基于GUI 的冷泉羽狀流數(shù)值模型可視化系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李燦蘋(píng)，陳鳳英，郭子豪，田鑫裕

（1.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江），廣東 湛江 524025；2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

天然氣水合物，俗稱(chēng)“可燃冰”，存在于海底沉積層或陸地永久凍土帶，具有能量高、分布廣、規(guī)模大等特點(diǎn)，被認(rèn)為是21 世紀(jì)的重要新能源[1-3]。因此，天然氣水合物具有重要的能源戰(zhàn)略地位，水合物的識(shí)別和勘探開(kāi)發(fā)也是當(dāng)今科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，中國(guó)在水合物勘探和開(kāi)采上取得了顯著成績(jī)，不僅在海洋和陸地都成功鉆獲實(shí)物樣品[4-5]，而且在試采上也連續(xù)取得了一系列重大突破，實(shí)現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗(yàn)性試采”的重大跨越，邁出天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中極其關(guān)鍵的一步[6-7]。

在海底深部沉積地層，游離氣通過(guò)裂隙、裂縫等通道向上運(yùn)移，一部分在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)形成水合物，另一部分與水合物分解的氣體一起繼續(xù)向上運(yùn)移到達(dá)海底[8]，然后以噴涌或滲漏的方式注入到海洋中，從而形成冷泉和氣泡羽狀流[9-10]。因此，冷泉羽狀流是海底氣體滲漏的直接表現(xiàn)形式，同時(shí)也對(duì)水合物勘探識(shí)別起到間接指示作用。冷泉羽狀流近些年吸引了眾多學(xué)者的目光，在數(shù)值模擬方面取得了一定進(jìn)展，如李燦蘋(píng)等[11-14]較早進(jìn)行了海底冷泉活動(dòng)區(qū)氣泡羽狀流的地震數(shù)值模擬，通過(guò)建立羽狀流水體模型，研究了冷泉活動(dòng)區(qū)氣泡羽狀流的地震響應(yīng)特征，并探討了氣含量與地震屬性之間的關(guān)系；段沛然等[15]使用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法進(jìn)行了羽狀流數(shù)值模擬并觀測(cè)其地震響應(yīng)特征，其正演結(jié)果表明地震響應(yīng)能夠準(zhǔn)確描述海底冷泉羽流；張閃閃等[16]采用含氣泡液體聲波方程進(jìn)行了海底冷泉高頻地震波數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了冷泉羽狀流地震響應(yīng)的高精度數(shù)值模擬；宋海斌等[17]利用地震海洋學(xué)的方法進(jìn)行了羽狀流的數(shù)值模擬研究。在羽狀流探測(cè)技術(shù)上也取得了一定進(jìn)展，如劉斌等[18]利用多波束聲吶發(fā)現(xiàn)了瓊東南海域的羽狀流，并結(jié)合淺剖剖面分析了氣體滲漏與水合物系統(tǒng)之間的相互作用；韓同剛等[19]總結(jié)了羽狀流在海底可視技術(shù)、聲吶系統(tǒng)、地震方法的表現(xiàn)形態(tài)特征，分析了3 種探測(cè)方法的適用性和局限性；楊力等[20]利用多波束聲吶數(shù)據(jù)、多道地震數(shù)據(jù)和底質(zhì)取樣結(jié)果研究了瓊東南海域活動(dòng)冷泉系統(tǒng)，分析了活動(dòng)冷泉的羽狀流特征、海底地貌與底質(zhì)特征，以及流體活動(dòng)構(gòu)造特征。目前，利用聲學(xué)探測(cè)技術(shù)可以對(duì)羽狀流清晰成像[11]，但羽狀流氣含量、地震響應(yīng)機(jī)理，以及與下伏地層中水合物的相關(guān)性尚不明確，這些都需要將海洋水體與海底地層連接在一起，通過(guò)地震的方法得以更好地解決。另外，雖然眾多學(xué)者都開(kāi)展了羽狀流的數(shù)值模擬研究，但基本都未將其開(kāi)發(fā)成便于模擬的系統(tǒng)軟件的形式。

基于以上，為深入研究羽狀流地震響應(yīng)特征，以及利用地震方法進(jìn)行氣含量反演，本文前期根據(jù)含氣泡海水聲波速度模型及隨機(jī)介質(zhì)理論建立了羽狀流數(shù)值模型[11]，但生成每個(gè)模型時(shí)都要重新輸入?yún)?shù)和執(zhí)行源程序，步驟繁瑣。由此，本文在已有羽狀流模型算法程序基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了羽狀流數(shù)值模型可視化系統(tǒng)，使得生成羽狀流模型更加簡(jiǎn)潔和方便，以服務(wù)于羽狀流后續(xù)相關(guān)研究工作。

1 羽狀流數(shù)值模型

羽狀流地震響應(yīng)機(jī)理研究，首先要通過(guò)羽狀流數(shù)值模擬試驗(yàn)研究其地震波場(chǎng)特征、氣含量與地震屬性的相關(guān)性等，然后根據(jù)所獲得的理論知識(shí)來(lái)指導(dǎo)實(shí)際地震資料的處理和解釋?zhuān)瓿捎馉盍鞯卣鹱R(shí)別和反演研究，在此基礎(chǔ)上探索羽狀流地震響應(yīng)機(jī)理。羽狀流地震數(shù)值模擬的前提是先建立數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)羽狀流數(shù)值模型的基本思路是：通過(guò)分析含氣泡海水介質(zhì)的聲學(xué)特性，利用姚文葦[21]推導(dǎo)的含氣泡介質(zhì)內(nèi)聲速模型或等效介質(zhì)理論[22]來(lái)實(shí)現(xiàn)羽狀流水體聲波速度[11]；由實(shí)際羽狀流探測(cè)結(jié)果[23-24]推測(cè)出羽狀流中氣泡在海水介質(zhì)中的分布特點(diǎn)，由此依據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論可實(shí)現(xiàn)氣泡的隨機(jī)分布；根據(jù)圖1 所示的羽狀流實(shí)際賦存狀態(tài)，利用橢圓函數(shù)實(shí)現(xiàn)羽狀流的外形特征[25]。有關(guān)羽狀流建模的算法和詳細(xì)流程參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]，本文重點(diǎn)關(guān)注羽狀流數(shù)值模型可視化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[11]中所實(shí)現(xiàn)的羽狀流模型是通過(guò)在源程序中輸入?yún)?shù)，然后執(zhí)行源程序?qū)崿F(xiàn)的。如果要進(jìn)行較多的實(shí)驗(yàn)操作，需每次修改源程序的參數(shù)語(yǔ)句，這不僅繁瑣，而且還容易出錯(cuò)，給實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)不便。因此，為了解決以上問(wèn)題，本文在源程序基礎(chǔ)上，通過(guò)圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI) 軟件實(shí)現(xiàn)羽狀流模型數(shù)值模擬的可視化系統(tǒng)，通過(guò)點(diǎn)擊系統(tǒng)界面上的按鈕，可以方便地產(chǎn)生各類(lèi)羽狀流模型。

圖1 鄂霍次克海冷泉?dú)馀萦馉盍?/p>

2 模型可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路：在已實(shí)現(xiàn)的羽狀流水體模型算法程序基礎(chǔ)上，利用軟件完成GUI 設(shè)計(jì)，達(dá)到羽狀流數(shù)值模擬的可視化。具體為：首先新建一個(gè)GUI，利用界面的Panel 按鈕完成界面初步布局，將界面劃分成5 個(gè)模塊：常量賦值、模型規(guī)格賦值、生成圖像、實(shí)現(xiàn)角度傾斜的羽狀流和導(dǎo)出數(shù)據(jù)；然后對(duì)各模塊添加所需按鈕，修改按鈕信息及編寫(xiě)其Callback 回調(diào)函數(shù)；最后通過(guò)GUI 修改常量賦值和模型規(guī)格賦值中的可變參數(shù)值，點(diǎn)擊相關(guān)按鈕生成不同情況下羽狀流模型圖和導(dǎo)出相應(yīng)的羽狀流速度數(shù)據(jù)文件。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，羽狀流模型數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程如圖2 所示，最終實(shí)現(xiàn)的可視化系統(tǒng)界面如圖3 所示。

圖2 羽狀流模型數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)流程圖

圖3 羽狀流模型數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)界面

3 模型可視化系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)

3.1 常量賦值模塊

本模塊主要功能是為生成圖像、實(shí)現(xiàn)角度傾斜的羽狀流和導(dǎo)出數(shù)據(jù)3 個(gè)模塊提供常量數(shù)據(jù)。模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：先利用工具欄中Panel 控件劃分一個(gè)區(qū)域，然后在區(qū)域中使用靜態(tài)文本框Static Text 來(lái)顯示每一個(gè)參數(shù)的名稱(chēng)，其作用是對(duì)文本信息進(jìn)行顯示，通過(guò)修改字符串屬性項(xiàng)中的輸入完成。使用可編輯文本框Edit Text 來(lái)顯示每一個(gè)參數(shù)的初始值，其作用是輸入數(shù)據(jù)，在其字符串屬性項(xiàng)中修改要顯示的數(shù)據(jù)或公式。

本模塊在輸入常量參數(shù)值時(shí)還設(shè)置了判斷環(huán)節(jié)，如果輸入的數(shù)值不在所設(shè)定的區(qū)間內(nèi)或是不滿足所需要的條件關(guān)系式，界面會(huì)彈出“error”提示，如圖4 和圖5 所示。出現(xiàn)這種情況需要按下OK 按鈕或是關(guān)閉窗口，然后重新輸入滿足提示框條件的數(shù)值。

圖4 信息框提示參數(shù)取值范圍

圖5 信息框提示參數(shù)應(yīng)滿足的條件

3.2 模型規(guī)格賦值模塊

與常量賦值模塊不同，模型規(guī)格賦值模塊的參數(shù)會(huì)直接影響到羽狀流模型和羽狀流水體模型的建立，它們的改變能直觀地從生成的圖像中反映出來(lái)。模型規(guī)格模塊共有19 個(gè)參數(shù)，各參數(shù)的默認(rèn)值、取值范圍及部分參數(shù)之間的關(guān)系如表1所示。

表1 模型規(guī)格參數(shù)及其取值

模型規(guī)格賦值模塊的界面制作過(guò)程與常量賦值模塊完全相同，此處不再贅述。其中灰色方框的參數(shù)值為默認(rèn)值，不必修改，白色方框的參數(shù)值可修改，并對(duì)部分參數(shù)設(shè)定了取值范圍。

3.3 生成圖像模塊

生成圖像模塊包括4 部分：羽狀流氣泡半徑圖、羽狀流氣泡含量圖、羽狀流聲波速度圖、羽狀流水體聲波速度圖。本模塊通過(guò)工具欄中的Push Button 按鈕生成所需要的4 個(gè)模塊按鈕。模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：將Push Button 按鈕放在區(qū)域內(nèi)，先修改其字符串屬性項(xiàng)，通過(guò)ForegroundColor 屬性修改字體顏色，然后將每個(gè)羽狀流數(shù)值模擬的程序放在相應(yīng)Push Button 按鈕的回調(diào)函數(shù)中，激活對(duì)象，最后成功運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)按鈕功能。

按圖3 中生成圖像模塊各按鈕，界面就會(huì)彈出相應(yīng)各類(lèi)模型圖，如圖6 所示。其中圖6（d）的所有參數(shù)都為默認(rèn)值，通過(guò)改變模型規(guī)格賦值模塊里的參數(shù)，可以生成所需要的羽狀流水體聲速模型圖。

圖6 生成圖像模塊各按鈕對(duì)應(yīng)的模型圖

3.4 實(shí)現(xiàn)角度傾斜的羽狀流模塊

該模塊包括3 部分：輸入傾斜角度、生成羽狀流聲波速度圖和羽狀流水體聲波速度圖。本模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)角度傾斜的羽狀流，通過(guò)在傾斜角度文本框輸入不同角度，羽狀流可以傾斜到不同程度。羽狀流傾斜角度大小是以水平坐標(biāo)為準(zhǔn)，左側(cè)傾斜n 度即是羽狀流與水平軸負(fù)方向的夾角，右側(cè)傾斜m 度即是羽狀流與水平軸正方形的夾角。其中“-”表示左側(cè)角傾斜，若左、右側(cè)傾斜角度相等，則-n=m，角度參數(shù)fai 的取值范圍為[-60°，60°]。

本模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程與生成圖像模塊相同，但生成的速度圖與圖6 中各類(lèi)速度圖不同之處是可以實(shí)現(xiàn)傾斜的橢圓形羽狀流。為模擬出更加符合羽狀流的實(shí)際賦存特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)角度傾斜的橢圓形羽狀流速度體和羽狀流水體聲波速度模型，可以進(jìn)行如下操作。例如，要實(shí)現(xiàn)左側(cè)傾斜60°或右傾斜60°，這時(shí)在傾斜角度文本框輸入-60°或60°，點(diǎn)擊按鈕，便可生成所需模型圖。圖7 為左側(cè)傾斜60°的羽狀流水體速度模型，圖8 為右側(cè)傾斜60°的羽狀流水體速度模型。

圖7 左側(cè)傾斜60°的羽狀流水體速度模型

圖8 右側(cè)傾斜60°的羽狀流水體速度模型

3.5 導(dǎo)出數(shù)據(jù)模塊

本模塊功能是導(dǎo)出并保存已經(jīng)生成的速度文件，方便重復(fù)使用數(shù)據(jù)。該模塊只有兩個(gè)按鈕，分別用來(lái)輸出羽狀流聲波速度文件及羽狀流水體聲波速度文件。

該模塊利用uiputfile 函數(shù)實(shí)現(xiàn)，此函數(shù)格式是[filename pathname] =uiputfile（{文件類(lèi)型，可選類(lèi)型}，′提示名稱(chēng)′），返回值第一項(xiàng)是文件名，第二項(xiàng)是文件存放路徑。uiputfile 函數(shù)在回調(diào)函數(shù)中添加，從而實(shí)現(xiàn)界面保存速度數(shù)據(jù)功能并以文件形式輸出。

在執(zhí)行生成圖像模塊或?qū)崿F(xiàn)角度傾斜的羽狀流模塊后，將會(huì)生成羽狀流聲波速度文件或水體聲波速度文件，此時(shí)點(diǎn)擊導(dǎo)出數(shù)據(jù)模塊按鈕，將跳出一個(gè)保存的信息框，如圖9 所示，在信息框中選擇保存路徑，輸入文件名，保存類(lèi)型默認(rèn)為txt 文本，最后點(diǎn)擊保存，即可完成數(shù)據(jù)保存。

圖9 保存羽狀流聲波速度文件

4 討論與分析

按照以上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思路及各模塊的設(shè)計(jì)方案，最終可以實(shí)現(xiàn)如圖3 所示的羽狀流模型數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)。通過(guò)給常量賦值，設(shè)置模型規(guī)格參數(shù)，點(diǎn)擊各藍(lán)色字體按鈕，即可方便產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模型圖。從圖3 中可以看出，該系統(tǒng)功能多樣，整體簡(jiǎn)潔直觀，相比于執(zhí)行源程序代碼，避免了每次生成模型都要輸入?yún)?shù)的繁瑣步驟，因此，該系統(tǒng)更便于生成羽狀流模型。

以上可視化系統(tǒng)是在羽狀流模型初期建立的基礎(chǔ)上完成的，該系統(tǒng)還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間，比如模型規(guī)格參數(shù)，可以擴(kuò)大取值范圍，但一定要有限定條件，否則參數(shù)之間不滿足既定關(guān)系，將會(huì)報(bào)錯(cuò)；可以建立多個(gè)羽狀流，形態(tài)各異，更符合實(shí)際羽狀流的賦存狀態(tài)；后續(xù)也可以進(jìn)一步將羽狀流地震記錄、偏移處理及提取屬性等環(huán)節(jié)添加進(jìn)來(lái)，由此獲得一個(gè)完整的冷泉羽狀流正演模擬軟件。通過(guò)該軟件，可以更方便地研究羽狀流地震響應(yīng)特征、羽狀流氣含量與地震屬性的關(guān)系等。由于羽狀流氣含量的分布特征及其變化狀態(tài)與海底氣體來(lái)源及地質(zhì)構(gòu)造直接相關(guān)，而水合物分解的甲烷是羽狀流氣體的重要來(lái)源。因此，在本文開(kāi)發(fā)的羽狀流數(shù)值模型可視化系統(tǒng)基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步探索羽狀流與水合物之間的內(nèi)在聯(lián)系，尋找識(shí)別水合物的地球物理特征標(biāo)志，為水合物的勘探識(shí)別提供有意義的方法指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

冷泉活動(dòng)區(qū)上覆海水中常見(jiàn)氣泡羽狀流，羽狀流是海底氣體滲漏的直接表現(xiàn)形式，而羽狀流下伏地層常富含天然氣水合物，所以，羽狀流對(duì)水合物勘探起到間接指示作用。

為更深入研究冷泉活動(dòng)區(qū)氣泡羽狀流地震響應(yīng)機(jī)理，以及與水合物的內(nèi)在聯(lián)系，需要建立符合實(shí)際氣泡羽狀流特征的數(shù)值模型。為更便于產(chǎn)生羽狀流模型，本文在已有羽狀流建模算法程序基礎(chǔ)上，利用軟件完成了GUI 設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了羽狀流模型數(shù)值模擬的可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：常量賦值、模型規(guī)格賦值、生成圖像、實(shí)現(xiàn)角度傾斜的羽狀流，以及導(dǎo)出羽狀流速度數(shù)據(jù)，具體結(jié)論如下。

（1）常量賦值模塊是實(shí)現(xiàn)羽狀流模型的前提，根據(jù)含氣泡海水聲波速度公式，對(duì)公式中的常量進(jìn)行賦值，為執(zhí)行后續(xù)模塊內(nèi)容做準(zhǔn)備。

（2）模型規(guī)格賦值模塊可以設(shè)置羽狀流區(qū)域的規(guī)格、在水體中的位置，以及整個(gè)水體模型規(guī)格的大小，以便產(chǎn)生羽狀流模型。

（3）生成圖像模塊，在常量賦值及模型規(guī)格賦值后，通過(guò)點(diǎn)擊模塊內(nèi)各按鈕，可以方便地產(chǎn)生羽狀流氣泡半徑圖、羽狀流氣泡含量圖、羽狀流速度圖和羽狀流水體速度圖。

（4）角度傾斜羽狀流模塊實(shí)現(xiàn)了羽狀流傾斜的形狀特征，當(dāng)輸入傾斜角度后，點(diǎn)擊模塊中兩個(gè)按鈕，分別會(huì)生成角度傾斜的羽狀流聲波速度模型圖和羽狀流水體速度模型圖。

（5）導(dǎo)出數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)了羽狀流速度數(shù)據(jù)的輸出，在執(zhí)行生成圖像模塊或?qū)崿F(xiàn)角度傾斜的羽狀流模塊后，點(diǎn)擊該模塊按鈕就會(huì)保存相應(yīng)的羽狀流速度文件到指定路徑。

本文實(shí)現(xiàn)的羽狀流數(shù)值模型的可視化系統(tǒng)功能多樣，整體簡(jiǎn)潔直觀，應(yīng)用效果良好，相較于執(zhí)行源程序，該系統(tǒng)更便于產(chǎn)生羽狀流模型。此外，該系統(tǒng)還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間，如建立更符合實(shí)際賦存特征的羽狀流模型，添加地震記錄、偏移處理及提取地震屬性等內(nèi)容，從而獲得一個(gè)完整的冷泉羽狀流正演模擬軟件，以服務(wù)于冷泉羽狀流后續(xù)相關(guān)研究工作。