基于組件GIS的區(qū)域物化探數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)

柯 丹， 韓紹陽， 喻 翔， 吳曲波， 李 希

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029；2.中國核科技信息與經(jīng)濟研究院，北京 100037；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；）

區(qū)域物化探數(shù)據(jù)（重力、磁力、放射性和地球化學(xué)等）在斷裂構(gòu)造識別、盆地基底反演、巖體邊界圈定和巖性識別等區(qū)域地質(zhì)成礦環(huán)境分析與研究方面具有重要的作用［1］。GIS技術(shù)的快速發(fā)展，使傳統(tǒng)物化探數(shù)據(jù)處理軟件面臨著巨大挑戰(zhàn)，即，要求軟件具有專業(yè)數(shù)據(jù)處理功能的同時，還要具有海量數(shù)據(jù)管理、坐標(biāo)系統(tǒng)變換以及標(biāo)準(zhǔn)的制圖輸出等功能。目前國外軟件廠商也已經(jīng)注意到這一點，在軟件開發(fā)上專為GIS應(yīng)用預(yù)留了接口或開發(fā)了專用的組件 （如Geosoft montaj oasis軟件提供的ArcGIS組件）。但國內(nèi)物化探數(shù)據(jù)軟件在這一方面目前還處于起步階段，因此所開發(fā)出的集基本GIS功能、常規(guī)物化探數(shù)據(jù)處理功能，以及非常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能于一體的區(qū)域物化探數(shù)據(jù)處理軟件具有較強的實用性和前瞻性。

1 軟件功能設(shè)計

區(qū)域物化探數(shù)據(jù)軟件由基本GIS功能、常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能和非常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能三大功能模塊組成。各功能模塊共享同一區(qū)域物化探信息數(shù)據(jù)庫，軟件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 基本GIS功能

基本GIS功能包括視圖管理、矢量數(shù)據(jù)的查詢和檢索、屬性數(shù)據(jù)管理、圖形操作、空間分析和制圖輸出等功能，能夠滿足區(qū)域物化探數(shù)據(jù)處理時對GIS功能的需求（圖2）。

1.2 常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能

常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、重磁數(shù)據(jù)處理和放射性數(shù)據(jù)處理3個部分（圖3）。數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要有空區(qū)補值及擴邊、滑動平均和正則化濾波等常用功能。重磁數(shù)據(jù)處理功能主要包括解析延拓、化磁極、方向?qū)?shù)和歐拉反褶積反演等常規(guī)處理功能。放射性數(shù)據(jù)處理主要包括鈾富集系數(shù)、變異系數(shù)、U2信息以及空間相關(guān)性分析等功能，為從放射性數(shù)據(jù)中提取出與鈾礦化相關(guān)的各種信息提供了技術(shù)手段。

1.3 非常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能

非常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能包括分形外插、弱信息提取、斷裂分維數(shù)測量和非線性重磁場分解等4個部分（圖4）。分形外插功能可以對重磁數(shù)據(jù)進行空間外插，從而使數(shù)據(jù)滿足頻率域中處理的要求，與傳統(tǒng)方法相比，可以很好地消除插值所引起的邊緣效應(yīng)。弱信息提取功能主要包括弱異常增強、自調(diào)節(jié)濾波和磁場二次差分等方法，可以對一些微弱重磁異常進行提取。斷裂分維數(shù)功能可以快速有效地對單區(qū)或多區(qū)容量維和信息維進行計算，從而可以定量反映斷裂構(gòu)造的復(fù)雜程度，為描述斷裂構(gòu)造的空間分布提供依據(jù)。非線性重磁分解功能主要包括分形奇異值分解、DCT域和FFT域內(nèi)和能譜－面積（SA）分形方法，它們均可以對重磁場進行區(qū)域場和局部場的有效分離。

2 軟件開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 組件GIS技術(shù)

基于Visual Studio 2005和ArcGIS Engine 9.2平臺進行軟件開發(fā)。

ArcGIS Engine是一個基于ArcObjects構(gòu)建的可編程的GIS工具包，可以提供常用的GIS功能。ArcGIS Engine主要由控件、工具和對象庫3部分組成。ArcGIS Engine提供了20多個對象庫，用戶可以根據(jù)自己的需要在程序中添加相應(yīng)的庫。利用工具和對象庫可以實現(xiàn)視圖的瀏覽和縮放、圖層的疊加顯示、圖形的編輯、文本標(biāo)注、空間分析和制圖輸出等基本GIS功能。

2.2 混合編程技術(shù)

混合編程采用多種編程語言進行組合編程，相互調(diào)用，共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信息。它集各種語言的優(yōu)點于一身，從而避免了使用單獨一種語言的不足［2］?？梢栽谳^短時間內(nèi)對現(xiàn)有的由不同語言編寫的程序代碼進行修改，形成新的應(yīng)用程序，縮短了開發(fā)周期、節(jié)約成本、提高效益。函數(shù)命名約定和參數(shù)傳遞方式是混合編程時需要注意的兩個方面。命名約定是為了解決不同語言對名稱標(biāo)識符（如變量名、參數(shù)名、過程名和函數(shù)名等）的不同處理，對目標(biāo)文件名的不同長度進行限制的約定。參數(shù)傳遞方式的一致性直接影響到程序調(diào)用的正確性，因此，發(fā)送參數(shù)的方式和接收參數(shù)的方式要完全一致。

混合編程的實現(xiàn)可以分為以下3個步驟：

（1）將由高級語言編寫的區(qū)域物化探數(shù)據(jù)處理方法的計算機程序改寫為動態(tài)鏈接庫，并在動態(tài)鏈接庫中設(shè)置相應(yīng)的處理函數(shù)接口，以供Visual C#語言調(diào)用。

（2）利用Visual C#完成程序界面、參數(shù)對話框和功能菜單的設(shè)計。

（3）將模塊中各個菜單項與相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法相連接，通過單擊菜單項可以實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)處理功能的調(diào)用。

2.3 動態(tài)鏈接庫文件的生成與調(diào)用

在混合編程實現(xiàn)的過程中，動態(tài)鏈接庫的生成是關(guān)鍵之一。下面重點介紹VC＋＋和Fortran動態(tài)鏈接庫的生成，以及Visual C#對Matlab的調(diào)用。

2.3.1 VC＋＋庫文件的生成

以化磁極程序為例，說明VC＋＋動態(tài)鏈接庫的生成，具體實現(xiàn)過程分為如下3個步驟：

（1）新建一個名稱為MagRTP的動態(tài)鏈接庫項目（MFC AppWizard（dll））， 并為項目添加一個成員函數(shù) （Add Member Function），函數(shù)類型為void，聲明為：

MagRTP （float D， float I， char FileIn ［］，char FileOut［］）

其中變量D為磁偏角，I為磁傾角，F(xiàn)ileIn［］為輸入數(shù)據(jù)文件名，F(xiàn)ileOut［］為輸出數(shù)據(jù)文件名。

在項目的FileView一欄的Source Files中找到文件MagRTP.def，在EXPORTS的下面一行加入要輸出的函數(shù)名稱，即MagRTP。這樣就完成了動態(tài)鏈接庫項目的建立及導(dǎo)出函數(shù)的聲明。

（2） 在 MagRTP （float D， float I， char FileIn［］， char FileOut［］）函數(shù)中輸入實現(xiàn)化磁極的程序代碼（由于文章篇幅限制，此處程序代碼省略）。

（3）將輸出文件設(shè)置為發(fā)行版，即在Build菜單下選擇Set Active Project Configuration菜單項，將它的值設(shè)置為Win32 Release。然后對程序進行編譯、連接、執(zhí)行，在項目所在目錄的Release文件夾中可以找到編譯后的動態(tài)鏈接庫文件MagRTP.dll，庫中的導(dǎo)出函數(shù)為MagRTP。

2.3.2 Fortran庫文件的生成

以解析延拓程序為例，說明Fortran動態(tài)鏈接庫的生成，具體實現(xiàn)過程分為如下3個步驟：

（1）在Fortran PowerStation 4.0開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建一個類型為動態(tài)鏈接庫（Dynamic-Link Library）的項目（名稱為 Continuation）， 將需要改寫的源文件Continuation.for加入該項目文件，并將源文件另存為Continuation.f 90，在項目中刪去文件Continuation.for，并導(dǎo)入文件Continuation.f 90。

（2）對文件Continuation.f 90進行改寫。改寫后的用于定義輸出參數(shù)的程序代碼如下：

程序代碼第一行中的 “DLLEXPORT::CONTINUATION”表示導(dǎo)出函數(shù)為“CONTINUATION”。在Avenue語言中，調(diào)用導(dǎo)出函數(shù) “CONTINUATION”時所用的具體名稱（大小寫），需要根據(jù)Fortran的調(diào)用約定來確定，默認(rèn)情況下導(dǎo)出函數(shù)名稱全部為大寫；當(dāng)調(diào)用約定為C或STDCALL時，導(dǎo)出函數(shù)名稱全部為小寫。為了調(diào)用方便，利用 “!MS $ ATTRIBUTES ALIAS:'Continuation'::CONTINUATION”語句，強制規(guī)定“CONTINUATION”函數(shù)被調(diào)用時的名稱為“Continuation”。 通過修飾符 VALUE和REFERENCE控制參數(shù)的傳遞類型，VALUE表示參數(shù)的傳遞方式是值傳遞；REFERENCE表示參數(shù)的傳遞方式是地址傳遞，F(xiàn)ortran PowerStation中默認(rèn)的參數(shù)傳遞方式是地址傳遞。

（3）對改寫后的程序文件進行編譯（Compile）、 連接（Link）， 并生成 Continuation.dll文件，從庫中導(dǎo)出的函數(shù)為Continuation。

2.3.3 Matlab庫文件的生成

首先利用Matlab自帶的 COM組件編譯工具COM Builder將以.m文件編寫的數(shù)值計算函數(shù)編譯為COM組件（DLL文件），然后利用VS.NET友好的GUI功能和組件調(diào)用能力調(diào)用Matlab生成組件，從而達到綜合利用兩種軟件平臺優(yōu)勢的目的，并且使軟件開發(fā)達到更好的模塊化。

2.3.3.1 Matlab下COM組件的生成

（1）創(chuàng)建工程。在 COM Builder窗口中的Component name文本框中設(shè)置組件（DLL文件）的名稱。

（2）添加M文件和編譯創(chuàng)建組件。將.m文件添加到工程中，點擊 Build/COM object，生成所需的頭文件、源文件、接口描述文件、動態(tài)鏈接庫文件等，在右側(cè)的 Build status顯示框中顯示編譯的過程和信息。

（3）打包和分發(fā)組件。點擊ComponentAdd component將文件打包。打包后新建 distrib和src文件夾，包含調(diào)用所需文件、庫、資源、接口等。

2.3.3.2 VS.NET調(diào)用COM組件

（1）添加引用。在 VS.NET環(huán)境下，點擊“項目/添加引用”菜單。在該對話框中，選擇中間選項卡COM，如果COM組件在系統(tǒng)中已注冊，則可在列表中找到該組件。選擇生成組件，并添加到項目中。打開.NET對象瀏覽器窗口，可看到由Matlab生成的COM類已添加到工程項目中。

（2）實例化COM引用。完成添加后，可在.NET代碼中使用COM組件。VS.NET創(chuàng)建的名稱空間與原來的COM組件有同樣的名稱，由COM組件提供的類放在該名稱空間中，則可與使用C#固有對象相同的語言來創(chuàng)建其引用，并實例化和調(diào)用COM對象的包裝。

3 軟件功能開發(fā)

3.1 軟件界面設(shè)計

軟件界面按照Windows界面風(fēng)格進行設(shè)計，主界面由菜單、工具條、圖例內(nèi)容表、視圖和狀態(tài)欄5部分組成（圖5）。主要包括文件、視圖管理、查詢檢索、屬性管理、圖形操作、空間分析、數(shù)據(jù)預(yù)處理、常規(guī)處理、弱信息提取、非線性分解、斷裂分形維和放射性處理等菜單。

3.2 基本GIS功能開發(fā)

軟件中基本GIS功能大部分可以直接通過ArcGIS Engine提供的工具按鈕來實現(xiàn)，不需要進行任何編程，但是還有一些功能，如網(wǎng)格專題的添加、空間和屬性查詢、圖例編輯等等都是需要通過編程來實現(xiàn)的。

3.3 物化探數(shù)據(jù)處理功能開發(fā)

常規(guī)與非常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能開發(fā)的思路相同，就是先把需要處理的網(wǎng)格專題圖層（GRID Files）轉(zhuǎn)換成文本文件，然后再調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的數(shù)據(jù)處理函數(shù)對文本文件進行處理，最后再將處理得到的結(jié)果文本文件轉(zhuǎn)換成柵格圖層，并導(dǎo)入到軟件的當(dāng)前視圖中進行其他分析。

4 結(jié) 論

基于組件GIS技術(shù)開發(fā)的專業(yè)應(yīng)用軟件，具有開發(fā)方式靈活、開發(fā)周期短、更專注于專業(yè)功能等優(yōu)點。開發(fā)的區(qū)域物化探數(shù)據(jù)處理軟件界面友好、操作簡單、功能實用，高效地將基本GIS功能、常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能，以及非常規(guī)數(shù)據(jù)處理功能集成在一起。該軟件在桃山—諸廣鈾成礦帶、內(nèi)蒙古滿洲里鈾及多金屬成礦帶得到了應(yīng)用，取得了較好的應(yīng)用效果，并成功獲得了國家版權(quán)局頒發(fā)的計算機軟件著作權(quán)登記證書。

［1］柯 丹.花崗巖型鈾礦勘查中區(qū)域物化探方法技術(shù)研究［D］.北京：核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，2011.

［2］劉乃琦.IBM PC混合語言編程技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1990.