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《长安大学》 2017年
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重磁数据处理及反演软件系统设计

陈靖  
【摘要】:重磁勘探是地球物理勘探方法之一,它在解释地壳深部构造、区域构造、资源勘查等方面有着非常重要的作用。随着近年来现代科学技术的发展,以及对于地质解释要求的不断提高,重磁勘探从二维的定性、半定量解释逐步走向三维的可视化定量解释,重磁数据处理及反演软件的开发是不可或缺的。国外重磁数据处理及反演软件的研发和应用要早于国内,在软件功能和性能方面都较为成熟。国内重磁数据处理及反演软件系统比国外还有一定差距,主要体现在对多源数据管理、三维可视化建模、定量表达及软件开发方面:(1)在数据管理方面,缺乏对多源多维多类型数据的统一集成管理,以及高效的数据访问和存储体系;(2)在三维可视化方面,缺乏完善的三维建模、三维场景控制、模型集成以及模型信息提取的能力,不能对结果进行动态实时、全方位立体的观察与分析,从而影响对地质结构的判断和解释;(3)在定量表达(三维量算和空间分析)方面,缺乏全面的对量化信息的量算与数值分析能力,因此较难对地质体的空间位置、属性参数、产状规模、分布规律以及与周边地质体的关系进行综合分析,得出具有综合性的量化的地质结论;(4)在软件开发方面,缺乏高效、健壮的系统架构,以及灵活、开放的模块功能,系统不易升级维护,跨平台跨语言开发及二次开发能力较弱、功能的可重用性较弱。以上四个方面在很大程度上影响了重磁软件的推广使用。针对上述目前国内重磁数据处理及反演软件在数据管理、三维可视化、定量表达(三维量算和空间分析)以及软件开发方面存在的诸多不足,本文基于面向对象的系统开发理论和方法,对软件需求进行了分析和总结,设计了重磁数据处理及反演软件系统的框架体系,研究了三维可视化建模、多源数据管理及实现系统开发的方法及相关技术措施。采用面向对象的思想在MicroSoft Visual Studio平台下结合GIS(Geographic Information System)技术开发了重磁数据处理及反演软件,并对系统功能和应用效果进行了测试和展示。本文研究的主要成果如下:(1)研究和分析了国内外主流的重磁数据处理和反演软件,从软件功能、数据管理、三维可视化、定量表达、软件开发方式等方面进行分析,总结出重磁数据处理及反演软件目前的发展现状。研究表明,未来的发展方向主要从软件开发技术,大数据管理技术,三维可视化技术及三维量算和空间分析技术等方面实现重磁数据处理和反演软件功能及性能的优化和完善。(2)对重磁数据处理及反演软件系统进行了深入的需求分析,从用户、功能、数据及性能四个方面对系统需求进行了全面的分析和研究。根据软件工程的思想,研究和设计了基于分层体系的组件+插件的系统架构。在纵向上将系统分为数据层、业务层和表示层的三层体系,数据层采用Oracle数据库+ArcSDE实现数据的集成管理,业务层采用组件+插件的架构,在横向上分为平台和扩展两部分,以ArcGIS Engine和Skyline组件为工具在.NET框架下实现系统平台功能,以插件技术结合跨语言开发技术实现系统扩展功能,显示层以三维视图窗口作为显示前端,可将多种数据集成显示,并以功能界面窗口为辅助配合平台和扩展功能的实现。本系统基于分层体系的组件+插件的架构模式能够实现稳固的平台主体和灵活的扩展应用,使系统兼具稳定性、灵活性和可扩展性。(3)研究了重磁数据处理和反演软件系统数据库建设方法,采用“Oracle+ArcSDE+ADO.NET”的模式设计和构建数据库体系,对空间数据和非空间数据统一管理,构建了系统空间数据库、属性数据库、三维模型库及元数据库,系统实现了对多源多维多类型数据的统一管理。研究了基于地质、地球物理及地理数据建立的用于三维可视化的集成式三维模型的构建方法,针对重磁数据处理和反演软件系统制定了配套的建模标准和工作流程,采用Skyline软件实现了地表地形建模、实物建模、地质体建模及模型的集成。(4)研究了基于组件+插件架构的系统实现策略。根据架构设计,将系统业务层分为平台部分和扩展部分,平台部分负责系统基本文件操作、数据库查询业务和三维业务(三维可视化和定量表达),采用组件式的开发思路,由ArcGIS Engine和Skyline TerraExplorer Pro组件在MicroVisual Studio环境下采用C#语言实现,重点研究了平台关键技术的实现方法和开发流程;扩展部分负责重磁数据处理和反演业务,基于跨平台跨语言开发技术,采用插件技术实现系统功能的扩展,设计了扩展部分主程序、接口、插件管理器及插件的实现方案。(5)研究了重磁数据处理及反演软件系统插件集成方案。对重磁领域内平面位场数据处理和转换(网格化、延拓、导数转换、分量转换和磁化方向转换)、曲面位场数据处理和转换以及反演(地质体特征位置识别和反演、界面反演和物性反演)的各类方法进行归纳和总结,设计重磁数据处理和反演的功能体系,以每类方法中的一种为例进行插件开发,实现重磁数据处理及反演插件与平台的集成。通过研究,本文的创新点在于:(1)设计了基于组件+插件的重磁数据处理及反演软件系统架构。本系统旨在构建一个具备重磁数据处理和反演功能,并能结合重磁计算的结果及地质、地理、测绘等多领域跨学科信息进行三维可视化综合分析和量化地质解释的软件系统,要求系统架构合理、可扩展、易集成,可根据不同用户需求建立插件式的软件界面。基于此,本文结合分层体系,设计了基于组件+插件的系统架构。系统利用组件式GIS技术,在纵向上将系统分为三层体系,建立数据、功能和用户界面的逻辑层次;在横向上分为平台和扩展两大部分,建立系统功能体系。利用组件式GIS技术实现平台部分的应用,利用插件式GIS技术实现扩展部分的应用。设计了基于MicroSoft.NET框架和GIS二次开发组件,并结合跨平台跨语言开发技术和数据库技术建立系统框架策略和开发流程。基于组件+插件的框架结构使该系统具有多种标准化的组件接口、规范的插件模块、统一的数据存储管理机制,系统具有跨平台跨语言混合编程能力,能够实现“即插即用”的插件动态加载,通过这种方式能够建立稳固的平台主体和灵活的扩展应用,系统兼具稳定性、灵活性、可重用性和可扩展性。该系统在架构设计和实现方面为重磁数据处理及反演软件的开发研究提供了详细设计思路及方案。(2)基于框架设计方案实现了重磁数据处理及反演软件系统的开发。为实现将重磁数据处理及反演结果与多学科信息结合,进行三维可视化综合分析,本文将重磁数据处理和反演方法与插件技术相结合,实现重磁平面、曲面数据处理及转换、及重磁反演功能,实现插件功能动态加载;设计了多源多维多类型数据统一管理模式,完成了包含空间数据库、属性数据库、三维模型库及元数据库的数据库体系建设;利用三维GIS技术实现了对地形、实物及地质体的三维模拟及三维可视化集成显示;利用GIS组件进行系统二次开发,实现重磁、地质、地理、测绘数据信息查询、几何形体及物性的三维定量表达和综合分析(包括三维浏览、三维量算及三维GIS空间分析等功能)。从而将重磁数据处理及反演结果与多源多维多类型信息相融合,通过三维可视化的方式进行数据信息集成显示,实现了对多源多维多类型数据的统一管理,在此基础上对多领域综合信息进行综合分析,实现地球物理数据集成、空间量算和分析预测,将重磁数据处理及反演解释的定位从传统三维立体显示变为地球物理多元数据三维集成分析及综合解释,这是一个重要的转变。
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P631.2

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