Web端露頭地質(zhì)資料信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蘇哲賢 劉遠剛 張明望 李子二

摘? 要： 在長期的地質(zhì)研究中，積累了大量的野外露頭資料，但由于資料采集零散，結(jié)構(gòu)不一，管理分散，很難實現(xiàn)這些數(shù)據(jù)和資料的共享與應用。鑒于此，探討采用ASP.NET MVC架構(gòu)，結(jié)合ArcGIS API for JavaScript和ECharts關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計與開發(fā)Web環(huán)境下的露頭地質(zhì)資料信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了露頭區(qū)和剖面點的地圖瀏覽、野外采集數(shù)據(jù)的查詢展示、沉積構(gòu)型單元幾何和物性參數(shù)統(tǒng)計分析、露頭數(shù)據(jù)綜合管理等功能模塊，為露頭資料的數(shù)字化管理和綜合分析提供了有力的工具。

關(guān)鍵詞： 露頭資料； 數(shù)據(jù)庫； 露頭剖面； ArcGIS API for JavaScript； ECharts

中圖分類號：TP311.1? ? ? ? ? 文獻標識碼：B? ? ?文章編號：1006-8228（2023）12-145-04

Design and implementation of web-side outcrop geological data information system

Su Zhexian， Liu Yuangang， Zhang Mingwang， Li Zier

（Yangtze University，School of GeoScience， Wuhan， Hubei 430100， China）

Abstract： A large amount of field outcrop data has been accumulated in long-term geological research， but due to scattered data collection， inconsistent structure， and decentralized management， it is difficult to achieve the sharing and application of these data and materials. Using the ASP.NET MVC architecture， combined with the key technologies such as ArcGIS API for JavaScript and ECharts， an outcrop geological data information system is designed and developed in a web environment. It achieves functional modules such as map browsing of outcrop areas and profile points， query and display of field collected data， statistical analysis of geometric and physical parameters of sedimentary structural units， and comprehensive management of outcrop data， providing a powerful tool for the digital management and comprehensive analysis of outcrop data.

Key words： outcrop data; database; outcrop profile; ArcGIS API for JavaScript; ECharts

0 引言

露頭是指地球表面突出可見的巖床或表面沉積物[1]，主要分為天然露頭與人工揭露露頭。對野外露頭的研究主要包含野外露頭調(diào)查和室內(nèi)露頭分析等。通常，地質(zhì)研究人員首先會攜帶各種工具來對露頭進行初步的測量與解剖，隨后可以采集相關(guān)樣本在室內(nèi)進行物性規(guī)律的分析，在此過程中獲取考察資料是儲層地質(zhì)學研究最直觀、最真實、最詳細的類比資料[2]，常用于為儲層隨機建模的參數(shù)確定、模擬方法選擇、模擬結(jié)果檢驗提供地質(zhì)依據(jù)[3]。

在長期的生產(chǎn)和研究過程中我們積累了大量的野外露頭資料，但目前對于這些資料的管理仍以人工方式為主，因此在實際的生產(chǎn)實踐中存在諸多不便。

國外學者為了解決此類問題做出了積極的探索，取得了豐碩的成果，例如，英、法等國組成的專家組于1986年在英格蘭利用露頭資料建立了三角洲儲層地質(zhì)知識庫，并為北海Brent組地質(zhì)模型的建立提供了參數(shù)[4]；利茲大學Luca Columbaria于2013年利用露頭資料建立了河流相沉積結(jié)構(gòu)知識庫，并對河流相沉積學的理論和應用研究提供了定量模式[5]。

以上的地質(zhì)資料庫雖然解決了露頭數(shù)據(jù)存儲管理等問題，但尚未將露頭資料的空間位置特征與屬性信息結(jié)合起來，也沒在系統(tǒng)中提供直觀靈活的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與可視化功能。因此，本文采用ASP.NET MVC架構(gòu)，結(jié)合ArcGIS API for JavaScript和ECharts關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)Web端露頭地質(zhì)資料信息系統(tǒng)，提供露頭數(shù)據(jù)管理、露頭空間和屬性數(shù)據(jù)瀏覽與查詢、露頭數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和可視化等功能，初步形成了一套Web環(huán)境下的露頭資料管理和應用系統(tǒng)，為相關(guān)地質(zhì)研究提供豐富的類比資料和軟件工具。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)針對露頭資料管理和應用兩個方面的需求，共設(shè)計四大功能模塊，分別為地圖瀏覽模塊、查詢展示模塊、統(tǒng)計分析模塊和數(shù)據(jù)管理模塊（圖1）。

⑴ 露頭區(qū)地圖瀏覽模塊。地圖瀏覽模塊提供露頭考察區(qū)內(nèi)地圖漫游、露頭剖面點查信息查詢功能。該模塊允許用戶在瀏覽地圖的同時點擊查詢露頭剖面點的名稱、巖石地層、年代地層等屬性數(shù)據(jù)，同時可展示露頭剖面的全景照片，以實現(xiàn)露頭位置信息與露頭區(qū)及其所包含露頭剖面的屬性信息的關(guān)聯(lián)，提高了數(shù)據(jù)展示的便捷性與直觀性。

⑵ 露頭考察資料查詢展示模塊。露頭考察資料查詢展示模塊分為地層概況、巖相類型、實測數(shù)據(jù)和物性數(shù)據(jù)等子模塊，在各子模塊提供關(guān)鍵字查詢和模糊查詢等數(shù)據(jù)查詢功能，可對露頭區(qū)內(nèi)剖面上的沉積構(gòu)型單元、實測樣本的幾何、物性特征進行篩選和展示。

⑶ 露頭數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析模塊。該模塊主要對露頭規(guī)模和物性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，生成各類經(jīng)驗公式和統(tǒng)計圖表。主要包含露頭砂體寬度、厚度、寬厚比，樣品點的滲透率、孔隙度和巖石密度等數(shù)據(jù)的最大值、最小值和平均值，此外對這些數(shù)據(jù)進行回歸分析，形成相應的經(jīng)驗公式。

⑷ 露頭數(shù)據(jù)管理模塊。數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)字典管理和露頭信息管理等子模塊，根據(jù)用戶權(quán)限為管理員提供數(shù)據(jù)添加、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)預覽、數(shù)據(jù)刪除、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)導入/導出等露頭數(shù)據(jù)管理功能。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server 2015，針對露頭資料數(shù)據(jù)存儲的需求，設(shè)計了露頭考察區(qū)、露頭剖面點、剖面照片、實測數(shù)據(jù)、物性數(shù)據(jù)、沉積構(gòu)型類型和剖面形態(tài)等數(shù)據(jù)表。其中一個露頭考察區(qū)可包含多個露頭剖面點，一個露頭剖面點上可采集多個實測數(shù)據(jù)或物性數(shù)據(jù)記錄，實測數(shù)據(jù)是指剖面上所識別的沉積構(gòu)型單元的規(guī)模形態(tài)等幾何數(shù)據(jù)，具有一定的沉積構(gòu)型類型和剖面形態(tài)（圖2）。各表格所包含字段的詳細描述信息見表1。

表1? 數(shù)據(jù)庫表信息

[序號 數(shù)據(jù)表名 包含字段 1 露頭考察區(qū) ID，標題，所屬盆地，所在地名，領(lǐng)隊，成員，考察時間，地理位置（空間范圍），地層范圍 2 露頭剖面點 ID，名稱，所屬考察區(qū)，地層，盆地，地名，地理位置（坐標），剖面照片，考察時間，描述 3 剖面照片 ID，標題，所屬剖面，拍照時間，照片文件，描述 4 實測數(shù)據(jù) ID，名稱，所屬剖面，所屬成因類型，上級對象，寬度，厚度，長度，方向，角度，面積，局部照片，描述 5 物性數(shù)據(jù) ID，樣品編號，所屬剖面，滲透率，孔隙率，位置標注 6 沉積構(gòu)型類型 ID，類型名稱，父類ID，說明 7 剖面形態(tài) ID，形態(tài)類型，樣式縮略圖，說明 ]

2 系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ASP.NET MVC開發(fā)模式

ASP.NET MVC是一種軟件架構(gòu)模式，用于開發(fā)Web應用程序。它是傳統(tǒng)ASP.NET WebForms的一種輕量級替代方案，并整合了所有現(xiàn)有的ASP.NET特性。在MVC模式中，包含模型、視圖和控制器三大組件。模型（Model）代表應用程序的核心，處理數(shù)據(jù)邏輯并與數(shù)據(jù)庫交互，主要定義了管理露頭區(qū)、露頭剖面和露頭實測數(shù)據(jù)的實體模型。視圖（View）負責呈現(xiàn)用戶界面和展示數(shù)據(jù)給用戶，用于展示與露頭資料相關(guān)的地理位置、圖文資料、實測數(shù)據(jù)和統(tǒng)計圖表等?？刂破鳎–ontroller）作為模型和視圖之間的中介，用于處理用戶交互，包括處理客戶端用戶的瀏覽、查詢和統(tǒng)計分析的請求，以及將模型（Model）的信息呈現(xiàn)到視圖。MVC架構(gòu)使得代碼組件可以高效地組織，更好地管理和開發(fā)復雜的應用程序[6]。

2.2 基于ArcGIS API for JavaScript的Web地圖開發(fā)技術(shù)

ArcGIS API for JavaScript是一種功能強大的JavaScript API，可將開源地圖服務(wù)嵌入到Web應用程序中，并通過自定義地圖樣式、交互式功能和地圖工具，使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建豐富直觀的Web地圖應用。本系統(tǒng)中，使用ArcGIS API for JavaScript獲取OpenStreetMap的開源地圖服務(wù)，將其加載為地理底圖。系統(tǒng)通過Ajax獲取數(shù)據(jù)庫中露頭區(qū)的最大經(jīng)度、最小經(jīng)度、最大緯度和最小緯度等信息，設(shè)置地圖的顯示區(qū)域和投影坐標系統(tǒng)，使用JSON格式來實現(xiàn)異步地圖數(shù)據(jù)請求和響應。采用這種技術(shù)將露頭區(qū)的地理地圖動態(tài)展示于平面中央，同時將露頭區(qū)包含的露頭剖面點以POI符號的形式動態(tài)加載到底圖之上，并在每個POI點上綁定彈窗事件，通過彈窗形式展示露頭剖面的基本信息，實現(xiàn)露頭區(qū)內(nèi)地理位置信息的展示與交互查詢。

2.3 基于ECharts圖表控件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與可視化技術(shù)

ECharts是一個開源的基于Web的跨平臺高性能圖表庫，提供了豐富的圖表類型和靈活的配置選項，使得數(shù)據(jù)的可視化呈現(xiàn)變得簡單而靈活[7]?；贓Charts我們可以將露頭實測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀、易于理解的統(tǒng)計圖表，為露頭資料的分析應用提供直觀定量化的專題信息。系統(tǒng)實現(xiàn)中，用戶在前端頁面中篩選感興趣的露頭實測數(shù)據(jù)，并觸發(fā)查詢統(tǒng)計請求，基于ECharts提供的圖表定制接口向后端數(shù)據(jù)庫發(fā)送對應的數(shù)據(jù)請求，接收請求后，后端將篩選的數(shù)據(jù)打包為ECharts繪圖所需JSON格式并發(fā)送至前端，隨后前端回調(diào)函數(shù)對返回的數(shù)據(jù)進行解析處理并創(chuàng)建圖表實例，最后將繪圖結(jié)果渲染到指定HTML元素中。本系統(tǒng)根據(jù)露頭實測數(shù)據(jù)分析的需要實現(xiàn)了各種統(tǒng)計圖表的繪制功能，如折線圖、柱狀圖、散點圖、餅圖等。這些圖表不僅可以展示單一數(shù)據(jù)集的變化趨勢，還可以對比不同數(shù)據(jù)集之間的差異。此外，通過與散點圖繪制功能的結(jié)合，系統(tǒng)實現(xiàn)了篩選數(shù)據(jù)的回歸分析，在散點圖中實時繪制回歸曲線，計算相關(guān)系數(shù)。這些功能對揭露各類地質(zhì)參數(shù)的分布規(guī)律、不同參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系具有要的意義。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上文的系統(tǒng)設(shè)計與系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，我們開發(fā)了Web環(huán)境下的露頭地質(zhì)資料信息系統(tǒng)，系統(tǒng)實現(xiàn)了露頭區(qū)和剖面點的空間查詢與瀏覽，野外采集數(shù)據(jù)的綜合管理與查詢，以及對露頭剖面實測數(shù)據(jù)的專題篩選與統(tǒng)計分析。

露頭區(qū)和剖面點的地圖瀏覽功能是露頭資料可視化分析的重要組成部分。通過點擊地圖上的露頭POI點即可查詢該露頭剖面的露頭名稱、地層年序、所屬地層和露頭剖面圖片。通過提供的工具條可以對地圖進行縮放、漫游等操作。如圖3所示，以“山西大同侏羅系砂質(zhì)辮狀河露頭區(qū)”為例，展示了通過地圖方式查詢露頭區(qū)和剖面點地理與屬性信息的操作界面。

地質(zhì)人員野外采集的實測數(shù)據(jù)和物性數(shù)據(jù)是本系統(tǒng)露頭資料的核心，其中實測數(shù)據(jù)中記錄了露頭剖面中解析得到的沉積構(gòu)型單元、巖相單元的剖面形態(tài)、長度、寬度、厚度和橫截面積等幾何特征信息；物性數(shù)據(jù)主要指地質(zhì)人員野外采集的巖石樣本的滲透率、孔隙度等物性參數(shù)信息。系統(tǒng)按照露頭區(qū)、露頭剖面、野外采集數(shù)據(jù)記錄三層組織管理數(shù)據(jù)，在客戶端提供數(shù)據(jù)記錄的查詢功能。圖4中展示的是“山西大同侏羅系砂質(zhì)辮狀河露頭區(qū)”中各個剖面上識別并量測的辮狀河心灘或河道的幾何特征參數(shù)。

露頭數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能主要對野外采集的露頭剖面實測數(shù)據(jù)和物性數(shù)據(jù)進行可視化統(tǒng)計分析。系統(tǒng)中按照露頭剖面上所識別的沉積構(gòu)型單元分類統(tǒng)計分析，實現(xiàn)利用ECharts圖表控件繪制散點圖、直方圖等統(tǒng)計圖表，分析露頭地質(zhì)體的規(guī)模形態(tài)參數(shù)以及巖石樣本的滲透率、孔隙度和巖石密度等物性參數(shù)。通過回歸分析形成經(jīng)驗公式，為地質(zhì)建模和儲層預測提供統(tǒng)計規(guī)律和定量模式。如圖5所示，統(tǒng)計了“山西大同侏羅系砂質(zhì)辮狀河露頭區(qū)”中測量的各類沉積構(gòu)型單元的幾何形態(tài)參數(shù)，其中辮流河道占所有實測數(shù)據(jù)的44.3%，河道厚度范圍介于0.8～6.93ｍ，平均3.9m，河道寬度范圍介于61.15～235m，平均61.15m，河道寬厚比在30.25～87.5之間，平均37.83。如圖6中，散點圖直觀表達了辮狀河道寬度和厚度的相關(guān)性。采用線性回建立的河道寬度與河道厚度的關(guān)系式為[y=0.03x+0.2]，相關(guān)系數(shù)為0.7。

4 結(jié)束語

本文面向地質(zhì)研究中露頭資料的采集、存儲、查詢、分析和應用等業(yè)務(wù)需求，提出Web端露頭地質(zhì)資料信息系統(tǒng)的技術(shù)方案。采用ASP.NET MVC Web開發(fā)框架，結(jié)合ArcGIS API for JavaScript和ECharts技術(shù)，建立了包含露頭區(qū)域、露頭考察、露頭剖面、露頭剖面實測數(shù)據(jù)、露頭剖面取樣點物性數(shù)據(jù)等內(nèi)容的露頭地質(zhì)資料庫，開發(fā)了露頭資料相關(guān)的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)瀏覽與查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和可視化等一系列功能，初步形成了一套Web環(huán)境下的露頭資料管理和應用系統(tǒng)，為相關(guān)地質(zhì)研究提供豐富的露頭地質(zhì)資料和分析工具。下一步將深入研究露頭剖面中沉積構(gòu)型單元的空間關(guān)系和結(jié)構(gòu)信息描述方法，擴展與之相關(guān)的數(shù)據(jù)管理與分析功能，為露頭剖面中各類地質(zhì)體的空間分布模式的定量化可視化分析與表達提供新的技術(shù)手段。

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