基于勘探的空間數(shù)據(jù)庫(kù)研究與設(shè)計(jì)

易彤 林茂春 侯紅軍 王向輝 桂子涵

（東方地球物理公司物探技術(shù)研究中心 河北省涿州市 072750）

1 引言

在地球物理勘探過(guò)程中存在著種類繁多、關(guān)系復(fù)雜的數(shù)據(jù)，包括野外觀測(cè)、物探方法、地質(zhì)解釋、測(cè)井解釋、非地震勘探等數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)勘探領(lǐng)域不同學(xué)科數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，支持各種勘探應(yīng)用軟件高效檢索和訪問這些數(shù)據(jù)，始終是地球物理勘探軟件系統(tǒng)的核心技術(shù)。當(dāng)前勘探數(shù)據(jù)管理多使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)與文件混合型數(shù)據(jù)庫(kù)管理方式[2]，這種數(shù)據(jù)管理方式的主要問題在于脫離了勘探數(shù)據(jù)客觀存在的空間特性，簡(jiǎn)接利用勘探數(shù)據(jù)的空間關(guān)系，從而造成數(shù)據(jù)模型關(guān)系復(fù)雜，導(dǎo)致數(shù)據(jù)檢索條件受管理模式制約，數(shù)據(jù)訪問效率低，并在一定程度上阻礙了大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)在地球物理勘探領(lǐng)域的發(fā)展。

基于這種情況，勘探軟件系統(tǒng)需要利用更加符合自身專業(yè)需求、功能更強(qiáng)大的外部數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)和管理海量數(shù)據(jù)[3]?？上驳氖?，當(dāng)前基于地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)不斷創(chuàng)新、發(fā)展，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步?？臻g數(shù)據(jù)管理方式從早期文件管理發(fā)展到當(dāng)前的面向?qū)ο箨P(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理，數(shù)據(jù)模型從傳統(tǒng)的三大經(jīng)典模型發(fā)展到今天面向?qū)ο竽Ｐ图懊嫦驅(qū)嶓w數(shù)據(jù)模型，空間數(shù)據(jù)共享和互操作變得越來(lái)越容易。并且空間數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)具有豐富的隱含信息，空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)字高程模型[4]（DEM 或TIN）除了載荷高度信息外，還隱含了地質(zhì)巖性與構(gòu)造方面的信息。地球物理勘探通過(guò)研究和觀測(cè)各種地球物理場(chǎng)的變化來(lái)探測(cè)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件，其使用的數(shù)據(jù)利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

2 功能體系結(jié)構(gòu)

依據(jù)地球物理勘探所涉及的業(yè)務(wù)實(shí)際，地球物理勘探系統(tǒng)軟件（簡(jiǎn)稱勘探軟件系統(tǒng)）是一個(gè)基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型、顯示和開發(fā)平臺(tái)，集網(wǎng)絡(luò)、并行、交互、批量于一體，既支持大型地震數(shù)據(jù)處理中心及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，也支持單機(jī)應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的開放性，為廣大科研院所提供了高起點(diǎn)的應(yīng)用地球物理功能的研發(fā)與集成平臺(tái)，可大大加快科研成果轉(zhuǎn)化[5]。其功能可分為地震資料處理系統(tǒng)，地震解釋系統(tǒng)，測(cè)井系統(tǒng)三大系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)包含相應(yīng)的應(yīng)用模塊，系統(tǒng)功能如圖1 所示。

勘探軟件系統(tǒng)采用經(jīng)典三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]，即應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)服務(wù)層，相對(duì)應(yīng)的軟件配置分別是應(yīng)用軟件、模塊及其他中間件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。其中應(yīng)用軟件包括地震剖面顯示軟件、底圖顯示軟件、三維可視軟件、調(diào)度子系統(tǒng)[7]等；模塊包括地震資料處理系統(tǒng)、地震解釋系統(tǒng)、測(cè)井解釋系統(tǒng)所涉及的科學(xué)計(jì)算模塊。系統(tǒng)利用空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)[8]。軟件系統(tǒng)需要開發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)象訪問接口實(shí)現(xiàn)勘探成果數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和操作。為滿足勘探軟件系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)把業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)和業(yè)務(wù)表現(xiàn)分開，客戶端專門實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)表現(xiàn)，業(yè)務(wù)邏輯部分使用模塊、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)方式完成勘探業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理和管理，并實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)數(shù)據(jù)層的訪問。

圖1：系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

圖2：空間數(shù)據(jù)庫(kù)組織圖

2.1 場(chǎng)景服務(wù)層的實(shí)現(xiàn)

使用Linux 操作系統(tǒng)，采用Qt 作為GUI 界面開發(fā)工具[9]，編寫的應(yīng)用系統(tǒng)作為交互界面客戶端，充當(dāng)用戶服務(wù)層。開發(fā)多視圖結(jié)構(gòu)應(yīng)用環(huán)境[10]，充分利用窗口資源，提供便利交互操作，最大限度降低典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)處理工作，為用戶提供專注于專業(yè)操作的交互功能。

2.2 業(yè)務(wù)服務(wù)層的實(shí)現(xiàn)

圖3：勘探空間數(shù)據(jù)層次結(jié)構(gòu)圖

業(yè)務(wù)服務(wù)層使用C，C++,Fortran 編寫應(yīng)用程序，程序以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式提供服務(wù)。開發(fā)地球物理勘探GIS 中間件[11]，其中封裝處理空間數(shù)據(jù)所需的所有功能。作為勘探GIS 中間件的開發(fā)者，開發(fā)以該平臺(tái)為基礎(chǔ)的應(yīng)用系統(tǒng)，更能夠保證業(yè)務(wù)服務(wù)層與場(chǎng)景服務(wù)層的協(xié)同工作，發(fā)揮空間數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢(shì)。

2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)層的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)服務(wù)層的服務(wù)主要由Oracle 12c[12]以上版本或PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)[13]實(shí)現(xiàn)，這是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的兩款Linux 服務(wù)器上性能優(yōu)異的數(shù)據(jù)庫(kù)，他們和Linux 系統(tǒng)平臺(tái)及開發(fā)工具有更強(qiáng)的兼容性，同時(shí)具備出色的穩(wěn)定性。

勘探數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)和管理以下數(shù)據(jù)：

（1）地面地形數(shù)據(jù)。

（2）工區(qū)、測(cè)線數(shù)據(jù)。

（3）面元網(wǎng)格、線道網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

（4）測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。

（5）地質(zhì)解釋構(gòu)造圖數(shù)據(jù)。

（6）VSP 數(shù)據(jù)。

（7）重、磁、電數(shù)據(jù)。

基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)的勘探軟件系統(tǒng)與其他同類軟件系統(tǒng)不同之處在于數(shù)據(jù)組織方式不同。數(shù)據(jù)不是通過(guò)人為定義的層級(jí)來(lái)組織數(shù)據(jù)，而是通過(guò)選定地理工作區(qū)域組織數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶給出所關(guān)注工作區(qū)域的多邊形各個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)后，系統(tǒng)將多邊形內(nèi)部的數(shù)據(jù)按學(xué)科進(jìn)行分類，并提供給用戶，用戶依據(jù)自己在系統(tǒng)中的角色和數(shù)據(jù)權(quán)限訪問數(shù)據(jù)。

3 空間數(shù)據(jù)組織

勘探空間數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)按存在形式可以分為空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)四大類（圖2）。

（1）空間數(shù)據(jù)可分為管理空間數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。管理空間數(shù)據(jù)包括工區(qū)、測(cè)線數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)包括觀測(cè)系統(tǒng)、網(wǎng)格、層位、斷層、井位、成圖等數(shù)據(jù)。

（2）屬性數(shù)據(jù)包括管理類的屬性數(shù)據(jù)、各要素層的屬性數(shù)據(jù)（地理底圖即包含多個(gè)要素層）。

（3）成果數(shù)據(jù)主要是指野外采集的地震數(shù)據(jù)，處理系統(tǒng)產(chǎn)生的地震數(shù)據(jù)、靜校正數(shù)據(jù)、速度建模數(shù)據(jù)，解釋系統(tǒng)產(chǎn)生的屬性與反演數(shù)據(jù)、地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)，測(cè)井系統(tǒng)產(chǎn)生的子波數(shù)據(jù)、合成記錄數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)受管理空間數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的約束。

（4）參數(shù)數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)指勘探數(shù)據(jù)處理過(guò)程中各種方法所使用的參數(shù)數(shù)據(jù)，主要包括處理流程、方法參數(shù)等。

數(shù)據(jù)服務(wù)層通過(guò)建立數(shù)據(jù)索引將以上幾類數(shù)據(jù)有機(jī)地連接起來(lái)，可以用圖2 來(lái)表示數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

表1：勘探空間數(shù)據(jù)層次詳細(xì)分類表

4 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4.1 空間數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)

勘探數(shù)據(jù)庫(kù)存放的空間數(shù)據(jù)主要有地形圖、工區(qū)、測(cè)線、觀測(cè)系統(tǒng)、網(wǎng)格、地質(zhì)構(gòu)造、井位、重磁電等數(shù)據(jù)（圖3）。

表1 中所涉及空間類數(shù)據(jù)通過(guò)空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，放在Oracle 或PostGreSQL 的GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)庫(kù)還管理其他關(guān)系類型和文件形式的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以依賴空間數(shù)據(jù)存在，也可以其它方式在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)。系統(tǒng)支持存放在外部數(shù)據(jù)庫(kù)或文件形式存放的大型空間數(shù)據(jù)庫(kù)的導(dǎo)入、疊置顯示、檢索管理。

4.1.1 地理底圖層

在地理底圖數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行投影變換統(tǒng)一為經(jīng)緯度。該層定義用于顯示的坐標(biāo)系統(tǒng)，其它空間數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為該坐標(biāo)系統(tǒng)定義的經(jīng)緯度坐標(biāo)，以保證各類數(shù)據(jù)底圖顯示時(shí)坐標(biāo)空間上連續(xù)，同時(shí)保持較高精度方式及空間拓?fù)溥B續(xù)[14]。數(shù)據(jù)變換算法采用GDAL 開源庫(kù)實(shí)現(xiàn)[15]。

4.1.2 管理層

表2：工區(qū)要素基本屬性結(jié)構(gòu)表

表3：測(cè)線要素基本屬性結(jié)構(gòu)表

表4：層位要素基本屬性表

表5：斷層要素基本屬性表

表6：井位要素基本屬性表

在勘探空間數(shù)據(jù)庫(kù)中，工區(qū)、測(cè)線是區(qū)域篩選的管理節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行投影變換統(tǒng)一為經(jīng)緯度，以保證在坐標(biāo)空間上連續(xù)，同時(shí)保持較高精度方式及空間拓?fù)溥B續(xù)。管理層定義了自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，當(dāng)使用地圖網(wǎng)格坐標(biāo)時(shí)使用該坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，確保管理層和依賴管理層的數(shù)據(jù)坐標(biāo)系一致。這一層數(shù)據(jù)應(yīng)包括區(qū)域多邊形頂點(diǎn)和測(cè)線拐點(diǎn)這兩層屬性信息。

4.1.3 觀測(cè)系統(tǒng)層

觀測(cè)系統(tǒng)層數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行投影變換統(tǒng)一為經(jīng)緯度，以保證在坐標(biāo)空間上連續(xù)，同時(shí)保持較高精度方式及空間拓?fù)溥B續(xù)。需要指出地震數(shù)據(jù)處理中的靜校正數(shù)據(jù)是多類型，多版本的成果數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)層動(dòng)態(tài)產(chǎn)生，因此應(yīng)用中會(huì)有多個(gè)靜校正數(shù)據(jù)層。

4.1.4 網(wǎng)格層

網(wǎng)格層數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行投影變換統(tǒng)一為經(jīng)緯度，以保證在坐標(biāo)空間上連續(xù)，同時(shí)保持較高精度方式及空間拓?fù)溥B續(xù)。網(wǎng)格層用于管理柵格化后的勘探數(shù)據(jù)，例如層位數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后（有CMP 線號(hào)、CMP 號(hào)后）就可以成為層位網(wǎng)格數(shù)據(jù)層。

4.1.5 測(cè)井層

井場(chǎng)數(shù)據(jù)入庫(kù)時(shí)應(yīng)進(jìn)行投影變換統(tǒng)一為經(jīng)緯度，以保證在坐標(biāo)空間上連續(xù)，同時(shí)保持較高精度方式及空間拓?fù)溥B續(xù)。每一個(gè)井場(chǎng)定義自己的坐標(biāo)系統(tǒng)，該坐標(biāo)系統(tǒng)用于定義每口井空間數(shù)據(jù)的地圖網(wǎng)格坐標(biāo)。

4.2 屬性數(shù)據(jù)及編碼結(jié)構(gòu)

勘探空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)種類和數(shù)量很多，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這里列舉出比較重要的幾個(gè)表格。如表2-表6 所示。

5 結(jié)論

通過(guò)研究當(dāng)前流行的空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方案，在結(jié)合勘探數(shù)據(jù)空間特性和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，提出了勘探空間數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)方案。此方案解決了建立勘探空間數(shù)據(jù)庫(kù)和通過(guò)勘探空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、訪問各類勘探數(shù)據(jù)的問題，實(shí)現(xiàn)了勘探數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理?？臻g數(shù)據(jù)技術(shù)作為當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)最活躍的分支與知識(shí)獲取手段，能夠更好的推動(dòng)地球物理勘探技術(shù)向智能化和集成化的方向發(fā)展，能夠?yàn)榭碧介_發(fā)和地質(zhì)構(gòu)造解釋提供更快捷、方便的數(shù)據(jù)訪問能力。