黃艷菊，張杰林，王俊虎

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029）

鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)的構(gòu)建

黃艷菊，張杰林，王俊虎

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100029）

鉆探巖心編錄一直是地質(zhì)勘探中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，高光譜探測技術(shù)的發(fā)展為巖心分析提供了一種新的編錄技術(shù)。為了使獲得的巖心資料能永久保存且便于使用和分析，筆者開發(fā)了鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)使用者能方便管理、查看鉆探巖心數(shù)據(jù)，快速提取、分析巖心礦物的光譜特征，為后期礦物的識別奠定了基礎(chǔ)。

巖心編錄；高光譜；數(shù)據(jù)管理與分析；光譜特征

鉆探是一項成本非常高的探測技術(shù)，是地質(zhì)勘查最重要技術(shù)手段之一［1］。巖心是鉆探獲取成果的重要體現(xiàn)，為使鉆探所獲得的珍貴地質(zhì)資料能夠方便使用、分析，且永久保存，開展鉆探巖心綜合編錄成為地質(zhì)勘探中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。

長久以來，傳統(tǒng)的巖心編錄采用人工方式耗費了大量的人力和時間，且編錄后的數(shù)據(jù)采用的是文件方式存儲，不但造成巖心數(shù)據(jù)管理散亂、可交流性差，同時對勘探數(shù)據(jù)的深入研究和再利用也造成了障礙［2］。

20世紀(jì)80年代，高光譜分辨率遙感技術(shù)出現(xiàn)，并于90年代得到蓬勃發(fā)展。高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展為鉆探巖心數(shù)據(jù)的再利用提供了平臺，為巖心分析提供了一種新的編錄技術(shù)方法，但隨之而來也增加了巖心數(shù)據(jù)維數(shù)。這就為如何有效地解決巖心高光譜遙感數(shù)據(jù)不斷增長和長期存儲帶來了巨大的存儲壓力，也為如何管理、分析和可持續(xù)利用這些珍貴的海量數(shù)據(jù)提出了更高的要求。

目前，我國學(xué)者中對鉆探巖心高光譜編錄進行的研究相對較少，只有少數(shù)學(xué)者對其進行了研究。具有代表性的是胥燕輝，他建立了相應(yīng)的地質(zhì)光譜柱狀圖，為國內(nèi)學(xué)者進行巖心編錄工作起到示范作用。但由于該編錄針對具體鉆孔數(shù)據(jù)，采用文本形式存儲數(shù)據(jù)，難以共享最新的高光譜填圖技術(shù)成果，因此，它尚處于初步嘗試階段［3］。另外，目前的地學(xué)數(shù)據(jù)特征提取主要是通過人工方式，具有明顯的主觀性和隨意性［4］。針對這種現(xiàn)狀，有必要開發(fā)鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)來解決上面提到的幾個問題：（1）鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)的存儲與管理；（2）地學(xué)特征信息提取方法及效率；（3）如何更加科學(xué)、客觀地分析地物光譜特征信息。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計思路及開發(fā)方式

鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)的設(shè)計采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計和開發(fā)方法，采用自上而下的設(shè)計思路，對整體方案進行設(shè)計和模塊劃分。首先，針對鉆探高光譜數(shù)據(jù)的特點即數(shù)據(jù)量大、格式多、增長快和保存周期長等特點，筆者選擇Oracle大型商業(yè)數(shù)據(jù)庫來存儲鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)；其次，從系統(tǒng)維護的難易程度、可擴充性、代碼重用性等方面考慮，采用VB.net進行系統(tǒng)地開發(fā)。VB.net具備面向?qū)ο螅∣OP）編程語言的所有特征。它的優(yōu)點有：（1）維護簡單；（2）可擴充性強；（3）代碼重用率高。最重要一點是 .net框架實現(xiàn)了跨平臺特性，并提供了多種語言混合編程模式。這些特性使開發(fā)出來的系統(tǒng)具有很好的移植性，同時使得系統(tǒng)間的集成更加容易。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)架

該系統(tǒng)整體框架基于C/S（client/server）模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2.1 數(shù)據(jù)層

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 Framework of the system

該系統(tǒng)使用Oracle數(shù)據(jù)庫來存儲鉆探巖心所涉及到的各種數(shù)據(jù)，包括：說明文檔、巖心圖片、巖心地面高光譜數(shù)據(jù)、鉆探巖心基本屬性信息等等。在本系統(tǒng)中筆者設(shè)計了4個表來存儲這些數(shù)據(jù)，表的結(jié)構(gòu)及其之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 表結(jié)構(gòu)及其之間的關(guān)系Fig.2 Table structure and its relationship

1.2.2 中間層

用戶要訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)都需要通過中間層。通過中間層，用戶不需要了解數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存儲格式就能很方便地管理、查看和操作這些數(shù)據(jù)。

1.2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層包括兩個模塊：（1）鉆探高光譜數(shù)據(jù)管理模塊。通過該模塊授權(quán)用戶可以很方便地存儲、管理、查看數(shù)據(jù)庫中的鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)。（2）鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)處理分析模塊。通過該模塊用戶可以快速處理、提取、分析鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)。

該設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)點是：（1）保證了數(shù)據(jù)的安全性和獨立性；（2）能夠滿足巖心數(shù)據(jù)的增長和存儲需求；（3）系統(tǒng)移植性好、可擴充性強、維護簡單；（4）應(yīng)用層的分塊即保證多用戶并行操作，同時也對用戶權(quán)限作了限定，最大程度地共享了巖心編錄取得的成果。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主要功能

鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)是集鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲、管理、查詢，光譜特征信息提取、可視化及分析于一體的多功能系統(tǒng)。系統(tǒng)劃分了5個主要功能模塊。

（1）光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理。為使采用ASD地面高光譜測量儀得到的巖心高光譜數(shù)據(jù)更好，且能更快地存儲到數(shù)據(jù)庫中，筆者有必要對其數(shù)據(jù)文件進行預(yù)處理。針對ASD高光譜數(shù)據(jù)的特點（即x（波長）起始點、中止點、步長都是固定的），筆者將原始的高光譜數(shù)據(jù)進行了一定的處理。處理后的光譜數(shù)據(jù)文件中只存儲y（反射率）值，且每個光譜數(shù)據(jù)單獨存儲。通過這種方式可以大大減少數(shù)據(jù)庫中的冗余數(shù)據(jù)。

（2）鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)存儲與管理。通過該功能模塊，用戶可以在不必了解數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的情況下即可快速對鉆探巖心的數(shù)據(jù)進行入庫、查詢和管理，如數(shù)據(jù)庫中需要哪些表來存儲鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)，這些表之間的關(guān)系等等一些細節(jié)問題，相對于用戶是透明的。

（3）光譜數(shù)據(jù)特征信息批量自動提取。使用該模塊可以快速批量提取光譜數(shù)據(jù)特征信息。提取特征信息包括：吸收峰位置、相對深度、面積、對稱性等等。吸收峰的位置的提取是特征信息提取的基礎(chǔ)，在本系統(tǒng)中筆者采用全自動方式來提取吸收峰的位置。具體算法見第2.2節(jié)。

（4）特征信息可視化功能。包括吸收峰可視化和鉆孔光譜特征三維表述。鉆孔光譜特征三維表述將鉆孔的光譜特征分布圖從二維擴展到了三維。即x軸表示吸收峰的波長，y軸表示鉆孔深度，z軸（小方柱高度）可以表示吸收峰量化信息（寬度、強度、面積、對稱性等）的任意一種。鉆孔光譜特征三維表述能增強不同深度地物光譜特征信息的差異立體感，突出巖礦蝕變的主體信息。

（5）物譜關(guān)系模型的構(gòu)建。該模塊可以將提取的光譜特征信息與成礦巖體的化學(xué)成分含量進行擬合，以此來分析這兩者之間的關(guān)系。從而進一步通過提取成礦巖體的特征信息來反演巖體的化學(xué)成分含量。筆者開發(fā)的模型包括3種基本擬合算法：線性擬合、曲線擬合和指數(shù)擬合。

2.2 系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)

在光譜特征信息提取技術(shù)中，吸收峰的位置提取是所有量化信息提取的基礎(chǔ)。如何快速準(zhǔn)確提取該信息是筆者需解決的首要問題。目前吸收峰的提取方式包括以下兩種：（1）直接提取某區(qū)域最低點；（2）通過判斷上升和下降曲線來確定吸收峰位置。本系統(tǒng)中包含了這兩種提取方式，第1種命名為“半自動提取方式”，第2種命名為 “全自動提取方式”。表1是這兩種提取方式的簡單比較。

表1 兩種提取方式的比較Table 1 Comparison of two extraction methods

半自動提取方式在此不做詳細介紹，在這里主要介紹一下全自動提取方式。通過多次試驗，筆者得出選點密度為9、間隔數(shù)為2時提取的效果最好。具體思路：設(shè)光譜點總數(shù)為 n， 從第 i=1（i＜n-15）個點開始， 依次取出9個點，這9個點是i、i+1、i+3、i+5、i+7、i+9、i+11、i+13、i+15，如果這9個點依次遞減，則說明找到一條下滑的曲線；否則將第i=i+15個點作為起始點又依次取出9個點，直到找到一條下滑的曲線。找到下滑曲線后，這時還需要判斷第i+15個點是否為最低點，判斷依據(jù)是以第K=i+15作為起始點，依次取出 K+1、 K+2、 K+4、 K+6、 K+8、 K+10、K+12、K+14、K+16這9個點，如果這個序列是一個上升序列則說明第K點是吸收峰的位置，否則以第K=K+1點為起始點繼續(xù)判斷吸收峰的位置，直到找到正確波谷位置。該算法提取效果如圖3所示。

圖3 全自動提取吸收峰的效果圖Fig.3 Effective picture of automatic extraction of the absorption peak

3 系統(tǒng)實現(xiàn)界面

該系統(tǒng)是在 .net框架下開發(fā)的，主界面由菜單、下拉列表、目錄樹、文本框、圖像框、圖表框組成（圖4）。在該系統(tǒng)中實現(xiàn)了巖心光譜曲線、影像、屬性信息的無縫集成管理，同時該系統(tǒng)還集成了光譜數(shù)據(jù)的處理與分析功能。通過該系統(tǒng)筆者可以快速查看所感興趣的鉆、槽探巖心的詳細信息，包括所屬區(qū)域、巖心照片、巖心詳細信息、對應(yīng)光譜曲線等；可以快速地提取這些海量數(shù)據(jù)中的光譜特征信息，也可以科學(xué)、直觀地分析這些特征信息，為后期礦物蝕變信息的提取、礦物填圖的共享奠定堅實的基礎(chǔ)。

圖4 系統(tǒng)主界面Fig.4 The main interface of the system

圖5 鉆孔光譜特征三維表述界面Fig.5 Three-dimension expression interface for drilling core spectral characteristics

鉆孔光譜特征三維表述界面如圖5所示，在該圖中筆者將礦物所在鉆孔深度、吸收峰位置、吸收特征值顯示在同一界面，增強不同深度地物光譜特征信息的差異立體感。同時筆者還開發(fā)了特征值過濾窗口，用以消除不感興趣的（如吸收強度極微弱）的吸收峰，突出礦物蝕變的主體信息。

物譜關(guān)系擬合界面如圖6所示，該圖上半部分是對原始離散點和擬合后的曲線數(shù)據(jù)所做的一個可視化顯示；下半部分是不同擬合算法得到的擬合方程式和相關(guān)系數(shù)。通過該圖筆者能快速得出哪種擬合算法最適合當(dāng)前的離散數(shù)據(jù)。其次轉(zhuǎn)換x，y軸按鈕能使當(dāng)前擬合算法變成6種。

圖6 物譜關(guān)系擬合界面Fig.6 The interface for fitting relations between object and spectrum

4 結(jié) 論

目前鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到某地區(qū)的鉆探巖心編錄工作中。實踐證明，該系統(tǒng)具有很強的實用性：（1）基于Oracle數(shù)據(jù)庫的鉆探巖心高光譜數(shù)據(jù)存儲管理模式，能很好地解決數(shù)據(jù)不斷增長和長期存儲所帶來的壓力，同時也為后期巖心數(shù)據(jù)管理和再利用奠定了堅實的基礎(chǔ)；（2）該系統(tǒng)提供的光譜特征信息提取工具，能全自動、快速科學(xué)地提取大量巖心地面高光譜特征信息，克服人工提取帶來的主觀性、隨意性，為后續(xù)專題信息提取提供數(shù)據(jù)支撐；（3）系統(tǒng)中運用多種擬合算法科學(xué)地分析礦物的蝕變信息與光譜特征信息的關(guān)系，為下一步礦物蝕變信息的識別奠定良好的基礎(chǔ)；（4）提供鉆孔光譜特征三維表述工具，增強不同深度地物光譜特征信息的差異立體感，突出了礦物蝕變的主體信息。

［1］鄭國海，胡凌志，蔡向民.城市地質(zhì)調(diào)查鉆探地質(zhì)編錄的實踐和體會［J］.城市地質(zhì)，2008，3（3）： 45-48.

［2］曹建文，李滿根，蔡煜琦，等.砂巖型鈾礦鉆孔原始地質(zhì)編錄數(shù)據(jù)的采集與管理［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報， 2009， 32（1）： 32-37.

［3］胥燕輝.鐵礦巖心高光譜編錄初探［J］.地質(zhì)找礦論叢， 2006， 21（增刊）： 113-117.

［4］范乃英.固體礦產(chǎn)鉆探地質(zhì)資料綜合編錄數(shù)字化系統(tǒng)研究［J］.濮陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，21（2）： 15-16.

Building of the system for managing and analyzing the hyperspectral data of drilling core

HUANG Yan-ju， ZHANG Jie-lin， WANG Jun-hu
（National Key Laboratory of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

Drilling core logging is very important for geological exploration，hyperspectral detection provides a totally new method for drilling core logging.To use and analyze the drilling core data more easily， and especially store them permanently， a system is built for analyzing and managing the hyperspectral data.The system provides a convenient way to sort the core data，and extract the spectral characteristics，which is the basis for the following mineral identification.

core logging； hyperspectral； data management and analysis； spectral characteristics

TP751

A

1672-0636（2010）03-0159-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2010.03.008

2010-05-27

黃艷菊（1981—），女，湖北江陵人，工程師，碩士，主要從事空間數(shù)據(jù)處理與管理。E-mail：huangyanju5527@sina.com