現代大地測量數據庫系統的研究與構建

王永尚，張 鵬，王孝青，孫占義

(國家基礎地理信息中心，北京 100836)

大地測量數據是國家測繪基準和測繪系統的具體體現，是國家基礎測繪信息所不可缺少的重要組成部分，在國民經濟建設、國防建設、民生服務中發揮著重要作用。如何科學管理測繪成果資料，并對外提供便捷、有效的測繪信息服務，是現代大地測量數據管理系統的重要功能。

隨著新的大地測量技術體系逐步形成，大地測量數據服務呈現出定位數據應用的實時性和大眾化的新特點。本文著重就現代大地測量數據庫系統的實時數據入庫管理、數據組成、體系結構和實現技術進行研究探討，旨在分析研究構建現代大地測量數據庫服務系統。

1 現代大地測量數據分析

1.1 數據實時性分析

大地測量數據庫主要存儲內容包括三角測量數據、重力測量數據、水準測量數據、衛星導航定位數據等，特別對全國衛星定位連續運行站每天24 h的1 s采樣(或50 Hz)實時數據集中存儲、管理、應用和服務，是現代大地測量數據服務新的特征。

1.2 數據實體建模分析

按照大地測量數據的內容特點，可將其歸納為觀測數據類、成果數據類、概要數據類和輔助數據類4類數據，將4類數據進行實體建模分析，如圖1所示。

圖1 數據建模分析

觀測數據是原始測量記錄，包括衛星定位連續運行基準站觀測數據、水準觀測數據、基準點和基本點的重力觀測數據、磁偏角控制點觀測數據等，這些數據結構化程度低，往往以文件作為應用粒度。

成果數據是根據觀測數據進行計算而獲得的結果，包括大地控制網點坐標成果、時間序列、速度場、高程測量成果、重力測量成果等，這些成果數據結構化程度高，應用粒度細。

概要數據描述GPS點、水準點、重力點的特征和概要信息，主要是一些站點信息、點位說明及說明性文檔文件等，這些文件規范化程度較低。

輔助數據為展現概要數據、成果數據、觀測數據的空間分布提供電子地圖、行政區劃，以及給出數據庫設計的數據字典等，可作為多類數據庫公用的輔助信息數據存儲。

2 基于數據庫DBFS技術的實時數據存儲結構設計

實時觀測數據組織主要針對全國衛星定位連續運行站實時數據，采用半結構與非結構化數據組織策略。實時觀測數據按照行政區、站址的組織分類方式，以數據文件為基本單元進行存儲。

半結構與非結構化數據組織策略是結合使用關系代數和面向對象方法，刻畫具有半結構與非結構化屬性的復雜實體結構，保證客觀實體描述的自然性、完整性。

將文件以二進制LOB存儲在關系型數據庫中的方式，雖然具有集群化、并行、并發、細粒度存取控制、事務完整性控制、透明壓縮和加密、生命周期管理支持、數據安全策略豐富等優勢，但與文件系統存儲管理文件方式相比，具有相當的性能劣勢。具有大量非結構化文件數據的系統，往往采用數據庫系統和文件系統并用的方式存儲管理數據資源，以犧牲數據庫優勢來彌補其文件數據存取性能的不足。

數據庫Oracle DBFS技術克服了數據庫管理系統存取LOB數據不足的劣勢，通過改善存儲機制，LOB數據存取性能已達到與文件系統相當的程度，甚至在一些情況下還有所提升；同時，為了支持現有應用系統對文件數據的存取，Oracle DBFS技術在實現數據庫應用接口訪問LOB數據機制的同時，還增加了LOB數據的文件系統應用接口。基于此，對于現代大地測量數據庫中衛星定位連續運行站實時的文件型數據，采用具有數據庫文件系統特定的DBFS技術進行存儲和應用支撐，如圖2所示。

圖2 基于DBFS的實時數據存儲結構

在DBFS中，Server為Oracle數據庫，文件存儲在表的一個SecureFiles LOBs字段里面。一個PLSQL存儲過程的集合，提供了訪問文件系統的基本操作，如create、open、read、write、ls。DBFS目錄庫允許每個數據庫用戶創建一個或多個文件系統，并且可以被clients使用。每個文件系統擁有專有的數據表，保證文件系統的內容。

Oracle DBFS在文件和目錄之上創建了一個標準的文件系統結構，并且將數據存儲在數據庫基表中。DBFS很像NFS，因為它提供了一個與本地文件系統相同的共享網絡文件系統，且與NFS一樣，由Server與Client組成，如圖3所示。

圖3 基于DBFS的實時數據訪問機制

3 結構化成果數據存儲結構設計

大地測量成果數據采用結構化數據組織策略，主要分為以下3類：

(1) 控制網基本屬性：控制網主要包括全國天文大地網、全國基準站整網平差網、國家GNSS大地控制網、2000國家GPS大地控制網、天文大地網與GPS2000大地控制網聯合平差網、高程控制網和重力控制網等信息，其屬性主要包括網名稱、等級、采用基準、覆蓋范圍、網概要信息等。

(2) 布測路線基本屬性：布測路線主要包括水準路線、GPS測量基線、相對重力測量基線等，其屬性主要包括路線名稱、起始點編碼、方向向量、方向向量中誤差、基線長度、基線相對中誤差、誤差橢球、基線段差等施測信息。

(3) 控制點基本屬性：控制點主要包括三角點、GNNN點、重力點和水準點等，其基本屬性包括控制點的點名、點號、點之記、位置坐標、高程、重力值、天線高信息等。

在大地測量數據建庫中，根據數據內容和對象類型的不同，結構化處理成果數據，并進行空間化、可視化處理，按照點、線、網分層管理。

以大地測量控制點為基本單元存儲，以控制點為基礎按照網、線建立控制點之間的邏輯關系，同一類成果的不同內容之間應建立邏輯關系，如控制點成果與點之記之間應通過點的唯一標識建立邏輯關系。不同類的成果之間應建立邏輯關系，如大地控制網、高程控制網和重力控制網之間存在重合點時，應以控制點為關鍵字建立重合點之間的邏輯關系。對于同一控制點具有多期成果時，應建立多期成果之間的邏輯關系。數據表中將點、線、網的空間數據存在ArcSDE中，屬性數據存在其他屬性列中。點、線、網的空間數據表以控制點的唯一標識符與點之記及其他屬性表連接。通過點、線、網等作為關鍵字建立觀測數據、成果數據、文檔之間的邏輯關系。

4 數據庫組成與管理系統構建

4.1 大地測量數據庫組成

大地測量數據庫由大地測量數據及其管理系統組成。其中，大地測量數據是大地測量數據庫的核心，按類型分為GNSS測量數據、高程測量數據、重力測量數據和深度基準數據等；管理系統是數據存儲、管理、運行維護的軟件。如圖4所示。

圖4 數據庫組成結構

4.2 管理系統構建

4.2.1 系統總體構架

系統采用3層軟件架構，主要分為數據層、數據訪問層和應用層。在大地測量數據庫管理系統中，許多數據管理工作如實時數據存儲、數據轉換等具有數據量大、計算密集等特點，往往需要占用較大的計算機存儲空間和內存空間，消耗大量的CPU資源，適合C/S架構模式，同時還需滿足基于Web技術的大地測量數據服務實現的需要，適合B/S模式下在服務器端集中處理，因此，系統采用C/S與B/S架構模式相結合的混合體系結構形式。系統總體架構如圖5所示。

圖5 系統結構

4.2.2 服務機制以及功能設計

大地測量數據庫庫管理與服務面向不同的用戶群提供不同的功能，如圖6所示。

圖6 系統功能

5 結 語

國家大地測量數據庫服務系統建設將Oracle DBFS技術和GIS技術應用于大地測量數據的管理和應用，實現了對數據入庫管理和服務，并提高了大地測量數據應用的實時性、交互性和可視性，為大眾位置服務等提供了高精度、動態、三維的支持與服務，能夠較好地滿足當前大地測量信息化的要求。

致謝:感謝國家基礎地理信息中心王東華研究員對本次研究工作的指導。