1、江苏油田地理信息系统的设计与实现摘要：江苏油田经过几十年发展，积累了大量历史数据。为有效利用、管理这些数据，使之为生产决策服务，该文借助开源软件 MapGuide 搭建油田网络地理信息系统平台。系统集空间数据、生产数据、影像数据于一体，通过 FDO 实现 MapGuide 与数据库的连接，并对影像进行分片处理，加快访问速度，实现油田信息共享、信息可视化查询分析、地图管理等功能，实验表明了该系统的有效性。关键词：MapGuide 软件；MySQL 数据库；开源；地理信息系统【Abstract】After several decades of development,Jiangsu oilfiel
2、d 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 t
3、he 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 sour
4、ce;Geographic Information System(GIS)1 概述江苏油田开发所积累的大量历史数据在使用过程中存在如下问题：(1)数据格式不统一。有些数据存代写论文储在 excel 表中，有些存储在数据库中，有些是 CAD 文件，有些空间数据坐标系统采用北京 54 坐标，有些采用西安 80 坐标，这就造成了在使用过程中的诸多不便。(2)存储方式多样。有些是纸质的，有些是电子的。(3)由于文件众多，已经更新的数据，在文件中未能同步更新，导致时效性差，准确度较低。利用 GIS技术有助于更好地管理、利用这些数据来为生产、决策服务。它不仅能够很好地管理数据，进行直观的可视化表达，还为管
5、理者提供决策支持。在开发江苏油田地理信息系统时，如果采用一些商业软件，比如：ArcIMS,MapXtreme,MapGISIMS,SuperMap，除了要承担较高的开发成本(这些软件花费少则几万，多则几十万)之外，在软件选择时，还要考虑GIS 平台和数据的兼容性1，且它们的开放性有限。相比之下，开源软件具有费用低(甚至零花费)、扩展性强等特点，而且开源软件一般都遵守 OpenGIS 规范，可定制性强，便于二次开放。综合考虑性能和成本因素，本系统的构建采用开源软件，GIS 软件采用 MapGuide，数据库采用MySQL。2 系统设计 2.1 系统总体结构设计本系统采用多层分布式应用模型，可以有
6、效地分散数据层、逻辑层和表示层。多层结构设计最大的好处在于它的拓展能力和负载均衡能力2，系统结构如图 1 所示。浏览器TomcatServletMapGuide ServerJavaBeanJDBC 影像文件数据库JspApache 客户端网络服务器应用服务器数据层图 1 系统结构作者简介：崔伦辉(1985)，男，硕士研究生，主研方向：WebGIS，空间数据库；张万昌、徐士进，教授、博士、博士生导师2.1.1 客户端系统客户端为“瘦”客户端，仅需一个浏览器，不需要安装其他任何软件。客户端开发采用 Ajax 技术，MapGuide 为便于二次开发提供了 MapGuide Viewer API，借
7、助 API 函数实现了空间数据的显示和维护。2.1.2 Web 服务器3系统的 Web 层由 Jsp 和 Servlet 组成。它们的管理和执行是靠 Tomcat 和 Apache 完成的。2.1.3 应用服务器应用服务器层主要包括业务逻辑和 GIS 服务器。空间数据的操作通过 FDO 实现MapGuide Server 与数据库的连接，属性数据的操作通过 JDBC 实现与数据库的连接。2.1.4 数据层包括数据库服务器和影像文件。数据库存储空间数据和业务数据，影像文件包括江苏油田区域的 QuickBird 和中巴资源卫星影像文件。2.2 数据库的设计江苏油田地理信息系统的数据源可以概括为 3
8、 类：(1)基础数据。包括油井、水井、管线、房屋等信息的空间数据资料；(2)生产数据。包括设备、仪表、站库设施等属性信息；(3)遥感影像数据。其中，第(1)类和第(2)类数据存储在数据库中；第 3 类数据按文件方式存储。空间数据库部分根据实体性质，可以将地物划分为点状地物和线状地物。由于 QuickBird 影像比较清晰，因此避免了将房屋、罐等面状地物按点存储。点状地物包括油井、水井、计量站、配水间、联合站、中转站等；线状地物包括输水管线、输油管线、输气管线等。每一地物类型在数据库中存储为一张表，对应 MapGuide 中的一个图层。设备、仪表、泵、罐等属性数据存储为一般的关系表。根据原始数据
9、的内容、特征和生产需求，将数据库中的空间数据划分为以下 11 层：油井层，水井层，计量站层，配水间层，联合站层，中转站层，注水站层，输油管线层，输水管线层，输气管线层和影像层。考虑系统的安全因素，不同人员拥有不同权限，因此，要明确设备、设施等实体的隶属关系。以油井为例作一介绍，油井作为点状地物存储，其表结构如表 1所示。2.3 系统安全设计安全性是一个系统的必要特征，按照安全保密重要程度由大到小的排列顺序，依次为信息安全、病毒防治、介质安全、数据库安全、系统安全、网络安全、设备安全4，如图 2 所示。设备安全网络安全系统安全数据库安全介质安全病毒防治信息安全图 2 安全体系结构在开发江苏油田地
10、理信息系统的过程中，要考虑的安全因素包括数据库安全和系统安全。(1)数据库安全。采用基于视图的数据访问机制，用户只能使用已授权的功能，可将访问权限控制在记录级，为防止介质崩溃，定期备份数据库数据。(2)系统安全。通过设置 NT 的域用户管理，在网络内部使用代理网关，设置网络防火墙，限定 IP 地址访问，安装防病毒系统等方式来提高系统的安全性。3 系统实现系统在设计开发过程中，运用系统工程的理论和方法，对各业务模块进行统一的系统功能分析，各功能模块之间采用统一的对象模型、标准代码体系、约定的处理方式及通用接口，充分利用 MapGuide 软件所提供的现有功能，并拓展油田实际生产过程中的具体需求功
11、能，力求开发出界面友善、功能完善、结构灵活、性能良好的系统。3.1 MapGuide 简介开源 MapGuide 包括 MapGuide Server 和 MapGuide WebServer Extensions。Server 在操作系统中是作为一个服务来运行的，既可存取本地服务器上的数据，也可存取通过 FDO 技术连接到其他服务器上的数据。Web Server Extensions 提供了完整的 API 函数，它是用户与 Server 交互的“桥梁” ，支持 PHP,.NET,Java 这 3 种开发语言。MapGuide Studio 为用户提供一个便于发布地图的管理工具，在 Studi
12、o中发布地图应用的步骤是：(1)创建 Data Connection；(2)创建 Layer，选择 Map 中需要显示的 Layer；(3)生成 Layouts，发布地图应用。3.2 数据的预处理 3.2.1 空间数据的处理原始空间数据只有点坐标，且不同厂区采用的坐标系不同，为方便管理，将它们统一转换到 WGS84 坐标系下，并在 ArcGIS 中生成 shp 文件，然后导入到 MySQL 数据库中。每个图层对应数据库中的一张表，表中包含属性数据和空间数据，为使 FDO 能够读取数据库中的数据，需要创建几个辅助表。比如，表f_attributedefinition 定义了每个空间数据表的属性字
13、段类型；表f_classdefinition 定义了每个空间数据表的 classid；表 f_classtype定义了类别；表 f_schemainfo 中记录了模式信息；表f_spatialcontextgroup 中记录了坐标系信息。3.2.2 影像数据的处理江苏油田位于东经 117.5120.5，北纬 3233.5之间，覆盖面积约为 30 000 km2。油田分布零散，缺乏大比例尺的基础数据。为了直观地显示，购买了油井密集区 0.6 m 分辨率的 QuickBird 影像，其他地区使用免费的 19.5 dm 分辨率的中巴资源卫星影像。由于 QuickBird 影像中存在的阴影会影响视觉效
14、果，因此需要剔除。常用的阴影剔除方法有基于直方图的方法、基于同态系统消除阴影技术、归一化处理，以及纹理分析。本文采用由虢建宏等人提出的一种多波段阴影检测法和基于能量信息补偿去除阴影的理论模型法来去除 QuickBird 影像中的阴影5。将剔除阴影后的高分辨率影像与中巴资源卫星影像融合，进行配准校正，得到江苏油田全区 0.6 m 分辨率的影像。由于数据量较大，为加快浏览速度，将影像进行分片处理，共将影像分为 8 级。3.3 系统功能 3.3.1 GIS 基本功能包括用于地图浏览的放大、缩小、漫游功能，并设定参数，使系统在不同比例尺下显示不同的内容，同时，用户可以灵活设置各个图层的显示或隐藏，任意
15、选择激活当前要操作的图层，突出显示某些环境要素，满足地图综合和专题制图的需要。地图打印功能：用户可以在限定范围内，选择要打印地图的大小与比例尺；距离量算功能；图属互查功能：通过图形的点选择、矩形选择、圆选择功能来查看选择图形要素的属性数据，通过属性数据可以查询和定位到满足条件的图形数据，同时，也提供模糊查询功能。3.3.2 生产预警由于设备在生产过程中会老化甚至出现故障，为便于管理者掌握设备、管线的第一手资料，系统提供生产预警功能。比如，对于维修次数超过 3 次的油井、水井，使用超过 5 年的油井管线，使用超过 6 年的注水井管线和计量站集油管线，使用超过 8 年的配水间注水干线和总干线都会预
16、警。3.3.3 数据报表系统根据用户的查询条件生成各种类型的工程报表，直接打印或保存到 Excel中。3.3.4 布线决策在管线的布设上，借助 GIS 的缓冲区分析和距离量算功能，综合考虑地形、地质等因素，最终确定管线走向。3.3.5 地图编辑系统提供了对点、线等地图要素进行增、删、改的维护功能。当新增加井位时，管理员能在地图上直接添加新井，也可通过输入坐标的方式添加新井；同样，对于需要新增的管线，可以直接在地图上添加，也可以通过坐标输入。技术人员可以在权限范围内修改井、站、管线等地图要素的属性信息。3.3.6 用户权限管理为保证系统安全，将用户级别分为 6级，不同人员拥有不同权限。比如，普通
17、用户只能浏览；1 级管理员可对全厂地理信息系统的数据进行维护；2 级管理员仅对管辖范围内的数据进行维护；注采部门人员仅能添加新井。4 结束语本系统借助开源 WebGIS 软件 MapGuide，采用开源数据库MySQL，通过 FDO 来连接 MapGuide 与 MySQL，实现了空间数据和属性数据的一体化存储，对影像数据进行分片处理，加快数据的浏览访问速度。由于系统采用 MapGuideStudio 开发，MapGuide Studio 对系统进行了封装，因此系统界面不太美观，有些功能也不易添加(如鹰眼功能，即根据鼠标捕获地物，弹出属性标签；鼠标滚轮的放大缩小功能)。下一步系统将尝试改善界面
18、，增加系统功能，并将该系统与自动化系统集成，充分发挥基础数据的作用，为用户提供一个直观的操作界面。系统的建成将加快江苏油田“数字油田”建设的步伐。采用开源软件，不仅节省费用，而且能够开发出功能强大的系统，对于中小企业地图发布来说，无疑是个很好的选择6。参考文献1郑斌,唐旭.基于开源 GIS 的城市基准地价信息发布平台的设计与实现J.国土资源科技管理,2006,23(5):69-74.2刘梅彦,袁梅冷.基于 J2EE 平台的网络辅助教学系统的设计与实现J.计算机工程与科学,2007,29(1):41-44.3冯宇.基于开源 WebGIS 的干线公路网用地控制系统J.公路与汽运,2007,(2):44-47.4梁瑞才,郑彦鹏.渤海油田示范区地理信息系统(GIS)的规划设计J.海洋科学进展,2006,24(2):238-243.5虢建宏,田庆久.遥感影像阴影多波段检测与去除理论模型研究J.遥感学报,2006,10(2):152-159.6汤焱彬,孟令奎.一种中小城市实用 WebGIS 架构方案J.地理空间信息,2005,3(1):21-24.
