1.地理信息系统的物理外壳是一个计算机化的技术系统，它由若干相互关联的子系统组成，如数据采集子系统、数据管理子系统、数据处理与分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等。这些子系统的质量和结构直接影响GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理方式和产品输出类型。2.GIS的操作对象是空间数据，即具有点、线、面、体等三维要素的地理实体。空间数据最根本的特点是每一个数据都按照统一的地理坐标进行编码，实现了其定位、定性和定量描述。这是GIS区别于其他类型信息系统的根本标志，也是技术难点。3.GIS的技术优势在于其数据综合、模拟、分析和评价能力，可以获得常规方法或普通信息系统难以获得的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。4.GIS与测量学和地理学密切相关。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量、遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺、不同精度的定位号；电子测速仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感影像处理系统等现代测绘技术的使用，可以直接、快速、自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富、更加实时的信息源，推动GIS向更高层次发展。地理学是地理信息系统的理论支撑。有学者断言“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。”如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么信息地理学的兴起和发展将是地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和完善开辟一个崭新的天地。“GIS被称为地球科学的第三代语言——以数字形式描述空间实体。遥感遥感是在航空摄影基础上发展起来的一门新技术，发展于20世纪60年代初。自1972年美国发射第一颗陆地卫星以来，标志着太空遥感时代的开始。经过几十年的发展，遥感技术已经广泛应用于资源环境、水文、气象、地质地理等领域，成为一项实用而先进的空间探测技术。遥感利用遥感器从空中探测地面物体的特性。根据不同物体对光谱的反应不同的原理，识别地面上的各种地物，具有感知远处事物的意义。也就是说，利用地面上方的飞机、飞船、卫星等飞行物体上的遥感器来采集地面数据，并从中获取信息，通过记录、传输、分析和解释来识别地面物体。遥感技术的主要特点:1.可以获得大范围的数据。用于遥感的航拍飞机飞行高度约为10km，陆地卫星的卫星轨道高度约为910km，可以及时获取大范围的信息。2.获取信息的速度快，周期短。由于卫星绕地球运行，可以及时获取经过区域各种自然现象的最新信息，从而根据新旧信息的变化更新原始信息或进行动态监测，这是人工实地测量和航空摄影测量无法比拟的。3.获取信息较少受到条件的限制。地球上有很多地方，自然条件极其恶劣，人类难以到达，比如沙漠、沼泽、高山。利用不受地面条件限制的遥感技术，尤其是空间遥感，可以方便、及时地获取各种有价值的信息。4.获取信息的手段多，信息量大。根据不同的任务，遥感技术可以选择不同的波段和遥感仪器来获取信息。比如可见光可以用来探测物体，紫外、红外、微波也可以用来探测物体。利用不同波段对物体的不同穿透性，还可以获得地物的内部信息。比如微波波段也可以在地下深处、水的下层、冰下水体、沙漠下的地物全天候工作。全球定位系统全球定位系统(Globle Positioning System)是一种结合了卫星和通信的发展，利用导航卫星来测量时间和距离的技术。全球定位系统(GPS)是美国在20世纪70年代开发的，历时20多年，耗资200亿美元。它于1994年完全建成。具有全方位实时三维导航定位能力的新一代卫星导航定位系统。经过我国测绘部门近十年的使用，表明全球定位系统已成功应用于大地测量、工程测量、航空摄影、车辆导航与控制、地壳运动测量、工程变形测量、资源调查、地球动力学等学科，具有全天候、高精度、自动化、高效率的特点，取得了良好的经济效益和社会效益。GPS全球定位系统由三部分组成:空间部分——GPS星座(GPS星座是由24颗卫星组成的星座，其中21颗为工作卫星，3颗为备份卫星)；地面控制部分-地面监控系统；用户设备部分--GPS信号接收机。1、空间部分GPS的空间部分由24颗工作卫星组成，位于地面以上20±200km，均匀分布在6个轨道平面上(每个轨道平面4颗)，轨道倾角为55°。此外，在轨还有四颗现役备份卫星。卫星的分布使得随时观测全球任何地方的四颗以上卫星成为可能，并保持良好定位精度的几何图像。这提供了在时间上连续的全局导航能力。GPS卫星产生两组代码，其中一组称为C/ A代码(11023 MHz)。一组称为P码(10123 MHz)。P码因为频率高，干扰小，定位精度高，由美军控制，有密码，一般人无法解读，主要为美军服务。C/ A码主要由人们在采取措施故意降低其准确性后使用。2.地面控制部分地面控制部分由一个主控站、五个全球监测站和三个地面控制站组成。监测站配备了精确的铯原子钟和接收器，可以连续测量所有可见的卫星。监测站获得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后传输到主控站。主控站收集各个监测站的跟踪数据，计算卫星的轨道和时钟参数，然后将结果发送到三个地面控制站。地面控制站将这些导航数据和主控制站的命令注入每颗运行在头顶上的卫星。这种注入是每颗GPS卫星每天一次，最后一次注入是在卫星离开注入站范围之前进行的。如果某个地面站出现故障，卫星预存的导航信息还能使用一段时间，但导航精度会逐渐下降。对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态的已知点。恒星的位置是根据卫星传送的星历表计算出来的，星历表描述了卫星的运动和轨道参数。每个GPS卫星广播的星历表由地面监控系统提供。卫星上的各种设备是否正常工作，卫星是否一直沿着预定的轨道运行，都要由地面设备进行监视和控制。地面监控系统的另一个重要功能是保持所有卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测每颗卫星的时间，找出时钟差。然后由地面注入站发送给卫星，卫星通过导航电文发送给用户设备。GPS工作卫星地面监测系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。3.用户设备部分用户设备部分是GPS信号接收器。其主要功能是捕获按照一定的卫星截止角选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行情况。当接收机捕获到被跟踪的卫星信号时，可以测量接收天线到卫星的伪距和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理器可以根据位置计算方法计算出位置，计算出用户地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件、内部软件和GPS数据后处理软件包构成了一个完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为两部分:天线单元和接收单元。接收机一般采用内置和外置两种DC电源。设置内部电源的目的不是为了在更换外部电源时中断连续观察。使用非车载电源时，电池会自动充电。关机后，机器中的电池向RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前，各种类型的接收器越来越小，越来越轻，便于现场观察。全球定位系统有六大特点:一是全天候，不受任何天气影响；第二，全球覆盖(高达98%)；三、七维定点定速计时精度高；第四，快速、省时、高效；第五，用途广泛，功能多样；第六，可移动定位。数字地球仪数字地球是对真实地球及其相关现象的统一数字再现和理解。其核心思想是利用数字化手段处理整个地球的自然和社会活动，最大限度地利用资源，使普通人能够以某种方式方便地获得自己想要了解的关于地球的信息。其特点是嵌入海量地理数据，实现对地球的多分辨率、立体化描述，即“虚拟地球”。总的来说，就是通过数字化手段将地球及其活动和整个地球环境的时空变化载入计算机，实现网络上的流通，使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常工作、学习、生活、娱乐服务。严格来说，数字地球是以计算机技术、多媒体技术和海量存储技术为基础，以海量地球信息为纽带，对地球进行多分辨率、多尺度、多时相、多品种的描述，并以此作为支持和改善人类活动和生活质量的工具。地理信息技术是一门专业性和针对性很强的学科类别。近年来，地球物理信息技术的应用已扩展到:高分辨率地震勘探、岩石圈地球物理调查与数据处理、油气藏描述与表征、复杂油气田地球物理勘探、地震波场模拟、深度域基于模型的地震成像、井间地球物理电磁测井与层析成像、水资源与工程环境勘探、非地震勘探、海洋地球物理勘探、复杂油气田的油气勘探信息分析。
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石油和矿产勘查要求多种数据集进行综合分析。过去对数据存档、检索及迭加分析通常使用图件或表格数据,对比与综合要花费大量时间,遥感与GIS技术则为这些多源勘探数据综合处理提供了现代化手段。
在石油等矿产勘查时,地质学家首先要对各种地质图件、地球物理和地球化学数据、地震剖面以及遥感图像等数据进行综合分析,以便能清楚地了解各种不同数据集之间的关系。
地质数据通常也是由点、线、多边形三种形态构成的。点数据以地球化学分析数据最典型,它与某一特定的取样点有关;线数据可以是一条岩性分界线或一条断裂;多边形数据如某种岩类的出露范围。这些数据,有的采用图件形式,用颜色表示岩石类型(专题图),符号表示地球化学取样点位置,用等值线表示磁场测量值。许多地质数据还以报告、图形或实验室结果表格等形式提供。在GIS中,这些不同的数据集(如地球化学分析数据、航磁调查数据、地震数据、地质图和地形图以及遥感数据)经过数字化、编码、矢量到网格数据转换,产生连续或离散的数据集,存入建立起目标区的地质数据库,图13-1给出了地质地表数据的输入,分析和建库的过程。
在地质数据库中,地质数据按专题内容分层存贮,几何特征以图形图像表达,属性数据则记录在二维关系表中,两者为一对一或一对多的关系。于是,在这个数据模型的基础上,勘探工作区的所有地球物理、地球化学、岩石学及辐射场的数据都可以纳入数据库。一旦工作区的地质数据库被建立,地质学家便可以利用已有的专家(概念)模型来指导数据分析。例如,在石油勘探中,首先利用石油存贮条件与变量之间已知的物理、化学和地质联系来分析数据库提供的数据,对直接或间接与这些联系有关的数据进行分析、处理、生成各种派生数据。表13-1显示某工作区地质数据库中的原始数据和派生数据集。用这些数据所提供的信息来选定油气储藏有利地区。
如将重力和航磁数据叠合,有助于对基底形态的分析。又由于基底形态对沉积盖层构造发育有影响,因而据重力和航磁的一阶、二阶导数可推断出构造的总体特征。又如,基底隆起地区可能影响盖层构造特征,基底凹陷的地区沉积厚度较大,可能成为盆地的沉积中心。
图13-1 地质地表数据处理、分析及建库流程图
背斜构造是重要储油构造。是油气勘探数据库的重要内容。构造的向下延伸范围是一个最有价值的参数,目前的技术水平还难以确定。在数据库中,背斜用多边形表示,并以背斜轴为中心向下延展来定性表达背斜的地下影响范围。
断层对油气的生、储、盖都很重要。断层等密度图与线性体等密度图是用任一网格单元范围内断层/线性体出现的频数来定义的。用邻域分析法计的研究区内围绕每一象元的5×5象元阵列中断层出现的次数。结果图显示出断层/线性体密度。将断层等密度和线性体等密度图进行叠加,合成出一幅描述断裂密度的新图。对盖层断裂密度高值地区进行分析,判明它对区域油气运移和储集的具体作用。
表13-2给出某研究区域模型及其对应的权重,系统据此运行后生成一个新图像。图像的像元值等于各输入的权值求和,将它们进一步分段,便可以表达工作区中油气产出有利性的不同级别,最后圈出高概率产油区。
这种技术方法同样适用于其它矿产勘查、区域成矿预测,工程地质灾害评估与预测等。
GIS技术的引入可能极大改变地质学家的工作模式,使地学工作者面临的对多源地质数据的采集、配准、存储、分析、综合与检索工作,变得形象直观、灵活多样、快速准确,使各种地学模型的生成和发展,在技术上有了主要的支撑系统。
表13-1 原始和派生地质数据
表13-2 模型的输入与数字加权
(一)石油和地理信息系统常用软件
国内外石油和地理信息系统现有的相关软件如表8-1所示。其中,Geo Map适用于制作各种地质平面图、剖面图、统计图、三角图、地理图和工程平面图,是广泛应用于石油勘探与开发、地质、煤炭、林业、农业等领域的CAD软件之一;MapGIS是工具型地理信息系统软件,可对数字、文字、地图遥感图像等多源地学数据进行采集、管理、综合空间分析及可视化表示,可制作具有出版精度的复杂地质图,进行海量无缝地图数据库管理,具有强大的图形编辑功能;SDI CGM Editor是CGM绘图工具,包括图形转换及拼图;SDI CGM Office是显示、转换CGM文件格式、复制/粘贴CGM图形到 Microsoft Office、批量和交互进行各种图形格式间相互转化的功能软件;Larson CGM Studio是强有力的CGM制作、编辑、组合工具;CARBON包括Intell Explore(井分析工具)和BendLinkEx(油藏分析工具)两部分;Surfer是一个十分流行的功能强大的基于 Windows的三维绘图软件;兰德马克(LandMark)属于大型地震综合解释软件;Discovery是基于 Windows,方便研究人员桌面使用的一体化油藏描述、解释软件;EarthVision是当今用途广泛的三维地质建模及三维可视化软件系统。
表8-1 国内外石油和地理信息系统现有的相关软件及其功能
续表
(二)服务于地质钻探设计计算的软件现状
20世纪80年代以来,随着计算机技术的迅猛发展,国外首先开发的钻探设计计算软件是为定向井设计、计算提供辅助分析手段的软件。我国也于1982年初,由地质矿产部组织勘探技术研究所、探矿工程研究所、探矿工艺研究所、无锡钻探工具厂和电子工业部49所以及重点地质队(安徽省地矿局337队、江西省地矿局912队)对重点项目“螺杆钻受控定向配套器具与施工工艺”开展攻关研究。经3年多的努力,在钻孔弯曲规律与防治,定向钻孔设计、计算、微机应用、造斜工具、定向仪器、造斜金刚石钻头,以及一整套施工工艺等方面都取得了突破性进展和多项科研成果,使受控定向钻探进入实用阶段。当前,我国地质定向钻探技术水平已进入先进国家行列。在定向井设计、计算软件研发方面也取得了显著进展。其中北京怡恒阳光科技发展有限公司研发的“Navigator定向井水平井轨迹设计及计算分析软件”在国内石油钻井工程中应用广泛,它可以帮助定向井工程师合理地设计井眼轨道,并可在钻井施工过程中进行实钻计算和轨迹分析,其主界面如图8-1。
图8-1 Navigator定向井水平井轨迹设计及计算分析软件主界面
煤炭科学研究总院西安研究院与北京合康公司合作研发了一套适合水平孔设计计算的随钻测量软件系统,其主界面如图8-2。
图8-2 煤炭科学研究总院西安研究院与北京合康公司研发的随钻测量系统软件主界面
考虑到国内外现有的定向井设计计算软件绝大多数是根据石油行业规范进行研发的,石油钻井设计原则及方法与地质钻孔设计有着显著差异,在地矿行业难以直接推广应用。而西安煤炭研究院与北京合康公司合作研发的软件只有轨迹计算功能,没有涉及自然弯曲规律分析、柱状图的生成以及受控定向轨迹的设计等问题,因此该软件的应用有一定的局限性。安徽省地矿局313地质队根据国内地矿行业的自身特点及定向钻探施工工艺,与中国地质大学(武汉)合作研发了适合我国地质矿产行业的钻孔设计与轨迹动态监控系统,使计算机软件技术更好地为深部钻探优化设计、钻孔轨迹动态监控、数据处理、钻孔质量控制和钻探资料档案管理服务,为探矿工作者提供技术支持。
1.石油企业油气数据库系统的应用
我国油气勘探开发领域是最早引进数据库技术的领域之一。20世纪80年代初期，石油工业部在各油田开始推广数据库，并以大庆和胜利两个油田为主制定中国油气勘探开发数据库应用的行业标准。经过二十多年的大规模持续建设，在存储的信息量、应用的规范性、数据库技术、人才队伍素质等方面都达到了较高的水平。
三大石油公司成立后，数据库技术作为油气勘探开发的重要技术仍然受到广泛重视，将数据库建设作为企业信息化的重要内容进行不断的投资。
从2000年开始，中国石油、中国石化开展了以地震、测井资料转储和数字化为重点的勘探开发资料信息化工作，这为进一步开展数据集成管理工作打下了良好的基础。
尽管数据库系统的建设取得一定成绩，但仍存在一些问题：一是数据库各自独立，没有有效沟通、互联，无法形成可共享的数据资源；二是采用的数据库标准体系有差异，使数据库之间难以进行流畅的数据交换；三是数据库建设偏重数据管理，而较少考虑面向应用。
2.油气资源评价系统发展现状
在国内，油气资源评价系统是随着评价技术方法的发展而发展起来的。在已完成的第一、第二轮油气资源评价和石油公司近年来开展的油气资源评价工作中，评价系统得到不同程度的应用。
为配合全国第一轮油气资源评价工作，原石油部北京石油勘探开发研究院于1985～1990年研制出运用网格积分法计算油气资源量的软件—GCL，它是用FORTRAN语言编写的一种算法。
1991～2000年，油气资源评价技术方法得到了较大的发展，大约有46种评价技术和计算方法在第二轮资源评价中得到了应用，并出现了一些有代表性的评价软件系统。这些系统具有相对独立的数据输入、核心算法和数据与图形输出模块，比早期的评价软件有较大的发展。
2000年以来，油气资源评价系统开始走向集成化。中国石化在其第三轮资源评价中建立了专为油气资源评价服务的油气资源评价信息管理系统，由数据库、图形库、地质图形系统和查询系统组成，用来对资源评价的各类信息进行动态管理。中国石油研制出的油气资源评价系统（PASys）首次将数据库和评价方法集成到统一的平台上。该系统为建立在数据库和图形库基础之上的油气资源评价软件集成平台，具有较完善的基础数据管理、多方法模拟计算和数据编辑功能，能够在统一的系统平台上完成盆地、区带或区块的资源评价、经济评价和决策分析等。
国外油气资源评价通常以现有的油气资源数据库为基础，以通用GIS系统为基本平台，采用专门的软件完成评价工作。采用这种方式的基础和关键是必须有可以充分共享的油气资源基础数据库。我国缺乏可以共享的油气资源基础数据库。针对这种情况，新一轮全国油气资源评价将建立专门的一体化油气资源评价系统作为一项十分重要的任务。
