（计算机应用技术专业论文）基于网络的钻井地质管理平台的设计与实现.pdf

中国科技大学硕士学位论文 摘要 f 随着图形技术、数据库技术及计算机网络技术的发展，基于网络和图形数据库的地理信息管 理系统已经成为当今数据库和网络技术发展的重要方向，地理信息管理系统技术的应用已经开始 在各个领域发挥作用。 大庆企业网规模较大，各采油厂、钻井公司已经用计算机绘制了许多地质图形，在此基础上 我们为大庆油田钻井公司开发了用于钻井设计、施工和生产指挥的地理信息系统一基于网络 的钻井地质管理平台。本课题同时也是中国科技大学网络中心与大庆石油管理局合作的重点科 技攻关项目。l 通过本课题的研究同时解决了几个问题。首先解决了大庆油田分布在各个单位的各种各样的 现有的图形的数字化和图形数据库的建设的问题：对于多个人共用一台计算机的网络、数据库的 安全问题，我们采，l = i 了u s l 3 数字证书，使得地理信息系统更加安全可靠；利用手机短信息计算机 自动发送、接收，解决了前线施工人员的数据的传送和自动处理的问题；小层流体孔隙压力预测 采用了多井压力势干扰理论，提高了地质预测的精度。 本文主要描述了我在地理信息系统及安全方面的研究和所做的工作。 第l 章：介绍地理信息系统的思想和大庆油田钻井系统的应用前景、意义。 第2 章：介纠地理信息系统发展历程和地理空间模型 第3 章：介绍基于网络的钻井地质管理平台的系统结构与方案 第4 章：介绍系统开发详细设计方案 第5 章：介绍本项研究解决的关键技术 第6 章：介绍在：欠庆油田进行的系统测试的情况 第7 章：在总结本项研究的基础上，给出了地理信息系统的发展趋势 主题词：地理信息管理系统，网络安全，石油钴井，u s b 数字证1 5 ，手机短信息 中围科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fg r a p h i c s d a t a b a s ea n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y ， t h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nn e t w o r ka n dg r a p h i c sd a t a b a s ei s b e c o m i n go n eo ft h ei m p o r t a n td i r e c t i o n so fc o n c u r r e n td a t a b a s ea n dn e t w o r k t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h ea p p l i c a t i o n so fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mt e c h n o l o g yh a v es h o w n t h e i ri m p o r t a n c ei nv a r i o u sf i e l d s t h ee n t e r p r i s en e t w o r ko fd a q i n go i l f i e l di s q u i t eb i g a n d e a c ho i ie x t r a c t i o n f a c t o r i e sa n dw e l ld r i l l i n gc o m p a n i e sh a v ea l r e a d yd r a w nm a n y g e o l o g i c a lg r a p h i c s w i t hc o m p u t e r s o nt h eb a s i s ，w ed e v e l o p e dag e o g r a p h i cj n f o r m a t i o ns y s t e m d r i l l i n gg e o l o g ym a n a g e m e n tp i a t o r m b a s e do nn e t w o r k sf o rd r i l l i n g d e s i g n c o n s t r u c t i o n a n dd i r e c t i o no fd a q i n go i l f i e l dw e l id r i l l i n gc o m p a n y t h i sp r o j e c ti s a l s oak e yc o o p e r a t i v ep r o j e c tb e t w e e nd a q i n gp e t r o l e u ma d m i n i s t r a t i o nb u r e a u a n du n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dr e c h n o l o g yo fc h i n a w es o l v e ds e v e r a j p r o b l e m st h r o u g ht h i sp r o j e c t f i r s t l yw ed i g i t a l i z e d a l lt h e e x i s t i n gg r a p h i c so fv a r i o u su n i t so fd a q i n go i l f i e l da n db u i l tag r a p h i c sd a t a b a s e s e c o n d l y w ea d o p t e du s bd i g i t a lc e r t i f i c a t el os o l v es e c u r i t yp r o b l e m sc r e a t e db y c o m p u t e rn e t w o r ka n dd a t a b a s es h a r i n g t h i r d ，b ys e n d i n ga n dr e c e i v i n gs h o r t m e s s a g e sw i t hc o m p u t e r sa n dm o b i l ep h o n e s w ea u t o m a t e dd a t at r a n s f e ra n d p r o c e s s i n g f o rf i e l dc o n s t r u c t i o ns t a f f s l a s t ，w e a d o p t e d m u l t i w e l i p r e s s u r e p o t e n t i a it h e o r y i nr e s e r v o i rf l u i d p o r o s i t yp r e s s u r ep r e d i c t i o n t oe n h a n c et h e a c c u r a c yo fg e o l o g i c a ip r e d i c t i o n t h e p a p e rm a i n l yd e s c r i b e sm y r e s e a r c ha n dw o r ki ng i sa n ds e c u r i t ya r e a c h a p t e r1 ：t h ei d e ao fg i s a n dt h ea p p l i c a t i o na n ds i g n i f i c a n c eo fd a q i n go i l f i e l d w e l ld r i l l i n gs y s t e m c h a p t e r 2 ：t h ed e v e l o p m e n to fg i sa n dg e o g r a p h i cs p a c em o d e l c h a p t e r3 ：a r c h i t e c t u r ea n ds c h e m eo fd r i l l i n gg e o l o g ym a n a g e m e n tp l a t f o r m b a s e do nn e t w o r k s c h a p t e r4 ：d e t a i l e dd e s i g ns c h e m e o f s y s t e m c h a p t e r5 ：k e yt e c h n o l o g y t ob es o l v e di nt h i sp r o j e c t c h a p t e r6 ：s y s t e mt e s li nd a q i n go i l f i e l d c h a p t e r7 ：g i sd e v e l o p m e n t t r e n d sa n dc o n c l u s i o n 【k e yw o r d s ：g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ，n e t w o r ks e c u r i t y ，p e t r o l e u m d r i l l i n g ，u s bd i g i t a lc e r t i f i c a t e ，s h o r tm e s s a g e f o rm o b i l et e l e p h o n e 主里型垫查兰竺兰兰堡堕苎 第1 章绪论 随着图形技术、数据库技术及计算机网络技术的发展，基于网络和图形数据库的地理信息管理 系统已经成为当今数据库和网络技术发展的重要方向，目前地理信息管理系统技术的应用已经开始 在各个领域发挥作用。 大庆企业网规模较大，是地理信息管理系统、图形数据库、网络安全问题研究的一个理想环境。 通过研究和开发油田钻井地质现场管理工作软件，不仅可为大庆石油管理局钻井地质现场管理实现 全自动化办公，同时可以解决在大庆油田分布在各个单位的各种各样的现有的图形的数字化和图形 数据庠的建设的方案，并可为网络信息安全的个别关键技术提供有益的研究成果。 世界上许多国家的科研机构和公司都在加大力度进行地理信息系统、图形数据库和网络信息安 全的研究，在我国，这方面的研究成果也较多，并在实际环境中得到应用。但目前的研究还局限在 信息的查看和检索上，任系统的图形界面上进行实际的生产的方案设计、生产组织安排、指挥，目 前还没有一套完善的方法。在图形数据库的建设方面现有的方法大多不能智能地采集数据。在系统 的安全问题上目前的研究还局限在被动的防御，由丁二黑客对网络攻击手段的不断更新，目前还没有 一套完善的防范方法。 1 1 地理信息系统思想概述 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是一种能把图形管理系统和数据管 理系统有机地结合起来，对各种空间信息进行收集、存储、分析和可视化表达的信息处理与管理系 统。 g i s 提供的信息产晶不仅仅是简单的文字和数据，而且还有一幅幅空问图形或图象。大到地球、 国家、省市，小到村镇、街道乃至地面上的一个点位g i s 都能以直观、方便、互动的可视化方式 实现数据信息的快速查啕、计算、分析和辅助决策。g i s 技术是构建数字地球、数字中国、数字城 市的核。心技术。 g i s 作为一种信息系统，是以现实世界为研究目标，以计算机内部的二进制数字世界作为存储 载体的。它将人们对于客观世界的理解，经过一系列处理后变成数字形式存于计算机中。现实世界 极其复杂，一方面人们希望g i s 包含充足的数据，另一方面又期望从中能方便地选择所需要的相关 数据而撇开其它兴趣不大的数据( f r e k s aa n db a r k o w s k y 。1 9 9 6 ) 。 这就要求人们以一种高效的数据组织方式，将两方面的要求兼顾，既尽可能地包含信息( 包括 对未来潜在有用的信息) ，又要能方便快速选取。在这其中，人们对于客观世界的理解及其表达 一_ g i s 的数据模型( 概念、逻辑和物理模型) 起着至关重要的作用。从现实世界到计算机系统， 人们首先要做的是概念模型的建立。概念模型反映了人们对现实世界的认知与理解，是从现实世界 到人们大脑世界的映射，对后期g i s 的建设起着先导性的作用。 为了建立尽可能准确地反映现实世界的概念模型，本文首先回顾与分析传统g i s 在模拟地理空 间时采刚的概念模型的弊端，然后重新理解什么是地理空间，分析地理空间的各种本质特征，最后 提山了新型g i s 数据模型应该重视的几个具体执行要点。 12 地理信息系统在油田钻井系统中的应用 钻井地质系统工作的重点是预测储层流体压力，用以确定合理的钻井液密度、加强油层保护、 提高同井质量和处理在钻井过程中出现的压力异常情况，并预测其影响范围，指导下一步钻井施工 4 中国科技大学硕士学位论文 向钻井i ：程提供岩层构造数据和岩性变化规律，以保证井身质量和施工的安全。钻井技术措施是否 合理，直接影响固井质量、钻井施工过程的安全、钻井成本及油层保护等问题。钻井地质预测准确 性以及采取相应的措施是否合理t 无论在哪一方面，都依据钻井区块内大量的动、静态数据和以往 钻井情况作为基础，采用先进合理的数学模型进行计算和统计，总结出地质规律，以指导钻井施工。 121 钻井地质系统工作概述 e t 前，钻井地质管理是三级管理模式，包括公司地质室、钻井大队地质组和钻井小队地质员， 地质室主要工作包括完成新钻井区块的地质设计、注水井降压方案、联系注水井停注、监督方案实 施、处理钻井过程中出现的复杂情况，钻井大队地质组主要工作包括落实地质设计的执行，并向公 司反馈设计的执行情况，钻井小队地质员主要工作包括执行地质设计、收集现场地质信息、及时反 馈在钻井过程中出现的地下异常情况。 为了在竞争激烈的钻井市场中立稳脚，作为钻井地质： 作就要发展地质预测技术和完善地质系 统的管理。发展钻井地质技术要围绕提高固井质量和加强油层保护两方面，完善的地质系统管理围 绕钻井地质设计的落实、提高劳动效率、降低劳动强度和节约成本。根据这两点和钻井公司地质系 统内各岗位的需求在1 9 9 9 年2 0 0 1 年期间，钻井二公司地质室进行钻井地质计算机网络应用软 件项目的研究，利川计算机主要完成地质预测的复杂运算，利用网络完成地质系统内部和各科室 之间的信息数据传递。主要目的提高地质预测的准确率，加强地质系统的管理，对钻井过程中出现 的问题有一个正确而迅速的判断。 在以往的地质预测中资料利用率较低，方法也有待于改进数据分散，根据个人不同的需要， 1 3 己保存与维护，没有统一管理，在查寻统计等方面很不方便，对一些检查记录和汇报数据往往是 通过电话汇报方式，容易丢失，造成查寻统计困难，对山现的问题也难做出一个正确而迅速的反应 目前硬件环境已具备，根据钻井地质的需要，急需有一套钻井地质计算机网络系统软件。 1 2 2 抓管理、降成本是油田面临的主要问题 儿年来，石油企业在从计划经济向市场经济转轨过程中，企业管理工作越来越受到重视。我们 清酮地看到，在市场经济条件下管理工作仍然是制约大庆油田生存发展的重要问题。控制投资、成 本管理仍是管理的薄弱环节：决策失误、成本居高不下还未得到有效解决；资金、物资管理仍然存 在漏洞。这些现象的出现，一方面说明了管理工作在油田内部一些单位还没有摆到应有的位置：另 一方面也说明在计划经济下形成的管理模式在市场化过程中受到了一定冲击，行政化的企业管理、 生产管理型的企业管理已经不太适应正在面向市场的油田企业。 石油企业经济效益的提高，主要取决于两个方面：一方面可以通过提高油田产量，增加销售收 入来提高；另一方面可通过钻出优质高效地油井，降低成本和费用，求得殊途同归之效。抓好大庆 油田钻井地质的管理，对于提高大庆油田经济效益，有着非同寻常的意义。 由丁地理信息系统是一个高度集成的信息系统，它重点体现数据库信息和图形、通讯的集成。 因此，以地理信息系统管理思想为指导，以油田钻井信息管理作为研究对象，研究一种适合大庆油 田实际的钻井信息管理模式十分重要。 13 本文研究的内容和意义 研究和开发作为生产部门的生产方案设计和调度指挥中心的油田钻井地质现场管理工作软件： 能智能地采集数据、图形数据库生成技术；c a 安全认证及网络攻击的诱骗技术：攻击源快速查找与 定位技术。 1 、主要研究内容： 中国科技大学硕士学位论文 主要研究内容：开发如下八个软件，形成一个基于计算机网络上运行的办公应用软件。 总地质师工作软件 内容：地质设计审批、年月报审批。 地质室主任工作软件 内容：地质设计审核、年月报审核、工作管理 地质设计工作软件 内容：地质分层设计 钻井地质现场管理工作软件 内容：地质区块设计、单井设计、钻关井联系 地质调度工作软件 | 容：年月报编写、日常工作汇报 地质资料管理工作软件 内容：钻井地质资料审核、管理 井位测量队工作软件 内容：井位测量方案设计、井位公报管理 大队地质师、地质员工作软件 内容：执行设计、汇报设计执行情况 2 、技术关键： 广域网( 从钻井公司到各采油厂) 内实现数据自动采集： 绘剀、数据库、高级语言接口问题。 3 意义： a 、实现钻井公司与采油厂之间的工作联系 b 、实现地质室与其它相关科室之间的工作联系 c 、实现地质室内部各岗位之间的工作联系 d 、实现地质宝与钻井犬队和钻井小队之间的工作联系 使钻井地质系统工作自动化，把钻井地质工作搞细，加强工作管理，减轻劳动强度，提高工作 效率。 6 中国科技大学硕士学位论文 第2 章地理信息系统g i s 2 1 地理信息系统的发展历程 地理信息系统的发展是与地理学、地图学、摄影测量学、遥感技术、数学和统计学、计算机科 学以及一切与处理和分析空间数据相关的学科发展份不开的。以时间发展为序列，可分为四个阶段， 2 0 世纪6 0 年代是起始发展阶段，7 0 年代是发展巩固阶段，8 0 年代是推广应用阶段、9 0 年代是蓬勃 发展阶段。 211 起始发展阶段 世界上第一个地理信息系统是1 9 6 3 年由加拿大测量学家r f t o m l i s o n 提出并建立的，称为加拿 人地理信息系统( c g l s ) ，主要用于自然资源的管理和规划。稍后美国哈佛大学研究生部主任h o w a r d tf i s h e r 设计和建立了s y m a p 系统软件，由于当时计算机技术水平的限制，使得g i s 带有更多的 机助制图的色彩。这一阶段很多g i s 研究组织和机构纷纷成立，如1 9 6 6 年美国成立了城市和区域信 息系统协会( u r i s a ) ，1 9 6 8 年国际地理联合会( i g u ) 设立了地理数据收集委员会( c g d s p ) 。这些组 织雨i 机构的建立对传播g i s 知识和发展g i s 技术起着重要的指导作用。 2 12 发展巩固阶段 2 0 世纪7 0 年代，由丁计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其是大容量存储设备的使用，促 进了g i s 朝着实_ 【 j 的方向发展，不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统在世界 各地纷纷付诸研制，美国、加拿大、英国、德国、瑞典、和日本等国对g 1 s 的研究投入了大量的人 力、物力和财力。从1 9 7 0 年到1 9 7 6 年，美国地质调查局研究开发了5 0 多个地理信息系统，用于获 取和处理地质、地理、地形和水资源信息；1 9 7 4 年日本国土地理院开始建立数字国土信息系统，存 储、处理和检索测量数据、航空相片信息、行政区划、土地利用、地形地质等信息：瑞典在中央、 区域和城市三级建立了许多信息系统，如土地测量信息系统、斯德哥尔摩地理信息系统、城市规划 信息系统等。这一阶段，g i s 受到政府、商业和学校的普遍重视，一些商业公司开始活跃起来，软 件在市场上受到欢迎，据统计人约有3 0 0 个系统投入使用，许多大学和机构开始重视g i s 的软件设 计和应_ l j 研究，如美国纽约州立大学布法罗校区创建了g i s 实验室，1 9 8 8 年发展成为包括加州大学 和缅i s i 州大学在内的由美国国家科学基金会支持的国家地理信息和分析中心( n c g i a ) 。 2 13 推广应用阶段 2 0 世纪8 0 年代，g i s 逐步走向成熟，并在全世界范围内全面推广，应用领域不断扩大，并于卫 星遥感技术结合，开始应用于全球性的问题，如全球变化和全球沙漠化监测，全球可可居住区评价， 厄尔尼诺现象、酸雨、核扩散及核废料监视等。美国地质调查局应用地理信息系统对美国三里岛核 泄漏事件在2 4 小时内就做出了反映，并迅速地对核扩散进行了影响评价。2 0 世纪8 0 年代是g i s 发 展具有突破性的年代，仅1 9 8 9 年市场上有报价的软件就有7 0 多个，并涌现出一批有代表性的g i s 软件，如a r c i n f o ，g e n a m a p , s p a n s ，m a p i n f o ，e r d a s ，m i c r os t a t i o n ，s i c a d ，i g d s m r s 等。 其中a r c i n f o 广泛地为世界各国地质调查部门所采用，并在区域地质调查、区域矿产资源与环境 评价、矿产资源与矿权管理中发挥越来越重要的作用。 7 中国科技大学顺士学位论文 2 14 蓬勃发展阶段 2 0 世纪9 0 年代，随着地理信息产品的建立和数字化信息产品在全世界的普及，g i s 已成为确定 性的产业，投入使用的g i s 系统，每2 到3 年就翻一番，g 1 s 年增长率达3 5 以上，从事g i s 的厂 家己超过一千家。g 1 s 已渗透到各行各业，涉及千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不 可缺少的工具币助手。 22 两种典型的g i s 数据模型 221 拓扑关系数据模型 早期的商品化g i s 软件大都采用了以“结点一弧段一多边形”拓扑关系为基础的数据模型， 我们称这种数据模型为拓扑关系数据模型。在拓扑数据模型的基础上，一些软件将空间数据和属性 数据分开存放，如8 0 版以前的a r c i n f o 将位置坐标数据存放在文件系统中，而将拓扑属性和其它 属性存放在关系数据库系统的二维表格中；另一些软件将坐标数据和属性数据统一存放在关系数据 库的各种表格中，一条记录对应一个点、线或面类型的几何要素( 不一定为完整独立的地理要素) 。 拓扑关系数据模型以拓扑关系为基础组织和存储各个几何要素，其特点是以点、线、面间的拓 扑连接关系为中心。该模型的主要优点是数据结构紧凑，拓扑关系明晰，系统中预先存储的拓扑关 系可以有效提高系统在拓扑查询和网络分析方面的效率，但也有不足： ( 1 ) 对单个地理实体的操作效率不高。由于拓扑数据模型面向的是整个空间区域，强调的是各 几何要素之间的连接关系，在另一方面对具有完整、独立意义的地理实体作为个体存在的事实没有 足够的重视，因此增加、删除、修改某一地理实体时，将会牵涉到一系列文件和关系数据库表格， 这样不仅使程序管理： 作变得复杂，而且会降低系统的执行效率。 ( 2 ) 难以表达复杂的地理实体。复杂地理实体由多个简单实体组合而成，拓扑数据模型的整体 组织特性注定了它不可能有效地表达这一由多个独立实体构成的有机集合体。 ( 3 ) 难以实现快速查询和复杂的空间分析。由于在拓扑数据模型中，地理实体被分解为点、线、 面基本几何要素存储在不同的文件和关系表中，因而凡涉及到独立地理实体的操作、查询和分析都 将花费较多的c p u 时问，在大区域的复杂空间分析方面表现尤为明显。 ( 4 ) 局部更新困难，系统难于维护与扩充。由于地理空间的数据组织和存储是以基本几何要素 ( 点、弧段和多边形) 为单元进行的，系统中存储的复杂拓扑关系是g i s - e 作的数据基础，当局部 一些实体发生变动时，整层拓扑关系将不得不随之重建，因而这样的系统在维护和扩充方面需要更 多的精力，并且容易山错。 222 面向实体的数据模型 之所以不叫面向对象的数据模型是因为笔者认为面向对象的数据模型具有很广泛的意义，这里 称为“面向实体”，是为了强调这种数据模型是以单个空间地理实体为数据组织和存储的基本单位 的。 与上述拓扑模型相反，该模型以独立、完整、具有地理意义的实体为基本单位对地理空间进行 表达。在具体组织和存储时，可将实体的坐标数据和属性数据( 如建立了部分拓扑，拓扑关系也放 在表中保存) 分别存放在文件系统和关系数据库中，也可以将二者统一存放在关系数据库中，可以 将坐标数据和属性数据放在同一个表中，也可以将二者分成两个表，e s r i 公司s d e 的存贮模式是分 成四个表格，它还增加了一个l a y e r s 表和一个空间索引表。l a y e r s 表位于服务器端。用于层( 数 据集) 的管理和维护；空间索引表( 服务器端) 采用网格索引，用于实体的快速搜索。 中国科技大学硕士学位论文 面向实体的数据模型在具体实现时采_ f j 的是完全面向对象的软件开发方法，每个对象( 独立的 地理实体) 不仅具有自己的各种属性( 含坐标数据) ，而且具有自己的行为( 操作) ，能够自己完 成一些操作。该模型能够很好地克服拓扑关系数据模型的几个缺点，具有实体管理、修改方便，查 询检索、空间分析容易的优点，更重要的是它能够方便地构造用户需要的任何复杂地理实体，而且 这种模式符合人们看待客观世界的思维习惯，便于用户理解和接受。同时，面向实体的数据模型自 然地具有系统维护和扩充方便的优点。 这种模型是当今流行g i s 软件采用的最新数据模型，但也有一些缺点： ( 1 ) 拓扑关系需临时构建。由于面向实体的数据模型是以地理实体为中心的，并未以拓扑关系 为基础组织、存储地理实体，表达地理空问，因此拓扑关系并不是一开始就存在，而是在需要时才 怡i 时导山各种拓扑关系，这需要消耗一定的系统资源和时间。 ( 2 ) 动态分段、网络分析效率降低。在结点弧段一多边形拓扑关系链中，显式的拓扑表有 四个：结点弧段表，弧段结点表，弧段一多边形表和多边形弧段表。有了这四个关系表， 我们就能直接查找任意结点、弧段和多边形的拓扑属性，便丁二进行动态分段和网络分析等其它与拓 扑关系有关的拓扑分析，基于拓扑数据模型的g i s 可以很方便地做到这一点。但由于将四个拓扑表 全部存贮会使系统的空间开销成倍增大，因此一些软件只存贮其中2 个( s y s t e m9 ) 或3 个( a r c i n f 0 8 以前版本) 关系表，其它被隐含的表可由显示存在的表导出。即便这样，基于拓扑数据模型的g i s 在涉及拓扑关系的查询和分析上仍然有较高的效率，而面向实体的数据模型由于要根据需要i 临时构 建拓扑关系，白然会使拓扑查淘和分析的效率降低。 23 两种模型的共有缺点 23 1 传统的分层概念 早m 的6 i s 和现在流行的g i s 都是将地理特征表达为带有分类属性的几何对象，然后以层 ( l a y e r ) 为概念组织、存储、修改和显示它们，分层几乎成了g i s 的一个必不可少的基本特征。当 然，g i s 的“分层”和c a d 的“分层”有所不同。首先，g i s 同一层中的对象都具有相同的空间维数， 为点、线或面中的一种；其次，g i s 层中的对象一般都属丁：同一地形或地物类型，整个层构成了具 有某一地理性质的一幅专题地图。c a d 的层则没有这些要求，它不要求其中的对象属于某一基本儿 何类型，分层者可以根据自己的需要对实体进行组织。 g i s 的分层思想给我们在地理对象的管理上带来了极大的方便，在实际应用中已j “为开发者和 使用者接受。但是，在真实的客观世界中，用户感知到的地理现实世界是一个个地理实体，如道路、 建筑、山和种族移民区域等，而不是数据层( l a y e r ) ，所设计的数据模型应该能直接反映这种感知 ( u s e r y ，1 9 9 6 ) 。我们知道，分层概念是根据人们已有的认识和经验对客观世界进行硬性分割的， 也许能够较好地满足- - h e 的要求，但很难保证未来新的应用提出的新要求能得到有效的满足。因此， 为一种目的进行的分层体系很难满足另外其它的目的，从而使系统的通用性降低。而且分层概念使 得本来联系紧密的地物分开存贮，复合操作和分析时效率低下。 总之，g i s 中的叠置分层概念根据僵硬的边界将现实世界划分为一系列的覆盖层，这些分类并 不能完全充分地反映现实世界。与照片比较起来，其信息损失很明显( t a n ge ta 1 ，1 9 9 6 ) 。所以， 考虑到未来高层次g i s 的需要，我们应该对分层的思想进行更深一层的思考。不是要否定“分层”， 而是要发展它。 9 ! 里型垫人兰堡兰堂些堡壅 232 忽视地理实体之间的语义关系 传统o i s 主要侧重表达地理特征的几何成分，其语义关系和内部关系往往被忽视，这一缺陷大 大影响了6 i s 的空间分析能力( t a n ge ta l ，1 9 9 6 ) 。这就使建成的g i s 成了功能层次较低的空间 数据存贮平| 】管理系统，难以进行较高层次的空间分析和直接提出决策方案。笔者以为，语义关系的 忽视实c g - 上是对一部分地理现象规律的忽视。因为，所有的地理空间实体都分布在一定的地理系统 中，其地理性质的相互关系形成了空间的分布、形式、结构和规律等方面的内涵( 李天峻，1 9 9 7 ) 。 所以，对于相互关系( 包括语义关系) 的忽视自然是对地理本质规律的忽视。 另外一点是，现实世界里有一些对象虽然在空间上井不相关，但它们在实际生产和生活中具有 很强的联系，部分是因为人的活动使它们具有了紧密的逻辑联系，如居民区与飞机场、研究所与野 外试验场等。忽视语义关系会使我们在已有的认知水平上对原本为有机整体的地理世界进行僵硬的 分割，从而导致基于这种认识的6 i s 在复杂的、深层次的空间分析上显得被动。 233 传统数据模型不足以表达一些较特殊的地理现象 传统数据模型不足以表达一些较特殊的地理现象，模糊对象和不确定对象的表达没有被足够的 重视( 传统g i s 刖二值逻辑来处理大多数问题，) 它用两种相反的地理数据模型来模拟自然现象： 精确的对象模型和迮续的场模型( b u r r o u g h ，1 9 9 6 ) ，也有人分别称它们为基于对象的模型和基于 域的模型( 贺建忠，1 9 9 8 ；李天峻，1 9 9 7 ) 。精确的对象模型有明确的空间边界、拓扑关系和明确 定义的属性集，连续的场现象被认为是连续的场，常常用在时空域连续变化的光滑数学表面来表达。 这两种模型是对现实世界的两种极端抽象。许多研究表明，被制成图的土壤单元的内部属性不一定 均一，不同的_ 十壤单元之间、地质单元之f 7 l l i 植被单元之间常没有明晰的不模糊的边界。也有研究 表明，被制成图的连续的场有时被突然的不连续中断( b u r r o u g h ，1 9 9 6 ) 。这些都说明，传统的精 确对象模型平连续的场模型在地学表达上并不充足，从而可能导致信息损失。 2 4 理解地理空间 g i s 在模拟空间过程和空间相互作用等空f 7 a 息时显得力不从心，最为根本的原因在于6 i s 现 有的数据模型缺乏对地理空间的真正描述( 张新生，1 9 9 7 ) 。另外，空间分析是g i s 区别于其它一 切系统的独特功能，g i s 处理的基础是地理空间。由于“地理空间”概念的理解将直接渗透到6 i s 的数据模型和空间分析处理中，因此对地理空间的概念有一个较为深入的研究和理解是完全必要的。 2 41 地理空间 笔者认为，由于地理学是研究地球表层空间分布规律的科学，因此地理学的空间是个定义在 地球表层目标集上的关系。在目标之间有无数种关系，物理距离只是这些关系中的一种度量；定义 - 1 十关系就自然定义了一种空间，而这个空间又是和儿何关系联系在一起的。并且，几何关系是所 有这些关系中的基础关系。也许正因为如此，今天大多数的6 i s 都强调空间位置和拓扑关系。也就 是说，地理空间是一个相对空间，是一个目标组合排列集( 这些目标具有精确的空间位置) ，强调 宏观的空间分布平目标间的相关关系( 关系以各单个地理目标为联结的结点或载体) 。拓扑关系是 其中的一种，同时地理空间若想精确定位于地球上，还必须承认它有欧氏空间基础，有相对于地球坐 标系的绝对位置。这样，通过地理空间和欧氏空间的统一，将地理现象的宏观特性和空间位置的精 确特征紧密有机地联系在一起。其中，宏观特性主要体现在地理对象之间的拓扑关系与非拓扑关系 ( 通过数据模型体现) 上，其载体则是具有精确位置、起着联结结点作用的那些单个地理空间对象 ( 通过单对象的数据结构体现) 。 o 一! 里型丝查堂堡_ 上兰垡堡苎 2 4 2 地理空间的三维特征 地理空间在本质上就是三维的。在过去的几十年里，二维制图和6 i s 的迅猛发展和广泛应用使 得不同领域的人们大都无意识地接受了将三维现实世界、地理空间简化为二维投影的概念模型。应 用的深入和实践的需要渐渐暴露出二维f i i s 简化世界和空间的缺陷，现在6 i s 的研究人员和开发者 们不得不重新思考地理空间的三维本质特征及在三维空间概念模型下的一系列处理方法。若从三维 g i s 的角度出发考虑，地理空间应有如下不同于二维空间的三维特征： ( 】) 几何坐标上增加了第三维信息，即垂向坐标信息： ( 2 ) 垂向坐标信息的增加导致空间拓扑关系的复杂化，其中突出的一点是无论0 维、1 维、2 维 还是3 维对象，在垂向上都具有复杂的空间拓扑关系：如果说二维拓扑关系是在平面上旱圆状发散 伸展的话，那么三维拓扑关系则是在三维空间中呈球状向无穷维方向伸展： ( 3 ) 二维地理空间中的三维对象还具有丰富的内部信息( 如属性分布、结构形式等) 。 243 地理空间的多尺度特征与时变特征 事实上，上面所说的地理空间隐含了一个空间尺度概念。如果g i s 涉及到的地理空问强调宏观 的整体结构研究及粗略的拓扑关系，那么，这个隐含的尺度是一个大尺度，反之，若应用目的强调 绝对位置及精确的拓扑关系，那么这个尺度就是一个小尺度。在地理时间尺度上也是如此。地理空 间尺度、范围、时问尺度、时间范围均是与具体研究的地理区域系统的地学问题有关。不同的地学 问题有不同的地理空间和地理时间( 龚建华，1 9 9 7 ) 。因此，在g i s 中可能需要两种坐标空间，一 种是位置及拓扑相对精确的空间( 简称精确空间) ；一种是着重关注宏观地理现象的精略的空间( 简 称粗略空间) ，这意味着作为基础的精确底层地理数据库应该有派生多种比例尺数据的能力，这样就 为g i s 根据不同的需要进行多尺度分析打下了基础。 244 面向对象的整体数据模型 上一= 仃对地理空间概念的理解，告诉我们只有用面向对象的方法表达地理世界，才能使做出来 的g i s 符合人的思维习惯，因此这里的整体数据模型并不是对上面“面向实体的数据模型”的否定， 而是在它基础之上的进一步发展。面向对象的拦体数据模型不仅要求我们将地理世界以实体为单位 进行组织，而且要求我们将客观世界作为一个整体看待，即每一个实体不仅具有空间位置属性和空 间上的联系，更重要的是它与其它实体还具有逻辑上的语义联系，另外它还具有时间属性。具体说 来，面向对象的整体数据模型有一f 面几个要点： ( 1 ) 将地理空间按照人的思维方式理解为基于目标的空间，地理空间是一个定义在地球表层目标 集上的关系： ( 2 ) 从整体论的角度出发考虑地理空间，除了要研究对象的儿何位置及拓扑关系外，还要重视 研究对象间的语义关系，时间、属性、空间三种属性在对象里处于并列或同等重要的地位；我们可 以把整体数据模型中的地理实体称作“特征”，这里的特征概念强调其与其它特征的有机联系( 时 间、空间和语义上的关系) ，是齄体中的一分子。 ( 3 ) 整体数据模型虽然要求我们将客观世界作为整体看待，但并不排斥在执行具体的数据组织 时对众多的地理实体进行分层，而是反对僵化的分层。分层是基本的和必要的，问题是如何进行有 效和灵活的分层。整体数据模型要求我们给基于用户需要的复合图层予以充分的支持，复合图层应 使用户能够自由地加入、删除、修改任意类型( 点、线、面和复杂实体) 的地理实体： ( 4 ) 虽然传统的g i s 数据模型常将基于对象的模型用矢量结构表达，而将基于场的模型用栅格 结构表达( b u r r o u g h ，1 9 9 6 ；w o r b o y s ，1 9 9 4 ) ，其实可将对象和连续场这两种看似对立的模型统一 塑垡壁壁塑坚 套竺篓黎篓篓煮宴紫鐾主害l 兰! 尊夏确定性与模糊性归属在特征的属性集中。面向对象的方法作 为一跫譬鍪茎竖! 譬嚣兰基王翌象的模型，也可以描述基于场的模釜( w o r b o y s 。，“1 9 ”9 ”4 1 , 4 1 9 “9 5 刀) “；怍 ( 5 ) 空间对象是处在三维空间中的，井具有多尺度特征。 25 本章小结 j 苦足数c 据紫詈苎三兰竺圣銎和釜堡j 垄了使开发出的g i s 尽可能准确地反映地理空间，能够较好地 冀篓。, t 。q g i s ：掣宝雯之要的苎嚣二查亭2 析和总结了早期和近期g i s 几种数据模妄磊在簇二_ 弄筹釜薹 空间进行了重新理解，在此基础上提出了整体g i s 数据模型设计的几个要三- “6 ”“”“8 中国科技大学硕士学位论文 第3 章 基于网络的钻井地质管理平台的系统结构与方案 3 1 概述 本项目为人庆石油管理局重点攻关项目，有大庆罩i 油管理局钻井二公司和中国科技大学网络中 心共同完成。 3 11 引言 钻井地质系统工作的重点是预测储层流体压力，用以确定合理的钻井液密度、加强油层保护、 提高同片质量和处理在钻井过程中出现的压力异常情况，并预测其影响范围，指导下一步钻井施工， 向钻井 程提供岩层构造数据和岩性变化规律，以保证井身质量和施工的安全。钻井技术措施是否 合理，直接影响l 司井质量、钻井施工过程的安全、钻井成本及油层保护等问题。钻井地质预测准确 性以及采取相应的措施是否合理，无论在哪一方面，都依据钻井区块内大量的动、静态数据和以往 钻井情况作为基础，采用先进合理的数学模型进行计算和统计，总结出地质规律，以指导钻井施工。 目前，钻井地质管理是三级管理模式，包括公司地质室、钻井大队地质组和钻井小队地质员， 地质室主要i 作包括完成新钻井区块的地质设计、注水井降压方案、联系注水井停注、监督方案实 施、处理钻井过程中出现的复杂情况，钻井大队地质组主要工作包括落实地质设计的执行，并向公 司反馈设计的执行情况，钻井小队地质员主要丁= 作包括执行地质设计、收集现场地质信息、及肘反 馈庄钻井过程中出现的地f 异常情况。 为了在竞争激烈的钻井市场中立稳脚，作为钻井地质工作就要发展地质预测技术和完善地质系 统的管理。发展钻井地质技术要围绕提高固井质量和加强油层保护两方面，完善的地质系统管理围 绕钻井地质设计的落实、提高劳动效率、降低劳动强度和节约成本。根据这两点和钻井公司地质系 统内备岗位的需求在1 9 9 9 年2 0 0 1 年期间，钻井二公司地质室进行钻井地质计算机网络应用软 件项目的研究，利_ 【 计算机主要完成地质预测的复杂运算，利用网络完成地质系统内部和各科室 之间的信息数据传递。主要目的提高地质预测的准确率加强地质系统的管理，对钻井过程中出现 的问题有个正确而迅速的判断。 在以往的地质预! 忡资料利用率较低，方法也有待于改进，数据分散，根据个人不同的需要， 自己保存与维护，没有统一管理，在查寻统计等方面很不方便，对一些检查记录和汇报数据往往是 通过电话汇报方式，容易丢失，造成查寻统计困难，对出现的问题也难做出一个正确而迅速的反应， 目前硬件环境已具备，根据钻井地质的需要，急需有一套钻井地质计算机网络系统软件。 31 2 项目完成情况 该项目从1 9 9 9 年1 月2 0 0 1 年1 2 月完成，完成内容包含了开题报告要求。 1 总体设计 2 数据结构设计 3 功能模块设计 4 程序编程 5 地质系统网络建立 该项目的开发，根据钻井地质各岗的实际需要，使工作流程和方式与1 s 0 9 0 0 2 标准紧密相结合。 根据不同的需求，采用不同的编程语言，使软件在实际工作中发挥更大的优势。各岗位之间通过对 数据的流程控制和任务的管理来实现紧密地结合。 该软件系统界面友好，功能齐全，能够满足用户的要求，通过在钻井二公司地质系统内试运行， 一 ! 里型垡查兰堡圭堂垡堡苎 达到预期效果，提高设计精度、工作效率和降低劳动强度，在查寻和统计方面达到了速度快、准确、 全面。 3 1 3 项目的成果 1 完成了需求分析及总体方案没计的编写。 2 完成了数统结构设计及关系建立。 3 完成了开题报告中所有软件所要求的功能开发工作。 4 建立钻井地质系统网络办公系统。 3 2 总体设计 321 钻井地质系统各岗位主要职能 目前钻井地质主要分三级管理，公司地质室、大队地质组和钻井小队地质员，其中公司地质室 主要有地质设计岗、现场管理岗、资料岗、调度岗、技术研究岗、综合岗和井位测量小分队，钻井 大队设有地质师岗、地质组综合岗和资料员岗，钻井小队设有地质员岗，主要完成的工作包括： l 负责组织贯彻执行油田开发方案。 2 负责地质年报、月报、地质设计的编制工作。 3 负责钻井地质预测工作。 4 负责注水井降压管理和钻井液密度设计工作。 5 负责处理钻井生产中发生的地质问题。 6 负责完并地质资料、数据录取管理工作。 7 负责井位测定管理工作。 8 负责地质技术研究试验工作。 9 完成领导交办的其它工作。 32 1 1 地质设计岗主要完成的工作 l 负责待钻井地层、油层、断层、地层倾角及完钻井深设计。 2 负责地质设计数据库、井身结构数据库的建立与维护。 3 负责地质分层设计校核工作。 321 2 现场管理岗主要完成的工作 l