姚志祥 歐陽飚 吳建平 鄭秀芬 黃 靜 黎 明

1）中國地震局地球物理研究所，北京100081

2）中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029

（作者電子信箱，姚志祥：qdocyao＠126.com）

引言

“華北克拉通破壞”重大科學(xué)研究計(jì)劃通過資助流動(dòng)臺(tái)陣地震觀測和人工源地震探測剖面，以及與克拉通破壞相關(guān)的地質(zhì)和地球化學(xué)觀測等項(xiàng)目，開展對華北克拉通破壞有關(guān)的核心科學(xué)問題進(jìn)行多學(xué)科研究［1－2］。在該計(jì)劃實(shí)施過程中，產(chǎn)生了大量的包括天然地震、人工探測等類型的地球科學(xué)觀測數(shù)據(jù)，這些地球科學(xué)數(shù)據(jù)是認(rèn)識(shí)華北克拉通形成、演化理論的基礎(chǔ)與根據(jù)。因此，自然基金委借鑒國際上重大研究計(jì)劃建立相應(yīng)數(shù)據(jù)中心的經(jīng)驗(yàn)，在該計(jì)劃開始之初提出建立共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，安全科學(xué)地管理這些寶貴的數(shù)據(jù)［1］。通過共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，讓科研人員充分挖掘與應(yīng)用其中蘊(yùn)藏的大量信息，開展多學(xué)科科學(xué)研究［3］。

近年來，隨著大型數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Web－GIS技術(shù)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)據(jù)庫建設(shè)和數(shù)據(jù)共享提供了更加安全、有效、快捷的技術(shù)支撐。如GIS技術(shù)對具有空間屬性的數(shù)據(jù)圖形化表達(dá)，可以為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)可以充分利用相關(guān)技術(shù)［4－6］。另外，大型存儲(chǔ)等設(shè)備的更新?lián)Q代，也為海量數(shù)據(jù)的集中管理和服務(wù)提供了更好的條件。但數(shù)據(jù)量的增長對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務(wù)都提出更高的要求，因此，充分利用先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)極其重要。

1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與建庫

在“華北克拉通破壞”重大研究計(jì)劃支持的觀測項(xiàng)目中，有流動(dòng)臺(tái)陣地震觀測、人工地震探測、地質(zhì)和地球化學(xué)等觀測研究 ，數(shù)據(jù)類別繁多，數(shù)據(jù)量大，其中流動(dòng)臺(tái)陣地震觀測數(shù)據(jù)量最大，數(shù)據(jù)量達(dá)到幾個(gè)TB。因此，需要根據(jù)不同種類數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行劃分，按照相關(guān)專業(yè)規(guī)范建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。一般而言，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征可以把數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)之間具有一定的關(guān)系和條理性的數(shù)據(jù)體，可以用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行管理。如天然地震數(shù)據(jù)中臺(tái)站、通道、儀器響應(yīng)等信息數(shù)據(jù)，需要根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)交換格式SEED 建立庫表；人工探測數(shù)據(jù)的觀測點(diǎn)、炮點(diǎn)等信息數(shù)據(jù)需要根據(jù)國際SEGY 格式相關(guān)要求建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，而涉及的地質(zhì)、地球化學(xué)等巖石采樣及測定數(shù)據(jù)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是指不能夠用關(guān)系數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類描述的數(shù)據(jù)，主要包括文檔資料數(shù)據(jù)和一般數(shù)據(jù)表格文檔數(shù)據(jù)，對可以通過提取關(guān)系屬性信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的管理的數(shù)據(jù)，形成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)或索引，對于無法提取關(guān)系結(jié)構(gòu)的部分?jǐn)?shù)據(jù)使用文檔庫進(jìn)行管理。其中數(shù)據(jù)量最大的天然地震觀測數(shù)據(jù)以及人工探測數(shù)據(jù)的地震波形數(shù)據(jù)體，采用了標(biāo)準(zhǔn)格式的文件系統(tǒng)進(jìn)行管理和存儲(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)化的索引進(jìn)行管理。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)“華北克拉通破壞”重大研究計(jì)劃共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)分析處理與產(chǎn)品生成、數(shù)據(jù)圖形化展示及GIS導(dǎo)航、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份、門戶網(wǎng)站、用戶管理與權(quán)限認(rèn)證等方面的功能需求，采用Oracle大型數(shù)據(jù)庫技術(shù)，結(jié)合新的GIS技術(shù)對整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行了架構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)計(jì)的“華北克拉通破壞”重大研究計(jì)劃共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)整體架構(gòu)由“一個(gè)數(shù)據(jù)庫、一個(gè)門戶、兩個(gè)系統(tǒng)支撐平臺(tái)、四個(gè)專業(yè)應(yīng)用”構(gòu)成（圖1）。一個(gè)數(shù)據(jù)庫包括采取獨(dú)立數(shù)據(jù)庫、獨(dú)立用戶、獨(dú)立表空間的方式管理的四類數(shù)據(jù)，主要有地震數(shù)據(jù)（包括天然地震和人工探測數(shù)據(jù)）、地質(zhì)數(shù)據(jù)、地球化學(xué)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)支撐數(shù)據(jù)，這些專業(yè)數(shù)據(jù)、用戶與權(quán)限以及系統(tǒng)運(yùn)行所需要的支撐數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行系統(tǒng)管理。經(jīng)專業(yè)應(yīng)用、數(shù)據(jù)交換與共享應(yīng)用、GIS地理信息系統(tǒng)應(yīng)用、數(shù)據(jù)有效性保障應(yīng)用四個(gè)專業(yè)應(yīng)用，在系統(tǒng)權(quán)限管理平臺(tái)和系統(tǒng)運(yùn)營管理平臺(tái)兩個(gè)系統(tǒng)支撐平臺(tái)支撐下保證共享數(shù)據(jù)系統(tǒng)門戶的運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)功能模塊

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能從邏輯上可以分為系統(tǒng)支撐功能部分、地震等相關(guān)數(shù)據(jù)管理功能部分、用戶及權(quán)限管理功能部分、有關(guān)數(shù)據(jù)共享的應(yīng)用及接口處理部分以及附屬工具，各功能部分承擔(dān)不同的系統(tǒng)任務(wù)（圖2）。根據(jù)具體承擔(dān)的任務(wù)劃分，功能模塊主要包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)共享、Web GIS、信息發(fā)布等主體模塊，這些主體模塊由若干程序模塊組成，程序模塊又由若干一級、二級程序子模塊組成，分別完成各自獨(dú)立的功能。如數(shù)據(jù)共享模塊包括流動(dòng)臺(tái)、固定臺(tái)的連續(xù)波形和事件波形數(shù)據(jù)共享服務(wù)、人工地震探測數(shù)據(jù)、地質(zhì)與地球化學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)，及其有關(guān)的數(shù)據(jù)處理格式轉(zhuǎn)換等程序子模塊。共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有18個(gè)程序模塊，47個(gè)一級子程序模塊和50個(gè)二級子程序模塊。

圖2 系統(tǒng)功能邏輯模塊基本構(gòu)成圖

3 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)體系

“華北克拉通破壞”重大研究計(jì)劃共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是對海量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用的綜合性平臺(tái)，考慮到系統(tǒng)的高開放性和高可維護(hù)性，系統(tǒng)采用成熟的B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格遵循J2EE 的MVC（模型層（model）、視圖層（view）、控制器層（Controller））三層架構(gòu)模式（如圖3）。在數(shù)據(jù)庫技術(shù)方面，考慮到系統(tǒng)將面對海量數(shù)據(jù)的處理及對數(shù)據(jù)高安全性的要求，系統(tǒng)選用大型Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)。應(yīng)用服務(wù)技術(shù)方面，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)負(fù)載、運(yùn)行效率和跨平臺(tái)性等方面實(shí)際需求，系統(tǒng)選用Java語言及部分基于Java語言的成熟程序開發(fā)框架作為系統(tǒng)后臺(tái)程序的開發(fā)基礎(chǔ)。同時(shí)，針對具有空間特性的數(shù)據(jù)，開發(fā)基于Flex技術(shù)的Web GIS 可視化應(yīng)用，部分子模塊采用GIS地圖操作觸發(fā)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)應(yīng)用。在客戶端技術(shù)方面，系統(tǒng)采用先進(jìn)的RIA（Rich Internet Application）的理念及相關(guān)成熟可靠的Flex 等開發(fā)技術(shù)，使表現(xiàn)力、通信與網(wǎng)絡(luò)效率和交互性更強(qiáng)。

圖3 程序開發(fā)設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

4 結(jié)語

針對“華北克拉通破壞”重大研究計(jì)劃有關(guān)觀測數(shù)據(jù)的類型和特點(diǎn)，結(jié)合在數(shù)據(jù)管理和共享以及系統(tǒng)整體性能方面的實(shí)際需求，對共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用了大型Oracle數(shù)據(jù)庫和Arc GIS等計(jì)算機(jī)新技術(shù)，通過對數(shù)據(jù)庫層、系統(tǒng)與專應(yīng)用層合理設(shè)計(jì)，采用成熟的B/S結(jié)構(gòu)和J2EE的MVC 三層架構(gòu)模式，結(jié)合Flex和RIA 新技術(shù)和理念，選用Java語言進(jìn)行開發(fā)。這些計(jì)算機(jī)新技術(shù)的應(yīng)用，保證了已建成的共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理和共享服務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)系統(tǒng)具有高開放性和高可維護(hù)性，客戶端方面表現(xiàn)力、交互性、以及便捷性更好。

［1］國家自然科學(xué)基金委員會(huì).國家自然科學(xué)基金《華北克拉通破壞》重大研究計(jì)劃2007年項(xiàng)目申請指南.2007

［2］朱日祥，徐義剛，朱光，等.華北克拉通破壞.中國科學(xué)：地球科學(xué)，2012，42（8）：1135－1159

［3］孫樞.地球數(shù)據(jù)是地球科學(xué)創(chuàng)新的重要源泉—從地球科學(xué)談科學(xué)數(shù)據(jù)共享.中國基礎(chǔ)科學(xué)，2003（1）：19－23

［4］王卷樂，游松財(cái)，謝傳節(jié)，等.面向Web的地學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì).地球信息科學(xué)，2004，6（4）：62－65

［5］郭騰云，陳小鋼，吳紹洪，等.基于Web GIS的空間數(shù)據(jù)共享解決方案.科技導(dǎo)報(bào)，2004（3）：17－20

［6］歐少佳，許惠平，陳華根，等.中國巖石圈數(shù)據(jù)模型總體設(shè)計(jì).地球?qū)W報(bào)，2005，26（3）：265－270