“華北克拉通破壞”重大研究計劃共享數據庫系統設計＊

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的地質和地球化學觀測等項目，開展對華北克拉通破壞有關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據，這些地球科學數據是認識華北克拉通形成、演化理論的基礎與根據。因此，自然基金委借鑒國際上重大研究計劃建立相應數據中心的經驗，在該計劃開始之初提出建立共享數據庫系統，安全科學地管理這些寶貴的數據［1］。通過共享數據庫系統的建立，實現數據的共享，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，隨著大型數據庫技術、Web－GIS技術以及計算機網絡技術的發展，為數據庫建設和數據共享提供了更加安全、有效、快捷的技術支撐。如GIS技術對具有空間屬性的數據圖形化表達，可以為用戶提供更優質的服務，在數據庫設計時可以充分利用相關技術［4－6］。另外，大型存儲等設備的更新換代，也為海量數據的集中管理和服務提供了更好的條件。但數據量的增長對數據庫系統和數據服務都提出更高的要求，因此，充分利用先進技術進行合理的數據庫系統設計極其重要。

1 數據結構與建庫

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、地質和地球化學等觀測研究 ，數據類別繁多，數據量大，其中流動臺陣地震觀測數據量最大，數據量達到幾個TB。因此，需要根據不同種類數據及其結構特點進行劃分，按照相關專業規范建立相應的數據庫。一般而言，根據數據結構特征可以把數據分為結構化數據和非結構化數據，結構化數據是數據之間具有一定的關系和條理性的數據體，可以用標準化的數據庫表進行管理。如天然地震數據中臺站、通道、儀器響應等信息數據，需要根據國際標準交換格式SEED 建立庫表；人工探測數據的觀測點、炮點等信息數據需要根據國際SEGY 格式相關要求建立數據庫結構，而涉及的地質、地球化學等巖石采樣及測定數據根據相關標準建立結構化的數據庫。非結構化數據是指不能夠用關系數據庫結構進行分類描述的數據，主要包括文檔資料數據和一般數據表格文檔數據，對可以通過提取關系屬性信息進行結構化的管理的數據，形成結構化的數據或索引，對于無法提取關系結構的部分數據使用文檔庫進行管理。其中數據量最大的天然地震觀測數據以及人工探測數據的地震波形數據體，采用了標準格式的文件系統進行管理和存儲，通過結構化的索引進行管理。

2 系統架構設計

依據“華北克拉通破壞”重大研究計劃共享數據庫系統在數據建模、數據匯集、數據分析處理與產品生成、數據圖形化展示及GIS導航、數據共享、數據管理、數據存儲備份、門戶網站、用戶管理與權限認證等方面的功能需求，采用Oracle大型數據庫技術，結合新的GIS技術對整個數據庫系統進行了架構設計。

2.1 系統架構

設計的“華北克拉通破壞”重大研究計劃共享數據庫系統整體架構由“一個數據庫、一個門戶、兩個系統支撐平臺、四個專業應用”構成（圖1）。一個數據庫包括采取獨立數據庫、獨立用戶、獨立表空間的方式管理的四類數據，主要有地震數據（包括天然地震和人工探測數據）、地質數據、地球化學數據和系統支撐數據，這些專業數據、用戶與權限以及系統運行所需要的支撐數據通過數據庫進行系統管理。經專業應用、數據交換與共享應用、GIS地理信息系統應用、數據有效性保障應用四個專業應用，在系統權限管理平臺和系統運營管理平臺兩個系統支撐平臺支撐下保證共享數據系統門戶的運行。

圖1 系統整體架構示意圖

2.2 系統功能模塊

根據系統架構設計，共享數據庫系統功能從邏輯上可以分為系統支撐功能部分、地震等相關數據管理功能部分、用戶及權限管理功能部分、有關數據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任務（圖2）。根據具體承擔的任務劃分，功能模塊主要包括系統管理、數據管理、權限管理、數據共享、Web GIS、信息發布等主體模塊，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。如數據共享模塊包括流動臺、固定臺的連續波形和事件波形數據共享服務、人工地震探測數據、地質與地球化學數據共享服務，及其有關的數據處理格式轉換等程序子模塊。共享數據庫系統共設計有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 系統功能邏輯模塊基本構成圖

3 系統開發技術體系

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

圖3 程序開發設計架構圖

4 結語

針對“華北克拉通破壞”重大研究計劃有關觀測數據的類型和特點，結合在數據管理和共享以及系統整體性能方面的實際需求，對共享數據庫系統進行了整體設計。系統設計充分利用了大型Oracle數據庫和Arc GIS等計算機新技術，通過對數據庫層、系統與專應用層合理設計，采用成熟的B/S結構和J2EE的MVC 三層架構模式，結合Flex和RIA 新技術和理念，選用Java語言進行開發。這些計算機新技術的應用，保證了已建成的共享數據庫系統數據管理和共享服務功能的實現，同時系統具有高開放性和高可維護性，客戶端方面表現力、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.地球數據是地球科學創新的重要源泉—從地球科學談科學數據共享.中國基礎科學，2003（1）：19－23

［4］王卷樂，游松財，謝傳節，等.面向Web的地學數據共享服務平臺架構設計.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的空間數據共享解決方案.科技導報，2004（3）：17－20

［6］歐少佳，許惠平，陳華根，等.中國巖石圈數據模型總體設計.地球學報，2005，26（3）：265－270