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江蘇油田地理信息系統的設計與實(shí)現
摘要：江蘇油田經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，積累了大量歷史數據。為有效利用、管理這些數據，使之為生產(chǎn)決策服務(wù)，該文借助開(kāi)源軟件MapGuide搭建油田網(wǎng)絡(luò )地理信息系統平臺。系統集空間數據、生產(chǎn)數據、影像數據于一體，通過(guò)FDO實(shí)現MapGuide與數據庫的連接，并對影像進(jìn)行分片處理，加快訪(fǎng)問(wèn)速度，實(shí)現油田信息共享、信息可視化查詢(xún)分析、地圖管理等功能，實(shí)驗表明了該系統的有效性。
關(guān)鍵詞：MapGuide軟件;MySQL數據庫;開(kāi)源;地理信息系統
【Abstract】After several decades of development,Jiangsu oilfield has accumulated large amounts of historical data.For effective use of these datafor daily production and decision-making,the Geographic Information System(GIS)for Jiangsu oilfield is developed by using MapGuide.Thissystem contains spatial data,production data and images,while MapGuide connecting the database via FDO technology.In order to reduce useraccess waiting time,the large images are separated into small pieces.This system has lots of functions such as information sharing,data query andanalysis and map management.Practical results show its efficiency.
【Key words】MapGuide;MySQL;open source;Geographic Information System(GIS)
1、概述
江蘇油田開(kāi)發(fā)所積累的大量歷史數據在使用過(guò)程中存在如下問(wèn)題：(1)數據格式不統一。有些數據存儲在excel表中，有些存儲在數據庫中，有些是CAD文件，有些空間數據坐標系統采用北京54坐標，有些采用西安80坐標，這就造成了在使用過(guò)程中的諸多不便。(2)存儲方式多樣。有些是紙質(zhì)的，有些是電子的。(3)由于文件眾多，已經(jīng)更新的數據，在文件中未能同步更新，導致時(shí)效性差，準確度較低。利用GIS技術(shù)有助于更好地管理、利用這些數據來(lái)為生產(chǎn)、決策服務(wù)。它不僅能夠很好地管理數據，進(jìn)行直觀(guān)的可視化表達，還為管理者提供決策支持。在開(kāi)發(fā)江蘇油田地理信息系統時(shí)，如果采用一些商業(yè)軟件，比如：ArcIMS,MapXtreme,MapGIS-IMS,SuperMap，除了要承擔較高的開(kāi)發(fā)成本(這些軟件花費少則幾萬(wàn)，多則幾十萬(wàn))之外，在軟件選擇時(shí)，還要考慮GIS平臺和數據的兼容性[1]，且它們的開(kāi)放性有限。相比之下，開(kāi)源軟件具有費用低(甚至零花費)、擴展性強等特點(diǎn)，而且開(kāi)源軟件一般都遵守OpenGIS規范，可定制性強，便于二次開(kāi)放。綜合考慮性能和成本因素，本系統的構建采用開(kāi)源軟件，GIS軟件采用MapGuide，數據庫采用MySQL。
2、系統設計
2.1系統總體結構設計本系統采用多層分布式應用模型，可以有效地分散數據層、邏輯層和表示層。多層結構設計最大的好處在于它的拓展能力和負載均衡能力[2]，系統結構如圖1所示。瀏覽器TomcatServletMapGuide ServerJavaBeanJDBC影像文件數據庫JspApache客戶(hù)端網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器應用服務(wù)器數據層圖1系統結構作者簡(jiǎn)介：崔倫輝(1985-)，男，碩士研究生，主研方向：WebGIS，空間數據庫;張萬(wàn)昌、徐士進(jìn)，教授、博士、博士生導師
2.1.1客戶(hù)端系統客戶(hù)端為“瘦”客戶(hù)端，僅需一個(gè)瀏覽器，不需要安裝其他任何軟件�？蛻�(hù)端開(kāi)發(fā)采用Ajax技術(shù)，MapGuide為便于二次開(kāi)發(fā)提供了MapGuide Viewer API，借助API函數實(shí)現了空間數據的顯示和維護。
2.1.2 Web服務(wù)器[3]系統的Web層由Jsp和Servlet組成。它們的管理和執行是靠Tomcat和Apache完成的。
2.1.3應用服務(wù)器應用服務(wù)器層主要包括業(yè)務(wù)邏輯和GIS服務(wù)器�？臻g數據的操作通過(guò)FDO實(shí)現MapGuide Server與數據庫的連接，屬性數據的操作通過(guò)JDBC實(shí)現與數據庫的連接。
2.1.4數據層包括數據庫服務(wù)器和影像文件。數據庫存儲空間數據和業(yè)務(wù)數據，影像文件包括江蘇油田區域的QuickBird和中巴資源衛星影像文件。
2.2數據庫的設計江蘇油田地理信息系統的數據源可以概括為3類(lèi)：(1)基礎數據。包括油井、水井、管線(xiàn)、房屋等信息的空間數據資料;(2)生產(chǎn)數據。包括設備、儀表、站庫設施等屬性信息;(3)遙感影像數據。其中，第(1)類(lèi)和第(2)類(lèi)數據存儲在數據庫中;第3類(lèi)數據按文件方式存儲�？臻g數據庫部分根據實(shí)體性質(zhì)，可以將地物劃分為點(diǎn)狀地物和線(xiàn)狀地物。由于QuickBird影像比較清晰，因此避免了將房屋、罐等面狀地物按點(diǎn)存儲。點(diǎn)狀地物包括油井、水井、計量站、配水間、聯(lián)合站、中轉站等;線(xiàn)狀地物包括輸水管線(xiàn)、輸油管線(xiàn)、輸氣管線(xiàn)等。每一地物類(lèi)型在數據庫中存儲為一張表，對應MapGuide中的一個(gè)圖層。設備、儀表、泵、罐等屬性數據存儲為一般的關(guān)系表。根據原始數據的內容、特征和生產(chǎn)需求，將數據庫中的空間數據劃分為以下11層：油井層，水井層，計量站層，配水間層，聯(lián)合站層，中轉站層，注水站層，輸油管線(xiàn)層，輸水管線(xiàn)層，輸氣管線(xiàn)層和影像層�？紤]系統的安全因素，不同人員擁有不同權限，因此，要明確設備、設施等實(shí)體的隸屬關(guān)系。以油井為例作一介紹，油井作為點(diǎn)狀地物存儲，其表結構如表1所示。2.3系統安全設計安全性是一個(gè)系統的必要特征，按照安全保密重要程度由大到小的排列順序，依次為信息安全、病毒防治、介質(zhì)安全、數據庫安全、系統安全、網(wǎng)絡(luò )安全、設備安全[4]，如圖2所示。設備安全網(wǎng)絡(luò )安全系統安全數據庫安全介質(zhì)安全病毒防治信息安全圖2安全體系結構在開(kāi)發(fā)江蘇油田地理信息系統的過(guò)程中，要考慮的安全因素包括數據庫安全和系統安全。(1)數據庫安全。采用基于視圖的數據訪(fǎng)問(wèn)機制，用戶(hù)只能使用已授權的功能，可將訪(fǎng)問(wèn)權限控制在記錄級，為防止介質(zhì)崩潰，定期備份數據庫數據。(2)系統安全。通過(guò)設置NT的域用戶(hù)管理，在網(wǎng)絡(luò )內部使用代理網(wǎng)關(guān)，設置網(wǎng)絡(luò )防火墻，限定IP地址訪(fǎng)問(wèn)，安裝防病毒系統等方式來(lái)提高系統的安全性。
3、系統實(shí)現
系統在設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中，運用系統工程的理論和方法，對各業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行統一的系統功能分析，各功能模塊之間采用統一的對象模型、標準代碼體系、約定的處理方式及通用接口，充分利用MapGuide軟件所提供的現有功能，并拓展油田實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的具體需求功能，力求開(kāi)發(fā)出界面友善、功能完善、結構靈活、性能良好的系統。3.1 MapGuide簡(jiǎn)介開(kāi)源MapGuide包括MapGuide Server和MapGuide WebServer Extensions。Server在操作系統中是作為一個(gè)服務(wù)來(lái)運行的，既可存取本地服務(wù)器上的數據，也可存取通過(guò)FDO技術(shù)連接到其他服務(wù)器上的數據。Web Server Extensions提供了完整的API函數，它是用戶(hù)與Server交互的“橋梁”，支持PHP,.NET,Java這3種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。MapGuide Studio為用戶(hù)提供一個(gè)便于發(fā)布地圖的管理工具，在Studio中發(fā)布地圖應用的步驟是：(1)創(chuàng )建Data Connection;(2)創(chuàng )建Layer，選擇Map中需要顯示的Layer;(3)生成Layouts，發(fā)布地圖應用。3.2數據的預處理3.2.1空間數據的處理原始空間數據只有點(diǎn)坐標，且不同廠(chǎng)區采用的坐標系不同，為方便管理，將它們統一轉換到WGS84坐標系下，并在A(yíng)rcGIS中生成shp文件，然后導入到MySQL數據庫中。每個(gè)圖層對應數據庫中的一張表，表中包含屬性數據和空間數據，為使FDO能夠讀取數據庫中的數據，需要創(chuàng )建幾個(gè)輔助表。比如，表f_attributedefinition定義了每個(gè)空間數據表的屬性字段類(lèi)型;表f_classdefinition定義了每個(gè)空間數據表的classid;表f_classtype定義了類(lèi)別;表f_schemainfo中記錄了模式信息;表f_spatialcontextgroup中記錄了坐標系信息。3.2.2影像數據的處理江蘇油田位于東經(jīng)117.5°～120.5°，北緯32°～33.5°之間，覆蓋面積約為30 000 km2。油田分布零散，缺乏大比例尺的基礎數據。為了直觀(guān)地顯示，購買(mǎi)了油井密集區0.6 m分辨率的QuickBird影像，其他地區使用免費的19.5 dm分辨率的中巴資源衛星影像。由于QuickBird影像中存在的陰影會(huì )影響視覺(jué)效果，因此需要剔除。常用的陰影剔除方法有基于直方圖的方法、基于同態(tài)系統消除陰影技術(shù)、歸一化處理，以及紋理分析。本文采用由虢建宏等人提出的一種多波段陰影檢測法和基于能量信息補償去除陰影的理論模型法來(lái)去除QuickBird影像中的陰影[5]。將剔除陰影后的高分辨率影像與中巴資源衛星影像融合，進(jìn)行配準校正，得到江蘇油田全區0.6 m分辨率的影像。由于數據量較大，為加快瀏覽速度，將影像進(jìn)行分片處理，共將影像分為8級。3.3系統功能3.3.1 GIS基本功能包括用于地圖瀏覽的放大、縮小、漫游功能，并設定參數，使系統在不同比例尺下顯示不同的內容，同時(shí)，用戶(hù)可以靈活設置各個(gè)圖層的顯示或隱藏，任意選擇激活當前要操作的圖層，突出顯示某些環(huán)境要素，滿(mǎn)足地圖綜合和專(zhuān)題制圖的需要。地圖打印功能：用戶(hù)可以在限定范圍內，選擇要打印地圖的大小與比例尺;距離量算功能;圖屬互查功能：通過(guò)圖形的點(diǎn)選擇、矩形選擇、圓選擇功能來(lái)查看選擇圖形要素的屬性數據，通過(guò)屬性數據可以查詢(xún)和定位到滿(mǎn)足條件的圖形數據，同時(shí)，也提供模糊查詢(xún)功能。3.3.2生產(chǎn)預警由于設備在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì )老化甚至出現故障，為便于管理者掌握設備、管線(xiàn)的第一手資料，系統提供生產(chǎn)預警功能。比如，對于維修次數超過(guò)3次的油井、水井，使用超過(guò)5年的油井管線(xiàn)，使用超過(guò)6年的注水井管線(xiàn)和計量站集油管線(xiàn)，使用超過(guò)8年的配水間注水干線(xiàn)和總干線(xiàn)都會(huì )預警。3.3.3數據報表系統根據用戶(hù)的查詢(xún)條件生成各種類(lèi)型的工程報表，直接打印或保存到Excel中。3.3.4布線(xiàn)決策在管線(xiàn)的布設上，借助GIS的緩沖區分析和距離量算功能，綜合考慮地形、地質(zhì)等因素，最終確定管線(xiàn)走向。3.3.5地圖編輯系統提供了對點(diǎn)、線(xiàn)等地圖要素進(jìn)行增、刪、改的維護功能。當新增加井位時(shí)，管理員能在地圖上直接添加新井，也可通過(guò)輸入坐標的方式添加新井;同樣，對于需要新增的管線(xiàn)，可以直接在地圖上添加，也可以通過(guò)坐標輸入。技術(shù)人員可以在權限范圍內修改井、站、管線(xiàn)等地圖要素的屬性信息。3.3.6用戶(hù)權限管理為保證系統安全，將用戶(hù)級別分為6級，不同人員擁有不同權限。比如，普通用戶(hù)只能瀏覽;1級管理員可對全廠(chǎng)地理信息系統的數據進(jìn)行維護;2級管理員僅對管轄范圍內的數據進(jìn)行維護;注采部門(mén)人員僅能添加新井。
4、結束語(yǔ)
本系統借助開(kāi)源WebGIS軟件MapGuide，采用開(kāi)源數據庫MySQL，通過(guò)FDO來(lái)連接MapGuide與MySQL，實(shí)現了空間數據和屬性數據的一體化存儲，對影像數據進(jìn)行分片處理，加快數據的瀏覽訪(fǎng)問(wèn)速度。由于系統采用MapGuideStudio開(kāi)發(fā)，MapGuide Studio對系統進(jìn)行了封裝，因此系統界面不太美觀(guān)，有些功能也不易添加(如鷹眼功能，即根據鼠標捕獲地物，彈出屬性標簽;鼠標滾輪的放大縮小功能)。下一步系統將嘗試改善界面，增加系統功能，并將該系統與自動(dòng)化系統集成，充分發(fā)揮基礎數據的作用，為用戶(hù)提供一個(gè)直觀(guān)的操作界面。系統的建成將加快江蘇油田“數字油田”建設的步伐。采用開(kāi)源軟件，不僅節省費用，而且能夠開(kāi)發(fā)出功能強大的系統，對于中小企業(yè)地圖發(fā)布來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是個(gè)很好的選擇[6]。
參考文獻
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