基于GIS的海洋地震数据管理系统的设计与实现

杨勇，高金耀，杨春国，沈中延，周志远，孙运凡

（国家海洋局第二海洋研究所 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012）

基于GIS的海洋地震数据管理系统的设计与实现

杨勇，高金耀，杨春国，沈中延，周志远，孙运凡

（国家海洋局第二海洋研究所 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012）

基于大型Oracle数据库管理系统和先进的空间数据引擎SDE技术，将SEG-Y格式海洋地震数据与地理信息系统相结合，并按照“航次－测线－点”的数据组织结构设计了海洋地震数据库。论文首先总结了当前流行的地震数据组织和访问方式，然后阐述了地震数据管理系统的设计方案，最后介绍了数据查询、数据库管理、SEG-Y地震数据查看和地震剖面及与其他地球物理数据综合表达显示功能的实现。

海洋地震数据；ArcGIS Engine；SEG-Y；Oracle数据库；.NET平台

908专项中国近海海洋地球物理调查采集了大量的海洋地震数据，它们以 SEG-Y格式存储，若沿用以往的文件目录管理、存放方式，将给数据的查询、显示和综合分析带来很多不便。目前的地震处理和解释系统中应用的GIS主要为单机版本，给地震数据的共享和推广带来不便[1]。根据“数字海洋”发展过程中对海洋地震数据管理的需求，本文结合数据库和组件式GIS技术，在.NET平台下开发海洋地震数据管理系统。

1 地震数据组织和访问技术

地震数据是地球物理数据的重要组成部分，同时也是油气勘探与开发、地质构造解释工作中不可或缺的一类基础数据[2], 其格式复杂、数据体庞大,所以地震数据的访问成为地球物理软件开发中的技术难点之一[3]。数据的组织和访问方式是软件系统的重要组成部分，当前地震软件采用的地震数据访问方式大致有以下几种：

（1）将地震数据转换为软件内部数据格式的方式[3]

软件根据SEG-Y文件信息顺序读取所有地震道数据，将地震数据转换为软件内部的数据格式，并通过建立索引文件的方式，实现软件对地震数据的访问，如LandMark的GeoGraphix Discovery地震解释软件。采用此方式访问地震数据的主要优点是数据的访问速度快，可以满足地震剖面的访问要求，但由于其需要数据格式的转换，数据的共享性较差。

（2）读取重构后的SEG- Y 实现地震数据的访问[3]

对SEG-Y文件进行重构，通过补零的方式将变道长的地震数据转换为固定道长的地震数据，然后实现对地震数据的访问，如相干处理软件CohTEEC。这种方式读取地震数据文件效率较低，而且重构SEG-Y文件要花费一定时间，带来原始地震数据访问的变化。

（3）将地震道数据放入数据库中[2]

软件从测区的SEG-Y文件中顺序读取所有地震道数据，将地震道数据导入数据库并建立索引，实现软件对地震数据的访问。它的优点是，生成任意测线剖面和水平切片时比从多个SEG-Y文件中读取指定道数据速度快得多。

（4）数据文件与数据库相结合的方式[2,4]

此方式中，地震数据是以SEG-Y文件形式进行组织。这些地震文件存储在光盘或计算机的硬盘上，在关系数据库中建立它们的索引表。在访问地震数据时，先找到地震数据文件的物理位置，然后对文件进行操作，实现对地震数据的访问，如：双狐微机解释系统。它的特点是将关系数据库严谨高效的特点与文件结构灵活的特点相结合。基于上述优点，本系统采用这种地震数据访问方式，即：将地震数据按照调查项目和测区不同建立合理的文件目录结构，然后在数据库中存储这些文件路径并建立索引，每次访问地震数据时，首先通过数据库中的索引表查询到其对应的文件物理路径，然后通过SEG-Y数据读取模块进行访问。

2 系统设计

2.1 系统总体构架

空间数据在商业数据库管理系统中进行存储的方式主要有2种：一种是通过GIS软件平台开发商推出的SDE来存储，如ESRI公司的ArcSDE[5]；一种是通过商业数据库厂商基于数据库服务器开发的空间数据插件来管理，如 Oracle公司的 Oracle Spatial。SDE 主要通过中间接口的方式将空间数据存储到数据库管理系统中，提供强大的空间数据处理能力，用户无需关心其内部复杂的数据库操作，技术成熟，使用方便，得到了广泛应用[6]。经历了CAD和Coverage两代传统地理数据模型后，ESRI推出Geodatabase这种全新的面向对象的标准化空间数据模型，它具有开放性、一致性、安全性和标准化等一系列重要特征[7]。前人提出了基于Geodatabase面向对象数据库模型存储和管理地球物理调查数据的解决方案，在实际工作中得到了成功应用，实现了对海底探测数据的一体化管理[8]。

因此，本文基于Geodatabase空间数据模型建立海洋地震数据库，将海洋地震数据存储在元数据库和地震数据库中，用户通过ADO.NET和ArcSDE对其进行访问，系统总体构架如图1所示。

图1 海洋地震数据管理系统总体构架图Fig. 1 Architecture of marine seismic data management system

2.2 元数据库设计

元数据（metadata），用于描述要素、数据集或数据集系列的内容、覆盖范围、质量、管理方式、数据的所有者、数据的提供方式等有关信息[9]。国际上流行的地震数据元数据标准有Marine Community Profile of ISO 19115标准、FGDC标准等，它们大致都包括以下模块：标识信息、数据质量信息、维护信息、参考信息和分发信息等。《地球物理调查技术规程》中也规定了一套地球物理元数据记录格式[10]。由于中国在海洋元数据标准上没有一套统一的适用性强的规范，我们需要根据已有地震数据的特点，结合实际科研工作中的业务需求，制定一套合适的海洋地震元数据结构。

按照“航次－测线－点”的数据组织结构，将航次信息以元数据方式管理，我们设计了航次信息表和地震仪器属性表作为海洋地震元数据（如图2），地震仪器属性表通过外键CruiseID与航次信息表关联。考虑到实际海上地震调查情况，一个航次可能采用不同的地震采集仪器，所以这种关联为一对多关系。航次信息表为海洋地球物理（多波束、重力、磁力、地震）元数据管理的公共表，主要包括项目相关信息、海上调查相关信息（调查时间、区域、参与者、基础设备）和资料处理信息。海洋地震特有的元数据信息主要体现在地震仪器属性表中，主要包括：震源信息、接收器信息、电缆信息及一些多道地震属性信息。

图2 海洋地震元数据设计E-R图Fig. 2 E-R diagram of marine seismic metadata design

2.3 数据库设计

按照“航次－测线－点”的数据组织结构，并参考《海洋环境基础数据库标准》（修订稿）[11]，设计了海洋地震数据库（如图3），主要分为属性表和空间特征表2大类，空间特征表的表名以Geo.开头，为ArcGIS中的地理要素类（FeatureClass）。

图3 海洋地震数据库设计E-R图Fig. 3 E-R diagram of marine seismic database design

测线属性表（CruiseLine）为海洋地球物理基础数据管理的公共表，与航次信息元数据表的关联为N：1，通过外键CruiseID完成。它的PointNumber字段表示该测线包含的总采样点数，在地震数据中，称为总炮点数；Subject字段表示该测线所属的调查科目，在地震数据中，该字段值为“地震”，表示该条记录为地震测线记录；测线属性表FilePath字段为该地震剖面对应的 SEG-Y文件路径，以便查看SEG-Y文件的文本文件头、二进制卷头和道头信息。

炮点属性表（ShotNav）和地震剖面属性表（SeismicProfile）都是通过外键LineID与地震测线属性表关联，且都为N：1关联，即：每条地震测线对应N条炮点记录和多个地震剖面，如时间剖面和深度剖面，使用地震剖面属性表的ProfileType字段予以区别。

为了更好地服务地震解释，我们还设计了时深转换属性表（TimeDepth）和层位属性表（Horizon）。前者用来对某个测区的地震数据（时间剖面）进行时深转换；后者用来保存从专业地震解释软件中提取的层位数据，每条测线一般含多个层位，它们通过HorizonID予以区别。

3 系统功能实现

3.1 地震元数据查询

根据地震元数据设计方案，可以对数据库中的海洋地震元数据按航次编码进行查询和导出，并可以动态加载查询航次对应的地震测线分布图（如图4）。

图4 海洋地震元数据查询Fig. 4 Query of marine seismic metadata

3.2 地震测线信息查询

系统提供了地震测线查询的功能（如图5）。当使用工具栏中的框选按钮选择感兴趣的测线后，这些测线会在地图上高亮显示，并在“测线信息表”选项卡中显示其属性信息，可以使用“右键上下文菜单”对地震测线进行下载、缩放到测线位置和取消选择等操作。

图5 地震测线查询Fig. 5 Query of Seismic Lines

3.3 地震数据库管理

在数据库管理模块中，提供了测线文件入库、生成地震炮点标注、航迹线生成等功能。采集的地震数据按照“地震测线属性表”的结构整理后，通过“测线文件入库”功能导入“公共基础数据库”中。将炮点导航文件中的数据按炮号等间距抽稀，然后通过“生成地震炮点标注”功能转换成ArcGIS的点要素，将其叠加在地震测线图层上，方便了地震数据的解释。

3.4 SEG-Y文件查看

SEG-Y文件由卷头说明（3200字节的文本文件头）、卷头信息（400字节二进制文件头）和每道道头信息（240字节二进制道头）及其对应的道数据体组成[12]。根据被选测线对应的 SEG-Y文件路径（存储在“测线属性表”的FilePath字段中），使用“SEG-Y地震数据查看工具”查看其内部信息（如图6）。在状态栏中，显示了文件名称、采样点格式、总道数、道采样点数、卷采样间隔等重要信息。

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

3.5 地震剖面查看

该系统提供了查看地震剖面的功能（如图7），它实现了基本的图像操作功能，如：缩放到窗口大小、缩放到原始大小、放大、缩小、移动和显示参数设置。我们采用“变面积显示”方式显示地震剖面，变面积显示是将波峰(或者波谷)填充上特定的色彩，比较常用的是将波峰用黑色填充。变面积显示有三种——正极性、负极性和双极性显示，通常正极性填充红色，负极性填充蓝色，而双极性是将波峰和波谷填充上不同的色彩[13]。

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

3.6 地球物理信息综合表达

该系统还具有显示地球物理综合剖面的功能（如图8），其实现主要用到“双缓冲技术”，即：将要显示的图形先在内存中绘制好，然后一次性拷贝到屏幕上，这样有效地减少了图形闪烁问题。

图8 地球物理综合剖面查看器Fig. 8 Geophysical Integration Profile Viewer

通过“水深剖面跟踪条”控制水深剖面在地震剖面上的叠加位置，在“地震及水深纵坐标”上标注水深剖面起点的数值，使用“垂直滚动条”控制地震剖面在纵向上的移动。

当鼠标在剖面图上移动时，触发剖面面板对象的 MouseMove事件，将鼠标点的横坐标映射到实际的采样点号上，然后从数据库中查询该采样点对应的坐标，再通过自定义的委托事件将这个坐标传递给主窗体，最后使用地图控件的DrawShape方法绘制点状符号，实现了综合剖面与对应测线之间的联动。

4 小 结

基于详细全面的系统设计，本文采用先进的GIS技术和关系型数据库技术，研究了海洋地震管理系统的技术体系，并将其运用到海洋地震数据管理系统的设计与开发中，将中国近海范围内的海底地形、地貌、地球物理、钻井等多源异构的海量数据统一组织和管理起来，提供查询、显示、综合应用等功能，实现了海洋地震数据与其他专业数据的一体化管理与应用。

致谢：非常感谢国家海洋局第二海洋研究所海底科学重点实验室高金耀研究员在论文写作中给予指导，非常感谢课题组杨春国、沈中延、周志远和孙运凡在论文写作中给予帮助，谨此致谢！

[1] 单德华, 刘哲, 韩绍欣. Web GIS技术在辽宁地震数据管理中的应用 [J]. 东北地震研究, 2002,18(4)： 44.

[2] 王洪伟. 基于GIS的地震数据库结构设计及其访问技术研究 [D].青岛： 中国海洋大学, 2008.

[3] 马承杰. 地震数据访问技术研究 [J]. 石油工业计算机应用,2005, 13(4)： 5-7.

[4] 蒋建利, 王勇, 周国强, 等. 研究开发大型双狐工具软件的实践与思考 [J]. 物探装备, 2003, 13(1)：14-16.

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

[6] 苏天赟, 刘保华, 翟世奎, 等. “数字海底”数据库：海底多源综合数据的集成与管理方法研究 [J]. 海洋科学进展, 2005, 23(4)：507.

[7] 何新东, 陈曦. 面向对象技术在 GIS数据库中的应用研究 [J].干旱区地理, 2001, 24(4)： 371-375.

[8] 杨春国, 金翔龙, 高金耀. 基于geodatabase的海底探测数据库的构建 [J]. 地理空间信息, 2008, 6(2)： 103-105.

[9] 全国科学技术名词审定委员会[EB/OL]. http：//www. cnctst.gov.cn/index.jsp.

[10] 国家海洋局908专项办公室. 地球物理调查技术规程 [M]. 北京：海洋出版社, 2005.

[11] 国家海洋局908专项办公室. 海洋环境基础数据库标准 [M]. 北京： 海洋出版社, 2008.

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

[13] 温庆庆. 可视化地震资料解释系统的研究与开发 [D]. 西安：西安科技大学, 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

“数字海洋”海洋二所节点建设（908-03-05-07）；我国近海海洋地球物理调查研究（908-ZC-I-06）；国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项资助项目（TJ0902）。

杨勇(1985－)，男，在读硕士研究生，主要从事海洋地球物理信息系统方面的研究。电子邮箱：yangyong688@gmail.com。

高金耀，研究员。电子邮箱： jygao@mail.hz.zj.cn。