國(guó)家地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心建設(shè)研究

任曉霞，曾青石，喻孟良，周萌

（中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081）

1 引言

近年來(lái)，隨著“數(shù)字國(guó)土工程”、“金土工程”的實(shí)施和國(guó)土資源信息化工作的深入，中國(guó)開展了大量的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與防治、地下水監(jiān)測(cè)與保護(hù)、礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與恢復(fù)治理等業(yè)務(wù)的調(diào)查、監(jiān)測(cè)及信息化建設(shè)工作［1－4]，在國(guó)家層面上建立了如全國(guó)1∶20萬(wàn)分幅水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、1∶50萬(wàn)分省環(huán)境地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)、縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)、地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防數(shù)據(jù)庫(kù)、地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情速報(bào)數(shù)據(jù)庫(kù)、國(guó)家級(jí)地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、礦山環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)［5－8]。同時(shí)各?。ㄊ?、自治區(qū)）國(guó)土部門也建設(shè)了大量的數(shù)據(jù)庫(kù)及業(yè)務(wù)系統(tǒng)［9－18]。

隨著地質(zhì)環(huán)境信息化的快速發(fā)展，不同部門、不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)資源實(shí)時(shí)共享、綜合服務(wù)已是大勢(shì)所趨。地質(zhì)環(huán)境類數(shù)據(jù)也有同樣的需求，目前仍存在以下問題［19－20]：第一，數(shù)據(jù)大都產(chǎn)生于單一項(xiàng)目的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)僅從項(xiàng)目考慮，不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)坐標(biāo)系不同、數(shù)據(jù)精度不一致、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，容易造成信息孤島；第二，數(shù)據(jù)分散在不同業(yè)務(wù)部門中，存在數(shù)據(jù)重復(fù)現(xiàn)象，不同版本的數(shù)據(jù)格式不一致、數(shù)據(jù)不唯一，數(shù)據(jù)維護(hù)難度大；第三，在積累大量數(shù)據(jù)的實(shí)際條件下，未建立一套權(quán)威的數(shù)據(jù)共享及服務(wù)機(jī)制，造成了各種數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性差、應(yīng)用系統(tǒng)之間無(wú)法互通的情況，嚴(yán)重制約了各業(yè)務(wù)部門的數(shù)據(jù)共享、服務(wù)和地質(zhì)環(huán)境信息化工作的發(fā)展。

針對(duì)上述問題，筆者開展了國(guó)家地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案的研究。提出了“分布式與集中式存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理、業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)”的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心建設(shè)思路，設(shè)計(jì)了國(guó)家地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)體系、數(shù)據(jù)中心架構(gòu)以及數(shù)據(jù)匯交和交換方式。

2 總體結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)體系

國(guó)家地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心的建設(shè)按照“分布式與集中式存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理、業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)”的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其數(shù)據(jù)體系如圖1所示。

分布式與集中式存儲(chǔ)是指依托地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、監(jiān)測(cè)等工作體系和分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在縣級(jí)及地級(jí)節(jié)點(diǎn)建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)，省級(jí)及國(guó)家級(jí)節(jié)點(diǎn)建立數(shù)據(jù)中心，形成以縣、地、省、國(guó)家四級(jí)分布式存儲(chǔ)與集中式存儲(chǔ)相結(jié)合的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、交換的全國(guó)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)體系；統(tǒng)一管理指基于四級(jí)數(shù)據(jù)體系，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及專題數(shù)據(jù)建立在國(guó)家級(jí)或者省級(jí)節(jié)點(diǎn)，作為地質(zhì)環(huán)境信息基礎(chǔ)支撐，各節(jié)點(diǎn)自己的數(shù)據(jù)由本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)更新；業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)指采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的橫縱向信息共享。

圖1 國(guó)家地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)體系架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)分為兩類：一是操作型數(shù)據(jù)，有細(xì)節(jié)化、分散化的特點(diǎn)，可分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；二是決策型數(shù)據(jù)，有綜合化、集成化的特點(diǎn)，可細(xì)分為綜合數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)。結(jié)合地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)特點(diǎn)和地質(zhì)環(huán)境的事務(wù)處理應(yīng)用及分析處理應(yīng)用的需要，采用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（源數(shù)據(jù)庫(kù)）－操作數(shù)據(jù)庫(kù)－數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)（DB－ODS－DW）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理方式，在系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、標(biāo)準(zhǔn)化體系、安全防護(hù)體系支撐下進(jìn)行架構(gòu)，數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)分為四個(gè)層次，其體系架構(gòu)如圖2所示。

源數(shù)據(jù)層是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取的地質(zhì)環(huán)境各類基礎(chǔ)地理及專題空間數(shù)據(jù)、專業(yè)屬性數(shù)據(jù)，以及外部系統(tǒng)氣象、人文經(jīng)濟(jì)、地震等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)源?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放來(lái)自不同位置、不同系統(tǒng)、格式各異的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。庫(kù)中數(shù)據(jù)保持源數(shù)據(jù)格式、粒度、度量不變。根據(jù)數(shù)據(jù)的涉密性，所獲取的數(shù)據(jù)分別存入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)1和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)2（涉密數(shù)據(jù)庫(kù)）中，兩者間實(shí)施物理隔離。

操作處理層是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)1及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)2數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理，分別上傳到操作數(shù)據(jù)庫(kù)1和操作數(shù)據(jù)庫(kù)2。操作數(shù)據(jù)庫(kù)2中的數(shù)據(jù)經(jīng)過保密處理后，通過擺渡服務(wù)器傳入操作數(shù)據(jù)庫(kù)1中使用。操作據(jù)庫(kù)1中的部分屬性數(shù)據(jù)亦通過擺渡服務(wù)器傳入操作數(shù)據(jù)庫(kù)2中提供使用。操作數(shù)據(jù)庫(kù)1中的數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)、專業(yè)屬性數(shù)據(jù)、辦公管理數(shù)據(jù)、決策分析數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)及綜合文襠數(shù)據(jù)。操作數(shù)據(jù)庫(kù)2與操作數(shù)據(jù)庫(kù)1分別支持涉密與不涉密的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的事務(wù)處理型應(yīng)用。

分析處理層是根據(jù)決策主題建立多維數(shù)據(jù)模型，對(duì)操作數(shù)據(jù)庫(kù)1中數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、轉(zhuǎn)換、重組和裝載，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，支持分析處理型應(yīng)用。

服務(wù)層是對(duì)于操作數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的各類數(shù)據(jù)請(qǐng)求（查詢、訂閱、發(fā)布）抽象為數(shù)據(jù)訪問服務(wù)請(qǐng)求提供服務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)匯交及數(shù)據(jù)交換

通過規(guī)范地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、管理、動(dòng)態(tài)更新，以及數(shù)據(jù)的匯交、交換及信息目錄管理，將全國(guó)縣、地節(jié)點(diǎn)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)及省、國(guó)家級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中心連為一體，構(gòu)成全國(guó)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)體系，實(shí)現(xiàn)上下級(jí)節(jié)點(diǎn)間縱向的數(shù)據(jù)交換、同級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)間橫向的數(shù)據(jù)交換，以及面向外部的數(shù)據(jù)共享交換服務(wù)。

數(shù)據(jù)匯交縱向上由縣級(jí)節(jié)點(diǎn)→地級(jí)節(jié)點(diǎn)→省級(jí)節(jié)點(diǎn)→國(guó)家級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳匯集，橫向上在同級(jí)地環(huán)節(jié)點(diǎn)與國(guó)土節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸匯集。

圖2 國(guó)家地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，而XML作為一種具有結(jié)構(gòu)性的描述語(yǔ)言，作為數(shù)據(jù)交換方式應(yīng)用廣泛［21－28]，因此可以把 XML文件作為數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，用它作為中間數(shù)據(jù)格式，在基于SOA面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)下，利用底層整合信息資源。需要交換數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過Web Services獲取XML格式的信息，然后轉(zhuǎn)化成自己能夠識(shí)別的信息，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)交換。不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間只需要定義不同的數(shù)據(jù)交換接口，從而實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)在應(yīng)用層面的互聯(lián)互通和信息共享。

3 建設(shè)要求

國(guó)家地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心建設(shè)內(nèi)容包括：一是滿足各類數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理、動(dòng)態(tài)更新和交換需要的軟硬件基礎(chǔ)環(huán)境；二是建立統(tǒng)一的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換系統(tǒng)；三是安全防護(hù)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化體系等其他工作；三部分建設(shè)內(nèi)容，對(duì)于各級(jí)數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)要求不同，具體建設(shè)要求如下：

（1）軟硬件基礎(chǔ)環(huán)境

主要包括數(shù)據(jù)中心運(yùn)行需要的場(chǎng)地、網(wǎng)絡(luò)、通訊設(shè)施、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、GIS基礎(chǔ)軟件系統(tǒng)、應(yīng)用中間件等。其中，網(wǎng)絡(luò)依托國(guó)土資源骨干網(wǎng)構(gòu)建地質(zhì)環(huán)境骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)區(qū)縣－地州－省市－國(guó)家的四級(jí)地質(zhì)環(huán)境信息節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)專線傳輸；其余基本軟硬件環(huán)境的配置應(yīng)充分共用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，經(jīng)分析確認(rèn)后不能滿足需求的，進(jìn)行逐步補(bǔ)充。

（2）地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交換系統(tǒng)

主要包括各類數(shù)據(jù)庫(kù)和交換系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)分為兩部分，即各業(yè)務(wù)應(yīng)用或原有建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)部門的已建數(shù)據(jù)庫(kù)，原則上需逐步納入數(shù)據(jù)中心。已由數(shù)據(jù)中心建設(shè)維護(hù)部門運(yùn)行管理的數(shù)據(jù)庫(kù)、操作數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等納入數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行與管理。

數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)：在縣級(jí)及地級(jí)節(jié)點(diǎn)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，省級(jí)及國(guó)家級(jí)節(jié)點(diǎn)建立數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心配套管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)入庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控、操作數(shù)據(jù)庫(kù)入庫(kù)以及數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)管理等功能。

交換系統(tǒng)建設(shè)：按照國(guó)家級(jí)及省級(jí)節(jié)點(diǎn)建立交換中心，安裝數(shù)據(jù)交換子系統(tǒng)的原則建設(shè)。省級(jí)節(jié)點(diǎn)與省級(jí)其他部門和下屬單位的數(shù)據(jù)交換，由各級(jí)節(jié)點(diǎn)按相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)并遵從基本技術(shù)要求另行實(shí)施。

（3）安全防護(hù)體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化體系等其他工作

主要包含信息化標(biāo)準(zhǔn)體系框架建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及管理、數(shù)據(jù)庫(kù)安全身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)庫(kù)安全備份等內(nèi)容。此部分內(nèi)容各節(jié)點(diǎn)均需按照標(biāo)準(zhǔn)要求統(tǒng)一接入。

4 實(shí)證應(yīng)用

到目前為止，地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心已建立國(guó)家級(jí)節(jié)點(diǎn)和部分試點(diǎn)省份。其中，國(guó)家級(jí)節(jié)點(diǎn)管理數(shù)據(jù)資源主要包括不同比例尺基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、不同分辨率遙感影像數(shù)據(jù)等數(shù)字地圖數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害、地下水、礦山地質(zhì)環(huán)境、地面沉降、地質(zhì)遺跡、水土地質(zhì)環(huán)境等專業(yè)領(lǐng)域已建成的歷史調(diào)查和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、1∶20萬(wàn)水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、1∶50萬(wàn)環(huán)境地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫(kù)等專題空間數(shù)據(jù)；試點(diǎn)省級(jí)節(jié)點(diǎn)根據(jù)各自省份數(shù)據(jù)情況管理所屬數(shù)據(jù)，如各省影像數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)等數(shù)據(jù)。通過已建立的各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)中心，使其初步形成了信息共享與綜合服務(wù)的局面，但由于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不全、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的互操作接口以及交換標(biāo)準(zhǔn)正在建設(shè)中，后續(xù)工作仍需繼續(xù)探討研究。最終，國(guó)家級(jí)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心將依據(jù)相關(guān)集成整合規(guī)范和信息化標(biāo)準(zhǔn)，建立全國(guó)地質(zhì)環(huán)境信息目錄，將歷史數(shù)據(jù)整合納入對(duì)應(yīng)目錄下入庫(kù)，對(duì)于將來(lái)要納入數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立數(shù)據(jù)更新與維護(hù)機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新和有效性。同時(shí)，逐步推廣應(yīng)用到各省份，將各節(jié)點(diǎn)的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)連為一體形成數(shù)據(jù)中心，構(gòu)成全國(guó)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)體系，實(shí)現(xiàn)上下級(jí)節(jié)點(diǎn)間縱向的數(shù)據(jù)交換、同級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)間橫向的數(shù)據(jù)交換，以及面向外部的數(shù)據(jù)共享交換服務(wù)。

相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)方式，數(shù)據(jù)中心具有如下優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

（1）多源、多尺度海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)管理。不同來(lái)源、不同尺度的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)中心，通過統(tǒng)一的管理工具對(duì)其進(jìn)行管理。

（2）地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)質(zhì)量大幅度提高。在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范約束下，對(duì)已有歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查和校正更新，新采集的數(shù)據(jù)按照要求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和審核校正，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（3）動(dòng)態(tài)更新與維護(hù)機(jī)制建立，數(shù)據(jù)實(shí)效性提高。各級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，一旦負(fù)責(zé)更新數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新，其他相關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)則自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。同時(shí)，相應(yīng)地更新機(jī)制要求各節(jié)點(diǎn)保持對(duì)數(shù)據(jù)更新的維護(hù)與提交，數(shù)據(jù)實(shí)效性得到提高。

（4）信息共享機(jī)制建立，推進(jìn)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)化能力。數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)和各級(jí)業(yè)務(wù)接口的建立，保證了在不同節(jié)點(diǎn)對(duì)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的信息共享，提高了地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)能力。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)中心是地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境信息服務(wù)與共享的根本保證。數(shù)據(jù)中心不但能夠?qū)Ω骷?jí)地質(zhì)環(huán)境相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和維護(hù)，而且能夠按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，從縱向?qū)崿F(xiàn)各級(jí)地質(zhì)環(huán)境業(yè)務(wù)部門之間以及橫向與其他各部門之間的信息交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，更好地為政府機(jī)關(guān)、專業(yè)人士、社會(huì)公眾服務(wù)。

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