鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)的構(gòu)建

黃艷菊，張杰林，王俊虎

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)的構(gòu)建

黃艷菊，張杰林，王俊虎

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

鉆探巖心編錄一直是地質(zhì)勘探中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，高光譜探測(cè)技術(shù)的發(fā)展為巖心分析提供了一種新的編錄技術(shù)。為了使獲得的巖心資料能永久保存且便于使用和分析，筆者開發(fā)了鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)使用者能方便管理、查看鉆探巖心數(shù)據(jù)，快速提取、分析巖心礦物的光譜特征，為后期礦物的識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。

巖心編錄；高光譜；數(shù)據(jù)管理與分析；光譜特征

鉆探是一項(xiàng)成本非常高的探測(cè)技術(shù)，是地質(zhì)勘查最重要技術(shù)手段之一［1］。巖心是鉆探獲取成果的重要體現(xiàn)，為使鉆探所獲得的珍貴地質(zhì)資料能夠方便使用、分析，且永久保存，開展鉆探巖心綜合編錄成為地質(zhì)勘探中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

長(zhǎng)久以來(lái)，傳統(tǒng)的巖心編錄采用人工方式耗費(fèi)了大量的人力和時(shí)間，且編錄后的數(shù)據(jù)采用的是文件方式存儲(chǔ)，不但造成巖心數(shù)據(jù)管理散亂、可交流性差，同時(shí)對(duì)勘探數(shù)據(jù)的深入研究和再利用也造成了障礙［2］。

20世紀(jì)80年代，高光譜分辨率遙感技術(shù)出現(xiàn)，并于90年代得到蓬勃發(fā)展。高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展為鉆探巖心數(shù)據(jù)的再利用提供了平臺(tái)，為巖心分析提供了一種新的編錄技術(shù)方法，但隨之而來(lái)也增加了巖心數(shù)據(jù)維數(shù)。這就為如何有效地解決巖心高光譜遙感數(shù)據(jù)不斷增長(zhǎng)和長(zhǎng)期存儲(chǔ)帶來(lái)了巨大的存儲(chǔ)壓力，也為如何管理、分析和可持續(xù)利用這些珍貴的海量數(shù)據(jù)提出了更高的要求。

目前，我國(guó)學(xué)者中對(duì)鉆探巖心高光譜編錄進(jìn)行的研究相對(duì)較少，只有少數(shù)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。具有代表性的是胥燕輝，他建立了相應(yīng)的地質(zhì)光譜柱狀圖，為國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行巖心編錄工作起到示范作用。但由于該編錄針對(duì)具體鉆孔數(shù)據(jù)，采用文本形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，難以共享最新的高光譜填圖技術(shù)成果，因此，它尚處于初步嘗試階段［3］。另外，目前的地學(xué)數(shù)據(jù)特征提取主要是通過(guò)人工方式，具有明顯的主觀性和隨意性［4］。針對(duì)這種現(xiàn)狀，有必要開發(fā)鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)來(lái)解決上面提到的幾個(gè)問(wèn)題：（1）鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理；（2）地學(xué)特征信息提取方法及效率；（3）如何更加科學(xué)、客觀地分析地物光譜特征信息。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及開發(fā)方式

鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)和開發(fā)方法，采用自上而下的設(shè)計(jì)思路，對(duì)整體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和模塊劃分。首先，針對(duì)鉆探高光譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)即數(shù)據(jù)量大、格式多、增長(zhǎng)快和保存周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，筆者選擇Oracle大型商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)；其次，從系統(tǒng)維護(hù)的難易程度、可擴(kuò)充性、代碼重用性等方面考慮，采用VB.net進(jìn)行系統(tǒng)地開發(fā)。VB.net具備面向?qū)ο螅∣OP）編程語(yǔ)言的所有特征。它的優(yōu)點(diǎn)有：（1）維護(hù)簡(jiǎn)單；（2）可擴(kuò)充性強(qiáng)；（3）代碼重用率高。最重要一點(diǎn)是 .net框架實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)特性，并提供了多種語(yǔ)言混合編程模式。這些特性使開發(fā)出來(lái)的系統(tǒng)具有很好的移植性，同時(shí)使得系統(tǒng)間的集成更加容易。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

該系統(tǒng)整體框架基于C/S（client/server）模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.1 數(shù)據(jù)層

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 Framework of the system

該系統(tǒng)使用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)鉆探巖心所涉及到的各種數(shù)據(jù)，包括：說(shuō)明文檔、巖心圖片、巖心地面高光譜數(shù)據(jù)、鉆探巖心基本屬性信息等等。在本系統(tǒng)中筆者設(shè)計(jì)了4個(gè)表來(lái)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)，表的結(jié)構(gòu)及其之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 表結(jié)構(gòu)及其之間的關(guān)系Fig.2 Table structure and its relationship

1.2.2 中間層

用戶要訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)都需要通過(guò)中間層。通過(guò)中間層，用戶不需要了解數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式就能很方便地管理、查看和操作這些數(shù)據(jù)。

1.2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括兩個(gè)模塊：（1）鉆探高光譜數(shù)據(jù)管理模塊。通過(guò)該模塊授權(quán)用戶可以很方便地存儲(chǔ)、管理、查看數(shù)據(jù)庫(kù)中的鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)。（2）鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)處理分析模塊。通過(guò)該模塊用戶可以快速處理、提取、分析鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)。

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）保證了數(shù)據(jù)的安全性和獨(dú)立性；（2）能夠滿足巖心數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)和存儲(chǔ)需求；（3）系統(tǒng)移植性好、可擴(kuò)充性強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單；（4）應(yīng)用層的分塊即保證多用戶并行操作，同時(shí)也對(duì)用戶權(quán)限作了限定，最大程度地共享了巖心編錄取得的成果。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主要功能

鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)是集鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲(chǔ)、管理、查詢，光譜特征信息提取、可視化及分析于一體的多功能系統(tǒng)。系統(tǒng)劃分了5個(gè)主要功能模塊。

（1）光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理。為使采用ASD地面高光譜測(cè)量?jī)x得到的巖心高光譜數(shù)據(jù)更好，且能更快地存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，筆者有必要對(duì)其數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)處理。針對(duì)ASD高光譜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)（即x（波長(zhǎng)）起始點(diǎn)、中止點(diǎn)、步長(zhǎng)都是固定的），筆者將原始的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定的處理。處理后的光譜數(shù)據(jù)文件中只存儲(chǔ)y（反射率）值，且每個(gè)光譜數(shù)據(jù)單獨(dú)存儲(chǔ)。通過(guò)這種方式可以大大減少數(shù)據(jù)庫(kù)中的冗余數(shù)據(jù)。

（2）鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理。通過(guò)該功能模塊，用戶可以在不必了解數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的情況下即可快速對(duì)鉆探巖心的數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)、查詢和管理，如數(shù)據(jù)庫(kù)中需要哪些表來(lái)存儲(chǔ)鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)，這些表之間的關(guān)系等等一些細(xì)節(jié)問(wèn)題，相對(duì)于用戶是透明的。

（3）光譜數(shù)據(jù)特征信息批量自動(dòng)提取。使用該模塊可以快速批量提取光譜數(shù)據(jù)特征信息。提取特征信息包括：吸收峰位置、相對(duì)深度、面積、對(duì)稱性等等。吸收峰的位置的提取是特征信息提取的基礎(chǔ)，在本系統(tǒng)中筆者采用全自動(dòng)方式來(lái)提取吸收峰的位置。具體算法見第2.2節(jié)。

（4）特征信息可視化功能。包括吸收峰可視化和鉆孔光譜特征三維表述。鉆孔光譜特征三維表述將鉆孔的光譜特征分布圖從二維擴(kuò)展到了三維。即x軸表示吸收峰的波長(zhǎng)，y軸表示鉆孔深度，z軸（小方柱高度）可以表示吸收峰量化信息（寬度、強(qiáng)度、面積、對(duì)稱性等）的任意一種。鉆孔光譜特征三維表述能增強(qiáng)不同深度地物光譜特征信息的差異立體感，突出巖礦蝕變的主體信息。

（5）物譜關(guān)系模型的構(gòu)建。該模塊可以將提取的光譜特征信息與成礦巖體的化學(xué)成分含量進(jìn)行擬合，以此來(lái)分析這兩者之間的關(guān)系。從而進(jìn)一步通過(guò)提取成礦巖體的特征信息來(lái)反演巖體的化學(xué)成分含量。筆者開發(fā)的模型包括3種基本擬合算法：線性擬合、曲線擬合和指數(shù)擬合。

2.2 系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)

在光譜特征信息提取技術(shù)中，吸收峰的位置提取是所有量化信息提取的基礎(chǔ)。如何快速準(zhǔn)確提取該信息是筆者需解決的首要問(wèn)題。目前吸收峰的提取方式包括以下兩種：（1）直接提取某區(qū)域最低點(diǎn)；（2）通過(guò)判斷上升和下降曲線來(lái)確定吸收峰位置。本系統(tǒng)中包含了這兩種提取方式，第1種命名為“半自動(dòng)提取方式”，第2種命名為 “全自動(dòng)提取方式”。表1是這兩種提取方式的簡(jiǎn)單比較。

表1 兩種提取方式的比較Table 1 Comparison of two extraction methods

半自動(dòng)提取方式在此不做詳細(xì)介紹，在這里主要介紹一下全自動(dòng)提取方式。通過(guò)多次試驗(yàn)，筆者得出選點(diǎn)密度為9、間隔數(shù)為2時(shí)提取的效果最好。具體思路：設(shè)光譜點(diǎn)總數(shù)為 n， 從第 i=1（i＜n-15）個(gè)點(diǎn)開始， 依次取出9個(gè)點(diǎn)，這9個(gè)點(diǎn)是i、i+1、i+3、i+5、i+7、i+9、i+11、i+13、i+15，如果這9個(gè)點(diǎn)依次遞減，則說(shuō)明找到一條下滑的曲線；否則將第i=i+15個(gè)點(diǎn)作為起始點(diǎn)又依次取出9個(gè)點(diǎn)，直到找到一條下滑的曲線。找到下滑曲線后，這時(shí)還需要判斷第i+15個(gè)點(diǎn)是否為最低點(diǎn)，判斷依據(jù)是以第K=i+15作為起始點(diǎn)，依次取出 K+1、 K+2、 K+4、 K+6、 K+8、 K+10、K+12、K+14、K+16這9個(gè)點(diǎn)，如果這個(gè)序列是一個(gè)上升序列則說(shuō)明第K點(diǎn)是吸收峰的位置，否則以第K=K+1點(diǎn)為起始點(diǎn)繼續(xù)判斷吸收峰的位置，直到找到正確波谷位置。該算法提取效果如圖3所示。

圖3 全自動(dòng)提取吸收峰的效果圖Fig.3 Effective picture of automatic extraction of the absorption peak

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)界面

該系統(tǒng)是在 .net框架下開發(fā)的，主界面由菜單、下拉列表、目錄樹、文本框、圖像框、圖表框組成（圖4）。在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了巖心光譜曲線、影像、屬性信息的無(wú)縫集成管理，同時(shí)該系統(tǒng)還集成了光譜數(shù)據(jù)的處理與分析功能。通過(guò)該系統(tǒng)筆者可以快速查看所感興趣的鉆、槽探巖心的詳細(xì)信息，包括所屬區(qū)域、巖心照片、巖心詳細(xì)信息、對(duì)應(yīng)光譜曲線等；可以快速地提取這些海量數(shù)據(jù)中的光譜特征信息，也可以科學(xué)、直觀地分析這些特征信息，為后期礦物蝕變信息的提取、礦物填圖的共享奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 系統(tǒng)主界面Fig.4 The main interface of the system

圖5 鉆孔光譜特征三維表述界面Fig.5 Three-dimension expression interface for drilling core spectral characteristics

鉆孔光譜特征三維表述界面如圖5所示，在該圖中筆者將礦物所在鉆孔深度、吸收峰位置、吸收特征值顯示在同一界面，增強(qiáng)不同深度地物光譜特征信息的差異立體感。同時(shí)筆者還開發(fā)了特征值過(guò)濾窗口，用以消除不感興趣的（如吸收強(qiáng)度極微弱）的吸收峰，突出礦物蝕變的主體信息。

物譜關(guān)系擬合界面如圖6所示，該圖上半部分是對(duì)原始離散點(diǎn)和擬合后的曲線數(shù)據(jù)所做的一個(gè)可視化顯示；下半部分是不同擬合算法得到的擬合方程式和相關(guān)系數(shù)。通過(guò)該圖筆者能快速得出哪種擬合算法最適合當(dāng)前的離散數(shù)據(jù)。其次轉(zhuǎn)換x，y軸按鈕能使當(dāng)前擬合算法變成6種。

圖6 物譜關(guān)系擬合界面Fig.6 The interface for fitting relations between object and spectrum

4 結(jié) 論

目前鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到某地區(qū)的鉆探巖心編錄工作中。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性：（1）基于Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模式，能很好地解決數(shù)據(jù)不斷增長(zhǎng)和長(zhǎng)期存儲(chǔ)所帶來(lái)的壓力，同時(shí)也為后期巖心數(shù)據(jù)管理和再利用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；（2）該系統(tǒng)提供的光譜特征信息提取工具，能全自動(dòng)、快速科學(xué)地提取大量巖心地面高光譜特征信息，克服人工提取帶來(lái)的主觀性、隨意性，為后續(xù)專題信息提取提供數(shù)據(jù)支撐；（3）系統(tǒng)中運(yùn)用多種擬合算法科學(xué)地分析礦物的蝕變信息與光譜特征信息的關(guān)系，為下一步礦物蝕變信息的識(shí)別奠定良好的基礎(chǔ)；（4）提供鉆孔光譜特征三維表述工具，增強(qiáng)不同深度地物光譜特征信息的差異立體感，突出了礦物蝕變的主體信息。

［1］鄭國(guó)海，胡凌志，蔡向民.城市地質(zhì)調(diào)查鉆探地質(zhì)編錄的實(shí)踐和體會(huì)［J］.城市地質(zhì)，2008，3（3）： 45-48.

［2］曹建文，李滿根，蔡煜琦，等.砂巖型鈾礦鉆孔原始地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)的采集與管理［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 32（1）： 32-37.

［3］胥燕輝.鐵礦巖心高光譜編錄初探［J］.地質(zhì)找礦論叢， 2006， 21（增刊）： 113-117.

［4］范乃英.固體礦產(chǎn)鉆探地質(zhì)資料綜合編錄數(shù)字化系統(tǒng)研究［J］.濮陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，21（2）： 15-16.

Building of the system for managing and analyzing the hyperspectral data of drilling core

HUANG Yan-ju， ZHANG Jie-lin， WANG Jun-hu
（National Key Laboratory of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

Drilling core logging is very important for geological exploration，hyperspectral detection provides a totally new method for drilling core logging.To use and analyze the drilling core data more easily， and especially store them permanently， a system is built for analyzing and managing the hyperspectral data.The system provides a convenient way to sort the core data，and extract the spectral characteristics，which is the basis for the following mineral identification.

core logging； hyperspectral； data management and analysis； spectral characteristics

TP751

A

1672-0636（2010）03-0159-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2010.03.008

2010-05-27

黃艷菊（1981—），女，湖北江陵人，工程師，碩士，主要從事空間數(shù)據(jù)處理與管理。E-mail：huangyanju5527@sina.com