楊勇，高金耀，楊春國(guó)，沈中延，周志遠(yuǎn)，孫運(yùn)凡

（國(guó)家海洋局第二海洋研究所 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

基于GIS的海洋地震數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊勇，高金耀，楊春國(guó)，沈中延，周志遠(yuǎn)，孫運(yùn)凡

（國(guó)家海洋局第二海洋研究所 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

基于大型Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和先進(jìn)的空間數(shù)據(jù)引擎SDE技術(shù)，將SEG-Y格式海洋地震數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，并按照“航次－測(cè)線－點(diǎn)”的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了海洋地震數(shù)據(jù)庫(kù)。論文首先總結(jié)了當(dāng)前流行的地震數(shù)據(jù)組織和訪問方式，然后闡述了地震數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，最后介紹了數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、SEG-Y地震數(shù)據(jù)查看和地震剖面及與其他地球物理數(shù)據(jù)綜合表達(dá)顯示功能的實(shí)現(xiàn)。

海洋地震數(shù)據(jù)；ArcGIS Engine；SEG-Y；Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)；.NET平臺(tái)

908專項(xiàng)中國(guó)近海海洋地球物理調(diào)查采集了大量的海洋地震數(shù)據(jù)，它們以 SEG-Y格式存儲(chǔ)，若沿用以往的文件目錄管理、存放方式，將給數(shù)據(jù)的查詢、顯示和綜合分析帶來很多不便。目前的地震處理和解釋系統(tǒng)中應(yīng)用的GIS主要為單機(jī)版本，給地震數(shù)據(jù)的共享和推廣帶來不便[1]。根據(jù)“數(shù)字海洋”發(fā)展過程中對(duì)海洋地震數(shù)據(jù)管理的需求，本文結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)和組件式GIS技術(shù)，在.NET平臺(tái)下開發(fā)海洋地震數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

1 地震數(shù)據(jù)組織和訪問技術(shù)

地震數(shù)據(jù)是地球物理數(shù)據(jù)的重要組成部分，同時(shí)也是油氣勘探與開發(fā)、地質(zhì)構(gòu)造解釋工作中不可或缺的一類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2], 其格式復(fù)雜、數(shù)據(jù)體龐大,所以地震數(shù)據(jù)的訪問成為地球物理軟件開發(fā)中的技術(shù)難點(diǎn)之一[3]。數(shù)據(jù)的組織和訪問方式是軟件系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)前地震軟件采用的地震數(shù)據(jù)訪問方式大致有以下幾種：

（1）將地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)格式的方式[3]

軟件根據(jù)SEG-Y文件信息順序讀取所有地震道數(shù)據(jù)，將地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為軟件內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式，并通過建立索引文件的方式，實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)地震數(shù)據(jù)的訪問，如LandMark的GeoGraphix Discovery地震解釋軟件。采用此方式訪問地震數(shù)據(jù)的主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)的訪問速度快，可以滿足地震剖面的訪問要求，但由于其需要數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)的共享性較差。

（2）讀取重構(gòu)后的SEG- Y 實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的訪問[3]

對(duì)SEG-Y文件進(jìn)行重構(gòu)，通過補(bǔ)零的方式將變道長(zhǎng)的地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為固定道長(zhǎng)的地震數(shù)據(jù)，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)地震數(shù)據(jù)的訪問，如相干處理軟件CohTEEC。這種方式讀取地震數(shù)據(jù)文件效率較低，而且重構(gòu)SEG-Y文件要花費(fèi)一定時(shí)間，帶來原始地震數(shù)據(jù)訪問的變化。

（3）將地震道數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫(kù)中[2]

軟件從測(cè)區(qū)的SEG-Y文件中順序讀取所有地震道數(shù)據(jù)，將地震道數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)并建立索引，實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)地震數(shù)據(jù)的訪問。它的優(yōu)點(diǎn)是，生成任意測(cè)線剖面和水平切片時(shí)比從多個(gè)SEG-Y文件中讀取指定道數(shù)據(jù)速度快得多。

（4）數(shù)據(jù)文件與數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的方式[2,4]

此方式中，地震數(shù)據(jù)是以SEG-Y文件形式進(jìn)行組織。這些地震文件存儲(chǔ)在光盤或計(jì)算機(jī)的硬盤上，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中建立它們的索引表。在訪問地震數(shù)據(jù)時(shí)，先找到地震數(shù)據(jù)文件的物理位置，然后對(duì)文件進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)地震數(shù)據(jù)的訪問，如：雙狐微機(jī)解釋系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)嚴(yán)謹(jǐn)高效的特點(diǎn)與文件結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)相結(jié)合?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用這種地震數(shù)據(jù)訪問方式，即：將地震數(shù)據(jù)按照調(diào)查項(xiàng)目和測(cè)區(qū)不同建立合理的文件目錄結(jié)構(gòu)，然后在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)這些文件路徑并建立索引，每次訪問地震數(shù)據(jù)時(shí)，首先通過數(shù)據(jù)庫(kù)中的索引表查詢到其對(duì)應(yīng)的文件物理路徑，然后通過SEG-Y數(shù)據(jù)讀取模塊進(jìn)行訪問。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

空間數(shù)據(jù)在商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中進(jìn)行存儲(chǔ)的方式主要有2種：一種是通過GIS軟件平臺(tái)開發(fā)商推出的SDE來存儲(chǔ)，如ESRI公司的ArcSDE[5]；一種是通過商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)廠商基于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器開發(fā)的空間數(shù)據(jù)插件來管理，如 Oracle公司的 Oracle Spatial。SDE 主要通過中間接口的方式將空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中，提供強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理能力，用戶無需關(guān)心其內(nèi)部復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫(kù)操作，技術(shù)成熟，使用方便，得到了廣泛應(yīng)用[6]。經(jīng)歷了CAD和Coverage兩代傳統(tǒng)地理數(shù)據(jù)模型后，ESRI推出Geodatabase這種全新的面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)化空間數(shù)據(jù)模型，它具有開放性、一致性、安全性和標(biāo)準(zhǔn)化等一系列重要特征[7]。前人提出了基于Geodatabase面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)模型存儲(chǔ)和管理地球物理調(diào)查數(shù)據(jù)的解決方案，在實(shí)際工作中得到了成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海底探測(cè)數(shù)據(jù)的一體化管理[8]。

因此，本文基于Geodatabase空間數(shù)據(jù)模型建立海洋地震數(shù)據(jù)庫(kù)，將海洋地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在元數(shù)據(jù)庫(kù)和地震數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶通過ADO.NET和ArcSDE對(duì)其進(jìn)行訪問，系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 海洋地震數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)總體構(gòu)架圖Fig. 1 Architecture of marine seismic data management system

2.2 元數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

元數(shù)據(jù)（metadata），用于描述要素、數(shù)據(jù)集或數(shù)據(jù)集系列的內(nèi)容、覆蓋范圍、質(zhì)量、管理方式、數(shù)據(jù)的所有者、數(shù)據(jù)的提供方式等有關(guān)信息[9]。國(guó)際上流行的地震數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有Marine Community Profile of ISO 19115標(biāo)準(zhǔn)、FGDC標(biāo)準(zhǔn)等，它們大致都包括以下模塊：標(biāo)識(shí)信息、數(shù)據(jù)質(zhì)量信息、維護(hù)信息、參考信息和分發(fā)信息等?！兜厍蛭锢碚{(diào)查技術(shù)規(guī)程》中也規(guī)定了一套地球物理元數(shù)據(jù)記錄格式[10]。由于中國(guó)在海洋元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)上沒有一套統(tǒng)一的適用性強(qiáng)的規(guī)范，我們需要根據(jù)已有地震數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際科研工作中的業(yè)務(wù)需求，制定一套合適的海洋地震元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

按照“航次－測(cè)線－點(diǎn)”的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，將航次信息以元數(shù)據(jù)方式管理，我們?cè)O(shè)計(jì)了航次信息表和地震儀器屬性表作為海洋地震元數(shù)據(jù)（如圖2），地震儀器屬性表通過外鍵CruiseID與航次信息表關(guān)聯(lián)?？紤]到實(shí)際海上地震調(diào)查情況，一個(gè)航次可能采用不同的地震采集儀器，所以這種關(guān)聯(lián)為一對(duì)多關(guān)系。航次信息表為海洋地球物理（多波束、重力、磁力、地震）元數(shù)據(jù)管理的公共表，主要包括項(xiàng)目相關(guān)信息、海上調(diào)查相關(guān)信息（調(diào)查時(shí)間、區(qū)域、參與者、基礎(chǔ)設(shè)備）和資料處理信息。海洋地震特有的元數(shù)據(jù)信息主要體現(xiàn)在地震儀器屬性表中，主要包括：震源信息、接收器信息、電纜信息及一些多道地震屬性信息。

圖2 海洋地震元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)E-R圖Fig. 2 E-R diagram of marine seismic metadata design

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

按照“航次－測(cè)線－點(diǎn)”的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，并參考《海洋環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)》（修訂稿）[11]，設(shè)計(jì)了海洋地震數(shù)據(jù)庫(kù)（如圖3），主要分為屬性表和空間特征表2大類，空間特征表的表名以Geo.開頭，為ArcGIS中的地理要素類（FeatureClass）。

圖3 海洋地震數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)E-R圖Fig. 3 E-R diagram of marine seismic database design

測(cè)線屬性表（CruiseLine）為海洋地球物理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理的公共表，與航次信息元數(shù)據(jù)表的關(guān)聯(lián)為N：1，通過外鍵CruiseID完成。它的PointNumber字段表示該測(cè)線包含的總采樣點(diǎn)數(shù)，在地震數(shù)據(jù)中，稱為總炮點(diǎn)數(shù)；Subject字段表示該測(cè)線所屬的調(diào)查科目，在地震數(shù)據(jù)中，該字段值為“地震”，表示該條記錄為地震測(cè)線記錄；測(cè)線屬性表FilePath字段為該地震剖面對(duì)應(yīng)的 SEG-Y文件路徑，以便查看SEG-Y文件的文本文件頭、二進(jìn)制卷頭和道頭信息。

炮點(diǎn)屬性表（ShotNav）和地震剖面屬性表（SeismicProfile）都是通過外鍵LineID與地震測(cè)線屬性表關(guān)聯(lián)，且都為N：1關(guān)聯(lián)，即：每條地震測(cè)線對(duì)應(yīng)N條炮點(diǎn)記錄和多個(gè)地震剖面，如時(shí)間剖面和深度剖面，使用地震剖面屬性表的ProfileType字段予以區(qū)別。

為了更好地服務(wù)地震解釋，我們還設(shè)計(jì)了時(shí)深轉(zhuǎn)換屬性表（TimeDepth）和層位屬性表（Horizon）。前者用來對(duì)某個(gè)測(cè)區(qū)的地震數(shù)據(jù)（時(shí)間剖面）進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換；后者用來保存從專業(yè)地震解釋軟件中提取的層位數(shù)據(jù)，每條測(cè)線一般含多個(gè)層位，它們通過HorizonID予以區(qū)別。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 地震元數(shù)據(jù)查詢

根據(jù)地震元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方案，可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的海洋地震元數(shù)據(jù)按航次編碼進(jìn)行查詢和導(dǎo)出，并可以動(dòng)態(tài)加載查詢航次對(duì)應(yīng)的地震測(cè)線分布圖（如圖4）。

圖4 海洋地震元數(shù)據(jù)查詢Fig. 4 Query of marine seismic metadata

3.2 地震測(cè)線信息查詢

系統(tǒng)提供了地震測(cè)線查詢的功能（如圖5）。當(dāng)使用工具欄中的框選按鈕選擇感興趣的測(cè)線后，這些測(cè)線會(huì)在地圖上高亮顯示，并在“測(cè)線信息表”選項(xiàng)卡中顯示其屬性信息，可以使用“右鍵上下文菜單”對(duì)地震測(cè)線進(jìn)行下載、縮放到測(cè)線位置和取消選擇等操作。

圖5 地震測(cè)線查詢Fig. 5 Query of Seismic Lines

3.3 地震數(shù)據(jù)庫(kù)管理

在數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊中，提供了測(cè)線文件入庫(kù)、生成地震炮點(diǎn)標(biāo)注、航跡線生成等功能。采集的地震數(shù)據(jù)按照“地震測(cè)線屬性表”的結(jié)構(gòu)整理后，通過“測(cè)線文件入庫(kù)”功能導(dǎo)入“公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)”中。將炮點(diǎn)導(dǎo)航文件中的數(shù)據(jù)按炮號(hào)等間距抽稀，然后通過“生成地震炮點(diǎn)標(biāo)注”功能轉(zhuǎn)換成ArcGIS的點(diǎn)要素，將其疊加在地震測(cè)線圖層上，方便了地震數(shù)據(jù)的解釋。

3.4 SEG-Y文件查看

SEG-Y文件由卷頭說明（3200字節(jié)的文本文件頭）、卷頭信息（400字節(jié)二進(jìn)制文件頭）和每道道頭信息（240字節(jié)二進(jìn)制道頭）及其對(duì)應(yīng)的道數(shù)據(jù)體組成[12]。根據(jù)被選測(cè)線對(duì)應(yīng)的 SEG-Y文件路徑（存儲(chǔ)在“測(cè)線屬性表”的FilePath字段中），使用“SEG-Y地震數(shù)據(jù)查看工具”查看其內(nèi)部信息（如圖6）。在狀態(tài)欄中，顯示了文件名稱、采樣點(diǎn)格式、總道數(shù)、道采樣點(diǎn)數(shù)、卷采樣間隔等重要信息。

圖6 SEG-Y文件查看器Fig. 6 SEG-Y Format File Viewer

3.5 地震剖面查看

該系統(tǒng)提供了查看地震剖面的功能（如圖7），它實(shí)現(xiàn)了基本的圖像操作功能，如：縮放到窗口大小、縮放到原始大小、放大、縮小、移動(dòng)和顯示參數(shù)設(shè)置。我們采用“變面積顯示”方式顯示地震剖面，變面積顯示是將波峰(或者波谷)填充上特定的色彩，比較常用的是將波峰用黑色填充。變面積顯示有三種——正極性、負(fù)極性和雙極性顯示，通常正極性填充紅色，負(fù)極性填充藍(lán)色，而雙極性是將波峰和波谷填充上不同的色彩[13]。

圖7 地震剖面查看器Fig. 7 Seismic Profile Viewer

3.6 地球物理信息綜合表達(dá)

該系統(tǒng)還具有顯示地球物理綜合剖面的功能（如圖8），其實(shí)現(xiàn)主要用到“雙緩沖技術(shù)”，即：將要顯示的圖形先在內(nèi)存中繪制好，然后一次性拷貝到屏幕上，這樣有效地減少了圖形閃爍問題。

圖8 地球物理綜合剖面查看器Fig. 8 Geophysical Integration Profile Viewer

通過“水深剖面跟蹤條”控制水深剖面在地震剖面上的疊加位置，在“地震及水深縱坐標(biāo)”上標(biāo)注水深剖面起點(diǎn)的數(shù)值，使用“垂直滾動(dòng)條”控制地震剖面在縱向上的移動(dòng)。

當(dāng)鼠標(biāo)在剖面圖上移動(dòng)時(shí)，觸發(fā)剖面面板對(duì)象的 MouseMove事件，將鼠標(biāo)點(diǎn)的橫坐標(biāo)映射到實(shí)際的采樣點(diǎn)號(hào)上，然后從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢?cè)摬蓸狱c(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，再通過自定義的委托事件將這個(gè)坐標(biāo)傳遞給主窗體，最后使用地圖控件的DrawShape方法繪制點(diǎn)狀符號(hào)，實(shí)現(xiàn)了綜合剖面與對(duì)應(yīng)測(cè)線之間的聯(lián)動(dòng)。

4 小 結(jié)

基于詳細(xì)全面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文采用先進(jìn)的GIS技術(shù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，研究了海洋地震管理系統(tǒng)的技術(shù)體系，并將其運(yùn)用到海洋地震數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，將中國(guó)近海范圍內(nèi)的海底地形、地貌、地球物理、鉆井等多源異構(gòu)的海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織和管理起來，提供查詢、顯示、綜合應(yīng)用等功能，實(shí)現(xiàn)了海洋地震數(shù)據(jù)與其他專業(yè)數(shù)據(jù)的一體化管理與應(yīng)用。

致謝：非常感謝國(guó)家海洋局第二海洋研究所海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高金耀研究員在論文寫作中給予指導(dǎo)，非常感謝課題組楊春國(guó)、沈中延、周志遠(yuǎn)和孫運(yùn)凡在論文寫作中給予幫助，謹(jǐn)此致謝！

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Design and implementation of marine seismic data management system based on GIS

YANG Yong, GAO Jin-yao, YANG Chun-guo, SHEN Zhong-yan, ZHOU Zhi-yuan, SUN Yun-fan

(Key Laboratory of Submarine Geosciences, Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China)

We reviewed the popular technologies of accessing and managing seismic data. Then, marine seismic database is designed, based on the features of marine seismic data, the large database management system ORACLE and the advanced technology of spatial data engine (SDE). Through integrating marine seismic data with geographical information system, the paper expatiates on the design schema of seismic data management system and mainly introduces the implementation of functions about the system’s data query and database management. This integration and management method has been successfully applied in the Digital Ocean project.

marine seismic data; ArcGIS Engine; SEG-Y; Oracle database; .NET platform

P738.4

A

1001-6932(2011)04-0414-05

2010-11-30；

2011-05-06

“數(shù)字海洋”海洋二所節(jié)點(diǎn)建設(shè)（908-03-05-07）；我國(guó)近海海洋地球物理調(diào)查研究（908-ZC-I-06）；國(guó)家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目（TJ0902）。

楊勇(1985－)，男，在讀碩士研究生，主要從事海洋地球物理信息系統(tǒng)方面的研究。電子郵箱：yangyong688@gmail.com。

高金耀，研究員。電子郵箱： jygao@mail.hz.zj.cn。