基于GUI 的冷泉羽狀流數(shù)值模型可視化系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李燦蘋，陳鳳英，郭子豪，田鑫裕

（1.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江），廣東 湛江 524025；2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

天然氣水合物，俗稱“可燃冰”，存在于海底沉積層或陸地永久凍土帶，具有能量高、分布廣、規(guī)模大等特點(diǎn)，被認(rèn)為是21 世紀(jì)的重要新能源[1-3]。因此，天然氣水合物具有重要的能源戰(zhàn)略地位，水合物的識別和勘探開發(fā)也是當(dāng)今科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。近年來，中國在水合物勘探和開采上取得了顯著成績，不僅在海洋和陸地都成功鉆獲實(shí)物樣品[4-5]，而且在試采上也連續(xù)取得了一系列重大突破，實(shí)現(xiàn)了從“探索性試采”向“試驗(yàn)性試采”的重大跨越，邁出天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中極其關(guān)鍵的一步[6-7]。

在海底深部沉積地層，游離氣通過裂隙、裂縫等通道向上運(yùn)移，一部分在水合物穩(wěn)定帶內(nèi)形成水合物，另一部分與水合物分解的氣體一起繼續(xù)向上運(yùn)移到達(dá)海底[8]，然后以噴涌或滲漏的方式注入到海洋中，從而形成冷泉和氣泡羽狀流[9-10]。因此，冷泉羽狀流是海底氣體滲漏的直接表現(xiàn)形式，同時也對水合物勘探識別起到間接指示作用。冷泉羽狀流近些年吸引了眾多學(xué)者的目光，在數(shù)值模擬方面取得了一定進(jìn)展，如李燦蘋等[11-14]較早進(jìn)行了海底冷泉活動區(qū)氣泡羽狀流的地震數(shù)值模擬，通過建立羽狀流水體模型，研究了冷泉活動區(qū)氣泡羽狀流的地震響應(yīng)特征，并探討了氣含量與地震屬性之間的關(guān)系；段沛然等[15]使用交錯網(wǎng)格有限差分法進(jìn)行了羽狀流數(shù)值模擬并觀測其地震響應(yīng)特征，其正演結(jié)果表明地震響應(yīng)能夠準(zhǔn)確描述海底冷泉羽流；張閃閃等[16]采用含氣泡液體聲波方程進(jìn)行了海底冷泉高頻地震波數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)了冷泉羽狀流地震響應(yīng)的高精度數(shù)值模擬；宋海斌等[17]利用地震海洋學(xué)的方法進(jìn)行了羽狀流的數(shù)值模擬研究。在羽狀流探測技術(shù)上也取得了一定進(jìn)展，如劉斌等[18]利用多波束聲吶發(fā)現(xiàn)了瓊東南海域的羽狀流，并結(jié)合淺剖剖面分析了氣體滲漏與水合物系統(tǒng)之間的相互作用；韓同剛等[19]總結(jié)了羽狀流在海底可視技術(shù)、聲吶系統(tǒng)、地震方法的表現(xiàn)形態(tài)特征，分析了3 種探測方法的適用性和局限性；楊力等[20]利用多波束聲吶數(shù)據(jù)、多道地震數(shù)據(jù)和底質(zhì)取樣結(jié)果研究了瓊東南海域活動冷泉系統(tǒng)，分析了活動冷泉的羽狀流特征、海底地貌與底質(zhì)特征，以及流體活動構(gòu)造特征。目前，利用聲學(xué)探測技術(shù)可以對羽狀流清晰成像[11]，但羽狀流氣含量、地震響應(yīng)機(jī)理，以及與下伏地層中水合物的相關(guān)性尚不明確，這些都需要將海洋水體與海底地層連接在一起，通過地震的方法得以更好地解決。另外，雖然眾多學(xué)者都開展了羽狀流的數(shù)值模擬研究，但基本都未將其開發(fā)成便于模擬的系統(tǒng)軟件的形式。

基于以上，為深入研究羽狀流地震響應(yīng)特征，以及利用地震方法進(jìn)行氣含量反演，本文前期根據(jù)含氣泡海水聲波速度模型及隨機(jī)介質(zhì)理論建立了羽狀流數(shù)值模型[11]，但生成每個模型時都要重新輸入?yún)?shù)和執(zhí)行源程序，步驟繁瑣。由此，本文在已有羽狀流模型算法程序基礎(chǔ)上開發(fā)了羽狀流數(shù)值模型可視化系統(tǒng)，使得生成羽狀流模型更加簡潔和方便，以服務(wù)于羽狀流后續(xù)相關(guān)研究工作。

1 羽狀流數(shù)值模型

羽狀流地震響應(yīng)機(jī)理研究，首先要通過羽狀流數(shù)值模擬試驗(yàn)研究其地震波場特征、氣含量與地震屬性的相關(guān)性等，然后根據(jù)所獲得的理論知識來指導(dǎo)實(shí)際地震資料的處理和解釋，完成羽狀流地震識別和反演研究，在此基礎(chǔ)上探索羽狀流地震響應(yīng)機(jī)理。羽狀流地震數(shù)值模擬的前提是先建立數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)羽狀流數(shù)值模型的基本思路是：通過分析含氣泡海水介質(zhì)的聲學(xué)特性，利用姚文葦[21]推導(dǎo)的含氣泡介質(zhì)內(nèi)聲速模型或等效介質(zhì)理論[22]來實(shí)現(xiàn)羽狀流水體聲波速度[11]；由實(shí)際羽狀流探測結(jié)果[23-24]推測出羽狀流中氣泡在海水介質(zhì)中的分布特點(diǎn)，由此依據(jù)隨機(jī)介質(zhì)理論可實(shí)現(xiàn)氣泡的隨機(jī)分布；根據(jù)圖1 所示的羽狀流實(shí)際賦存狀態(tài)，利用橢圓函數(shù)實(shí)現(xiàn)羽狀流的外形特征[25]。有關(guān)羽狀流建模的算法和詳細(xì)流程參見文獻(xiàn)[11]，本文重點(diǎn)關(guān)注羽狀流數(shù)值模型可視化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[11]中所實(shí)現(xiàn)的羽狀流模型是通過在源程序中輸入?yún)?shù)，然后執(zhí)行源程序?qū)崿F(xiàn)的。如果要進(jìn)行較多的實(shí)驗(yàn)操作，需每次修改源程序的參數(shù)語句，這不僅繁瑣，而且還容易出錯，給實(shí)驗(yàn)研究帶來不便。因此，為了解決以上問題，本文在源程序基礎(chǔ)上，通過圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI) 軟件實(shí)現(xiàn)羽狀流模型數(shù)值模擬的可視化系統(tǒng)，通過點(diǎn)擊系統(tǒng)界面上的按鈕，可以方便地產(chǎn)生各類羽狀流模型。

圖1 鄂霍次克海冷泉?dú)馀萦馉盍?/p>

2 模型可視化系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計思路：在已實(shí)現(xiàn)的羽狀流水體模型算法程序基礎(chǔ)上，利用軟件完成GUI 設(shè)計，達(dá)到羽狀流數(shù)值模擬的可視化。具體為：首先新建一個GUI，利用界面的Panel 按鈕完成界面初步布局，將界面劃分成5 個模塊：常量賦值、模型規(guī)格賦值、生成圖像、實(shí)現(xiàn)角度傾斜的羽狀流和導(dǎo)出數(shù)據(jù)；然后對各模塊添加所需按鈕，修改按鈕信息及編寫其Callback 回調(diào)函數(shù)；最后通過GUI 修改常量賦值和模型規(guī)格賦值中的可變參數(shù)值，點(diǎn)擊相關(guān)按鈕生成不同情況下羽狀流模型圖和導(dǎo)出相應(yīng)的羽狀流速度數(shù)據(jù)文件。

根據(jù)以上設(shè)計方案，羽狀流模型數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程如圖2 所示，最終實(shí)現(xiàn)的可視化系統(tǒng)界面如圖3 所示。

圖2 羽狀流模型數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)流程圖

圖3 羽狀流模型數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)界面

3 模型可視化系統(tǒng)各模塊的實(shí)現(xiàn)

3.1 常量賦值模塊

本模塊主要功能是為生成圖像、實(shí)現(xiàn)角度傾斜的羽狀流和導(dǎo)出數(shù)據(jù)3 個模塊提供常量數(shù)據(jù)。模塊實(shí)現(xiàn)過程為：先利用工具欄中Panel 控件劃分一個區(qū)域，然后在區(qū)域中使用靜態(tài)文本框Static Text 來顯示每一個參數(shù)的名稱，其作用是對文本信息進(jìn)行顯示，通過修改字符串屬性項中的輸入完成。使用可編輯文本框Edit Text 來顯示每一個參數(shù)的初始值，其作用是輸入數(shù)據(jù)，在其字符串屬性項中修改要顯示的數(shù)據(jù)或公式。

本模塊在輸入常量參數(shù)值時還設(shè)置了判斷環(huán)節(jié)，如果輸入的數(shù)值不在所設(shè)定的區(qū)間內(nèi)或是不滿足所需要的條件關(guān)系式，界面會彈出“error”提示，如圖4 和圖5 所示。出現(xiàn)這種情況需要按下OK 按鈕或是關(guān)閉窗口，然后重新輸入滿足提示框條件的數(shù)值。

圖4 信息框提示參數(shù)取值范圍

圖5 信息框提示參數(shù)應(yīng)滿足的條件

3.2 模型規(guī)格賦值模塊

與常量賦值模塊不同，模型規(guī)格賦值模塊的參數(shù)會直接影響到羽狀流模型和羽狀流水體模型的建立，它們的改變能直觀地從生成的圖像中反映出來。模型規(guī)格模塊共有19 個參數(shù)，各參數(shù)的默認(rèn)值、取值范圍及部分參數(shù)之間的關(guān)系如表1所示。

表1 模型規(guī)格參數(shù)及其取值

模型規(guī)格賦值模塊的界面制作過程與常量賦值模塊完全相同，此處不再贅述。其中灰色方框的參數(shù)值為默認(rèn)值，不必修改，白色方框的參數(shù)值可修改，并對部分參數(shù)設(shè)定了取值范圍。

3.3 生成圖像模塊

生成圖像模塊包括4 部分：羽狀流氣泡半徑圖、羽狀流氣泡含量圖、羽狀流聲波速度圖、羽狀流水體聲波速度圖。本模塊通過工具欄中的Push Button 按鈕生成所需要的4 個模塊按鈕。模塊實(shí)現(xiàn)過程為：將Push Button 按鈕放在區(qū)域內(nèi)，先修改其字符串屬性項，通過ForegroundColor 屬性修改字體顏色，然后將每個羽狀流數(shù)值模擬的程序放在相應(yīng)Push Button 按鈕的回調(diào)函數(shù)中，激活對象，最后成功運(yùn)行程序，實(shí)現(xiàn)按鈕功能。

按圖3 中生成圖像模塊各按鈕，界面就會彈出相應(yīng)各類模型圖，如圖6 所示。其中圖6（d）的所有參數(shù)都為默認(rèn)值，通過改變模型規(guī)格賦值模塊里的參數(shù)，可以生成所需要的羽狀流水體聲速模型圖。

圖6 生成圖像模塊各按鈕對應(yīng)的模型圖

3.4 實(shí)現(xiàn)角度傾斜的羽狀流模塊

該模塊包括3 部分：輸入傾斜角度、生成羽狀流聲波速度圖和羽狀流水體聲波速度圖。本模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)角度傾斜的羽狀流，通過在傾斜角度文本框輸入不同角度，羽狀流可以傾斜到不同程度。羽狀流傾斜角度大小是以水平坐標(biāo)為準(zhǔn)，左側(cè)傾斜n 度即是羽狀流與水平軸負(fù)方向的夾角，右側(cè)傾斜m 度即是羽狀流與水平軸正方形的夾角。其中“-”表示左側(cè)角傾斜，若左、右側(cè)傾斜角度相等，則-n=m，角度參數(shù)fai 的取值范圍為[-60°，60°]。

本模塊實(shí)現(xiàn)過程與生成圖像模塊相同，但生成的速度圖與圖6 中各類速度圖不同之處是可以實(shí)現(xiàn)傾斜的橢圓形羽狀流。為模擬出更加符合羽狀流的實(shí)際賦存特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)角度傾斜的橢圓形羽狀流速度體和羽狀流水體聲波速度模型，可以進(jìn)行如下操作。例如，要實(shí)現(xiàn)左側(cè)傾斜60°或右傾斜60°，這時在傾斜角度文本框輸入-60°或60°，點(diǎn)擊按鈕，便可生成所需模型圖。圖7 為左側(cè)傾斜60°的羽狀流水體速度模型，圖8 為右側(cè)傾斜60°的羽狀流水體速度模型。

圖7 左側(cè)傾斜60°的羽狀流水體速度模型

圖8 右側(cè)傾斜60°的羽狀流水體速度模型

3.5 導(dǎo)出數(shù)據(jù)模塊

本模塊功能是導(dǎo)出并保存已經(jīng)生成的速度文件，方便重復(fù)使用數(shù)據(jù)。該模塊只有兩個按鈕，分別用來輸出羽狀流聲波速度文件及羽狀流水體聲波速度文件。

該模塊利用uiputfile 函數(shù)實(shí)現(xiàn)，此函數(shù)格式是[filename pathname] =uiputfile（{文件類型，可選類型}，′提示名稱′），返回值第一項是文件名，第二項是文件存放路徑。uiputfile 函數(shù)在回調(diào)函數(shù)中添加，從而實(shí)現(xiàn)界面保存速度數(shù)據(jù)功能并以文件形式輸出。

在執(zhí)行生成圖像模塊或?qū)崿F(xiàn)角度傾斜的羽狀流模塊后，將會生成羽狀流聲波速度文件或水體聲波速度文件，此時點(diǎn)擊導(dǎo)出數(shù)據(jù)模塊按鈕，將跳出一個保存的信息框，如圖9 所示，在信息框中選擇保存路徑，輸入文件名，保存類型默認(rèn)為txt 文本，最后點(diǎn)擊保存，即可完成數(shù)據(jù)保存。

圖9 保存羽狀流聲波速度文件

4 討論與分析

按照以上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思路及各模塊的設(shè)計方案，最終可以實(shí)現(xiàn)如圖3 所示的羽狀流模型數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)。通過給常量賦值，設(shè)置模型規(guī)格參數(shù)，點(diǎn)擊各藍(lán)色字體按鈕，即可方便產(chǎn)生對應(yīng)的模型圖。從圖3 中可以看出，該系統(tǒng)功能多樣，整體簡潔直觀，相比于執(zhí)行源程序代碼，避免了每次生成模型都要輸入?yún)?shù)的繁瑣步驟，因此，該系統(tǒng)更便于生成羽狀流模型。

以上可視化系統(tǒng)是在羽狀流模型初期建立的基礎(chǔ)上完成的，該系統(tǒng)還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間，比如模型規(guī)格參數(shù)，可以擴(kuò)大取值范圍，但一定要有限定條件，否則參數(shù)之間不滿足既定關(guān)系，將會報錯；可以建立多個羽狀流，形態(tài)各異，更符合實(shí)際羽狀流的賦存狀態(tài)；后續(xù)也可以進(jìn)一步將羽狀流地震記錄、偏移處理及提取屬性等環(huán)節(jié)添加進(jìn)來，由此獲得一個完整的冷泉羽狀流正演模擬軟件。通過該軟件，可以更方便地研究羽狀流地震響應(yīng)特征、羽狀流氣含量與地震屬性的關(guān)系等。由于羽狀流氣含量的分布特征及其變化狀態(tài)與海底氣體來源及地質(zhì)構(gòu)造直接相關(guān)，而水合物分解的甲烷是羽狀流氣體的重要來源。因此，在本文開發(fā)的羽狀流數(shù)值模型可視化系統(tǒng)基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步探索羽狀流與水合物之間的內(nèi)在聯(lián)系，尋找識別水合物的地球物理特征標(biāo)志，為水合物的勘探識別提供有意義的方法指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

冷泉活動區(qū)上覆海水中常見氣泡羽狀流，羽狀流是海底氣體滲漏的直接表現(xiàn)形式，而羽狀流下伏地層常富含天然氣水合物，所以，羽狀流對水合物勘探起到間接指示作用。

為更深入研究冷泉活動區(qū)氣泡羽狀流地震響應(yīng)機(jī)理，以及與水合物的內(nèi)在聯(lián)系，需要建立符合實(shí)際氣泡羽狀流特征的數(shù)值模型。為更便于產(chǎn)生羽狀流模型，本文在已有羽狀流建模算法程序基礎(chǔ)上，利用軟件完成了GUI 設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了羽狀流模型數(shù)值模擬的可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：常量賦值、模型規(guī)格賦值、生成圖像、實(shí)現(xiàn)角度傾斜的羽狀流，以及導(dǎo)出羽狀流速度數(shù)據(jù)，具體結(jié)論如下。

（1）常量賦值模塊是實(shí)現(xiàn)羽狀流模型的前提，根據(jù)含氣泡海水聲波速度公式，對公式中的常量進(jìn)行賦值，為執(zhí)行后續(xù)模塊內(nèi)容做準(zhǔn)備。

（2）模型規(guī)格賦值模塊可以設(shè)置羽狀流區(qū)域的規(guī)格、在水體中的位置，以及整個水體模型規(guī)格的大小，以便產(chǎn)生羽狀流模型。

（3）生成圖像模塊，在常量賦值及模型規(guī)格賦值后，通過點(diǎn)擊模塊內(nèi)各按鈕，可以方便地產(chǎn)生羽狀流氣泡半徑圖、羽狀流氣泡含量圖、羽狀流速度圖和羽狀流水體速度圖。

（4）角度傾斜羽狀流模塊實(shí)現(xiàn)了羽狀流傾斜的形狀特征，當(dāng)輸入傾斜角度后，點(diǎn)擊模塊中兩個按鈕，分別會生成角度傾斜的羽狀流聲波速度模型圖和羽狀流水體速度模型圖。

（5）導(dǎo)出數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)了羽狀流速度數(shù)據(jù)的輸出，在執(zhí)行生成圖像模塊或?qū)崿F(xiàn)角度傾斜的羽狀流模塊后，點(diǎn)擊該模塊按鈕就會保存相應(yīng)的羽狀流速度文件到指定路徑。

本文實(shí)現(xiàn)的羽狀流數(shù)值模型的可視化系統(tǒng)功能多樣，整體簡潔直觀，應(yīng)用效果良好，相較于執(zhí)行源程序，該系統(tǒng)更便于產(chǎn)生羽狀流模型。此外，該系統(tǒng)還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間，如建立更符合實(shí)際賦存特征的羽狀流模型，添加地震記錄、偏移處理及提取地震屬性等內(nèi)容，從而獲得一個完整的冷泉羽狀流正演模擬軟件，以服務(wù)于冷泉羽狀流后續(xù)相關(guān)研究工作。