地震應急基礎數(shù)據檢查系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[1]

楊 斌 徐 博 高 翔

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地震應急基礎數(shù)據檢查系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[1]

楊 斌1，2）徐 博1，2）高 翔1，2）

1）山西省地震局，太原 030021 2）太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，太原 030025

地震應急基礎數(shù)據庫是震后災害快速評估及指揮決策的基礎，數(shù)據的質量直接影響著指揮決策的準確性、實用性。由于數(shù)據庫包含數(shù)據內容眾多，來源多樣，因此數(shù)據庫更新時，對數(shù)據進行檢查必不可少。本文以地震應急基礎數(shù)據庫為目標，研究了數(shù)據檢查內容及檢查方法，對數(shù)據庫檢查系統(tǒng)的整體架構、檢查模塊等進行了研究設計，并將之實現(xiàn)驗證。

地震 數(shù)據檢查 系統(tǒng)設計

前言

地震發(fā)生時地震應急指揮技術系統(tǒng)在地震應急基礎數(shù)據庫的支持下，可以迅速判斷地震的規(guī)模、影響范圍、經濟損失、人員傷亡等情況，并據此提出一系列科學的救災方案和調度方案，協(xié)助指揮人員實施各種地震救災行為，實現(xiàn)地震應急信息快速傳遞、高效處理，提高應急救災指揮與決策的技術水平，最大限度地減少震時的混亂和人員傷亡。地震應急基礎數(shù)據庫是整個系統(tǒng)的核心與關鍵，數(shù)據的質量直接影響著整個數(shù)據庫的性能。目前，地震應急基礎數(shù)據庫包含79類數(shù)據，其中空間數(shù)據52項，屬性數(shù)據27項。整個數(shù)據庫以地市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等行政區(qū)劃為基礎，其余空間數(shù)據和屬性數(shù)據與之對應關聯(lián)。空間數(shù)據的關聯(lián)主要通過經緯度的空間對應，屬性數(shù)據的關聯(lián)則主要通過編碼。由于系統(tǒng)計算的需要，空間數(shù)據與空間數(shù)據、空間數(shù)據與屬性數(shù)據、屬性數(shù)據與屬性數(shù)據之間有著眾多的關聯(lián)關系。

每年數(shù)據更新時，數(shù)據編碼的關聯(lián)性，屬性數(shù)據的準確性、完整性，空間數(shù)據拓撲關系的正確性，空間數(shù)據邏輯一致性等直接影響著系統(tǒng)產出的結果，都是數(shù)據檢查的重點。我國從20世紀80年代就開始了數(shù)據質量控制理論和標準化的研究工作，但大量的研究則是在90年代中后期開展，中國科學院測量與地球物理研究所、武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室等機構都在進行這方面的研究工作。目前的國內外各種研究機構以及地理信息企業(yè)在數(shù)據檢查手段上，基本采用在地理信息軟件平臺上的自主二次開發(fā)，以實現(xiàn)在不同軟件平臺上的基礎地理數(shù)據檢查。由于研究開發(fā)實力的參差不齊，各單位自主開發(fā)實現(xiàn)的檢查模塊質量上也存在差距。廣泛投入使用的基礎地理數(shù)據檢查模塊產品還很缺乏。現(xiàn)在的一些研究情況基本上都是針對各個城市的特殊數(shù)據而定制的檢查功能模塊。本文將通過研究數(shù)據檢查應遵循的原則及常用數(shù)據檢查方法，針對地震應急基礎數(shù)據庫，研究數(shù)據檢查規(guī)則方法及檢查內容，設計并實現(xiàn)地震應急基礎數(shù)據庫檢查系統(tǒng)。

1 數(shù)據檢查原則與方法

1.1 數(shù)據檢查原則

（1）方便性

數(shù)據檢查是一項繁瑣細致的工作，存在大量的重復性勞動，數(shù)據檢查軟件首要原則就是方便性，軟件應通過研究數(shù)據檢查的規(guī)則，進行標準化自動檢查，減少人工干預，降低人為操作可能帶來的錯誤率，使數(shù)據檢查更為高效化、自動化。

（2）實用性

數(shù)據檢查還應體現(xiàn)實用性，檢查過程應將數(shù)據的錯誤盡可能的顯示、輸出，方便數(shù)據處理人員找到及修改錯誤數(shù)據。同時應方便數(shù)據處理人員對數(shù)據進行標注、保存、導出修改后的正確數(shù)據等。

（3）合理性

合理性也是數(shù)據檢查應遵循的原則，數(shù)據檢查應做到合理、有序。檢查規(guī)則應全面合理，不能出現(xiàn)缺漏或自相矛盾的地方，同時檢查可分層或分類進行，每一類檢查對應一個檢查內容，使得數(shù)據處理人員清晰明白檢查思路及檢查步驟。

1.2 檢查方法

1.2.1 模板匹配法

模板匹配法可用于空間數(shù)據與屬性數(shù)據的屬性檢查，每個數(shù)據的屬性項由哪些項組成，每一項的定義都可以設計成標準控制模板規(guī)則表（范大昭，2001）。在本軟件數(shù)據檢查過程中，以地震應急基礎數(shù)據庫規(guī)范為標準文件制作標準模板規(guī)則表，將待檢查數(shù)據的屬性數(shù)據與標準模板規(guī)則表匹配，自動檢查不符合標準的數(shù)據，圖1表示的即為模板規(guī)則匹配法，圖2為模板規(guī)則示例。

圖2 模板規(guī)則表示例
Fig. 2 Representative cases of the template rule

1.2.2 用戶自定義規(guī)則

空間數(shù)據之間的關系包含了相交、重疊、包含等。這些關系不但存在于同一點、線、面圖層中，還存在于不同點、線、面圖層中。例如數(shù)據檢查過程中，既要檢查居民地要素之間不能相交、重疊等，也要檢查居民地圖層與水系圖層之間不能有相交、重疊等。除了這些檢查內容，還有一些用戶特定的檢查內容，可以通過用戶自定義規(guī)則來進行檢查。例如某一行政區(qū)內的地震監(jiān)測臺站，其經緯度范圍一般不會超過行政區(qū)劃范圍；某一區(qū)域內的高層建筑物面積不能超過房屋總面積等。

本軟件對空間數(shù)據及屬性數(shù)據的數(shù)據編碼檢查、空間數(shù)據的坐標、投影進行檢查將主要利用用戶自定義規(guī)則進行。

1.2.3 數(shù)據交叉檢查

有些數(shù)據錯誤單純的檢查某一單一數(shù)據表是無法發(fā)現(xiàn)的，需要將多張數(shù)據表進行疊加、交叉分析才能發(fā)現(xiàn)。例如，由于人工錄入或其他原因，屬性數(shù)據中經緯度所示位置可能和其屬性中標注的地名不符，這種錯誤單純檢查屬性表是無法發(fā)現(xiàn)的，需通過疊加行政區(qū)劃空間數(shù)據，交叉分析經緯度所在位置與屬性項標注位置是否一致；再如房屋屬性表中包含了各類型房屋面積及房屋總面積，單純檢查房屋屬性表很難確定這些數(shù)字是否正確，通過將房屋屬性表與人口表進行交叉分析可得到行政區(qū)劃內的人均住宅面積，使用者可對人均住宅面積制定合理范圍，超出范圍后，計算機自動報警顯示，通過人機交互最終確定數(shù)據是否正確。

本軟件對數(shù)據邏輯一致性檢查、數(shù)據合理性部分檢查將主要利用數(shù)據交叉檢查法進行。

1.2.4 人機交互檢查

由于數(shù)據的不確定性，在目前情況下，有時還需要將數(shù)據進行分析、計算，將結果顯示在計算機上，通過人工判斷其正確與否。例如可對數(shù)據進行統(tǒng)計分析，找出其中遠遠超過或低于平均值的數(shù)據，對其進行判斷；或者將新采集的數(shù)據與影像數(shù)據進行疊加顯示，從而檢查新數(shù)據的采集精度。

本軟件對數(shù)據合理性部分檢查將主要利用人機交互檢查法進行。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

地震應急基礎數(shù)據庫按照數(shù)據格式分，主要包含空間數(shù)據與屬性數(shù)據兩大類。整個數(shù)據庫以地市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等行政區(qū)劃空間數(shù)據為基礎，其余空間數(shù)據和屬性數(shù)據通過數(shù)據編碼與之對應關聯(lián)。因此數(shù)據的編碼正確與否是數(shù)據檢查的首要任務。對于數(shù)據庫，數(shù)據的合理性也十分重要。數(shù)據庫中的數(shù)據大多帶有自身的數(shù)據值，在數(shù)據收集時，某些專業(yè)數(shù)據的記錄方式和我們日常習慣不一樣，如果不經檢查，直接倒入數(shù)據庫，也會對系統(tǒng)的計算產出產生影響。所以通過對數(shù)據值本身的合理性檢查，可以初步檢驗數(shù)據的合理性。除數(shù)據編碼及數(shù)據合理性外，空間數(shù)據坐標是否符合規(guī)范要求、空間數(shù)據拓撲是否正確、數(shù)據的完整性、數(shù)據的邏輯一致性都是直接影響地震應急基礎數(shù)據庫使用的內容，也是我們檢查軟件設計的方向。

2.1 系統(tǒng)整體設計

根據系統(tǒng)目標及檢查內容，地震應急基礎數(shù)據檢查系統(tǒng)的總體結構如圖3所示。

（1）數(shù)據層。數(shù)據層由關系數(shù)據庫和基礎數(shù)據庫組成，其中關系數(shù)據庫用于存儲數(shù)據檢查的日志、檢查規(guī)則配置文件及系統(tǒng)文件。基礎數(shù)據庫用于存儲被檢查的空間數(shù)據及屬性數(shù)據。

（2）業(yè)務層。業(yè)務層包含了系統(tǒng)的各個檢查功能模塊，用以對被查數(shù)據的空間投影、空間拓撲、數(shù)據完整性、編碼關聯(lián)、編碼一致、數(shù)據合理性、邏輯一致性等進行檢查。

（3）表現(xiàn)層。即系統(tǒng)主程序界面，是與用戶交互的主界面，承載的系統(tǒng)的主要功能及數(shù)據加載、數(shù)據導出、日志查詢、版本顯示等功能。

2.2 檢查模塊設計

檢查模塊是整個系統(tǒng)的核心，其檢查效率及檢查結果正確性的高低，直接影響著整個系統(tǒng)的性能。整個系統(tǒng)的檢查模塊共有六個，如圖3業(yè)務層所示，各檢查模塊的檢查內容如下：

（1）數(shù)據編碼檢查

整個數(shù)據庫以地市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等行政區(qū)劃為基礎，其余空間數(shù)據和屬性數(shù)據與之對應關聯(lián)。空間數(shù)據的關聯(lián)主要通過經緯度的空間對應，屬性數(shù)據的關聯(lián)則主要通過編碼。空間數(shù)據與屬性數(shù)據、屬性數(shù)據與屬性數(shù)據之間的關聯(lián)關系主要依靠數(shù)據編碼實現(xiàn)，因此檢查數(shù)據關聯(lián)性就是檢查數(shù)據編碼之間的關聯(lián)性。地震應急基礎數(shù)據庫的數(shù)據編碼由14位數(shù)字組成，在數(shù)據庫中的數(shù)據類型為字符型（char），其代碼定義如圖4所示。

上圖所示代碼中，1－6位表示省、市、縣（市、區(qū)），采用《中華人民共和國行政區(qū)劃代碼（GB/T 2260-1995）》（中國國家標準化管理委員會，1995）中規(guī)定的代碼；7－9位表示鄉(xiāng)、鎮(zhèn)或街道辦事處代碼，采用《縣以下行政區(qū)劃代碼編制規(guī)則（GB 10114-88）》（中國國家標準化管理委員會，1989）的編碼方法（001－099表示街道辦事處，100－199表示鎮(zhèn)，200－399表示鄉(xiāng)）；10－12位表示行政村、街區(qū)（國家統(tǒng)計局行政村、街區(qū)代碼規(guī)則）或重點目標代碼（重點目標代碼本身占前兩位，第三位補0），13—14位表示自然村或重點目標的序號（聶高眾等，2002）。

數(shù)據庫以地市、區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等行政區(qū)劃為基礎，其余空間數(shù)據和屬性數(shù)據與之對應關聯(lián)，因此，行政區(qū)代碼的準確性就至關重要。在行政區(qū)代碼中，也存在關聯(lián)。區(qū)縣代碼需要和地市代碼關聯(lián)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)代碼需要和區(qū)縣代碼關聯(lián)、行政村代碼需要和鄉(xiāng)鎮(zhèn)代碼關聯(lián)（楊斌等，2011）。數(shù)據關聯(lián)檢查時，需先檢查行政區(qū)代碼，保證行政區(qū)代碼關聯(lián)正確。數(shù)據代碼關聯(lián)關系如圖5所示。

（2）數(shù)據合理性檢查

對于數(shù)據庫，數(shù)據的合理性也十分重要。壞數(shù)會大大破壞整個數(shù)據庫的穩(wěn)定性與可靠性，對整個應用系統(tǒng)的產出也會產生不利影響，降低系統(tǒng)產出結果的正確性。根據前文介紹的數(shù)據檢查方法，數(shù)據合理性檢查主要通過以下三個面進行：

①模板規(guī)則檢查數(shù)據項本身的合理性

數(shù)據庫中，每一類數(shù)據所包含的數(shù)據項，每一個數(shù)據項的數(shù)據類型、數(shù)據長度等都不相同，通過研究數(shù)據規(guī)范，定義模板規(guī)則，可實現(xiàn)自動檢查所有數(shù)據的類型是否正確，數(shù)據長度是否符合規(guī)定等。

②用戶自定義檢查數(shù)據合理性

數(shù)據庫中的數(shù)據大多帶有自身的數(shù)據值，例如人口數(shù)、房屋面積、最高氣溫等。在數(shù)據收集時，某些專業(yè)數(shù)據的記錄方式和我們日常習慣不一樣，如果不經檢查，直接倒入數(shù)據庫，也會對系統(tǒng)的計算產出產生影響。所以通過用戶自定義數(shù)據值的合理范圍（如圖6所示），可以初步檢驗數(shù)據的合理性。

③數(shù)據交叉檢查數(shù)據合理性

通過數(shù)據之間的交叉計算，可進一步檢驗數(shù)據的合理性。例如數(shù)據庫中人口數(shù)據可通過統(tǒng)計年鑒等渠道獲得，數(shù)據值較為準確，通過以下公式：

房屋總面積/行政區(qū)劃內總人口=行政區(qū)劃內人均住宅面積

得出人均住宅面積，可對房屋數(shù)據進行一定程度的檢驗。

（3）邏輯一致性檢查

邏輯一致性主要是檢查空間數(shù)據在地理數(shù)據關系上的一致性，數(shù)據定義的統(tǒng)一性。即在同一個數(shù)據庫內，空間數(shù)據的數(shù)據定義應該保持一致。例如，部分收集到的表格數(shù)據在依據其標識的經緯度進行空間化后，會出現(xiàn)所在空間位置與屬性中標識不一致的情況，通過邏輯一致性檢查，可發(fā)現(xiàn)此類錯誤。

（4）空間投影檢查

此模塊主要檢查待查空間數(shù)據的空間投影是否正確。地震應急基礎數(shù)據庫收集到的數(shù)據投影有北京54、西安80、WGS84、克拉索夫斯基等多種地圖投影，要想保證整個數(shù)據庫的正確性，需對空間數(shù)據的投影進行檢查糾正。尤其是公里格網人口、公里格網房屋等格網數(shù)據，不同的空間投影，會造成格網數(shù)據與其他數(shù)據疊加運算時，產生極大誤差，直接影響后續(xù)業(yè)務系統(tǒng)的正常運行。

（5）空間拓撲檢查

拓撲檢查是空間數(shù)據檢查的重點，空間數(shù)據中行政區(qū)劃等面域是否閉合，道路等線性數(shù)據連接是否正確，空間數(shù)據是否正確的表達了目標之間的領接、包含等關系。

（6）數(shù)據完整性檢查

數(shù)據完整性檢查主要檢查空間數(shù)據及屬性數(shù)據的屬性項是否完整，是否存在缺項，或每一項內是否有空缺數(shù)據等。

3 應用示例與結果分析

系統(tǒng)以Arcengine平臺和C#語言為基礎，同時結合數(shù)據庫日常運行維護實踐經驗，實現(xiàn)了地震應急基礎數(shù)據庫的數(shù)據編碼檢查、數(shù)據合理性檢查、錯誤提示、數(shù)據輸出等功能，如圖7所示。

用戶界面上方是菜單欄，可對檢查數(shù)據進行編碼檢查、合理性檢查、數(shù)據提取、數(shù)據合并等操作。用戶界面左下方是數(shù)據配置區(qū)域，主要進行待檢查數(shù)據、檢查報告、檢查結果數(shù)據的配置；用戶界面右下方是檢查過程描述區(qū)域，用戶可在此查看檢查的詳細過程。數(shù)據檢查過程示意如圖8所示。

軟件對數(shù)據的檢查結果主要是數(shù)據檢查報告及檢查后輸出的檢查數(shù)據庫兩個成果，示意圖分見圖9、圖10。檢查報告以excel表格的形式，記錄了被檢查數(shù)據的數(shù)據名稱、檢查類型、錯誤類型、錯誤數(shù)目等信息。檢查后輸出的檢查數(shù)據庫為mdb數(shù)據，并在數(shù)據庫的每個數(shù)據表后，新增ErrorType字段記錄錯誤類型，方便數(shù)據維護人員查找修改。

圖9 數(shù)據檢查報告示意圖
Fig. 9 Data Inspection report

通過軟件的實際使用發(fā)現(xiàn)，軟件完成了系統(tǒng)設計的目標，實現(xiàn)了對地震應急基礎數(shù)據庫的數(shù)據編碼、空間數(shù)據坐標、數(shù)據合理性等的檢查。但由于影響數(shù)據質量因素是多階段、多方面的，從數(shù)據獲取到數(shù)據處理到數(shù)據輸出都有數(shù)據誤差的產生和擴散，本軟件只是結合地震應急基礎數(shù)據庫規(guī)范，對數(shù)據編碼及數(shù)據合理性的部分內容檢查進行了探討。其中數(shù)據交叉檢查目前只涉及了房屋、人口等較少的數(shù)據，今后需要不斷擴展數(shù)據交叉檢查范圍，提升數(shù)據相互驗證能力。

4 結語

數(shù)據質量檢查是一項系統(tǒng)工程，檢查的結果直接影響著數(shù)據庫質量，地震應急基礎數(shù)據庫又是地震應急指揮技術系統(tǒng)的核心，數(shù)據庫的質量直接影響著震后災害快速評估與指揮決策的準確性、可用性。目前地震應急基礎數(shù)據庫含79類數(shù)據，數(shù)據來源的多樣性以及數(shù)據處理標準的不規(guī)范，使得數(shù)據檢查不能忽略。本文研究探討了數(shù)據檢查的原則及方法，結合地震應急基礎數(shù)據庫，設計了數(shù)據檢查軟件的系統(tǒng)目標、系統(tǒng)架構及檢查模塊。并通過制定標準模板規(guī)則、用戶自定義規(guī)則等，使系統(tǒng)的擴展性、靈活性增強，在實際應用中取得了較好效果，提高了地震應急基礎數(shù)據庫質量，為地震應急指揮技術系統(tǒng)產出質量的提升，打下了堅實的基礎。

范大昭，2001．數(shù)字地圖矢量數(shù)據檢查的研究與實踐．碩士論文，中國人民解放軍信息工程大學測繪學院，28．

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Design and Implementation of Basic Data Checking System of Earthquake Emergency

Yang Bin1, 2), Xu Bo1, 2)and Gao Xiang1, 2)

1) Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021, China 2) Taiyuan Continental Rift Dynamics National Field Scientific Observation and Research Station, Taiyuan 030025, China

Earthquake database is the basis for rapid assessment and command decision after hazardous earthquakes, and the quality of the data command decision directly affects the accuracy and practicality. Since the database contains a number of data contents and diverse sources, the data checking is essential when the database is updated. In this paper, we studied the data checking contents and methods based on the database of earthquake emergency response, including the overall structure and module of the database, validation and implementation.

Earthquake; Data check; System design

楊斌，徐博，高翔，2016．地震應急基礎數(shù)據檢查系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)．震災防御技術，11（1）：144—152．

doi：10.11899/zzfy20160116