馮斌，梁萌，吳文鸝，張學(xué)利，杜炳銳，馬娜

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所,河北 廊坊 065000； 2.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局,江蘇 南京 210007)

0 引言

大地電磁測深法是利用天然交變電磁場研究地球電性結(jié)構(gòu)的一種地球物理勘探方法，是深部地球物理探測的一種重要方法和必不可少的手段，對于揭示中國大陸巖石圈結(jié)構(gòu)、活動過程與動力學(xué)機制，實現(xiàn)能源與重要礦產(chǎn)資源重大突破、提升地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力等具有重要意義，如何有效管理與共享服務(wù)大地電磁數(shù)據(jù)是地質(zhì)信息化一項重要研究內(nèi)容。中國地質(zhì)調(diào)查局自2017年開展地質(zhì)“云平臺”建設(shè)以來，不斷強化利用云平臺、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)開展國家級地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)的共享服務(wù)[1-4]，截至2019年底，“地質(zhì)云”平臺已經(jīng)共享了基礎(chǔ)地質(zhì)、城市地質(zhì)、地下水、能源與重要礦產(chǎn)、資源環(huán)境承載力等專題應(yīng)用服務(wù)，為國民經(jīng)濟發(fā)展與城市建設(shè)、城市管理等提供了有效的地質(zhì)數(shù)據(jù)支撐。

傳統(tǒng)的信息化系統(tǒng)建設(shè)中，一般按照各專業(yè)領(lǐng)域自身需求設(shè)計了數(shù)據(jù)存儲與應(yīng)用系統(tǒng)，解決其數(shù)據(jù)的共享服務(wù)，客觀上造成了服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)不一與信息孤島，同時，為了支撐應(yīng)用服務(wù)還需要建設(shè)各種服務(wù)器，運維成本嚴重。與傳統(tǒng)信息化模式相比，“地質(zhì)云”模式對硬件資源進行全虛擬化，可按需提供服務(wù)器資源，提供了極大的便捷性，同時，可以統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，避免標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，解決了信息孤島[5-10]。

大地電磁數(shù)據(jù)作為地球物理勘探獲取的重要數(shù)據(jù)，如何在“地質(zhì)云”模式下管理與共享服務(wù)是“地質(zhì)云”地球物理地球化學(xué)勘查研究所節(jié)點的一項重要內(nèi)容，本文通過調(diào)研“地質(zhì)云”相關(guān)專題數(shù)據(jù)集成與共享經(jīng)驗，提出了一種針對大地電磁數(shù)據(jù)共享服務(wù)體系，用以解決大地電磁數(shù)據(jù)的管理與共享問題。文中從架構(gòu)設(shè)計、分類與存儲、功能設(shè)計等方面進行了探討，從技術(shù)實現(xiàn)的角度闡述了系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境、集群節(jié)點部署等關(guān)鍵技術(shù)，重點介紹了一種新型的電磁處理方法共享模式，最后以尼瑪盆地工區(qū)電磁數(shù)據(jù)管理與共享為應(yīng)用示例，搭建了原型系統(tǒng)，初步解決了大地電磁數(shù)據(jù)管理與共享問題。

1 框架研究

大地電磁數(shù)據(jù)共享建設(shè)中遵循“地質(zhì)云”建設(shè)要求、考慮了系統(tǒng)復(fù)用性、易用性與便捷性，并從總體架構(gòu)、分類與存儲、功能設(shè)計、在線處理流程設(shè)計幾方面進行了相關(guān)探討。

1.1 總體架構(gòu)

參照“地質(zhì)云”建設(shè)模式，大地電磁數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)按照四層結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，與“地質(zhì)云”保持了一致性[11-12]。自下而上主要包括虛擬化服務(wù)、數(shù)據(jù)資源層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層。在數(shù)據(jù)資源層，提供“地質(zhì)云”標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一資源訪問服務(wù)接口，在數(shù)據(jù)服務(wù)層，和“地質(zhì)云”共享體系一致，提供WMS服務(wù)、WFS服務(wù)、WMTS服務(wù)基礎(chǔ)上，還提供統(tǒng)計分析、服務(wù)監(jiān)控等功能。系統(tǒng)虛擬化運行環(huán)境和相關(guān)安全保障，全部委托“地質(zhì)云”環(huán)境統(tǒng)一管控。四層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大地電磁數(shù)據(jù)共享服務(wù)架構(gòu)Fig.1 Flow chart of geological data visualization system

1) 虛擬化。虛擬化服務(wù)參照“地質(zhì)云”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)經(jīng)驗，提供虛擬化部署網(wǎng)站運行需要的相關(guān)軟件，包括數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、網(wǎng)站及負載均衡服務(wù)器、網(wǎng)站服務(wù)器等相關(guān)軟件。

2) 數(shù)據(jù)資源存儲。大地電磁數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖件數(shù)據(jù)、文檔等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)四類，對應(yīng)數(shù)據(jù)資源層，主要是按照數(shù)據(jù)類型進行數(shù)據(jù)存儲設(shè)計，包括元數(shù)據(jù)庫、文件管理、基本信息庫、專題數(shù)據(jù)庫等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類管理，最終建立符合地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的地質(zhì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心。

3) 數(shù)據(jù)服務(wù)層。數(shù)據(jù)服務(wù)是將各專業(yè)地質(zhì)數(shù)據(jù)通過封裝服務(wù)接口的方式，形成WFS服務(wù)、WMS服務(wù)、查詢服務(wù)、WMTS服務(wù)，以及提供統(tǒng)計分析、服務(wù)檢索、服務(wù)監(jiān)控等功能，這些功能接口建設(shè)完全依據(jù)“地質(zhì)云”標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)。

4) 應(yīng)用服務(wù)層。主要提供符合需要的各類應(yīng)用功能，包括圖形檢索、資源目錄、地圖查詢服務(wù)和服務(wù)測試功能。

5)“地質(zhì)云”環(huán)境下相關(guān)保障體系。主要對數(shù)據(jù)在各層流通中提供必要的技術(shù)保障，主要保障系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全問題。

1.2 數(shù)據(jù)的分類與管理

大地電磁數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖件數(shù)據(jù)、文檔等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)四類。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)涉及到測點坐標(biāo)、周期(T)、視電阻率、相位、阻抗和傾子等信息(表1為大地電磁法數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu))，一般通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理。地質(zhì)圖件數(shù)據(jù)，包括電磁解釋剖面、采樣點、工區(qū)范圍等空間數(shù)據(jù)，其管理涉及到地圖服務(wù)發(fā)布與服務(wù)管理兩部分，地圖發(fā)布通過ArcGIS Server等地圖服務(wù)器發(fā)布WMS服務(wù)，其WMS服務(wù)地址通過空間數(shù)據(jù)庫管理。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為項目產(chǎn)生的word文檔、報表數(shù)據(jù)、圖片、圖像、音頻及視頻信息等數(shù)據(jù)，通過FastDFS存儲管理。元數(shù)據(jù)主要為上述三類數(shù)據(jù)相的描述信息，通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理。

表1 大地電磁法數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

1.3 大地電磁數(shù)據(jù)共享功能設(shè)計或規(guī)劃

按照大地電磁數(shù)據(jù)的共享要求，功能規(guī)劃如下幾個方面：

1) 目錄導(dǎo)航。按照地、物、化、遙等工作手段，提供資源目錄結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)基于目錄結(jié)構(gòu)進行導(dǎo)航應(yīng)用。提供地圖界面展示電磁數(shù)據(jù)，實現(xiàn)地圖放大、縮小、平移、復(fù)原等基礎(chǔ)地圖操作工具欄。

2) 空間檢索。提供基于空間檢索大地數(shù)據(jù)，可按照拉框查詢、多邊形查詢、地質(zhì)要素等空間地質(zhì)要求進行查詢與檢索，通過豐富的空間查詢方式，查詢大地電磁相關(guān)屬性信息，并提供統(tǒng)計曲線圖展示。

3) 地質(zhì)圖服務(wù)瀏覽。對各種大地電磁相關(guān)資源成果圖件提供OGC WMS或WFS服務(wù)，可通過地質(zhì)圖的查看、瀏覽、展示與屬性信息查詢。

4) 在線處理?；诠芾淼拇蟮仉姶艛?shù)據(jù)，可以進行數(shù)據(jù)處理與運算，生產(chǎn)需要的相關(guān)專題數(shù)據(jù)圖件，如相位張量圖。

5) 后臺管理。包括對系統(tǒng)賬號的統(tǒng)一管理、包括對大地電磁項目信息的管理、資源目錄分類管理、地質(zhì)圖服務(wù)綜合管理。

1.4 大地電磁數(shù)據(jù)在線處理流程設(shè)計

常用在線處理方法，一般解決方案是通過OGC WPS標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)相關(guān)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的共享[7]，但是WPS處理共享涉及到算法改造較多，對處理方法復(fù)用性較差，而地質(zhì)算法比較復(fù)雜，改造難度較大。從地質(zhì)算法復(fù)用性角度，本文提出了一種基于消息調(diào)度的處理方法，來最大化復(fù)用已有大地電磁處理方法，該處理方法能夠屏蔽不能開發(fā)語言的差異，極大提高開發(fā)效率。

基于消息隊列的大地電磁數(shù)據(jù)在線流程[13]如圖2所示，主要由4個主體部分構(gòu)成：專題應(yīng)用工具欄、隊列消息傳遞、消息處理服務(wù)和專題服務(wù)處理模塊。參數(shù)界面方面用戶填寫運算相關(guān)參數(shù)并對結(jié)果進行可視化；消息隊列傳遞模塊主要是傳遞運算中需要的數(shù)據(jù)和參數(shù)信息，參數(shù)包括處理算法隊列的名稱、用戶填寫參數(shù)項、數(shù)據(jù)的存儲地址等；消息調(diào)度處理服務(wù)器主要承載消息體的周轉(zhuǎn)以及消息體的異常處理和消息的負載均衡，會根據(jù)消息隊列執(zhí)行的頻度做分布式調(diào)度；大地電磁算法處理模塊是數(shù)據(jù)處理和專題應(yīng)用模塊，接收消息調(diào)度服務(wù)器傳遞來的消息，執(zhí)行運算并成果數(shù)據(jù)，同時將結(jié)果數(shù)據(jù)以 OGC WMS(Web 地圖服務(wù))或WMTS(切片地圖Web服務(wù))的方式發(fā)布，對外提供數(shù)據(jù)訪問接口，供前臺調(diào)用。

圖2 基于消息隊列大地電磁處理流程示意Fig.2 Flow chart of magnetotelluric processing based on message queue

2 系統(tǒng)實施

按照“地質(zhì)云”部署經(jīng)驗，大地電磁數(shù)據(jù)共享服務(wù)實施中需要考慮基礎(chǔ)環(huán)境實施工具、集群節(jié)點部署、空間數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布等環(huán)節(jié)。

2.1 基礎(chǔ)環(huán)境實施工具

整個系統(tǒng)全部采用虛擬化服務(wù)管理[14-15]，虛擬化采用Docker容器統(tǒng)一管理，提供服務(wù)器的快速啟動與關(guān)閉；負載均衡采用Ngnix Web服務(wù)器，不同的服務(wù)器業(yè)務(wù)之間通信采用消息隊列RabbitMQ服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)采用PostGIS，內(nèi)存服務(wù)器采用Redis；系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境分為兩部分：基于Linux操作平臺設(shè)計與開發(fā)的門戶網(wǎng)站、基于Windows系統(tǒng)開發(fā)WebGIS支撐的地質(zhì)圖服務(wù)發(fā)布。不同服務(wù)器之間通信利用消息調(diào)度管理機制，其中，門戶網(wǎng)站部分采用Play框架開發(fā)，使用Java開發(fā)語言，WebGIS服務(wù)器采用ArcGIS Server平臺開發(fā)工具，如表2所示。

表2 平臺開發(fā)工具

2.2 集群節(jié)點的部署

大地電磁基本節(jié)點為集群或云計算服務(wù)，按照系統(tǒng)應(yīng)用目的設(shè)立成幾個不同節(jié)點：結(jié)構(gòu)化存儲服務(wù)節(jié)點，主要是數(shù)據(jù)庫集群節(jié)點；非結(jié)構(gòu)化存儲服務(wù)節(jié)點，主要是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(如文檔、影像、圖片等)存儲節(jié)點；地質(zhì)圖服務(wù)節(jié)點，主要是Arcgis服務(wù)器集群發(fā)布地質(zhì)空間數(shù)據(jù)WMS等服務(wù)；網(wǎng)站運行及節(jié)點負載均衡，主要是部署網(wǎng)站系統(tǒng)和負責(zé)網(wǎng)站的負載均衡；調(diào)度節(jié)點，主要部署消息隊列服務(wù)，負責(zé)各節(jié)點之間通訊與數(shù)據(jù)傳輸。每個節(jié)點全部通過Docker容器統(tǒng)一管理，實現(xiàn)節(jié)點的快速啟動與關(guān)閉，保持應(yīng)用的正常運行。

2.3 空間數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)布

大地電磁空間數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布，核心是WebGIS服務(wù)開發(fā)[4-6]，主要是應(yīng)用ArcGIS Server作為WebGIS服務(wù)器提供地質(zhì)空間數(shù)據(jù)的可視化服務(wù)。首先，將大地電磁空間數(shù)據(jù)庫與ArcGIS Server建立映射關(guān)系，使ArcGIS Server能夠調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，進行服務(wù)的發(fā)布與管理；其次網(wǎng)站JavaScrcipt前臺，通過標(biāo)準(zhǔn)的WMS服務(wù)協(xié)議讀取ArcGIS Server服務(wù)，提供圖層分層管理、渲染、透明、查詢、統(tǒng)計等功能分析。

3 應(yīng)用實踐

尼瑪盆地位于青藏高原班公湖——江盆地帶中段，東部與倫坡拉盆地為鄰，面積為11 162 km2，是新生代含油氣盆地帶。在本地區(qū)進行大地電磁法(MT)測量和數(shù)據(jù)處理解釋，可查明尼瑪盆地和洞錯盆地的邊界構(gòu)造性質(zhì)、盆地的基底埋深和基本構(gòu)造格架，為盆地含油氣性評價和區(qū)域?qū)Ρ取⒂欣麉^(qū)帶優(yōu)選提供深部依據(jù)。本次工作共收集到該地區(qū)的兩條MT剖面數(shù)據(jù)，用于大地電磁數(shù)據(jù)共享應(yīng)用實驗。

3.1 大地電磁法數(shù)據(jù)共享服務(wù)界面

大地電磁法數(shù)據(jù)共享服務(wù)中，提供WebGIS 模式的界面應(yīng)用(圖3)。圖中左側(cè)主要包括相關(guān)數(shù)據(jù)目錄，包括基礎(chǔ)地理、基礎(chǔ)影像和基礎(chǔ)地形服務(wù)、工區(qū)基本信息、采樣點數(shù)據(jù)，支持勾選與取消；右側(cè)提供地圖形式的數(shù)據(jù)展示功能，地圖支持WMS、WMTS等數(shù)據(jù)服務(wù)，還提供了工具欄，支持進行相關(guān)地圖的操作。同時，根據(jù)地圖上數(shù)據(jù)的點擊操作，還提供了查詢圖表展示功能，統(tǒng)計曲線圖會隨著查詢點的不同，不斷變化數(shù)據(jù)范圍。曲線數(shù)據(jù)都是依據(jù)查詢點，實時從數(shù)據(jù)庫采集數(shù)據(jù)繪制而成，便于用戶快速查看數(shù)據(jù)特征。

圖3 大地電磁數(shù)據(jù)共享服務(wù)主界面效果Fig.3 Main interface of magnetotelluric data sharing service

3.2 MT測深解釋成果圖在線查詢

尼瑪盆地東側(cè)剖面整體表現(xiàn)出“兩凹一隆”特征，其中北部凹陷規(guī)模較大，基底由北向南逐漸加深，最大深度近4 km；南部凹陷規(guī)模較小。局部隆起出現(xiàn)在剖面中南部，基地埋深小于2 km，尼瑪盆地西側(cè)剖面顯示出盆地向西規(guī)模變小，盆地基底形態(tài)表現(xiàn)為北深南淺的“勺”狀特征。兩條剖面都顯示出盆地內(nèi)存在一些局部高阻異常體，推測可能為中生代地層的殘片侵位于新生代地層的結(jié)果，在系統(tǒng)中，通過點擊工區(qū)范圍，彈出成果圖件(圖4)。

圖4 MT結(jié)果展示界面Fig.4 MT query view in application

3.3 相位張量圖在線計算應(yīng)用

相位張量在線成圖是大地電磁數(shù)據(jù)共享服務(wù)中的一項重要應(yīng)用，是大地電磁法定性解釋的重要手段，用于反映地下構(gòu)造的走向。它依據(jù)視電阻率、相位等數(shù)據(jù)，通過計算成圖。大地電磁數(shù)據(jù)共享服務(wù)體系中，提供框選功能，圈定數(shù)據(jù)范圍，點擊相位張量成圖按鈕，將框選的地理坐標(biāo)發(fā)送到后臺相位張量成圖算法接口服務(wù)器，后臺依據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的相位數(shù)據(jù)和框選的坐標(biāo)范圍，進行數(shù)據(jù)的接收和算法的執(zhí)行，最終，生成相位張量圖png圖片，動態(tài)在系統(tǒng)前臺以彈出界面的形式展示。同時，提供數(shù)據(jù)下載功能，將框選的數(shù)據(jù)范圍、抽取的數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)打包下載。

4 結(jié)束語

大地電磁共享研究中，參照“地質(zhì)云”模式，提供了統(tǒng)一資源訪問服務(wù)接口，同時，數(shù)據(jù)服務(wù)和“地質(zhì)云”共享體系一致，提供WMS服務(wù)、WFS服務(wù)、WMTS服務(wù)。以尼瑪盆地工區(qū)電磁數(shù)據(jù)為應(yīng)用實例搭建了原型系統(tǒng)，介紹了大地電磁數(shù)據(jù)共享界面和數(shù)據(jù)查詢功能。

鑒于大地電磁數(shù)據(jù)反演迭代次數(shù)較多，本文提出了基于消息調(diào)度模式的大地電磁數(shù)據(jù)在線流程，最大化復(fù)用已有大地電磁處理方法，該處理方法能夠屏蔽開發(fā)語言的差異，極大提高開發(fā)效率。下一步，系統(tǒng)將開展與“地質(zhì)云”專題應(yīng)用進行對接，在用戶體系、安全認證等方面進行對接，保證系統(tǒng)滿足“地質(zhì)云”的應(yīng)用要求，同時，繼續(xù)深化基于消息調(diào)度模式的在線處理流程，豐富地質(zhì)在線處理應(yīng)用。