基于ArcSDE的煤礦安全應急救援數據庫的建設①

白洪偉，姚頑強，曾 峰

（1.西安科技大學，陜西 西安710054；2.長江水利委員會，湖北 武漢430000）

0 引 言

中國煤礦事故造成大量人員死亡，除了資源條件、管理等方面的原因外，事故發生時，因缺乏高效、協調、統一的應急救援預案和機制，難以采取及時、科學和高效的應急響應對策，導致事態擴大是一個不容忽視的原因。在煤礦事故發生后，及時、有序、高效的應急救援行動，可以迅速拯救生命、安定社會、穩定民心。

煤礦安全應急救援工作是在煤礦事故發生時，在政府統一領導下，各級煤礦和社會各方面最大限度的減小人員傷亡而采取的有領導、有組織、有計劃、有指揮的應急救援行動。因此，在煤礦事故現場，應急救援工作的成效直接影響了救援效果。應急救援隊進行救援工作的過程主要先對煤礦事故發生地的各種信息進行收集和了解，然后調配救援人員和救援設備進行救援工作，從而救助傷亡人員。當前應急救援隊掌握救援相關信息主要是通過兩種途徑：一是向現場指揮部了解情況；二是根據現場情形，迅速勘察［1]。這樣的獲取信息方式相對滯后，往往使應急救援隊缺乏對故事性質的掌握不夠全面，以致造成救援力量、救災設備運輸的盲目性，影響救災工作的實效性。為此，為救援隊構建煤礦安全應急救援數據庫是救援隊高效開展煤礦安全應急救援工作的重要保障。

介紹由美國ESRI公司開發的ArcSDE軟件模塊的體系結構和原理，設計和建立煤礦安全應急救援空間數據庫，探討了ArcSDE和關系型數據庫管理系統（RDBMS）SQL Server2005建立數據庫的技術方法，以達到空間數據與屬性數據統一管理的目的。通過ArcSDE和SQL Server2005的支持，可以在煤礦安全應急救援數據庫中實現空間信息的管理。

1 ArcSDE關鍵技術

1.1 ArcSDE的存儲模式

ArcSDE是空間數據庫引擎，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，通過在現有的數據表中加入一個空間數據列，這樣用戶可以管理和訪問與之相關聯的空間數據。ArcSDE通過其空間索引機制，將空間數據和其相關聯的屬性數據一體化存儲在大型數據庫中，實現對空間數據和屬性數據的高效率的操作。ArcSDE本身沒有專用數據庫，它只能通過與商業數據庫管理系統的集成來管理空間數據，主要通過業務表（Business Table）、要素表（Feature Table）和空間索引表（Spatial Index Table）三個表來實現對空間數據的存儲和管理。

1）業務表（Business Table）

業務表在RDBMS（關系型數據庫管理系統）中存貯圖層的屬性信息。ArcSDE客戶端通過業務表與圖層實現交互。對于ArcSDE客戶端而言，圖層是無縫的，幾何要素是存貯在另一個單獨的表內。這種關系是自動建立的，當增加、刪除和修改要素時，ArcSDE會維護它們。

2）要素表（Feature Table）

要素表存儲每一塊地物的幾何圖形。要素表含有以二進制對象存貯的幾何Shape，一個圖層內的每一個要素通過唯一的要素標識碼訪問，要素標識碼關聯業務表和要素表，ArcSDE自動生成要素標識碼，對于空間項來說是唯一的。

3）空間索引表（Spatial Index Table）

空間索引表存貯著格網單元序號、要素封裝邊界和要素標識碼。ArcSDE計算空間過濾器以確定它覆蓋的格網單元。利用空間索引表，RDBMS定位格網單元，然后比較要素封裝邊界的坐標以確定空間過濾器是否覆蓋了要素封裝邊界。空間索引表的查詢減少了返回給ArcSDE的要素標識碼的數目。在執行空間查詢時，落入查詢范圍內的單元將被識別出來，并返回其中的候選圖形。

1.2 ArcSDE的運行模式

ArcSDE通過系統的三個主要部分來分配其工作量：RDBMS服務器，ArcSDE服務器和ArcSDE客戶端。每一部分都優化執行特定的任務，如數據存貯或分析。通常，RDBMS服務器和ArcSDE服務器運行在一臺主機上，而客戶端應用則運行在另一臺主機上，通過一個TCP／IP網絡與服務器聯接。

1）RDBMS 所有數據庫訪問的內容都通過RDBMS服務器。RDBMS驗證用戶瀏覽或修改數據的權限，解釋輸入的SQL語句，提供一個事務處理環境，確保在發生系統崩潰事故時數據庫的可恢復性。

2）ArcSDE服務器 ArcSDE服務器為RDBMS解釋空間數據，ArcSDE把客戶端對數據的請求轉換為SQL語句，使RDBMS能用來讀寫存貯在數據庫表中的幾何圖形數據。同其他數據庫應用一樣，ArcSDE服務器通過RDBMS服務器訪問數據庫中內容來工作。

3）ArcSDE客戶端 客戶端應用驅動ArcSDE服務器執行一個動作，如在一個礦區內搜索醫院。許多ArcSDE客戶端的主要功能給最終用戶提供一個接口。通過輸入命令或者操作圖形控制器，用戶向ArcSDE服務器發出請求，獲取數據來顯示、分析或向數據庫寫入新的數據。

2 煤礦安全應急救援數據庫設計

2.1 煤礦安全應急救援數據庫建設目標及建設方案

2.1.1 煤礦安全應急救援數據庫建設目標

構建煤礦安全應急救援數據庫的服務對象是煤礦安全應急救援隊，主要針對煤礦安全的應急救援。目的是在煤礦事故發生時為煤礦安全應急救援隊提供災區救援行動所需要的信息，使煤礦安全應急救援隊能夠結合救援人員與裝備情況快速制定及時合理有效的救援方案，在最佳救援時間最大限度地減少煤礦事故人員傷亡；平時，煤礦安全應急救援數據庫為應急救援隊的救援訓練提供數據支撐，使其能利用數據庫的信息提高救援水平，使救援更近真實性，時刻保持救援的狀態。主要目標有：

1）數據庫內容的精簡，只包含于救援隊行動有關的數據，數據庫可以存儲在便于攜帶的筆記本電腦中，使得應急救援隊能夠快速獲取災區救援信息，了解救援物資儲備，使得在最佳救援時間完成救援成為可能。

2）數據庫中的信息是以圖片表格形式等表達，具有易讀、易懂、直觀醒目的特點，為煤礦安全應急救援工作提供及時、有效、豐富形象的信息匯總和決策支持。

3）數據存儲大型煤礦和有發生事故先例的煤礦的救援數據，當煤礦事故發生時，可以及時提供相關數據和案例。

2.1.2 煤礦安全應急救援數據庫建設方案針對數據庫的建設，需要考慮兩方面的內容：1）空間數據，需要比較直觀的形式表達，這就要求數據庫能較好的組織和存儲空間數據。

2）煤礦安全應急救援工作時間的緊迫性要求數據庫反應迅速，而且當前的分析決策應用系統是基于ArcGIS的，因此，要求數據庫與應用系統保持較好的連接。

考慮以上兩個方面，采用了ArcSDE結合RD－BMS（關系數據庫管理系統）進行煤礦安全應急救援數據庫的建設。

2.2 煤礦安全應急救援數據庫存儲方案

煤礦安全應急救援數據包含空間數據和屬性，存儲在關系型數據庫SQL Server2005中，整個建庫方案基于Geodatabase數據模型，Geodatabase是一種采用標準關系數據庫技術來表現地理信息的數據模型，是ArcGIS的本地數據結構，是用于編輯和數據管理的基本數據格式。Geodatabase能將空間數據存儲在文件、MDB文件或者大型DBMS中。以上三種存儲方式的區別在于可存儲數據量的不同以及可支持的并發用戶數量不同，能夠實現從小數據量、單用戶的文件數據庫到大數據量、多用戶并發編輯的企業級DBMS的不同層次的應用［2]。

空間數據主要是與煤礦安全應急救援有關的專題數據，包括礦區遙感柵格圖，矢量地形圖等，屬性數據是指煤礦安全應急救援過程中的一些業務數據，如救援隊人員信息、救援隊醫療信息、救援隊物資信息、救援隊設備信息、各級單位聯系方式數據等。其實空間數據的類型為Feature Class，屬性數據為Table表。Feature Class是由Feature（要素或者圖元）組成的一類對象，比如由線組成的所有礦區主干道成為一個Feature Class對象，由面組成的所有礦區建筑物組成一個Feature Class對象。其中空間數據要與煤礦安全應急救援業務數據有關聯，這樣就使得空間數據與屬性數據產生了聯系，為快速準確查詢信息提供方便。

2.3 煤礦安全應急救援數據庫的建立

本設計中的空間數據庫包括多個圖層，分別為主干道圖層、建筑物圖層、縣城區劃圖圖層、生命線圖層、次生災害源圖層等。由于系統所有的圖層都是通過ArcSDE存儲到空間數據庫中，因此，將涉及到空間數據庫的詳細設計，空間數據庫的詳細設計包括表的設計和空間地物編碼的設計。

以次生災害源圖層為例說明空間數據庫的建立，次生災害源圖層是Shape格式文件，Shape文件是ArcGIS的一種主要的空間數據標準格式，將Shape文件導入關系型數據庫SQL Server2005中可以借助ArcGIS平臺的ArcCatalog空間數據管理模塊。將數據導入SQL Server2005后，Shape文件將生成三個表：業務表（Business Table）、要素表（Feature Table）和空間索引表（Spatial Index Table）。表1示出了次生災害源圖層數據的業務表表結構，表2示出了次生災害源圖層的要素表表結構。

表1 次生災害源業務表

表2 次生災害源要素表

次生災害源要素表的其他字段是要素類型（點、線、面）、要素的邊界矩形、要素面積和要素長度等信息。空間索引表也存在fid字段，其類型與說明和業務表、要素表相同，這三個表通過fid字段關聯，共同構成一個圖層。

與空間數據相關聯的還有一些屬性表，如救援隊人員信息、救援隊醫療信息、救援隊物資信息、救援隊設備信息等。救援隊人員信息表表結構設計如表3所示。

表3 救援隊人員信息表

3 利用ArcSDE建設煤礦安全應急救援數據庫

ArcSDE采用連續的數據模型，以層的方式來管理地理數據，具有相同屬性項的一類要素可以放到同一層，每個數據庫記錄對應一個實際要素。根據煤礦安全應急救援數據庫的內容分析，以陜西省西安市彬縣某煤礦為例，建立了煤礦安全應急救援數據庫，把其空間數據放到一層，構成一個數據集，其救援隊自身的數據及各部分聯絡方式等以表格形式存儲。

數據入庫主要采用ArcCatalog工具，入庫后可以在ArcCatalog中直接查看數據內容信息，如圖1所示。

圖1 查看數據內容信息界面

3 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。煤礦安全應急救援數據庫的提出是在當前應急救援隊快速獲取災區基本信息的情況下提出的，利用該數據庫，應急救援隊能夠快速獲取災區的相關信息，幫助救援隊指揮人員作出及時合理的救援措施。隨著煤礦規模和基礎設施的擴大，數據庫的建設過程將是一個長期的過程。

［1]《應急救援系列叢書》編委會.煤礦應急救援必讀［M].北京：中國石化出版社，2008：49－75.

［2]劉橋喜，毛善君，馬藹乃，等.煤礦安全地理信息系統的設計與實現［J].測繪通報，2004（2）：60－62.