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EH4數(shù)據(jù)處理在SCS2D二維反演平臺中的實現(xiàn)

2014-04-21 10:03:54李美英屈栓柱
新媒體研究 2014年5期

李美英+屈栓柱

摘 要 Matlab高級語言開發(fā)平臺的函數(shù)資源豐富,對矩陣的計算簡便快捷,文件輸出方便。以這些特點為契機,在Matlab平臺上,轉(zhuǎn)換EH4儀器采集的原始Z文件為SCS2D二維反演所需的MTD文件,可大大提高EH4數(shù)據(jù)的處理能力。

關(guān)鍵詞 音頻大地電磁法;Matlab平臺;SCS2D反演平臺;代碼

中圖分類號:TP3 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-7597(2014)05-0041-03

可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是在大地電磁法(MT)和音頻大地電磁法(AMT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源頻率測深方法。大地電磁法(MT)的觀測頻率很低(n×10-5~n×104 Hz),所以勘探深度很大,可達100千米以上。但由于頻率偏低,所以對淺層的分辨率較差,而且生產(chǎn)效率也比較低。為了更好地研究幾十米到幾千米深度范圍內(nèi)的地電結(jié)構(gòu),在MT方法的基礎(chǔ)上,形成了音頻大地電磁法(AMT)。音頻大地電磁法的工作方法、觀測參數(shù)與MT方法相同,不過該方法主要觀測由于雷電作用產(chǎn)生的音頻(n×100~n×104 Hz)大地電磁場,由于音頻大地電磁法的觀測頻段內(nèi),天然大地電磁場的強度較弱,人文干擾大,所以信噪比很低,野外數(shù)據(jù)采集十分困難,需要長時間采集并采用多次疊加技術(shù)。為了克服上述困難,20世紀(jì)70年代初,加拿大多倫多大學(xué)的D.W.Strangway教授和他的學(xué)生提出沿用AMT的觀測方式,觀測人工供電產(chǎn)生的音頻電磁場。由于所觀測電磁場的頻率、強度和方向可以由人工控制,而其觀測方式又與AMT法相同,所以叫可控源音頻大地電磁法。

EH4連續(xù)電導(dǎo)率剖面儀是由美國EMI公司生產(chǎn)的電磁法儀器系統(tǒng),屬于混合源方法的儀器。它利用的場源可以是天然場,也可以是人工場。數(shù)據(jù)采集方式和AMT法相同;在頻率(10~1000)Hz范圍內(nèi),采集天然電磁場信號;在頻率(750~92K)Hz范圍內(nèi),天然場高頻成分信號比較弱,使用人工源信號,這時滿足波區(qū)條件的收發(fā)距較小,容易實現(xiàn);并且發(fā)送信號的時間短,功率小,裝備和電源輕便。本儀器配備高頻磁探頭,觀測的電磁信號頻率范圍為(10~92k)Hz,可用于測量地下幾米至1千米范圍內(nèi)介質(zhì)電阻率的連續(xù)分布情況。

近十年來,國際上出現(xiàn)了一批代表性的電磁法數(shù)據(jù)處理解釋軟件,如美國Zonge公司開發(fā)的SCS2D反演軟件、意大利Geosystem公司開發(fā)的一個綜合性解釋平臺WinGlink、吉林大學(xué)開發(fā)的GeoElectro電法數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和美國某大學(xué)實驗室研發(fā)的Sinv2d反演軟件等,不同反演軟件產(chǎn)生的反演模型擬合差因數(shù)據(jù)量及側(cè)重深度大小不一,使用一種成熟的處理軟件不僅便于資料對比,同時也為資料的地質(zhì)解譯提供了較好的物探參考。

隨著電磁法的普遍應(yīng)用,加拿大鳳凰公司的V8儀器越來越被新疆眾多地質(zhì)單位青睞,配套的SCS2D反演軟件也逐漸展露其頭角,本文利用第四代計算機語言Matlab為平臺,對EH4儀器采集的數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換,使之能夠通過SCS2D反演,大大提高了數(shù)據(jù)處理的能力。

1 數(shù)據(jù)格式

軟件所涉及的文件包括EH4儀器自身采集并初步處理取得的Z文件(文件個數(shù)與點位相同)、數(shù)據(jù)處理所需的參數(shù)文件*.par、生成供SCS2D反演的*.mtd文件。

1)參數(shù)文件。參數(shù)文件(*.par)實際上是一個索引目錄文件,它展示了實際點位、高程與該點位所測原始數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系。文件共五列,分別為點號、坐標(biāo)x、坐標(biāo)y、高程、文件號,可用文本進行編輯。

2)Z文件格式。EH4儀器首先采集的是人工和天然大地電磁場強度變化的時間序列,然后內(nèi)部進行傅立葉變換得出頻率域幅值響應(yīng)再通過卡尼亞電阻率公式(見式(1))計算后把結(jié)果寫入Z文件,其內(nèi)容包括頻點、ExHy的相干系數(shù)、ExHy標(biāo)量視電阻率、ExHy標(biāo)量相位、EyHx的相干系數(shù)、EyHx標(biāo)量視電阻率、EyHx標(biāo)量相位及各方向阻抗張量的實部及虛部等。

(1)

式中:f—頻率(Hz);ρ-視電阻率(Ω·m)。

3)*.MTD文件格式。*.MTD是測線所有點位參數(shù)的集成文件,用逗號分隔,遺漏數(shù)據(jù)在行中用雙逗號表示。如圖1,由Z文件轉(zhuǎn)換而來的數(shù)據(jù)主要覆蓋5~9列,1~4列根據(jù)參數(shù)文件(*.par)直接寫入。1~9列表示的含義見表1。

2 Matlab平臺下的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換過程

Matlab是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)的簡稱,是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。

1)友好的工作平臺和編程環(huán)境。Matlab由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用Matlab的函數(shù)和文件,其中許多工具采用的是圖形用戶界面(圖2)。包括Matlab桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件瀏覽器等。隨著Matlab的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級,Matlab的用戶界面也越來越精致,更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面,人機交互性更強,操作更簡單。而且新版本的Matlab提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng),極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng),程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行,而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。

圖2 程序運行界面

2)簡單通用的程序語言。Matlab使用的第四代計算機語言包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出語句等,具有面向?qū)ο缶幊痰奶攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步,也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的M文件后再一起運行(圖3為已編好的M文件運行界面)。新版本的Matlab語言是基于最為流行的C++語言基礎(chǔ)上的,因此語法特征與C++語言極為相似,而且更加簡單,更加符合科技人員對數(shù)學(xué)表達式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強,這也是Matlab能夠深入到科學(xué)研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。endprint

圖3 運行程序調(diào)用參數(shù)文件

3)軟件流程。野外EH4儀器數(shù)據(jù)采集完畢,測量臺班會記錄并形成一個關(guān)于點號、坐標(biāo)、高程、文件號的索引參數(shù)文件,根據(jù)該文件讀取原始z文件中xy方向的相關(guān)系數(shù)、視電阻率、相位、頻率等,Matlab程序會根據(jù)提供的各種數(shù)據(jù)組合成SCS2D反演軟件所需的mtd格式文件,并最終輸出。軟件大致流程如圖4。

圖4 軟件流程圖

4)程序代碼及注釋。

clear all;clc;

[cfilename,cdir]=uigetfile({'*.par','parameter file(*.par)';'*.*','All files(*.*)'},...

'Choose a parameter file to read');%選擇參數(shù)文件并讀取。

cfile=[cdir,cfilename];

fid=fopen(cfile,'r');

data=fscanf(fid,'%f',[5,inf]);%參數(shù)文件分四列,為點號,坐標(biāo)x,坐標(biāo)y,高程,文件號。

data=data';

nsite=size(data,1);

j=1;

for isite=1:nsite%進入循環(huán)語句。

sname=num2str(data(isite,5));

slength=length(sname);

if slength==1

sname=['00',sname];

elseif slength==2

sname=['0',sname];%確定z文件名。

end

zfile=['zhs.',sname];

zfid=fopen(zfile,'r');

zdata=fscanf(zfid,'%f,[15,inf]);%讀取z文件

zdata=zdata';

for i=1:39;

if zdata(i,3)<=0;

continue;

else

mdata(j,6)=zdata(i,3);

mdata(j,5)=zdata(i,1);

mdata(j,1:4)=data(isite,1:4);

mdata(j,7)=0.5;

mdata(j,8)=zdata(i,4)*3.1415926*1000/180;

mdata(j,9)=0.5;

mdata(j,10:13)=0;

mdata(j,14)=mdata(j,6);

mdata(j,15)=mdata(j,8);

mdata(j,16:17)=0;%生成mtd文件矩陣

j=j+1;

end

end

fclose(zfid);

end

fclose (fid);

mtdfile=['line',num2str(data(1,2)),'.mtd'];

fid=fopen(mtdfile,'w');

fprintf(fid,'%s\n','"Stn","GridE","GridN","Elev","Freq","ARTMobs","ARTMerr","ZPTMobs","ZPTMerr","ARTEobs","ARTEerr","ZPTEobs","ZPTEerr"');

fprintf(fid,'%s\n','"From S2D2D v2.10l Date:16/12/09 Time:13:34:14"');

for i=1:j-1

fprintf(fid,'%6.1f,%6.1f,%6.1f,%6.1f,%6.1f,%6.1f,%6.1f,%6.1f,%6.1f',mdata(i,1:9));

fprintf(fid,'%s',',,,,');

fprintf(fid,'%6.1f,%6.1f',mdata(i,14:15));

fprintf(fid,'%s\n',',,,');%輸出mtd文件

end

fclose(fid);

3 實例分析

1)工區(qū)概況。庫普邊防派出所位于奇臺縣八一牧場西北側(cè),距奇臺縣城約197千米,為昌吉邊防支隊的下屬單位,多年來一直處于缺水狀態(tài)。為做好雙擁工作,更為解決官兵的實際用水困難,應(yīng)昌吉國土資源局邀請,物探隊派遣EH4項目組,了解該區(qū)地下電阻率分布特征,為尋找儲水構(gòu)造并布置鉆井提供依據(jù)。

該區(qū)地處東準(zhǔn)噶爾堿性花崗巖體中,尋找裂隙水是本次工作的主攻目標(biāo)。

2)工作布置。如圖5,限于工區(qū)實際條件,布置測線:3線、4線、5線。取點數(shù)較多的3線為例,3線307點西北側(cè)為學(xué)校辦公樓,樓前308點西約6米處為已知水井,該水井為前些年所打,井深10米,基底為花崗巖。由于上游水量降低,該井出水量日益減少,已不能滿足學(xué)校最基本生活需求。

圖5 庫普工區(qū)點位圖

3)反演成果。如圖6,三種處理方法均能反應(yīng)測線地下電阻率分布情況:采用美國某大學(xué)的REBOCC反演程序側(cè)重于地下介質(zhì)的均勻性,對于地質(zhì)體整體的分布特征把握較好,處理程度較圓滑,但對于細節(jié)反應(yīng)不明顯;而采用經(jīng)過本程序格式轉(zhuǎn)換后的SCS2D反演成果能夠較好的描述整體和局部特征,特別是二維反演成果,非常好的詮釋了地下地質(zhì)體、斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀、埋深以及地下水位的分布特征。

圖6 不同處理方法反演成果圖

4)總結(jié)。通過本次工作,查清了已知水井缺水的原因,提出了更利于儲水的307點;同時也推斷由于深部下游水源通道的存在,下游不會因為已知水井?dāng)嗨鴽]有開發(fā)前景,為本區(qū)水源開發(fā)利用奠定了較好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

Matlab工作平臺的使用不僅大大優(yōu)化了不同數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換流程,提高了野外的工作效率,也避免了優(yōu)秀反演軟件無法通用的弊端,多用于信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量等眾多應(yīng)用領(lǐng)域,對地學(xué)數(shù)據(jù)處理解釋起到了推動作用。

參考文獻

[1]鄧明,譚捍東,胡建德,等.超寬頻帶大地電磁信號的采集方法和技術(shù)[J].現(xiàn)代地質(zhì),1997,11(3).

[2]魏文博.我國大地電磁測深新進展及瞻望[J].地球物理學(xué)進展,2002,17(2).

[3]TAO Shi long,WAN Tian feng.Introduction of Earth Science[M].Beijing: Geological Publishing House, 1999.

[4]http://baike.baidu.com/view/10598.htm.

作者簡介

李美英(1981-),河北涿州人,助理工程師,主要從事儀器設(shè)備維修、維護及數(shù)據(jù)處理等工作。endprint

圖3 運行程序調(diào)用參數(shù)文件

3)軟件流程。野外EH4儀器數(shù)據(jù)采集完畢,測量臺班會記錄并形成一個關(guān)于點號、坐標(biāo)、高程、文件號的索引參數(shù)文件,根據(jù)該文件讀取原始z文件中xy方向的相關(guān)系數(shù)、視電阻率、相位、頻率等,Matlab程序會根據(jù)提供的各種數(shù)據(jù)組合成SCS2D反演軟件所需的mtd格式文件,并最終輸出。軟件大致流程如圖4。

圖4 軟件流程圖

4)程序代碼及注釋。

clear all;clc;

[cfilename,cdir]=uigetfile({'*.par','parameter file(*.par)';'*.*','All files(*.*)'},...

'Choose a parameter file to read');%選擇參數(shù)文件并讀取。

cfile=[cdir,cfilename];

fid=fopen(cfile,'r');

data=fscanf(fid,'%f',[5,inf]);%參數(shù)文件分四列,為點號,坐標(biāo)x,坐標(biāo)y,高程,文件號。

data=data';

nsite=size(data,1);

j=1;

for isite=1:nsite%進入循環(huán)語句。

sname=num2str(data(isite,5));

slength=length(sname);

if slength==1

sname=['00',sname];

elseif slength==2

sname=['0',sname];%確定z文件名。

end

zfile=['zhs.',sname];

zfid=fopen(zfile,'r');

zdata=fscanf(zfid,'%f,[15,inf]);%讀取z文件

zdata=zdata';

for i=1:39;

if zdata(i,3)<=0;

continue;

else

mdata(j,6)=zdata(i,3);

mdata(j,5)=zdata(i,1);

mdata(j,1:4)=data(isite,1:4);

mdata(j,7)=0.5;

mdata(j,8)=zdata(i,4)*3.1415926*1000/180;

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mdata(j,10:13)=0;

mdata(j,14)=mdata(j,6);

mdata(j,15)=mdata(j,8);

mdata(j,16:17)=0;%生成mtd文件矩陣

j=j+1;

end

end

fclose(zfid);

end

fclose (fid);

mtdfile=['line',num2str(data(1,2)),'.mtd'];

fid=fopen(mtdfile,'w');

fprintf(fid,'%s\n','"Stn","GridE","GridN","Elev","Freq","ARTMobs","ARTMerr","ZPTMobs","ZPTMerr","ARTEobs","ARTEerr","ZPTEobs","ZPTEerr"');

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for i=1:j-1

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fprintf(fid,'%s',',,,,');

fprintf(fid,'%6.1f,%6.1f',mdata(i,14:15));

fprintf(fid,'%s\n',',,,');%輸出mtd文件

end

fclose(fid);

3 實例分析

1)工區(qū)概況。庫普邊防派出所位于奇臺縣八一牧場西北側(cè),距奇臺縣城約197千米,為昌吉邊防支隊的下屬單位,多年來一直處于缺水狀態(tài)。為做好雙擁工作,更為解決官兵的實際用水困難,應(yīng)昌吉國土資源局邀請,物探隊派遣EH4項目組,了解該區(qū)地下電阻率分布特征,為尋找儲水構(gòu)造并布置鉆井提供依據(jù)。

該區(qū)地處東準(zhǔn)噶爾堿性花崗巖體中,尋找裂隙水是本次工作的主攻目標(biāo)。

2)工作布置。如圖5,限于工區(qū)實際條件,布置測線:3線、4線、5線。取點數(shù)較多的3線為例,3線307點西北側(cè)為學(xué)校辦公樓,樓前308點西約6米處為已知水井,該水井為前些年所打,井深10米,基底為花崗巖。由于上游水量降低,該井出水量日益減少,已不能滿足學(xué)校最基本生活需求。

圖5 庫普工區(qū)點位圖

3)反演成果。如圖6,三種處理方法均能反應(yīng)測線地下電阻率分布情況:采用美國某大學(xué)的REBOCC反演程序側(cè)重于地下介質(zhì)的均勻性,對于地質(zhì)體整體的分布特征把握較好,處理程度較圓滑,但對于細節(jié)反應(yīng)不明顯;而采用經(jīng)過本程序格式轉(zhuǎn)換后的SCS2D反演成果能夠較好的描述整體和局部特征,特別是二維反演成果,非常好的詮釋了地下地質(zhì)體、斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀、埋深以及地下水位的分布特征。

圖6 不同處理方法反演成果圖

4)總結(jié)。通過本次工作,查清了已知水井缺水的原因,提出了更利于儲水的307點;同時也推斷由于深部下游水源通道的存在,下游不會因為已知水井?dāng)嗨鴽]有開發(fā)前景,為本區(qū)水源開發(fā)利用奠定了較好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

Matlab工作平臺的使用不僅大大優(yōu)化了不同數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換流程,提高了野外的工作效率,也避免了優(yōu)秀反演軟件無法通用的弊端,多用于信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量等眾多應(yīng)用領(lǐng)域,對地學(xué)數(shù)據(jù)處理解釋起到了推動作用。

參考文獻

[1]鄧明,譚捍東,胡建德,等.超寬頻帶大地電磁信號的采集方法和技術(shù)[J].現(xiàn)代地質(zhì),1997,11(3).

[2]魏文博.我國大地電磁測深新進展及瞻望[J].地球物理學(xué)進展,2002,17(2).

[3]TAO Shi long,WAN Tian feng.Introduction of Earth Science[M].Beijing: Geological Publishing House, 1999.

[4]http://baike.baidu.com/view/10598.htm.

作者簡介

李美英(1981-),河北涿州人,助理工程師,主要從事儀器設(shè)備維修、維護及數(shù)據(jù)處理等工作。endprint

圖3 運行程序調(diào)用參數(shù)文件

3)軟件流程。野外EH4儀器數(shù)據(jù)采集完畢,測量臺班會記錄并形成一個關(guān)于點號、坐標(biāo)、高程、文件號的索引參數(shù)文件,根據(jù)該文件讀取原始z文件中xy方向的相關(guān)系數(shù)、視電阻率、相位、頻率等,Matlab程序會根據(jù)提供的各種數(shù)據(jù)組合成SCS2D反演軟件所需的mtd格式文件,并最終輸出。軟件大致流程如圖4。

圖4 軟件流程圖

4)程序代碼及注釋。

clear all;clc;

[cfilename,cdir]=uigetfile({'*.par','parameter file(*.par)';'*.*','All files(*.*)'},...

'Choose a parameter file to read');%選擇參數(shù)文件并讀取。

cfile=[cdir,cfilename];

fid=fopen(cfile,'r');

data=fscanf(fid,'%f',[5,inf]);%參數(shù)文件分四列,為點號,坐標(biāo)x,坐標(biāo)y,高程,文件號。

data=data';

nsite=size(data,1);

j=1;

for isite=1:nsite%進入循環(huán)語句。

sname=num2str(data(isite,5));

slength=length(sname);

if slength==1

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elseif slength==2

sname=['0',sname];%確定z文件名。

end

zfile=['zhs.',sname];

zfid=fopen(zfile,'r');

zdata=fscanf(zfid,'%f,[15,inf]);%讀取z文件

zdata=zdata';

for i=1:39;

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else

mdata(j,6)=zdata(i,3);

mdata(j,5)=zdata(i,1);

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mdata(j,16:17)=0;%生成mtd文件矩陣

j=j+1;

end

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fclose(zfid);

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fclose (fid);

mtdfile=['line',num2str(data(1,2)),'.mtd'];

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for i=1:j-1

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fprintf(fid,'%s\n',',,,');%輸出mtd文件

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3 實例分析

1)工區(qū)概況。庫普邊防派出所位于奇臺縣八一牧場西北側(cè),距奇臺縣城約197千米,為昌吉邊防支隊的下屬單位,多年來一直處于缺水狀態(tài)。為做好雙擁工作,更為解決官兵的實際用水困難,應(yīng)昌吉國土資源局邀請,物探隊派遣EH4項目組,了解該區(qū)地下電阻率分布特征,為尋找儲水構(gòu)造并布置鉆井提供依據(jù)。

該區(qū)地處東準(zhǔn)噶爾堿性花崗巖體中,尋找裂隙水是本次工作的主攻目標(biāo)。

2)工作布置。如圖5,限于工區(qū)實際條件,布置測線:3線、4線、5線。取點數(shù)較多的3線為例,3線307點西北側(cè)為學(xué)校辦公樓,樓前308點西約6米處為已知水井,該水井為前些年所打,井深10米,基底為花崗巖。由于上游水量降低,該井出水量日益減少,已不能滿足學(xué)校最基本生活需求。

圖5 庫普工區(qū)點位圖

3)反演成果。如圖6,三種處理方法均能反應(yīng)測線地下電阻率分布情況:采用美國某大學(xué)的REBOCC反演程序側(cè)重于地下介質(zhì)的均勻性,對于地質(zhì)體整體的分布特征把握較好,處理程度較圓滑,但對于細節(jié)反應(yīng)不明顯;而采用經(jīng)過本程序格式轉(zhuǎn)換后的SCS2D反演成果能夠較好的描述整體和局部特征,特別是二維反演成果,非常好的詮釋了地下地質(zhì)體、斷裂構(gòu)造的產(chǎn)狀、埋深以及地下水位的分布特征。

圖6 不同處理方法反演成果圖

4)總結(jié)。通過本次工作,查清了已知水井缺水的原因,提出了更利于儲水的307點;同時也推斷由于深部下游水源通道的存在,下游不會因為已知水井?dāng)嗨鴽]有開發(fā)前景,為本區(qū)水源開發(fā)利用奠定了較好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

Matlab工作平臺的使用不僅大大優(yōu)化了不同數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換流程,提高了野外的工作效率,也避免了優(yōu)秀反演軟件無法通用的弊端,多用于信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量等眾多應(yīng)用領(lǐng)域,對地學(xué)數(shù)據(jù)處理解釋起到了推動作用。

參考文獻

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[3]TAO Shi long,WAN Tian feng.Introduction of Earth Science[M].Beijing: Geological Publishing House, 1999.

[4]http://baike.baidu.com/view/10598.htm.

作者簡介

李美英(1981-),河北涿州人,助理工程師,主要從事儀器設(shè)備維修、維護及數(shù)據(jù)處理等工作。endprint

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