基于ArcSDE皖北煤礦應急救援數據庫平臺研究

白洪偉，吳滿意

（1.宿州學院 安徽省煤礦勘探工程技術研究中心，安徽 宿州 234000；2.國家測繪地理信息局第一地形測量隊，陜西 西安 710054）

應急平臺的最主要部分為公共安全科技，以信息技術、應急管理流程為支撐，以軟件硬件相結合的方式服務于突發公共事件應急保障技術系統，是實施應急預案的有力工具.應急平臺是個工具，是塊黑板.例如當煤礦災害發生后，氣象部分會預報未來降水情況，國土資源部發布災害區有關關山體滑坡情況，煤炭相關部門會組織救援行動，但各個專業部門只能將各自領域分頭向上級部門匯報，而應急平臺能夠起到“黑板”的作用，將各方意見進行集納.在將相關數據輸入應急平臺并啟動綜合研判分析模型后，平臺就充當了“大腦”功能.它能得出讓人一目了然的綜合研判結果，其中包括災害基本情況，可能發生的次生災害，災害影響范圍及程度，需要啟動的專項、部門、地方應急預案，參與應急處置的單位及職責，應急救援所需要的隊伍、物資、裝備、資金，目前部門和地方已有的物資情況及地理分布等，這些分析結果以直觀的專題地圖、數據表格等形式展現在“黑板”上.同時針對這些分析結果，平臺能給出幾套應急方案.滿足平戰結合，貫穿應急管理全過程.當前，在全國范圍內，各個部門，機構都在對應急救援平臺進行研究，并建立相應的應急救援平臺，一臺災害、事故、災難即將發生、正在發生，應急救援平臺立即啟動，可以對救援工作進行指導作用，使得救援工作有序、合理、及時、有據可依的進行.以安徽省宿州市祁縣鎮祁東煤礦為例,介紹了建立煤礦安全應急救援空間數據庫的基本技術，實現了空間信息的可視化查詢，能夠較好地提高煤礦安全應急救援的工作效率.

1 ArcSDE空間數據引擎

1.1 空間數據庫引擎

空間數據庫引擎簡稱SDE是借助關系型數據庫管理空間數據的一個中間件技術，其利用現有的關系數據庫本身的功能，通過加入一個空間數據列在現有的數據表中，對于與之相關聯的空間數據用戶可以管理和訪問.通過空間索引機制，SDE將空間數據和其屬性數據一體化存儲在商業大型數據庫中.實現對空間數據和與其相關聯的屬性數據高效率的操作.由于SDE沒有專用的數據庫，它管理空間數據是通過與商業數據庫管理系統的集成來實現的[1-3].這種集成的方式可以分為兩種：與傳統關系數據庫管理系統的集成，與對象—關系型數據庫的集成.

1.2 ArcSDE體系結構

ArcSDE對空間數據與屬性數據采用一體化的存儲和管理，可以存儲和管理海量、多源空間數據.ArcSDE通過三層結構（RDBMS服務器，ArcSDE服務器和客戶端）來完成對數據的存儲和操作.

(1)RDBMS服務器：RDBMS服務器管理著所有數據庫訪問的內容.用戶瀏覽或者修改數據的權限也是由RDBMS驗證的，并輸入的SQL語句進行解釋，提供一個環境來進行事務處理.

(2)ArcSDE服務器：為RDBMS解釋空間數據正是ArcSDE服務器的任務，客戶端對數據端的請求是通過ArcSDE來轉換為SQL語句的，對于存儲在數據庫表中的幾何數據使得RDBMS能讀寫.

(3)ArcSDE客戶端:在客戶端，向ArcSDE服務器發出請求是通過用戶輸入命令或者操作圖形控制器來實現的，繼而獲取數據用來顯示、分析或者裝入新數據.

1.3 ArcSDE對空間數據的存儲方案

SDE組織與存儲的模式是將空間數據加載在數據庫中，對于現有的關系型數據庫不改變也不影響.只是加入圖形數據項對應于現有的數據表中.通常情況下，SDE采用二進制方案來對空間數據的存儲.ArcSDE通過空間元數據(GeometryMetadata)的管理、創建和訪問，保存空間數據列的屬性與行為.在ArcSDE中，主要通過SPATIAL_REF_SYS、GEOMETRY_COLUMNS與LAYERS，這三張表對空間元數據進行管理.

1.4 ArcSDE對矢量數據的存儲和管理

缺省情況下，ArcSDE使用壓縮的二進制格式來存儲要素的幾何圖形，一個壓縮的二進制要素類由商業表，特征表，空間索引表組成.ArcSDE 對所有的圖層建立了層表(Layertable),其中,每條記錄對應一個圖層,其中記錄了如下信息:所有者、對應表名、空間數據列名稱、空間索引大小、包絡矩形(MBR)等[4-6].

ArcSDE主要通過商業表來管理屬性數據和空間數據之間的連接，通過層表（Layertable），特征表和空間索引表在關系數據庫管理系統（RDBMS）中存儲和管理空間數據.對于用戶來說，特征表和空間索引表是不可見的，空間數據的存儲和管理是通過對層表和商業表的讀寫操作實現的.

1.5 ArcSDE對柵格數據的存儲和管理

(1)柵格數據表,在ArcSDE中，柵格數據集的存儲方式與它存儲壓縮二進制要素類的方式類似，ArcSDE數據庫加載柵格數據時，ArcSDE增加一個柵格列（一個表只允許一個柵格列）在創建的商業表中，同時創建柵格波段表，柵格分塊表，柵格輔助表，柵格表和柵格元數據表.

柵格數據的元數據被存儲在柵格元數據表中，在ArcSDE中，用唯一標識碼標識每一幅柵格數據，其實列Raster columnsID存儲著這些唯一標識碼，Tablename列存儲著柵格數據的商業表名.底層的柵格數據表與商業表相互關聯是通過IMAGE列中的唯一標示符來實現.

(2)ArcSDE對柵格數據的組織,ArcSDE對于柵格數據主要有兩種組織形式：無縫鑲嵌(柵格集)和柵格編目(柵格目錄).

無縫鑲嵌(柵格集)是將兩景或多景映像融合為一個無縫的柵格數據集，根據各影像加載時的順序影像重疊部分會由后加載的影像修改、覆蓋先前加載的影像.客戶端得到的是一個無縫的柵格鑲嵌圖是無縫鑲嵌的好處，因此用戶訪問時不需要分別打開組成鑲嵌圖的各個柵格數據集，只要打開一個柵格數據集就可以了.

柵格編目(柵格目錄)不必將柵格圖鑲嵌，其組織形式在一個無縫的柵格圖中顯示多景影像.柵格編目實質上其實是一張表，各柵格數據的空間范圍和它們的名稱被記錄在這張表中.因此，一個大的數據集被模擬成柵格編目，用戶訪問這個大的數據集時它也指向所需要的柵格分塊，是客戶端返回的.相同的空間參考，對于柵格編目來講是不需要的.

(3)柵格數據的優化組織,柵格數據都有很大的數據量，在實際應用中快速瀏覽和檢索是我們必須要解決的問題，因此需要優化組織這些大數據量的柵格數據.柵格數據分塊和建立影像金字塔是典型的柵格數據組織優化措施.

2 煤礦應急救援數據庫設計

2.1 系統需求分析

煤礦應急救援平臺數據庫設計主用包括以下三個方面的應用需求：

(1)海量數據入庫以及及時更新需求：數據的規范化，標準化，入庫前的數據必須轉換到統一的編碼體系、統一的數據格式、統一的空間參考上；數據應該有優良的現勢性，數據入庫的同時要考慮數據及時更新的問題.

(2)空間數據的管理需求：煤礦應急救援平臺數據庫是一個空間數據庫，空間數據庫的一個首要特點是存儲和管理以圖幅為單位的數據.以便產品分發，為此，本數據庫的數據也是存儲和管理以圖幅為單元的數據，同時為了保障有效地組織及高效的管理這些數據，要把分幅的數據組織成一個整體，而且邏輯上要無縫的，同時在垂直方向上，通過一致的空間參考能夠相互套合和疊加各種數據.在數據庫的后期工作中，應需注意數據的安全，包括數據庫運行安全與數據恢復備份等，同時注意歷史數據的管理與更新.

(3)應用服務需求分析：數據庫主要是為救援指揮部的救援指揮決策提供服務的，一方面為救援指揮部提供最基礎的數據顯示，包括：空間數據的顯示、漫游、查詢、統計、分析、符號化和制圖輸出，以及救援隊自身數據的查看；另一方面是為輔助決策支持軟件提供數據支撐.

2.2 數據庫概念設計

把用戶的需求加以解釋，并抽象成概念模型.概念模型是現實世界到信息世界的抽象，既獨立于集體的信息內容（不涉及具體數據），也獨立于信息系統的實現方式.GIS數據庫概念設計是從獨立于數據庫軟硬件的抽象層次上進行數據組織和設計，以保證數據庫內完整、組織合理和便于應用.

煤礦應急救援平臺數據庫主要存放某煤礦的空間數據和以礦區輔助的統計數據為主的屬性數據.空間數據庫存放1:1000的某市政區信息、1：500某煤礦礦區信息、某煤礦專題圖信息、某煤礦的DEM數據、航空影像圖、遙感影像圖和多媒體數據等；屬性數據庫存放整個煤礦區的統計數據和某市與煤礦相關的輔助數據等.

2.3 矢量數據邏輯設計

本數據庫采用GeoDatabase通過空間要素集（Feature Dataset）、空間要素類（FeatureClass）和空間要素（Feature）三級模型組織矢量地圖數據.空間要素類，比如：建筑物、河流、主干道、礦區等，對應了RDBMS中的表，具體的一個要素（Feature）是表中的一條記錄.具有共同空間參考的一組空間要素類又可以組成更大的結構，稱要素數據集合（Feature Dataset）.

2.4 柵格數據邏輯設計

柵格影像數據庫：用于管理和存儲與煤礦應急救援相關的各種遙感影像數據、DEM、DRG等柵格數據的柵格影像數據庫.

柵格數據集：按照影像礦區名、影像拍攝時間等分區的不同定義的，把具有相同空間參考的，這些柵格數據類的集合，是影像數據劃分的主要邏輯單元，作為影像數據庫中的影像目錄來管理數據.

柵格數據層：柵格影像數據庫存儲管理柵格影像數據的基本邏輯單元是柵格數據層，每個柵格影像圖層可以使單波段柵格影像或者多波段的柵格影像.

波段：一定波段范圍的影像數據用波段記錄，單波段影像與DEM影像被看作單波段影像，多波段影像如SPOT、TM、QuikBird、IKONOS彩色數據，在一個柵格圖層中存儲管理多波段的影像數據.

調色板：每個波段影像在顯示時被指定的彩色映射表，一個波段有多個調色板，如DEM數據可以采用不同的調色板表達坡度、高程、坡向數據等.

2.5 數據庫物理設計

ArcSDE中的矢量數據是作為Shape存儲的，一個Shape可以使一個點、一條線、一個面，一個Shape是地圖上的一個對象，每個Shape有獨立的屬性，例如道路名稱，居民地等.

在ArsSDE中，柵格數據存儲為SQLServer的諸關系表，這些表主要包括SDE系統用戶方案下的柵格元數據表(Rastercolumnstable)、用戶方案下的業務表(Businesstable)和4個輔助表：柵格表 (Rastertable)、柵格波段表(Raster bandtable)、柵格輔助表(Rasterauxiliarytable)、柵格分塊表(Rasterblocktable)，以及它們的索引.這6個表中，柵格分塊表是真正存儲影像像元值的，因此記錄數最多，記錄數的多少與ArcSDE的存儲參數有關.

2.5.1 磁盤分配設計

數據庫文件一般都存儲在磁盤上，因此磁盤的分配布局和優良使用也是很重要的.磁盤分配布局的目標是：數據庫性能的實現不能被磁盤性能阻礙，數據庫磁盤專用于數據庫文件，否則數據庫將會受到非數據庫的影響，而且是不可預測的影響；系統硬件和鏡像都要滿足性能和恢復的要求，磁盤的I/O和大小應該是數據文件I/O和大小的上限，沒有不能恢復的數據庫，在后臺進程之間的競爭應該達到最小化.

在規劃磁盤分配時要注意：首先使用的磁盤容量，有時用一個大的磁盤可能比多個容量小的磁盤的效果要差，因為能進行級別更高的并行I/O操作；其次磁盤的速度，可以考慮使用合適的文件系統作為數據文件.

2.5.2 SDE參數優化設計

①空間數據和SDE系統表空間分離

獨立于SDE表空間，建立IMAGE、SBDT、DXT三個獨立的表空間，分別用于存儲遙感影像(包括DEM)、煤礦應急救援專題地圖和基礎地形圖.

②空間數據表空間和索引表空間分離

獨立于空間數據的表空間，單獨建立空間索引表空間IDXRASTER、SINDEX，分別用戶存儲影像數據的索引和存儲矢量地圖的索引，以提高空間數據檢索的效率.

3 煤礦應急救援平臺數據庫管理系統

煤礦應急救援平臺數據庫管理系統是煤礦應急救援平臺數據庫建設的核心，目的在于實現數據庫的建立、使用和維護，根據系統研制的目標來設計功能模塊，并規劃各個組成部分及系統的規模以使系統能更好的管理和維護數據庫.依據安徽省宿州市祁縣鎮祁東煤礦應用需求及各種資料數據開發系統.

(1)文件管理模塊：對用戶信息進行管理和修改，加載數據等.

(2)數據入庫與查詢：主要的功能是空間數據和表數據的入庫，并顯示圖形數據和屬性數據.

(3)數據管理模塊：該模塊分為空間數據管理和表數據管理，空間數據管理是對己入庫的空間數據進行圖形數據和屬性數據的編輯工作，表管理主要實現表中的數據刪除、更改、添加的功能.

(4)符號編輯模塊：自定義點、線、面圖片格式的符號.

(5)地圖輸出：對已編輯的圖片輸出為柵格格式和矢量格式.

(6)空間分析模塊：包括緩沖區分析、距離量算、面積量算等.

(7)元數據：描述煤礦應急救援平臺數據的相關信息.包括：煤礦應急救援資料表、數據質量表、空間參考信息、字段信息.

4 結論

煤礦安全應急救援工作在煤礦安全應急中占有重要地位，其工作的及時成效直接影響人民生命的救助.筆者對當前煤礦應急救援工作的現狀做了分析，針對煤礦災害在實施救援工作時遇到的困難提出了建設煤礦應急救援平臺數據庫管理系統.分析和研究了ArcSDE空間數據庫引擎及煤礦應急救援平臺數據庫設計，雖然在數據的入庫方面做了一定的工作，但還是不夠，應在以后的學習工作中更為深入的研究.

〔1〕孟華,李曉東,韓敏,邢軍等.基于 GeoDatabase 和 ArcSDE的濕地GIS數據庫技術研究與應用實例[J].計算機應用研究,2005(10):184-187.

〔2〕劉洪岐,宮輝力.基于 ArcSDE 和 SQL Server2000的洪澇災害救助決策支持系統空間數據庫設計研究[J],首都師范大學學報,2008,29(2):65-71.

〔3〕秦琳.基于ArcSDE和Geodatabase的森林空間數據庫構建研究[J],林業調查規劃,2010,35(2):86-89.

〔4〕楊金玲,曹先革,劉璐璐.基于ArcSDE的數字城市規劃空間數據庫設計與實現 [J],測繪與空間地理信息,2010,33(4):16-18.

〔5〕李國慧.基于ArcSDE的人防地理信息系統數據庫設計[J].地理空間信息，2008,6(2):84-86.

〔6〕鐘世杰,陳鎖忠,姜許輝.基于ArcSDE的礦井水文地質數據庫構建研究[J],能源技術與管理,2008(5):108-110.