基于GeoProbe地球物理平臺的軟件等值線追蹤算法研究與軟件開發(fā)

何輝，李芳，王冠鑫

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.自然資源部 航空地球物理與遙感地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

等值線一般是用來表示具有空間連續(xù)分布特征的現(xiàn)象，并且可以精確地表示這些現(xiàn)象的垂直變化和水平強(qiáng)弱差異，尤其在地球物理數(shù)據(jù)上可直觀地表現(xiàn)地球物理數(shù)據(jù)變化趨勢，廣泛應(yīng)用于大地測量、地球物理、地球化學(xué)等行業(yè)中，并且作為數(shù)據(jù)處理及解釋成果的重要圖件之一[1-3]。在航空物探數(shù)據(jù)處理及位場轉(zhuǎn)換過程中，無論是作為數(shù)據(jù)調(diào)平前的準(zhǔn)備，還是全測區(qū)位場水平的確定，乃至最后成果圖件的編制，都以等值線圖作為基礎(chǔ)圖件[6-10]。

在國家863 計(jì)劃重大項(xiàng)目“航空地球物理勘查技術(shù)系統(tǒng)”和地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“航空物探方法技術(shù)與數(shù)據(jù)處理解釋系統(tǒng)研究”支持下，中國自然資源航空物探遙感中心研制了GeoProbe軟件平臺，同時在平臺基礎(chǔ)上集成了地球物理數(shù)據(jù)處理與解釋系統(tǒng)(GeoProbe Mager)。該系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)顯示平臺以ArcEngine為基礎(chǔ)[11]，系統(tǒng)中對網(wǎng)格數(shù)據(jù)的管理采用統(tǒng)一的接口，但ArcEngine中繪制等值線以Raster圖層為數(shù)據(jù)源，在數(shù)據(jù)訪問方面存在不一致性，為了保持整個系統(tǒng)功能的完整性，有必要對等值線追蹤繪制技術(shù)進(jìn)行研制。

1 研究基礎(chǔ)

GeoProbe軟件平臺在對加拿大GeoSoft Oasis montaj軟件、Golden Software Surfer軟件、航空物探AirProbe 1.0軟件及GeoProbe 多網(wǎng)格文件(GGF)存儲格式分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的網(wǎng)格數(shù)據(jù)管理接口，對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問、處理等操作，從而方便整個系統(tǒng)維護(hù)及升級改造。

1.1 網(wǎng)格數(shù)據(jù)訪問接口

航空地球物理所獲取的測線數(shù)據(jù)(或稱剖面數(shù)據(jù))以GeoProbe數(shù)據(jù)庫管理，經(jīng)各項(xiàng)校正、改正、調(diào)平處理后，對其網(wǎng)格化，形成網(wǎng)格文件，并作為進(jìn)一步應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)格數(shù)據(jù)是系統(tǒng)管理及處理重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在充分分析網(wǎng)格數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一設(shè)計(jì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)訪問接口，以GGFHead作為網(wǎng)格文件信息結(jié)構(gòu)，包括3部分內(nèi)容：基本信息(GridInfo)、坐標(biāo)信息(GCSInfo)和數(shù)據(jù)信息(DataInfo)，其中基本信息主要指網(wǎng)格行數(shù)、網(wǎng)格列數(shù)、網(wǎng)格行間距、網(wǎng)格列間距等信息；坐標(biāo)信息主要指坐標(biāo)原點(diǎn)東向距、坐標(biāo)原點(diǎn)北向距、坐標(biāo)地理方位角度等；數(shù)據(jù)信息主要指網(wǎng)格數(shù)據(jù)的最大值、最小值、均值、基值及系數(shù)等信息。同時VMA虛擬內(nèi)存數(shù)組結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的管理，通過SetV和GetV函數(shù)來設(shè)置和獲取網(wǎng)格行列數(shù)據(jù)。

void SetV(VMA &Va, __int32 nRow, __int32 nCol, double Value);

double GetV(VMA &Va, __int32 nRow, __int32 nCol);

Va表示虛擬內(nèi)存數(shù)組結(jié)構(gòu)，即整體網(wǎng)格數(shù)據(jù)；nRow表示網(wǎng)格行號；nCol表示網(wǎng)格列號；Value表示指定行列號的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)；GetV函數(shù)返回指定行列號的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

通過統(tǒng)一的網(wǎng)格訪問函數(shù)SetV和GetV，方便系統(tǒng)對任意格式的網(wǎng)格數(shù)據(jù)獲取的VMA進(jìn)行訪問，并為將來系統(tǒng)維護(hù)及升級改造提供方便。

1.2 插件技術(shù)

在大型的通用軟件或?qū)Ｓ密浖型ǔ６贾С钟脩暨M(jìn)行二次開發(fā)，而二次開發(fā)的模式通常都采用插件技術(shù)。插件是基于面向?qū)ο蟮乃枷朐O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，用以給用戶進(jìn)行二次開發(fā)的一種接口方式。用戶應(yīng)用插件模式按照指定規(guī)范編寫出來的功能模塊可供應(yīng)用程序在運(yùn)行時調(diào)用，以菜單或工具方式進(jìn)行集成并完成相應(yīng)的功能[6]。

GeoProbe軟件平臺提供了多種可供二次開發(fā)的插件，包括可重用的窗體插件模板(FrmGeoPlugin)、類插件模板(ClsGeoPlugin) 及各類狀態(tài)插件模板等，并支持多語言(C++，C#，VB.Net等)開發(fā)。通過插件模塊可方便快捷調(diào)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和資源，并進(jìn)行相關(guān)的處理，為功能模塊的集成及運(yùn)行提供了基礎(chǔ)。

2 逐行等值線追蹤算法設(shè)計(jì)

2.1 等值線特點(diǎn)分析

等值線用二維平面信息來表達(dá)三維數(shù)據(jù)，為空間數(shù)據(jù)的判別提供了諸多便利，更加直觀地把握空間數(shù)據(jù)的特征變化[12-13]。通過繪制相應(yīng)的等值線圖可簡單而直觀對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判讀。如何快速有效地對等值線進(jìn)行追蹤，確保繪制結(jié)果滿足要求是系統(tǒng)研究的前提。在分析網(wǎng)格數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)上，歸納起來等值線具有連通性、相鄰性和不相交性特點(diǎn)。

連通性是指等值線通過的網(wǎng)格數(shù)據(jù)單元必須是連續(xù)的[14-19]，可解釋為如果某等值線在網(wǎng)格數(shù)據(jù)的第七至第八行中存在，而在第八至第九行數(shù)據(jù)中沒有，則該等值線要么封閉，要么追蹤到邊界處，完成該條等值線的追蹤。

相鄰性是指在等值線追蹤過程中相鄰等值線的值如果不相等，則其值必須是相鄰的。即如果當(dāng)前位置的等值線值為5，則相鄰的等值線值只能是5、0或10。

不相交性是指等值線都是連續(xù)、閉合的曲線，并且任意兩條等值線在空間位置上不相交。

2.2 逐行追蹤算法模型設(shè)計(jì)

逐行等值線追蹤算法核心是對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤，獲取逐行等值線，利用等值線的連通性、相鄰性及不相交性特點(diǎn)來構(gòu)建追蹤模型，實(shí)現(xiàn)對不同行等值線的連接，從而完成對整體網(wǎng)格數(shù)據(jù)等值線的追蹤，則整個等值線模型如下：

C=[c1,c2,…,cn]

設(shè)C為追蹤所有的等值線集合，則C為c1到cn等值線的集合，其中n表示追蹤等值線值間距的數(shù)量,

n=(Zmax-Zmin)/Z+1，

Zmax表示追蹤等值線值的最大值，Zmin表示追蹤等值線值的最小值，Z表示追蹤等值線值的間隔。

ci=[cl1,cl2,…,clm]，則ci(i=1，2，…,n)表示序列為i等值線值的數(shù)據(jù)集合，m表示網(wǎng)格逐行追蹤過程中追蹤到前一行管理的該值等值線數(shù)量，clj(j=1，2，…,m)指追蹤到前一行管理序列為i等值線值的第j條等值線。

通過該模型構(gòu)建，結(jié)合等值線相鄰性、不相交性及逐行坐標(biāo)的有序性，在進(jìn)行等值線連接處理過程中可極大地提高相鄰行等值線合并效率。應(yīng)用等值線連通性特點(diǎn)，則等值線C在追蹤過程管理等值線極限為所有行追蹤等值線數(shù)量的最大數(shù)，極大地減少內(nèi)存存儲，進(jìn)而達(dá)到提高整個等值線追蹤效率。

2.3 逐行追蹤算法設(shè)計(jì)

逐行追蹤算法設(shè)計(jì)應(yīng)用逐行追蹤算法模型為基礎(chǔ)，以行與行之間的間隔為單元進(jìn)行追蹤，即追蹤相鄰兩行數(shù)據(jù)間的等值線，整個過程從第一行和第二行間開始追蹤，形成等值線索引，再追蹤第二行和第三行間等值線，直至追蹤到最后兩行為止，表示整個數(shù)據(jù)等值線追蹤完畢。該算法重點(diǎn)需要解決的問題即逐行追蹤等值線后線的連接問題。

設(shè)定由4個網(wǎng)格行列值點(diǎn)組成的一個格為網(wǎng)格單元，即有(i,j),(i,j+1), (i+1,j)和(i+1,j+1)組成一個單元，紅色字母a，b分別表示為追蹤的兩段等值線，p1、p2表示a等值線的首末節(jié)點(diǎn)，p3、p4表示b等值線的首末節(jié)點(diǎn)。

圖1 左右相鄰網(wǎng)格單元等值線連通性關(guān)系Fig.1 Connectivity of contours between left and right adjacent mesh elements

為此，在追蹤逐行數(shù)據(jù)等值線過程，需要判斷左右相鄰等值線的連通性，分別存在4種可能，p2與p3相等、p2與p4相等、p1與p3相等和p1與p4相等。通過4種判斷對左右相鄰并且值相等的等值線進(jìn)行連同，合并為一條線。

圖2 上下相鄰網(wǎng)格單元等值線連通性關(guān)系Fig.2 Connectivity of contours between upper and lower adjacent mesh elements

同時在追蹤逐行數(shù)據(jù)等值線后，還需要判斷上下相鄰等值線的連通性，也存在4種可能性，p2與p3相等、p2與p4相等、p1與p3相等和p1與p4相等，進(jìn)而將上下相鄰且值相同的等值線合并為一條線。

3 功能設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 功能設(shè)計(jì)

應(yīng)用GeoProbe平臺的插件技術(shù)，參照插件技術(shù)開發(fā)指南[20]，以網(wǎng)格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合網(wǎng)格數(shù)據(jù)訪問接口，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了等值線繪制功能。通過構(gòu)建等值線模型，應(yīng)用等值線追蹤算法實(shí)現(xiàn)逐行數(shù)據(jù)追蹤，并對相鄰行等值線進(jìn)行合并，通過判斷其連通性進(jìn)行等值線存儲，從而完成對整個網(wǎng)格數(shù)據(jù)的等值線追蹤。功能研發(fā)應(yīng)用GeoProbe平臺的窗體插件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，追蹤算法采用C++語言進(jìn)行開發(fā)，等值線數(shù)據(jù)以ESRI的Shapefile文件進(jìn)行存儲，通過ArcGIS平臺進(jìn)行空間數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)了功能模塊的GeoProbe平臺集成，并進(jìn)行了應(yīng)用分發(fā)。

圖3 繪制等值線流程Fig.3 Drawing contour flow chart

3.2 應(yīng)用效果

等值線追蹤算法的優(yōu)劣與否，主要通過其效果與效率來體現(xiàn)，為此將本文研究的等值線追蹤效果和效率與Surfer、ArcGIS及OASIS軟件進(jìn)行對比分析。

應(yīng)用實(shí)測航磁網(wǎng)格數(shù)據(jù)(1732行×1049列)，網(wǎng)格數(shù)據(jù)最大值932 nT，最小值-513 nT，等值線追蹤間距為5 nT，從-510～930 nT每隔5 nT進(jìn)行等值線追蹤，總計(jì)289個等級值。在筆記本W(wǎng)520(內(nèi)存4 GB，Win7 32位操作系統(tǒng))上進(jìn)行性能測試。

表1 不同軟件等值線追蹤效率對比Table 1 Comparison of Tracking Efficiency of Different Software Contours

由此可見本系統(tǒng)與ArcGIS在同等條件下追蹤等值線效率相當(dāng)。通過對比分析，本次研究的等值線追蹤功能模塊在效果及效率上，均達(dá)到通用軟件水平，滿足了GeoProbe平臺要求。

圖4 等值線繪制效果Fig.4 The effect of contour drawing

4 結(jié)論

等值線圖在地球物理數(shù)據(jù)處理解釋中具有廣泛的應(yīng)用，筆者在分析等值線特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建逐行追蹤算法模型，設(shè)計(jì)了逐行等值線追蹤算法，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)格數(shù)據(jù)等值線的追蹤，提高了等值線追蹤效率，追蹤效率及效果達(dá)到了商業(yè)軟件水平。結(jié)合VMA虛擬內(nèi)存數(shù)組結(jié)構(gòu)，解決了大數(shù)據(jù)訪問問題，網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理能力超過了16 384行×16 384列。應(yīng)用插件技術(shù)，基于GeoProbe平臺進(jìn)行集成，滿足了GeoProbe Mager航空物探數(shù)據(jù)全流程處理需求，提高了航空物探網(wǎng)格數(shù)據(jù)可視化效率。