重磁軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案研究

陳靖，王萬(wàn)銀，郭文波，顧欣

(1.西北有色地質(zhì)礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 重磁方法技術(shù)研究所，陜西 西安 710054；3.長(zhǎng)安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054；4.長(zhǎng)安大學(xué) 西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054； 5.西安西北有色物化探總隊(duì)有限公司，陜西 西安 710068； 6.西安西北有色地質(zhì)研究院有限公司，陜西 西安 710054)

0 引言

隨著近年來現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)解釋要求不斷向綜合化、立體化、定量化的方向加深和加強(qiáng)[1]，國(guó)內(nèi)外重磁數(shù)據(jù)處理和反演軟件逐步走向三維可視化定量解釋。

國(guó)外重磁方法軟件研發(fā)起步較早，已形成一批較為成熟的商業(yè)重磁方法軟件，如Oasis montaj、ModelVision、LCT、Arkfield、Intrepid等。國(guó)內(nèi)軟件起步晚但是發(fā)展迅猛，如RGIS、GeoProbe、GeoIPAS等，已在國(guó)內(nèi)廣泛使用并取得較好的應(yīng)用效果[2]。分析國(guó)內(nèi)外重磁方法軟件的現(xiàn)狀，當(dāng)前重磁方法軟件的發(fā)展要求在方法上對(duì)多種物探方法聯(lián)合進(jìn)行處理、反演和綜合解釋；在功能上形成從數(shù)據(jù)導(dǎo)入、計(jì)算、繪制、數(shù)據(jù)管理到綜合地質(zhì)解釋等形成一個(gè)完整的功能體系。這些新特點(diǎn)對(duì)軟件開發(fā)在數(shù)據(jù)管理、三維可視化、綜合信息處理分析及軟件的結(jié)構(gòu)、性能等方面提出了更高的要求。目前國(guó)外軟件如Oasis montaj已經(jīng)是比較全面的重、磁、電、放及地球化學(xué)數(shù)據(jù)輸入、處理、成圖、地質(zhì)解釋和數(shù)據(jù)共享的集成軟件[3-5]，ModelVision也有公司旗下的配套軟件來填補(bǔ)其功能[6-7]，但國(guó)外軟件在國(guó)內(nèi)應(yīng)用還存在使用習(xí)慣、售后服務(wù)、圖件規(guī)范化等諸多問題。研發(fā)的重要性不需贅述，當(dāng)前國(guó)內(nèi)軟件在這方面正不斷探索[8-10]，仍存在一些問題：① 在數(shù)據(jù)管理方面，缺乏對(duì)多源多維多類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集成管理及高效的數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)體系；② 在三維可視化方面，缺乏完善的三維建模及場(chǎng)景控制、模型集成及模型信息提取的能力；③ 在定量表達(dá)方面，缺乏全面的對(duì)量化信息的量算與數(shù)值分析能力，較難得出綜合性的量化的地質(zhì)結(jié)論；④ 在軟件開發(fā)方面，缺乏高效、健壯的系統(tǒng)架構(gòu)，及靈活、開放的模塊功能，系統(tǒng)二次開發(fā)能力和功能的可移植性較弱。

針對(duì)上述目前國(guó)內(nèi)重磁方法軟件在數(shù)據(jù)管理、三維可視化、定量表達(dá)以及軟件開發(fā)方面存在的諸多不足，筆者基于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)開發(fā)理論和方法，采用組件+插件技術(shù)、多語(yǔ)言開發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等設(shè)計(jì)了重磁方法軟件系統(tǒng)的框架體系，研究相關(guān)方法技術(shù)，開發(fā)了重磁數(shù)據(jù)處理及反演軟件。

1 軟件總體設(shè)計(jì)及開發(fā)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使軟件系統(tǒng)具備架構(gòu)穩(wěn)定性、模塊的靈活性，同時(shí)要能實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)管理及三維可視化定量計(jì)算解釋的能力，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體分析后采用分層結(jié)構(gòu)，在縱向上以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以功能為導(dǎo)向，以軟件界面為表示端，設(shè)計(jì)了3層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，如圖1所示。數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的封裝，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查找、更新等；功能層實(shí)現(xiàn)對(duì)功能模塊的封裝，連接數(shù)據(jù)訪問層和表示層，位于系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)制定系統(tǒng)功能的規(guī)則、功能實(shí)施流程及相關(guān)程序設(shè)計(jì)；表示層實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)前端顯示，為用戶提供交互操作及結(jié)果顯示的容器。分層結(jié)構(gòu)使得各層的開發(fā)具有明確的分工，并且內(nèi)部依賴性降低，局部的變動(dòng)不會(huì)影響系統(tǒng)整體，因而提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性，功能更易于擴(kuò)展和重用[11]。

圖1 分層式體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of layered system

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

結(jié)合對(duì)當(dāng)前主流重磁方法軟件的調(diào)研分析，軟件設(shè)計(jì)了5大功能模塊，具體如下：

1.2.1 重磁數(shù)據(jù)處理及反演計(jì)算功能

此部分包括平面、曲面的重磁數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，以及重磁反演功能。其中曲面的處理、轉(zhuǎn)換功能先利用“曲化平”得到某一平面的位場(chǎng)數(shù)據(jù)，再利用平面的方法來完成。

1)平面重磁數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換：包括位場(chǎng)延拓(頻率域向上延拓和向下延拓)，任意方向、任意階導(dǎo)數(shù)計(jì)算(包括空間域?qū)?shù)計(jì)算和頻率域?qū)?shù)計(jì)算)，磁異常任意方向分量轉(zhuǎn)換和磁化方向轉(zhuǎn)換，磁源重力異常計(jì)算，重力場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換，位場(chǎng)分離(包括空間域位場(chǎng)分離和頻率域位場(chǎng)分離)等；

2)曲面重磁數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換：包括位場(chǎng)延拓(包括空間域向上延拓和向下延拓、頻率域向上延拓和向下延拓)，任意方向、任意階導(dǎo)數(shù)計(jì)算(包括空間域?qū)?shù)計(jì)算和頻率域?qū)?shù)計(jì)算)，重磁異常任意方向分量轉(zhuǎn)換和磁化方向轉(zhuǎn)換(包括重力場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換、磁異常分量轉(zhuǎn)換、磁異常磁化方向轉(zhuǎn)換、磁異常分量轉(zhuǎn)換和磁化方向轉(zhuǎn)換)等；

3)重磁反演功能：地質(zhì)體特征位置識(shí)別(包括形體水平邊緣位置、形體中心位置和形體深度特征位置)，界面起伏深度反演(包括空間域和頻率域)，物性反演(包括視密度和視磁性參數(shù)反演)等。

1.2.2 數(shù)據(jù)綜合管理和查詢功能

能夠?qū)Χ喾N來源及多種格式的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)分級(jí)存儲(chǔ)，包含空間數(shù)據(jù)的幾何信息及屬性信息；具有海量數(shù)據(jù)管理能力，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)久的保存；具備對(duì)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及模型數(shù)據(jù)的信息查詢功能，包括點(diǎn)擊查詢、范圍框選查詢、關(guān)鍵字查詢和屬性查詢等幾種方式，可以通過數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)實(shí)體幾何位置、屬性信息的交互查詢。

1.2.3 三維可視化、三維量算和分析功能

三維可視化功能包括二、三維對(duì)象繪圖，模型添加、刪除、修改等操作，及對(duì)三維視圖窗口及模型的室內(nèi)室外、地下等多模式瀏覽和縮放、平移、漫游等場(chǎng)景控制；三維量測(cè)和分析用于輔助用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合分析，幫助地質(zhì)解釋工作，包括三維空間距離量測(cè)、周長(zhǎng)/面積量測(cè)、三維坐標(biāo)查詢及坡度、坡向查詢，并在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)繪制等高線、地形開挖、產(chǎn)狀分析、剖面分析等。

1.2.4 軟件界面定制功能

具有可動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟件界面可根據(jù)不同階段數(shù)據(jù)處理和解釋的需求對(duì)功能模塊進(jìn)行集成和重新組織，使得系統(tǒng)界面按需配置，具有專業(yè)性和針對(duì)性。

1.3 開發(fā)方案

重磁數(shù)據(jù)處理及反演軟件系統(tǒng)的建立涉及多學(xué)科的知識(shí)交互、多用高效的軟件功能以及多源海量的數(shù)據(jù)信息，為了達(dá)到平臺(tái)的穩(wěn)固性和模塊功能的靈活性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于分層體系的組件+插件的GIS開發(fā)模式，如圖2所示。在縱向上設(shè)計(jì)了以數(shù)據(jù)為底層、功能為核心、界面為交互前端的三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，數(shù)據(jù)層采用空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的集成管理，功能層采用組件+插件的架構(gòu)，分成平臺(tái)部分和擴(kuò)展部分，利用組件式技術(shù)進(jìn)行平臺(tái)部分的開發(fā)和組織，在橫向上利用插件開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展部分各個(gè)子系統(tǒng)的模塊功能。顯示層以三維視圖窗口作為顯示前端，可將多源多維多類型數(shù)據(jù)集成顯示，并以功能界面窗口為輔助配合平臺(tái)和擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)Fig.2 System frame structure diagram

其中，利用可視化開發(fā)語(yǔ)言和GIS組件，使程序具有友好便捷的操作界面，同時(shí)發(fā)揮了GIS在數(shù)據(jù)管理、空間分析和三維可視化方面的特長(zhǎng)；利用插件式開發(fā)來完成重磁數(shù)據(jù)處理及反演的各個(gè)功能，能夠?qū)⒅卮殴δ懿鸱殖瑟?dú)立的插件個(gè)體，[4]利用接口實(shí)現(xiàn)插件個(gè)體和主程序通信，使用戶根據(jù)重磁數(shù)據(jù)處理、計(jì)算及反演解釋的流程需求，制定個(gè)性化的功能集合，程序即插即用，使軟件界面去繁化簡(jiǎn)；利用.NET環(huán)境下支持多語(yǔ)言開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)C#和Fortran等多語(yǔ)言共同開發(fā)；利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成管理，為定量表達(dá)提供基礎(chǔ)服務(wù)。

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境要求：硬件CPU奔騰4處理器及以上，內(nèi)存推薦2GB或以上，硬盤80G以上空間，顯存為1G或以上；操作系統(tǒng)Windows 7或Windows10，開發(fā)工具Visual Studio.NET 2008、Intel Fortran11.0、GIS組件ESRI ArcEngine 10.1、Skyline TerraExpolerpro V6.5、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件Oracle 11g、ArcSDE 10。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 組件+插件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案

2.1.1 平臺(tái)部分實(shí)現(xiàn)方案

采用組件式開發(fā)結(jié)構(gòu)，由ArcGIS Engine和Skyline TerraExplorer Pro組件在Micro Visual Studio環(huán)境下采用C#語(yǔ)言共同開發(fā)。Skyline三維窗體作為前端顯示界面，后臺(tái)功能由ArcGIS Engine和Skyline TerraExplorer Pro組件共同支撐，利用Oracle在后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和維護(hù)，通過ArcSDE和ADO.NET來分別訪問空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，組件之間通過接口傳遞消息。負(fù)責(zé)：① 平臺(tái)基本功能：主要包括系統(tǒng)的各種基本通用操作；② 平臺(tái)核心功能：主要包括數(shù)據(jù)查詢和二、三維地圖瀏覽、三維量算和三維分析。

利用GIS組件混合二次開發(fā)的優(yōu)勢(shì)是可以降低開發(fā)難度及工作量，組件提供了大量的函數(shù)可供開發(fā)者使用，其次分層和分塊編程實(shí)現(xiàn)了軟件的分解和集成，降低了模塊間的依賴性，提高了整體的靈活性，同時(shí)也有利于系統(tǒng)后期的維護(hù)和更新。

2.1.2 擴(kuò)展部分實(shí)現(xiàn)方案

采用插件式開發(fā)結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)各種重磁數(shù)據(jù)處理和正反演計(jì)算。擴(kuò)展部分在邏輯上包括宿主程序、插件管理器、通信契約和插件：① 宿主程序：負(fù)責(zé)整個(gè)插件結(jié)構(gòu)的啟動(dòng)并作為插件實(shí)現(xiàn)功能的容器，系統(tǒng)有唯一的主程序接口與之對(duì)應(yīng)；② 插件管理器：負(fù)責(zé)對(duì)重磁插件進(jìn)行讀取、查找、加載、判斷、生成、調(diào)用等操作；③ 功能插件：負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各種重磁數(shù)據(jù)處理及反演功能，和主程序通過接口對(duì)接，由插件管理器動(dòng)態(tài)加載；④ 通信契約：負(fù)責(zé)制定宿主框架和功能插件對(duì)接和通信的規(guī)則，系統(tǒng)共有4類接口。插件框架運(yùn)作流程如圖3所示。

圖3 宿主框架運(yùn)作機(jī)制示意Fig.3 Schematic diagram of host framework operation

本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)4類接口，包括IPluginParent、IButton、IButtonDropDown及IPageGroup。IPluginParent接口是所有插件接口的父接口，沒有具體的屬性和方法，只起到標(biāo)識(shí)作用；IButton接口定義了命令按鈕功能的接口，它繼承自IPluginParent接口，響應(yīng)用戶的點(diǎn)擊操作；IButtonDropDown接口定義了中下拉式按鈕功能的接口，它繼承自IButton接口；IPageGroup接口定義了面板功能的接口，用于將各種功能的按鈕分類放置在面板中，每一個(gè)按鈕是它的一個(gè)元素。

宿主框架主程序擔(dān)當(dāng)著系統(tǒng)平臺(tái)部分的基本功能和平臺(tái)核心功能，本系統(tǒng)主界面UI包括平臺(tái)部分和插件管理器，插件菜單UI命名為插件管理，設(shè)置在基本功能面板下，當(dāng)宿主程序按照接口對(duì)插件進(jìn)行加載后，主界面上插件菜單面板下將自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的功能插件按鈕。

2.1.3 插件集成實(shí)現(xiàn)方案

重磁數(shù)據(jù)處理及反演功能以插件形式集成到系統(tǒng)平臺(tái)上，根據(jù)用戶應(yīng)用需求動(dòng)態(tài)加載和調(diào)用。每個(gè)插件嚴(yán)格遵守系統(tǒng)插件開發(fā)流程進(jìn)行，首先設(shè)計(jì)和編寫插件核心算法函數(shù)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的插件接口，設(shè)計(jì)插件界面并嵌入算法，經(jīng)過模塊測(cè)試后生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，然后編寫插件配置文件，系統(tǒng)根據(jù)插件配置文件讀取插件信息并分配插件所需的資源，以幫助插件實(shí)現(xiàn)特定功能。重磁數(shù)據(jù)處理及反演軟件系統(tǒng)的插件主要包括3大子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)中又包含相應(yīng)若干插件，如圖4所示。

圖4 插件集成示意Fig.4 Schematic diagram of plug-in integration

2.2 綜合信息數(shù)據(jù)庫(kù)體系實(shí)現(xiàn)方案

在軟件系統(tǒng)框架中，數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)。系統(tǒng)利用“Oracle+ArcSDE+ADO.NET”的模式來設(shè)計(jì)和構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)體系，用二維表格來管理非空間數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的Geodatabase管理空間數(shù)據(jù)，并通過ArcSDE和Ado.net組織和調(diào)用，通過內(nèi)部關(guān)聯(lián)字段實(shí)現(xiàn)空間和非空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。影像數(shù)據(jù)通過柵格目錄Raster Catalog管理。[6]

數(shù)據(jù)包括：① 空間數(shù)據(jù)：共有DEM、衛(wèi)星遙感影像、基礎(chǔ)地理信息、重磁信息、地質(zhì)信息5個(gè)數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集組織結(jié)構(gòu)包括點(diǎn)、線、面要素和注記。② 屬性數(shù)據(jù)：包括字段名稱、說明及字段類型，分為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(水系、交通、地形等)、重磁數(shù)據(jù)(重力、磁力)、地質(zhì)數(shù)據(jù)(構(gòu)造、地層、巖性、鉆孔等)及系統(tǒng)輔助信息(系統(tǒng)日志、系統(tǒng)用戶、角色、權(quán)限等)，用于數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢、交互操作及系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)。③ 三維模型數(shù)據(jù)：包括地上、地表及地下的主要建筑物、道路、管線及地質(zhì)體等的模型及紋理。模型屬性含有標(biāo)識(shí)碼、序號(hào)、模型名稱、類型及屬性描述等字段，采用分層分級(jí)文件組織方式存儲(chǔ)。④ 元數(shù)據(jù)：包含數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)、內(nèi)容說明、質(zhì)量說明、坐標(biāo)系統(tǒng)、更新維護(hù)信息等，和相應(yīng)空間數(shù)據(jù)實(shí)行同步管理和更新。

2.3 綜合解釋體系實(shí)現(xiàn)方案

綜合解釋體系是利用重磁計(jì)算結(jié)果和地質(zhì)、地理、測(cè)繪數(shù)據(jù)，通過對(duì)幾何形體和物性信息進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、三維瀏覽、定量量算和GIS空間分析，使得重磁數(shù)據(jù)處理及反演結(jié)果與多源、多維、多類型信息相融合，通過三維可視化的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息集成顯示，對(duì)多領(lǐng)域信息進(jìn)行集成分析及綜合解釋，最終形成定量化的綜合信息地質(zhì)結(jié)論。

2.3.1 信息查詢

信息查詢是根據(jù)查詢請(qǐng)求，訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)體系，按照查詢要求搜索目標(biāo)數(shù)據(jù)。分為兩類，一類是根據(jù)位置信息查詢到屬性，一類是根據(jù)值域信息查詢到屬性，需要用到TerraExplorer Pro和ArcGIS Engine組件共同開發(fā)，前者獲取查詢條件的坐標(biāo)信息，后者要根據(jù)查詢條件搜尋數(shù)據(jù)庫(kù)，最后通過坐標(biāo)信息控制三維窗口的飛行定位。

2.3.2 三維場(chǎng)景控制、三維量算和分析

三維場(chǎng)景控制服務(wù)于信息綜合解釋。需要用到Skyline的一些接口的功能，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵是獲取鼠標(biāo)的狀態(tài)或反饋信息。三維量測(cè)和分析用于輔助用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合分析，幫助地質(zhì)解釋工作，這里都采用矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，關(guān)鍵是獲取點(diǎn)坐標(biāo)，基于TerraExplorer Pro完成。

3 軟件特色

筆者基于組件+插件的開發(fā)技術(shù)，架構(gòu)上具有穩(wěn)固、靈活的特點(diǎn)，多種功能模塊即插即用，可以根據(jù)重磁數(shù)據(jù)處理、反演、解釋的流程需求來制定軟件界面；系統(tǒng)對(duì)多元、多維、多類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，開發(fā)綜合解釋體系，實(shí)現(xiàn)以重磁數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的多元數(shù)據(jù)三維集成分析及綜合解釋。

3.1 即插即用的功能模塊

模塊即插即用，動(dòng)態(tài)加載是本軟件的一大特色。綜合型軟件通常功能繁多，用戶不易于快速查找需要的模塊，因此根據(jù)應(yīng)用進(jìn)展制定個(gè)性化的軟件界面，使用戶在使用軟件時(shí)能快速入手；同時(shí)，“即插即用”可以實(shí)現(xiàn)軟件快速集成和升級(jí)維護(hù)，方便軟件更新及補(bǔ)充完善新的功能。

本軟件設(shè)計(jì)的“插件管理”是對(duì)插件進(jìn)行管理和加載的工具按鈕，當(dāng)用戶需要使用功能插件時(shí)，利用插件管理按鈕對(duì)插件進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載(圖5)。當(dāng)插件使用完畢后，用戶可對(duì)已注冊(cè)的插件進(jìn)行注銷。

圖5 插件管理工具示意Fig.5 Schematic diagram of plug-in management tools

系統(tǒng)的插件功能主要為地球物理數(shù)據(jù)處理及正反演服務(wù)。

3.2 重磁數(shù)據(jù)處理及反演一體化功能

系統(tǒng)構(gòu)成了重磁數(shù)據(jù)處理及反演一體化功能，包括平面的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換、曲面的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，以及位場(chǎng)反演功能，如圖6a、b所示。具體在1.2節(jié)和2.1節(jié)已介紹，部分功能展示如圖7、8所示。

圖7 重磁數(shù)據(jù)處理及反演功能展示(一)Fig.7 Function show of gravity and magnetic data processing and inversion (1)

圖6 重磁數(shù)據(jù)處理及反演功能集合Fig.6 Functions of gravity and magnetic data processing and inversion

3.3 信息查詢、三維量算和三維分析功能

信息查詢是系統(tǒng)根據(jù)用戶的查詢請(qǐng)求，訪問系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，按照查詢要求搜索目標(biāo)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)具備對(duì)空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及模型數(shù)據(jù)的信息查詢功能，包括點(diǎn)擊、范圍框選、關(guān)鍵字和屬性查詢等幾種查詢方式，可以通過數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)實(shí)體幾何位置、屬性信息的交互查詢。

三維量算和三維分析功能用于利用重磁、地理、地質(zhì)、測(cè)繪等信息，結(jié)合重磁數(shù)據(jù)處理和反演的成果，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)查詢、視圖瀏覽控制、定量量算和三維分析輔助綜合地質(zhì)解釋。三維量算包括利用矢量數(shù)據(jù)對(duì)水平距離、垂直距離、空間距離的量測(cè)，周長(zhǎng)/面積量測(cè)、三維坐標(biāo)查詢及坡度、坡向查詢；三維分析包括二維、三維對(duì)象繪圖，室內(nèi)室外、地下多模式瀏覽、地面透明度、光照、時(shí)間軸設(shè)置，等高線分析、地形開挖、產(chǎn)狀分析、剖面分析等。

其中，等高線分析以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶鼠標(biāo)選擇區(qū)域自動(dòng)創(chuàng)建等高線，并可設(shè)置等高距、樣式等相關(guān)屬性；產(chǎn)狀分析根據(jù)用戶鼠標(biāo)選取的點(diǎn)計(jì)算該點(diǎn)地層的走向、傾向和傾角；剖面分析將自動(dòng)加載綜合地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)生成的剖面模型，可查詢每一地層的屬性信息，包括密度、磁性、地層名稱、所含礦物等，輔助綜合分析。部分功能效果如圖9所示。

圖8 重磁數(shù)據(jù)處理及反演功能展示(二)Fig.8 Function show of gravity and magnetic data processing and inversion (2)

圖9 信息查詢、三維量算和三維分析功能Fig.9 Function show of Information query and 3D measurement and analysis

4 結(jié)論與建議

筆者研究和設(shè)計(jì)了基于分層體系的組件+插件的系統(tǒng)架構(gòu)。在縱向上將系統(tǒng)分為3層體系，建立數(shù)據(jù)、功能和用戶界面的邏輯層次，在橫向分為平臺(tái)和擴(kuò)展兩大部分，利用組件式GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)部分的應(yīng)用，利用插件式GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展部分的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于Visual Studio開發(fā)環(huán)境和Skyline+ArcGIS組件的框架實(shí)現(xiàn)策略和開發(fā)流程，組件+插件的框架結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)基礎(chǔ)功能及核心功能組成平臺(tái)的主體，專業(yè)功能部分以插件方式集成到平臺(tái)上，用時(shí)加載，不用時(shí)卸載，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)固的平臺(tái)主體和靈活的擴(kuò)展應(yīng)用(即插即用)，使系統(tǒng)兼具穩(wěn)定性、靈活性和可擴(kuò)展性。

為實(shí)現(xiàn)將重磁數(shù)據(jù)處理及反演結(jié)果與多學(xué)科信息結(jié)合，進(jìn)行三維可視化綜合分析， 筆者將重磁數(shù)據(jù)處理和反演方法與插件技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)重磁平面、曲面數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)換、及重磁反演功能，實(shí)現(xiàn)插件功能動(dòng)態(tài)加載；設(shè)計(jì)了多源、多維、多類型數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理模式，完成了包含空間數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、三維模型庫(kù)及元數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)體系建設(shè)；利用三維GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地形、實(shí)物及地質(zhì)體的三維模擬及三維可視化集成顯示；利用GIS組件進(jìn)行系統(tǒng)二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)重磁、地質(zhì)、地理、測(cè)繪數(shù)據(jù)信息查詢、幾何形體及物性的三維定量表達(dá)和綜合分析(包括三維瀏覽、三維量算及三維GIS空間分析等功能)。從而將重磁數(shù)據(jù)處理及反演結(jié)果與多源、多維、多類型信息相融合，通過三維可視化的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息集成顯示，在此基礎(chǔ)上對(duì)多領(lǐng)域綜合信息進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)了地球物理多元數(shù)據(jù)三維集成分析及綜合解釋。

未來一段時(shí)間內(nèi)，功能集成化仍是地球物理軟件的一個(gè)重要趨勢(shì)，因此，下一步將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展插件功能，使系統(tǒng)從數(shù)據(jù)預(yù)處理、處理和轉(zhuǎn)換、反演解釋、圖形繪制，再到數(shù)據(jù)管理、GIS分析等形成一個(gè)方法齊全、功能完備的體系。