新一代多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)在高放廢物地質(zhì)處置的研究與實(shí)現(xiàn)

高 敏， 黃樹桃， 王 鵬， 王樹紅

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,中核高放廢物地質(zhì)處置評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029）

新一代多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)在高放廢物地質(zhì)處置的研究與實(shí)現(xiàn)

高 敏1， 黃樹桃2， 王 鵬1， 王樹紅2

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,中核高放廢物地質(zhì)處置評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029；2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院， 遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029）

傳統(tǒng)的多源集成技術(shù)的不成熟與不完善及新一代 GIS 應(yīng)用模式的發(fā)展， 促進(jìn)了新一代的多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)發(fā)生了根本性變革，同時(shí)也為高放廢物地質(zhì)處置地學(xué)和新數(shù)據(jù)庫(kù)的研究和實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。 利用空間數(shù)據(jù)接口GDAL/OGR 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)， 通過不同數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和集成技術(shù)平臺(tái)為多源地學(xué)數(shù)據(jù)管理和利用開拓了新的思路和方法。

高放廢物地質(zhì)處置； 多源數(shù)據(jù)集成； GDAL； OGR； 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

隨著數(shù)字地球、智慧城市、云計(jì)算等概念的興起， 地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)也得到了快速發(fā)展， 新一代 GIS 應(yīng)用集成模式應(yīng)運(yùn)而生。這種模式的產(chǎn)生使得原本的開發(fā)模式從只重視開發(fā)技術(shù)細(xì)節(jié)向更加注重專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的模式改變， 推動(dòng)了 GIS 開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域的 新 高 潮 。 而 作 為 通 用 于 Google Earth 和WorldWind 兩 大 平 臺(tái) 的 空 間 數(shù) 據(jù) 接 口 GDAL/ OGR 具有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)， 提供了不同數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換和集成技術(shù)的新理念，為多源地學(xué)數(shù)據(jù)管理和利用開拓了新的思路和方法，為有效解決高放廢物地質(zhì)處置研究中所面臨的復(fù)雜數(shù)據(jù)問題奠定了強(qiáng)有力的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 高放廢物多源數(shù)據(jù)集成的意義

高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)預(yù)選區(qū)研究對(duì)象的十大數(shù)據(jù)資料包括社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料、廢物運(yùn)輸條件資料、土地使用資料、人類活動(dòng)及其后果資料、環(huán)境保護(hù)資料、地質(zhì)資料、水文地質(zhì)資料、地球化學(xué)資料、工程地質(zhì)和建設(shè)條件資料和未來(lái)自然變化資料［1］。 經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)積累了高數(shù)級(jí)的原始數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的仔細(xì)研究和分析認(rèn)為，多源數(shù)據(jù)在綜合利用方面面臨著以下問題。

1） 地質(zhì)信息尺度各異。 地質(zhì)信息數(shù)據(jù)比例 尺 有 1 ∶20 萬(wàn) 、 1∶50 萬(wàn)和 1 ∶250 萬(wàn) ?；A(chǔ)地理信息 數(shù) 據(jù) 比 例 尺 有 1∶25 萬(wàn)、 1∶100 萬(wàn)和1∶400萬(wàn)。 多種比例尺是否可以較好地融合和銜接成為關(guān)注要點(diǎn)。

2） 投影方式不一。 數(shù)據(jù)采用墨卡托投影， 部分?jǐn)?shù)據(jù)采用 UTM 投影， 有的甚至沒有采用標(biāo)準(zhǔn)投影，還有的數(shù)據(jù)采用了多種投影。因此，在數(shù)據(jù)集成中必須考慮投影轉(zhuǎn)換問題［2］。

3） 位置坐標(biāo)有誤差。 參與集成的數(shù)據(jù)大多是需按不同專題 （地層、 斷裂和構(gòu)造等）進(jìn)行合并或進(jìn)行不同影響數(shù)據(jù)的融合。因此，數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)繪、掃描、糾正、拼接、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等過程中會(huì)產(chǎn)生坐標(biāo)誤差，產(chǎn)生空白或重疊區(qū)域。

4） 屬性數(shù)據(jù)的描述質(zhì)量。 各層數(shù)據(jù)的屬性表中出現(xiàn)同一屬性數(shù)據(jù)的字段描述方式、編碼、字段長(zhǎng)度各異，描述方式不規(guī)范等情況直接影響了數(shù)據(jù)查詢結(jié)果和可用性，是在集成研究時(shí)必須要考慮的問題。

如何將上述具有復(fù)雜問題的數(shù)據(jù)集成起來(lái)，達(dá)到較好的空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)的可視化，成為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高放廢物地質(zhì)處置地學(xué)信息庫(kù)的關(guān)鍵所在，同時(shí)也是多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。

2 傳統(tǒng)多源數(shù)據(jù)集成模式

空間多源數(shù)據(jù)的集成主要是解決的來(lái)自各專業(yè)或多類原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集成。在地理信息系統(tǒng)的發(fā)展過程中，形成了多種數(shù)據(jù)格式，不同的用戶依據(jù)自己的習(xí)慣采用不同的系統(tǒng)處理各式各樣的問題，出現(xiàn)的數(shù)據(jù)格式類型也就多種多樣。上述情況的普遍存在使得地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和發(fā)布非常困難。傳統(tǒng)的 GIS 多格式空間數(shù)據(jù)的集成主要有以下3種模式：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化模式、數(shù)據(jù)互操作模式和直接數(shù)據(jù)訪問模式。

2.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化模式

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化模式是在地理信息系統(tǒng)發(fā)展過程中最先使用的集成方法。這種模式下以數(shù)據(jù)共享需求用戶的利益為出發(fā)點(diǎn)，其他數(shù)據(jù)格式采用用戶自己編寫的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化，變成用戶自己習(xí)慣使用的數(shù)據(jù)格式。

這種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化模式主要存在著信息損失、轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜不足，甚至在某些方面違背了數(shù)據(jù)分布獨(dú)立性的原則，使數(shù)據(jù)集成本身的難度和對(duì)數(shù)據(jù)的要求大大增加，也不適合一般用戶的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。

2.2 數(shù)據(jù)互操作模式

開放式地理空間信息聯(lián)盟 OGC 成立后，對(duì)一系列的數(shù)據(jù)使用進(jìn)行了規(guī)范，在此基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)互操作模式作為貼合用戶理解和需求制定的規(guī)范也越來(lái)越被更多用戶使用。 OGC為數(shù)據(jù)互操作制定了統(tǒng)一的規(guī)范，使得一個(gè)系統(tǒng)能夠同時(shí)支持不同的空間數(shù)據(jù)格式成為可能，數(shù)據(jù)共享和問題得到改善。

雖然這這種集成模式為多源數(shù)據(jù)集成提供了嶄新的思路和規(guī)范，但它的實(shí)現(xiàn)是基于特定的 OpenGIS 協(xié)議下的軟件進(jìn)行的， 作為并非上述標(biāo)準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)格式在數(shù)據(jù)集成中還缺少標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。

2.3 直接數(shù)據(jù)訪問模式

用戶可以利用直接數(shù)據(jù)訪問模式的思想將單個(gè) GIS 軟件存取多種數(shù)據(jù)格式變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，不再需要復(fù)雜繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換形式。這是數(shù)據(jù)集成模式更為經(jīng)濟(jì)適用，是地學(xué)信息集成的最高模式。但是數(shù)據(jù)的格式同時(shí)也受到了GIS 軟件的制約， 現(xiàn)在還沒有一種軟件能完全訪問涉及地學(xué)信息的眾多格式，且構(gòu)建成本較高。

綜上所述，3種集成模式既有優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也有不足之處：有的會(huì)造成數(shù)據(jù)屬性數(shù)據(jù)的丟失， 影響集成后的數(shù)據(jù)質(zhì)量， 有的對(duì) GIS軟件及數(shù)據(jù)要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行繁瑣的處理，有的則會(huì)大大提高用戶在數(shù)據(jù)層和不同數(shù)據(jù)接口開發(fā)的成本，因此亟需研究和分析解決這些問題的方法。數(shù)據(jù)互操作模式被認(rèn)為是多源數(shù)據(jù)集成的發(fā)展方向，但是目前的發(fā)展卻不成熟，這既為高放廢物地質(zhì)處置領(lǐng)域的多源數(shù)據(jù)集成提供了基礎(chǔ)方法，同時(shí)也表明了重點(diǎn)和難點(diǎn)問題所在。

3 新一代 GIS 應(yīng)用集成模式分析

近年來(lái)，隨著數(shù)字地球、智慧城市和云計(jì)算等概念的提出， 地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)也得到了快速發(fā)展。 作為新一代 GIS 應(yīng)用模式的代表產(chǎn)物 Google Earth、 網(wǎng)格 GIS 和 云計(jì)算等也為多源地學(xué)信息集成技術(shù)的發(fā)展指明了新的方向。

3.1 Google Earth

Google Earth 可以顯示點(diǎn)、 線和面等 幾何類型，具有柵格圖像疊加的功能，并能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)城市三維模型的視覺效果，以三維地球的形式把多類圖片、圖像集成在一起，使用戶從全新角度讀取地球的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在各領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。

作為現(xiàn)階段基于 GDAL/OGR 空間數(shù)據(jù)接口具有代表性的軟件，筆者可以在進(jìn)行多源地學(xué)信息集成技術(shù)研究中借鑒 Google Earth 以下關(guān)鍵技術(shù)： 1） 利用 GDAL/OGR 解決多源遙感影像數(shù)據(jù)源問題； 2） 客戶端采用多線程、緩存定時(shí)技術(shù)、多重檢索技術(shù)，完成海量數(shù)據(jù)瀏覽和查詢操作；3） 服務(wù)器端采用多分辨率的影像金字塔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的圖像壓縮算 法 ； 4） 基 于 GFS、 BigTable 等自行 研 發(fā)的影像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與組織技術(shù)。

3.2 網(wǎng)格 GIS（Grid GIS）

網(wǎng)格 GIS 概念的產(chǎn)生最早出現(xiàn)于 20 世紀(jì)90年代中期， 它是一種匯集和共享空間信息資源、進(jìn)行一體化組織與處理、具有按需服務(wù)能力的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破， 網(wǎng)格 GIS 已經(jīng)發(fā)展成為在互聯(lián)網(wǎng)上與空間信息相關(guān)的所有資源，如計(jì)算資源、 存儲(chǔ)資源、 通信資源、 GIS 軟件資源、 空間信息資源和空間知識(shí)資源等全面連通的 GIS基礎(chǔ)平臺(tái)和技術(shù)體系。

網(wǎng)格 GIS 將實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上與空間信息相關(guān)的所有資源的匯集與共享，其核心是解決廣域環(huán)境下各種空間信息處理資源的共享和協(xié)同工作。 網(wǎng)格 GIS 的出現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)多源信息集成提供了重要的平臺(tái)支撐和技術(shù)引導(dǎo)作用，為多源信息集成系統(tǒng)具有海量空間數(shù)據(jù)處理能力、空間資源共享功能、集成現(xiàn)有系統(tǒng)的能力、異地協(xié)同工作能力、支持異構(gòu)系統(tǒng)的能力和適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的能力提供了重要的技術(shù)支撐。

3.3 云計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)軟/硬件技術(shù)的飛速發(fā)展， 人們?cè)诜植际健⒉⑿杏?jì)算和網(wǎng)格計(jì)算等概念與模型基礎(chǔ)上又提出了云計(jì)算模型。云計(jì)算通過業(yè)務(wù)邏輯與計(jì)算資源的分離，讓用戶不用關(guān)心繁重、復(fù)雜和易錯(cuò)的各類計(jì)算機(jī)資源管理［3］， 而只需關(guān)注業(yè)務(wù)邏輯，從而大大地降低企業(yè)信息化的復(fù)雜度，并提高了計(jì)算資源的利用率。另外，云計(jì)算以搭建高可縮性、高可靠性和廉價(jià)的系統(tǒng)開發(fā)為目的，與多源地學(xué)信息的集成目標(biāo)十分契合，云計(jì)算實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)和研究思路為多源地學(xué)信息集成提供了重要的指示作用。

4 高放廢物地質(zhì)處置新一代多源地學(xué)信息集成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

基于上述傳統(tǒng)數(shù)據(jù)集成模式和新一代 GIS應(yīng)用模式的介紹和分析，提出基于空間數(shù)據(jù)接口 GDAL/OGR 的多源地學(xué)信息集成模式，來(lái)解決高放廢物地質(zhì)處置研究中的數(shù)據(jù)集成問題。

4.1 GDAL 簡(jiǎn)介

GDAL（Geospatial DataAbstraction Library）作為一個(gè)強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)接口，是一個(gè)操作各種柵格地理數(shù)據(jù)格式的庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)柵格數(shù)據(jù)格式的讀取、寫入、轉(zhuǎn)換和處理操作。

GDAL 具有以下特點(diǎn)： （1）作為開源柵格空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換庫(kù)， 已經(jīng)通過 X/MIT 許可協(xié)議來(lái)表達(dá)所支持的各種文件格式，并定義了一系列代碼命令來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理操作；（2） 支 持 包 括 Arc/Info ASCII Grid （asc）、GeoTiff （tiff）、 Erdas Imagine Images （img） 和ASCII DEM （dem） 等柵格數(shù)據(jù)格式的操作；（3）使用抽象數(shù)據(jù)模型來(lái)解析它所支持的數(shù)據(jù)格式，抽象數(shù)據(jù)模型包括數(shù)據(jù)集、坐標(biāo)系統(tǒng)、仿射地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、大地控制點(diǎn)、元數(shù)據(jù)、柵格波段、顏色表、子數(shù)據(jù)集域、圖像結(jié)構(gòu)域和 XML域， 這些幾乎囊括了所有的屬性意義； （4）核心類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

圖 1 GDAL的核心類結(jié)構(gòu)Fig.1 Core class structure of GDAL

GDAL 庫(kù) 所 包 含 的 gdalinfo、 gdal_translate、 gdaladdo、 gdalwarp、 gdal_merge.py 和gdalindex 函 數(shù) 支 持 此 類 數(shù)據(jù)格 式 的 操 作 ， 柵格數(shù)據(jù)的空間分析和應(yīng)用提供了技術(shù)支持，使得空間數(shù)據(jù)的處理和分析不再經(jīng)過反復(fù)的基于基礎(chǔ)函數(shù)的計(jì)算，而是通過庫(kù)函數(shù)的基本操作，就可以輕松實(shí)現(xiàn)。

4.2 OGR 簡(jiǎn)介

OGR 是 GDAL 的一個(gè)分支， 可以實(shí)現(xiàn)包括 ： ESRI Shapefiles、 S-57、SDTS、PostGIS、

Oracle Spatial、 MapInfo mid/mif 和 MapInfo TAB 等矢量數(shù)據(jù)格式的讀取、 寫入、 轉(zhuǎn)換和處理操作［5］， 其模型關(guān)系如圖 2 所示。

OGR 庫(kù) 所 包 含的 ogrinfo、 ogr2ogr 函數(shù)為矢量數(shù)據(jù)的空間分析和應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

4.3 不同轉(zhuǎn)換工具模塊的實(shí)現(xiàn)

4.3.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

4.3.1.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

基于 GDAL/OGR 的矢量/柵格數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn) 換 。 GDAL 實(shí) 現(xiàn) 了 柵 格 數(shù) 據(jù) 的 GeoTiff 轉(zhuǎn)jpeg 的 功 能 。 OGR 實(shí) 現(xiàn) MapInfo （.tab） 轉(zhuǎn)ShapeFile、 GeoDataBase （ .mdb） 轉(zhuǎn) ShapeFile和 Microstation （ .dgn） 轉(zhuǎn) ShapeFile。 數(shù) 據(jù) 格式轉(zhuǎn)換的流程圖如圖3所示。

4.3.1.2 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

1） 矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

矢 量 數(shù) 據(jù) 格 式 轉(zhuǎn) 換 可 以 實(shí) 現(xiàn) MapInfo（.TAB）AutoCAD （.DWG）Microstation （.DGN） 格式轉(zhuǎn)換為 ESRI Shapefile 格式。

2） 柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以實(shí)現(xiàn) GeoTiff格式 轉(zhuǎn)換為通用的 JPEG 格式。

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換界面（圖 4）是根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程的設(shè)計(jì)，使用開源代碼自主開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。

4.3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

圖 2 OGR 的 Geometry 模型關(guān)系圖Fig.2 Geometry model chart of OGR

圖3 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換流程圖Fig.3 Flow chart of data format conversion

圖4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換界面Fig.4 Interface of data conversion

4.3.2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供平面直角坐標(biāo)（由 x， y 坐標(biāo)值表示）與地理坐標(biāo)（由 L， B 經(jīng)緯度表示）之間的相互轉(zhuǎn)換（實(shí)現(xiàn)過程如圖 5 所示）。 轉(zhuǎn)換的參數(shù)如下。

（1） 橢球： 選擇不同的橢球， 那么長(zhǎng)短軸的參數(shù)就會(huì)不同；

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Study and implementation on new multi-source data integration technology for geological disposal of High-level Radioactive Waste

GAO Min1， HUANG Shutao1， WANG Peng1， WANG Shuhong2
（1.CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level Radioactive Waste， Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China； 2.National Key Laboratory of Remote Sensing Information and Image Analysis Technology， Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China）

The immature and imperfect traditional multi-source integration technology， as well as the development of new generation of GIS application model promoted the fundamental changes of new multi-source data integration technology， which provided technical support to the study and implementation of database for geological disposal of High-level Radioactive Waste.This study made full use of the technical advantage of spatial data interface GDAL/OGR ， opened up a new idea and method for multiple source data management through the different data format conversion and integration technology platform.

geological disposal of HLW； multi-source data integration； GDAL； OGR； data format conversion

圖5 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程圖Fig.5 Flow chart of coordinate conversion

TL942

A

1672-0636（2017）02-0113-05

10.3969/j.issn.1672-0636.2017.02.009

國(guó)防科工局三廢專項(xiàng) “高放廢物處置庫(kù)預(yù)選區(qū)地學(xué)信息庫(kù)開發(fā)研究” 項(xiàng)目 （編號(hào)： 科工局科工二司 ［2011］1074 號(hào)）資助。

2016-06-29；

2016-11-02

高敏（1985— ）， 女， 山東濟(jì)陽(yáng)人， 工程師， 主要從事高放廢物地質(zhì)處置地學(xué)信息庫(kù)研發(fā)工作。E-mail:gaomin820@163.com