...设计灵感 流行趋势面料分析
龙强 苏斌
摘要 在当前的海洋调查中，磁勘测法广泛应用于查找海底的磁性物质。趋势面分析法可以把磁力数据分解为整体趋势和局部异常两部分，从而提取出磁异常，通过磁异常分布来查找磁性物质。文章运用实例说明怎样利用Surfer软件分析磁异常，从而实现海底磁性物质的探测。
关键词 趋势面分析 磁异常 磁探测 surfer
中图分类号：P632 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.05.030
0引言
海底岩石中蕴藏的矿床具有不同的导磁率和磁化率，产生不同的磁场，因此在正常的磁背景下会出现磁异常。海洋磁力测量是通过海洋磁力仪探测海底磁场，发现由矿床等因素引起的磁力异常。近年来，随着磁力仪的发展，其精度、灵敏度不断提高，磁法勘测在海洋工程中得到了新的应用，如光缆的路由调查、寻找海底磁性物质等。任来平等已经探讨了海底管线的计算模型。但由于磁力数据的复杂，目前的研究大多是在理想情况下进行，还没有具体的方法来利用磁异常探测磁性物质。本文中则根据现有的理论在具体探测磁性物质的方法上进行一些尝试。
Surfer软件具有强大的插值功能、地学数据分析功能和绘制图件的能力，可以运用Surfer方便地对磁力数据进行分析。本文运用实例说明怎样在Surfer软件中利用趋势面分析磁异常，从而进行海底磁性物质的探测。
1Surfer介绍
Surfer软件在Windows操作系统下使用，能绘制等值线及三维立体图，具有操作简单、形象直观等特点，在地质工作中取得了广泛的应用。
1.1Surfer的插值功能
Surfer软件具有插值功能，能将离散的XYZ数据格网化，生成规则的格网数据。因其强大的数据处理功能，使它成为处理XYZ数据首选的软件。Surfer中12种数据内插方法包括：反距离加权插值法，最小曲率法，克里金插值法，自然邻点插值法，径向基函数插值法，改进的谢别德法，线性插值三角网法，移动平均插值法，数据度量插值法和局部多项式插值法。
1.2绘制图件的功能
Surfer软件能将离散的测量数据进行插值，形成连续的数据曲面，从而将数据曲面图形化，形成等值线图、矢量地图、影像图、粘贴图、地貌晕渲图、线框图和表面图等。
1.3计算分析功能
Surfer软件除了具有数学运算、数据统计、微积分、平滑滤波、傅里叶变化等数据分析功能外，还具有三维空间分析功能，例如趋势面分析、面积体积计算、剖面计算、地形分析等。
2趋势面分析磁异常的模型
在趋势面分析法中，可以将地球磁场分为三部分：一是反应整体性变化的，即地球的正常磁场；二是反应区域性变化的，即地磁场的区域性异常；三是局部异常，由浅层的磁性物质产生。在实际应用中短时间内我们可以认为一和二两部分的变化是比较小的，磁异常主要是有于浅层的磁性物质产生的。因此要探测海底磁性物质就必须将磁力数据分为区域分量和局部分量两部分。
趋势面分析是通过一组海底的磁力数据XYC拟合一个趋势函数，其中X，Y分别表示测区海底点的横坐标和纵坐标，C表示该点处的磁场。用该趋势函数所代表的曲面来代表海底磁场的整体变化趋势。在趋势面求出后，通过求实测的数据和趋势面拟合出的该区域的磁力数据的偏差。偏差可能由局部异常、随机干扰和模型本身的误差这三个方面的原因引起，可以用该偏差来代表该区域的磁异常。我们认为磁异常主要是由于浅层海域的磁性物质所引起的，所以通过分析磁异常可以发现海底的磁性物质。
多项式能逼近任何连续函数，用多项式作趋势面能较好的反映连续变化的分布趋势，因此常用的趋势面为多项式趋势面。地质学中趋势分析所采用的趋势面函数常见形式是：
多项式的次数越高，趋势面与实测数据偏差越小。但实践表明，变化较为缓和的资料配合较低次数的趋势面，可以较好地反映区域背景；而变化复杂、起伏较多的区域，多项式的阶次适当高一些更加合适。
3在Surfer中利用趋势面分析来探测磁异常的实现过程
3.1提取趋势面
利用Surfer的插值功能来进行趋势面的提取。在导入离散数据后，需要选取网格化的方法。软件中有12种插值方法可供选择，根据磁力数据的特点和多次试验，发现选取多项式插值来拟合磁场趋势的效果较好。然后進行多项式的次数的选取，表1是用各种多项式对一组实例数据进行拟合的残差统计：
由以上的统计数据可以看出用二次多项式进行趋势面拟合的效果较好。
3.2计算残差
趋势面计算完成后，我们只是获得了磁场区域性的背景值，要获得局部异常还必须通过计算实测数据和拟合出的网格数据的残差来获得。在Surfer中选择[网格]-[残差]来计算残差，从而获得磁异常。
残差计算完成后也需要用数学插值方法对磁力异常进行逼近，目前常用的逼近方法有移动曲面法、多面函数法、多项式拟合法、Kriging逼近法、移动曲面法和Shepard方法。每一种逼近方法都有自己的优缺点，多面函数法的计算速度较慢。Shepard法的计算相对简单，但当磁场变化较大时，其精度大大降低。Kriging法应用比较广泛。在海洋磁力测量过程中，如果仪器稳定，操作规范，测量数据没有过多的粗差，Shepeard方法比较合适。当已知数据点分布不均匀时，建议选用Kriging方法。
3.3画出磁异常等值线图和表面图
通过上一步获得的残差在软件中画出磁异常的等值线图和表面图，以方便我们从多方面去分析磁异常的区域。在画图之前，同样需要对残差数据进行网格化，因为我们需要了解残差的细节，以便来分析磁异常的特征。在这里选取Kriging法进行网格化，该方法能够较多地保留磁异常的特点。根据残差数据在Suffer中可以方便地画出磁异常的等值线图和三维立体图。
4方法应用
下面以某处实测的海洋数据来进一步说明是怎样通过趋势面分析法来探测磁异常进而分析海底磁性物质的位置。
4.1实测数据的统计资料
表2中的统计均在Surfer中进行，数据以实测的资料为准。
从统计资料可以看出测区海底地形的起伏变化并不大，但磁场的跳变较大。从侧面说明了由于磁力数据的跳变较大，所以从单一测线进行研究很难找出其变化的规律，从面的角度去研究可能更容易确定出磁异常的区域。
4.2海底的三维立体图
下面以某处实测的磁力数据来说明是怎样通过趋势面分析法来探测磁异常进而分析海底磁性物质的位置。根据实测数据，在Surfer中画出了测区海底地形的三维立体图（图1）和去除趋势面后的磁异常的等值线图（图2）。
可以看出图中沿对角线方向有一条明显的磁异常带，由此可以推断这一段海底可能有磁性物质存在，由形状推断可能是一条海底管线。
5结语
本文以实测资料为例，探讨了如何在Surfer中利用趋势面分析来确定磁异常，进而利用磁异常图来寻找海底的磁性物质，并给出了具体的方法。在使用Surfer处理磁力数据的过程中应注意，Surfer对数据进行插值时，边缘的误差明显较大，所以建议测区的面积最好比分析的海域的面积要大。由于磁力数据的跳变较大，海底环境的复杂，所以为了更加准确地找到海底磁性物质的位置，最好能在数据处理前得到测区的磁场背景资料，并结合其他观测手段得到的资料进行综合分析，从而快速且准确地来进行海底磁性物质的分析。
