（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于gis层状地质体三维可视化研究.pdf

基于g i s 层状地质体可视化研究 赵利民( 地图制图学与地理信息工程) 指导教师：赵永军( 教授) 摘要 通过对地学数据进行基于g i s 管理，并用计算机模拟软件来直观展示 地质对象的三维形态，能准确地观察研究其内部蕴含的丰富信息，为开发 利用矿产资源提供有效的帮助。目前，三维空间可视化大多数开发实例都 是基于o p e n g l 标准利用高级程序语言从底层做起，这使得人们在构建地一 质体数据的同时，还要花很大精力在图形显示上，存在高开发周期和高风 险性及不确定性。组件技术开发应用程序的发展为地学三维可视化软件的 编制提供了新的思路。通过在n e t 环境下引入r s i 公司的m a p o b j e c t s 组件、 s u r f e r 8 提供的c ss e r i p t e r 脚本语言和i d l 程序提供的i d l d r a w w i d g e t 及 s l i c e r 3 组件，进行了地质建模实验系统的开发，探讨了利用组件技术对钻 孔资料进行g i s 管理和空间插值、三维建模的方法。系统主要实现了以下 功能：地学数据的组织与管理；空间数据内插与插值效果评价：层状地质 体三维可视化与模型操作。研究发现，在编程环境中广泛引入科学计算控 件和功能控件，能够方便快速地实现对钻孔资料进行基于g i s 的管理和最 优空间插值、三维建模可视化及模型操作。最后对该系统的完善与拓展做 出了展望。 关键词：地质体；组件；g i s ：空间插值；三维可视化 s t u d yo n v i s u a l i z a t i o no fs t r a t i f i e dg e o l o g i c a lb o d yb a s e o n g i s z h a ol i m i n ( c a r t o g r a p h ya n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a oy o n g - j u n a b s t r a c t t h e o r g a n i z a t i o na n d v i s u a l i z a t i o no fg e o l o g i c a ld a t ab a s e do ng i sp r o v i d e s a l lo p p o r t u n i t yt oo b s e r v et h er i c hi n f o r m a t i o ni ng e o l o g i c a lb o d yv i s u a l l ya n d a c c u r a t e l y , a n dg i v ea na v m l a b l eh e l pt ot h em i n ed e v e l o p m e n t c u r r e n t l y , m o s t o ft h e3d | s p a t i a lv i s u a l a z a t i o np r o j e c t sw e r ep r o g r a m m e d , f r o mb a s i ce o n c e p t s a n df u n c t i o n sb a s e do no p e n g ls t a n d a r d s ，w h i c ht o o kh j 曲r i s k sa n dl o n g d e v o l o pp e r i o d st ot h ed e v o l o p e r s ，a n dp e o p l em u s tp a ym o r ea t t e n t i o no n g r a p h i c v i s u a l i z a t i o n s o m em e t h o d st od e v e l o pt h eg e o m o d e l i n gs y s t e mc a nb e r e f e r e n c e df o r mt h ec o mt e c h n o l o g y i n t e g r a t e dt h ec o m p o n e n t sm a p o b j e e t s f r o mr s ia n di d l d r a w w i d g e tf r o mi d la n ds c r i p tl a n g u a g ef o r ms u r f e r 8 i n n e te n v i r o n m e n t 觚e x p e r i m e n t a lg e o m o d e l i n gs y s t e mw a sd e v e l o p e d t h e w a y t om a n a g eg e o d a t aw i t hg i sm e t h o da n dt h et e c h n i q u eo fs p a t i a ld a t a g i r d i n ga n dm o d s l i n gw i t hc o m w e r ee x p a t i a t e d ，a n dt h e na ne v a l u a t i o no ft h e m o d e l sw a sm a d e ac o n c l u d ec a nb ed r a w nf o r mt h er e s u l t s t h a tt h e o r g a n i z i n ga n dm o d e l i n go f d r i l l sd a t aw i t hc o m t e c h n o l o g yw a sac o n v e m e m a n de c o n o m i cw a y f i n a l l yt h ed e v e l o p m e n ta n de x p a n d i n gd i r e c t i o n so ft h e s y s t e mw e r ee x p e c t e d k e yw o r d s ：g e o l o g i c a lb o d y ；c o m p o n e n t ；g i s ；s p a t i a l i n t e r p o l a t i o n ； 3 d v i s u a l i z a t i o n ； 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：) 年f 月如日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 嘲年s 浦年g - 月2 o 日 月2 0 日 中国石油人学( 华东) 硕十论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 选题背景 地质图是显示地壳表层的岩石分布、地层年代、地质构造、岩浆活动 等地质现象的地图，是地质工作者从事专业工作必不可少的专题图件。传 统地质图的载体为各种绘图纸，这种纸质线划地质图由于采用正射投影的 方法表达各种地质现象，只能表达这些地质现象在二维欧氏空间的定位。 然而，我们知道，许多地质要素均是空问实体，如地层、地质构造、岩浆 岩体等，它们除有确定的平面位置外，还随地形的起伏而包含一定高程信 息。因此，纸质线划地质图上的线状地质要素( 如地层分界线、断层线等) 实际上为一些空间曲线，面状地质要素( 如地层在地表的分布、岩体在地表 的分布等) 实际上为一些空间曲面，点状地质要素( 如矿化点、地层产状点等) 也具有一定的高程。传统的地质图为了尽可能反映这些地质要素与地形间 的空间关系，通常在地质图中保留一些地形信息，如在大比例尺地质图中 保留等高线，在小比例尺地质图中用符号注记和文字注记标识特殊地貌。 然而，为了突出专题信息，对这些地形信息通常要作一定程度的简化，如 大比例尺地质图中等高线抽稀，小比例尺地质图中仅标注主要地貌点等。 这样，地学工作者很难从一幅展现于二维欧氏平面上的纸质地质图上读出 地质要素的三维空间信息，从而给分析地质体的空间展布、地貌对地表地 质要素的发育的影响等带来了困魁”j 。 计算机制图学的发展促迸了电子地图的问世，数字地质图也应运而生， 然而，这种数字地质图也只是传统的纸质地质图的数字化，是通过计算机 来表达和管理纸质地质图所包含的地质信息。近年来，随着计算机技术尤 其是数字图像处理技术和数据库技术的发展， “数字地球”、“数字地质” 等概念相继提出和付诸实施，地理信息系统( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ， 中国i 油人学( 华尔) 硕十论文第1 章前言 g i s ) 技术得到长足发展和完善，进而带动了地球信息科学和地球空间信息 科学的迅速发展。地质空间三维模拟与可视化也同渐成为当今地质学、地 理信息系统以及计算机科学研究的热点 4 1 ，【5 1 。 1 _ 2 课题的研究意义 以计算机应用为主要技术手段的地质科学信息化已经成为时代的潮 流。由于大量三维空阳j 数字形式的地质勘查信息不断积累，地质科学也己 逐步从传统的定性描述发展到定量研究阶段。长期以来，因计算机软硬件 技术水平的限制，地质信息处理只能以批处理方式进行，而不能进行交互 式分析。当向计算机输入数据后，使用者就不能再对计算过程进行干预和 引导，只能被动地等待计算结果的输出，而大量的输出结果只能采用人工 方式直接处理，过程十分冗繁，所花费时间往往是计算时间的几倍，甚至 几十倍，不仅不能及时得到有关计算结果的直观、形象的整体概念，而且 还可能丢失大量信息，因而对现有数据的处理方式及演示手段提出了挑战。 基于g i s 的地质信息可视化技术是解决这一问题的重要途径。它充分利用 了地理信息系统技术、计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中 产生的数据及计算结果进行科学管理，转换为二维、三维图形或图像在屏 幕上显示，进行互式处理，其优点十分明显，不仅大大加快数据资料的处 理速度，使目前每时每刻都在产生的庞大资料得到充分利用，而且还可以 实现计算过程的引导和控制，通过友好的人机交互手段改变计算所依据的 条件，并观察其影响，在人与数据、人与人之间实现图形、图像通信，而 不是目前的文字通信或数字通信【“。 将地质信息进行三维可视化，我们可以表达复杂的三维地质构造形态 ( 例如地层界面、不整合面、断层等不规则的面状构造) ，以及构造要素的空 间关系，表达岩石内部结构( 如层理、纹理、方向、孔隙度、孔隙连通方向 等微细的内部构造) 以及岩体内部物质的分御状况。准确地表示和描述复杂 2 中国彳i 油大学( 华东) 硕十论文第l 章前言 的地质现象，如断层、褶皱及复杂的岩石特征变化。结合三维g i s 的信息 处理和空间分析功能，可以使地质构造分析更为直观、准确，加速了地质 建模的科学化和现代化进程。这为地质构造研究定量化开拓了一条现实的 途径 7 1 。 1 3 国内外研究现状分析 l 3 1 地质信息可视化的实现技术 目前，三维地学建模技术方法概括起来有：断面( s e c t i o n ) 构模法、表面 ( s u r f a c e ) 构模法、块体( b l o c k ) 构模法、线框( w i r e - - f l a m e ) 构模法、实体( s o l i d ) 构模法和体视化技术【6 l 。断面法是三维问题二维化，其缺点是表达不完整。 表面法是d t m ( 数字地形模型) 的应用，缺点是不能表达在地质体内部的属 性信息。块体法是三维g r i d ( c u b i c ) 模型，较好地兼顾了精度与存储的矛盾。 线框法是表面法和块体法的合成，优点是能描述任意形状的矿体，缺点是 当控制点加密引起地质界面变化时，要重新修改表面并分割块体。实体法 的实质是n e t w o r k 与块体法的混合，优点是能精确表达较复杂地质结构和 进行体积计算以及储量估算。这几种方法在国外已有成功应用，而国内除 了断面法和表面法等方法外，其它方法的应用尚不多见。体视化技术是在 地质信息可视化基础上发展起来的一门技术。国外将体视化技术应用于三 维地学模拟的典型代表是加拿大l y n x g e o s y s t e m s 公司l y n x 系统的三维 g m ( g e o s c i e n c e m o d e l i n g ) 技术、法国n a c y 大学研制的g e o c a d 软件、美 国a d v a n c e d v i s u a l s y s t e m 公司a v s 系统中面向三维地质模拟的技术。国内 胡金星【8 】等进行了三维地学模拟体视化技术的应用探索，提出三维地质模拟 技术难题及体视化总体框架，并对三维地质模拟的体视化方法、算法显示、 视觉模型等关键技术迸行了研究。张熠 9 1 等对三维体绘制技术在工程地质可 视化中的应用进行了研究。齐安文等重点研究了基于三棱柱体体元在三 维地质建模中的应用。黄文静】等对用体绘制方法实现地质数据场三维重 3 中国干i 油人学( 华东) 硕七论文第1 章前言 构进行了研究。于万瑞等对地球物理勘探数据的体视化应用系统开发进 行研究。体视化技术的出现和发展给三维地质建模提供了有力的理论依据 和良好的可视化途径。 近年发展起来的虚拟现实是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系 统( 其中虚拟世界是全体虚拟环境的总称) 【1 4 】。虚拟现实技术具有直观、面向 对象等特点，使用其对三维层状地质体进行可视化显示不需要太复杂的数 学和图形知识，而且还能够方便地实现用户交互功能。这是空间数据可视 化最有发展前途的新领域，它已成为大家关注的热点，也是研究、利用数 字地球资源的重要工具。v r 必将促进人机交互的一场新革命。实现用户与 环境直接、自然交互，用户面对的可视人机界面不再仅仅是一些静态的、 二维的图形，而是动态的、三维的实体。利用虚拟现实技术可以虚拟地质 历史过程、虚拟地理环境、虚拟与地学有关的人类工程活动【1 5 j 。因此虚拟 现实技术应用于三维地质模拟中是三维地质模拟技术的一个重要方向。 1 3 2 三维地质模拟的现有平台 2 0 世纪8 0 年代以来，三维地学可视化系统应用于地质建模在国外已经 变得非常普遍，以美国、加拿大、澳大利亚、英国为代表的西方主要国家 相继推出多种代表性的地学可视化建模软件。e a r t h v i s i o n 是一个新型地质 体建模软件。g o c a d 是一个关于地球物理、地质、水库工程应用三维几何 软件。3 d m o v e 主要用于模拟断层运动、斜向剪切及伴生褶皱三维模型【1 6 】。 g e o s e c 不仅可以建立地质体的几何形态，而且还可以恢复年代历史，进行 运动学分析。g e o t o o l k i t 是3 d 地理信息系统的代表，但只能用于处理简单 地质数据。g e o f r a n c e 3 d 是一种框架结构的软件工具，目的是提供对所有采 集到或被处理的地质、地球物理数据进行存储、评价和3 d 形体确定，创造 一个观察地壳3 d 可视化的环境，b a s i n 是一个模拟沉积盆地建造过程三 维系统【1 7 , 1 8 】。l y n x 、v u l c a n 、g e m c o m 、m i n e s o y i 是一些典型的矿山模拟 中国石油人学( 华东) 硕十论文第l 章前言 与矿业应用软件系统卅。e a r t h c u b e 、g e o v i z 、v o v e l g e o 等是比较著名的 地球物理三维可视化应用软件。e a r t h w o r k s 、3 d s e i s 、s e i s v i s i o n 、s e i s x 2 d 3 d 等是典型的三维地震分析系统( 8 】。 我国对三维地学可视化研究起步较晚，但做了大量的有益探索。目前 我国具有独立自主版权的三维地质模拟软件有北京理正软件设计研究院开 发的“地理信息系统地质专题”。近年来国家自然科学基金委员会大力 支持地学可视化研究，先后资助了“复杂地质体的三维建模和图形显示研 究”、“油储地球物理理论与三维地质图像成图方法”、“地学时空信息动态 建模及可视化研究与应用”等项目。1 9 9 6 年中国科学院地球物理研究所( 现 为中国科学院地质与地球物理研究所) 与胜利石油管理局在国家自然科学基 金重点项目“复杂地质体”中，开始追踪研究g o c a d 。长春科技大学在阿 波罗公司t i t a n g i s 上开发了g e o t r a n s g i s 三维g i s ，主要用于建立中国 乃至全球岩石圈结构模型的三维信息f 2 “2 ”。石油大学开发的r d m s 、南京 大学与胜利油田合作开发的s l g r a p h 都是用于三维石油勘探数据可视化 2 2 】。中国地质大学开发的三维可视化地学信息系统( g e o v i e w ) 可实现真三维 地学信息管理、处理、计算分析与评价决策支持。中国石油勘探开发研究 院开发的t r a p d e m 系统可用三维构造演化史恢复。在“八五”期问，我国 研制和开发了储层三维地质建模软件，但与国外同类软件相比存在较大差 距。在国内石油公司、地球物理公司等单位普遍使用的地震软件大都是从 国外引进的并以l a n d m a r k 公司和g e o q u e s t 公司的解释系统居多。 1 4 主要研究内容 并本文在分析和借鉴已有研究工作的基础上，将研究重点放在二维地 学信息基于g i s 科学管理和地质空问信息三维可视化两方面。首先，对多 源地学数据进行整理并统一格式，在此基础上，利用g i s 控件进行二次开 发，实现地学数据的g 1 s 化管理。再从g i s 模块中提取兴趣区域的数据， s 中国，仁i 油大学( 华东) 硕十论文 第1 章前言 进行空间数据插值，并对插值结果进行评价。最后实现三维地质体的模拟 与重构。 论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 多源地学信息数据整理与格式标准化。对多源地学数据进行归档整 理，并编程实现向a r c i n f o 支持的s h a p e 文件格式转换。 ( 2 ) g i s 数据管理模块的设计与开发。利用i s r i 提供的m a p o b j e c t s 组 件实现地学数据地图显示与查询，以及基本的地图操作( 放大，缩小，漫 游，专题地图输出) 。同时实现一定的地图编辑功能，如符号标注、图形绘 制等。 ( 3 ) 模拟数据的采集与分析。实现从地图中框选三维模拟区域，并提取 区域内的钻孔数据；利用统计工具，分析地层标高数据分布趋势；根据分 析结果，选择合适的局部插值函数，从而提高插值精度。 ( 4 ) 空间数据插值。调用s u r f e r 8 软件提供的脚本语言c ss c r i p t e r ，执 行多种数据插值方案，对数据进行的插值处理，得到插值结果。 ( 5 ) 插值结果的质量评价。利用交叉验证工具，将已知点位上得到的预 测值与真实值对比，评价插值结果的好坏。 ( 6 ) 地质空间三维显示。利用插值得到的数据，构建基于多层d e m 和 长方体体元的地质体三维数据场，并利用三维可视化工具i d l ( i n t e r a c t i v e d e s i g nl a n g u a g e ) 提供的控件i d l w i d g e t 编程实现地学空间三维显示。 中国_ i 油人学( 华尔) 硕+ 论文第2 章地学空间数据组织与管理 第2 章地学空间数据组织与管理 一般来讲，三维地学信息系统涉及的数据具有来源广泛、类别众多、 数量庞大、时空多维、主题鲜明的特征。在系统建设的过程中，应在整合 多源海量地质数据的基础上，建立具有统一的数据标准和代码体系的地质 信息组织体系和管理系统，这样才能有效地实现地质成果的数字化、成果 资料的社会化和数据信息的共享化，为三维地学信息系统其它功能的实现 奠定基础。 2 1 地学数据收集与整理 2 1 1 地学空间数据的特点 地学中涉及的基础资料来源多种多样，纷繁复杂，给地学应用带来了 困难。研究其特点、分析其构成将有利于g i s 数据管理模块的建立。总体 来讲，地质勘察数据有以下特点： ( 1 ) 数据的高度相关性 数据及其相关数据是典型的空间数据，其属性与位置相关且在三维方 向上发生变化，是真三维的数据。 ( 2 ) 数据的多源性 存在十几种采用不同测试技术、反映不同属性侧面的地质数据来源， 如管道数据，c a d 数据，三维建模d w g 、d x f 数据。 ( 3 ) 数据的多层性 如地质构造特性、地质空问特性、地质分析特性( 应力、应变) 、各种管 网属性层。 ( 4 ) 数据的多维性 地层数据与断层数据、管网数据、地下水系河流数掘构成一个完整的 地下真三维空间。 ! 塑石油大学( 华东) 硕十论文第2 章地学空间数据组织与管理 ( 5 ) 数据的不确定性 具有巨大的动态性与变化性，三维数据表达面临挑战。 ( 6 ) 数据测度的不一致性 有些时空信息是大尺度，有些时空信息是小尺度，这就涉及到多尺度 数据的多维表达，如何有效、合理的使用l o d ( l e v e lo fd e t a i l ) 技术是解决 这个问题的关键。 2 1 2 地学空间数据的组织 通过研究地学空间数据的特点，不难发现，它们均包含了对空间方位 的描述信息和相应位置的属性信息。如钻井数据，作为研究三维地质体可 视化的重要数据源，它包括井口坐标、方位、倾角等空间位置数据，以及 钻井不同深度所揭示的岩层的岩性及产状、构造性质、矿体特征等属性数 据。整理时将这些数据数字化后按空间位置与属性进行归纳，尽可能多地 保留原始资料的信息。 属性数据的输人应该基于关系数据库平台的数据库录入系统来实现。 系统需要具有数据库的基本操作功能，如数据记录的增加、删除、修改等， 并具有数据合理性检查的功能。 另外，可用一些地表数据作为背景数据，如数字高程模型( d e m ) 、数 字线画图( d l g ) 、数字证射影像( d o m ) 等，这时还需将这些图形图像 数据与钻孔坐标数据进行坐标配准、投影归一，并统一地图比例尺和边界， 以便进行数据融合。 本文从某地质勘探区块抄录了部分钻孔数据，共8 7 个钻孔数据点，如 表2 1 ( a ) 和表2 1 ( b ) 所示，作为实验数据。对于钻孔数据，在数据整理阶段， 其主要工作就是钻孔数据剔除和分层。 中国“油大学( 华尔) 硕十论文第2 章地学空间数据鲴织与管理 表2 1 ( a ) 某地质勘探区块部分钻孔数据( 分层数据) 斜深 重深 井垮小层 顶深底深顶深底深 y 8 m d 1 3 2 0 11 3 2 3 11 3 2 0 l1 3 2 3 i y 8 i 1 3 2 3 l1 3 2 881 3 2 3 i1 3 2 88 h 1 8 1 y 8 2 1 3 2 881 3 3 7 71 3 2 8 8 1 3 3 7 7 y 8 3 1 3 3 7 71 3 4 161 3 3 771 3 4 1 6 y s m d 1 3 3 2 l1 3 3 381 3 3 2 11 3 3 3 8 y 8 1 1 3 3 3 81 3 3 9 61 3 3 38 1 3 3 9 6 h 1 9 2 y 8 2 1 3 3 9 61 3 4 501 3 3 9 61 3 4 50 表2 ，l ( b ) 某地质勘探区块部分钻孔数据( 分小层井位坐标) x y w e l l i d t v d ( 顶深)d e p t hh b ( 补心海拔) 5 0 0 1 6 1 83 0 1 7 5 ，3 1 4 7 41 8 11 3 2 0 l1 3 2 0 i 1 4 6 75 2 5 0 1 0 8 7 l 2 7 5 0 4 i 1 5 2 41 9 21 3 3 l81 3 3 1 81 4 8 4 1 8 5 0 1 6 0 1 52 9 4 2 6 41 6 4 62 0 l 1 2 1 5 i1 2 1 5 1 1 3 7 97 3 5 0 1 7 6 9 42 9 6 3 2 61 6 7 92 0 1 11 3 2 1 21 3 4 7 61 4 8 9 0 5 5 0 1 0 6 5 62 9 4 4 l51 6 542 0 1 i o1 2 5 9 11 3 2 7 71 4 2 4 4 9 5 0 1 2 0 0 92 9 2 1 7 21 6 3 42 0 1 1 l 1 2 9 5 4 1 2 9 5 4 1 4 5 8 7 5 5 0 1 5 1 1 93 0 0 9 421 5 9 32 0 l 1 21 2 9 361 3 1 7 0 1 4 5 2 8 9 由于所抄录的钻孔数据中每个测孔的小层分层很细，且各测孔之间所 分的层也不近相同。根据多方面的请教，以及科研与实验条件，选择几个 有代表性的小层作为实验地质层数据，最终将每个测孔分为y 8 m d 、y 8 1 、 y 8 2 、y 8 3 、y 8 4 层共四层。同时剔除了部分钻孔数据点，剔除的原因有两点： 一个原因是缺某些层的数据，因为区块内各的钻孔的打钻目的不同，比如 有些打孔的目的是为了探测y 8 1 层，那么这样的测孔数据就没有y 8 4 层的 数据，这样的点就只能剔除掉；另一个原因是没有测斜表数据的斜孔，那 么这样的钻孔也就无法计算出其每一层点的三维坐标，这样的点也在整理 过程中也要被筛选掉。经过数据整理和删除工作，并对斜井数据进行数据 纠正之后，筛选出6 9 口钻孔的数据资料。筛选后的数据文件如表2 2 所示： 9 中国石油人学( 华尔) 硕十论文第2 章地学空间数据组织与管理 表2 2 钻井数据实例 2 2 地学信息管理模块的设计 2 2 1 模块开发模式与g i s 组件选择 软件技术的发展，在软件开发模式上经历了功能模块、包式软件、核 心式软件，到组件式和网络化的过程。传统的g i s 虽然在功能上比较成熟， 但这些系统多是基于十多年前的软件技术，属于独立封闭的系统。同时， g i s 软件变得日益庞大，用户难以掌握，费用昂贵，阻碍了g i s 的普及和 应用。组件式g i s 的出现为传统g i s 面临的多种问题提供了全新的解决思 路。 组件式g i s 软件开发的基本思路是把g i s 的各大功能模块划分为几个 控件，每个控件完成不同的功能。各个g i s 控件之间及g i s 与其它非g i s 控件之间，可以方便地通过可视化的软件开发工具集合起来，形成最终的 g i s 应用。利用组件思想开发系统功能模块，将会带来许多传统开发模式难 以企及的有点： ( 1 ) 小巧灵活、价格便宜 在组件模式下，各组件都集中地实现了与自己最紧密相关的系统功能， 用户可更加实际需要选择所需组件，这样最大限度降低了用户经济负担， 在保证功能的f | i 提下，系统表现得小巧灵活。 ( 2 ) 无需专门开发语言，直接嵌入m i s ( m a n a g ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，管 理信息系统) 开发工具 组件思想一股基于一种严格的标准之上，无需额外的二次开发语言 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章地学空间数据组织与管理 只需熟悉w i n d o w s 平台的通用集成开发环境，以及各个控件的属性、方法 和事件，进而实现一些基本功能函数，按照m i c r o s o f t 的a c t i v e x 控件标准 开发接口，即可完成应用系统或功能模块的开发和集成。这有利于减轻软 件开发者的负担，且增强了软件的可扩展性。 ( 3 ) 开发简捷，功能强大 由于组件可直接嵌入m i s 开发工具中，这样，广大开发人员就可以自 由选用他们熟悉的开发工具。同时，名目繁多的功能控件涵盖的行业需求 的诸多方面，在数据处理能力和处理速度方面不比传统综合软件平台逊色。 ( 4 ) 更加大众化 组件式技术已经成为业界标准，用户可以自由选择和使用a c t i v e x 控 件，即使非专业的普通用户，也能够开发和集成专业的行业应用系统，推 动了多学科理念的交叉和融合1 2 3 1 。 综上所述，考虑到本实验并没有涉及复杂的地学空间分析，但要求较 短的开发周期和较强的扩展性、稳定性，故信息管理模块采用g i s 组件式 开发模式，在n e t 环境下用c # 语言引入m a p o b j e c t s ( m o ) 组件。m a p o b j e c t s 是美国环境系统研究所( r s i ) 产品系列的组成部分，包括一个o l e 控件 和4 5 个具有属性、事件和方法的o l e 对象，可以与r s l 其它产品( 如 a r c s d e ) 很好地衔接。 2 2 2 模块的总体设计 ( 1 ) 模块功能框架 中国i 油人学( 华东) 硕十论文第2 章地学空间数据组织与管理 模块功能框架如图2 1 所示。 空间数据管理l i 地图l 大l l 小 l 地图缩小l 属性数据管理 ll 数据管理 i 地图漫游l 州k 地图显示 衙：滁 、厂一 井位查询 全图位图输出 数据通讯 距离量算 入、 i 部分倪图输出 面积量算 l l 插值数据输出 图2 i 地学信息管理模块功能框架 ( 2 ) 系统数据库 考虑到地学数据是非结构化的、不定长的，而且施加于地学空问数据 的操作需要g i s 软件实现，因此可利用文件存储地学空间数据。由于采用 m a p o b j e c t s 进行二次开发，因此地学信息管理模块的地学空间数据管理采 用的是s h a p e 文件。另外可借助已有的关系数据库管理系统( r d b m s ) 管 理地学属性数据。目前关系数据库系统有o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 、 d b 2 等，各有千秋。根据已有的资料和空间数据三维可视化对数据量的要 求，无需采用大型数据库管理系统，因此采用m i c r o s o f t 的a c c e s s 2 0 0 0 管理 地学数据的属性信息。 中国石油入学( 华东) 硕十论文第2 章地学空间数据组织与管理 ( 3 ) 模块的丌发结构 本模块的开发结构如图2 2 所示。地学信息管理模块开发按照数据流向 主要分两大块，一是利用m a p o b j e c t s 组件显示钻孔位置信息和相匹配的地 表数据，并实现钻孔空间方位分布信息的查询统计；二是利用a d o 组件访 问电子地图数据的元数据，这些元数据详细描述了钻孔数据的分类信息， 通过对元数据的查询可以进一步细分查询类型。 2 3 模块的功能实现 2 3 1 地学数据格式 在地学应用中，为了充分利用本课题的空间信息管理功能和可视化功 地 学 信 息 。 丽 管 理 模 块 图2 2 地学信息管理模块开发结构 能，以便对其进行分析、空间查询、动态编辑和信息提取，地学信息的导 入是必不可少的重要一步。目前地学资料除了原始纸质图件，大部分还是 以数据文件( d a t 、t x t 、d b f 等文件) 或绘图软件生成的图件形式保存，而 m a p o b j e c t s 支持的地图数掘格式为a r c v i e w 的s h p 、a r c i n f o 的c o v e r a g e 、 s d e 图层等。由于m a p o b j e c t s 尚不具有直接将图文数据转换成c o v e r a g e 、 s h a p e f i l e 或g e o d a t a b a s e 的功能，虽然通过多次中间转换过程能够实现，但 过程极烦琐、费时，因此需要通过其它途径来生成我们所需的s h a p e f i l e 文 件格式。 中国石油火学( 华尔) 硕+ 论文第2 章地学空间数据绢织与管理 s h a p e f i l e 是一种与a r c i n f o 、a r c v i e w ，及其它e s r i 应用程序兼容的 二进制文件格式。它是一种不带拓扑关系的矢量数据格式，存储空间特征 的非拓扑几何结构和属性信息。在s h a p e f i l e 文件中，一个特征的几何结构 被存为包含一组矢量坐标的形状，类型有多点、点、线和多边形等。由于 s h a p e f i l e 文件无需处理拓扑数据结构，与a r c i n f o 支持的其它数据类型相 比，它具有如下优点：较快速的绘图速度和编辑功能，占据较少的磁盘空 间，更易于读写等【2 4 】。 目前，生产s h a p e 文件的途径不外以下几种： ( 1 ) 通过应用a r c i n f o 、p ca r c i n f o 、s p a t i a ld a t a b a s ee n g i n e ( s d e ) 、a w v i e wg i s ，b u s i n e s s m a p 等软件，可将软件支持的任一数据源 导出为s h a p e f i l e 格式。 ( 2 ) s h a p e f i l e 文件可通过应用a r c v i e w o i s 软件的特征生成工具，对形 状进行数字化来直接生成。 ( 3 ) 通过运用a r c v i e w g i s 软件的a v e n u e 、m a p o b j e c t s 、a r c i n f o 的 a m l ( a r c 宏命令语言) 或者p ca r c i n f o 软件的s m l ( 简单宏命令语言) 等，编程实现s h a p e f i l e 的生成。 ( 4 ) 根据s h a p e f i l e 的文件格式，编程直接写成s h a p e f i l e 文件。 显然，前三种方法对于现有的地学文件是不适用的。通过研究s h a p e f i l e 文件组织格式，可编程实现数据格式的转换。 一个e s r is h a p e f i l e 文件包括主文件、索引文件和存储属性的d b a s e 表1 2 5 】。主文件是可直接存取、变记录长的文件，其中每个记录以一组顶点 描述一种形状。在索引文件中，每个记录包含了主文件记录相对于主文件 首的位置偏移。d b a s e 表包含了特征属性，每个特征对应一个记录。几何 形状和属性之间通过记录号相对应。d b a s e 文件中的属性记录必须和主文 件中的记录有着相同的次序。主文件、索引文件和d b a s e 文件名必须有相 中国朽油人学( 华东) 硕+ 论文第2 章地学空间数据组织与管理 同的前缀，前缀必须以字母数字字符( a - z ，0 - 9 ) 开头，前缀名总共可达七个 字符( a z ，0 - 9 ，) 。主文件的后缀名是s h p ；索引文件的后缀是s h x ；d b a s e 表的后缀是d b f 下面以钻孔文件为例，给出编程构建s h a p e f i l e 点文件的方法。步骤为： ( 1 ) 读出原始钻空数据文件( d a t 、t x t 、d b f 等) ，获取坐标、数据个数、 属性等信息。 ( 2 ) 根据s h a p e f i l e 文件格式和结构，为每一部分赋值。 ( 3 ) 写入s h a p e f i l e 文件。 如前文所述，已整理好的存放地学数据的a s c i i 数据文件( d a t ) 格式如 下： 第一行( 标题行) 井号x 坐标y 坐标属性a 属性b 属性n 第二行( 数值区) i d l x 1 y i a 1b 1 n 1 第m 行( 数值区) l d m x m y ma m b mn m 编程读取数据文件，将坐标值、属性值、属性名等信息存入相应的数 组。统计出x 、y 坐标的最大、最小值和数据个数。 根据s h a p e f i l e 文件格式，创建自定义数据类型，以便对各变量赋值。 定义s h a p e f i l e 主文件的文件头为s h p f i l e _ h e a d ，数据类型如下： t y p es h p m e h e a d b o x b n d a sb o x f i l e _ c o d ea sl o n g u n u s e d _ 6 a sl o n g u n u s e dia sl o n g u n u s e d _ 7 a sl o h g u n u s e d2 a sl o n g u n u s e d _ 8 a s 【o n g u n u s e d3 a s 肋职 u n u s e d _ 9 a sl o n g u n u s e d _ 4 a sl o n g u n u s e d _ a a sl o n g u n u s e d5 a s l o n g u n u s e db a s l o n g f i l e _ l e n g t h ( 3 ) a sb y t e u n u s e dc a sl o n g v e r s i o na sl o n g u n u s e d _ d a sl o n g s h a p e t y p ea sl o n g e n dt y p e 其中数据类型b o x 定义为： t y p eb o x ) ( m a xa sd o u b l e x m i n a s d o u b l e y m a x a s d o u b l e y m i na sd o u b l e e n dt y p e 令数据类型s h p r e c _ h e a d 代表主文件记录头。 中国石油大学( 华东) 硕七论文第2 章地学空间数据钼织与管理 t y p es h p r e c 。h e a d r e c o r d _ n u m b e r f 3 ) a sb y t e c o n t e n t _ l e n g t h ( 3 ) a sb y t e e n d t y p e 定义点结构类型如下： s h a p e t y p e a sl o n g 工a sd o u b l e y a sd o u b l e e n d t y p e t y p es i n g l e p o i n t 数据文件的数据个数即是s h a p e f i l e 文件的记录个数。对以上数据类型 赋值的程序段如下： d ms h p a ss h pf i l eh e a d d i mr e ch e a d a ss h pr e ch e a d d i mr e c a s i n t e g e r s h a p e f i l e 文件的记录个数 d i mm a i nf l el e n g t ha si n t e g e r s h a p e f i l e 主文件的文件长度 m a i nf a el e n g t h = 1 4 * r e cn u r h + 5 0 t e eh u m 的值为前面提瓢的m s h pf l kl e n g t h ( i ) = m a i nf i l el e n g t h 6 5 5 3 6 s h pf i kl e n g t h ( 2 ) = ( m a i n _ f i l el e n g t h s h pf 钍e j e n g t h l 6 5 5 3 6 ) 2 5 6 s h pf i kl e n g t h ( 3 ) = m a i n i l e j e n g t h - s h pf i l e _ l e n g t h 1 ) 6 5 5 3 6 s h p f i l el e n g t h 2 ) * 2 5 6 下面的程序段是将文件头和记录写入s h a p e f i l e 的主文件( s h p ) 中。 d o n p o i n t a ss i n g l e p o i n t d o ns h a p e f i l e n a m ea ss t r i n g o p e ns h a p e f i l e n a m e + “s h p “f o r b i n a r y a c c e s s w r i t e a s # 2 p u t # 2 ，s h p f o ri t ol e e n u n t e e _ h e a d r e c o r d _ n u m b e r 。1 1 ) = c l n g t t ) 1 6 5 5 3 6 r e ch e a d r e c o r dn u m b e r ( 2 ) 。 ( c l n g i ) 一r e c _ h e a d r e e o r d _ n u m b e r f i ) 6 5 5 3 6 ) | 1 2 5 6 r e ch e a d r e c o r c ln u m b e r ( 3 ) = c l n g o ) 一r e e _ h e a d r e c o r d _ n u m b e r ( i ) 6 5 5 3 6 一 m ch e a d r e c o r dn u m b e r ( 2 ) +