0 引言
在岩石地球化学数据处理与分析过程中,图解是研究工作的主要有效手段,其以二维平面图形的方式简单、直观地表现出岩石地球化学的规律性。
随着计算机技术的推广应用,国内外的岩石地球化学图解处理分析软件不断涌现,如IsoPlot[3]、GCIS[4]、CGDK[5]、GCDkit[6]、GeoKit[7]、PetroGraph[8]、GCDPlot[9]、GeoPlot[10]、Minpet、IGpet、GeoMDIS等。然而这些软件或多或少都存在各类问题:①多数软件无岩石地球化学参数计算和扩展模块,无法完成常用的岩石地球化学参数、岩石标准矿物计算;②收录岩石地球化学图解的数量有限,也没有准确的分类,使得用户在使用过程中无法迅速完成所需要的图解制作;③图解定义和扩展功能不足,大部分软件仅完成了二轴图和三角图图解的基本功能,对于特殊的向量图解(如扎氏图解)、四变量图解(如玄武岩类岩石的OQNH命名图解)无能为力,另外,部分软件图解功能为软件内置,无法添加或扩展新的图解类型;④对外部软件或操作系统具有依赖性,上述岩石地球化学图解软件大部分是基于第三方软件(Microsoft Excel[11]、CorelDRAW、R语言等)开发的控件、插件或宏,对母体软件的版本具有强烈的依赖,还有部分软件为早期Windows XP时代开发,在现今常用的Windows7、Windows10系统下已经无法运行。
1 研究工作思路及改进方案
笔者充分吸收国内外同类型软件的优点,针对上述软件存在的主要问题,提出了整套改进方案,在岩石地球化学参数计算和扩展,岩石地球化学图解种类和数量、图解定义和扩展、软件运行平台等方面着手,最终研发出RockPlot岩石地球化学图解软件[12]。
1.1 软件的开发平台、系统体系结构设计
软件开发基于WPF(windows presentation foundation),WPF属于.NET Framework 3.0[13]的一部分,是Windows Vista及其更高版本操作系统的默认组件。基于WPF开发岩石地球化学软件保证了软件的独立性,既能在主流操作系统上直接运行,又不依赖于第三方软件。
WPF是微软新一代图形系统,内部的图形对象已经提升到与控件几乎平等的地位,其System.Windows.Shapes命名空间包含Shape和Line、Polyline、Polygon、Path、Ractangle、Ellipse等类,这些“类”是岩石地球化学图解中的基本“元件”,而WPF中的Canvas容器,允许在指定的坐标位置放置上述基本形状类“元件”,这种“Canvas容器”与“元件+坐标位置”的组合方式,间接实现了岩石地球化学图解的绘制和矢量化输出。
另外,软件采用自由开放的JSON(javascript object notation)交换格式文件[14]作为软件主要功能的配置模块。图解JOSN配置文件中使用数值精确控制Canvas容器中图形的各个“元件”的尺寸、位置、颜色等属性,计算JSON配置文件中使用运算符号及逻辑代码对地球化学参数计算的计算过程进行控制,极大提升了软件的可扩展性和灵活性。
综上,RockPlot软件总体上采用C#中经典的三层构架,分为表现层(UI)、业务逻辑层(BLL)、数据访问层(DAL),通过三层构架将上述特性有机结合,再加上实体类库(Model),采用“高聚合、松耦合”的架构模式,实现了软件可定义、可扩展度强[15]、矢量文件输出、可移植性强、体积小等优势。
表1 RockPlot岩石地球化学图解软件的构架
| 构架 | 功能 | |
|---|---|---|
| 表现层 (UI) | 界面外观层 | 提供与用户交互的界面 |
| 界面规则层 | 根据用户指令调用业务接口,并将数据传给业务层 | |
| 业务逻辑层 (BLL) | 业务接口层 | 依据表示层的指令实时绘制图解和进行计算,并且构造出实体,呈现到表现层上 |
| 数据访问层 (DAL) | 本地配置的读取和存储 | |
1.2 岩石地球化学参数计算和扩展
要查明岩石之间化学成分的联系和差异,需要同时对比岩石中大量的氧化物,而对比过程相当繁杂。因此,人们探索以一定的方式将数量较多的氧化物结合成数量较少的对比单元,并选择适当的对比标准,使对比工作变得简单、清晰。由于不同作者采用的自然矿物组合、分配方式、换算原则的差异,从而出现了许多不同的岩石化学计算法。
各类岩石地球化学计算方法出发点不同,计算方式各不相同,需要将各种方法的计算过程编译成计算机语言,软件才能顺利运算。而前人及文献中提出的岩石化学计算过程均为人工推算,为单线程的方式,不是通用流程,较难编译成计算机可运行的通用式逻辑运算,且各种计算方式过程复杂、流程分支多、互相嵌套、条件判断不严密等,都可能造成计算机运算中断、错误。
基于上述问题,笔者通过比对各种计算方法,将地球化学计算过程从单线程的流水线方式改进为分步模式。软件除了实现常规的数学、三角、指数、幂次(+、-、×、÷、sin、cos、log等)等数学计算之外,还实现了布尔逻辑运算、条件判断分支运算(if、&&、||等)等高级流程控制,用户通过JSON文件编译并自建流程精确控制流程中的逻辑关系,将复杂的计算过程变成分步式可编程定义的形式,运算中各个分支都能准确有效地运算,不仅实现了复杂的岩石地球化学计算,还很大程度上保证了计算功能的可扩展性。
例如尼格里岩石化学计算法中岩石分类的条件判别如下:
正常类型:alk<al<alk+c
铝过饱和类型:al>alk+c
碱过饱和类型:al<alk
通过RockPlot中的逻辑、条件控制编译后的JSON交换格式语言如下:
″Name″: ″岩石类型″
″Formula″: ″
if(@al@>@alk@&& @al@<@alkc@){'正常'}
if(@al@>@alkc@){'铝过饱和'}
if(@al@<@alk@){'碱过饱和'}
″
使用JSON交换格式文件简单、清晰地实现了尼格里岩石分类的条件判别。
1.3 图解的定义和扩展
对于岩石地球化学图解,有多种表现形式,虽然种类繁多,但其核心的绘图方式是建立在人类所能理解并利于传播的二维平面图形的形式。根据图解图面要素,几乎所有图解都可以分割为图解类型、坐标系统、分类方案、数据变量等几部分。
因此,岩石地球化学图解的绘制可以作为程序的功能模块抽象出来,形成不同类型的图解控件,并将不同的图解类型、坐标系统、分类方案、数据变量的要素形成依赖属性,通过文件定义,以参数的形式传给图解控件模块,从而实现程序的可扩展和开放性。RockPlot软件系统定义的主要依赖属性结构如下。
图1
为实现这部分功能,采用了统计和分析的方法,对地球化学图解制订统一的直线、曲线、区、填充、符号、字符、尺寸、颜色、位置、字体等的语义描述,采用JSON[19]交换格式文件对要素进行语义描述,定义各种依赖属性,从而实现图解的绘制、扩展以及进行数据交换。
玄武岩w(Zr)/w(Y)-w(Ti)/w(Y)判别图解的JSON交换格式文件如下[20]:
″ChartName″: ″玄武岩Zr/Y-Ti/Y判别图解″,
″SubChartName″: ″据Pearce和Gale,1977″,
″Type″: ″scatter″,
″ChartWidth″: 800.0,
″ChartHeight″: 600.0,
″PlotAreaBorderColor″: ″#00FFFFFF″,
″MarkerTypes″: ″Name″,
″Sizes″: ″12″,
″Colors″: ″#FF000000″,
″XExpressions″: [″[Ti]/[Y]″],
″YExpressions″: [″[Zr]/[Y]″],
″PlotType″: ″xy″,
″AxisList″: [{
″Position″: ″left″,
″Type″: ″line″,
″Name″: ″Zr/Y″,
″Max″: 7.5,
″Min″: 0.0,
},],
……
″AnnotationList″: [{
″Type″: ″text″,
″Text″: ″板缘玄武岩″,
″Color″: ″#FF000000″,
″Size″: 12.0,
″Font″: ″华文中宋″,
″TextPositionX″: 200.0,
″TextPositionY″: 2.3
},],
″SerieList″: [{
″Name″: ″分类方案1″,
″Type″: ″line″,
″Points″: [
{″X″: 513.0,″Y″: 0.0},
{″X″: 77.5,″Y″: 38.97}
……
],
″Color″: ″#FF000000″,
″Size″: 1.0,
}]
JSON文件代码中,冒号前面的内容代表各种依赖属性,冒号后面的内容代表各要素属性的语义描述,其结构清晰、简单明确,每个图解形成单独的JSON文件个体,互不影响,可扩展性极高[21]。
1.4 图解的种类和数量
岩石地球化学图解和原理分散在各种文献中,通过整理岩石地球化学资料,查找岩石地球化学图解原始出处,并研究其发展路线,根据原始资料及原作者提供的数据对图解进行数字矢量化,确保数据的准确性。
2 功能展示
图2是基于上述解决方案的基础上设计的RockPlot岩石地球化学图解主界面,将界面分为菜单栏(Menu)、图解索引区(Treeview)、图解显示区(Canvas of plot)、状态栏(Status bar)4个区域,其中菜单栏包含4个模块,分别是地球化学参数计算、参数计算配置编辑、地球化学图解、图解配置扩展。
图2
2.1 地球化学参数计算与扩展
地球化学参数计算为软件的主要核心模块之一,纳入了岩石地球化学发展过程中的各种主要计算方法。通过编程语言JSON的控制,完成复杂的计算过程。图3中显示了常用的岩石地球化学参数计算配置的编辑,选择需要编辑的参数后,在右侧的公式编辑框中使用软件内置的各种数学计算或者逻辑运算实现计算过程。图中展示了Mg#的计算过程。
Mg#=[MgO]/40.3044)/([MgO]/40.3044+([FeO]+0.8998*[Fe2O3])/71.9464
图3
2.2 地球化学图解
此模块是RockPlot的核心功能,在用户加载数据后,读取相应的JSON配置文件,通过软件编译JSON文件配置信息,将用户加载的数据转化为坐标点、线和注释字符,投影到岩石地球化学图解的图面上,并在屏幕上显示出图解结果。目前支持png、pdf位图格式,svg、emf矢量格式的文件输出。
2.3 图解配置扩展
用户可以在图解扩展的界面中将RockPlot未纳入的图解添加到系统中,通过在软件中以实时交互的方式对图解的类型、坐标系统、分类方案、数据变量等进行修改编辑,完成编辑后保存为JSON交换格式文件,该图解就自动加入RockPlot软件系统中,并在软件界面中显示,从而完成图解的扩展。
图4
3 存在的不足和今后的发展方向
3.1 功能对比
岩石地球化学领域现今常用的图解和计算软件为Geoplot、SigmaPlot,其中Geoplot是地学专业软件的代表,SigmaPlot是统计学成图软件的代表。二者面向用户不同,各有所长,与RockPlot主要功能对比如下。
表2 RockPlot、GeoPlot、SigmaPlot功能对比
| 指标 | Geoplot | SigmaPlot | RockPlot |
|---|---|---|---|
| 运行平台 | Excel vba | 可独立运行 | 可独立运行 |
| 地球化学图解 | 内置部分图解 | 需自制图解 | 内置大量图解 |
| 地球化学计算 | 内置部分计算 | 无计算功能 | 内置大量计算 |
| 扩展性 | 不可扩展 | 不可扩展 | 扩展性极高 |
由表可知,RockPlot是针对岩石地球化学研究需求而专门定制的软件,在图解、计算和扩展功能上均具有较强的优势。
总体看来,RockPlot岩石地球化学图解软件是应用计算机处理岩石地球化学数据的一次尝试。软件采用JSON文件作为软件的统一配置模块,实现了计算功能与图解功能的扩展;基于WPF开发保证了软件的独立性,不依赖第三方软件及操作系统,并实现了矢量格式文件的输出。系统集岩石地球化学计算与图解功能于一身,提供了综合、整体的岩石地球化学应用体系。
3.2 不足与发展方向
RockPlot软件存在的不足之处是,未将地学研究重要手段的同位素地球化学参数计算与图解纳入软件,另外在地球科学领域,GIS软件(MapGIS、ArcGIS、ArcInfo等)已得到广泛的普及应用,软件目前还未实现与GIS的关联。
RockPlot软件下一步除实现同位素模块和GIS关联外,还将搭建基于云环境(Web平台)的岩石地球化学服务平台,使用国际通用的HTML5规范语言,将计算、图解功能移植到Web平台下,用户不需要运行客户端软件,只需打开网页浏览器就能完成所有操作,实现真正意义跨平台的云服务。
参考文献
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Corel Geological Drafting Kit (CGDK), a program written in VBA, has been designed to assist geologists and geochemists with their drafting work. It obtains geological data from a running Excel application directly, and uses the data to plot geochemical diagrams and to construct stratigraphic columns. The software also contains functions for creating stereographic projections and rose diagrams, which can be used for spatial analysis, on a calibrated geological map. The user-friendly program has been tested to work with CorelDRAW 13–14–15 and Excel 2003–2007.
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GCIS地球化学工具软件是在 管理信息系统(MIS)的设计思路的基础上,采用数据库原理和图形图像处理等计算机技术,选择Microsoft Visual Basic.Net作为编程语言,利用Microsoft Office Access作为后台数据库完成地球化学数据的存储,设计出的一套独立的地球化学数据管理及大地构造环境判别图解投图的地球化学工具软件。GCIS软件由 多个不同的功能模块组成,可以有效地管理地球化学数据信息,并实现稀土元素配分图解、微量元素蛛网图、构造环境判别图解的生成与存储。在GCIS软件研发 的同时,笔者将GCIS地球化学工具软件应用于滇东南师宗-弥勒断裂带西段建水地区地球化学特征及其成因研究。通过滇东南构造带地球化学特征研究的应用, 进一步验证了GCIS软件的实用性。GCIS软件界面友好、操作简便,是地学研究非常实用的工具软件。
一个用VBA构建的地球化学工具软件包
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GeoKit是一个建立在Excel平台上,应用VBA编写而成的地球化学数据处理工具软件包,由主控模块、辅助模块和应用程序三个部分组成.主控模块文件格式为加载宏,是系统的控制中枢,可以实施对其他文件的控制与调用;辅助模块由Access数据库及由Excel建立的管理系统构成,可以方便地实现地球化学数据库的管理;应用软件由多个具有不同功能的相对独立的Excel文件构成,其主要组件包括以图形为主的地球化学散点图、稀土元素分布模式图、微量元素比值蛛网图和以参数计算为主的CIPW标准矿物计算、铅同位素模式年龄和参数计算及Sr-Nd同位素参数计算等.GeoKit界面友好,使用方便,是广大地质-地球化学工作者有用的工具软件.
PetroGraph: A new software to visualize, model, and present geochemical data in igneous petrology
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中国科学院机构知识库(中国科学院机构知识库网格（CAS IR GRID）)以发展机构知识能力和知识管理能力为目标，快速实现对本机构知识资产的收集、长期保存、合理传播利用，积极建设对知识内容进行捕获、转化、传播、利用和审计的能力，逐步建设包括知识内容分析、关系分析和能力审计在内的知识服务能力，开展综合知识管理。
NET框架与元模式研究
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文章分析了网络时代软件可互操作性的需求特征，介绍了.NET框架的公共运行时环境，公共类型系统等主要特性，给出了与.NET框架相关的协议，探讨了.NET框架隐含的元思想。
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CIPW法是当今最广泛应用的岩石化学计算法之一,其目的在于提供模拟矿物成分和相对数量,为岩石正确命名提供依据.作者在应用CIPW法过程中,发现不同教科书上的计算原理及方法存在差异,给实际应用造成不便;本文就斜长石牌号的计算方法、CIPW计算原理以及钠长石分配方法等问题进行了探讨.
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岩石地球化学图解是目前岩石地球化学研究工作中常用的有效手段，其对岩石分类、岩石和矿床的成因判别、构造环境判别和地质演化历史等方面的研究有重要的意义。通过对目前国内外常用的岩石地球化学图解辅助分析软件的分析，发现此类软件亟待解决的关键问题，即收录图解的种类和数量有限且不易扩展、使用过程自动化程度不高和软件独立性不强等。在收集整理了岩石地球化学领域8个大类、232幅图解的基础上，提出采用后缀表达式实现投点过程自动化和使用 XML 定义、扩展图解，按照岩石地球化学领域专家的工作流程，设计实现岩石地球化学图解成图、投点和计算软件以及 CIPW 等岩石地球化学常用计算方法。
