水利空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)探討

寧方貴，劉媛媛

（水利部松遼水利委員會(huì)，吉林長春 130021）

1998年，著名的“數(shù)字地球”概念提出的同一年，張勇傳院士在我國率先提出了“數(shù)字流域”的概念[1]。盡管諸如美國田納西河、非洲尼羅河、歐洲多瑙河及我國的黃河、長江等大江大河都進(jìn)行了數(shù)字流域的研究、工程建設(shè)及管理，并取得了一定的成就，但作為“數(shù)字地球”一個(gè)最近似的、完善的、結(jié)構(gòu)體系龐大而全面的縮影，“數(shù)字流域”的概念和標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)至今尚無定論。李紀(jì)人在《中國數(shù)字流域》一書中給予了如下定義：“‘?dāng)?shù)字流域’將是一個(gè)以流域空間信息為基礎(chǔ)，以流域水循環(huán)機(jī)制為紐帶，以流域水事務(wù)管理為驅(qū)動(dòng)，融合流域內(nèi)各種數(shù)字信息的系統(tǒng)平臺(tái)，是對真實(shí)流域及其相關(guān)現(xiàn)象的統(tǒng)一的數(shù)字化重現(xiàn)”[2]。對流域的數(shù)字化重現(xiàn)和研究，基底在于流域空間及非空間數(shù)據(jù)的信息化及建立其上的流域模型，其發(fā)展根本立足于水利空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和有效使用。得益于飛速發(fā)展的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，水利專題空間數(shù)據(jù)庫也進(jìn)行了相當(dāng)?shù)慕ㄔO(shè)，但受種種原因的牽制，目前大多數(shù)水利空間數(shù)據(jù)庫都存在各種數(shù)據(jù)問題，有些僅為某單一項(xiàng)目服務(wù)，重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重；有些建立后難于實(shí)際應(yīng)用，形成數(shù)據(jù)閑置；社會(huì)化服務(wù)和產(chǎn)業(yè)化程度低，不能有效服務(wù)于多層次業(yè)務(wù)需求。避免進(jìn)行表面化建設(shè)和盡快解決相應(yīng)建設(shè)環(huán)境是水利空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急，也是“數(shù)字流域”發(fā)展建設(shè)的根本所在。本文從建設(shè)中存在的問題和需要強(qiáng)化的方面對水利空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)進(jìn)行了探討。

1 建設(shè)中存在的問題

1.1 建設(shè)內(nèi)容局限影響應(yīng)用擴(kuò)展

水利空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)一般僅需考慮存儲(chǔ)內(nèi)容，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式及數(shù)據(jù)模型交由應(yīng)用軟件服務(wù)商考慮和提供。目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)庫建設(shè)都以服務(wù)于對應(yīng)項(xiàng)目為目的，專題專庫，針對性較強(qiáng)，但擴(kuò)展性低，通用度低，缺少在統(tǒng)一規(guī)劃下，對流域基礎(chǔ)信息與各類水利專題信息兼收并蓄，在行業(yè)內(nèi)部跨專業(yè)建設(shè)，在行業(yè)間有選擇的控制建設(shè)的數(shù)據(jù)庫，既因重復(fù)性建設(shè)形成資金和資源浪費(fèi)，又因業(yè)務(wù)分割導(dǎo)致割據(jù)式建設(shè)，沒有形成以應(yīng)用為推動(dòng)，以服務(wù)多層次多部門業(yè)務(wù)需求為要求，以滿足流域開發(fā)水資源保護(hù)利用綜合效益最大化為優(yōu)化目標(biāo)的綜合空間數(shù)據(jù)庫，難以推動(dòng)“水利信息化資源整合與共享”的進(jìn)程和“數(shù)字流域”整體發(fā)展步伐。

1.2 成果展示影響數(shù)據(jù)有效性

通常使用的以某一比例尺成果圖進(jìn)行建設(shè)成果展示的方式使得建設(shè)中對展示效果的期望超過數(shù)據(jù)建設(shè)本身。在數(shù)據(jù)庫建設(shè)中，往往沒有考慮不同比例尺和分辨率對數(shù)據(jù)精度的要求和限制，對數(shù)據(jù)進(jìn)行過度的精化或概化，并且由于數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等因素，使數(shù)據(jù)建設(shè)中摻入大量無法追溯的人為干擾因素，可能導(dǎo)致類似于改變真實(shí)數(shù)據(jù)空間布置及產(chǎn)生設(shè)計(jì)上的二義性等問題。使用單一比例尺數(shù)據(jù)可能受到顯示條件的限制，而使用多套比例尺數(shù)據(jù)又必須嚴(yán)格控制和規(guī)范其數(shù)據(jù)一致性、數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系及空間匹配，否則將帶來極大的數(shù)據(jù)混亂，這是項(xiàng)目建設(shè)中無法避免會(huì)遇到的問題之一。現(xiàn)實(shí)空間存在復(fù)雜性，任何數(shù)字化技術(shù)都不可能完全表達(dá)其本貌，紙質(zhì)地圖制作使用地圖概括用于因地圖比例尺變化引起的表示內(nèi)容及復(fù)雜度的增減。GIS多尺度、多層面特性的介入，GIS軟件數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)和無極縮放、可控制顯示條件的功能在一定程度上解決了比例縮放帶來的要素之間的空間競爭，但單一比例下的縮放必然忽略空間要素增減的“有效性”。行業(yè)要義是軟件供應(yīng)商無法深刻理解的，通用型商業(yè)軟件也無法做到合理衡量行業(yè)空間對象概括適用程度。只能由空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)者和使用者綜合考慮數(shù)據(jù)來源、應(yīng)用需求和質(zhì)量控制等問題，形成存在合理冗余的匹配業(yè)務(wù)應(yīng)用的空間數(shù)據(jù)庫。如果忽略建設(shè)目標(biāo)、數(shù)據(jù)精度及內(nèi)涵，元數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理手段等配套文檔記錄，單方面從圖形的連貫和美觀來決定建設(shè)方案將會(huì)帶來“內(nèi)容矛盾”、“冗余建設(shè)”、“人為錯(cuò)誤”等問題。

1.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單一影響模型建設(shè)

當(dāng)前建設(shè)中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍然停滯在單一的簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層面，即點(diǎn)、線、面的矢量存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，柵格數(shù)據(jù)僅以圖片的形式作為展示背景使用。矢量結(jié)構(gòu)假定坐標(biāo)空間為連續(xù)空間，通過記錄坐標(biāo)的方式對空間要素進(jìn)行描述，當(dāng)空間要素被描述為線或邊界時(shí)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)位置明顯、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，合適用來描述水系數(shù)據(jù)。但對于連續(xù)性對象如流域土壤類型分布、溫度分布、土壤墑情分布、冰雪覆蓋范圍等情況的描述及需要網(wǎng)絡(luò)分析的如污染物流動(dòng)、防洪預(yù)案中人員疏散和物質(zhì)調(diào)集等應(yīng)用需求就顯得有些力不從心，并使得空間數(shù)據(jù)庫陷入單純提供分布展示的瓶頸和尷尬，使GIS在項(xiàng)目應(yīng)用中浮于淺層展示功能而沒有充分使用和發(fā)揮其空間分析功能。與柵格數(shù)據(jù)相比，矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式因軟件環(huán)境不同而存在較大差異，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換中可能會(huì)帶來錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)丟失。數(shù)據(jù)之間是分離的，并且，同種空間地物的不同存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)將對應(yīng)用產(chǎn)生不可預(yù)計(jì)的影響。另一方面，數(shù)據(jù)空間信息空洞，信息挖掘忽略空間本質(zhì)而浮于表面；其對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)也僅限于空間位置、級(jí)別類型等，缺少對應(yīng)于模型空間特性的屬性，例如點(diǎn)的障礙度和可通過量極值、線的流量和允許方向、連通度及時(shí)間性質(zhì)等，而這些信息對于進(jìn)行流域內(nèi)水量、水利工程等項(xiàng)目的科學(xué)實(shí)時(shí)聯(lián)合調(diào)度，以獲得在可持續(xù)發(fā)展前提下的利益最大化流域開發(fā)成果；應(yīng)對突發(fā)事件及動(dòng)態(tài)分析模擬等能夠起到較大的支撐作用。

2 空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)尚需完善的幾個(gè)方面

2.1 加強(qiáng)數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)記管理

多時(shí)相性常常被數(shù)據(jù)建設(shè)者作為數(shù)據(jù)拼接和融合問題去考慮，而忽略其作為GIS處理對象本身的特質(zhì)。實(shí)際問題本身通常也是動(dòng)態(tài)、具有時(shí)間維度的。數(shù)據(jù)庫的時(shí)效應(yīng)該是兩面的。一方面，多渠道來源的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，必須嚴(yán)格規(guī)范其時(shí)間戳管理，為數(shù)據(jù)使用和更新提供時(shí)間標(biāo)記保障；另一方面，大量自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)施帶來了急速增長的動(dòng)態(tài)監(jiān)測管理信息，水利工程建設(shè)帶來的建筑物及相應(yīng)設(shè)施空間信息變更、屬性數(shù)據(jù)連續(xù)的問題，以及數(shù)據(jù)本身所具有的生命期、發(fā)生序列及消亡點(diǎn)，也要求其時(shí)間標(biāo)記具有明確的語義。這種時(shí)間標(biāo)記包含屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)間標(biāo)記、實(shí)體時(shí)間標(biāo)記、數(shù)據(jù)庫時(shí)間標(biāo)記[3]等，不僅為數(shù)據(jù)溯源和數(shù)據(jù)更新維護(hù)提供了信息支持，也為有效管理具有時(shí)間變化特性的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行歷史狀態(tài)重現(xiàn)、演變跟蹤、趨勢預(yù)測做好了準(zhǔn)備。

2.2 強(qiáng)化對模型的聯(lián)系和支持

目前空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織和模型仍然是以面向地圖為主，而不是面向客觀空間實(shí)體及其時(shí)空關(guān)系[4]；空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)處于弱聯(lián)系狀態(tài)。盡管兩者在一定程度上實(shí)現(xiàn)了一體化存儲(chǔ)，但并未得到實(shí)質(zhì)上的有機(jī)融合；部分空間數(shù)據(jù)和信息尚未以更適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行建設(shè)和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)表義模糊。這些問題的存在使得基于GIS建立的應(yīng)用系統(tǒng)或流域模型存在數(shù)據(jù)庫與模型庫相互獨(dú)立的情況。因此，應(yīng)充分考慮業(yè)務(wù)需求，使空間數(shù)據(jù)庫的建設(shè)有利于流域模型的建立與維護(hù)，使兩者緊密結(jié)合、有效集成，在某一程度上為模型參數(shù)的精度和更新，模型的效率和適用性提供保障。

2.3 建立規(guī)范，打破策略信息壁壘

水利專題空間信息的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范目前尚且存在大量空白，盡快有效填補(bǔ)這些空白是當(dāng)前水利空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)亟待解決的重要的外部環(huán)境問題。這影響到數(shù)據(jù)建設(shè)和共享兩方面的進(jìn)程，應(yīng)盡快建立具有實(shí)際指導(dǎo)意義的理論框架，并在此基礎(chǔ)上引進(jìn)共享機(jī)制。盡管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大量水利信息共享服務(wù)系統(tǒng)和公眾信息服務(wù)系統(tǒng)，但信息壁壘，尤其是對研究和決策起重要作用的策略信息并沒有得到良好的共享和使用。這里固然有部門業(yè)務(wù)利益壟斷的原因，也有數(shù)據(jù)運(yùn)營建設(shè)理念上的誤區(qū)。在信任和誠信的前提下，打破信息壁壘，交換取得可靠的數(shù)據(jù)也是對潛在資源挖掘的一種增值行為。通過一系列數(shù)據(jù)資源共享及保密機(jī)制的協(xié)議和契約，形成數(shù)據(jù)資源的優(yōu)勢互補(bǔ)、優(yōu)勢相長、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、水平式有效雙向或多向流動(dòng)?？梢栽鰪?qiáng)部門之間對彼此業(yè)務(wù)意圖、需求和執(zhí)行步驟的理解，分?jǐn)偤涂刂平ㄔO(shè)成本，在一定程度上改變原有建設(shè)模式和建設(shè)步驟，產(chǎn)生利于知識(shí)經(jīng)驗(yàn)分享和移動(dòng)的寬松環(huán)境以及共同的可持續(xù)競爭優(yōu)勢。

2.4 面向集約產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

水利空間數(shù)據(jù)庫作為“數(shù)字流域”數(shù)據(jù)庫集群建設(shè)的核心，它的有效建設(shè)和應(yīng)用，對行業(yè)信息化、集約化發(fā)展有著不可替代的影響和作用。社會(huì)區(qū)域化、多極化發(fā)展在客觀上要求在一定的地理范圍內(nèi)打破行業(yè)限制、消除分歧和障礙，促使數(shù)據(jù)資源在一定框架內(nèi)自由流動(dòng)和有機(jī)配置。流域管理機(jī)構(gòu)作為所在流域的水行政主管部門，既有突出的專業(yè)特點(diǎn)，又與區(qū)域?qū)用娼徊嬷丿B，需要從高層面綜合考慮如何為防汛抗旱、水資源開發(fā)保護(hù)、水環(huán)境決策及與水相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)研究提供大量可靠的可高效訪問的數(shù)據(jù)，從整體進(jìn)行控制和理順。因此應(yīng)以流域機(jī)構(gòu)為數(shù)據(jù)中心，協(xié)同區(qū)域分中心建設(shè)具有統(tǒng)一結(jié)構(gòu)規(guī)劃、數(shù)據(jù)組織標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)含義清晰、研究單元合理、可同時(shí)滿足商用價(jià)值與科研支持、現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域問題分析解決能力的水利空間數(shù)據(jù)庫，使其為行業(yè)集約化和社會(huì)化發(fā)展服務(wù)。

［1］王光謙，劉家宏 .數(shù)字流域模型=The DigitalW atershed Model［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［2］李紀(jì)人.中國數(shù)字流域［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009，6.

［3］鄔倫.地理信息系統(tǒng)-原理、方法和應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2001.

［4］吳信才.面向網(wǎng)絡(luò)的新一代地理信息系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.