海洋地球物理平面剖面图的绘制

海洋地球物理平面剖面图的绘制 第 卷 第 期海 洋 技 术 Vol. 30，No.3 30 3 年 月OCEAN TECHNOLOGY Sep，2011 2011 9 海洋地球物理平面剖面图的绘制 谭勇华，高金耀，张 涛 ,国家海洋局第二海洋研究所 ，国家海洋局海底科学重点实验室 ，浙 江 杭 州 310012, 摘 要 ,以海洋地磁平面剖面图以下简称平剖图的 绘 制 为 例 ，介绍了绘制海洋 地球物理平剖图的基本原理和实现 () 方 法 。 该方法思想新颖 ，具有使用效率高 、适 用 范 围 广 、上 手 快 、实现简单等优点 。 通 过 对 “”,我国近海海洋综908合 调查与评价专项 ,海洋地磁异常数据的试处理 ，取得了令人满意的效果 。 关 键 词 ,海 洋 地 球 物 理 ,平 面 剖 面 图 ,Matlab,Surfer 中 图 分 类 号 ,文 献 标 志 码 ,文 章 编 号 ,,,P285.7 B 1003-2029201103-0052-04 ，提 出 了 利 用 和 软件绘制海洋地球 物 理 平后 海 洋 地球物理数据中的平剖图 ，能够很好地反映数据的 surfer8.0 Matlab 区域变化趋势及局 部 细 节 ，对异常识别帮助很大 ，是 海 洋 地 剖图的成图技术 。实 际 应 用 表 明 ，作为一种辅助成图手段 ，该 球 物 理 数 据 处 理 、结果解释的一种重要的常规表现形式 。20 方法既充分利用 Matlab强大的矩阵计 算 ,解 方 程 组 ,的 能 力 ， 世 纪 90 年 代 以 前 ，由于计算机普及程度低 ，在进行海洋地球 又 完 全 利 用 了 surfer8.0软件强大的绘图功 能 ，高 效 地 绘 制 出 物 理 数 据 处 理 时 美 观 ， 先用计算机绘制出剖面场值曲线及航 迹 、一 致 的 平 剖 图 ，提高了海洋地球物理数据处理的效率 线 ，然后手工填充上色 。由于海洋地球物理探测跨区 大 、测 线 和 质 量 。 多 且 密 集 ， 手工着色费时费力 、 效 率 低 ， 所绘图件着色不一 致 、不 美 观 ，不 能 适 应 快 速 高 效 、数 字 化 、自动化的数据成图 实现流程 1 要 求 。 近 年 来 ，一些面向陆地测量的商业软件相继面世 。同 时 ，国 内 也有研究人员开发了一些专业的小程序来解决陆地 此 方 法之所以能够简单实现半自动化内业绘图 ，主 要 得 [1-3]上测量的平剖图 绘 制 软 件 ，由于编程人员主要考虑陆地上 力 于 Matlab强大的矩阵计 算 ,解 方 程 组 ,能 力 和 Surfer软 件 的 测 量 要 求 ，即 测 线 比 较 规 则 ，测线方向和测点间距预先定 强大的绘图功能 。第 一 步 ，将数据整理成规则数据 ，地 球 下 来 。 所以要绘制平剖图 ，实施起来相对比较容易 。 而 海 洋 调 物理仪器采集 的数据一般都输出以空格为间隔的规则数据 , 查 具 有 的 不确定因素较多 ，航向不可能总能保持在一个方向 基本上不需要加工 即可绘制原始数据剖面图 ,第 二 步 ，将 异 上 ，实 际 测 线可能是一条折线 ，所以从原理上来说 ，海 洋 数 据 常 值 转 化 为 坐 标 ，具体算法及原理在 2.1 和 2.2 节 细 述 ,第 三 的处理比陆地上数据的处理要烦琐 。除有部分间接使用其 它 步 ，输 出 成 Bln 文 件 ，第 四 步,利 用 Surfer生 成 平 剖 图 。此 方 法 [4-5]商业软件作为辅助绘图以外 ，到 目 前 为 止 ，国 内 尚 未 有 完 实现起来也非常简便 ，其 流 程 如 图 1。 全 适 合 海 洋 地球物理数据直接使用的平剖图绘制软件的报 道 。 作者在综合研究了前人在陆地上测量时的数据成图方法 图 绘制平剖图的流程 1 [3]并列在一张平面图纸上构成。 在 陆 地 测 量 时 ，由 于 预 先 知 道 剖面数据处理2 测线的方向和点号 ，而且测线为一直线 ，要做平剖图相对比 较 容 易 ,如 图 2, 。 在进行海洋测量时 ，由于船的航向不可能 绘制剖面图的基本原理 2.1 总是一个固定的方向值 。 所以实际测线不是一条严格的直线 剖面图是表示某一测线或方向的剖面上特征值变 化 情 ,如 图 3, 。 以海洋地磁测量为例 ，在 理 想 条 件 下 ，认 为 实 际 航 。 平剖图是由全测区的所有剖面或测线按实际位置 况 的 图 件 线 为 一 直 线 ，假 设 调 查 船 沿 测 线 A-E 进 行 测 量 ,图 4,，分 别 在 A,X1，Y1,B、,X2，Y2,C、,X3，Y3,D、,X4，Y4,E、,X5，Y5, 收 稿 日 期 ,2011-01-08 五个点进行了数据采集 ，五个点对应的的测 量 值 分 别 为 K1， 基 金 项 目 ,国 家 自 然 科学基金资助项目 (41006035, 40776036,我) 国 K2，K3，K4，K5， 在 剖 面 上 ，A 点 的 磁 场 为 K1， 假 设 比 例 系 数 近海海洋综合调查与评价专项(908 ZC I 06) - - - 作 者 简 介 ,谭 勇 华 ,1977-,，男 ，湖 南 涟 源 人 ，硕 士 ，助 理 研 究 员 ，海 为 1，则 代 表 J 到 A 点 的 距 离 为 K1，得 到 方 程 , 洋 地 质 专 业 。E -mail:tan_yh@126.com 转 换 为 成 图 文 件 格 式,1, 2.3 Surfer Surfer支持一种 称为白化文件的 bln 文 件 ，它 是 用 ASCII 且 直 线 ，得 到 方 程 ,JA?AB 明码写成的通知 Surfer空白某一区域的文 件 。 bln 文 件 具 有 ,2, 以 下 格 式 , length， flag“Pname 1” 其 中 ,，,，,，,为 已 知 坐 标 ，结 合 式 ,,和 式AX1Y1BX2Y21 x1，y1 ,2,可 解 出 x 和 y 的 值 ，即 J 点的坐标可以解出 ，同 样 步 骤 可 x2，y2 以 解 出 I，H，G，F 的 坐 标 。 按 顺 序 输 出 A，B，C，D，E 和 F，G， … … xn，yn H，I，J 构成一条没有着色的剖面 。 length是背景地图某条折线中的节点 数 。 flag 是 白 化 区 特 征 值 ，可 取 1 或 0，默 认 为 flag = 1,当 flag = 1 时 ，节 点 圈 出的区域被白化 ，如 果 flag = 0，则是圈合折线以外的区域被 白 化 。 对 bln 文件作出的白化区域还可以充填颜色 。 “Pname1 ”是某一区域或某一节点的 ID。 xi，yi 是 第 I 节 点 的 x、y 坐 标 值 ，xn，yn 可 以 与 x1，y1 相 等 或 不 等 。 当 xn = x1 且 yn = y1 时 ，这条折线形成闭合折线框 ,如 果 xn?x1 或 yn?y1 时 ，这条折线不闭合 ，形 成 一 条 折 线 。 由 此 我 们 较 容 易 利 用 Surfer这一功能设计绘制剖面平面 图 。 仔 细 观 察 可 图 陆地地球物理测量的剖面示意图 2 以 看 到 ，平时使用的平面剖面图由很多个小的闭合区域组 成 。 就单个剖面而 言 ，它由若干个正异常闭合区和若干个负 异常闭合区组成 。 通 过 Matlab程序进行坐标计 算 ，进 一 步 将 点按顺序生成小的闭合区域 ,xn = x1 且 yn = y1, 。 值 得 注 意 的 是 ，地球物理平剖图在着色时 ，一般方法是正异常使用 红 色 填 充 、负异常使用蓝色填充 ，所以在制作剖面图的 bln 文 件 时 ，需 要 生 成 正 、负 异 常 2 个 bln 文 件 ，在 Surfer里 绘 制 基 面 图 ，最后将正异常圈闭的区域文件与负异常圈闭的区域 文件进行地图叠加 ，生成一个正负一体的平剖图 。图 海洋地球物理走航测量的剖面示意图 3 只要输入方程组 ，即可把方程解出来 。 程 序 的 代 码 如 下: function return1=calslice(lon,lat,faa,filname,scale);%其 中 ( 参数分别为经度 、纬 度 、异 常 值 、文%件 名 、异常的比例系数) fid=fopen(filname,'w'); idc=[1- 1]; symsx y; n=5; j=0; 图 调查剖面示意图 4 for i=1:length(faa)-1 if lon(i)==lon(i+1)|lat(i)==lat(i+1) 剖 面 数 据 处 理 continue; end 2.2 海洋走航调查受海流和其它因素影响 ，实际测线方向不 Z1=faa(i)/scale; Z2=faa(i+1)/scale; 可能总保持一个的方向 ，每两点的斜率会有较大变化 ， 我们先通过将所有要成图的测线数据网格化 ，然 后 从 网 格 数 if Z1~=0 据中根据设计测线的起点和终点输出成规则测线 。 flg=(idc==Z1/abs(Z1)); 对 方 程 ,1,和 方 程 ,2,组成的二元二次方程联立求解 ，常 else 规的方法包括迭代法 、牛 顿 法 等 ，但这两种方法要在 Fortran flg=1; 或 C 语 言 里 实 现 ，如果没有现成的 ，程序编写比较烦琐 。 我 们 可 以 利 用 Matlab强大的矩阵计算能 力 。 无 需 烦 琐 的 程 洋 技 术 海第 30 卷 54 if Z1==0|Z2==0 sx2(j)=sym2poly(S2.x(flg)); sx1(j)=lon(i); sy2(j)=sym2poly(S2.y(flg)); sy1(j)=lat(i); end endsx2(j)=lon(i+1); sy2(j)=lat(i+1); for i=1:length(sx1)-1 else fprintf(fid,'%d\n',n); eq1=((y-lat(i))/(x-lon(i))*(lat(i+1)-lat(i))/(lon(i+1)-lon(i))+1); fprintf(fid,'%11.7f%10.7f \n',lon(i),lat(i)); eq2=((lon(i)-x)^2+(lat(i)-y)^2-Z1^2); fprintf(fid,'%11.7f%10.7f \n',sx1(i),sy1(i)); S1 = solve(eq1,eq2); fprintf(fid,'%11.7f%10.7f \n',sx2(i),sy2(i)); fprintf(fid,'%11.7f %10.7f\n',lon(i+1),lat(i+1)); eq3=((-ylat(i+1))/(x-lon(i+1))*(la(ti+1)-lat(i))/(lon(i+1)-lon (i))+1); fprintf(fid,'%11.7f%10.7f \n',lon(i),lat(i)); eq4=((lon(i+1)-x)^2+(lat(i+1)-y)^2-Z2^2); if i==(length(sx1)-1) S2 = solve(eq3,eq4); continue; sx1(j)=sym2poly(S1.x(flg)); end sy1(j)=sym2poly(S1.y(flg)); fprintf(fid,'%d\n',n-1); 图 某区块海洋重力布格异常平面剖面图 “”5 908 图 “”某区块海洋地磁异常平面剖面图 6 908 迫 切 要 求 。 fprintf(fid,'%11.7f %10.7f\n',lon(i+1),lat(i+1)); fprintf(fid,'%11.7f%10.7f \n',sx2(i),sy2(i)); fprintf(fid,'%11.7f %10.7f\n',sx1(i+1),sy1(i+1)); 结论 4 fprintf(fid,'%11.7f %10.7f\n',lon(i+1),lat(i+1)); end ，[13]本文参考了陆地地球物理测量时所使用的绘图方法 fcloseall; 中 的 部 分 思 想 ，比较通俗地叙述了一种简便的方法来绘制海 return1=0; 洋地球物理的平剖图 ，实践证明该方法具有以下优点 , ,1, 本 方 法 利 用 Matlab强大的矩阵计算能 力 ，无 需 用 复 杂的计算机语言来解方程组 , 计算实例3 ,2, 该方法对数据 格式的要求不高 ，可以根据具体格式 在 Matlab里 随 意 修 改 , 使 用 上 述 代 码 ，我们可以批量绘制出与地球物理数据的 平 剖 图 ，经 过 统 一 的 比 例 尺 标 定 ，从而使批量做出的图形具 ,3, 利 用 Surfer强大的绘图功 能 ，使 画 图 模 块 可 在 现 成 有 很 好 的 可 比 性 ,对研究不同时间,不同空间的海洋地球物理 的 软 件 下 实 现 ，对没有相关计算机语言基础的用户可以简单 资 料 提供了比较直观的参考 。 我们利用该方法 对 “908”某 实 现 , 区 块 的 海 洋地磁调查数据绘制了平剖图 ,图 5，图 6,平， 剖 图 ,4, 实 际 工 程 案例说明其简便 、 经 济 的 优 点 ， 对 于 大 范 简 单 易 行 ，图 面 美 观 清 晰 ，不需要逐条绘制 ，很好地满足了围大工作量的测线尤其适合 。具 有 效 率 高 、适 用 范 围 广 、上 手 当前 一 线 和 二 线 地质地球物理工作者快速准确地绘制平剖快 、实现简单等优点 。 图的 参 考 文 献 , [1] 李 文 杰 ，等. 运 用 SURFERTM软件绘制航空物探平面剖面 图[J].物探化探计算技术 ，2007，29,4,3,63-366. 辛 柏 森 ，等. 海 洋 地 磁 学[M].青 岛 ,青岛海洋大学出版社 ，1994. [2] 孙 中 任 赵 东 亮 ，等.利 用 Surfer实现剖面平面 图[J].物 探 与 化 探 ，2006，30,2,172,-174. [3] 白 世 彪 王 军 见 ，等.Surfer 软件在水下地形三维可视化与分析中的应用[J].海 洋 测 绘,2004,24,5,51,-53. [4] 王 冠 琳 胡 筱 敏 ，等.使 用 SurferAu tomation 实现海洋要素等值线图的批量绘制[J].海 洋 技 术,2007，26,2,70,-75. [5] Proilfe-plan Portraying about OceanPhys ical Geogaphyr 1,21,21,2TAN Yong-hua, GAO Jin-yao, ZHANG Tao (1.Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou Zhejiang 310012, China; 2.Keyof LaboratorySubmarine Geosciences, SOA, Hangzhou Zhejiang 310012, China) Abstract,A methodo f portraying a profile-plan about marinep hysical geophysics dias taprese nted.Its basic principle is introduced in detail. This method obviouslyimpr oves the portraying effect comparedto the previous method.It uses a kind of new idea. It has many advantages suachs h igh efficiency, wideappl ication, simple operatioann d so on. Excellent results have abeenined by gprocessinthge data of “908”marine magnetainoc malies usingt his method. Key words,marine geophysics;pro file-plan; Matlab;S urfer