海洋與海岸帶數據庫開發與數據可視化的集成與應用

關鍵詞：海洋與海岸帶;地質數據;數據庫管理與可視化系統

中圖分類號：P7 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2024）03-0079-07

0 引言

海洋與海岸帶地質調查是我國重大戰略的主要任務之一，海洋信息化有利于推進國家海洋事業的建設與發展[1-3]。近年來，隨著地質勘測儀器的更新換代及計算機技術的迅猛發展，許多高精度的地調信息數據量大且格式繁雜，難以有效存儲和管理[4-5]。煙臺海岸帶地質調查中心（以下簡稱“煙臺中心”）需要一個能夠集存儲、可視化、管理應用為一體的數據平臺。煙臺中心主要承擔海岸帶和海洋水文地質、工程地質、生態地質、礦產資源的調查、監測及研究工作，積累了大量地質、水文、礦產等數據，在此基礎上，背靠海洋與海岸帶調查數據集成與應用項目，以中國地質調查局《海洋地質數據庫內容與結構》（DD2021-03）和《海岸帶環境地質數據庫建設指南》等相關標準規范為依據，煙臺中心建立了一套海洋與海岸帶數據信息管理服務系統，為重大工程建設、海洋經濟發展和生態文明建設提供數據支撐。

1 系統開發與數據存儲

1.1 系統開發

海洋與海岸帶數據庫管理系統基于瀏覽器和服務器架構模式（B/S架構）進行設計研發，在此架構中，用戶通過瀏覽器向分布在網絡上的眾多服務器發出任務請求，服務器對其進行處理，將用戶所需信息返回到瀏覽器。而其余如數據請求、加工、結果返回以及動態網頁生成、對數據庫的訪問和應用程序的執行等工作全部由網頁服務器完成。前端開發框架搭建采用Springboot框架，簡化了Spring程序的創建和開發過程。系統開發結合了Springboot體系中多種組件，采用基于JavaScript開發的使用WebGL的地圖引擎“Cesium”（CesiumforJavaScriptAPI）地圖應用開發，實現地調數據的定位、查詢、地理信息系統（GIS）分析等功能。海陸多要素可視化系統的三維球體模型構建是基于Cesium 引擎開發的，能夠在網頁端對二維、三維數據的疊加展示，并且支持網絡地圖服務（WebMapService，WMS）、網絡地圖瓦片服務（WebMapTileService，WMTS）、網絡要素服務（WebFeatureService，WFS）等多種地圖服務的調用，實現矢量數據、柵格數據等多類地理空間數據的加載與展示。

數據庫軟件系統采用瀚高數據庫管理系統（HGDB）建設，構建一主多備的分布式數據庫集群，將讀寫操作分離，以緩解主庫壓力，提升系統性能。數據存儲于多源空間數據庫及屬性數據庫，分別采用空間表和二維表進行管理。空間數據包括調查區、調查測區、調查測線、調查測點、取樣站位以及鉆孔孔位等空間要素信息，不同空間數據利用相應的空間表進行管理。屬性數據包括調查數據集、分析數據集、成果報告數據集、成果圖件數據集等，以二維表的形式存儲于數據庫中，數據表間設置主鍵與外鍵進行索引及關聯。利用這種方式管理數據，便于數據整體轉移存儲和集中管理;在訪問權限上，數據庫管理系統為不同用戶分配相應訪問和使用權限，既可防止系統發生非授權訪問，又有利于數據庫的分布式應用，只要遵循質量標準及規范流程，數據內容可交由各方專業人員自己更新維護，在數據提交歸檔的同時將數據輸入到數據庫中，能夠減少大量的重復操作，確保數據的完整性、一致性。

1.2 數據背景

由于海洋與海岸帶地質調查涉及的領域眾多，如地形地貌、地球物理、地球化學等，各領域調查數據采集的方式不同導致數據格式相異，需要對歸檔數據的命名、編碼、編號、數據內容、數據結構、數據關聯及數據質量作出標準要求。本文根據當前海洋與海岸帶地質調查領域數據庫建設現狀和發展趨勢，參照《海洋地質數據庫內容與結構》（DD2021—03）《海岸帶環境地質數據庫建設指南》《海岸帶地質環境調查評價規范》（DD2014—03）等相關數據庫建設標準，構建了海洋與海岸帶調查數據庫模型（圖1）。如圖1所示，數據庫包含信息層及資源層，信息層存儲管理單元模塊（數據包、數據集）和元數據模塊，其中數據包與項目關聯，即一個項目對應一個數據包（以“項目簡稱拼音首字母組合-提交年份-序號編碼”的形式設置唯一數據包編號），數據包下根據項目作業形式有多個數據集，主要有調查數據集、分析數據集，調查數據集和分析數據集根據實際施工作業手段又可分為單道地震、單波束測量、側掃聲吶、底質樣品分析、鉆孔樣品分析、地化環境分析等，施工作業完成后產出的總結報告和圖件形成成果報告數據集和成果圖件數據集以及具有坐標信息的空間數據（調查測點、調查測線、調查測區、鉆孔孔位、取樣站位等）。

2 系統模塊與應用體系

2.1 海洋與海岸帶數據庫管理系統

海洋與海岸帶數據庫管理系統主要包括數據總覽、地質數據、船舶數據、自定義數據、專題數據、數據訂單和系統管理等功能模塊（圖2），實現了地質、船舶、專題服務等數據的標準化采集，設置了較完備的數據校驗、自檢功能，保證了調查內容的完整性和數據的精度，初步實現了海岸帶地質調查的信息化和數字化。

2.2 海陸多要素可視化系統

海陸多要素可視化系統界面主要展示兩部分：調查項目、調查數據、分析數據等數據顯示導航欄以及可視化系統對項目業務領域分布、調查工作統計、數據集類型等的統計展示（圖3），系統主要功能如圖4所示。在可視化系統中，不同類型、不同應用領域的調查數據采用多種樣式的平面幾何圖形（點、線、面）顯示，點擊圖形能夠彈出數據集編號、經緯度、調查區號等基本信息（圖5），實現了多源異構數據的融合集成與展示，提高了地質數據匯聚展示服務能力。

2.3 海岸帶地質數據管理與應用平臺

海岸帶地質數據管理與應用平臺是整個數據集成與應用系統的服務門戶（圖6），主要包括3個部分：外業照片展示窗口;調查數據集、分析數據集、成果報告數據集、成果圖件數據集、專題服務導航欄;自定義產品目錄。

2.4 系統體系

海洋與海岸帶數據集成與應用采用“四層兩體系”的架構（圖7），其中4層包括基礎設施層、數據層、智能應用層、海洋與海岸帶地質數據用戶層，兩體系為安全防護體系和標準規范體系。基礎設施層包括提供服務器（應用服務器、數據庫服務器等）、存儲、網絡、數據庫、操作系統、GIS平臺等硬件設備和基礎軟件設施，是系統運行的基礎和環境保障，具體部署的數據處理平臺和軟件包括GeoServer、QGIS、GeoScene等;數據層包括空間數據、屬性數據、專題服務和用戶數據，主要解決多源異構數據的統一訪問。本文建設的數據庫是基于對象關系模型返回用戶請求的數據結果，以實現數據的存儲、管理、共享。智能應用層是數據庫應用體系的核心，主要包括數據采集、數據管理、數據可視化和空間數據服務4個方面，由于數據的多源異構性和功能模塊的多樣化，海洋與海岸帶數據應用系統呈現高內聚和低耦合的特點，智能應用層能夠實現對程序模塊的擴展、改寫，有利于系統的維護與升級;海洋與海岸帶地質數據用戶層即數據服務門戶，整合應用，集合信息，實現數據資源展示。

2.5 數據入庫

數據入庫流程需要制定標準保證數據質量，本章將數據的采集、入庫按階段分解，數據處理流程主要包括5個部分：①資料收集，確保數據可用、完整;②分組整理，根據調查領域對數據進行分組整理，如地形地貌調查數據、地球物理調查數據、海洋底質調查數據等;③分類加工，對數據進行再加工處理：主要對涉及空間信息的數據如炮點定位、取樣站位等的原始坐標為空間直角坐標系，需要使用GIS軟件實現地理坐標系投影再入庫，對于屬性信息不全的，參照《海洋地質數據庫內容與結構》（DD2021-03）實體數據字典表，將屬性補充完整再入庫，并根據報告內容將元數據信息補充完整。④數據質量管理，數據質量檢查采用自檢與互檢的方式進行，入庫出現數據結構和內容與數據庫標準不一致時，系統會自動生成校驗表格備注錯誤記錄，入庫人員根據校驗表格修改信息完成自檢;互檢是在自檢的基礎上，由各項目數據入庫負責人相互檢查，將存在問題、修改情況、處理意見如實填寫，分別由檢查者、修改者、復核者簽名。⑤數據入庫完成（圖8）。

3 數據集成成果

建成基礎地理信息數據庫1個，覆蓋全國陸地范圍及包括我國臺灣島、海南島、釣魚島、南海諸島在內的主要島嶼及其臨近海域，共77幅1∶100萬圖幅。下載全國1∶100萬基礎地理信息數據庫，提取包括境界與政區、水系、地名及注記、交通4個數據集，數據量529M，要素信息如表1所示。對基礎地理信息可視化過程中，實現不同尺度要素在不同比例尺下展示。例如，國省界，1-2級主干河流、國道省道等大尺度要素，在小比例尺下顯示，當視圖放大超過一定比例尺時，市區縣界線、湖泊水庫、地名注記等精細化要素顯示，能夠為制圖及特色化應用提供標準化數據服務。

依據海洋與海岸帶數據庫建設標準體系，開展海洋地質調查資料的采集、處理、元數據編錄等標準化處理。完成渤海北部海域1∶5萬海洋區域調查項目、渤海海峽南部綜合調查兩個涉海項目2021年提交數據的數據整編工作，形成單道地震測量數據集、淺地層剖面測量數據集、單波束測深數據集等共31個數據集，數據集類型包括調查數據集、分析測試數據集、成果報告數據集、成果圖件數據集，數據量達200GB，實現了數據的標準化入庫，檢驗了數據庫模型的實用性，為開展基于數據的應用研究提供標準化數據支撐。

4 結論

本文基于B/S架構研發管理系統，采用HGDB用表形式存儲空間數據及屬性數據信息，結合開源三維Web庫Cesium 設計可視化系統，將數據采集、入庫、管理、處理、展示等功能模塊集成一體，建成海洋與海岸帶數據庫管理與可視化系統。該系統的建成實現了海洋與海岸帶多源異構數據信息的集成及靈活調用，進一步提高了地質信息管理的高效使用。在數據存儲上，本文參照相關數據庫標準，構建數據庫模型，以設置數據包、數據集編號等形式，實現海岸帶海洋地調項目數據多級存儲，使得數據更具結構化、關聯性更強。現已利用系統形成1∶100萬基礎地理信息數據庫、入庫各類數據集200GB，取得了較好的應用成果。