海洋地球物理平面剖面圖的繪制

譚勇華，高金耀，張 濤

（國(guó)家海洋局第二海洋研究所，國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

海洋地球物理平面剖面圖的繪制

譚勇華，高金耀，張 濤

（國(guó)家海洋局第二海洋研究所，國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

以海洋地磁平面剖面圖(以下簡(jiǎn)稱平剖圖)的繪制為例，介紹了繪制海洋地球物理平剖圖的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法。該方法思想新穎，具有使用效率高、適用范圍廣、上手快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)“908”（我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)）海洋地磁異常數(shù)據(jù)的試處理，取得了令人滿意的效果。

海洋地球物理；平面剖面圖；Matlab；Surfer

海洋地球物理數(shù)據(jù)中的平剖圖，能夠很好地反映數(shù)據(jù)的區(qū)域變化趨勢(shì)及局部細(xì)節(jié)，對(duì)異常識(shí)別幫助很大，是海洋地球物理數(shù)據(jù)處理、結(jié)果解釋的一種重要的常規(guī)表現(xiàn)形式。20世紀(jì)90年代以前，由于計(jì)算機(jī)普及程度低，在進(jìn)行海洋地球物理數(shù)據(jù)處理時(shí)，先用計(jì)算機(jī)繪制出剖面場(chǎng)值曲線及航跡線，然后手工填充上色。由于海洋地球物理探測(cè)跨區(qū)大、測(cè)線多且密集，手工著色費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低，所繪圖件著色不一致、不美觀，不能適應(yīng)快速高效、數(shù)字化、自動(dòng)化的數(shù)據(jù)成圖要求。近年來，一些面向陸地測(cè)量的商業(yè)軟件相繼面世。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也有研究人員開發(fā)了一些專業(yè)的小程序來解決陸地上測(cè)量的平剖圖繪制軟件[1-3]，由于編程人員主要考慮陸地上的測(cè)量要求，即測(cè)線比較規(guī)則，測(cè)線方向和測(cè)點(diǎn)間距預(yù)先定下來。所以要繪制平剖圖，實(shí)施起來相對(duì)比較容易。而海洋調(diào)查具有的不確定因素較多，航向不可能總能保持在一個(gè)方向上，實(shí)際測(cè)線可能是一條折線，所以從原理上來說，海洋數(shù)據(jù)的處理比陸地上數(shù)據(jù)的處理要煩瑣。除有部分間接使用其它商業(yè)軟件作為輔助繪圖以外[4-5]，到目前為止，國(guó)內(nèi)尚未有完全適合海洋地球物理數(shù)據(jù)直接使用的平剖圖繪制軟件的報(bào)道。作者在綜合研究了前人在陸地上測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)成圖方法后，提出了利用surfer8.0和Matlab軟件繪制海洋地球物理平剖圖的成圖技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用表明，作為一種輔助成圖手段，該方法既充分利用Matlab強(qiáng)大的矩陣計(jì)算（解方程組）的能力，又完全利用了surfer8.0軟件強(qiáng)大的繪圖功能，高效地繪制出美觀、一致的平剖圖，提高了海洋地球物理數(shù)據(jù)處理的效率和質(zhì)量。

1 實(shí)現(xiàn)流程

此方法之所以能夠簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化內(nèi)業(yè)繪圖，主要得力于Matlab強(qiáng)大的矩陣計(jì)算（解方程組）能力和Surfer軟件強(qiáng)大的繪圖功能。第一步，將數(shù)據(jù)整理成規(guī)則數(shù)據(jù)格式，地球物理儀器采集的數(shù)據(jù)一般都輸出以空格為間隔的規(guī)則數(shù)據(jù),基本上不需要加工即可繪制原始數(shù)據(jù)剖面圖；第二步，將異常值轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)，具體算法及原理在2.1和2.2節(jié)細(xì)述；第三步，輸出成Bln文件，第四步,利用Surfer生成平剖圖。此方法實(shí)現(xiàn)起來也非常簡(jiǎn)便，其流程如圖1。

圖1 繪制平剖圖的流程

2 剖面數(shù)據(jù)處理

2.1 繪制剖面圖的基本原理

剖面圖是表示某一測(cè)線或方向的剖面上特征值變化情況的圖件。平剖圖是由全測(cè)區(qū)的所有剖面或測(cè)線按實(shí)際位置并列在一張平面圖紙上構(gòu)成[3]。在陸地測(cè)量時(shí)，由于預(yù)先知道測(cè)線的方向和點(diǎn)號(hào)，而且測(cè)線為一直線，要做平剖圖相對(duì)比較容易（如圖2）。在進(jìn)行海洋測(cè)量時(shí)，由于船的航向不可能總是一個(gè)固定的方向值。所以實(shí)際測(cè)線不是一條嚴(yán)格的直線（如圖3）。以海洋地磁測(cè)量為例，在理想條件下，認(rèn)為實(shí)際航線為一直線，假設(shè)調(diào)查船沿測(cè)線A-E進(jìn)行測(cè)量（圖4），分別在 A（X1，Y1）、B（X2，Y2）、C（X3，Y3）、D（X4，Y4）、E（X5，Y5）五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，五個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的的測(cè)量值分別為K1，K2，K3，K4，K5，在剖面上，A 點(diǎn)的磁場(chǎng)為 K1，假設(shè)比例系數(shù)為1，則代表J到A點(diǎn)的距離為K1，得到方程：

且直線JA⊥AB，得到方程：

其中 A（X1，Y1），B（X2，Y2）為已知坐標(biāo)，結(jié)合式（1）和式（2）可解出x和y的值，即J點(diǎn)的坐標(biāo)可以解出，同樣步驟可以解出 I，H，G，F(xiàn) 的坐標(biāo)。 按順序輸出 A，B，C，D，E 和 F，G，H，I，J構(gòu)成一條沒有著色的剖面。

圖2 陸地地球物理測(cè)量的剖面示意圖

圖3 海洋地球物理走航測(cè)量的剖面示意圖

圖4 調(diào)查剖面示意圖

2.2 剖面數(shù)據(jù)處理

海洋走航調(diào)查受海流和其它因素影響，實(shí)際測(cè)線方向不可能總保持一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方向，每?jī)牲c(diǎn)的斜率會(huì)有較大變化，我們先通過將所有要成圖的測(cè)線數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，然后從網(wǎng)格數(shù)據(jù)中根據(jù)設(shè)計(jì)測(cè)線的起點(diǎn)和終點(diǎn)輸出成規(guī)則測(cè)線。

對(duì)方程（1）和方程（2）組成的二元二次方程聯(lián)立求解，常規(guī)的方法包括迭代法、牛頓法等，但這兩種方法要在Fortran或C語言里實(shí)現(xiàn)，如果沒有現(xiàn)成的函數(shù)，程序編寫比較煩瑣。我們可以利用Matlab強(qiáng)大的矩陣計(jì)算能力。無需煩瑣的程序語言編寫，只要我們輸入方程組，即可把方程解出來。

2.3 轉(zhuǎn)換為Surfer成圖文件格式

Surfer支持一種稱為白化文件的bln文件，它是用ASCII明碼寫成的通知Surfer空白某一區(qū)域的文件。bln文件具有以下格式：

length是背景地圖某條折線中的節(jié)點(diǎn)數(shù)。flag是白化區(qū)特征值，可取1或0，默認(rèn)為 flag=1；當(dāng)flag=1時(shí)，節(jié)點(diǎn)圈出的區(qū)域被白化，如果 flag=0，則是圈合折線以外的區(qū)域被白化。對(duì)bln文件作出的白化區(qū)域還可以充填顏色。

“Pname 1”是某一區(qū)域或某一節(jié)點(diǎn)的 ID。xi，yi是第 I節(jié)點(diǎn)的 x、y坐標(biāo)值，xn，yn可以與 x1，y1相等或不等。 當(dāng) xn=x1且yn=y1時(shí)，這條折線形成閉合折線框；如果 xn≠x1或yn≠y1時(shí)，這條折線不閉合，形成一條折線。由此我們較容易利用Surfer這一功能設(shè)計(jì)繪制剖面平面圖。仔細(xì)觀察可以看到，平時(shí)使用的平面剖面圖由很多個(gè)小的閉合區(qū)域組成。就單個(gè)剖面而言，它由若干個(gè)正異常閉合區(qū)和若干個(gè)負(fù)異常閉合區(qū)組成。通過Matlab程序進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，進(jìn)一步將點(diǎn)按順序生成小的閉合區(qū)域（xn=x1且yn=y1）。值得注意的是，地球物理平剖圖在著色時(shí)，一般方法是正異常使用紅色填充、負(fù)異常使用藍(lán)色填充，所以在制作剖面圖的bln文件時(shí)，需要生成正、負(fù)異常2個(gè)bln文件，在Surfer里繪制基面圖，最后將正異常圈閉的區(qū)域文件與負(fù)異常圈閉的區(qū)域文件進(jìn)行地圖疊加，生成一個(gè)正負(fù)一體的平剖圖。

只要輸入方程組，即可把方程解出來。程序的代碼如下:

圖5 “908”某區(qū)塊海洋重力布格異常平面剖面圖

圖6 “908”某區(qū)塊海洋地磁異常平面剖面圖

3 計(jì)算實(shí)例

使用上述代碼，我們可以批量繪制出與地球物理數(shù)據(jù)的平剖圖，經(jīng)過統(tǒng)一的比例尺標(biāo)定，從而使批量做出的圖形具有很好的可比性,對(duì)研究不同時(shí)間,不同空間的海洋地球物理資料提供了比較直觀的參考。我們利用該方法對(duì)“908”某區(qū)塊的海洋地磁調(diào)查數(shù)據(jù)繪制了平剖圖（圖5，圖6），平剖圖簡(jiǎn)單易行，圖面美觀清晰，不需要逐條繪制，很好地滿足了當(dāng)前一線和二線地質(zhì)地球物理工作者快速準(zhǔn)確地繪制平剖圖的迫切要求。

4 結(jié)論

本文參考了陸地地球物理測(cè)量時(shí)所使用的繪圖方法[1，3]中的部分思想，比較通俗地?cái)⑹隽艘环N簡(jiǎn)便的方法來繪制海洋地球物理的平剖圖，實(shí)踐證明該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）本方法利用Matlab強(qiáng)大的矩陣計(jì)算能力，無需用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)語言來解方程組；

（2）該方法對(duì)數(shù)據(jù)格式的要求不高，可以根據(jù)具體格式在Matlab里隨意修改；

（3）利用Surfer強(qiáng)大的繪圖功能，使畫圖模塊可在現(xiàn)成的軟件下實(shí)現(xiàn)，對(duì)沒有相關(guān)計(jì)算機(jī)語言基礎(chǔ)的用戶可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)；

（4）實(shí)際工程案例說明其簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于大范圍大工作量的測(cè)線尤其適合。具有效率高、適用范圍廣、上手快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

[1]李文杰，等.運(yùn)用SURFERTM軟件繪制航空物探平面剖面圖[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2007，29（4）：363-366.

[2]辛柏森，等.海洋地磁學(xué)[M].青島：青島海洋大學(xué)出版社，1994.

[3] 孫中任 趙東亮，等.利用 Surfer實(shí)現(xiàn)剖面平面圖[J].物探與化探，2006，30（2）：172-174.

[4]白世彪 王軍見，等.Surfer軟件在水下地形三維可視化與分析中的應(yīng)用[J].海洋測(cè)繪,2004,24（5）：51-53.

[5]王冠琳 胡筱敏，等.使用Surfer Automation實(shí)現(xiàn)海洋要素等值線圖的批量繪制[J].海洋技術(shù),2007，26（2）：70-75.

Profile-plan Portraying about Ocean Physical Geography

TAN Yong-hua1,2,GAO Jin-yao1,2,ZHANG Tao1,2
(1.Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou Zhejiang 310012,China;2.Key Laboratory of Submarine Geosciences,SOA,Hangzhou Zhejiang 310012,China)

A method of portraying a profile-plan about marine physical geophysics data is presented.Its basic principle is introduced in detail.This method obviously improves the portraying effect compared to the previous method.It uses a kind of new idea.It has many advantages such as high efficiency,wide application,simple operation and so on.Excellent results have been gained by processing the data of“908”marine magnetic anomalies using this method.

marine geophysics;profile-plan;Matlab;Surfer

P285.7

B

1003-2029（2011）03-0052-04

2011-01-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41006035,40776036)；我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)(908-ZC-I-06)

譚勇華（1977-），男，湖南漣源人，碩士，助理研究員，海洋地質(zhì)專業(yè)。E-mail:tan_yh@126.com