海洋地球物理平面剖面圖的繪制

譚勇華，高金耀，張 濤

（國家海洋局第二海洋研究所，國家海洋局海底科學重點實驗室，浙江 杭州 310012）

海洋地球物理平面剖面圖的繪制

譚勇華，高金耀，張 濤

（國家海洋局第二海洋研究所，國家海洋局海底科學重點實驗室，浙江 杭州 310012）

以海洋地磁平面剖面圖(以下簡稱平剖圖)的繪制為例，介紹了繪制海洋地球物理平剖圖的基本原理和實現方法。該方法思想新穎，具有使用效率高、適用范圍廣、上手快、實現簡單等優點。通過對“908”（我國近海海洋綜合調查與評價專項）海洋地磁異常數據的試處理，取得了令人滿意的效果。

海洋地球物理；平面剖面圖；Matlab；Surfer

海洋地球物理數據中的平剖圖，能夠很好地反映數據的區域變化趨勢及局部細節，對異常識別幫助很大，是海洋地球物理數據處理、結果解釋的一種重要的常規表現形式。20世紀90年代以前，由于計算機普及程度低，在進行海洋地球物理數據處理時，先用計算機繪制出剖面場值曲線及航跡線，然后手工填充上色。由于海洋地球物理探測跨區大、測線多且密集，手工著色費時費力、效率低，所繪圖件著色不一致、不美觀，不能適應快速高效、數字化、自動化的數據成圖要求。近年來，一些面向陸地測量的商業軟件相繼面世。同時，國內也有研究人員開發了一些專業的小程序來解決陸地上測量的平剖圖繪制軟件[1-3]，由于編程人員主要考慮陸地上的測量要求，即測線比較規則，測線方向和測點間距預先定下來。所以要繪制平剖圖，實施起來相對比較容易。而海洋調查具有的不確定因素較多，航向不可能總能保持在一個方向上，實際測線可能是一條折線，所以從原理上來說，海洋數據的處理比陸地上數據的處理要煩瑣。除有部分間接使用其它商業軟件作為輔助繪圖以外[4-5]，到目前為止，國內尚未有完全適合海洋地球物理數據直接使用的平剖圖繪制軟件的報道。作者在綜合研究了前人在陸地上測量時的數據成圖方法后，提出了利用surfer8.0和Matlab軟件繪制海洋地球物理平剖圖的成圖技術。實際應用表明，作為一種輔助成圖手段，該方法既充分利用Matlab強大的矩陣計算（解方程組）的能力，又完全利用了surfer8.0軟件強大的繪圖功能，高效地繪制出美觀、一致的平剖圖，提高了海洋地球物理數據處理的效率和質量。

1 實現流程

此方法之所以能夠簡單實現半自動化內業繪圖，主要得力于Matlab強大的矩陣計算（解方程組）能力和Surfer軟件強大的繪圖功能。第一步，將數據整理成規則數據格式，地球物理儀器采集的數據一般都輸出以空格為間隔的規則數據,基本上不需要加工即可繪制原始數據剖面圖；第二步，將異常值轉化為坐標，具體算法及原理在2.1和2.2節細述；第三步，輸出成Bln文件，第四步,利用Surfer生成平剖圖。此方法實現起來也非常簡便，其流程如圖1。

圖1 繪制平剖圖的流程

2 剖面數據處理

2.1 繪制剖面圖的基本原理

剖面圖是表示某一測線或方向的剖面上特征值變化情況的圖件。平剖圖是由全測區的所有剖面或測線按實際位置并列在一張平面圖紙上構成[3]。在陸地測量時，由于預先知道測線的方向和點號，而且測線為一直線，要做平剖圖相對比較容易（如圖2）。在進行海洋測量時，由于船的航向不可能總是一個固定的方向值。所以實際測線不是一條嚴格的直線（如圖3）。以海洋地磁測量為例，在理想條件下，認為實際航線為一直線，假設調查船沿測線A-E進行測量（圖4），分別在 A（X1，Y1）、B（X2，Y2）、C（X3，Y3）、D（X4，Y4）、E（X5，Y5）五個點進行了數據采集，五個點對應的的測量值分別為K1，K2，K3，K4，K5，在剖面上，A 點的磁場為 K1，假設比例系數為1，則代表J到A點的距離為K1，得到方程：

且直線JA⊥AB，得到方程：

其中 A（X1，Y1），B（X2，Y2）為已知坐標，結合式（1）和式（2）可解出x和y的值，即J點的坐標可以解出，同樣步驟可以解出 I，H，G，F 的坐標。 按順序輸出 A，B，C，D，E 和 F，G，H，I，J構成一條沒有著色的剖面。

圖2 陸地地球物理測量的剖面示意圖

圖3 海洋地球物理走航測量的剖面示意圖

圖4 調查剖面示意圖

2.2 剖面數據處理

海洋走航調查受海流和其它因素影響，實際測線方向不可能總保持一個標準的方向，每兩點的斜率會有較大變化，我們先通過將所有要成圖的測線數據網格化，然后從網格數據中根據設計測線的起點和終點輸出成規則測線。

對方程（1）和方程（2）組成的二元二次方程聯立求解，常規的方法包括迭代法、牛頓法等，但這兩種方法要在Fortran或C語言里實現，如果沒有現成的函數，程序編寫比較煩瑣。我們可以利用Matlab強大的矩陣計算能力。無需煩瑣的程序語言編寫，只要我們輸入方程組，即可把方程解出來。

2.3 轉換為Surfer成圖文件格式

Surfer支持一種稱為白化文件的bln文件，它是用ASCII明碼寫成的通知Surfer空白某一區域的文件。bln文件具有以下格式：

length是背景地圖某條折線中的節點數。flag是白化區特征值，可取1或0，默認為 flag=1；當flag=1時，節點圈出的區域被白化，如果 flag=0，則是圈合折線以外的區域被白化。對bln文件作出的白化區域還可以充填顏色。

“Pname 1”是某一區域或某一節點的 ID。xi，yi是第 I節點的 x、y坐標值，xn，yn可以與 x1，y1相等或不等。 當 xn=x1且yn=y1時，這條折線形成閉合折線框；如果 xn≠x1或yn≠y1時，這條折線不閉合，形成一條折線。由此我們較容易利用Surfer這一功能設計繪制剖面平面圖。仔細觀察可以看到，平時使用的平面剖面圖由很多個小的閉合區域組成。就單個剖面而言，它由若干個正異常閉合區和若干個負異常閉合區組成。通過Matlab程序進行坐標計算，進一步將點按順序生成小的閉合區域（xn=x1且yn=y1）。值得注意的是，地球物理平剖圖在著色時，一般方法是正異常使用紅色填充、負異常使用藍色填充，所以在制作剖面圖的bln文件時，需要生成正、負異常2個bln文件，在Surfer里繪制基面圖，最后將正異常圈閉的區域文件與負異常圈閉的區域文件進行地圖疊加，生成一個正負一體的平剖圖。

只要輸入方程組，即可把方程解出來。程序的代碼如下:

圖5 “908”某區塊海洋重力布格異常平面剖面圖

圖6 “908”某區塊海洋地磁異常平面剖面圖

3 計算實例

使用上述代碼，我們可以批量繪制出與地球物理數據的平剖圖，經過統一的比例尺標定，從而使批量做出的圖形具有很好的可比性,對研究不同時間,不同空間的海洋地球物理資料提供了比較直觀的參考。我們利用該方法對“908”某區塊的海洋地磁調查數據繪制了平剖圖（圖5，圖6），平剖圖簡單易行，圖面美觀清晰，不需要逐條繪制，很好地滿足了當前一線和二線地質地球物理工作者快速準確地繪制平剖圖的迫切要求。

4 結論

本文參考了陸地地球物理測量時所使用的繪圖方法[1，3]中的部分思想，比較通俗地敘述了一種簡便的方法來繪制海洋地球物理的平剖圖，實踐證明該方法具有以下優點：

（1）本方法利用Matlab強大的矩陣計算能力，無需用復雜的計算機語言來解方程組；

（2）該方法對數據格式的要求不高，可以根據具體格式在Matlab里隨意修改；

（3）利用Surfer強大的繪圖功能，使畫圖模塊可在現成的軟件下實現，對沒有相關計算機語言基礎的用戶可以簡單實現；

（4）實際工程案例說明其簡便、經濟的優點，對于大范圍大工作量的測線尤其適合。具有效率高、適用范圍廣、上手快、實現簡單等優點。

[1]李文杰，等.運用SURFERTM軟件繪制航空物探平面剖面圖[J].物探化探計算技術，2007，29（4）：363-366.

[2]辛柏森，等.海洋地磁學[M].青島：青島海洋大學出版社，1994.

[3] 孫中任 趙東亮，等.利用 Surfer實現剖面平面圖[J].物探與化探，2006，30（2）：172-174.

[4]白世彪 王軍見，等.Surfer軟件在水下地形三維可視化與分析中的應用[J].海洋測繪,2004,24（5）：51-53.

[5]王冠琳 胡筱敏，等.使用Surfer Automation實現海洋要素等值線圖的批量繪制[J].海洋技術,2007，26（2）：70-75.

Profile-plan Portraying about Ocean Physical Geography

TAN Yong-hua1,2,GAO Jin-yao1,2,ZHANG Tao1,2
(1.Second Institute of Oceanography,SOA,Hangzhou Zhejiang 310012,China;2.Key Laboratory of Submarine Geosciences,SOA,Hangzhou Zhejiang 310012,China)

A method of portraying a profile-plan about marine physical geophysics data is presented.Its basic principle is introduced in detail.This method obviously improves the portraying effect compared to the previous method.It uses a kind of new idea.It has many advantages such as high efficiency,wide application,simple operation and so on.Excellent results have been gained by processing the data of“908”marine magnetic anomalies using this method.

marine geophysics;profile-plan;Matlab;Surfer

P285.7

B

1003-2029（2011）03-0052-04

2011-01-08

國家自然科學基金資助項目(41006035,40776036)；我國近海海洋綜合調查與評價專項(908-ZC-I-06)

譚勇華（1977-），男，湖南漣源人，碩士，助理研究員，海洋地質專業。E-mail:tan_yh@126.com