基于C/S模式的海洋測深數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

梅賽，高金耀，趙鐵虎，楊春國，楊勇

（1. 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2. 青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；3. 國家海洋局第二海洋研究所 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

基于C/S模式的海洋測深數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

梅賽1,2，高金耀3，趙鐵虎1,2，楊春國3，楊勇3

（1. 國土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071；2. 青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071；3. 國家海洋局第二海洋研究所 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

隨著海洋調(diào)查數(shù)據(jù)不斷積累，如何對(duì)處于分散狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和整合，以提高數(shù)據(jù)利用效率和共享程度，成為“數(shù)字海洋”首先需要關(guān)心解決的問題。根據(jù)中國近海“數(shù)字海洋”信息基礎(chǔ)框架構(gòu)建的總體需求，按照“數(shù)字海底”“產(chǎn)品－航次－測線－點(diǎn)”的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)海洋測深基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。以此數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，開發(fā)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊。應(yīng)用該軟件對(duì)積累的多波束測深數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)多波束測深數(shù)據(jù)面向產(chǎn)品加工和基于數(shù)據(jù)庫的有效管理。

數(shù)字海洋；數(shù)據(jù)管理；多波束測深；ArcGIS Engine；ArcGIS GeoDataBase

1 前 言

自從20世紀(jì)90年代中國引進(jìn)多波束勘測儀器以來，多波束的應(yīng)用在中國得到迅猛地發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于大洋多金屬結(jié)核調(diào)查、近海大陸架調(diào)查、光纜路由勘測和河道的測量等。隨著測深數(shù)據(jù)量的急劇增長，如何對(duì)海量測深數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的存儲(chǔ)和管理，成為海洋信息技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

國外方面，加拿大Universal System公司開發(fā)的CARIS Bathy DataBASE軟件系統(tǒng)，將水深測量數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫環(huán)境下進(jìn)行管理[1-3]，但是難以滿足海洋研究開發(fā)和管理對(duì)地形、地球物理和地質(zhì)數(shù)據(jù)綜合管理和展示的需求。國內(nèi)方面，多波束測深技術(shù)在格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)濾波、數(shù)字地面模型構(gòu)建、誤差分析等數(shù)據(jù)處理方面取得了許多成果[4-9]，但對(duì)于多波束數(shù)據(jù)處理和管理，仍基本上基于文件的方式進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)多波束測深數(shù)據(jù)基于數(shù)據(jù)庫的更為有效管理，本文開發(fā)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)查詢模塊，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)庫批量導(dǎo)入和交互式查詢。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)分類和特點(diǎn)

“數(shù)字海底”建設(shè)的一個(gè)重要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)海底調(diào)查數(shù)據(jù)有效合理的存儲(chǔ)和管理以及滿足海洋領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用需求[10]，為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的就必須有一個(gè)較完善的數(shù)據(jù)體系。根據(jù)數(shù)據(jù)表達(dá)的內(nèi)容，本文將海底調(diào)查數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是指海上勘查階段所采集到的數(shù)據(jù)信息、輔助數(shù)據(jù)及其元數(shù)據(jù)信息；海洋調(diào)查采集到的原始數(shù)據(jù)通常不能直接拿來進(jìn)行海底特征的評(píng)價(jià)和分析，需要利用各種專業(yè)技術(shù)和方法進(jìn)行處理，生成能夠反映海底特征的成果數(shù)據(jù)；網(wǎng)格數(shù)據(jù)和各類成果圖件一般是各類調(diào)查項(xiàng)目驗(yàn)收的重要部分，我們將這類數(shù)據(jù)歸為數(shù)據(jù)產(chǎn)品。這3類數(shù)據(jù)按照一般用戶對(duì)“產(chǎn)品－航次－測線－點(diǎn)”的查詢方式進(jìn)行組織。

國家海洋局頒布的《海洋環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)》將多波束數(shù)據(jù)分為航次信息、測線信息、多波束成果水深表頭信息、多波束成果水深數(shù)據(jù)信息、多波束水深網(wǎng)格數(shù)據(jù)、聲速剖面表頭信息、聲速剖面數(shù)據(jù)信息、潮位表頭信息和潮位數(shù)據(jù)信息[11]。按照本文對(duì)海底調(diào)查數(shù)據(jù)的分類，其中的測線信息數(shù)據(jù)作為成果數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)都作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，海洋測深數(shù)據(jù)庫分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和成果數(shù)據(jù)庫，分別存儲(chǔ)測深基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)，對(duì)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，對(duì)于成果數(shù)據(jù)，則采用 ArcGIS軟件的面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)模型（GeoDataBase），通過空間數(shù)據(jù)庫引擎ArcSDE應(yīng)用服務(wù)器建立客戶端與數(shù)據(jù)庫的連接。用戶層分為3個(gè)部分，分別是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)查詢，用戶通過測深數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測深數(shù)據(jù)的解析和數(shù)據(jù)挖掘，為測深數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫做預(yù)處理工作；數(shù)據(jù)管理部分的功能是將標(biāo)準(zhǔn)化以后的數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，用戶在桌面客戶端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)的查詢和檢索。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig. 1 Overall system architecture

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程中綜合考慮3方面的需求：第一，充分考慮“數(shù)字海底”發(fā)展的需求，測深數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到數(shù)字海底的總體架構(gòu)；第二，從數(shù)據(jù)管理者的角度來說，需要為外界提供數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)方便對(duì)數(shù)據(jù)的管理、存儲(chǔ)和查詢。因此需要對(duì)航次信息和項(xiàng)目信息有較完備的體現(xiàn)；第三，滿足研究需求，不僅要為測深數(shù)據(jù)處理提供必要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如聲速剖面數(shù)據(jù)、潮汐數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)，同時(shí)為海洋學(xué)研究提供地形成果和產(chǎn)品數(shù)據(jù)（如離散點(diǎn)水深數(shù)據(jù)、網(wǎng)格地形數(shù)據(jù)等）。依據(jù)于以上3方面的需求，我們在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程中，提出“產(chǎn)品－航次－測線－點(diǎn)”的數(shù)據(jù)基本結(jié)構(gòu)，使得用戶可以根據(jù)這條主線，方便的查詢所需要的數(shù)據(jù)信息。多波束測深數(shù)據(jù)E-R如圖2所示。

圖2 多波束數(shù)據(jù)ER圖Fig. 2 Multi-beam data E-R diagram

3 主要功能模塊

3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)由于多波束數(shù)據(jù)采集時(shí)間、采集航次、采集儀器等不同，導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)文件名命名格式不統(tǒng)一，同時(shí)多波束原始數(shù)據(jù)信息量較多，且多以二進(jìn)制格式保存，這些都為基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理方式帶來困難。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的目的就是將不同格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)格式，具體的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化流程Fig. 3 Data standardization flow

從歷史多波束測深數(shù)據(jù)中獲取測線信息是一個(gè)數(shù)據(jù)挖掘的過程，在這個(gè)過程中生成標(biāo)準(zhǔn)測線文件，并且確定測線和原始數(shù)據(jù)文件的對(duì)應(yīng)關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)測線文件包含信息有：序號(hào)、測線名稱、起始時(shí)間、終止時(shí)間、起始經(jīng)度、起始緯度、終止經(jīng)度、終止緯度、航向、航速、長度、點(diǎn)數(shù)。如圖4所示，標(biāo)準(zhǔn)測線文件的生成過程包括：

i. 按照數(shù)據(jù)采集的起始與終止時(shí)間，規(guī)范原始多波束數(shù)據(jù)文件的文件名；

ii. 從原始數(shù)據(jù)中導(dǎo)出中央波束點(diǎn)的位置信息；

iii. 投影顯示中央波束點(diǎn)分布；

iv. 根據(jù)中央波束數(shù)據(jù)在的分布情況，確定每條測線起始與終止的位置信息和時(shí)間信息；

v. 根據(jù)測線起始與終止的位置信息和時(shí)間信息，對(duì)原始數(shù)據(jù)文件進(jìn)行自動(dòng)分割，使得分割以后的原始數(shù)據(jù)完全處于某條測線內(nèi)或者完全處于兩條測線中間的部分；

vi. 結(jié)合原始數(shù)據(jù)文件中包含的其他信息，獲取標(biāo)準(zhǔn)測線文件，同時(shí)確定測線和原始數(shù)據(jù)文件的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)測線文件處理流程Fig. 4 Standard measuring line file processing

3.2 數(shù)據(jù)庫管理

數(shù)據(jù)庫管理模塊的主要功能是將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)導(dǎo)入測深數(shù)據(jù)庫，對(duì)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入（如圖5所示），需要區(qū)分不同的數(shù)據(jù)類型，對(duì)于測線信息，將文本格式的航跡線記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為 ArcGIS GeodataBase 格式的線要素（如圖6所示）。

圖5 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fig. 5 Basic data import

圖6 航跡線生成Fig. 6 Track line generated

3.3 數(shù)據(jù)查詢

基于ArcGIS Engine海洋測深數(shù)據(jù)的查詢分為2個(gè)部分：區(qū)域查詢方式和測線查詢方式。區(qū)域查詢中，可以查詢感興趣區(qū)域的航次信息、聲速剖面信息（如圖7所示）和網(wǎng)格數(shù)據(jù)的相關(guān)信息。航次信息查詢顯示的是所選測線的相關(guān)航次信息，包括的信息：航次編號(hào)、航次名稱、項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、調(diào)查單位、首席科學(xué)家、測量船、測量區(qū)域、經(jīng)緯度范圍、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、出發(fā)港口、返回港口、導(dǎo)航軟件、定位精度、測量精度、傳感器、高程基準(zhǔn)、坐標(biāo)系統(tǒng)。還可根據(jù)需要，將查詢的航次數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出為文本格式的文件。

圖7 聲速剖面信息Fig. 7 Sound speed profile information

測線查詢中，可以查詢感興趣區(qū)域的測線信息、測點(diǎn)信息和測線對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)相關(guān)信息。對(duì)于感興趣區(qū)域的測線查詢方式如圖8所示，可查詢的信息包括測線信息、測點(diǎn)信息和原始數(shù)據(jù)信息。測線信息顯示的是所選測線的元數(shù)據(jù)信息，包括的信息：測線名、起點(diǎn)經(jīng)度、終點(diǎn)經(jīng)度、起點(diǎn)緯度、終點(diǎn)緯度、起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、公里數(shù)、航向、航速、測量點(diǎn)數(shù)、航次名稱。與所選測線相關(guān)的原始多波束數(shù)據(jù)文件元數(shù)據(jù)信息（如圖9所示）包括：起點(diǎn)經(jīng)度、起點(diǎn)緯度、終點(diǎn)經(jīng)度、終點(diǎn)緯度、起始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、文件名稱、文件存儲(chǔ)位置、文件格式、數(shù)據(jù)量。測點(diǎn)信息查詢的是所選測線所包含的測量點(diǎn)的信息（如圖10所示），包括：經(jīng)度、緯度、水深、測線名。

圖8 測線查詢方式Fig. 8 Measuring line inquiry mode

圖9 原始數(shù)據(jù)文件元信息Fig. 9 Original data file meta information

圖10 測點(diǎn)信息Fig. 10 Measuring point information

4 結(jié) 論

本文借助于ArcGIS的空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了海洋測深數(shù)據(jù)由基于文件的管理方式到基于數(shù)據(jù)庫的管理方式的轉(zhuǎn)變，有利于數(shù)據(jù)的共享和利用效率的提高。利用以上模塊對(duì)實(shí)測多波束數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和管理，實(shí)現(xiàn)了由成果數(shù)據(jù)到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢，以及由多波束測深原始數(shù)據(jù)到 ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫的無縫銜接。該方法有利于充分利用 ArcGIS強(qiáng)大的分析、管理和顯示功能，為在統(tǒng)一的ArcGIS環(huán)境下對(duì)海洋地質(zhì)、地球物理的綜合管理和分析打下基礎(chǔ)。

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A bathymetry data management system based on Client/Server Mode

MEI Sai1,2, GAO Jin-yao3, ZHAO Tie-hu1,2, YANG Chun-guo3, YANG Yong3

(1. Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resource and Environmental Geology, MLR , Qingdao 266071, China; 2. Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China; 3. Key Laboratory of Submarine Geosciences, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China)

With the accumulation of marine survey data, how to manage and integrate dispersed data effectively is becoming the primary problem of "Digital Ocean". According to the overall demand for information infrastructure framework of State "Digital Ocean" project, we designed and developed the marine bathymetry database with the"digital sea" "products-voyage-measure line-point" data structure. Based on this database, we developed data standardization module, database management module and the data query module. The effective management of multi-beam sounding data based on the database was achieved by using this software.

digital ocean; data management; multi-beam sounding; ArcGIS Engine; ArcGIS GeoDataBase

P229.1

A

1001-6932(2011)04-0361-06

2010-10-27；

2011-03-11

我國近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)（908-ZC-I-06；908-03-05-07）。

梅賽（1985—），男，山東濟(jì)寧人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟮刭|(zhì)。電子郵箱：meisai2000@163.com。