基于GIS的核地球物理数据处理系统

基于GIS的核地球物理数据处理系统1

马英杰，殷文娟，周蓉生

成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都（610059）

E-mail：myj@cdut.edu.cn

摘 要：本文介绍了基于GIS的核地球物理数据处理系统的功能需求，进行了方案和技术的选择，在此基础上完成了系统的设计和实现。该数据处理系统是以Windows为软件平台，以Visul Basic为开发语言，基于MapObjects进行二次开发而成，具有核地球物理数据的预处理、谱数据处理、和形成GIS数据格式的功能，还具有GIS下的图层管理、分析和成图成像等功能。实现了地理信息技术和核地球物理数据处理技术的有机的结合。 关键词：GIS；MapObjects；COM技术；数据处理；核地球物理 中图分类号：P631.6, TP319

1．引言

核地球物理数据处理系统是本课题组所承担的博士点基金项目“基于3GS技术的便携式核地球物理数据采集系统研究”中的GIS部分（3GS技术是指全球定位系统GPS技术、地理信息系统GIS技术和通用分组无线业务GPRS技术）。本项目以轻便的PDA为野外工作平台，同时完成野外GPS定位及核地球物理数据的采集，并将数据通过GPRS传送到计算机中心，再利用GIS技术获取、管理、分析和展示空间相关信息，并将结果反映在地形图上。这样，既实现了仪器轻便化、定位一体化，又充分利用了资源，实现了高效率、高精度、多参数、复杂数据处理与成图成像。

近年来，GIS的应用越来越广泛，它是由计算机软硬件、地理空间数据和系统管理人员共同组成的集合,可有效的获取、存储、更新、管理、分析和显示各种与空间有关的信息

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。

比如，在地球物理、地球化学、交通等方面利用GIS对空间数据的管理及空间查询、空间分析功能。而在核地球物理勘查领域，对GIS技术的应用仍处于研究与实践的初级阶段。较为常用的方法是使用一些软件直接形成等值图、彩色图像等与地理地形脱节的图形图像；或直接利用地理信息系统软件，如ArcGIS,MapGIS，MapInfo等系统，做数据分析统计的功能，与核地球物理的数据处理相分离，越来越不能满足核地球物理勘查工作的要求。随着科技的发展，核地球物理勘查工作主要的发展方向是建立一种集数据的预处理，建立空间图形及属性数据库，相关处理和综合预测功能为一体的系统。针对于此，在进行了大量调研后认为，利用GIS提供的二次开发工具，结合自己的实际应用需求开发系统是更科学可行的方法。

2．系统设计

2.1 系统结构

基于GIS的核地球物理数据处理系统，有以下几个方面的要求：

（1）可运行的系统：核勘查数据处理系统要求占用空间少，运行速度快，并且能脱离大型GIS软件运行使用。

（2）数据处理功能：具有一般的核数据处理及和地球物理数据预处理等功能。 （3）GIS功能：能利用GIS技术获取、管理、分析和展示空间相关信息。 本课题得到博士点基金项目“基于3GS技术的便携式核地球物理数据采集系统研究(20040616014)”资助； 所用GIS开发工具MO来源于ESRI公司向成都理工大学赠送的整套ArcGIS地理信息系统软件。

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（4）成图成像功能：应该能够形成一系列成果和图件, 展示核素与各种信息之间关系和综合预测成果。本系统要求能够形成等值线图、剖面图、合成图等，将结果反映在地形图上，并能按照一定比例尺打印输出彩色图。

针对以上的要求，设计的核地球物理数据处理系统主要包括数据的预处理、谱数据处理、形文件的形成、图层的管理、成图成像等功能。（如图1所示） 数据的预处理 数据的网格化 数据组合 数据变换 核地球物理数据处理系统 谱数据处理 形文件形成 图层管理 成图成像 数据格式的转换库编辑空间查询 图层颜色的设置 增减图层 谱的定量分析 谱的定性分析 谱的显示 缩放操作 剖面图 合成图…… 彩色图像 等值图 直方图  

图1 系统结构框图 Fig.1 structure of the system

2.2 方案的选择

MapObjects 简称MO,是由美国的ESRI(Environment System Research Institute，环境系统研究所)研究开发的目前国际上比较通用的一种地理信息系统开发工具,是一组地图软件的组件(ActiveX 控件)，即我们通常所说的组件技术上实现主要的地理信息系统的功能。

MapObjects占用内存空间少，运行速度快，功能强大，常用的地图操作基本上都能实现，例如：(1)显示具有多个地图层的地图；(2)编辑并更新图层属性；(3)绘制点、线、椭圆、矩形和多边形等图形要素；(4)属性自动标注；(5)空间统计；(6)地图缩放和漫游；(7)丰富的绘图方式，如按值润色、分类显示、产生含各类图表的专题图等

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。支持多种数据格式，例如Shape、

ArcSDE 、CAD、StreetMAP Supportd 等。利用它可以在通用的编程语言(如VB、VC 等)

。

传统的GIS 开发平台均采用专门设计的开发语言，例如，Arc/Info 采用AML。加上庞大的函数、命令库，使得普通的开发技术人员难以掌握，延长了应用产品的开发周期。在组件模型下，各组件都集中地实现与自己最紧密相关的系统功能。组件化的GIS 平台集中提供空间数据管理能力，并且能以灵活的方式与数据库系统连接。

组件式GIS开发的特点是开发周期短,成本低，可以脱离大型商业GIS软件平立运行。因此，我们以Windows为软件平台，以VB为开发语言，应用Mapobjects为开发工具开发了本系统，把地理信息系统和核地球物理数据处理技术有机的结合起来。

3．系统的实现

3.1 数据的预处理

数据的预处理主要是为了选择、构造一个切合实际的数学模型，以便进一步成图成像解

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释等处理。但原始数据常常不能满足数学模型的要求，所以必须考虑从原始数据中产生适合数学模型的数据，即原始数据→数学模型数据y=f(x)（x为原始数据，y为数学模型数据）。

数据的预处理包括核地球物理数据的单变量的线性变换、正态变换，排序，双变量的组合变换，数据的网格化，常用数据格式（txt，dat，grd等）的转换等功能。主要目的是： z 统一变量的量纲 z 尽可能使变量成正态分布

z 使两变量间的非线性相关变为线性相关关系

z 用一组新的、数目更少的、相互的变量代替原来组内有不同相关关系的变量 z 把定量数据转化成定性数据，以适合数学模型 z 形成数学模型需要的网格状分布数据

这一模块都是用VB，自己根据需要直接编写。

3.2 谱数据处理

随着科技的进步，当前的核辐射测量仪器大多是谱仪，对于一个被测对象，可以获得一条谱线，通过对谱线的分析，可以获得大量的有用信息。但由于核辐射与核测量过程中存在随机现象，使测得的谱线非常复杂，所以需要专门的谱数据处理软件，对测得的谱数据进行处理。

谱数据处理模块包括谱线的显示、谱的定性分析、定量分析和库编辑等功能，其主界面如图2所示，也是直接用VB开发。

图2 谱数据处理模块主界面

Fig.2 the main surface of the spectrum analysis

谱的显示分为上下两部分，上部分显示整谱，下部分扩大显示其中的一部分；谱的定性分析包括谱光滑、寻峰、核素查找等；定量分析包括峰面积的计算、含量的计算等。

3.3 形文件的形成

核地球物理数据的格式不同于GIS可以识别的数据格式，不能直接在GIS中使用。核地球物理数据处理系统要求把核地球物理数据转化为GIS可以识别的格式，而后对其应用GIS功能。

核勘查是在一个区域中选定不同的位置点进行测量的，测量所得的数据由所选定的测量点的地理坐标（二维）和测量值三个部分组成。这种格式与MapObjects中的shape文件所描

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述的“点”类型的格式相同，因此，本系统要把核勘查数据格式转化为shape文件的点格式。在转化之前，需要统计出测点的个数，并且把所有测点的x坐标值、y坐标值、测量值分别存放，以备后面的形成shape文件使用。 3.3.1 形shape文件介绍

MapObjects支持多种数据格式：shape文件，图像文件，属性表或通过ESRI的专用数据库引擎连接的专用数据库。其中，shape文件是ESRI提供的存储地理数据的矢量格式，可以描述点、线、多边形。Shape 文件在一个数据集中存储了空间特征的非拓扑几何信息和属性信息。一个Shape文件由一个主文件(.shp)、一个索引文件(.shx)、一个数据库表格(.dbf)构成。主文件是一个直接存取的记录长度可变的文件。主文件中的每一个记录通过一个矢量列表来描述一个形。索引文件中的每一个记录包含主文件中该记录相对与文件开始的偏移量。dbf数据库表格含有几何特征的属性，一个几何特征对应一个记录。通过记录号建立起几何图形和属性间的对应关系

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。dbf 文件中的属性记录必须与主文件中的记录有相同的顺序。主

文件、索引文件和dbf 文件存储在同一目录下，文件名前缀相同，例如:主文件：clkzd.shp；索引文件：clkzd.shx；dbf 文件：clkzd.dbf。

另外，用MapObjects编写的软件是可伸缩的。最初用户使用shape文件，当用户需要与大型数据库连接时，几乎所有代码都可被移植到专用数据库连接后的程序中，程序员仅需要修改打开数据源的代码，非常便于系统的功能扩充。 3.3.2 形shape文件的实现

如何把核地球物理数据转化成shape文件，是本系统开发的一个重点。MapObjects具有自动生成shape文件的功能，但生成的shape文件不包含任何数据信息，需要用户掌握专业的编程技术，通过编写程序将数据录入，操作复杂。因此，GIS应用在核地球物理领域的推广，首要解决的问题就是数据的转换，只有当核地球物理数据被GIS识别后，才能应用GIS的强大功能来处理数据。

Shape用非拓扑关系的形式来存储几何位置和地理特征。在shape文件中以地理坐标来描述点，而核地球物理数据的内容就包含测点的地理坐标和测点的测量值。因此，本系统将核地球物理数据转换成shape文件的点图形文件，以便于直观显示测点信息。

本系统根据ESRI公司发布的标准shape文件格式说明

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，用VB的二进制读写文件方法

编写了格式转换的专用代码。格式转换代码包括3个功能块：（1）核勘查数据分类导入；（2）数据存储的字节序列转换（Big-Endian与Little-Endian之间的转换）；（3）数据以二进制形式写入shape文件。在本系统中，shp文件、shx文件和dbf文件是分别形成的。整个shape文件的形成都是程序自动完成的，用户只需给出原始核地球物理测量数据。经过格式转换的核地球物理数据可以在任何支持shape文件的软件中以图层的形式显示，并不局限于本系统，这样，用户可以使用其它软件处理该数据，为多种方法处理核地球物理数据提供了方便。格式转化后的数据形成的图层见图3。

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图3 转换成shape格式后的图层显示 Fig.3 the datum show in shape format

3.4 图层管理

核地球物理测量，一次可以获取多种元素或参数的信息，各种信息间又可以互相组合变换，因此，在同一地区可以得到很多参数，就像一张地图包括道路、河流等多种信息，即多个图层，为了更好的管理和使用这些核勘查信息，也把每个信息看成一个图层，因而需要对这些图层进行编辑管理和空间查询。

图层管理模块，主要包括对某一图层颜色的设置；缩放操作；增加、删除某一图层；多个图层间显示次序的调整；地图的保存；空间信息的查询等功能。这一模块主要通过直接调用MO提供的组件来实现。

3.5 成图成像

成图成像模块可以对每个核测量参数（图层）进行成图成像和分析并可按比例尺打印输出。该模块能够形成一系列成果和图件，展示核（元）素与各种信息之间的关系和综合预测成果。

为了便于对测量结果的分析解释，根据需要该模块主要可以输出直方统计图、彩色等值图、等值切剖图、平面剖面图、彩色图、彩色合成图等，同时，绘制好的图还可以以BMP图像文件的格式自动保存在与原始数据相同的目录下。

这些功能都是先进行数据的统计、处理，再调用MO的组件来实现。例如：等值图是先对数据进行等值线的计算，形成一个新的等值线图层，再调用map控件，显示该图层并着色（见图4）；彩色图像就是先根据测点测量值（属性值）的大小设置各测点的颜色（测量值大的点用较深的颜色表示，测量值小的点用较浅的颜色表示），调用MO组建即可绘制出清晰明了的彩色图（见图5）。同时，用户还可以把处理好的数据图层按一定的比例尺规则打印输出。

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图4 等值图 图5 数据网格化后形成的彩色图像 Fig. 4 isoline map Fig. 5 multicolor map of datum after meshing

4．结论

该系统是利用GIS的二次开发函数库，结合专业特点开发完成的，实现了核地球物理数据的空间数据管理，分析功能和成图成像综合解释功能。该系统能脱离大型GIS软件运行使用，运行速度快，提高了对核地球物理勘探数据的处理和利用、管理水平。同时，核勘查数据与地球化学数据、地质勘查数据等格式相近，该系统也可在这些方面进行应用。

当然，这只是该系统的一个初步成果，还有很多地方需要完善和改进，增添新的功能，使GIS的优势尽大的得到发挥。

参考文献

[1] ．MapObjects-地理信息系统程序设计[M]，北京：国防工业出版社，2004。

[2] 张成才，孙喜梅．基于MapObjects开发电子地图的应用实例[J]，计算机工程，2003，29（14）：179。 [3] 王伟长．地理信息系统控件（Active X）－MapObjects培训教程[M]，北京：科学出版社，2000。 [4] http：// www.ESRI.com．

[5] 李胜乐，陆远忠，车时．地理信息系统二次开发实例[M]，北京：电子工业出版社，2004。

Development of Nuclear Geophysical Data Processing

System Based on GIS

Ma Yingjie, Zhou Rongsheng, Yin Wenjuan

Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan (610059)

Abstract

The functional demand of the nuclear geophysical data processing system based on GIS is introduced in details, and it is designed and achieved after selecting the scheme and the technology. This system is developed by VB and MapObjects, which has data preprocessing、spectrum analysis、shape-file conversion、GIS map manage and analysis、drawing graph and image function. It combines closely geographical information technology and nuclear geophysical data processing technology. Keywords: GIS, MapObjects, COM Technology, shape, nuclear data processing

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