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基于Android系统的重力勘探近区地形改正程序开发

中国学术期刊网【地理地质论文】 编辑:天问 地球物理学进展 2016-05-01
基于Android系统的重力勘探近区地形改正程序开发论文作者:陈兆辉 尚俊龙 王同庆 张品,原文发表在《地球物理学进展杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 重力勘探 地形改正 Android 重力异常
摘要: 鉴于重力勘探近区地形改正的繁琐性以及Android手机的广泛应用.本文利用斜顶面三角棱柱体模型,开发了基于Android系统的近区地形改正手机应用程序,并根据近区地形改正的功能特点对数据结构、接口设计以及算法实现等环节进行诸多优化.该应用集数据记录、地改计算、数据存储于一体,可导出规范、美观的excel、txt、csv、ini格式的地形改正数据,功能高效、携带方便,能极大地减轻野外重力勘探与室内数据处理的工作量,具有良好的实际应用和推广价值.

陈兆辉1, 尚俊龙2, 王同庆1, 张品1
1. 中国地震局第一监测中心, 天津 300180;
2. 南京智程信息科技有限公司, 南京 211100
收稿日期: 2015-05-11 修回日期: 2015-11-11.
基金项目: "地震监测、预测、科研"三结合课题(153301)、中国地震局震情跟踪青年课题(2015010118,2015010218,2015010220)和"地震监测、预测、科研"三结合课题(153302)联合资助.
作者简介: 陈兆辉,男,1988年生,硕士研究生,主要从事深部地壳结构和地震监测方面的研究.

0 引 言

重力勘探是地球物理勘探的一个分支,它通过测量地下密度不均匀体所引起的重力异常来研究地下密度结构,被广泛应用于地球深部构造研究、大地构造单元划分、固体矿产勘探和油气资源勘探等领域(管志宁等,2002;姚长利等,2003;Nabighain et al.,2005;孟小红等,2012;陈召曦等,2012;郭良辉等,2012;陈石和王谦身,2015).重力异常的计算,首先须去除重力数据中测量点地形、高度以及纬度等因素的影响,即重力数据的外部改正(刘金钊等,2013).近几十年来,随着高精度的相对重力仪器、GPS测量仪器的快速发展以及计算机技术等的日益进步,地形改正在重力数据各项改正中的作用越来越重要,已成为决定重力数据改正精度的关键因素(张俊等,2014).

地形改正的目的就是消除地形起伏变化对各测点所造成的重力差别,可分为近区、中区和远区地形改正(朱文泉,1961).近区地形改正是重力勘探中一项非常繁琐的工作(马国庆等,2008).一般来说,需要先在野外用纸和笔记录下测量点周围的地形信息,回到室内录入计算机中再进行进一步计算与处理,不仅耗时耗力,数据抄录过程中还可能会引入误差,恶劣天气情况下记录工具的携带和操作也增加了勘探的难度.

目前,基于Android系统的手机已经非常普及,它有着充足的存储空间(8~32 G)、先进的传输方式(蓝牙、WiFi、3G/4G)、方便的操作体验(触摸屏、虚拟键盘)以及与计算机类似的处理器和内存,成为人们工作和学习的“掌上电脑”.与此同时,基于Android系统的手机应用也迅速渗透到各行业中,并扮演着至关重要的作用.例如,Weng等(2012)开发了一个用于地质调查的Android应用,具有地质罗盘、GPS、数据记录等功能,极大方便了地质学家的野外调查工作;武安状和冀书叶(2012)开发了一个基于Android系统的水准记录程序,取代了传统的手工记录方式,提高了工作效率.然而在地球物理勘探领域,基于Android系统的专业手机应用程序仍然是一片空白.为此,针对重力勘探近区地形改正的特点与Android手机的应用现状,本文对重力勘探近区地形改正进行研究,开发了基于Android系统的近区地形改正手机应用程序,并成功应用于Android手机中,以减轻广大重力勘探人员野外勘探与室内处理的工作量,更好地为地球物理勘探事业服务.

1 地形改正基本原理

图 1表示的是测量点A周围的地形起伏情况.在直角坐标系下,坐标为(x,y,z)的质量元dm处的地形改正值可以表示为


其中,G为万有引力常数,ρ为地层岩石密度.对于实际地形起伏而言,z是x、y的函数,且函数关系复杂并很难确定,因此积分(1)无法直接准确计算,只能给出一个近似解.即将测点A周围的地形剖分成一定数目的单元块体,累加计算每个块体地形质量对测点A的积分,即为A点的地形改正值(长春地质学院重力教研室,1980).
图 1
Fig.1
图 1 地形改正示意图 Fig.1 Schematic of terrain correction
块体模型的选择决定了地形改正计算的精度和效率,常见的有扇形体模型、锥形体模型、棱柱体模型以及台阶体模型等.本研究采用了斜顶面三角棱柱体模型进行近区地形改正计算,该模型模拟实际地形较圆锥体或圆锥台阶模型有较大的改善(赵更新等,2012).如图 2所示,以测点A为中心,半边长为D/2的方形域,斜顶面三角棱柱体公式可表示为(Zhou et al.,1990):


其中,h1和h2分别为地形点m1和m2相对于测量点A的高程差.
图 2
Fig.2
图 2 斜顶面三角棱柱体模型示意图 Fig.2 Triangular prism model
2 程序开发
2.1 程序开发技术

Android是一个以Linux为基础的开放源代码的移动设备操作系统,最初由Andy Rubin开发,主要应用于智能手机和平板电脑,目前由Google的Open H and set Alliance负责管理与开发(Meier,2008).图 3表示的是Android系统的平台结构,自底向上依次为:Linux内核层、Android核心库和其他库层、 应用框架层以及应用程序(Hashimi et al,2010).基于Android系统的手机应用程序大多是用Java编程语言开发的,在DalvikVirtual Machine实例中运行,并驻留在Linux内核管理进程中(Ableson et al.,2011),如图 4所示.

图 3
Fig.3
图 3 Android软件层次结构图 Fig.3 Android software hierarchy


图 4
Fig.4
图 4 应用程序框架 Fig.4 Application framework
基于Android系统的重力勘探近区地形改正应用程序的开发涉及到数据结构设计、程序执行流程设计、接口设计以及算法实现四个步骤.大量的设计经验表明,数据结构不仅影响软件实现的困难程度与系统设计的质量,而且决定了特定算法的选择,因此选择合适的数据结构是非常重要的(Sun et al.,2010).根据重力地形改正应用程序一个项目对应多个记录点、一个记录点只与一个项目关联的特点,设计了如图 5所示的数据结构.程序执行流程设计用于分析应用软件的主要执行页面,对软件运行的流畅程度起到关键性的作用,本研究的程序执行流程设计如图 6所示.在实际应用过程中,数据存储方式及数据导出格式根据用户的需要可能发生改变,因此,本研究对这些位置做了接口隔离,既保留了新的数据存储方式和数据导出格式,同时也不影响程序的其他部分功能,接口设计如图 7所示.此外,根据重力近区地形改正的主要特点,本应用程序的算法实现包括以下三个模块:采用Android内嵌的SQLite3数据库保存项目数据和测量点数据,避免在测量点较多情况下将数据直接保存到文件而降低软件的性能;申请移动设备SD卡的存储权限用于项目数据的导出,在AndroidManifest.xml文件中增加内容,;引入第三方excel处理库jxl,用于excel格式的地形改正数据的导出.

图 5
Fig.5
图 5 数据结构 Fig.5 Data structure


图 6
Fig.6
图 6 程序执行流程 Fig.6 Program execution flow


图 7
Fig.7
图 7 接口设计图 Fig.7 Interface design
2.2 功能特点

该应用可安装在Android 2.2.x及以上版本的手机(移动设备)中(图 8),其主要功能包括:地形信息的记录、地形改正计算、数据存储以及数据导出.地形信息记录与地形改正计算具体操作过程如下:首先要新建一个地形改正项目,如图 9a所示,输入相应的项目名称和描述;然后,在该项目下新建测量点(图 9b),输入地改半径(默认为20 m)、地层密度(默认为2.67 g/cm3)、八方位高程值以及测量点号(图 9c);计算与保存完毕,地形信息以及地形改正值将保存到手机的SQLite3数据库中,可供重力勘探人员反复查阅与编辑(图 9d).Android手机SD存储卡中的数据既可以通过USB或蓝牙传输到电脑终端,也可以根据需要利用WiFi、3G/4G网络传输到远端,故本应用开发了将SQLite3数据库中的地形改正数据导出到SD存储卡中的功能,可导出excel、txt、csv、ini格式的数据文件,并以时间顺序命名.如图 10a所示,选择导出目录、文件类型、分隔符以及是否使用子目录.长按项目名称,在弹出的菜单中(图 10b),选择导出项目即可将数据迅速传输到SD存储卡目录中.图 11为导出的excel格式数据,可以看出,数据存储规范、美观,方便了室内数据的整理与归档.

图 8
Fig.8
图 8 主界面 Fig.8 Main interface


图 9
Fig.9
图 9 记录与计算界面 Fig.9 Recording and calculation interface


图 10
Fig.10
图 10 数据导出界面 Fig.10 Data exportinterface


图 11
Fig.11
图 11 Excel数据导出格式 Fig.11 Export Excel data format
3 结 论

重力勘探近区地形改正是重力勘探中一项非常繁琐的工作.本文针对重力近区地形改正的特点与Android手机的应用现状,开发了基于Android系统的重力近区地形改正应用程序,可安装在Android 2.2.x及以上版本的手机(移动设备)中.该应用采用斜顶面三角棱柱体模型进行近区地形改正的计算,并针对地形改正的特点对数据结构、接口设计以及算法实现进行诸多优化.该应用集数据记录、地改计算、数据存储一体,可导出规范、美观的excel、txt、csv、ini格式的地形改正数据.实践证明,该应用携带方便、操作简单、功能高效,能极大地减轻野外重力勘探与室内数据处理的工作量,具有良好的实际应用和推广价值.

致 谢 感谢贵刊编辑和专家对文章进行审阅并提出宝贵意见.
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