基于ArcSDE的煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫的建設(shè)①

白洪偉，姚頑強，曾 峰

（1.西安科技大學(xué)，陜西 西安710054；2.長江水利委員會，湖北 武漢430000）

0 引 言

中國煤礦事故造成大量人員死亡，除了資源條件、管理等方面的原因外，事故發(fā)生時，因缺乏高效、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的應(yīng)急救援預(yù)案和機制，難以采取及時、科學(xué)和高效的應(yīng)急響應(yīng)對策，導(dǎo)致事態(tài)擴大是一個不容忽視的原因。在煤礦事故發(fā)生后，及時、有序、高效的應(yīng)急救援行動，可以迅速拯救生命、安定社會、穩(wěn)定民心。

煤礦安全應(yīng)急救援工作是在煤礦事故發(fā)生時，在政府統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，各級煤礦和社會各方面最大限度的減小人員傷亡而采取的有領(lǐng)導(dǎo)、有組織、有計劃、有指揮的應(yīng)急救援行動。因此，在煤礦事故現(xiàn)場，應(yīng)急救援工作的成效直接影響了救援效果。應(yīng)急救援隊進(jìn)行救援工作的過程主要先對煤礦事故發(fā)生地的各種信息進(jìn)行收集和了解，然后調(diào)配救援人員和救援設(shè)備進(jìn)行救援工作，從而救助傷亡人員。當(dāng)前應(yīng)急救援隊掌握救援相關(guān)信息主要是通過兩種途徑：一是向現(xiàn)場指揮部了解情況；二是根據(jù)現(xiàn)場情形，迅速勘察［1]。這樣的獲取信息方式相對滯后，往往使應(yīng)急救援隊缺乏對故事性質(zhì)的掌握不夠全面，以致造成救援力量、救災(zāi)設(shè)備運輸?shù)拿つ啃?，影響救?zāi)工作的實效性。為此，為救援隊構(gòu)建煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫是救援隊高效開展煤礦安全應(yīng)急救援工作的重要保障。

介紹由美國ESRI公司開發(fā)的ArcSDE軟件模塊的體系結(jié)構(gòu)和原理，設(shè)計和建立煤礦安全應(yīng)急救援空間數(shù)據(jù)庫，探討了ArcSDE和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）SQL Server2005建立數(shù)據(jù)庫的技術(shù)方法，以達(dá)到空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理的目的。通過ArcSDE和SQL Server2005的支持，可以在煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫中實現(xiàn)空間信息的管理。

1 ArcSDE關(guān)鍵技術(shù)

1.1 ArcSDE的存儲模式

ArcSDE是空間數(shù)據(jù)庫引擎，是借助關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)的一個中間件技術(shù)，其利用現(xiàn)有的關(guān)系數(shù)據(jù)庫本身的功能，通過在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)表中加入一個空間數(shù)據(jù)列，這樣用戶可以管理和訪問與之相關(guān)聯(lián)的空間數(shù)據(jù)。ArcSDE通過其空間索引機制，將空間數(shù)據(jù)和其相關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)一體化存儲在大型數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的高效率的操作。ArcSDE本身沒有專用數(shù)據(jù)庫，它只能通過與商業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的集成來管理空間數(shù)據(jù)，主要通過業(yè)務(wù)表（Business Table）、要素表（Feature Table）和空間索引表（Spatial Index Table）三個表來實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的存儲和管理。

1）業(yè)務(wù)表（Business Table）

業(yè)務(wù)表在RDBMS（關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）中存貯圖層的屬性信息。ArcSDE客戶端通過業(yè)務(wù)表與圖層實現(xiàn)交互。對于ArcSDE客戶端而言，圖層是無縫的，幾何要素是存貯在另一個單獨的表內(nèi)。這種關(guān)系是自動建立的，當(dāng)增加、刪除和修改要素時，ArcSDE會維護(hù)它們。

2）要素表（Feature Table）

要素表存儲每一塊地物的幾何圖形。要素表含有以二進(jìn)制對象存貯的幾何Shape，一個圖層內(nèi)的每一個要素通過唯一的要素標(biāo)識碼訪問，要素標(biāo)識碼關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)表和要素表，ArcSDE自動生成要素標(biāo)識碼，對于空間項來說是唯一的。

3）空間索引表（Spatial Index Table）

空間索引表存貯著格網(wǎng)單元序號、要素封裝邊界和要素標(biāo)識碼。ArcSDE計算空間過濾器以確定它覆蓋的格網(wǎng)單元。利用空間索引表，RDBMS定位格網(wǎng)單元，然后比較要素封裝邊界的坐標(biāo)以確定空間過濾器是否覆蓋了要素封裝邊界?？臻g索引表的查詢減少了返回給ArcSDE的要素標(biāo)識碼的數(shù)目。在執(zhí)行空間查詢時，落入查詢范圍內(nèi)的單元將被識別出來，并返回其中的候選圖形。

1.2 ArcSDE的運行模式

ArcSDE通過系統(tǒng)的三個主要部分來分配其工作量：RDBMS服務(wù)器，ArcSDE服務(wù)器和ArcSDE客戶端。每一部分都優(yōu)化執(zhí)行特定的任務(wù)，如數(shù)據(jù)存貯或分析。通常，RDBMS服務(wù)器和ArcSDE服務(wù)器運行在一臺主機上，而客戶端應(yīng)用則運行在另一臺主機上，通過一個TCP／IP網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器聯(lián)接。

1）RDBMS 所有數(shù)據(jù)庫訪問的內(nèi)容都通過RDBMS服務(wù)器。RDBMS驗證用戶瀏覽或修改數(shù)據(jù)的權(quán)限，解釋輸入的SQL語句，提供一個事務(wù)處理環(huán)境，確保在發(fā)生系統(tǒng)崩潰事故時數(shù)據(jù)庫的可恢復(fù)性。

2）ArcSDE服務(wù)器 ArcSDE服務(wù)器為RDBMS解釋空間數(shù)據(jù)，ArcSDE把客戶端對數(shù)據(jù)的請求轉(zhuǎn)換為SQL語句，使RDBMS能用來讀寫存貯在數(shù)據(jù)庫表中的幾何圖形數(shù)據(jù)。同其他數(shù)據(jù)庫應(yīng)用一樣，ArcSDE服務(wù)器通過RDBMS服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫中內(nèi)容來工作。

3）ArcSDE客戶端 客戶端應(yīng)用驅(qū)動ArcSDE服務(wù)器執(zhí)行一個動作，如在一個礦區(qū)內(nèi)搜索醫(yī)院。許多ArcSDE客戶端的主要功能給最終用戶提供一個接口。通過輸入命令或者操作圖形控制器，用戶向ArcSDE服務(wù)器發(fā)出請求，獲取數(shù)據(jù)來顯示、分析或向數(shù)據(jù)庫寫入新的數(shù)據(jù)。

2 煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫設(shè)計

2.1 煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫建設(shè)目標(biāo)及建設(shè)方案

2.1.1 煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫建設(shè)目標(biāo)

構(gòu)建煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫的服務(wù)對象是煤礦安全應(yīng)急救援隊，主要針對煤礦安全的應(yīng)急救援。目的是在煤礦事故發(fā)生時為煤礦安全應(yīng)急救援隊提供災(zāi)區(qū)救援行動所需要的信息，使煤礦安全應(yīng)急救援隊能夠結(jié)合救援人員與裝備情況快速制定及時合理有效的救援方案，在最佳救援時間最大限度地減少煤礦事故人員傷亡；平時，煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫為應(yīng)急救援隊的救援訓(xùn)練提供數(shù)據(jù)支撐，使其能利用數(shù)據(jù)庫的信息提高救援水平，使救援更近真實性，時刻保持救援的狀態(tài)。主要目標(biāo)有：

1）數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的精簡，只包含于救援隊行動有關(guān)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫可以存儲在便于攜帶的筆記本電腦中，使得應(yīng)急救援隊能夠快速獲取災(zāi)區(qū)救援信息，了解救援物資儲備，使得在最佳救援時間完成救援成為可能。

2）數(shù)據(jù)庫中的信息是以圖片表格形式等表達(dá)，具有易讀、易懂、直觀醒目的特點，為煤礦安全應(yīng)急救援工作提供及時、有效、豐富形象的信息匯總和決策支持。

3）數(shù)據(jù)存儲大型煤礦和有發(fā)生事故先例的煤礦的救援?dāng)?shù)據(jù)，當(dāng)煤礦事故發(fā)生時，可以及時提供相關(guān)數(shù)據(jù)和案例。

2.1.2 煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫建設(shè)方案針對數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，需要考慮兩方面的內(nèi)容：1）空間數(shù)據(jù)，需要比較直觀的形式表達(dá)，這就要求數(shù)據(jù)庫能較好的組織和存儲空間數(shù)據(jù)。

2）煤礦安全應(yīng)急救援工作時間的緊迫性要求數(shù)據(jù)庫反應(yīng)迅速，而且當(dāng)前的分析決策應(yīng)用系統(tǒng)是基于ArcGIS的，因此，要求數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用系統(tǒng)保持較好的連接。

考慮以上兩個方面，采用了ArcSDE結(jié)合RD－BMS（關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）進(jìn)行煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫的建設(shè)。

2.2 煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫存儲方案

煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)包含空間數(shù)據(jù)和屬性，存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server2005中，整個建庫方案基于Geodatabase數(shù)據(jù)模型，Geodatabase是一種采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)來表現(xiàn)地理信息的數(shù)據(jù)模型，是ArcGIS的本地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是用于編輯和數(shù)據(jù)管理的基本數(shù)據(jù)格式。Geodatabase能將空間數(shù)據(jù)存儲在文件、MDB文件或者大型DBMS中。以上三種存儲方式的區(qū)別在于可存儲數(shù)據(jù)量的不同以及可支持的并發(fā)用戶數(shù)量不同，能夠?qū)崿F(xiàn)從小數(shù)據(jù)量、單用戶的文件數(shù)據(jù)庫到大數(shù)據(jù)量、多用戶并發(fā)編輯的企業(yè)級DBMS的不同層次的應(yīng)用［2]。

空間數(shù)據(jù)主要是與煤礦安全應(yīng)急救援有關(guān)的專題數(shù)據(jù)，包括礦區(qū)遙感柵格圖，矢量地形圖等，屬性數(shù)據(jù)是指煤礦安全應(yīng)急救援過程中的一些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如救援隊人員信息、救援隊醫(yī)療信息、救援隊物資信息、救援隊設(shè)備信息、各級單位聯(lián)系方式數(shù)據(jù)等。其實空間數(shù)據(jù)的類型為Feature Class，屬性數(shù)據(jù)為Table表。Feature Class是由Feature（要素或者圖元）組成的一類對象，比如由線組成的所有礦區(qū)主干道成為一個Feature Class對象，由面組成的所有礦區(qū)建筑物組成一個Feature Class對象。其中空間數(shù)據(jù)要與煤礦安全應(yīng)急救援業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有關(guān)聯(lián)，這樣就使得空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)產(chǎn)生了聯(lián)系，為快速準(zhǔn)確查詢信息提供方便。

2.3 煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫的建立

本設(shè)計中的空間數(shù)據(jù)庫包括多個圖層，分別為主干道圖層、建筑物圖層、縣城區(qū)劃圖圖層、生命線圖層、次生災(zāi)害源圖層等。由于系統(tǒng)所有的圖層都是通過ArcSDE存儲到空間數(shù)據(jù)庫中，因此，將涉及到空間數(shù)據(jù)庫的詳細(xì)設(shè)計，空間數(shù)據(jù)庫的詳細(xì)設(shè)計包括表的設(shè)計和空間地物編碼的設(shè)計。

以次生災(zāi)害源圖層為例說明空間數(shù)據(jù)庫的建立，次生災(zāi)害源圖層是Shape格式文件，Shape文件是ArcGIS的一種主要的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，將Shape文件導(dǎo)入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫SQL Server2005中可以借助ArcGIS平臺的ArcCatalog空間數(shù)據(jù)管理模塊。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SQL Server2005后，Shape文件將生成三個表：業(yè)務(wù)表（Business Table）、要素表（Feature Table）和空間索引表（Spatial Index Table）。表1示出了次生災(zāi)害源圖層數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)表表結(jié)構(gòu)，表2示出了次生災(zāi)害源圖層的要素表表結(jié)構(gòu)。

表1 次生災(zāi)害源業(yè)務(wù)表

表2 次生災(zāi)害源要素表

次生災(zāi)害源要素表的其他字段是要素類型（點、線、面）、要素的邊界矩形、要素面積和要素長度等信息?？臻g索引表也存在fid字段，其類型與說明和業(yè)務(wù)表、要素表相同，這三個表通過fid字段關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成一個圖層。

與空間數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的還有一些屬性表，如救援隊人員信息、救援隊醫(yī)療信息、救援隊物資信息、救援隊設(shè)備信息等。救援隊人員信息表表結(jié)構(gòu)設(shè)計如表3所示。

表3 救援隊人員信息表

3 利用ArcSDE建設(shè)煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫

ArcSDE采用連續(xù)的數(shù)據(jù)模型，以層的方式來管理地理數(shù)據(jù)，具有相同屬性項的一類要素可以放到同一層，每個數(shù)據(jù)庫記錄對應(yīng)一個實際要素。根據(jù)煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫的內(nèi)容分析，以陜西省西安市彬縣某煤礦為例，建立了煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫，把其空間數(shù)據(jù)放到一層，構(gòu)成一個數(shù)據(jù)集，其救援隊自身的數(shù)據(jù)及各部分聯(lián)絡(luò)方式等以表格形式存儲。

數(shù)據(jù)入庫主要采用ArcCatalog工具，入庫后可以在ArcCatalog中直接查看數(shù)據(jù)內(nèi)容信息，如圖1所示。

圖1 查看數(shù)據(jù)內(nèi)容信息界面

3 結(jié) 論

煤礦安全應(yīng)急救援工作在煤礦安全應(yīng)急中占有重要地位，其工作的及時成效直接影響人民生命的救助。煤礦安全應(yīng)急救援?dāng)?shù)據(jù)庫的提出是在當(dāng)前應(yīng)急救援隊快速獲取災(zāi)區(qū)基本信息的情況下提出的，利用該數(shù)據(jù)庫，應(yīng)急救援隊能夠快速獲取災(zāi)區(qū)的相關(guān)信息，幫助救援隊指揮人員作出及時合理的救援措施。隨著煤礦規(guī)模和基礎(chǔ)設(shè)施的擴大，數(shù)據(jù)庫的建設(shè)過程將是一個長期的過程。

［1]《應(yīng)急救援系列叢書》編委會.煤礦應(yīng)急救援必讀［M].北京：中國石化出版社，2008：49－75.

［2]劉橋喜，毛善君，馬藹乃，等.煤礦安全地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J].測繪通報，2004（2）：60－62.