韓春花，陳 斐，張俊明，梁建峰

(1.國家海洋信息中心，天津 300171;2.北京正航科技發(fā)展有限公司，北京 100039)

基于GeoDatabase的側掃聲納數(shù)據(jù)庫的構建*

韓春花1，陳 斐1，張俊明2，梁建峰1

(1.國家海洋信息中心，天津 300171;2.北京正航科技發(fā)展有限公司，北京 100039)

通過對側掃聲納各類數(shù)據(jù)的特點分析及用戶需求分析，基于ERSI公司推出的GeoDatabase模型，采用UML和Case工具，后臺采用Oracle10g和ArcSDE建立側掃聲納數(shù)據(jù)庫，將側掃聲納調(diào)查過程中獲取的所有矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及經(jīng)過加工處理后的各類數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)存儲在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，通過建立數(shù)據(jù)庫的空間關系、開發(fā)數(shù)據(jù)庫查詢檢索功能，建立標準化數(shù)據(jù)庫管理模式，滿足用戶對側掃聲納數(shù)據(jù)的多樣化查詢檢索和空間分析需求，實現(xiàn)側掃聲納數(shù)據(jù)的科學化、標準化和可視化管理。

側掃聲納;GeoDatabase;數(shù)據(jù)庫設計

0 引言

側掃聲納數(shù)據(jù)是一種新型的海底面狀數(shù)據(jù)源。側掃聲納由于具有形象直觀、分辨率高和覆蓋范圍大等優(yōu)點而被廣泛應與于海洋底質(zhì)勘探、海底目標探測、海洋環(huán)境監(jiān)測和保護、海洋工程、水下考古等眾多領域[1～5]。由于不同型號的側掃聲納設備配備的數(shù)據(jù)處理軟件不同，側掃聲納數(shù)據(jù)具有格式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)類型與結構復雜、數(shù)據(jù)量龐大的特點。針對側掃聲納數(shù)據(jù)的特點，如何有效管理側掃聲納數(shù)據(jù)，突出面狀數(shù)據(jù)源的優(yōu)勢，從中盡可能多的提取有效信息，是目前面臨的新問題。目前，測量單位對于這類數(shù)據(jù)的管理普遍采用文件管理的方式，有的以測線為單位，一條測線1個文件或幾個文件，有的以日期為單位，一個日期1個或多個文件，不同類型的文件分散存放，使用時再利用不同的軟件進行數(shù)據(jù)回放。這種管理方式雖然簡單，但是數(shù)據(jù)查詢、調(diào)用比較繁瑣，數(shù)據(jù)利用率及可視化程度都較低，且不方便說明各種類型數(shù)據(jù)之間的關系，難以滿足用戶對側掃聲納數(shù)據(jù)的多樣化查詢檢索和空間分析等方面的應用需求，不適應于日益增長的數(shù)據(jù)管理和使用需求，造成了數(shù)據(jù)浪費。

1 基于GeoDatabase模型建庫的優(yōu)勢

ESRI公司推出的GeoDatabase是ArcGIS8引入的一個全新的空間數(shù)據(jù)模型，它是一種以緊密耦合特性和行為基礎的新型數(shù)據(jù)模型，與過去的數(shù)據(jù)模型相比，最大的特點是更加智能化，每個要素不再僅僅是一條有幾何字段的記錄，而是一個擁有屬性和行為的對象，是一個對象模型的關系數(shù)據(jù)庫，具有海量的、連續(xù)的GIS數(shù)據(jù)存儲與多用戶的并發(fā)訪問、長事務和版本管理的工作流等優(yōu)點。GeoDatabase作為專題圖層和空間表達中組織GIS的核心地理信息系統(tǒng)模型，可以容納幾乎所有有效格式的GIS數(shù)據(jù)，將空間數(shù)據(jù)及其相關屬性統(tǒng)一存放在工業(yè)標準的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS中，便于一體化管理，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的無縫集成。通過ArcSDE生成ArcSDE GeoDatabase，可以將數(shù)據(jù)和客戶端應用程序分離開，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和多用戶操作，這種方式非常適合于既有空間信息、屬性信息又有文字說明信息的數(shù)據(jù)存儲與管理。

隨著“數(shù)字地球”、“數(shù)字海洋”、“數(shù)字海底”的發(fā)展，中國已經(jīng)開始了海底信息的數(shù)字化以及“數(shù)字海底”數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究和建設工作，先進的空間信息管理技術已經(jīng)開始應用到海底數(shù)據(jù)的存儲和管理上[6－8]。基于GeoDatabase數(shù)據(jù)模型與現(xiàn)有的商業(yè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(如Oracle)構建空間數(shù)據(jù)庫，利用ArcSDE技術，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的集成管理的方法并已經(jīng)在測繪、水文、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、油田勘探、城鎮(zhèn)地籍管理等多學科、多領域內(nèi)得到較好應用[9－20]。馬建林(2005)[21]、李含璞(2006)[22]和楊春國(2008)[23]分別提出了基于GeoDatabase模型建立海底地形數(shù)據(jù)庫、測繪數(shù)據(jù)庫和海底探測數(shù)據(jù)庫的方法研究，指出Geo-Database在建立各類型海底數(shù)據(jù)庫的強大優(yōu)勢。

2 建庫的技術方法

在相關研究的基礎上，結合側掃聲納數(shù)據(jù)的實際情況，按照數(shù)據(jù)庫設計的3個階段，即:概念模型設計、邏輯模型設計和物理模型設計進行側掃聲納數(shù)據(jù)庫設計[24]。

2.1 概念模型設計階段

根據(jù)側掃聲納數(shù)據(jù)的特點與行業(yè)最新的數(shù)據(jù)庫建設規(guī)范要求，結合GeoDatabase模型的內(nèi)部結構，確定各種類型數(shù)據(jù)所屬的專題圖層，并對要素的類型、屬性、相互之間的聯(lián)系和約束行為進行簡單描述。在這一階段，重點關注的是數(shù)據(jù)類型及其聯(lián)系和約束，而不考慮具體實現(xiàn)細節(jié)。

2.2 邏輯模型設計階段

根據(jù)概念設計階段定義的數(shù)據(jù)類型、屬性及其關系和行為，確定各地理要素的描述方式。將離散的矢量數(shù)據(jù)組織到要素數(shù)據(jù)集、要素類或關系類中，定義要素類和表格應包含的屬性字段，并指定各字段的屬性值、缺省值、精度和范圍等特性，根據(jù)地理要素編碼標準恰當應用子類控制要素的行為，設定要素間的關聯(lián)規(guī)則以增加要素的空間一致性。

從ESRI的Object類中派生出概念設計中的要素集、要素類及其空間行為和方法，并將這些數(shù)據(jù)類型、屬性及其行為關系用UML的建模方法在Case工具中實現(xiàn)，在Micro viso2003中，利用ESRI公司提供的ArcInfo UML Model(Visio 2003).vst模型模板進行要素類、觀測類等各類模型設計，導出成XML文件通過語義檢查后導入到GeoDatbase中，形成數(shù)據(jù)庫的邏輯模型。

2.3 物理模型設計階段

利用現(xiàn)有的軟件工程技術，借助Case工具將數(shù)據(jù)庫模型直接轉換成物理模型，并在轉換過程中檢查建模過程中的差錯，形成可以存放數(shù)據(jù)的要素集、表結構和它們之間的關系表?？傮w設計過程，如圖1所示。

3 側掃聲納數(shù)據(jù)庫的構建

3.1 側掃聲納數(shù)據(jù)分析

3.1.1 數(shù)據(jù)體系

按照側掃聲納數(shù)據(jù)特點，將整個數(shù)據(jù)體系自下而上分為4個層次，即:原始數(shù)據(jù)層、標準化數(shù)據(jù)層、目標數(shù)據(jù)層和元數(shù)據(jù)層[24]。采用這種分層次管理數(shù)據(jù)的方式，可以滿足不同人員、不同研究目標的需求。

圖1 GeoDatabase模型建庫方法Fig.1 Establishment library way of GeoDatabase model

1)原始數(shù)據(jù)層:包括原始的航次報告、現(xiàn)場測量班報、室內(nèi)處理班報、資料處理與質(zhì)量評價報告等文檔材料;原始的導航數(shù)據(jù)、儀器現(xiàn)場記錄的不同格式的原始數(shù)據(jù)。

2)標準化數(shù)據(jù)層:按照有關標準和格式，具有標準命名、標準格式、修正了明顯錯誤的數(shù)據(jù)、從原始數(shù)據(jù)中提取或統(tǒng)計計算出的數(shù)據(jù)(如航跡數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)、測線長度、測線走向等信息)、解編后的數(shù)據(jù)等。

3)目標數(shù)據(jù)層:主要包括可直接利用的成果數(shù)據(jù)，包括鑲嵌圖數(shù)據(jù)、目標圖像數(shù)據(jù)、目標解譯信息和成果圖件等。

4)元數(shù)據(jù)層:元數(shù)據(jù)基本信息、概要信息、詳細信息。

3.1.2 數(shù)據(jù)類型

將側掃聲納調(diào)查獲取的數(shù)據(jù)分為以下幾個類型:

1)航次綜合信息:包括調(diào)查單位、調(diào)查項目、調(diào)查區(qū)域、調(diào)查區(qū)塊、調(diào)查船、調(diào)查時間、起止港口、首席科學家、采用的設備、測線數(shù)、測線長度等信息。

2)測線信息:包括測線號、數(shù)據(jù)文件名稱、采樣設備、記錄程序、數(shù)據(jù)標準、采樣間隔、采樣點個數(shù)、總Ping數(shù)、測線起始日期(時間)、測線結束日期(時間)、測線用時、測線起點經(jīng)緯度、測線終點經(jīng)緯度、水深、測線走向、斜距量程、覆蓋面積等。

3)原始測線數(shù)據(jù):包括測線號、數(shù)據(jù)文件名稱、采樣設備、記錄程序、數(shù)據(jù)標準、采樣間隔、采樣點個數(shù)、總Ping數(shù)、測線起始日期(時間)、測線結束日期(時間)、測線用時、測線起點經(jīng)緯度、測線終點經(jīng)緯度、水深、測線走向、斜距量程、覆蓋面積等。

4)鑲嵌圖:包括測線號、開始經(jīng)度、開始緯度、結束經(jīng)度、結束緯度、數(shù)據(jù)量、鑲嵌圖格式、圖像分辨率、投影參數(shù)、側掃聲納圖像解譯信息。

5)目標鑲嵌圖及解譯信息:包括測線號、經(jīng)度、緯度、數(shù)據(jù)量、鑲嵌圖格式、圖像分辨率、投影參數(shù)、側掃聲納圖像解譯信息。

6)航跡信息:包括經(jīng)度、緯度、日期、時間。

7)元數(shù)據(jù)信息。

3.1.3 數(shù)據(jù)分類

經(jīng)過綜合分析，將上述數(shù)據(jù)進行如下分類:

1)要素類信息:測線信息、原始測線數(shù)據(jù)、鑲嵌圖、目標鑲嵌圖、航跡信息、解譯信息。

2)對象類信息:航次綜合信息和元數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)庫模型的構建

按照上述的基于GeoDatabase模型建庫技術方法，在Micro viso2003中，利用 ESRI公司提供的 ArcInfo UML Model(Visio 2003).vst模型模板按照設計的側掃聲納數(shù)據(jù)庫結構進行要素類、對象類等各類模型設計，形成數(shù)據(jù)庫模型(見圖2)。導出成XML文件通過語義檢查后導入到GeoDatabase中，形成數(shù)據(jù)庫的邏輯模型。采用C++語言，開發(fā)了側掃聲納數(shù)據(jù)庫查詢檢索系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的圖形化查詢檢索、瀏覽等，如圖3所示。

圖2 側掃聲納數(shù)據(jù)庫模型Fig.2 Side scan sonar database model

圖3 圖形化查詢檢索界面Fig.3 Graphic inquiry search interface

4 結束語

本文通過分析側掃聲納各類數(shù)據(jù)的特點、相互關系及用戶需求，基于 ERSI公司推出的 GeoDatabase模型，采用UML和Case工具，后臺采用Oracle10g和ArcSDE建立側掃聲納數(shù)據(jù)庫，將側掃聲納調(diào)查過程中獲取的所有矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及經(jīng)過加工處理后的各類數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)分層次存儲在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，通過建立數(shù)據(jù)庫的空間關系、開發(fā)數(shù)據(jù)庫查詢檢索功能，建立標準化數(shù)據(jù)庫管理模式，滿足用戶對側掃聲納數(shù)據(jù)的多樣化查詢檢索和空間分析需求，實現(xiàn)側掃聲納數(shù)據(jù)的科學化、標準化和可視化管理。該方法已經(jīng)應用于我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項(908專項)側掃聲納調(diào)查數(shù)據(jù)的管理工作中，收到較好的效果。

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Design of Side Scan Sonar Database Based on GeoDatabase

HAN Chun-hua1，CHENG Fei1，ZHANG Jun-ming2，LIANG Jian-feng1
(1.National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China;2.Beijing TRUNCOM SYSTEM Co.Ltd.，Beijing 100039，China)

According to the features of side scan sonar data and demand analysis，a side scan sonar database on the background of Oracle10g and ArcSDE was designed by using UML and Case Tool and based on ERSI's GeoDatabase model.All kinds of data including vector data，grid attribute data，disposed data，result data and metadata were store in this database.Through realizing the special relation，developing the query function and realizing the standardized management，the user's demand for diversified query and special analysis was satisfied.Eventually，the scientific，standard and visual management was realized.

side scan sonar;GeoDatabase;database design

P 714+.7;P 208

A

1007－9394(2012)02－0016－03

2012－02－15

國家海洋局青年基金項目(18104002C);我國近海海洋綜合調(diào)查與評價專項(908－03)

韓春花(1979～)，女，朝鮮族，吉林梅河口人，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事海洋地質(zhì)信息管理、側掃聲納數(shù)據(jù)管理等方面的工作。