海洋磁力资料整理技术与软件实现

白永良，刘 展 ，张志珣 ，杨慧良 ，张 刚 ，史增园 ，杜润林

(1.中国石油大学（华东）地球资源与信息学院，山东 青岛266555；2.青岛海洋地质研究所，山东 青岛266701）

海洋磁力资料整理技术与软件实现

白永良1，刘 展1，张志珣2，杨慧良2，张 刚1，史增园1，杜润林1

(1.中国石油大学（华东）地球资源与信息学院，山东 青岛266555；2.青岛海洋地质研究所，山东 青岛266701）

针对海洋磁力测量成果规范化整理与磁力异常计算软件开发问题，重点讨论了测线文件获取和畸变点剔除的可视化方法，提出了一种自动快速求取测线交点的方法，采用半系统差调差法进行测网平差和精度评定。在此基础上，依据海洋磁力调查规范，基于图形可视化技术开发了一套具有人机交互功能的海洋磁力资料整理软件。

海洋磁力资料整理；截取测线；剔除畸变点；求取测线交点；测网平差

引言

海洋磁力测量在海底资源勘探、海底构造探测等多个领域中起着重要作用[1-2]。目前，我国海洋磁力调查程度低，近年才开始全面展开1：100万幅磁力调查工作。磁力测量成果的规范化整理涉及磁力测量、GPS定位、日变测量、时间等多种数据源，磁力异常的计算比较繁杂，传统的方法效率较低。虽然国外已开发了一些相关软件，但是这些软件采用的方法和参数大都不符合我国现行国家规范。我国学者范守志[3]、陈泓君[4]等也先后开发了磁力资料整理软件，但从使用情况看，这些软件的可视化人机交互功能较弱，剔除磁力畸变点、清除摆渡段、求取测线交点等辅助功能不全。本文针对目前软件存在的问题，利用先进的可视化技术，开发一套能够高效完成资料整理工作的软件。

1 磁力测量成果规范化整理的难点

如图1所示，根据海洋磁力测量规范[5]，海洋磁力测量成果规范化整理业务具有如下流程：需要从多源异构的原始数据中提取出磁力、定位、日变等数据，统一不同类型数据的时间系统，形成定位文件组和磁力及日变文件组。处理各类数据文件中的日变异常记录；对日变数据进行插值等预处理。清除摆渡段，形成以测线为单位组织的文件系统。整合定位数据和磁力数据后，对磁力、定位等数据进行畸变点剔除等操作。利用日变数据和国际地磁与高空科学协会（IAGA）提供的正常场计算公式及对应的IGRF参数，进行日变校正。测网平差后还要进行精度评定。

图1 海洋磁力资料整理流程图

资料整理工作面对的数据种类多过程复杂，提高效率的关键是如何利用计算机可视化技术实现测量数据的形象直观的图形展示，并通过人机交互技术完成相关计算。如何高效地从多源异构的原始资料中提取出磁力、定位、水深等数据，并形成以测线为单位组织数据的文件系统是一个难点。如何准确快速识别和剔除磁力畸变点是影响资料整理工作效率的重要因素。准确快速求取测线交点，进而进行测网平差与精度评定也是难点之一。

2 关键技术解决方案

2．1 磁力测线文件的提取

海洋磁力测量虽然是按照预先设计好的测线进行的，但在实际测量中，测量船是连续运行的，测船由一条测线终点航行到另一条测线起点的航迹称为摆渡段，测船在摆渡段的航行参数不稳定，记录的数据不可靠，因此需要删除测线数据中的摆渡段数据。另外，受海况等外界条件的影响，一条测线会被打断成若干个测线段来测量，需要对其整合形成以测线/测线段为单位组织的数据体。

本文采用以班报为依据的磁力测线提取技术，外业测量时值班人员会按照指定格式记录测船航行过程中的一些参数，该记录称为班报。班报的主要内容为上下线的时间、测船所在位置（经纬度）、速度、水深等。

（1）绘制航迹图：首先根据所有的定位文件，以X轴为经度，Y轴为纬度绘制航迹图。该航迹图真实地反映了测船外业测量的航行轨迹，其中包括摆渡段和测线/测线段。

（2）显示鼠标所在测站时间：根据下式将鼠标指针所在位置的屏幕坐标转换成经纬度。

式中：Sx和Sy为比例缩放系数；Tx和Ty为平移系数；x和y为屏幕坐标；x'和y'为经纬度。

根据x'和y'找到鼠标指向的测站，并显示出该测站对应的时间。

（3）选择测线/测线段起点和终点：查看航迹由曲线转为直线处的时间，如果该时间与班报中的上线时间相符，则选为起点；同理把航迹由直线转为曲线的转折点选为终点。

（4）截取测线/测线段：从现有的定位文件和磁力文件中提取出时间在起点和终点时间范围内的所有数据，形成以测线/测线段为单位组织的文件系统。图3为提取磁力测线文件的效果图。

2．2 剔除畸变点

受海况和仪器稳定性的影响，测得的各类数据中都存在粗差数据，称为畸变数据。畸变数据不可以参与后续计算，必须剔除。剔除畸变数据是海洋重力资料整理工作中较为耗时的部分。本文设计并实现了二步法剔除畸变点。以磁力数据为例，说明该方法的主要步骤。

图2 提取磁力测线文件的效果图

第一步：首先根据磁力数据的梯度值剔除明显的畸变点。给曲线设定一个判定窗口（大小为2*M+1）和一个梯度阈值，窗口中心点（第M+1点）是判断是否为畸变点的目标点，如果中心点磁力值与窗口内所有点平均值之差大于给定的梯度阈值，则认为目标点为畸变点，剔除；反之保留。通过这一步的操作可以剔除大量单个出现的畸变点。

图3 二步法剔除磁力畸变点过程

第二步：人机交互，剔除剩余畸变点。第一步结束后，还会存在一些畸变程度较小的或者连续出现的畸变点，通过人机交互的方式可以剔除这些点。假设磁力曲线S上有一个畸变点P，利用鼠标在图像上绘制一个矩形R圈中点P。首先将屏幕坐标转换到曲线S所在的坐标系中，得到矩形R的顶点坐标，遍历曲线S上所有的点，在矩形R内的点为畸变点，剔除即可。图3为二步法剔除Z1磁力文件中畸变数据的过程。

2.3 求取测线交点位置

测线是由航迹上的测站前后相连构成的折线，并非是一条直线，因此如何快速准确求解测线交点位置，进而计算出交点不符值是一个难点。针对该问题，本文设计了一种快速求解测线交点位置的方法。以求解主测线L与联络测线（副测线）交点位置为例，说明该方法的具体过程：

⑴ 连接 Z 的首（Nzh）尾（Nzt）测站得到直线 Lz，连接 L 的首（Nth）尾（Nlt）测站得到直线 Ll，求取 Lz和 Ll的交点 P。

⑵如果点P同时落在Z和L上，说明P就是测线的交点，停止计算；如果P在四边形NzhNzhNlhNlt范围内，继续进行第三步计算，否则Z和L之间没有交点。

⑶在Nzh和Nzt范围内找出距离P最近的两个点，当做Nzh和N；在Nlh和Nlt范围内找出距离P最近的两个点，当做Nlh和Nlt。

图4 测线交点计算结果

⑷重复⑴至⑶，直至点P同时落在Z和L上。

利用该方法可以准确快速计算出测网内所有交点的位置，图4为求算交点位置的结果图。

2．4 测网平差及精度评定

半系统差调差法与最小二乘法是等价的[6],考虑到半系统差调差法易于实现，本文采用该方法进行测网平差。半系统差调差的具体方法为[6-8]：

海洋重力数据经过各种校正、求解交点后，可以获得主、副测线交点不符值dij：

实际的测量过程中，总是会存在偶然误差和系统误差。为了方便起见，将gij和g'ij分解成以下形式：

假设a0和b0大小相等，符号相同，则：

如果假设半系统误差在总误差中的影响是显著的，那么ai在主测线误差中占主导地位，可以推出：

此公式为主测线上的半系统差的调整公式，经过一次调整后交点的不符值就变为：

同理，可以假设副测线上bj在总误差中影响是显著的，可以推出：

此公式为副测线上的半系统差的调整公式。经过第二次调差后的交点不符值变为：

这样就完成了对测网的一次整体平差，重复上述步骤，直至最后半系统误差基本消除，就完成了测网的整体平差。

根据 《中华人民共和国国家标准：GB/T 12763.8-2007海洋调查规范——第八部分：海洋地质地球物理调查》10.4.2.5节中的规定，测量准确度的计算公式为：

式中： δi=ΔT主测线-ΔT副测线，单位 mGal；

n—总检查交点数目。

3 软件功能设计

本文依据上述关键技术解决方案，遵照海洋磁力调查规范，开发了涵盖海洋磁力资料整理业务各项内容，具有图形可视化和人机交互功能的资料整理软件。软件分为数据解编、预处理、各项校正与测网平差四个模块,软件架构如图5所示。

数据解编模块实现了从多源异构的原始数据中提取磁力、定位与日变数据，统一时间系统，根据整合后的定位数据绘制航迹图,最终根据航迹图和班报截取测线,形成以测线/测线段为单位组织的文件系统。预处理模块主要完成了定位延迟校正、畸变点的剔除与滤波工作。之后进行船磁校正，计算正常场和日变改正值，并计算出磁异常。测网平差模块可以进行平差、精度评定，并绘制磁异常等值线图。

4 应用

本文开发的软件已经应用于1:100万海洋区域地质调查的上海幅和大连幅磁力资料整理工作中。为了论述方便，以整理在渤海海域磁力实验测量所得资料为例，说明该软件的特色及资料整理精度。

从多源异构的原始资料中提取数据后，将各类数据的时间系统统一至北京时间。采用图形可视化和人机交互的方式，清除摆渡段数据，形成磁力测线文件。定位延迟校正后对磁力、定位数据进行采样、剔除畸变点、滤波等预处理后；计算日变分量和正常场后计算出磁力异常值。

得到磁异常后，绘制航迹图、求取测线交点和交点不符值、测网平差并进行精度评定。平差前的精度为3.825 9 nT，平差后的精度为3.043 1 nT。表1为平差前磁异常的交点差，表2为采用半系统差调差法得到的各测线的调差值。

图5 软件架构图

表1 测网交点差表

表2 各测线调差值表

5 总结

本文以前人研究为基础，研究解决了海洋磁力测量成果规范化整理中的几个关键技术，以此为基础开发了一套符合现行国家海洋磁力调查标准、具有图形可视化和人机交互功能的海洋磁力资料整理软件。应用表明，该软件在保证满足国家标准的前提下，大大提高了资料整理的效率。

[1]左书华.现代海洋地质学及其发展[J].海洋地质动态,2004,20(12):14-18.

[2]高金耀，张涛，谭勇华，等.不规则重磁测线网误差模型的约束最小二乘平差[J].海洋测绘，2006，26（4）：6-10,20.

[3]王先超.海洋重力资料处理软件的编制及应用[D].中国科学院研究生院，2007：12-35.

[4]陈泓君，李唐根，龚跃华.海洋重磁资料内业整理软件的开发及应用[J].南海地质研究，2002，13：90-99.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 12763.8-2007，海洋地质调查规范[S].北京：中国标准出版社,2007.

[6]刘晨光,刘保华,郑彦鹏,等.海洋重磁资料的最小二乘平差处理方法[J].海洋科学进展，2005，23（4）：513-517.

[7]范守志.海洋重磁测网调差的若干理论研究[J].海洋与湖沼，1996，27（6）：569-576.

[8]黄谟涛.海洋重力测量半系统差检验、调整及精度计算[J].海洋通报，1990,9（4）：81-86.

Marine Magnetic Data Processing Technology and Software Realization

BAI Yong-liang1,LIU Zhan1,ZHANG Zhi-xun2,YANG Hui-liang2,ZHANG Gang1,SHI Zeng-yuan1,DU Run-lin1
（1.College of Geo-resources and Information,China University of Petroleum(East China),Qingdao Shandong 266555,China;2.Qingdao Institute of Marine Geology,Qingdao Shandong 266701,China）

Aiming at the problems of processing marine magnetic data and calculating magnetic anomaly,the visualization method for getting surveying-line files and rejecting distortion points was discussed and a method of fast solving surveying lines’intersection points is proposed,which adopted half-systematic method to adjusting survey grid.Based on these technologies and according to the NATIONAL STANDARD (GB/T 12763.8-2007),a marine magnetic data processing software with visualization and human-computer interaction characteristic is realized.

marine magnetic data processing;extract survey line;reject distortion points;solve surveying lines’ intersection points;adjustment of survey grid

P229

A

1003-2029（2010）04-0034-05

2010-08-22

国家“863”专项——多尺度三维地质体数字表征关键技术及其应用项目资助 （2009AA062802）；国家重大专项——物化探油气息提取与综合评价技术研究项目资助（2008ZX05020-006）

白永良（1986-），男（蒙古族），内蒙古呼伦贝尔人，硕士研究生，研究方向为GIS在地学中的应用。