 ,在坐标 x、y 不变化的情况下 , 调换 z值为 t或其他数值 , 就可以生成等时线图或其他符合要求的等值线图 。 ( 2 )绘点位图

20、 。利用 x、y、z数据生成数据点位图 ( po st m ap ) ,并使用 Su rfe r的标注功能将 z列中的高程快速地标注出来 ,方便在 A u toCAD 中依据数据 准确修改等值线 。( 3 )将等值线图和点位图复制到粘贴板上 , 或 者直接导出 ( expo rt)扩展名为 dxf文件即可被 A u to2CAD 调用 。1. 3 A u toCAD 中修改断层附近的等值线A u to de sk公司推出的 A u toCAD 软件具有强大 的图形处 理 功 能 , 绘 制 等 值 线 图 时 主 要 利 用 坐 标 ( x, y ) 、几何图形 、对象捕捉等精确制图的功能 ,

21、 大大提高了制图精度和速度 。按工作顺序操作如下 。( 1 )绘制底图 。将测量成果 、交点桩 号 、钻孔 、 煤层 露 头 、断 层 和 相 应 的 标 注 等 , 根 据 坐 标 , 利 用 Exce l的编辑数据 ( Y& , &X ) 功能 准确 迅 速地 展 绘到 A u toCAD 中作为底图 。( 2 )断层的平面组合 。断层平面分布图是构造图的骨架 ,作好断点的平面组合 ,连接断层 。( 3 )修改断层附近的等值线 。将粘贴板中 Su rf2 e r等值线和点位图 ,利用 A u toCAD 中选择性粘贴将 Su rfe r图形转换为 A u toCAD 图元 。由于 Su r

22、fe r软件 在进行网格化插值时 ,没有考虑到断层的影响 ,跨断 层进行了插值 ,因此要根据断层的落差 ,钻孔资料 ,勘探线上的相关数据和数据点位图 ,利用 A u toCAD 强大的编辑功能 ,结合地质规律修改等值线 ,直到断 层和等值线达到最合理为止 。( 4 ) 把修改后的等值线 、断层 、钻孔等生成 dxf文件 ,以便 M ap G IS调用 。使用 A u toCAD 编辑断层附近的等值 线 而不 直 接在 M ap G IS中编辑 , 是因为两者在制图方面相比 A u toCAD 有下列优点 。( 1 ) A u toCAD 可以直接调用粘贴板上的 Su rfe r图形 ,但 M

23、ap G IS必须将 Su rfe r生成的 dxf文件用文 件转 换 子 系 统 转 换 成 M ap G IS 标 准 格 式 文 件 3 .W P、3 . WL、3 . W T后方能使用 。( 2 ) A u toCAD 在同一窗口界面中用各种工具能 完成不同操作 , 而 M ap G IS需要调用不同的子程序 (文件转换 、图形裁剪 、投影变换等 ) 进行操作 。例如 Su rfe r图形叠加到地理底图上需要调整比例 ,在 M ap G IS中需要在投影变换子系统中进行投影变换 调整比例 ,而在 A u toCAD 中只使用缩放一个命令即 可完成 ,简单易操作 。软件有内容丰富 、功

24、能 完善 的符 号 库编 辑子 系 统 。目前地震勘探项目要求提交 M ap G IS格式文件 , 各种规范 、标准是针对 M ap G IS 制 定的 。用户 可以 根 据规范要求 , 通过简 单 的图 形编 辑 , 快 速生 成子 图库 、线型库 、填充图案库和矢量字库 ,建立专业的地质符号库 ,同时这些符号库可以单独复制出来 ,运用 方便 。等值线图 在 M ap G IS 中 的处 理 成图 、入 库的 方法如下 :在文件转换子系统中 ,将 A u toCAD 的 dxf文 件转换为 M ap G IS内部矢量文件 3 . W P、3 . WL、3 .W T格式 。在图形编辑子系统中使

25、用地质符号库修改 、完善图面 , 使图面表现力更丰富 。通过拓扑检 查 ,生 成 区 文 件 , 可 以 进 行 储 量 计 算 等 分 析 , 提 供M ap G IS格式的数字化地图 ,满足利用 M ap G IS建库的需要 。2 结束语在地震勘探中 ,由解释人员解释出来的层位信 息包括大量不规则分布的三维深度数据和断层构造 的断点数据 ,不规则数据网格化和最终的构造图成 图是一件相当复 杂 而又 难度 较 大的 工作 。由此 可 知 , M ap G IS虽然有很多优点 ,但是并不完全适合绘 制地震构造图 。根据地震解释成图的特点 ,从每个 M ap G IS地理信息系统使用手册. 武汉

26、 :中地数码集团物 探与化 探33卷476制图环节入手提高精度和效率 ,制定了联合多种软件勾绘等值线的制图模式 ,将计算和绘图结合起来 , 避免了人为因素 干 扰 , 提高 了工 作效 率 , 节 约了 成 本 。这个制图模式中对网格化模型的选择很重要 , 通过对比分析 ,笔者认为普通克里金法是对空间数据求最优 、线性 、无偏内插估计量的方法 ,所绘等值 线兼顾表现各向异性和数据潜在的趋势 。在物探 、化探 、水文 、地质工作中 ,很多成果资料 使用等值线来表现 ,利用这个制图模式进行数据计 算 、网格化插值和绘图 ,可以高效高质量地绘制等值线 ,具有很好的应用前景 。熟悉 Su rfe r软

27、件的各种 网格方法的基本理论知识 ,根据各种数据的不同特 点 ,结合数据分析的目的 ,科学地选择内插方法 ,灵 活地进行参数设置 ,内插生成网格文件 ,在此基础上 绘制各种符合要求的等值线图 ,供我们提取更多的地学信息 。参考文献 : 1 陆基孟. 地震勘探原理 (下册 ) J . 东 营 : 石油 大学 出版社 ,1993.程红杰 ,胡祥云 ,田米玛 ,等. 地震数据网格化方法 J . 工程地 球物理学报 , 2006 , 3 ( 1 ) .颜辉武 ,祝国瑞 ,徐智勇. 基于动态 Vo rono i图的距离倒数加权 法的改进研究 J . 武汉大学学报 :信息科学版 , 2004 , 29 (

28、 11 ) . 武法东 ,田明中 ,柴春媚. 实用计算机制图 Grap he r4、Su rfe r8 及 Co re lDRAW 10 操作指南 M . 北京 :地质出版社 , 2005.靳国栋 ,刘衍聪 , 牛文杰. 距离加权反比插值法和克里金插值 法的比较 J . 长春工业大学学报 , 2003 , 24 ( 3 ) .伍卓鹤 ,赵献军 ,陈明. M ap G IS高程模型网格化参数的确定及 网格化模型的选择 J . 广东地质 , 2003 , 18 ( 4 ) . 2 3 4 5 6 THE CO NSTRUC T IO N O F THE M A PP I NG M OD E FO

29、R QU I C K D RAW I NG O FCO NTO URS BY US I NG VA R IO US K I ND S O F SO FTW A REZHAO Yu, ZHAN G H u i2li, WU X iu2jiang( Henan Institu te of Geophysica l Eng ineering Explora tion, Z hengzhou 450053, Ch ina )A b stra c t: In the ligh t of cha rac te ristic s of se ism ic in te rp re ta tion and st

30、ruc tu ra l m ap , th is p ap e r dea ls w ith a m app ing mode fo r qu ickp roduc tion of struc tu ra l con tou rs by u sing va riou s k ind s of softwa re, such a s fou r p roce sse s fo r ca lcu la tion of an XYZ da ta in Exce l, au2 tom a tic c rea tion of a con tou r m ap u sing the gridd ing m

31、 e thod in Su rfe r, comp le tion of a mo re logica l con tou r m ap in A u toCAD , and mo re p e rfec t p roce ssing of the logica l con tou r m ap in M ap G IS. The m app ing mode can he lp reduce the wo rk load, avo id a rtific ia l e rro rs, and rea lize the d raw ing of struc tu ra l con tou rs

32、 w ith h igh p rec ision and effic iency. B y p roduc ing grid file s u sing five d iffe ren t gridd ing m e thod s and comp a ring the re su lts in p rac tica l app lica tion, th is p ap e r give s a qu ick ove rview of each gridd ing m e thod and po in ts ou t advan tage s and d isadvan tage s of

33、each m e thod. The five Gridd ing m e thod s inc lude Triangu la tion w ith L inea r In te rpo la tion, Inve rse D istance to a Powe r, M in im um Cu rva tu re, R ad ia l B a sis Func tion and Kriging. U nde r mo st c ircum stance s, k riging is the se lec ted defau lt gridd ingm e thod becau se it

34、give s be tte r re su lts fo r mo st XYZ da ta se ts. In add ition, the m e rits of A u toCAD re la tive to M ap G IS in ed iting and re2vising con tou rs a re emp ha tica lly d iscu ssed.Key word s: Exce l; Su rfe r; Gridd ing m e thod; A u toCAD; M ap G IS; con tou r m ap; m app ing mode作者简介 : 赵豫 ( 1975 - ) ,女 ,工程师 , 1999年毕业于解放军测绘学院工程测量专业 ,一直从事工程测量和计算机制图工作 ,公开发表学术论文数篇 。