基于船舶航行的海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計

劉 波，臧愛清，徐繼男

(大連航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116052)

0 引 言

隨著海洋意識的提高，以美國為代表的發(fā)達(dá)國家非常重視海洋環(huán)境信息的收集，這些國家從19世紀(jì)就開始著手對海洋環(huán)境各種信息進(jìn)行調(diào)查，然后不斷積累完善海洋環(huán)境數(shù)據(jù)信息。采用現(xiàn)代高科技技術(shù)，廣泛利用計算機、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)連續(xù)地采集、處理和利用海洋環(huán)境數(shù)據(jù)。但是由于數(shù)據(jù)存儲格式造成數(shù)據(jù)使用不便，所以如何搭建一個高效的海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，提供數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、快速查詢技術(shù)、數(shù)據(jù)修改集成技術(shù)、數(shù)據(jù)信息可視化技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)問題。

歐洲Escience研究計劃的GODIVA研究項目在英國國家環(huán)境研究中心建立，對海洋鹽度溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析和可視化服務(wù)[1]。美國的加州大學(xué)圣地亞哥分校建立了海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)整合知識網(wǎng)絡(luò)[2]。MIT主持的Poseidon項目集成了建模、可視化和參數(shù)計算方法等，通過Web界面方便海洋科學(xué)者實現(xiàn)對海洋數(shù)據(jù)的使用[3]。中國科學(xué)院開發(fā)的科學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)基于科學(xué)數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)資源，采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了一個面向大規(guī)模分布式異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的共享平臺，通過連接分散在全國范圍內(nèi)的40多家研究機構(gòu)，在海洋數(shù)據(jù)方面提供了海洋化學(xué)數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、波浪波譜數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、ARGO數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、表層流數(shù)據(jù)子系統(tǒng)等的訪問服務(wù)[4]。

總的來說，國內(nèi)外在海洋環(huán)境信息方面做了大量的工作，本文將通過收集國內(nèi)外的研究數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行統(tǒng)一的格式化處理，采用Qt與Oracle相結(jié)合的技術(shù)建立海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫，并采用可視化技術(shù)，使用戶可以通過海圖點取相應(yīng)的海域位置對海洋信息進(jìn)行查詢，從而能夠高效直觀得到相關(guān)信息。為船舶航行預(yù)報或其他科學(xué)研究提供幫助。

1 海洋環(huán)境數(shù)據(jù)

因為有很多種海洋數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)的來源也不一樣，目前主要的數(shù)據(jù)來源和可借鑒的網(wǎng)站如下：中國海事服務(wù)網(wǎng)，航運在線網(wǎng)，地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺，中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，中國天氣臺風(fēng)網(wǎng)，臺風(fēng)路徑實時發(fā)布系統(tǒng)，European Centre for Medium-Range Weather Forecasts（ECMWF）官方網(wǎng)站，International Research Institute for Climate and Society，中國 Argo 實時資料中心。

由于數(shù)據(jù)來源渠道不一，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效管理，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納。其中大多數(shù)數(shù)據(jù)例如平均波方向、波周期等主要來源于ECMWF；洋流等來源于國際氣候與社會研究所與中國Argo實時資料中心；臺風(fēng)風(fēng)暴等數(shù)據(jù)主要來自于中國氣象的相關(guān)網(wǎng)站[5 – 6]。收集資料時綜合參考了以上網(wǎng)站公布的可以利用的資料，有的網(wǎng)站資料并不全面，必須經(jīng)過整理去除不必要數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的正確與否。

數(shù)據(jù)采集過程如圖1和圖2所示。

圖1 ECMWF 的數(shù)據(jù)Fig. 1 The data from ECMWF

圖2 來自 ECMWF 的數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式Fig. 2 Format of data from ECMWF

在數(shù)據(jù)采集過程中，數(shù)據(jù)是零散或無法直接利用的，如風(fēng)分為u風(fēng)和v風(fēng)，海流分為經(jīng)向海流與緯向海流，這些數(shù)據(jù)均是向量形式的，在建立數(shù)據(jù)庫之前需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行合成處理得出風(fēng)的大小與方向以及海流的大小與方向。

與此同時，由于所收集的原始數(shù)據(jù)來源不同，時間跨度較長，標(biāo)準(zhǔn)不一，而且數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)記錄難免有一些錯誤。所以在對數(shù)據(jù)的處理上，應(yīng)該排除不合常理的數(shù)據(jù)，對于重復(fù)數(shù)據(jù)與異常數(shù)據(jù)也應(yīng)該給予排除。

2 海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫

2.1 數(shù)據(jù)庫整體設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的建立一般包括系統(tǒng)設(shè)計、實施和維護(hù)過程，以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，對數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析以便對數(shù)據(jù)需求進(jìn)行了解然后建立數(shù)據(jù)庫。

本文所建立的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)從開發(fā)的角度出發(fā)，可將整個系統(tǒng)分為3個部分：根據(jù)電子海圖顯示平臺，使其成為基本界面；后臺數(shù)據(jù)庫用Oracle；以顯示為上層客戶端；從使用的角度出發(fā)，數(shù)據(jù)庫要給用戶提供大量詳實可靠的數(shù)據(jù)以便用戶進(jìn)行分析與決策。本文所建立的數(shù)據(jù)庫主要包括以下模塊：海洋環(huán)境信息查詢、氣象環(huán)境信息查詢、沿岸地理信息查詢、海洋環(huán)境對船舶影響如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)Fig. 3 Database structure

2.2 數(shù)據(jù)庫開發(fā)環(huán)境

本文運用Oracle[7]數(shù)據(jù)庫自身所攜帶的Procedural Language/Structured Query Language（簡稱 PL/SQL）進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢和程序的設(shè)計。使用Qt軟件為數(shù)據(jù)庫的程序開發(fā)工具。具體的數(shù)據(jù)庫的開發(fā)環(huán)境與工具如表1所示。

為了充分利用Qt的優(yōu)勢與功能，達(dá)到建立Oracle數(shù)據(jù)庫的目的，使用Qt與數(shù)據(jù)庫連接。在Qt中運行代碼使得兩者相連接，并實現(xiàn)在Qt中對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行一定的操作。

表1 開發(fā)環(huán)境與工具Tab. 1 Development environment and tools

2.3 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文建立數(shù)據(jù)庫表的原則：為了達(dá)到高效的數(shù)據(jù)庫功能系統(tǒng)，表設(shè)計時應(yīng)該遵照一定的原則對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行系統(tǒng)分類，與此同時還要確保表設(shè)計的合理性。此外為了消除表中存在的冗余現(xiàn)象，還要對表進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計以確保一個表只能圍繞一個標(biāo)題，便于對表進(jìn)行維護(hù)[8]。

根據(jù)系統(tǒng)需求，詳細(xì)設(shè)計各數(shù)據(jù)庫對象，包括數(shù)據(jù)表和視圖等。海洋環(huán)境信息表（OCEAN_EVIR）如表2所示。

表2 海洋環(huán)境信息表Tab. 2 Marine environmental information

2.4 水文環(huán)境信息查詢

海洋環(huán)境信息主要分為2個部分，一個是點查詢一個是區(qū)域查詢。點查詢主要查詢某一經(jīng)緯度點的相關(guān)水深、水表溫度、洋流、波高以及波的流向等信息。可以按照天來查詢也可以按照年來查詢。年查詢的查詢結(jié)果為曲線圖。區(qū)域查詢是針對某一經(jīng)緯度區(qū)域內(nèi)的信息查詢。查詢結(jié)果可以用2種方式顯示：一種為文本形式，顯示出表格：另一種是可視化的形式，也就是顯示出該地區(qū)的海圖，通過等高線等來顯示，以更直觀的形式來展示數(shù)據(jù)。區(qū)域查詢方式的主要程序流程如圖4所示。

圖4 區(qū)域查詢Fig. 4 Area query

2.5 界面可視化功能

可視化是人機交互的一種形式，具有人機對話的功能。可視化功能可以為數(shù)據(jù)庫的用戶提供一個直觀、美化與人性化的界面用以數(shù)據(jù)庫的操作。通過可視化界面，用戶不必面對枯燥的代碼，也不用花費大量時間用以在數(shù)據(jù)庫中查找數(shù)據(jù)。用戶只要在可視化界面上進(jìn)行相應(yīng)的操作就可以查詢到對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，從而獲得所需的數(shù)據(jù)資料[9]。該模塊的主界面設(shè)計如圖5所示。在經(jīng)緯度的獲取上，有2種方式：一種為手動輸入，直接在輸入框內(nèi)輸入具體的經(jīng)緯度；另一種為從地圖上獲取，點擊獲取經(jīng)緯度按鈕，打開地圖（圖6），在地圖上雙擊所要查詢的點，位置坐標(biāo)自動保存到輸入框內(nèi)。

圖5 海洋水文信息查詢Fig. 5 Ocean information query

圖6 海圖Fig. 6 Chart

按天查詢和按年查詢的功能，不同的選擇點擊查詢按鈕出來的結(jié)果不一樣。以波高為例，選擇按年查詢并且勾選波高要素選項，可以直接給出一年的波高變化圖，如圖7所示。

圖7 波高曲線圖Fig. 7 Wave height graph

進(jìn)行區(qū)域查詢時，首先選擇查詢區(qū)域的經(jīng)緯度范圍，然后選擇日期。最后選擇海洋水文要素。可以選擇可視化方式顯示區(qū)域信息，也可以直接將數(shù)據(jù)以excel的形式進(jìn)行導(dǎo)出以方便數(shù)據(jù)的查看和整理。圖8顯示的就是海洋洋流的可視化結(jié)果。

圖8 海洋洋流可視化查詢結(jié)果Fig. 8 Ocean stream visualization results

3 結(jié) 語

本文設(shè)計的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫除了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)查詢功能外，還注重對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理。建立該數(shù)據(jù)庫就是依托于現(xiàn)如今高速發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)建立起有關(guān)海洋環(huán)境的數(shù)據(jù)集合，通過該數(shù)據(jù)庫，可以快速準(zhǔn)確地查找到所需海域的海洋環(huán)境與氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，可視化的點查詢是區(qū)域查詢相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢更加直觀與方便，能夠為船舶航行預(yù)報或其他科學(xué)研究提供幫助。