三维GIS基础上地震采集观测系统设计与实现
第1章 绪论
1.1 研究目的与意义
地震采集三维观测系统设计是至关重要的环节，就像是建筑工程中的施工图纸一样，为地震勘探提供一个总体的设计框架。随着勘探开发地质条件越来越差，施工也越来越困难。因此，在复杂多变的自然因素和人为因素影响下，如何尽可能的提高三维观测系统设计精度成为了地震采集设计中最大的难题。
随着对油气田大规模开发之后，地质条件越来越趋向于高陡山区。特别是我国川东北地区大山连绵，高差变化巨大，这种地质条件为施工和部署设备带来了很大的难度，目前地震采集设计都是采用传统的基于假设水平地表的三维观测系统设计，这种设计无法详细了解勘探区域的地形地貌，导致在野外的施工中需要反复修改设计，浪费了大量的人力和物力。因此，对于复杂地表的地区，传统的设计技术已经不能满足设计施工的要求。如果能将工区的地形地貌充分考虑到设计中，在三维真地表上进行三维观测系统设计，就可以为野外地震采集的三维观测系统炮点和检波点的布设提供有力的依据，提高采集设计精度。
目前基于三维地形可视化的三维观测系统设计还处在研究、探索的阶段，一些基于地形可视化的研究中仅仅构建三维虚拟地形，不能对地形进行定量的分析，如查询和输出坐标、距离、面积、坡度等数据。而随着计算机技术和三维GIS，遥感技术不断深入应用到地质、矿山、环境、数字城市和物探等领域，GIS三维可视化技术得到了迅猛发展。三维GIS在描述空间实体及空间实体之间的关系有与众不同的优势，同时GIS特有空间分析、查询功能是其他系统所没有的。三维GIS在二维计算机平面中可以给人以立体，真实的感受，地理信息立体的显示在屏幕中。GIS三维可视化技术可以生成基于研究区域的三维真地表，强大的空间查询和分析技术可以全面的分析三维地形数据。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 三维GIS 技术
地理信息系统(Geographic Information System）,简称GIS，是以采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布关于数据的空间信息系统，它是一门综合型的学科，包括地理、计算机技术、数学等学科的结合，利用GIS的空间分析方法，能够为GIS用户特殊的服务，如提供区域规划、资源管理和空间决策等。目前GIS的应用领域十分的广泛，包括市政工程、城市规划、交通运输、公安系统、石油化工等各个方面。
三维地理信息系统，又称为三维 GIS，是指运用三维可视化技术，能三维描述空间实体，并进行分析、决策的地理信息系统。三维GIS技术不仅可以表述空间对象间的二维平面关系，同时也可以表述空间对象的垂向关系。三维GIS在三维空间分析和操作方面比较有优势，可以充分挖掘空间对象的信息，这是其他系统不具备的功能,如AutoCAD工具就不具备空间分析功能。随着网络共享技术、计算机技术和地理信息系统技术的发展，可以轻松的获取到开源的三维 GIS 系统，如 MapServer、World Wind、OSSIMPla 等，这为一些科研工作者提供了很大的便利。
GIS 和石油勘探关系密切，比如地震勘探时大都是在陆地和近海上进行，具有很强的地理属性特点，地震勘探的数据也都是与地理信息关于，比如测线、工区、检波器等都带有大地坐标，这些数据与地理数据是分不开的。因此，GIS在石油勘探、生产开发、设备部署等都有很多应用案例。GIS的优势主要体现在以下几方面：
1)用空间数据库管理海量空间数据和属性数据。海量数据在GIS中通过空间数据库管理，这样可以有效、快捷的组织管理数据；GIS提供了一些操作多种商业数据库，开源数据库的接口，通过空间数据库统一管理海量的空间数据和属性数据，比较常用的数据库如Oracle、SQL Server及Mysql等；
2)提供多种数据的可视化方法。如专题图、影像图叠加、图层控制等，GIS还提供了二次开发的接口，增加数据显示的方法，将两者有机的结合起来会得到更好的显示效果。
3）提供空间分析功能。空间分析具体可分为以下几类：空间查询可以有效的查询到三维空间对象的位置和属性等相关信息；空间量算可以计算出三维空间实体对象间的距离和高度等信息；叠置分析可以使多个三维空间对象图层叠加在一起，通过数学运算得出新的图层信息；缓冲区分析可以在三维空间对象间建立一定范围的缓冲带。这些空间分析在石油勘探领域可以很好的辅助地震勘探工作。
第2章 数据组织与管理
数据是系统中不可或缺的一部分，在基于三维GIS的地震采集观测系统模块中主要用到了三维地形数据、三维观测系统数据及一些矢量数据等，三维地形数据又分为数字高程模型和遥感影像纹理数据。二者可以很好的描述可视化模块中的起伏地形信息。
2.1三维地形数据
三维地形数据主要包括数字高程模型和遥感影像纹理数据。数字高程模型表示地形的起伏高度，遥感影像用来表示真实地表、地物的情况。
2.1.1 数字高程模型
数字高程模型主要从数字高程模型定义、DEM数据格式标准、DEM来源，DEM表述方式等几个方面讨论。
2.1.1.1DEM 数据格式标准
世界上各个国家都有自己的数字高程模型数据格式标准（如图 2-1），大多以栅格形式存储，我国的格网数据交换格式的标准也不例外。标准中格网数据的存贮以纯文本存储。
2.2 三维观测系统数据
在地震采集领域，三维观测系统数据是用来描述炮点、检波点及关系的数据，是采集设计的核心数据，国内外三维观测系统软件较多，也缺乏一个统一标准，所以三维观测系统的数据格式多种多样的，每个观测系统软件都有自己的数据格式，目前SPS数据格式是国际通用的，受到国内外专家学者的一致认可。
SPS格式主要由点文件、关系文件及注释文件组成。点文件包含所有物理点的坐标和高程。点文件又可以分文炮点文件和检波点文件。每个物理点只有一个名称，这样可以防止数据混乱的情况。SPS数据的每个文件具有相同的头块记录。下图2-2是每个文件的详细记录内容：
由于SPS格式结构比较复杂，还需要记录一些辅助的信息。详细辅助信息内容如图2-3所示：
在野外施工时，SPS数据是通过磁带技术保存数据的，磁带技术指标如图2-4：
通常，一盘磁带可以存多个文件。
第 3 章 地形可视化平台........... 18
3.1 地形可视化理论................... 18
3.1.1 模型变换 ................... 18
3.1.2 数据调度 .............. 21
第 4 章 三维观测系统设计............... 32
4.1 常规三维观测系统设计流程...................... 32
4.2 三维可视化的观测系统定义...... 33
第 5 章 应用实例.......................... 41
5.1 数据准备..................... 41
5.1.1 工区概况........... 41
5.1.2 数据获取............................ 42
第 5章 应用实例
论文通过理论和实际的研究相结合，通过编程手段研发了基于三维GIS的地震采集观测系统设计模块，模块的在川东北地区某工区上进行实例应用，主要包括数据准备、地形可视化、三维观测系统布设、三维观测系统变观四个步骤。
5.1 数据准备
5.1.1 工区概况
研究区域位于川东北地区，该区地质条件比较复杂，主要是山地为主。川东北达县地区大山连绵，地势起伏较大，最大的能达到1千米的高度差；交通不便，主要是山高路少造成的。论文采用达县南部山区作为论文的研究区域，达县交通位置图如下图5-1：
5.1.2 数据获取
通过网络资源获取全球高程数据和遥感影像数据：DEM 数据采用免费的SRTM3数据，精度90米；遥感影像数据采用三波段遥感合成图像GeoCover。
5.1.3 数据分页处理
采用VPB生成地形模型，主要需要两方面数据: 地形高程数据和地形纹理数据。这两者都需要确定数据精度和坐标体系问题。在地形建模中，不同范围的DEM和影像资料往往具有多种不同的精度，建模时需要按照统一的坐标体系组织各种精度的数据。VPB建模会自动建立四叉树结构的地形模型金字塔，并将该金字塔结构按 PagedLOD 数据页的方式存储在 ive 格式文件中。地形金字塔分级数越多，地形生成所耗费时间也会越多。
第 6章 结论
6.1 论文结论
本论文是以川东北达县地区某工区三维观测系统设计为例，开展了基于三维GIS地形可视化的地震采集观测系统设计研究，在深入分析地震采集三维观测系统研究现状的基础上，针对地震采集在复杂地表条件下存在如何进行三维观测系统设计、优化等系列问题，提出了基于GIS的三维观测系统设计方法，经实例应用验证，主要得到以下几个方面的成果和结论：
①通过基于GIS三维可视化技术可解决常规的基于假设水平地表条件或基于遥感影像下的地震勘探观测系统设计不能针对地表复杂条件下设计的问题，基于复杂起伏地表的观测系统设计更加符合实际施工的要求；
②通过基于GIS空间数据库管理技术和高分辨率数据分页显示技术，采用数据分页管理和显示，解决了原有可视化系统数据显示效率不高的问题；
③通过基于 Qt 和 OSG 的跨平台图形和三维引擎技术，使得地震采集三维观测系统支持多个操作系统，解决了原有地震采集三维观测系统支持系统平台单一，只支持Windows系统平台的问题。
然而，由于作者水平有限，论文还存在着很多的不足，未来还有很多的工作要完成。
6.2 进一步工作
论文讨论了基于三维地形可视化的地震采集三维观测系统设计，取得了一定的成果，大大改进了地震采集设计技术，实现了施工设计的要求，但是论文依然存在一些不足，有以下几点：
① 对高精度、超大数据量的数字高程数据和遥感影像纹理数据的支持不够，特别是随着遥感技术的高速发展，遥感数据越来越趋向于TB级的数据量；
② 缺少三维观测系统的空间分析功能，如网络分析，叠加分析等。如果加入将大大提高三维观测系统的质量；
参考文献（略）