“華北克拉通破壞”重大研究計劃共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計＊

姚志祥 歐陽飚 吳建平 鄭秀芬 黃 靜 黎 明

1）中國地震局地球物理研究所，北京100081

2）中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029

（作者電子信箱，姚志祥：qdocyao＠126.com）

引言

“華北克拉通破壞”重大科學研究計劃通過資助流動臺陣地震觀測和人工源地震探測剖面，以及與克拉通破壞相關(guān)的地質(zhì)和地球化學觀測等項目，開展對華北克拉通破壞有關(guān)的核心科學問題進行多學科研究［1－2］。在該計劃實施過程中，產(chǎn)生了大量的包括天然地震、人工探測等類型的地球科學觀測數(shù)據(jù)，這些地球科學數(shù)據(jù)是認識華北克拉通形成、演化理論的基礎與根據(jù)。因此，自然基金委借鑒國際上重大研究計劃建立相應數(shù)據(jù)中心的經(jīng)驗，在該計劃開始之初提出建立共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，安全科學地管理這些寶貴的數(shù)據(jù)［1］。通過共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，讓科研人員充分挖掘與應用其中蘊藏的大量信息，開展多學科科學研究［3］。

近年來，隨著大型數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Web－GIS技術(shù)以及計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)庫建設和數(shù)據(jù)共享提供了更加安全、有效、快捷的技術(shù)支撐。如GIS技術(shù)對具有空間屬性的數(shù)據(jù)圖形化表達，可以為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務，在數(shù)據(jù)庫設計時可以充分利用相關(guān)技術(shù)［4－6］。另外，大型存儲等設備的更新?lián)Q代，也為海量數(shù)據(jù)的集中管理和服務提供了更好的條件。但數(shù)據(jù)量的增長對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務都提出更高的要求，因此，充分利用先進技術(shù)進行合理的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計極其重要。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與建庫

在“華北克拉通破壞”重大研究計劃支持的觀測項目中，有流動臺陣地震觀測、人工地震探測、地質(zhì)和地球化學等觀測研究 ，數(shù)據(jù)類別繁多，數(shù)據(jù)量大，其中流動臺陣地震觀測數(shù)據(jù)量最大，數(shù)據(jù)量達到幾個TB。因此，需要根據(jù)不同種類數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)特點進行劃分，按照相關(guān)專業(yè)規(guī)范建立相應的數(shù)據(jù)庫。一般而言，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征可以把數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)之間具有一定的關(guān)系和條理性的數(shù)據(jù)體，可以用標準化的數(shù)據(jù)庫表進行管理。如天然地震數(shù)據(jù)中臺站、通道、儀器響應等信息數(shù)據(jù)，需要根據(jù)國際標準交換格式SEED 建立庫表；人工探測數(shù)據(jù)的觀測點、炮點等信息數(shù)據(jù)需要根據(jù)國際SEGY 格式相關(guān)要求建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，而涉及的地質(zhì)、地球化學等巖石采樣及測定數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)標準建立結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指不能夠用關(guān)系數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進行分類描述的數(shù)據(jù)，主要包括文檔資料數(shù)據(jù)和一般數(shù)據(jù)表格文檔數(shù)據(jù)，對可以通過提取關(guān)系屬性信息進行結(jié)構(gòu)化的管理的數(shù)據(jù)，形成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)或索引，對于無法提取關(guān)系結(jié)構(gòu)的部分數(shù)據(jù)使用文檔庫進行管理。其中數(shù)據(jù)量最大的天然地震觀測數(shù)據(jù)以及人工探測數(shù)據(jù)的地震波形數(shù)據(jù)體，采用了標準格式的文件系統(tǒng)進行管理和存儲，通過結(jié)構(gòu)化的索引進行管理。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

依據(jù)“華北克拉通破壞”重大研究計劃共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)分析處理與產(chǎn)品生成、數(shù)據(jù)圖形化展示及GIS導航、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存儲備份、門戶網(wǎng)站、用戶管理與權(quán)限認證等方面的功能需求，采用Oracle大型數(shù)據(jù)庫技術(shù)，結(jié)合新的GIS技術(shù)對整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行了架構(gòu)設計。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

設計的“華北克拉通破壞”重大研究計劃共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)整體架構(gòu)由“一個數(shù)據(jù)庫、一個門戶、兩個系統(tǒng)支撐平臺、四個專業(yè)應用”構(gòu)成（圖1）。一個數(shù)據(jù)庫包括采取獨立數(shù)據(jù)庫、獨立用戶、獨立表空間的方式管理的四類數(shù)據(jù)，主要有地震數(shù)據(jù)（包括天然地震和人工探測數(shù)據(jù)）、地質(zhì)數(shù)據(jù)、地球化學數(shù)據(jù)和系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)，這些專業(yè)數(shù)據(jù)、用戶與權(quán)限以及系統(tǒng)運行所需要的支撐數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫進行系統(tǒng)管理。經(jīng)專業(yè)應用、數(shù)據(jù)交換與共享應用、GIS地理信息系統(tǒng)應用、數(shù)據(jù)有效性保障應用四個專業(yè)應用，在系統(tǒng)權(quán)限管理平臺和系統(tǒng)運營管理平臺兩個系統(tǒng)支撐平臺支撐下保證共享數(shù)據(jù)系統(tǒng)門戶的運行。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設計，共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能從邏輯上可以分為系統(tǒng)支撐功能部分、地震等相關(guān)數(shù)據(jù)管理功能部分、用戶及權(quán)限管理功能部分、有關(guān)數(shù)據(jù)共享的應用及接口處理部分以及附屬工具，各功能部分承擔不同的系統(tǒng)任務（圖2）。根據(jù)具體承擔的任務劃分，功能模塊主要包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)共享、Web GIS、信息發(fā)布等主體模塊，這些主體模塊由若干程序模塊組成，程序模塊又由若干一級、二級程序子模塊組成，分別完成各自獨立的功能。如數(shù)據(jù)共享模塊包括流動臺、固定臺的連續(xù)波形和事件波形數(shù)據(jù)共享服務、人工地震探測數(shù)據(jù)、地質(zhì)與地球化學數(shù)據(jù)共享服務，及其有關(guān)的數(shù)據(jù)處理格式轉(zhuǎn)換等程序子模塊。共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)共設計有18個程序模塊，47個一級子程序模塊和50個二級子程序模塊。

圖2 系統(tǒng)功能邏輯模塊基本構(gòu)成圖

3 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)體系

“華北克拉通破壞”重大研究計劃共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是對海量觀測數(shù)據(jù)進行管理和業(yè)務應用的綜合性平臺，考慮到系統(tǒng)的高開放性和高可維護性，系統(tǒng)采用成熟的B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)，嚴格遵循J2EE 的MVC（模型層（model）、視圖層（view）、控制器層（Controller））三層架構(gòu)模式（如圖3）。在數(shù)據(jù)庫技術(shù)方面，考慮到系統(tǒng)將面對海量數(shù)據(jù)的處理及對數(shù)據(jù)高安全性的要求，系統(tǒng)選用大型Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)。應用服務技術(shù)方面，根據(jù)系統(tǒng)運行時的系統(tǒng)負載、運行效率和跨平臺性等方面實際需求，系統(tǒng)選用Java語言及部分基于Java語言的成熟程序開發(fā)框架作為系統(tǒng)后臺程序的開發(fā)基礎。同時，針對具有空間特性的數(shù)據(jù)，開發(fā)基于Flex技術(shù)的Web GIS 可視化應用，部分子模塊采用GIS地圖操作觸發(fā)的方式進行數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)應用。在客戶端技術(shù)方面，系統(tǒng)采用先進的RIA（Rich Internet Application）的理念及相關(guān)成熟可靠的Flex 等開發(fā)技術(shù)，使表現(xiàn)力、通信與網(wǎng)絡效率和交互性更強。

圖3 程序開發(fā)設計架構(gòu)圖

4 結(jié)語

針對“華北克拉通破壞”重大研究計劃有關(guān)觀測數(shù)據(jù)的類型和特點，結(jié)合在數(shù)據(jù)管理和共享以及系統(tǒng)整體性能方面的實際需求，對共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行了整體設計。系統(tǒng)設計充分利用了大型Oracle數(shù)據(jù)庫和Arc GIS等計算機新技術(shù)，通過對數(shù)據(jù)庫層、系統(tǒng)與專應用層合理設計，采用成熟的B/S結(jié)構(gòu)和J2EE的MVC 三層架構(gòu)模式，結(jié)合Flex和RIA 新技術(shù)和理念，選用Java語言進行開發(fā)。這些計算機新技術(shù)的應用，保證了已建成的共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和共享服務功能的實現(xiàn)，同時系統(tǒng)具有高開放性和高可維護性，客戶端方面表現(xiàn)力、交互性、以及便捷性更好。

［1］國家自然科學基金委員會.國家自然科學基金《華北克拉通破壞》重大研究計劃2007年項目申請指南.2007

［2］朱日祥，徐義剛，朱光，等.華北克拉通破壞.中國科學：地球科學，2012，42（8）：1135－1159

［3］孫樞.地球數(shù)據(jù)是地球科學創(chuàng)新的重要源泉—從地球科學談科學數(shù)據(jù)共享.中國基礎科學，2003（1）：19－23

［4］王卷樂，游松財，謝傳節(jié)，等.面向Web的地學數(shù)據(jù)共享服務平臺架構(gòu)設計.地球信息科學，2004，6（4）：62－65

［5］郭騰云，陳小鋼，吳紹洪，等.基于Web GIS的空間數(shù)據(jù)共享解決方案.科技導報，2004（3）：17－20

［6］歐少佳，許惠平，陳華根，等.中國巖石圈數(shù)據(jù)模型總體設計.地球?qū)W報，2005，26（3）：265－270