煤田地质勘探地理信息系统空间数据库管理系统设计

2021-02-25孙岩,李斌,罗群

科学技术与工程 2021年1期

孙岩,李斌,罗群

(1.北京联合大学特殊教育学院，北京 100075;2.韩山师范学院，潮州 521041;3.中国石油大学(北京)非常规科学技术研究院，北京 100049)

中国是煤炭资源丰富的国家，也是世界最大的煤炭生产国和煤炭消费国[1]。中国的含煤盆地田大部分经历了勘探阶段后，储量均已探明，积累了大量的煤田地质钻孔资料[2]。特别是近年来随着煤炭开采的快速推进，煤田补充勘探任务量迅速增加，钻孔地质资料呈迅速增加趋势[3]。煤田勘探地质资料是煤田开采的基础，实时分析、研究钻孔地质资料是煤田开采前期的必备手段，也是地学科研的重要途径。如何高效地管理、存储、共享、查询、重复利用煤田勘探地质资料是所有地学工作者关心的问题[4-6]。

地质勘探数据是国家的珍贵资料，具有重要的重复利用价值。美国地质调查局自20世纪70年代就开始了全球矿产资源数据库建设，汇集了全球矿产资源的分布状况信息，并为其全球战略服务[7-8]。发达国家和世界组织建成了煤炭资源数据库，如美国地质调查局的“国家煤炭资源数据系统”,是目前世界上最大的煤炭资源信息库，它可以通过计算机网络让政府或者其他相关人员于世界500多个城市随时检索库中的数据；国际能源机构建立的“世界煤炭资源与煤炭储量数据库”，加拿大地质调查所与阿尔伯达大学共同完成的“西加拿大煤炭资源数据库”,均取得了显著的效果[9]。

中国地质调查局于2004年成功建立了区域地质空间数据库系统，通过互联网管理、发布，并向全社会提供信息服务，可以异地查询、下载地质资料，实现了地质资料的信息资源共享，取得良好效果，并创造了经济效益[10-11]。中国石油部门的各大油田从20世纪90年代末开始陆续建立了石油地质空间数据库，在系统内部提供网络查询服务，实现了石油地质资料共享，为石油地质勘探、研究提供了便捷性服务[12-14]。中国煤田系统从1983年开始着手全国煤质信息属性数据库建设，部分煤炭类企业建成了煤矿勘探区地质钻孔数据库[13]，但还未系统性开展煤田地质空间数据库建设，并向全国提供煤田地质资源信息化服务[15-16]。且大部分煤炭企业的钻孔数据库基本以客户/服务器(client/server，C/S)方式内部运行为主[14]，难以提供便捷型网络社会化空间数据查询、借阅功能，且数据录入烦琐，数据库维护功能不灵活，维护工作量巨大，信息更新速度慢，缺乏数据加工、分析等自动化功能，导致数据应用效率低下，严重制约了煤田地质勘探的生产、科研发展，亟须引起重视。

此外，目前煤炭企业钻孔数据库信息以结构化地质分层编录为主，信息量严重不足。因煤炭行业难以建立统一的地质编录工业标准，编录人员的业务素质不同，导致不同钻孔间岩心鉴定及地质分层人为性差异较大，而且缺乏其他基础信息(如野外照片、岩性鉴定、生物化石)佐证，在煤层及地层序列对比时，常遇到难以解决的困难。而其他相关钻孔地质数据仍以文件形式保存，如文字报告或地质图件，这些非结构化地质资料具有存储位置分散、查阅复杂、借阅周期长、流传过程烦琐、安全性较低等问题，严重制约了煤田地质科研、生产发展，迫切需要改变煤田地质资料管理方式，以适应高速信息化的发展。

在煤田勘探实践中，通过充分调研煤田勘探地质数据类型和文件存储格式，分析地质空间数据和属性数据之间的关系，创建煤田地质勘探关系型空间数据库，形成地质数据综合管理平台，提供远程空间数据综合查询服务，从而实现地质钻孔资料深度共享。经过在实践中应用，该煤田地质勘探空间数据库管理系统是数据录入、维护、传输、查询、共享的高效率管理模式，可为煤田地质勘探数据管理提供新的思路。

1 煤田勘探数据分类

煤田地质勘探数据从数据的表现形式上划分出空间数据和属性数据[17]；从煤田勘探任务完成阶段可以划分出野外施工数据和室内总结报告数据。

空间数据是以描述地质要素的空间位置、几何形态及其相互之间拓扑关系并具有空间属性的数据，一般用图形、图像表示，也称地图数据。在煤田地质勘探中主要为钻孔空间位置信息、勘探工作区位置信息以及与工作区相关的行政区划、建筑、水系、道路等地理背景位置信息。这些信息是以拓扑结构的图形数据形式表现，包括点、线、面等实体[18]。

属性数据是指各种与空间位置有关，反映事物某些特性的数据，一般用于记录特性的数值、文字、字符、数据、表格、图形等表示，也可用其他媒体(如示意性的图形或图像、声音、动画等)表示，也称文字数据、非空间数据[19]。属性数据中的图形、图像指以“静态”的方式形象化表示，以图片的方式存储或显示，图形、图像中的数据与控制位置有关，但不具备空间信息存储、空间信息关联的“死数据”，不是地理数据，需要借助矢量化信息手段才能提取空间特征。在煤炭勘探中需要积累、处理大量的属性数据，如工程设计、施工组织设计、项目报告、研究论文等综合性成果文字材料；地形地质图、采掘工程平面图、综合柱状图、煤层厚度图等研究型图件材料；编录信息、测井信息、采样信息、煤质化验分析数据信息、地层学基础文字数据；还有施工过程中的开孔通知、见煤预告书、设计更改、测井通知、封孔通知、封孔报告、监督日志等简短文字材料等。

将上述空间数据与属性数据通过内在的数据逻辑关系建立科学的数据关联，按照数据结构特征设计数据表字段类型，数据表之间通过关键字段建立连接，即可形成空间关系型数据库。

2 煤田勘探数据库设计

按照煤田勘探阶段，区分出煤田勘探过程数据库和煤田勘探成果数据库设计两部分，在每个部分将空间数据和属性数据建立逻辑关系。

图1 煤田勘探施工过程数据表关系图Fig.1 Data table relational diagram of coal field explorating process

2.1 煤田勘探过程数据库设计

煤田勘探现场施工主要工作内容为钻探、编录、测井、取样、封孔等。在施工前形成的书面材料有：工程设计、施工组织设计、开孔通知单、见煤预告书等；在施工过程中形成书面材料的有：设计变更报告、监督日志、钻井记录、会议纪要、测井通知书、岩心鉴定报告等；在施工结束后，形成的书面材料有：取煤记录表、瓦斯采样表、力学采样表、测斜成果表、测井成果表、封孔设计书、封孔报告书、钻孔质量验收书等。

将煤炭勘探施工前后文字材料收集起来，分析各自的数据结构特征，设计空间数据表和属性数据表(图1)，数据表之间以关键字段“钻孔编号”建立“1对多”的关系：各属性表中通过外部关键字段“钻孔编号”与探井基本信息表中主要关键字段“钻孔编号”建立逻辑对应关系。在数据查询时，各数据表之间通过“钻孔编号”字段连接方式实现。探井基本信息表是数据库设计中的基本数据表，可通过坐标位置在地理信息系统平台中以“点”实体的方式投影显示表中数据，而其他表中数据也可通过该表在空间信息展示。例如，可以查询工区范围内探井的钻探位置、钻探施工周期、施工单位、工程设计、组织施工设计、采样与分析化验情况、封孔情况等。

2.2 煤田勘探成果数据库设计

煤田勘探成果是通过钻井、测井、分析化验等手段，掌握工作区煤层特征、时空展布规律、顶底板力学特征、瓦斯特征等综合地质信息。按照数据结构特征设计多个属性数据表，并建立数据表之间的逻辑关系(图2)。属性数据表中一类为煤层特征数据表，包括：煤层特征表、煤层成果表、煤层评价表、煤层爆炸性表、煤样分析化验表、煤灰溶融性表、煤层顶底板表、煤层顶底板统计表、顶底板岩石力学表等。属性数据表中另一类为地层特征表，主要有：地层分层表、地质系表、层序地层表、沉积微相表、地层编录表、结构总表、沉积构造总表、镜下鉴定表、颜色总表、岩性总表、化石总表、水文地质分层表、常规测井表、岩心照相表、综合柱状图表。属性数据表中第三类为成果总结表，主要有：项目报告表、工程图件表。各属性表之间通过主、外键关键字段建立逻辑关系，各属性表与探井基本信息表通过“钻井编号”字段建立逻辑关系。探井基本信息表为空间数据表，可以通过字段间的连接方式，在空间查询、分析所有属性数据。如查找某口井的综合柱状图，查询某个区域多口井的煤层厚度、煤层特征等。探井基本信息表与工作区划分表通过关键字段“工作区编号”建立逻辑关系，实现综合查询。如查询、分析某个工作区内每口井煤层的厚度变化趋势；对比分析每口井的地层序列及展布特征、沉积相变化特征等。

3 数据更新与维护

随着煤田勘探的有序推进，探井数量陆续增加，煤田勘探数据呈海量增加，数据库维护人员需要积累大量地质数据，及时进行更新、维护，以充实数据库内容。根据数据库中存储信息的文件格式，数据库维护可以划分为空间数据文件维护、属性数据文件维护、数据表信息维护三种类型，每种类型将采用不同的数据传递方式。

空间数据文件和属性数据文件可以采用共享文件夹传输、FTP文件传输、网页客户端平台传输的方式。空间数据文件和属性数据文件均存放在服务器指定的文件夹下，在数据库各表中使用特定字段存储其链接路径。采用共享文件夹的方式或FTP传输方式，需要设置用户名和密码，按照给定权限(读取、修改、删除等)进行异地文件操作，且数据传输完后需要及时在对应的数据表中增加或更新链接字段。此种方式工作效率较高，但对维护人员的专业技能有一定的要求。采用网页客户端传输方式访问数据库，是一项安全性较高的方式，但对文件格式要求严格，操作的灵活度不够，应配置专人管理。由编程人员充分调研常见煤田勘探地质文件的格式后，针对性编制特色的B-S结构的网页数据库客户端维护系统，维护人员可以直接点击菜单的方式，选择文件后传输，数据库系统接收文件后在相应的数据表中自动增加数据记录，并按照设定路径自动整理数据文件，并在数据表的特定字段中自动建立链接关系。这两种维护方式根据专业人员的业务素质不同选择性使用。

而数据表信息维护，维护工作量巨大。目前很多单位采用客户端网页平台传输、修改方式进行传输、维护，实践中发现了很多难以克服的问题。尤其是数据录入，消耗大量的时间，工作效率极其低下，且因数据格式的严格限制，常因出现录入数据错误而导致系统无法运行。建议采用专业化数据库维护方式，并配置专人负责数据库服务器管理。在服务器端安装网络数据库服务器(如Sql Server)，建立数据库角色用户，针对特定的数据表设定角色用户权限；在远程终端安装数据库服务器客户端版本，与数据库服务器通过角色用户连接。维护人员按照指定权限对数据表进行导入、修改、删除、查询，也可将电子表格文件直接导入数据，使用数据库语言在查询分析器中实现查询、修改、删除等，以实现高效数据访问、共享和处理。但该种方式对维护人员的计算机技术要求较高，需要进行针对性培训。

4 信息化需求分析及查询设计

煤田勘探地质勘探地理信息系统(geographic information system，GIS)空间数据库的实现，能最大限度地为地质工作者提供便捷、高效的信息查询途径。但随着勘探区地质数据增加，数据库系统内容逐渐丰富，数据之间逻辑关系错综复杂，数据的查询分析方式也成为数据能够快速共享的重要因素。

4.1 地图导航检索

图3 地图导航查询方式图Fig.3 Map navigation query diagram

煤田勘探地质空间数据库通过Web浏览器方式在网页中展示，空间信息显示为点、线、面特征。如在客户端访问某勘探区域，则在网页中显示为活鸡兔补勘区域形状、钻井点标志、断层以及简要的地理标识等(图3)。当鼠标定位于区域形状内任意位置，在鼠标处可以显示工作区划分表中的基础信息，如工作区编号、工作区位置等，当鼠标点击该区域，则进入下一个网页，显示该工作区所有探井列表，各探井名称均显示为链接形状，以供进一步查询各探井的具体信息。当鼠标位于每个探井名称上方，则在鼠标位置显示该探井基本信息表中的内容，如钻孔编号、工作区编号、盆地编号等。若用鼠标点击某探井点标志，则进入下一个网页，以表格形式显示与该探井编号相关联的所有实体属性表名称，如工程设计表、组织施工设计表等，以及煤田勘探成果数据表中以钻孔编号为主要关键字段或外部关键字段的属性表，如探井基本信息表、地层编录表、镜下鉴定表等。每个实体属性表名均显示为链接方式，鼠标点击后，进入下一个网页，以表格形式显示该表中的所有内容。而非实体属性表(各探井属性的公用表)，如沉积微相表、结构总表、沉积构造总表、化石总表、岩性总表、颜色总表等，为非钻孔特有的属性表，是描述所有地质现象的通用表，则不显示表名，也不单独显示表中内容。这些表将和其他实体表通过链接标志显示其关键字段信息，如岩性表中的岩性将通过地层编录表中的“岩性编号”字段链接后显示。网页中显示实体属性表内容时，记录中的文字内容全部显示，而图片、文件则仅显示其名称，并显示为链接标志，通过内部路径链接源文件，鼠标点击后可以直接下载使用。

4.2 根据指定条件检索查询

煤田勘探地质空间数据库使用Web浏览器方式进行地图导航查询，用户可以逐层深入查阅所需地质资料。该种方式虽然简单直观，但需要多次点击、逐层搜索目标。若数据库中数据表内容繁多、数据表链接层次较深、数据之间逻辑关系复杂，按照鼠标点击地图标识查询，则消耗时间和精力较多，查询效率降低。所以，在设计查询方式时，增加了“给定条件”的查询方式，弥补地图导航查询的缺陷，可以直接输入查询条件进行模糊查询，缩短查询途径，提高查询的准确性和时效性。如在地图导航查询网页中增加3个文本选择框，其中一个文本框弹出工作区名称，一个文本框弹出探井井号，第3个文本框弹出数据表点击“确定”按钮后，进入下一个网页后用表格方式显示指定数据表中的所有内容(图4)。

图4 指定条件查询方式图Fig.4 Specified conditional query patterns diagram

4.3 数据库查询分析器查询

作为普通用户，使用地图导航查询与指定条件查询，基本可以满足需求[20]。但对于较高级的特殊用户，往往是单位重要科研人员，需要全面了解煤田勘探地质空间数据库中数据库建设进展，深入分析煤田地质相关特征，系统掌握研究区煤田地质勘探程度及聚煤规律，使用地图导航查询和指定条件查询方式则稍显不足，可以使用特殊的查询方式——数据库查询分析器查询。目前的网络数据库大部分提供查询分析器窗口，如Sql Server数据库服务器提供图形化的查询分析器编程接口，是数据库访问、信息处理的重要工具[21]。高级用户在客户端安装查询分析器，通过用户授权权限与数据库连接后，在查询分析器中即可以编辑Sql代码，进行灵活、便捷、复杂、高效的查询分析。在煤田勘探地质空间数据库应用中，如需分析、对比多口探井之间的岩性特征、层序划分、沉积微相特征、煤层成果特征、煤样化验特征、岩性镜下鉴定、水文地质分层、岩性照相、测井曲线等综合特征等，就可以通过一条Sql语句，同时对多个探井的基本信息表、地层编录表、结构总表、沉积构造总表、颜色总表、岩性总表、化石总表、水文地层分层表、常规测井表、地质分层表、地质系表、岩心照相表、层序地层表、沉积微相表、镜下鉴定表、煤层成果表、煤层特征表、煤层评价表、煤样分析化验表进行链接查询，得出最终结果数据，直接用于绘制综合柱状图及相关分析，节约了大量的信息查询、分析、处理的时间，从根本上提高工作效率。

5 GIS空间数据库系统实现

在服务器端安装空间数据库服务器软件系统ArcGis Server 和属性数据库服务器系统Sql Server，使用ASP.NET 服务器脚本技术和JavaScript客户端脚本语言环境共同搭建煤田勘探地质空间数据库系统平台[22]。

ArcGis Server是ESRI出台的功能强大的基于服务器的产品，用于构建集中管理的、支持多用户的、具备高级功能的空间数据管理服务[23]。该平台可实现基于Web方式的分布式环境下的地理数据管理、应用服务，和常用的关系型数据库管理系统可以无缝对接，如Sql Server、Access等，也支持计算机网络语言进行二次开发，如C#，ASP，Java等。在煤田勘探地质空间数据库设计中，具有空间特征的数据库设计使用地理信息系统服务器管理软件ArcGis Server，对工作区分布、钻井位置、地质构造、煤层展布特征、行政区划等具有地理性质的数据等均采用点、线、面建立空间数据库，以盆地编号、工作区编号、钻孔编号等设定数据库关键字段，以关键字段建立数据存储索引，并以钻孔编号为主要关键字段与属性数据库建立连接关系。

Sql Server是Microsoft 公司推出的关系型数据库管理系统，在众多行业的数据管理中得到广泛推广使用[24]。在煤田勘探地质空间数据库设计中的所有属性数据设计中，均使用Sql Server数据库服务器管理软件，对设计报告、录井数据、测井数据、地化数据、野外照片、地质图件等非地理性质数据资料建立关系型属性数据库，以钻孔编号为外部关键字段建立索引，与空间数据库建立连接关系。高级用户的客户端安装Sql Server，在服务器端为其设置用户权限，以供其进行数据维护、访问等工作。

空间数据和属性数据均通过网页数据库方式对外发布，普通用户采用B/S结构访问，即可通过浏览器查询。数据库与网页之间的数据访问，可使用ASP.NET企业级Web应用服务的编程框架，通过服务器端脚本语言ASP和客户端脚本语言JavaScript、HTML、CSS编程实现，此技术方法在地质数据库建设的实践研究中已成熟使用，部分代码可以直接借用[25-26]。