基于GIS的海洋地震數據管理系統的設計與實現

楊勇，高金耀，楊春國，沈中延，周志遠，孫運凡

（國家海洋局第二海洋研究所 海底科學重點實驗室，浙江 杭州 310012）

基于GIS的海洋地震數據管理系統的設計與實現

楊勇，高金耀，楊春國，沈中延，周志遠，孫運凡

（國家海洋局第二海洋研究所 海底科學重點實驗室，浙江 杭州 310012）

基于大型Oracle數據庫管理系統和先進的空間數據引擎SDE技術，將SEG-Y格式海洋地震數據與地理信息系統相結合，并按照“航次－測線－點”的數據組織結構設計了海洋地震數據庫。論文首先總結了當前流行的地震數據組織和訪問方式，然后闡述了地震數據管理系統的設計方案，最后介紹了數據查詢、數據庫管理、SEG-Y地震數據查看和地震剖面及與其他地球物理數據綜合表達顯示功能的實現。

海洋地震數據；ArcGIS Engine；SEG-Y；Oracle數據庫；.NET平臺

908專項中國近海海洋地球物理調查采集了大量的海洋地震數據，它們以 SEG-Y格式存儲，若沿用以往的文件目錄管理、存放方式，將給數據的查詢、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中應用的GIS主要為單機版本，給地震數據的共享和推廣帶來不便[1]。根據“數字海洋”發展過程中對海洋地震數據管理的需求，本文結合數據庫和組件式GIS技術，在.NET平臺下開發海洋地震數據管理系統。

1 地震數據組織和訪問技術

地震數據是地球物理數據的重要組成部分，同時也是油氣勘探與開發、地質構造解釋工作中不可或缺的一類基礎數據[2], 其格式復雜、數據體龐大,所以地震數據的訪問成為地球物理軟件開發中的技術難點之一[3]。數據的組織和訪問方式是軟件系統的重要組成部分，當前地震軟件采用的地震數據訪問方式大致有以下幾種：

（1）將地震數據轉換為軟件內部數據格式的方式[3]

軟件根據SEG-Y文件信息順序讀取所有地震道數據，將地震數據轉換為軟件內部的數據格式，并通過建立索引文件的方式，實現軟件對地震數據的訪問，如LandMark的GeoGraphix Discovery地震解釋軟件。采用此方式訪問地震數據的主要優點是數據的訪問速度快，可以滿足地震剖面的訪問要求，但由于其需要數據格式的轉換，數據的共享性較差。

（2）讀取重構后的SEG- Y 實現地震數據的訪問[3]

對SEG-Y文件進行重構，通過補零的方式將變道長的地震數據轉換為固定道長的地震數據，然后實現對地震數據的訪問，如相干處理軟件CohTEEC。這種方式讀取地震數據文件效率較低，而且重構SEG-Y文件要花費一定時間，帶來原始地震數據訪問的變化。

（3）將地震道數據放入數據庫中[2]

軟件從測區的SEG-Y文件中順序讀取所有地震道數據，將地震道數據導入數據庫并建立索引，實現軟件對地震數據的訪問。它的優點是，生成任意測線剖面和水平切片時比從多個SEG-Y文件中讀取指定道數據速度快得多。

（4）數據文件與數據庫相結合的方式[2,4]

此方式中，地震數據是以SEG-Y文件形式進行組織。這些地震文件存儲在光盤或計算機的硬盤上，在關系數據庫中建立它們的索引表。在訪問地震數據時，先找到地震數據文件的物理位置，然后對文件進行操作，實現對地震數據的訪問，如：雙狐微機解釋系統。它的特點是將關系數據庫嚴謹高效的特點與文件結構靈活的特點相結合。基于上述優點，本系統采用這種地震數據訪問方式，即：將地震數據按照調查項目和測區不同建立合理的文件目錄結構，然后在數據庫中存儲這些文件路徑并建立索引，每次訪問地震數據時，首先通過數據庫中的索引表查詢到其對應的文件物理路徑，然后通過SEG-Y數據讀取模塊進行訪問。

2 系統設計

2.1 系統總體構架

空間數據在商業數據庫管理系統中進行存儲的方式主要有2種：一種是通過GIS軟件平臺開發商推出的SDE來存儲，如ESRI公司的ArcSDE[5]；一種是通過商業數據庫廠商基于數據庫服務器開發的空間數據插件來管理，如 Oracle公司的 Oracle Spatial。SDE 主要通過中間接口的方式將空間數據存儲到數據庫管理系統中，提供強大的空間數據處理能力，用戶無需關心其內部復雜的數據庫操作，技術成熟，使用方便，得到了廣泛應用[6]。經歷了CAD和Coverage兩代傳統地理數據模型后，ESRI推出Geodatabase這種全新的面向對象的標準化空間數據模型，它具有開放性、一致性、安全性和標準化等一系列重要特征[7]。前人提出了基于Geodatabase面向對象數據庫模型存儲和管理地球物理調查數據的解決方案，在實際工作中得到了成功應用，實現了對海底探測數據的一體化管理[8]。

因此，本文基于Geodatabase空間數據模型建立海洋地震數據庫，將海洋地震數據存儲在元數據庫和地震數據庫中，用戶通過ADO.NET和ArcSDE對其進行訪問，系統總體構架如圖1所示。

圖1 海洋地震數據管理系統總體構架圖Fig. 1 Architecture of marine seismic data management system

2.2 元數據庫設計

元數據（metadata），用于描述要素、數據集或數據集系列的內容、覆蓋范圍、質量、管理方式、數據的所有者、數據的提供方式等有關信息[9]。國際上流行的地震數據元數據標準有Marine Community Profile of ISO 19115標準、FGDC標準等，它們大致都包括以下模塊：標識信息、數據質量信息、維護信息、參考信息和分發信息等。《地球物理調查技術規程》中也規定了一套地球物理元數據記錄格式[10]。由于中國在海洋元數據標準上沒有一套統一的適用性強的規范，我們需要根據已有地震數據的特點，結合實際科研工作中的業務需求，制定一套合適的海洋地震元數據結構。

按照“航次－測線－點”的數據組織結構，將航次信息以元數據方式管理，我們設計了航次信息表和地震儀器屬性表作為海洋地震元數據（如圖2），地震儀器屬性表通過外鍵CruiseID與航次信息表關聯。考慮到實際海上地震調查情況，一個航次可能采用不同的地震采集儀器，所以這種關聯為一對多關系。航次信息表為海洋地球物理（多波束、重力、磁力、地震）元數據管理的公共表，主要包括項目相關信息、海上調查相關信息（調查時間、區域、參與者、基礎設備）和資料處理信息。海洋地震特有的元數據信息主要體現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 海洋地震元數據設計E-R圖Fig. 2 E-R diagram of marine seismic metadata design

2.3 數據庫設計

按照“航次－測線－點”的數據組織結構，并參考《海洋環境基礎數據庫標準》（修訂稿）[11]，設計了海洋地震數據庫（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 海洋地震數據庫設計E-R圖Fig. 3 E-R diagram of marine seismic database design

測線屬性表（CruiseLine）為海洋地球物理基礎數據管理的公共表，與航次信息元數據表的關聯為N：1，通過外鍵CruiseID完成。它的PointNumber字段表示該測線包含的總采樣點數，在地震數據中，稱為總炮點數；Subject字段表示該測線所屬的調查科目，在地震數據中，該字段值為“地震”，表示該條記錄為地震測線記錄；測線屬性表FilePath字段為該地震剖面對應的 SEG-Y文件路徑，以便查看SEG-Y文件的文本文件頭、二進制卷頭和道頭信息。

炮點屬性表（ShotNav）和地震剖面屬性表（SeismicProfile）都是通過外鍵LineID與地震測線屬性表關聯，且都為N：1關聯，即：每條地震測線對應N條炮點記錄和多個地震剖面，如時間剖面和深度剖面，使用地震剖面屬性表的ProfileType字段予以區別。

為了更好地服務地震解釋，我們還設計了時深轉換屬性表（TimeDepth）和層位屬性表（Horizon）。前者用來對某個測區的地震數據（時間剖面）進行時深轉換；后者用來保存從專業地震解釋軟件中提取的層位數據，每條測線一般含多個層位，它們通過HorizonID予以區別。

3 系統功能實現

3.1 地震元數據查詢

根據地震元數據設計方案，可以對數據庫中的海洋地震元數據按航次編碼進行查詢和導出，并可以動態加載查詢航次對應的地震測線分布圖（如圖4）。

圖4 海洋地震元數據查詢Fig. 4 Query of marine seismic metadata

3.2 地震測線信息查詢

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

圖5 地震測線查詢Fig. 5 Query of Seismic Lines

3.3 地震數據庫管理

在數據庫管理模塊中，提供了測線文件入庫、生成地震炮點標注、航跡線生成等功能。采集的地震數據按照“地震測線屬性表”的結構整理后，通過“測線文件入庫”功能導入“公共基礎數據庫”中。將炮點導航文件中的數據按炮號等間距抽稀，然后通過“生成地震炮點標注”功能轉換成ArcGIS的點要素，將其疊加在地震測線圖層上，方便了地震數據的解釋。

3.4 SEG-Y文件查看

SEG-Y文件由卷頭說明（3200字節的文本文件頭）、卷頭信息（400字節二進制文件頭）和每道道頭信息（240字節二進制道頭）及其對應的道數據體組成[12]。根據被選測線對應的 SEG-Y文件路徑（存儲在“測線屬性表”的FilePath字段中），使用“SEG-Y地震數據查看工具”查看其內部信息（如圖6）。在狀態欄中，顯示了文件名稱、采樣點格式、總道數、道采樣點數、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

該系統提供了查看地震剖面的功能（如圖7），它實現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、移動和顯示參數設置。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、負極性和雙極性顯示，通常正極性填充紅色，負極性填充藍色，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

該系統還具有顯示地球物理綜合剖面的功能（如圖8），其實現主要用到“雙緩沖技術”，即：將要顯示的圖形先在內存中繪制好，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”上標注水深剖面起點的數值，使用“垂直滾動條”控制地震剖面在縱向上的移動。

當鼠標在剖面圖上移動時，觸發剖面面板對象的 MouseMove事件，將鼠標點的橫坐標映射到實際的采樣點號上，然后從數據庫中查詢該采樣點對應的坐標，再通過自定義的委托事件將這個坐標傳遞給主窗體，最后使用地圖控件的DrawShape方法繪制點狀符號，實現了綜合剖面與對應測線之間的聯動。

4 小 結

基于詳細全面的系統設計，本文采用先進的GIS技術和關系型數據庫技術，研究了海洋地震管理系統的技術體系，并將其運用到海洋地震數據管理系統的設計與開發中，將中國近海范圍內的海底地形、地貌、地球物理、鉆井等多源異構的海量數據統一組織和管理起來，提供查詢、顯示、綜合應用等功能，實現了海洋地震數據與其他專業數據的一體化管理與應用。

致謝：非常感謝國家海洋局第二海洋研究所海底科學重點實驗室高金耀研究員在論文寫作中給予指導，非常感謝課題組楊春國、沈中延、周志遠和孫運凡在論文寫作中給予幫助，謹此致謝！

[1] 單德華, 劉哲, 韓紹欣. Web GIS技術在遼寧地震數據管理中的應用 [J]. 東北地震研究, 2002,18(4)： 44.

[2] 王洪偉. 基于GIS的地震數據庫結構設計及其訪問技術研究 [D].青島： 中國海洋大學, 2008.

[3] 馬承杰. 地震數據訪問技術研究 [J]. 石油工業計算機應用,2005, 13(4)： 5-7.

[4] 蔣建利, 王勇, 周國強, 等. 研究開發大型雙狐工具軟件的實踐與思考 [J]. 物探裝備, 2003, 13(1)：14-16.

[5] West R. Understanding ArcSDE [M]. USA： ESRI Press, 2001.

[6] 蘇天赟, 劉保華, 翟世奎, 等. “數字海底”數據庫：海底多源綜合數據的集成與管理方法研究 [J]. 海洋科學進展, 2005, 23(4)：507.

[7] 何新東, 陳曦. 面向對象技術在 GIS數據庫中的應用研究 [J].干旱區地理, 2001, 24(4)： 371-375.

[8] 楊春國, 金翔龍, 高金耀. 基于geodatabase的海底探測數據庫的構建 [J]. 地理空間信息, 2008, 6(2)： 103-105.

[9] 全國科學技術名詞審定委員會[EB/OL]. http：//www. cnctst.gov.cn/index.jsp.

[10] 國家海洋局908專項辦公室. 地球物理調查技術規程 [M]. 北京：海洋出版社, 2005.

[11] 國家海洋局908專項辦公室. 海洋環境基礎數據庫標準 [M]. 北京： 海洋出版社, 2008.

[12] SEG Technical Standards Committee. SEG Y rev 1 Data Exchange format [M]. 2002.

[13] 溫慶慶. 可視化地震資料解釋系統的研究與開發 [D]. 西安：西安科技大學, 2008.

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

“數字海洋”海洋二所節點建設（908-03-05-07）；我國近海海洋地球物理調查研究（908-ZC-I-06）；國家海洋局第二海洋研究所基本科研業務費專項資助項目（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。