楊 翼，路文海，付瑞全，向先全，劉 捷

（1．天津科技大學(xué) 天津 300222；2．國(guó)家海洋信息中心 天津 300171）

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與建設(shè)*

楊 翼1，2，路文海2，付瑞全2，向先全2，劉 捷2

（1．天津科技大學(xué) 天津 300222；2．國(guó)家海洋信息中心 天津 300171）

國(guó)家、海區(qū)、?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）、市、縣等五級(jí)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)每年在執(zhí)行多種海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)，將產(chǎn)生海量的用于反映全海域環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)、環(huán)境狀況等類別的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)這多源異構(gòu)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，文章在總結(jié)前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)海洋環(huán)境業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行梳理、數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，創(chuàng)新設(shè)計(jì)構(gòu)建了能滿足各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)全國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一高效管理，以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享及應(yīng)用服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

1 引言

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)是海洋環(huán)境保護(hù)的“耳目”和“尺子”，是一切海洋保護(hù)工作的基礎(chǔ)，其根本任務(wù)是掌握海洋環(huán)境污染的狀況和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，評(píng)價(jià)海洋環(huán)境質(zhì)量，為制定國(guó)家海洋環(huán)境保護(hù)政策提供基礎(chǔ)依據(jù)［1－2］。在中央和沿海各級(jí)政府的支持下，現(xiàn)已形成了國(guó)家、海區(qū)、?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）、市、縣五級(jí)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，在我國(guó)管轄的300萬(wàn)km2海域開展岸基站、船舶、飛機(jī)、衛(wèi)星、浮標(biāo)、雷達(dá)等多種手段監(jiān)測(cè)工作［3］。隨著時(shí)間的推移，由海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)所產(chǎn)生的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型不斷豐富，數(shù)量也呈幾何級(jí)增長(zhǎng)和更新，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)迫在眉睫。

為加強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理與服務(wù)共享，有關(guān)單位在各自的研究或應(yīng)用領(lǐng)域積極開展了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與構(gòu)建嘗試［4－5］。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用需求，對(duì)全國(guó)海洋環(huán)境業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行梳理，對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，設(shè)計(jì)通用性較強(qiáng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，開發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，來對(duì)多源異構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化管理，向應(yīng)用系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、高效的數(shù)據(jù)支持，從而促進(jìn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享與應(yīng)用服務(wù)。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源

2.1 監(jiān)測(cè)任務(wù)

為全面掌握我國(guó)管轄海域的環(huán)境狀況及變化趨勢(shì)，科學(xué)、客觀地評(píng)價(jià)海洋環(huán)境質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境質(zhì)量與趨勢(shì)清楚、對(duì)主要的污染源清楚、對(duì)潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)清楚，我國(guó)每年都會(huì)開展任務(wù)多樣的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，以實(shí)現(xiàn)不同的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

以《2012年海洋監(jiān)測(cè)工作任務(wù)》［6］為例，實(shí)施的監(jiān)測(cè)工作共包括環(huán)境狀況、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境監(jiān)管與公益服務(wù)等四大類25項(xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)（表1）。其中，環(huán)境狀況是針對(duì)全海域環(huán)境質(zhì)量而開展的監(jiān)測(cè)，旨在把握我國(guó)海域環(huán)境質(zhì)量狀況及演變趨勢(shì)；環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是針對(duì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域及突發(fā)性污染事故區(qū)域而開展的監(jiān)測(cè)，旨在識(shí)別我國(guó)海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源；環(huán)境監(jiān)管是針對(duì)敏感海域或重要海洋功能區(qū)而開展的監(jiān)測(cè)，旨在分析把握敏感海域或重要功能區(qū)環(huán)境變化與影響及入海污染源狀況；公益服務(wù)是針對(duì)與公眾健康密切相關(guān)的海域而開展的監(jiān)測(cè)，旨在保障公眾的健康安全。

表1 2012年海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)分類

2.2 監(jiān)測(cè)要素

從表1可以看出，各監(jiān)測(cè)任務(wù)由于承擔(dān)的監(jiān)測(cè)目標(biāo)不同，所涉及的監(jiān)測(cè)要素也就各不相同。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用角度考慮，可以將監(jiān)測(cè)要素分為以下3類。

（1）環(huán)境質(zhì)量要素，有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以評(píng)價(jià)環(huán)境狀況等級(jí)的要素，如海水水質(zhì)、沉積物質(zhì)量、生物質(zhì)量等。

（2）生態(tài)系統(tǒng)要素，用于分析評(píng)價(jià)生物種類、分布、數(shù)量及變化狀況，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成的要素，如浮游植物、浮游動(dòng)物、珊瑚礁群落等。

（3）環(huán)境狀況要素，用于反映海洋生態(tài)環(huán)境構(gòu)成或人為活動(dòng)影響或其他相關(guān)的要素，即除一、二類以外的監(jiān)測(cè)要素，如水文氣象、水深、二氧化碳分壓等。各監(jiān)測(cè)要素由不同的監(jiān)測(cè)參數(shù)組成，同一監(jiān)測(cè)要素的不同監(jiān)測(cè)參數(shù)值就組成了用于分析評(píng)價(jià)的監(jiān)測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)，所以監(jiān)測(cè)參數(shù)值是組成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的最小單元。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)原則

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)采用“面向數(shù)據(jù)”的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法與E－R建模技術(shù)，除堅(jiān)持分類存儲(chǔ)、建立關(guān)聯(lián)、降低冗余、清除潛在的不一致性等基本原則外［7］，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自身的特點(diǎn)，還將考慮以下原則。

（1）數(shù)據(jù)的共享性原則。兼顧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析與共享利用需求，可方便不同應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)用。

（2）數(shù)據(jù)的獨(dú)立性原則。數(shù)據(jù)的組織與析取主要依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)性質(zhì)和被利用價(jià)值所決定，不受單項(xiàng)應(yīng)用所左右。

（3）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)充性原則。在應(yīng)用需求發(fā)生變化時(shí)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)能適應(yīng)新數(shù)據(jù)類和新數(shù)據(jù)項(xiàng)的擴(kuò)充。

（4）數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性原則。對(duì)由于各監(jiān)測(cè)要素組成的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，必須實(shí)現(xiàn)各要素?cái)?shù)據(jù)及基本信息數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)之間充分利用關(guān)聯(lián)，才能降低數(shù)據(jù)庫(kù)冗余、清除不一致性。

（5）數(shù)據(jù)之間相互約束原則。在不少數(shù)據(jù)小類之間，均有一些數(shù)據(jù)項(xiàng)（字段），分屬不同的表，描述的對(duì)象卻可能相同，數(shù)據(jù)之間有約束關(guān)系。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)總體設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)主要針對(duì)通過海洋環(huán)境業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫(kù)能夠以標(biāo)準(zhǔn)的格式對(duì)多源、異構(gòu)、海量的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行錄入和存儲(chǔ)，并且能夠有效地檢索數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)來自客戶端的數(shù)據(jù)共享請(qǐng)求。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，包括基本信息庫(kù)、監(jiān)測(cè)要素庫(kù)和元數(shù)據(jù)庫(kù)3部分?；拘畔?kù)用于反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的來源地；監(jiān)測(cè)要素庫(kù)用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，涉及的監(jiān)測(cè)要素有近40項(xiàng)；元數(shù)據(jù)庫(kù)用于反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的提供方及質(zhì)控過程信息。三者通過關(guān)鍵字段相互關(guān)聯(lián)，確保了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的緊密性和可約束性。

圖1 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)總體設(shè)計(jì)框架

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)分析是數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，也是數(shù)據(jù)庫(kù)程序開發(fā)的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)分析包括兩部分：一是概念模型設(shè)計(jì)，即E－R分析；二是邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即表與字段的分析［8］。在數(shù)據(jù)庫(kù)分析的基礎(chǔ)上，可能通過數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，如SQL Server、Oracle、Sybase、Access等，來構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)，滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)概念設(shè)計(jì)。進(jìn)行E－R分析首先要確定數(shù)據(jù)庫(kù)中的各種實(shí)體，并分析它們的屬性和它們之間的關(guān)系，然后畫它們的E－R圖。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，有監(jiān)測(cè)站位、監(jiān)測(cè)任務(wù)、監(jiān)測(cè)區(qū)域等基本信息實(shí)體，有海水水質(zhì)、水文氣象、沉積物質(zhì)量、浮游植物、浮游動(dòng)物等近40項(xiàng)監(jiān)測(cè)要素實(shí)體（表1），有跟蹤數(shù)據(jù)來源的報(bào)表信息，即元數(shù)據(jù)實(shí)體。通過分析各實(shí)體之間的關(guān)系可以看出，監(jiān)測(cè)要素實(shí)體是用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)體，也是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的主體，通過與基本信息實(shí)體、元數(shù)據(jù)實(shí)體關(guān)聯(lián)，可反映數(shù)據(jù)的空間位置及來源。利用業(yè)界排名第一的數(shù)據(jù)建模和應(yīng)用設(shè)計(jì)工具Sybase公司的Power Designer［9］軟件開展數(shù)據(jù)庫(kù)E－R分析。在進(jìn)行實(shí)體關(guān)系圖設(shè)計(jì)時(shí)，要著重考慮的是實(shí)體的屬性和主鍵等因素，考慮同一監(jiān)測(cè)要素要滿足多個(gè)監(jiān)測(cè)任務(wù)的管理需求。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即表與字段分析，是建立在數(shù)據(jù)庫(kù)E－R圖的基礎(chǔ)上，通過該E－R圖可以確定數(shù)據(jù)庫(kù)中所有的表及其字段。表與字段分析后就可以建立數(shù)據(jù)庫(kù)模型。同樣利用Power Designer自帶的工具產(chǎn)生表和字段并建立數(shù)據(jù)庫(kù)模型，可減輕建庫(kù)工作量并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。各表的字段參數(shù)名和字段類型、長(zhǎng)度、是否空值以及表的主鍵、關(guān)聯(lián)字段應(yīng)在此階段予以確認(rèn)。需要說明的是，由于同一監(jiān)測(cè)要素可分配給多個(gè)監(jiān)測(cè)任務(wù)執(zhí)行，但每個(gè)監(jiān)測(cè)任務(wù)中該監(jiān)測(cè)要素的監(jiān)測(cè)參數(shù)不一定相同，所以監(jiān)測(cè)要素表字段需要基于監(jiān)測(cè)任務(wù)所確定的監(jiān)測(cè)參數(shù)，采用去重追加的方法來確定。

（3）監(jiān)測(cè)要素表結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。監(jiān)測(cè)要素表的構(gòu)建，可以有兩種方式：一是將參數(shù)名作為字段，即站位編號(hào)＋任務(wù)編號(hào)＋區(qū)域編碼＋監(jiān)測(cè)日期＋參數(shù)名1＋參數(shù)名2＋…＋n的方式來構(gòu)建的二維表；二是將參數(shù)名作為記錄，即站位編號(hào)＋任務(wù)編號(hào)＋區(qū)域編碼＋監(jiān)測(cè)日期＋參數(shù)名＋參數(shù)值＋參數(shù)單位的方式來構(gòu)建二維表。

比較這兩種表結(jié)構(gòu)，可以看出方式二不需要考慮監(jiān)測(cè)要素所涉及的參數(shù)，也不需要將各參數(shù)單位統(tǒng)一，便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；但建庫(kù)的目的不只是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還要考慮數(shù)據(jù)的應(yīng)用，所以方式二在應(yīng)用方面存在的弊端包括：①數(shù)據(jù)參數(shù)名與單位需要標(biāo)準(zhǔn)化處理；②數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)時(shí)，需要格式轉(zhuǎn)換，即換成方式一的形式才能直觀表達(dá)出監(jiān)測(cè)或評(píng)價(jià)結(jié)果，海量數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，效率一般極低；③方式二會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)記錄成倍增長(zhǎng)，是方式一的n倍，也極易產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余［10］，相對(duì)于方式一來說，參數(shù)名與參數(shù)單位冗余，假設(shè)監(jiān)測(cè)參數(shù)有n個(gè)，2個(gè)冗余，數(shù)據(jù)冗余度r＝2／（n＋4）。一般情況下，n≤10，即r＞14%，這種結(jié)構(gòu)冗余度比較大。

方式一在數(shù)據(jù)入庫(kù)前，必需先做數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理與質(zhì)控，以保障數(shù)據(jù)質(zhì)量；應(yīng)用時(shí)，不需要格式轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)記錄數(shù)和數(shù)據(jù)冗余也明顯優(yōu)于方式二，所以監(jiān)測(cè)要素表應(yīng)采用方式一來構(gòu)建。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)構(gòu)建。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是面向用戶的，而物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是面向計(jì)算機(jī)的。數(shù)據(jù)庫(kù)在物理設(shè)備上的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存取方法等就稱為數(shù)據(jù)庫(kù)的物理結(jié)構(gòu)。本文采用Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行建設(shè)。SQL Server是微軟的企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，它功能強(qiáng)大，圖形化管理工具使得在SQL Server中管理服務(wù)器變得非常容易，可以支持字符型、整型、浮點(diǎn)型等常規(guī)數(shù)據(jù)類型以及影像、音頻、視頻等二進(jìn)制大對(duì)象（BLOB）［11］。利用數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件的“新建數(shù)據(jù)庫(kù)”和“新建表”兩個(gè)命令按鈕，創(chuàng)建監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)表，并設(shè)置數(shù)據(jù)應(yīng)用分析所需要的視圖、存儲(chǔ)過程以及觸發(fā)器、函數(shù)等。由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的單位多，涉及的數(shù)據(jù)量大，為避免監(jiān)測(cè)要素表中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入，需要對(duì)各要素表進(jìn)行關(guān)鍵字段約束，以水質(zhì)為例，約束字段包括任務(wù)編碼、區(qū)域編碼、站位編號(hào)、監(jiān)測(cè)時(shí)期、層號(hào)。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

一般的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)可以通過兩種方式來訪問數(shù)據(jù)庫(kù)：通過數(shù)據(jù)庫(kù)軟件客戶端和自主開發(fā)的客戶端［12］。本文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用C＃結(jié)合Developer Express［13］出品的．NET窗體構(gòu)成控件開發(fā)客服端。C＃提供了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，可快捷、方便，靈活地開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，而Developer Express出品的．NET窗體控件，可以給用戶提供操作便捷、數(shù)據(jù)表單顯示清晰的工具，滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入、刪除、編輯、修改、查詢、導(dǎo)出、統(tǒng)計(jì)、空間范圍查詢等功能需求。

數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的目的除滿足監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理外，還得讓數(shù)據(jù)看得見、摸得著，實(shí)現(xiàn)共享服務(wù)。本文利用已構(gòu)建的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，在“海洋環(huán)境保護(hù)管理綜合信息系統(tǒng)”中開發(fā)了3種WEB方式的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢，即任務(wù)查詢、要素查詢、組織單位查詢，實(shí)現(xiàn)了查詢結(jié)果顯示、及與空間定位的互聯(lián)互動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足對(duì)全國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一高效的管理的應(yīng)用需求，本文基于Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，并針對(duì)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)量龐大，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)訪問效率低的問題，對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和構(gòu)建，降低了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)冗余，提高了查詢性能。目前，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)及共享服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)建成，并通過“海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)”投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行，為各級(jí)海洋行政管理部門、科研人員提供了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享服務(wù)，為各專題應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，促進(jìn)了海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的開展，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的使用價(jià)值。

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