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【程序分享】三维到一维速度模型转换程序

itomcoil 2025-08-30 23:53 5 浏览

1. 简介

1.1 概述

三维到一维速度模型转换程序是一个专门为地震学家和地球物理学家设计的Python工具,用于将三维速度模型转换为一维速度剖面。 这种转换对于地震定位和震源机制反演研究至关重要

1.2 主要功能
多速度类型支持:支持P波速度(Vp)、S波速度(Vs)和Vp/Vs比值
多种提取方法:平均值、中值、加权平均和百分位数提取
灵活的插值功能:线性、三次样条和Akima插值
方法质量控制:自动地球物理约束检查和验证
多种输出格式:支持HYPO71、HypoInverse、VELEST等主流格式
可视化工具:全面的模型对比和统计分析图表
1.3 支持的速度类型

2. 安装说明

2.1 系统要求

Python >= 3.7numpy >= 1.19.0pandas >= 1.2.0scipy >= 1.6.0matplotlib >= 3.3.0
2.2 安装步骤
# 下载程序文件wget https://github.com/zhangsuxiang/3D-to-1D-Velocity-Model-Converter
# 安装依赖包pip install numpy pandas scipy matplotlib
# 可选:在虚拟环境中安装python -m venv velo_envsource velo_env/bin/activate # Windows系统: velo_env\Scripts\activatepip install numpy pandas scipy matplotlib
2.3 安装验证
# 测试导入python -c "from velocity_3d_to_1d import Velocity3Dto1D; print('安装成功!')"

3. 快速入门

3.1 基本使用流程

from velocity_3d_to_1d import Velocity3Dto1D
# 加载三维速度模型converter = Velocity3Dto1D('velocity_3d.txt', velocity_type='Vp')
# 提取一维模型depths, velocities = converter.extract_1d_velocity(method='weighted_mean')
# 插值到1km间隔depths_new, vel_new = converter.interpolate_1d_model(depth_interval=1.0)
# 保存结果converter.save_1d_model('velocity_1d.dat', depths_new, vel_new, format='hypo71')

3.2 输入文件格式

输入文件应包含4列数据:

经度  纬度  深度(km)  速度(km/s或比值)
示例:
102.5  25.3  0.0   5.80102.5  25.3  5.0   6.10102.5  25.3  10.0  6.35...

4. 详细使用说明

4.1 数据加载

从文件加载

# 自动检测分隔符converter = Velocity3Dto1D('data.txt', velocity_type='Vp')
# 指定速度类型converter = Velocity3Dto1D('data.csv', velocity_type='Vs')
从NumPy数组加载
import numpy as np
# 创建或加载形状为(n, 4)的数组data_array = np.loadtxt('data.txt')converter = Velocity3Dto1D(data_array=data_array, velocity_type='VpVs')

4.2 提取方法详解

平均值法(默认)

depths, velocities = converter.extract_1d_velocity(method='mean')
加权平均法(推荐)
# 按纬度加权,考虑地球球面效应depths, velocities = converter.extract_1d_velocity(    method='weighted_mean',    weight_by_area=True)
区域提取
# 从特定区域提取depths, velocities = converter.extract_1d_velocity(    method='weighted_mean',    region=(经度最小值, 经度最大值, 纬度最小值, 纬度最大值))
4.3 插值选项
# 线性插值(适用于有明显界面的模型)depths_linear, vel_linear = converter.interpolate_1d_model(    depth_interval=0.5,    kind='linear')
# 三次样条插值(适用于平滑模型)depths_cubic, vel_cubic = converter.interpolate_1d_model( depth_interval=1.0, kind='cubic')
# Akima插值(保形插值,防止过冲)depths_akima, vel_akima = converter.interpolate_1d_model( depth_interval=2.0, kind='akima')
4.4 质量控制
# 执行质量检查qc_report = converter.quality_check(depths, velocities)
# 查看报告详情print(f"状态: {qc_report['status']}")print(f"警告: {qc_report['warnings']}")print(f"信息: {qc_report['info']}")

5. 输出格式说明

5.1 HYPO71格式

# HYPO71 velocity model - Vp# Depth(km)  Vp(km/s)   0.00   5.800   1.00   5.850   2.00   5.900

5.2 HypoInverse格式

* HYPOINVERSE VELOCITY MODEL - Vp  5.80    0.00  5.85    1.00  5.90    2.00

5.3 VELEST格式

VELEST velocity model - Vp   3  5.800  5.850  5.900  0.00  1.00  2.00
5.4 自定义格式
# 1D Velocity Model - Vp# Depth(km)  Vp(km/s)0.0005.8001.0005.8502.0005.900

6. 最佳实践

6.1 数据准备

  1. 数据清理
  2. 坐标系统

6.2 方法选择建议

7. 使用示例

7.1 完整工作流程示例

import numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltfrom velocity_3d_to_1d import Velocity3Dto1D
# 步骤1:加载P波速度模型print("加载三维P波速度模型...")converter_vp = Velocity3Dto1D('vp_model_3d.txt', velocity_type='Vp')
# 步骤2:定义感兴趣区域region = (100.0, 105.0, 20.0, 25.0) # 经度最小, 经度最大, 纬度最小, 纬度最大
# 步骤3:提取一维模型print("提取一维模型...")depths_vp, velocities_vp = converter_vp.extract_1d_velocity( method='weighted_mean', region=region, weight_by_area=True)
# 步骤4:插值到所需分辨率print("插值模型...")depths_interp, vel_interp = converter_vp.interpolate_1d_model( depth_interval=0.5, # 500m间隔 depth_max=100.0, # 最大深度100km kind='cubic')
# 步骤5:质量检查print("执行质量检查...")qc_report = converter_vp.quality_check(depths_interp, vel_interp)
if qc_report['status'] == 'PASS': print(" 模型通过所有质量检查")else: print(" 模型存在警告:") for warning in qc_report['warnings']: print(f" - {warning}")
# 步骤6:保存多种格式print("保存模型...")converter_vp.save_1d_model('vp_hypo71.dat', depths_interp, vel_interp, format='hypo71')converter_vp.save_1d_model('vp_velest.dat', depths_interp, vel_interp, format='velest')
# 步骤7:可视化结果print("创建可视化图表...")fig = converter_vp.plot_comparison( (depths_vp, velocities_vp), (depths_interp, vel_interp), save_figure='vp_model_comparison.png')plt.show()
# 步骤8:生成统计报告converter_vp.plot_statistics(save_figure='vp_statistics.png')

9.2 联合Vp-Vs分析

# 加载Vp和Vs模型converter_vp = Velocity3Dto1D('vp_3d.txt', velocity_type='Vp')converter_vs = Velocity3Dto1D('vs_3d.txt', velocity_type='Vs')
# 使用相同参数提取一维模型depths_vp, vel_vp = converter_vp.extract_1d_velocity(method='weighted_mean')depths_vs, vel_vs = converter_vs.extract_1d_velocity(method='weighted_mean')
# 计算Vp/Vs比值vpvs_ratio = vel_vp / vel_vs
# 创建Vp/Vs模型vpvs_data = np.column_stack([ np.full(len(depths_vp), 105.0), # 虚拟经度 np.full(len(depths_vp), 25.0), # 虚拟纬度 depths_vp, vpvs_ratio])
converter_vpvs = Velocity3Dto1D(data_array=vpvs_data, velocity_type='VpVs')
# Vp/Vs质量检查qc_vpvs = converter_vpvs.quality_check(depths_vp, vpvs_ratio)

9.3 批处理多个区域

# 定义多个区域regions = {    '北部': (100, 102, 25, 27),    '南部': (100, 102, 23, 25),    '东部': (102, 104, 24, 26),    '西部': (98, 100, 24, 26)}
# 处理每个区域results = {}for region_name, bounds in regions.items(): print(f"处理区域: {region_name}")
depths, velocities = converter.extract_1d_velocity( method='weighted_mean', region=bounds )
# 插值 depths_i, vel_i = converter.interpolate_1d_model(depth_interval=1.0)
# 保存 converter.save_1d_model( f'velocity_1d_{region_name}.dat', depths_i, vel_i )
results[region_name] = (depths_i, vel_i)
# 对比各区域plt.figure(figsize=(10, 8))for region_name, (depths, vels) in results.items(): plt.plot(vels, depths, label=region_name)plt.xlabel('速度 (km/s)')plt.ylabel('深度 (km)')plt.title('区域一维速度模型对比')plt.legend()plt.gca().invert_yaxis()plt.grid(True, alpha=0.3)plt.savefig('区域对比.png')


程序下载地址: https://github.com/zhangsuxiang/3D-to-1D-Velocity-Model-Converter


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