基于C/S模式的海洋测深数据管理系统

梅赛，高金耀，赵铁虎，杨春国，杨勇

（1. 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室，山东 青岛 266071；2. 青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071；3. 国家海洋局第二海洋研究所 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012）

基于C/S模式的海洋测深数据管理系统

梅赛1,2，高金耀3，赵铁虎1,2，杨春国3，杨勇3

（1. 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室，山东 青岛 266071；2. 青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071；3. 国家海洋局第二海洋研究所 海底科学重点实验室，浙江 杭州 310012）

随着海洋调查数据不断积累，如何对处于分散状态的数据进行有效的管理和整合，以提高数据利用效率和共享程度，成为“数字海洋”首先需要关心解决的问题。根据中国近海“数字海洋”信息基础框架构建的总体需求，按照“数字海底”“产品－航次－测线－点”的数据组织结构，设计开发海洋测深基础数据库。以此数据库为基础，开发数据标准化模块、数据库管理模块和数据查询模块。应用该软件对积累的多波束测深数据进行处理，实现多波束测深数据面向产品加工和基于数据库的有效管理。

数字海洋；数据管理；多波束测深；ArcGIS Engine；ArcGIS GeoDataBase

1 前 言

自从20世纪90年代中国引进多波束勘测仪器以来，多波束的应用在中国得到迅猛地发展，被广泛应用于大洋多金属结核调查、近海大陆架调查、光缆路由勘测和河道的测量等。随着测深数据量的急剧增长，如何对海量测深数据进行有效的存储和管理，成为海洋信息技术领域一个亟待解决的关键问题。

国外方面，加拿大Universal System公司开发的CARIS Bathy DataBASE软件系统，将水深测量数据和成果数据在数据库环境下进行管理[1-3]，但是难以满足海洋研究开发和管理对地形、地球物理和地质数据综合管理和展示的需求。国内方面，多波束测深技术在格式转换、数据纠错滤波、数字地面模型构建、误差分析等数据处理方面取得了许多成果[4-9]，但对于多波束数据处理和管理，仍基本上基于文件的方式进行。为实现多波束测深数据基于数据库的更为有效管理，本文开发数据标准化、数据管理和数据查询模块，实现不同数据格式标准化、数据库批量导入和交互式查询。

2 系统设计

2.1 数据分类和特点

“数字海底”建设的一个重要目的是实现对海底调查数据有效合理的存储和管理以及满足海洋领域相关应用需求[10]，为实现这个目的就必须有一个较完善的数据体系。根据数据表达的内容，本文将海底调查数据分为基础数据、成果数据和数据产品。基础数据是指海上勘查阶段所采集到的数据信息、辅助数据及其元数据信息；海洋调查采集到的原始数据通常不能直接拿来进行海底特征的评价和分析，需要利用各种专业技术和方法进行处理，生成能够反映海底特征的成果数据；网格数据和各类成果图件一般是各类调查项目验收的重要部分，我们将这类数据归为数据产品。这3类数据按照一般用户对“产品－航次－测线－点”的查询方式进行组织。

国家海洋局颁布的《海洋环境基础数据库标准》将多波束数据分为航次信息、测线信息、多波束成果水深表头信息、多波束成果水深数据信息、多波束水深网格数据、声速剖面表头信息、声速剖面数据信息、潮位表头信息和潮位数据信息[11]。按照本文对海底调查数据的分类，其中的测线信息数据作为成果数据，其他数据都作为基础数据。

2.2 系统总体架构

系统的总体架构如图1所示，海洋测深数据库分为基础数据库和成果数据库，分别存储测深基础数据和成果数据，对于基础数据，利用Oracle关系数据库进行管理，对于成果数据，则采用 ArcGIS软件的面向对象的空间数据模型（GeoDataBase），通过空间数据库引擎ArcSDE应用服务器建立客户端与数据库的连接。用户层分为3个部分，分别是数据标准化、数据管理和数据查询，用户通过测深数据标准化可以实现对测深数据的解析和数据挖掘，为测深数据导入数据库做预处理工作；数据管理部分的功能是将标准化以后的数据批量导入数据库，用户在桌面客户端可以实现对基础数据和成果数据的查询和检索。

图1 系统总体架构Fig. 1 Overall system architecture

2.3 数据库设计

数据库设计过程中综合考虑3方面的需求：第一，充分考虑“数字海底”发展的需求，测深数据库的设计应考虑到数字海底的总体架构；第二，从数据管理者的角度来说，需要为外界提供数据，数据结构设计应方便对数据的管理、存储和查询。因此需要对航次信息和项目信息有较完备的体现；第三，满足研究需求，不仅要为测深数据处理提供必要基础数据，如声速剖面数据、潮汐数据和原始数据，同时为海洋学研究提供地形成果和产品数据（如离散点水深数据、网格地形数据等）。依据于以上3方面的需求，我们在数据库设计过程中，提出“产品－航次－测线－点”的数据基本结构，使得用户可以根据这条主线，方便的查询所需要的数据信息。多波束测深数据E-R如图2所示。

图2 多波束数据ER图Fig. 2 Multi-beam data E-R diagram

3 主要功能模块

3.1 数据标准化

实践中发现由于多波束数据采集时间、采集航次、采集仪器等不同，导致原始数据文件名命名格式不统一，同时多波束原始数据信息量较多，且多以二进制格式保存，这些都为基于数据库的数据管理方式带来困难。数据标准化的目的就是将不同格式的数据转化成标准格式，具体的数据标准化流程如图3所示。

图3 数据标准化流程Fig. 3 Data standardization flow

从历史多波束测深数据中获取测线信息是一个数据挖掘的过程，在这个过程中生成标准测线文件，并且确定测线和原始数据文件的对应关系。标准测线文件包含信息有：序号、测线名称、起始时间、终止时间、起始经度、起始纬度、终止经度、终止纬度、航向、航速、长度、点数。如图4所示，标准测线文件的生成过程包括：

i. 按照数据采集的起始与终止时间，规范原始多波束数据文件的文件名；

ii. 从原始数据中导出中央波束点的位置信息；

iii. 投影显示中央波束点分布；

iv. 根据中央波束数据在的分布情况，确定每条测线起始与终止的位置信息和时间信息；

v. 根据测线起始与终止的位置信息和时间信息，对原始数据文件进行自动分割，使得分割以后的原始数据完全处于某条测线内或者完全处于两条测线中间的部分；

vi. 结合原始数据文件中包含的其他信息，获取标准测线文件，同时确定测线和原始数据文件的对应关系。

图4 标准测线文件处理流程Fig. 4 Standard measuring line file processing

3.2 数据库管理

数据库管理模块的主要功能是将标准化数据导入测深数据库，对于基础数据的导入（如图5所示），需要区分不同的数据类型，对于测线信息，将文本格式的航迹线记录数据转为 ArcGIS GeodataBase 格式的线要素（如图6所示）。

图5 基础数据导入Fig. 5 Basic data import

图6 航迹线生成Fig. 6 Track line generated

3.3 数据查询

基于ArcGIS Engine海洋测深数据的查询分为2个部分：区域查询方式和测线查询方式。区域查询中，可以查询感兴趣区域的航次信息、声速剖面信息（如图7所示）和网格数据的相关信息。航次信息查询显示的是所选测线的相关航次信息，包括的信息：航次编号、航次名称、项目名称、项目负责人、调查单位、首席科学家、测量船、测量区域、经纬度范围、开始时间、结束时间、出发港口、返回港口、导航软件、定位精度、测量精度、传感器、高程基准、坐标系统。还可根据需要，将查询的航次数据信息导出为文本格式的文件。

图7 声速剖面信息Fig. 7 Sound speed profile information

测线查询中，可以查询感兴趣区域的测线信息、测点信息和测线对应的原始数据相关信息。对于感兴趣区域的测线查询方式如图8所示，可查询的信息包括测线信息、测点信息和原始数据信息。测线信息显示的是所选测线的元数据信息，包括的信息：测线名、起点经度、终点经度、起点纬度、终点纬度、起始时间、结束时间、公里数、航向、航速、测量点数、航次名称。与所选测线相关的原始多波束数据文件元数据信息（如图9所示）包括：起点经度、起点纬度、终点经度、终点纬度、起始时间、结束时间、文件名称、文件存储位置、文件格式、数据量。测点信息查询的是所选测线所包含的测量点的信息（如图10所示），包括：经度、纬度、水深、测线名。

图8 测线查询方式Fig. 8 Measuring line inquiry mode

图9 原始数据文件元信息Fig. 9 Original data file meta information

图10 测点信息Fig. 10 Measuring point information

4 结 论

本文借助于ArcGIS的空间数据库技术，实现了海洋测深数据由基于文件的管理方式到基于数据库的管理方式的转变，有利于数据的共享和利用效率的提高。利用以上模块对实测多波束数据进行处理和管理，实现了由成果数据到基础数据的查询，以及由多波束测深原始数据到 ArcGIS空间数据库的无缝衔接。该方法有利于充分利用 ArcGIS强大的分析、管理和显示功能，为在统一的ArcGIS环境下对海洋地质、地球物理的综合管理和分析打下基础。

[1] Andrew H. Ping-to-Chart： Sonar Data for Sea Floor Mapping [J].GeoInformatics, 2009, 12(1)： 11-14.

[2] Andrew G, Bill R. User Guide for GeoMap App version 2 [M].Columbia： Columbia University, 2009.

[3] Val S, Dale C, Dave C. The MB-System(TM) Cookbook [M].Monterey： Monterey Bay Aquarium Research Institute, 2006.

[4] 李家彪. 多波束勘测原理技术与方法 [M]. 北京： 海洋出版社,1999.

[5] 黄谟涛, 翟国君, 欧阳永忠. 多波束与单波束测深数据的融合处理技术 [J]. 海洋学报, 2001, 30(4)： 299-303.

[6] 高金耀, 金翔龙, 吴白银. 多波束数据的海底数字地形模型构建[J]. 海洋通报, 2003, 22(1)： 30-38.

[7] 高金耀, 方银霞, 徐赛英. 原始多波束数据的格式转换与统一[J]. 海洋通报, 2002, 21(6)： 68-74.

[8] 阳凡林, 刘经南, 赵建虎. 多波束测深数据的异常检测和滤波[J]. 武汉大学学报, 2004, 29(1)： 80-83.

[9] 陆秀平, 黄谟涛, 翟国君, 等. 多波束测深数据处理及管理系统设计与开发 [J]. 海洋测绘, 2006, 26(6)： 1-5.

[10] 李四海, 张峰, 刘振民. 海洋环境数据业务化处理与应用原型系统 [J]. 海洋通报, 2007, 26(3)： 81-86.

[11] 国家海洋局908专项办公室. 海洋环境基础数据库标准(修订稿)[M]. 北京： 国家海洋局908专项办公室, 2008.

A bathymetry data management system based on Client/Server Mode

MEI Sai1,2, GAO Jin-yao3, ZHAO Tie-hu1,2, YANG Chun-guo3, YANG Yong3

(1. Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resource and Environmental Geology, MLR , Qingdao 266071, China; 2. Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China; 3. Key Laboratory of Submarine Geosciences, Second Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Hangzhou 310012, China)

With the accumulation of marine survey data, how to manage and integrate dispersed data effectively is becoming the primary problem of "Digital Ocean". According to the overall demand for information infrastructure framework of State "Digital Ocean" project, we designed and developed the marine bathymetry database with the"digital sea" "products-voyage-measure line-point" data structure. Based on this database, we developed data standardization module, database management module and the data query module. The effective management of multi-beam sounding data based on the database was achieved by using this software.

digital ocean; data management; multi-beam sounding; ArcGIS Engine; ArcGIS GeoDataBase

P229.1

A

1001-6932(2011)04-0361-06

2010-10-27；

2011-03-11

我国近海海洋综合调查与评价专项（908-ZC-I-06；908-03-05-07）。

梅赛（1985—），男，山东济宁人，硕士，研究实习员，主要研究方向为海洋地质。电子邮箱：meisai2000@163.com。