張盛，張明華，任偉，楊燕

(中國地質調查局發(fā)展研究中心，北京 100037)

0 引言

重磁勘探方法廣泛應用于礦產(chǎn)資源勘探、氣候環(huán)境變化、大地構造研究等方面[1]。為了從重磁數(shù)據(jù)資料中獲得研究區(qū)的地質解釋結果，必須利用專業(yè)軟件系統(tǒng)對重磁數(shù)據(jù)進行專業(yè)化數(shù)據(jù)處理和分析[2-5]?，F(xiàn)有重磁數(shù)據(jù)處理軟件以單機桌面應用程序為主，這些軟件在使用過程中往往存在以下限制：① 在使用便捷性方面，軟件在Windows、Linux等平臺之間無法自由切換使用，并且這些軟件通常授權給單一終端，很難實現(xiàn)多用戶跨平臺協(xié)同工作；② 在軟件的更新維護方面，軟件開發(fā)商在完成更新包之后，單機軟件用戶需要去主動更新應用終端程序，這往往需要經(jīng)過獲取更新軟件包、卸載已有程序、安裝新程序、重新授權等一系列繁瑣的操作步驟，在這一過程中還可能遇到諸如動態(tài)庫缺失、版本不兼容等問題;③ 在計算性能方面，隨著航空物探、物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，現(xiàn)代物探方法獲取了海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的存儲計算對軟件計算性能提出新要求，單機應用程序往往受限于宿主計算機硬件性能，將會越來越難以滿足海量數(shù)據(jù)即時處理計算需求[6-7]。

隨著信息技術的發(fā)展，云計算這一種新的計算模式成為當今信息技術發(fā)展主流，該計算模型的典型特征是將計算、存儲和網(wǎng)絡資源作為在線服務提供給用戶，用戶可以通過瘦終端與Web瀏覽器一起按需訪問[8-10]。云計算有3種典型服務模型：IaaS(基礎架構即服務)，PaaS(平臺即服務)和SaaS(軟件即服務)。在云計算中，應用程序或軟件運行在云基礎設施之上，而無需本地軟件安裝和維護，這能夠有效提高多用戶軟件和硬件基礎設施利用率，大大降低了用戶本地計算資源的成本。此外，由于軟件應用程序是云托管的，并且沒有明顯的平臺限制，因此服務提供商可以輕松升級維護它們。所有用戶都使用相同版本的軟件，這使得用戶之間的協(xié)作更容易，因此軟件版本不匹配等問題也可以得到快速修復。由于上述云計算帶來的優(yōu)點，在地學領域已經(jīng)開發(fā)了許多在線數(shù)據(jù)處理程序。例如，中石化開發(fā)了π-Frame地震數(shù)據(jù)處理平臺，這是一個用于地球物理數(shù)據(jù)處理和解釋的云平臺[11]。北京桔燈勘探公司提供全套專業(yè)軟件遠程桌面服務，而Plotly科學繪圖軟件提供在線數(shù)據(jù)處理和繪圖服務等[12]。

網(wǎng)格數(shù)據(jù)廣泛應用于重磁數(shù)據(jù)處理、分析和解釋各個環(huán)節(jié)，是最為常用的物探數(shù)據(jù)格式之一。為探索云計算技術在地球物理軟件中的應用方法、技術和效果。筆者研發(fā)了一個網(wǎng)格數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)，通過對比分析驗證了該系統(tǒng)的正確性和使用的便捷性，為云計算技術在地球物理軟件應用方面提供技術儲備。

1 功能設計與算法

網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理算法是軟件的核心基礎之一，因此有必要對該系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)處理算法進行簡要描述。本系統(tǒng)主要集成了常用的滑動平均濾波、方向導數(shù)計算、頻率域濾波、位場解析延拓功能。

1.1 滑動平均濾波

滑動平均濾波方法對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于濾除高頻干擾和隨機噪聲。缺點是靈敏度較低，對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差。其計算方法為：對M×N個采樣值的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，任意網(wǎng)格節(jié)點濾波結果為計算點周圍半徑為w方形區(qū)域內數(shù)據(jù)點的算術平均值，按照如下公式進行計算：

(1)

其中：ss(i,j)為濾波結果，w為濾波窗口半徑，s(ii,jj)為原網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

1.2 方向導數(shù)

重磁異常的方向導數(shù)通常指異常場沿某一特定方向的空間變化，常用于突出異常梯級帶，區(qū)分不同構造走向的疊加重磁異常，進而劃分特定地質構造界線。筆者采用空間域差分算法替代微分近似估算重磁場的方向導數(shù)，網(wǎng)格數(shù)據(jù)x方向、y方向導數(shù)及總水平導數(shù)模計算公式如下：

(2)

其中：dxi,j為x方向導數(shù)；dyi,j為y方向導數(shù)；dti,j為總水平導數(shù)。

1.3 頻率域濾波

為了獲得與地質相關的異常信息，需要對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行濾波處理。頻率域濾波主要采用如下計算步驟進行：

1) 將網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行二維FFT變換，獲得頻率域網(wǎng)格數(shù)據(jù)；

2) 按照給定截斷頻率和窗函數(shù)(本系統(tǒng)中采用矩形窗)，對頻率域網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行濾波，得到頻率域濾波結果；

3) 對頻率域濾波結果進行FFT逆變換即可得到空間域濾波結果。

1.4 延拓計算

將地面實測異常換算到不同高度來劃分場源深度不同的疊加異常，這種方法叫做重磁異常的解析延拓，實際工作中常用于壓制噪聲干擾，突出有用異常，重磁異常解析延拓通常有向上延拓和向下延拓兩類。在本研究中主要采用頻率域向上延拓算法[1]和迭代向下延拓算法[13]。頻率域延拓計算可以看作是一種頻率域濾波算法，計算公式如下：

F(u,v,h+Δh)=F(u,v,h)*H(Δh)

(3)

其中：Δh為延拓高度。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與關鍵技術

在線軟件系統(tǒng)通常采用分層架構進行設計，分層架構實現(xiàn)了各個邏輯功能的解耦，規(guī)范化了各層間的調用關系，降低各層之間的依賴關系，利于各層邏輯重用與更新。我們采用典型的3層架構實現(xiàn)該在線網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這3層架構分別是展現(xiàn)層、計算服務層和邏輯控制層。

2.1 展現(xiàn)層的實現(xiàn)

展現(xiàn)層又稱為表現(xiàn)層，運行于客戶端瀏覽器，用于提供用戶交互操作界面，接受用戶輸入數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)可視化表達。該層利用Html5+CSS3+JavaScript等web2.0前端技術進行實現(xiàn)。系統(tǒng)主界面如圖1所示，該軟件界面上部為系統(tǒng)標題，左側為功能菜單，主要包括網(wǎng)格數(shù)據(jù)輸入輸出、繪圖參數(shù)設置及數(shù)據(jù)處理等操作按鈕，界面右側為數(shù)據(jù)展示區(qū)，采用“Plotly.js”函數(shù)庫進行數(shù)據(jù)可視化，提供等值線、熱度圖以及三維表面圖3種數(shù)據(jù)展示方式。為兼容已有數(shù)據(jù)處理軟件，輸入、輸出數(shù)據(jù)文件采用Surfer 6 明碼及二進制格式的grd文件。

圖1 用戶界面Fig.1 Software user interface

2.2 計算服務層實現(xiàn)

計算服務層運行在服務器端，用于接收用戶數(shù)據(jù)處理請求并返回數(shù)據(jù)處理計算結果，圖2為該層典型的數(shù)據(jù)處理過程。

圖2 典型的數(shù)據(jù)處理過程Fig.2 Typical data processing

由于歷史原因，核心數(shù)據(jù)處理程序由C、C++和Fortran等多語言混合開發(fā)完成，很難直接作為網(wǎng)絡應用程序直接使用，為此我們將各個數(shù)據(jù)處理程序生成外部可以直接調用的獨立數(shù)據(jù)處理模塊。此外，由于每種數(shù)據(jù)處理算法的輸入輸出數(shù)據(jù)內容各不相同，在數(shù)據(jù)處理web API接口必須進行一定規(guī)范化處理，因此我們采用PHP語言開發(fā)了一個中間件，用于統(tǒng)一接收用戶數(shù)據(jù)計算請求并解析數(shù)據(jù)處理算法參數(shù)，根據(jù)參數(shù)內容啟動特定數(shù)據(jù)處理算法模塊處理請求參數(shù)中的數(shù)據(jù)處理任務，待處理程序完成之后，收集數(shù)據(jù)處理結果并JSON序列化后返回。

2.3 邏輯控制層實現(xiàn)

邏輯控制層連接展現(xiàn)層與計算服務層，運行于客戶端瀏覽器，采用JavaScript語言開發(fā)。該層主要實現(xiàn)如下邏輯控制過程：① 接收用戶在界面提交的數(shù)據(jù)處理請求，對界面參數(shù)進行JSON格式化封裝；② 采用POST方法調用計算服務層統(tǒng)一數(shù)據(jù)處理接口API，接收數(shù)據(jù)處理結果序列化數(shù)據(jù)，為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率，兼容大規(guī)模數(shù)據(jù)處理請求，本研究采用JSON格式進行數(shù)據(jù)傳輸；③ 根據(jù)數(shù)據(jù)處理結果，調用展現(xiàn)層對應模塊進行數(shù)據(jù)可視化。該層實現(xiàn)的邏輯過程如圖3所示。

圖3 邏輯控制層Fig.3 The logical layer

3 部署測試

我們的部署環(huán)境是阿里云ECS服務器，采用CentOS 7.5 X64操作系統(tǒng)，用 Apache服務器作為中間件，服務器配置為4核CPU，主頻2.5 GHz，內存8 GB，互聯(lián)網(wǎng)帶寬5 MB，測試端采用谷歌瀏覽器。

3.1 可用性測試

我們利用RGIS軟件對本工具數(shù)據(jù)處理結果進行對比試驗。試驗數(shù)據(jù)采用了磁偏角45°，磁傾角45°，球體磁異常正演數(shù)據(jù)，為驗證數(shù)據(jù)處理效果，在正演數(shù)據(jù)中加入隨機干擾作為噪聲。該數(shù)據(jù)網(wǎng)格大小為101×101。

利用本系統(tǒng)滑動平均濾波、方向導數(shù)計算及向上延拓功能計算結果和RGIS軟件計算結果進行了對比，結果如圖4所示，其中藍色等值線為RGIS[7]軟件處理結果，紅色虛線等值線為本工具數(shù)據(jù)處理結果?？梢钥闯鏊惴ㄅc現(xiàn)有權威專業(yè)軟件處理結果一致，數(shù)據(jù)處理結果正確可靠。

a—含噪聲球體模型磁異常；b—5×5窗口滑動平均濾波；c—y方向一階導數(shù)；d—向上延拓10 m磁異常a—magnetic anomaly of a sphere model with white noise；b—5×5window moving average filtering；c—first derivative in y direction；d—upward continuation magnetic anomaly for 10 m

對于在線應用程序而言，用戶體驗在很大程度上取決于系統(tǒng)響應時間，這包括數(shù)據(jù)上傳時間、計算時間、結果下載時間和數(shù)據(jù)圖形繪制時間。在實際環(huán)境中測試，系統(tǒng)處理101×101規(guī)模數(shù)據(jù)時，總響應時間不超過1 s；由于瀏覽器本身性能限制，經(jīng)測試，目前系統(tǒng)支持處理最大900×400規(guī)模網(wǎng)格數(shù)據(jù)，滿足常規(guī)數(shù)據(jù)處理性能需求。

3.2 跨平臺適應性測試

我們使用手機、pad、筆記本電腦在Windows、Linux、安卓等多個平臺進行數(shù)據(jù)處理測試。結果顯示該工具均能正確運行數(shù)據(jù)導入、處理和結果導出功能，該工具具有較好跨平臺應用性能，如圖5為安卓移動終端應用效果圖。

圖5 移動終端應用效果Fig.5 Mobile terminal application effect

4 結論

本研究采用云計算技術，在通用網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理算法基礎上，設計并實現(xiàn)了一個在線網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行滑動平均濾波、方向導數(shù)計算、頻率域濾波以及解析延拓等常見功能。通過對比實驗驗證了該系統(tǒng)的正確性，通過不同平臺應用測試，驗證了該工具的跨平臺適用性。該研究為在線物化探數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設計開發(fā)提供了技術解決方案。目前系統(tǒng)尚處在原型系統(tǒng)開發(fā)階段，在投入實用化之前，建議在以下方面進一步研究，例如地球物理數(shù)據(jù)處理算法通常耗時較長，如何發(fā)揮云計算優(yōu)勢高效處理多用戶并發(fā)請求有待進一步研究解決；如何有效提高大規(guī)模網(wǎng)格數(shù)據(jù)Web端實時渲染可視化急需進一步研究。