面向西南印度洋多源科考數(shù)據(jù)的可擴(kuò)展管理系統(tǒng)

成玉良，蘇程，章孝燦

(浙江大學(xué) 空間信息技術(shù)研究所， 浙江 杭州 310027)

面向西南印度洋多源科考數(shù)據(jù)的可擴(kuò)展管理系統(tǒng)

成玉良，蘇程，章孝燦

(浙江大學(xué) 空間信息技術(shù)研究所， 浙江 杭州 310027)

為了使科考數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理適應(yīng)未來科學(xué)考察動(dòng)態(tài)化、多樣化發(fā)展的需要，在全面分析多源科考數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合成熟的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server以及空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE，對(duì)多源科考數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)組織結(jié)構(gòu)和可視化管理進(jìn)行了分析和研究，提出了一套多源科考數(shù)據(jù)管理方案.設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了西南印度洋多金屬硫化物科學(xué)考察數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由多源科考數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)管理和可視化空間操作等功能模塊組成，具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，可滿足實(shí)際應(yīng)用需求.

西南印度洋；多源科考數(shù)據(jù)；空間數(shù)據(jù)庫引擎；數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

0 引 言

海洋是世界上最大的水體地理單元，約占地球表面積的71%.海洋蘊(yùn)藏著極為豐富的礦產(chǎn)資源,合理開發(fā)和利用這些資源,對(duì)世界各國的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義[1].隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及海洋開發(fā)投入力度的加大，先進(jìn)的科考設(shè)備及多樣化的科考手段被應(yīng)用于大洋科學(xué)考察，科考過程中將產(chǎn)生新的具有不同數(shù)據(jù)格式的科考數(shù)據(jù)，同時(shí)隨著科考的不斷深入，數(shù)據(jù)量日益龐大，加之?dāng)?shù)據(jù)復(fù)雜、格式不同，對(duì)科考數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)、高效管理提出了挑戰(zhàn).因此，如何通過計(jì)算機(jī)高效地管理科考數(shù)據(jù)，同時(shí)方便工作人員快捷使用，提高科考作業(yè)效率，是科考研究中十分重要且亟待解決的關(guān)鍵問題之一.

隨著“數(shù)字海洋”的發(fā)展，先進(jìn)的空間信息技術(shù)已應(yīng)用于海洋數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，提高了科學(xué)考察數(shù)據(jù)的利用率，統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理不同來源、不同格式的綜合科考數(shù)據(jù)，使其更好地為海洋科學(xué)研究和海洋資源開發(fā)服務(wù).國內(nèi)外不少學(xué)者針對(duì)海洋科考數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理進(jìn)行了深入研究，開發(fā)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以存儲(chǔ)和管理已有的空間數(shù)據(jù)[2-10]，但是這些數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)只能存儲(chǔ)和管理一種或多種特定格式的科考數(shù)據(jù)，無法存儲(chǔ)和管理未來科考過程中新增的具有不同格式的科考數(shù)據(jù)，唯有修改現(xiàn)有系統(tǒng)源代碼，發(fā)布新系統(tǒng)，進(jìn)而存儲(chǔ)和管理新增的科考數(shù)據(jù).為此，不少學(xué)者對(duì)空間數(shù)據(jù)可視化管理進(jìn)行了深入研究，通過將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成空間對(duì)象，采用GIS手段實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的可視化管理[11-19].但是，這些可視化管理系統(tǒng)均人為地將特定數(shù)據(jù)類型的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的具有空間索引的空間對(duì)象，其轉(zhuǎn)換規(guī)則不適合系統(tǒng)中新增的不同類別的空間數(shù)據(jù).因此，現(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)尚難適應(yīng)未來科學(xué)考察的需要，同時(shí)系統(tǒng)改造和擴(kuò)展的空間有限，且成本高昂.

針對(duì)上述問題，筆者提出了一種多源科考數(shù)據(jù)可擴(kuò)展管理及可視化管理方法，此方法可解決因科考數(shù)據(jù)的格式不確定所引起的系統(tǒng)適應(yīng)性和擴(kuò)展性差等問題.設(shè)計(jì)了西南印度洋多源科考數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同數(shù)據(jù)格式的多源科考數(shù)據(jù)統(tǒng)一高效的存儲(chǔ)和管理，以及便捷豐富的可視化空間操作，同時(shí)可減少系統(tǒng)的開發(fā)與維護(hù)成本，滿足實(shí)際應(yīng)用需求.

1 多源科考數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析

大洋科學(xué)考察是一項(xiàng)長期、艱苦、高投入的工作，涉及不同學(xué)科、不同領(lǐng)域.隨著科考的不斷深入以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，科考數(shù)據(jù)量日趨增長，同時(shí)科考過程中將會(huì)融入新的具有不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)類別.具有如下特點(diǎn)：

(1)寶貴性.大洋科考是一項(xiàng)技術(shù)密集型科學(xué)考察研究，周期長、難度大，需要耗費(fèi)大量的財(cái)力和物力.同時(shí)，科考數(shù)據(jù)及海底資料是科學(xué)考察的直接成果和階段產(chǎn)品，是未來科研活動(dòng)的重要基礎(chǔ)，對(duì)于科學(xué)研究的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[20].

(2)多源性.大洋科考是一項(xiàng)多學(xué)科多研究手段的科學(xué)考察研究.學(xué)科方面，主要包括地質(zhì)構(gòu)造、地球物理、地球化學(xué)等；研究手段方面，主要包括地質(zhì)地貌探測(cè)、構(gòu)造地質(zhì)探測(cè)、活動(dòng)區(qū)熱液異常探測(cè)、定點(diǎn)采樣等[21].大洋科考數(shù)據(jù)的主要來源為不同設(shè)備的探測(cè)數(shù)據(jù)、工作人員的觀測(cè)數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)采樣的分析記錄數(shù)據(jù)等.

(3)海量性.大洋科考是一項(xiàng)持續(xù)、長久的科學(xué)考察研究.自2005年“大洋一號(hào)”科考船首次進(jìn)行環(huán)球科考以來，我國大洋協(xié)會(huì)已組織了34航次的科學(xué)考察研究，并且大洋科考研究仍在不斷向前推進(jìn).隨著科學(xué)考察研究的進(jìn)行，探測(cè)設(shè)備獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)和工作人員的觀測(cè)數(shù)據(jù)是海量的，同時(shí)隨著采集樣本的不斷增多，實(shí)驗(yàn)中積累的分析數(shù)據(jù)也是海量的.

(4)復(fù)雜性.大洋科考是一項(xiàng)涉及多種學(xué)科領(lǐng)域，集多種科考手段于一體的復(fù)雜的科學(xué)研究.不同學(xué)科、不同研究手段獲取的科考數(shù)據(jù)類別和數(shù)據(jù)格式差異較大，復(fù)雜度不一.

(5)動(dòng)態(tài)性.隨著人們對(duì)海洋認(rèn)知的不斷深入和科技水平的不斷提升，新的科考設(shè)備和科考手段將不斷加入到科學(xué)考察中，以更全面、深入地了解和研究海洋，然而這些新的科考設(shè)備和手段將不斷產(chǎn)生新的具有不同數(shù)據(jù)格式的科考數(shù)據(jù).

2 多源科考數(shù)據(jù)管理

2.1 多源科考數(shù)據(jù)可擴(kuò)展管理方法

多源科考數(shù)據(jù)具有寶貴性、多源性、海量性、復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性.因此，為了有效存儲(chǔ)和管理多源科考數(shù)據(jù)，須采用一種合理高效的方法解決多源科考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理難問題.

通過對(duì)科考過程的深入研究和對(duì)已有49種科考數(shù)據(jù)類別的充分分析知，盡管科考數(shù)據(jù)類別眾多，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異較大，但其包含的屬性數(shù)據(jù)主要為探測(cè)信息、時(shí)間信息、分析信息、描述信息，以及附件信息中的一種或多種.這些數(shù)據(jù)信息所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)格式主要為數(shù)值型、時(shí)間型、文本型和二進(jìn)制流型.不同類別的科考數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上其包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)的個(gè)數(shù)、名稱、類型以及約束條件不同.當(dāng)系統(tǒng)增加新的科考數(shù)據(jù)時(shí)，用戶只需設(shè)定該科考數(shù)據(jù)中每一數(shù)據(jù)項(xiàng)的名稱、類型以及約束條件(見圖1).當(dāng)用戶進(jìn)行科考數(shù)據(jù)錄入操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)各數(shù)據(jù)項(xiàng)值的合法性(即是否滿足數(shù)據(jù)項(xiàng)的約束條件)，并自動(dòng)將各數(shù)據(jù)項(xiàng)的值一一對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中(見圖2)，完成從科考數(shù)據(jù)格式的自定義到數(shù)據(jù)錄入的新增科考數(shù)據(jù)操作過程.以“淺鉆采樣”為例，完整的數(shù)據(jù)格式包括數(shù)值型(長度、深度、重量等)、時(shí)間型(入水時(shí)間、著地時(shí)間等)、文本型(樣品描述等)，如圖3所示.一個(gè)完整的科考數(shù)據(jù)就是將每一個(gè)特定數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)項(xiàng)動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展式地組合在一起，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多源科考數(shù)據(jù)的可擴(kuò)展管理.

圖1 科考數(shù)據(jù)格式自定義流程圖Fig.1 Flow chart of expedition custom data formats

圖2 科考數(shù)據(jù)錄入流程圖Fig.2 Flow chart of expedition data input

圖3 “淺鉆采樣”科考數(shù)據(jù)記錄表Fig.3 “Shallow drilling”expedition data record table

基于數(shù)據(jù)自定義存儲(chǔ)的多源科考數(shù)據(jù)可擴(kuò)展管理方法可以合理高效地存儲(chǔ)和管理多源科考數(shù)據(jù).針對(duì)每種類型的科考數(shù)據(jù)，用戶無須事先手動(dòng)創(chuàng)建科考數(shù)據(jù)屬性記錄表，在科考過程中可借助系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建相應(yīng)的滿足當(dāng)前科考數(shù)據(jù)的屬性記錄表，同時(shí)可按需調(diào)整已有科考數(shù)據(jù)屬性記錄表的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，具有較好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性，由此可降低系統(tǒng)開發(fā)和后續(xù)維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的開發(fā)效率.

2.2 多源科考數(shù)據(jù)可視化管理方法

基于數(shù)據(jù)自定義存儲(chǔ)的多源科考數(shù)據(jù)可擴(kuò)展管理方法有效解決了由于科考數(shù)據(jù)的格式不確定所引起的系統(tǒng)適應(yīng)性和擴(kuò)展性差等問題.然而，為了滿足工作人員豐富高效的空間操作需求，需要將具有空間屬性的原始科考數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)顯示在地圖上.由于地圖只可顯示具有空間索引的空間對(duì)象信息，因此需借助空間數(shù)據(jù)地理抽象手段，將原始科考數(shù)據(jù)抽象成具有空間索引的空間對(duì)象，再進(jìn)行地圖的顯示與空間操作.傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)地理抽象方法是人為地將具有空間屬性的數(shù)據(jù)與空間對(duì)象逐一關(guān)聯(lián).但是，科考數(shù)據(jù)具有多源性，采用傳統(tǒng)方法將消耗巨大的時(shí)間成本，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度，如果借助于獨(dú)立的第3方工具，將增加系統(tǒng)使用的復(fù)雜度和耦合度.另一方面，科考數(shù)據(jù)具有動(dòng)態(tài)性，系統(tǒng)中存儲(chǔ)的科考數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)由用戶自定義生成，無法事先確定相應(yīng)的空間索引，亦無法統(tǒng)一有效地將具有空間屬性的科考數(shù)據(jù)抽象成相應(yīng)的空間對(duì)象.

自動(dòng)地理抽象是自動(dòng)地將具有空間屬性的原始數(shù)據(jù)抽象成相應(yīng)的點(diǎn)、線、面的空間對(duì)象.當(dāng)工作人員自定義科考數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)時(shí)，需要指定當(dāng)前類別的科考數(shù)據(jù)是否具有空間屬性信息，如有，則在數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)中插入對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間屬性的數(shù)據(jù)庫表的字段.當(dāng)工作人員進(jìn)行自動(dòng)地理抽象時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)提取科考數(shù)據(jù)屬性記錄表中對(duì)應(yīng)的空間屬性信息，并抽象成具有空間索引的空間對(duì)象.

基于自動(dòng)地理抽象的多源科考數(shù)據(jù)可視化管理方法，可以統(tǒng)一有效地將具有空間屬性信息的原始科考數(shù)據(jù)屬性記錄抽象成具有空間索引的空間對(duì)象.用戶可以通過空間索引對(duì)相應(yīng)的地理抽象后生成的空間對(duì)象進(jìn)行屬性查看、空間檢索等基于地圖的空間操作.多源科考數(shù)據(jù)可視化管理方法滿足了科考數(shù)據(jù)空間顯示、空間檢索等空間操作需求，為多源科考數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)上的準(zhǔn)備工作.

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于.Net平臺(tái)，采用B/S架構(gòu),設(shè)計(jì)與開發(fā)了西南印度洋多源科考數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server和空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE存儲(chǔ)和管理多源科考數(shù)據(jù)，同時(shí)利用ArcGIS Server可視化組件實(shí)現(xiàn)多源科考數(shù)據(jù)的可視化空間操作.

3.1.1 科考數(shù)據(jù)自定義存儲(chǔ)

本文的數(shù)據(jù)庫采用SQL Server提供的數(shù)據(jù)表空間管理模式，將各個(gè)類別的多源科考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的數(shù)據(jù)表空間，對(duì)多源科考數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)和管理(見圖4).通過自定義不同屬性數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)科考數(shù)據(jù)自定義存儲(chǔ)，可有效存儲(chǔ)和管理不同類別的科考數(shù)據(jù).

圖4 多源科考數(shù)據(jù)庫表空間分類Fig.4 The spatial classification of multi-source expedition data

3.1.2 科考數(shù)據(jù)自動(dòng)地理抽象

結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL Server和空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE完成多源科考數(shù)據(jù)的自動(dòng)地理抽象，將保存科考數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)庫抽象成對(duì)應(yīng)的具有空間對(duì)象的空間數(shù)據(jù)庫(見圖5).空間對(duì)象具有點(diǎn)、線、面形式，并且科考數(shù)據(jù)可能包含點(diǎn)屬性、線屬性、面屬性中的一個(gè)或多個(gè)屬性信息.系統(tǒng)自動(dòng)地理抽象時(shí)，需要事先獲取對(duì)應(yīng)的點(diǎn)、線、面的自動(dòng)地理抽象順序，并選擇需要地理抽象的科考數(shù)據(jù)屬性表.

圖5 屬性數(shù)據(jù)庫到空間數(shù)據(jù)庫的地理抽象Fig.5 Geographic abstraction of attribute database to spatial database

3.1.3 科考數(shù)據(jù)空間操作

ArcGIS Server是用于構(gòu)建集中管理、支持多用戶的企業(yè)級(jí)GIS應(yīng)用平臺(tái).本文基于ArcGIS Server組件，將科考數(shù)據(jù)自動(dòng)地理抽象生成的空間對(duì)象以圖層的形式疊加顯示在地圖上，以實(shí)現(xiàn)多源科考數(shù)據(jù)的可視化空間操作.

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)已應(yīng)用于西南印度洋多金屬硫化物科學(xué)考察數(shù)據(jù)管理項(xiàng)目，為該項(xiàng)目的科考數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理以及可視化空間操作提供服務(wù)(見圖6和7).實(shí)踐證明，西南印度洋多源科考數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠合理、高效、統(tǒng)一地存儲(chǔ)和管理多源科考數(shù)據(jù)，讓工作人員能更加方便、快捷地對(duì)多源科考數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化空間操作，從而很好地適應(yīng)和滿足了未來科考發(fā)展的需求.

圖6 西南印度洋多源科考數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)科考數(shù)據(jù)(沉積物)錄入/查看功能界面Fig.6 Scientific data(sediment) entry/view function interface of multi-source expedition data management system of southwest Indian Ocean

圖7 西南印度洋多源科考數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的空間操作主界面Fig.7 Space operation main interface of multi-source expedition data management system of southwest Indian Ocean

4 結(jié) 語

在全面深入地分析多源科考數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究了多源科考數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和可視化方法，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)技術(shù)和空間信息管理技術(shù)，提出了一套多源科考數(shù)據(jù)管理方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大洋科考多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理以及可視化空間操作.將本文研究的多源科考數(shù)據(jù)管理方案應(yīng)用于西南印度洋多金屬硫化物科學(xué)考察數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，統(tǒng)一組織和管理沉積物、硫化物等不同類別的科考數(shù)據(jù)，適應(yīng)了不同數(shù)據(jù)格式的要求，同時(shí)采用自動(dòng)地理抽象方法將屬性數(shù)據(jù)抽象成空間對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了多源科考數(shù)據(jù)的可視化空間操作.結(jié)果表明，多源科考數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，滿足了實(shí)際項(xiàng)目以及未來科學(xué)考察發(fā)展的需要，可為海洋資源的合理保護(hù)和開發(fā)提供服務(wù).

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Extensible management system with the multi-source expedition data of southwest Indian Ocean.

CHENG Yuliang, SU Cheng, ZHANG Xiaocan

(InstituteofSpatialInformationTechnology,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

To meet the demands of future development of dynamic and diversified scientific explorations, based on the comprehensive analysis on the characteristics of multi-source survey data, a scheme for managing multi-source survey data is proposed with the support of advanced SQL Server database management system and spatial database engine ArcSDE. We set up the Southwest Indian Ocean polymetallic sulfide scientific data management system, which facilitates the unified storage and management of multi-source survey data with visualized spatial operations. The system has good adaptability and extensibility, and satisfies the requirements of practical applications.

southwest Indian Ocean; multi-source expedition data; spatial database engine (ArcSDE); database management system (SQL Server)

2015-12-17.

成玉良(1989-)，ORCID：http://orcid.org/0000-0001-9298-688X，男，碩士，主要從事地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究，E-mail: chengyuliang0821@126.com.

10.3785/j.issn.1008-9497.2017.04.016

TP 391

A

1008-9497(2017)04-493-06

Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2017,44(4):493-498