基于C/S模式的海洋測深數據管理系統

梅賽，高金耀，趙鐵虎，楊春國，楊勇

（1. 國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室，山東 青島 266071；2. 青島海洋地質研究所，山東 青島 266071；3. 國家海洋局第二海洋研究所 海底科學重點實驗室，浙江 杭州 310012）

基于C/S模式的海洋測深數據管理系統

梅賽1,2，高金耀3，趙鐵虎1,2，楊春國3，楊勇3

（1. 國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室，山東 青島 266071；2. 青島海洋地質研究所，山東 青島 266071；3. 國家海洋局第二海洋研究所 海底科學重點實驗室，浙江 杭州 310012）

隨著海洋調查數據不斷積累，如何對處于分散狀態的數據進行有效的管理和整合，以提高數據利用效率和共享程度，成為“數字海洋”首先需要關心解決的問題。根據中國近海“數字海洋”信息基礎框架構建的總體需求，按照“數字海底”“產品－航次－測線－點”的數據組織結構，設計開發海洋測深基礎數據庫。以此數據庫為基礎，開發數據標準化模塊、數據庫管理模塊和數據查詢模塊。應用該軟件對積累的多波束測深數據進行處理，實現多波束測深數據面向產品加工和基于數據庫的有效管理。

數字海洋；數據管理；多波束測深；ArcGIS Engine；ArcGIS GeoDataBase

1 前 言

自從20世紀90年代中國引進多波束勘測儀器以來，多波束的應用在中國得到迅猛地發展，被廣泛應用于大洋多金屬結核調查、近海大陸架調查、光纜路由勘測和河道的測量等。隨著測深數據量的急劇增長，如何對海量測深數據進行有效的存儲和管理，成為海洋信息技術領域一個亟待解決的關鍵問題。

國外方面，加拿大Universal System公司開發的CARIS Bathy DataBASE軟件系統，將水深測量數據和成果數據在數據庫環境下進行管理[1-3]，但是難以滿足海洋研究開發和管理對地形、地球物理和地質數據綜合管理和展示的需求。國內方面，多波束測深技術在格式轉換、數據糾錯濾波、數字地面模型構建、誤差分析等數據處理方面取得了許多成果[4-9]，但對于多波束數據處理和管理，仍基本上基于文件的方式進行。為實現多波束測深數據基于數據庫的更為有效管理，本文開發數據標準化、數據管理和數據查詢模塊，實現不同數據格式標準化、數據庫批量導入和交互式查詢。

2 系統設計

2.1 數據分類和特點

“數字海底”建設的一個重要目的是實現對海底調查數據有效合理的存儲和管理以及滿足海洋領域相關應用需求[10]，為實現這個目的就必須有一個較完善的數據體系。根據數據表達的內容，本文將海底調查數據分為基礎數據、成果數據和數據產品。基礎數據是指海上勘查階段所采集到的數據信息、輔助數據及其元數據信息；海洋調查采集到的原始數據通常不能直接拿來進行海底特征的評價和分析，需要利用各種專業技術和方法進行處理，生成能夠反映海底特征的成果數據；網格數據和各類成果圖件一般是各類調查項目驗收的重要部分，我們將這類數據歸為數據產品。這3類數據按照一般用戶對“產品－航次－測線－點”的查詢方式進行組織。

國家海洋局頒布的《海洋環境基礎數據庫標準》將多波束數據分為航次信息、測線信息、多波束成果水深表頭信息、多波束成果水深數據信息、多波束水深網格數據、聲速剖面表頭信息、聲速剖面數據信息、潮位表頭信息和潮位數據信息[11]。按照本文對海底調查數據的分類，其中的測線信息數據作為成果數據，其他數據都作為基礎數據。

2.2 系統總體架構

系統的總體架構如圖1所示，海洋測深數據庫分為基礎數據庫和成果數據庫，分別存儲測深基礎數據和成果數據，對于基礎數據，利用Oracle關系數據庫進行管理，對于成果數據，則采用 ArcGIS軟件的面向對象的空間數據模型（GeoDataBase），通過空間數據庫引擎ArcSDE應用服務器建立客戶端與數據庫的連接。用戶層分為3個部分，分別是數據標準化、數據管理和數據查詢，用戶通過測深數據標準化可以實現對測深數據的解析和數據挖掘，為測深數據導入數據庫做預處理工作；數據管理部分的功能是將標準化以后的數據批量導入數據庫，用戶在桌面客戶端可以實現對基礎數據和成果數據的查詢和檢索。

圖1 系統總體架構Fig. 1 Overall system architecture

2.3 數據庫設計

數據庫設計過程中綜合考慮3方面的需求：第一，充分考慮“數字海底”發展的需求，測深數據庫的設計應考慮到數字海底的總體架構；第二，從數據管理者的角度來說，需要為外界提供數據，數據結構設計應方便對數據的管理、存儲和查詢。因此需要對航次信息和項目信息有較完備的體現；第三，滿足研究需求，不僅要為測深數據處理提供必要基礎數據，如聲速剖面數據、潮汐數據和原始數據，同時為海洋學研究提供地形成果和產品數據（如離散點水深數據、網格地形數據等）。依據于以上3方面的需求，我們在數據庫設計過程中，提出“產品－航次－測線－點”的數據基本結構，使得用戶可以根據這條主線，方便的查詢所需要的數據信息。多波束測深數據E-R如圖2所示。

圖2 多波束數據ER圖Fig. 2 Multi-beam data E-R diagram

3 主要功能模塊

3.1 數據標準化

實踐中發現由于多波束數據采集時間、采集航次、采集儀器等不同，導致原始數據文件名命名格式不統一，同時多波束原始數據信息量較多，且多以二進制格式保存，這些都為基于數據庫的數據管理方式帶來困難。數據標準化的目的就是將不同格式的數據轉化成標準格式，具體的數據標準化流程如圖3所示。

圖3 數據標準化流程Fig. 3 Data standardization flow

從歷史多波束測深數據中獲取測線信息是一個數據挖掘的過程，在這個過程中生成標準測線文件，并且確定測線和原始數據文件的對應關系。標準測線文件包含信息有：序號、測線名稱、起始時間、終止時間、起始經度、起始緯度、終止經度、終止緯度、航向、航速、長度、點數。如圖4所示，標準測線文件的生成過程包括：

i. 按照數據采集的起始與終止時間，規范原始多波束數據文件的文件名；

ii. 從原始數據中導出中央波束點的位置信息；

iii. 投影顯示中央波束點分布；

iv. 根據中央波束數據在的分布情況，確定每條測線起始與終止的位置信息和時間信息；

v. 根據測線起始與終止的位置信息和時間信息，對原始數據文件進行自動分割，使得分割以后的原始數據完全處于某條測線內或者完全處于兩條測線中間的部分；

vi. 結合原始數據文件中包含的其他信息，獲取標準測線文件，同時確定測線和原始數據文件的對應關系。

圖4 標準測線文件處理流程Fig. 4 Standard measuring line file processing

3.2 數據庫管理

數據庫管理模塊的主要功能是將標準化數據導入測深數據庫，對于基礎數據的導入（如圖5所示），需要區分不同的數據類型，對于測線信息，將文本格式的航跡線記錄數據轉為 ArcGIS GeodataBase 格式的線要素（如圖6所示）。

圖5 基礎數據導入Fig. 5 Basic data import

圖6 航跡線生成Fig. 6 Track line generated

3.3 數據查詢

基于ArcGIS Engine海洋測深數據的查詢分為2個部分：區域查詢方式和測線查詢方式。區域查詢中，可以查詢感興趣區域的航次信息、聲速剖面信息（如圖7所示）和網格數據的相關信息。航次信息查詢顯示的是所選測線的相關航次信息，包括的信息：航次編號、航次名稱、項目名稱、項目負責人、調查單位、首席科學家、測量船、測量區域、經緯度范圍、開始時間、結束時間、出發港口、返回港口、導航軟件、定位精度、測量精度、傳感器、高程基準、坐標系統。還可根據需要，將查詢的航次數據信息導出為文本格式的文件。

圖7 聲速剖面信息Fig. 7 Sound speed profile information

測線查詢中，可以查詢感興趣區域的測線信息、測點信息和測線對應的原始數據相關信息。對于感興趣區域的測線查詢方式如圖8所示，可查詢的信息包括測線信息、測點信息和原始數據信息。測線信息顯示的是所選測線的元數據信息，包括的信息：測線名、起點經度、終點經度、起點緯度、終點緯度、起始時間、結束時間、公里數、航向、航速、測量點數、航次名稱。與所選測線相關的原始多波束數據文件元數據信息（如圖9所示）包括：起點經度、起點緯度、終點經度、終點緯度、起始時間、結束時間、文件名稱、文件存儲位置、文件格式、數據量。測點信息查詢的是所選測線所包含的測量點的信息（如圖10所示），包括：經度、緯度、水深、測線名。

圖8 測線查詢方式Fig. 8 Measuring line inquiry mode

圖9 原始數據文件元信息Fig. 9 Original data file meta information

圖10 測點信息Fig. 10 Measuring point information

4 結 論

本文借助于ArcGIS的空間數據庫技術，實現了海洋測深數據由基于文件的管理方式到基于數據庫的管理方式的轉變，有利于數據的共享和利用效率的提高。利用以上模塊對實測多波束數據進行處理和管理，實現了由成果數據到基礎數據的查詢，以及由多波束測深原始數據到 ArcGIS空間數據庫的無縫銜接。該方法有利于充分利用 ArcGIS強大的分析、管理和顯示功能，為在統一的ArcGIS環境下對海洋地質、地球物理的綜合管理和分析打下基礎。

[1] Andrew H. Ping-to-Chart： Sonar Data for Sea Floor Mapping [J].GeoInformatics, 2009, 12(1)： 11-14.

[2] Andrew G, Bill R. User Guide for GeoMap App version 2 [M].Columbia： Columbia University, 2009.

[3] Val S, Dale C, Dave C. The MB-System(TM) Cookbook [M].Monterey： Monterey Bay Aquarium Research Institute, 2006.

[4] 李家彪. 多波束勘測原理技術與方法 [M]. 北京： 海洋出版社,1999.

[5] 黃謨濤, 翟國君, 歐陽永忠. 多波束與單波束測深數據的融合處理技術 [J]. 海洋學報, 2001, 30(4)： 299-303.

[6] 高金耀, 金翔龍, 吳白銀. 多波束數據的海底數字地形模型構建[J]. 海洋通報, 2003, 22(1)： 30-38.

[7] 高金耀, 方銀霞, 徐賽英. 原始多波束數據的格式轉換與統一[J]. 海洋通報, 2002, 21(6)： 68-74.

[8] 陽凡林, 劉經南, 趙建虎. 多波束測深數據的異常檢測和濾波[J]. 武漢大學學報, 2004, 29(1)： 80-83.

[9] 陸秀平, 黃謨濤, 翟國君, 等. 多波束測深數據處理及管理系統設計與開發 [J]. 海洋測繪, 2006, 26(6)： 1-5.

[10] 李四海, 張峰, 劉振民. 海洋環境數據業務化處理與應用原型系統 [J]. 海洋通報, 2007, 26(3)： 81-86.

[11] 國家海洋局908專項辦公室. 海洋環境基礎數據庫標準(修訂稿)[M]. 北京： 國家海洋局908專項辦公室, 2008.

A bathymetry data management system based on Client/Server Mode

MEI Sai1,2, GAO Jin-yao3, ZHAO Tie-hu1,2, YANG Chun-guo3, YANG Yong3

(1. Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resource and Environmental Geology, MLR , Qingdao 266071, China; 2. Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China; 3. Key Laboratory of Submarine Geosciences, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China)

With the accumulation of marine survey data, how to manage and integrate dispersed data effectively is becoming the primary problem of "Digital Ocean". According to the overall demand for information infrastructure framework of State "Digital Ocean" project, we designed and developed the marine bathymetry database with the"digital sea" "products-voyage-measure line-point" data structure. Based on this database, we developed data standardization module, database management module and the data query module. The effective management of multi-beam sounding data based on the database was achieved by using this software.

digital ocean; data management; multi-beam sounding; ArcGIS Engine; ArcGIS GeoDataBase

P229.1

A

1001-6932(2011)04-0361-06

2010-10-27；

2011-03-11

我國近海海洋綜合調查與評價專項（908-ZC-I-06；908-03-05-07）。

梅賽（1985—），男，山東濟寧人，碩士，研究實習員，主要研究方向為海洋地質。電子郵箱：meisai2000@163.com。