服务于大型综合地学科研项目的在线数据支撑平台

阚瑷珂 ,朱利东,汤 晶,龚建辉,黄青伦,胡 滨,王成善

1)成都理工大学沉积地质研究院,四川成都 610059;2)成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室,四川成都 610059;3)四川省遥感信息测绘院,四川成都 610100;4)中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

国家投入的众多地学研究计划产生的科学数据,既是研究成果的组成部分,又是科技创新的重要基础(孙枢,2003)。以科学数据为载体的地学信息资源,其复杂性充分反映了地学研究对象所表现的长时间、大尺度、综合性特征。因此,大型综合地学科研项目的管理离不开现代信息技术的支撑。

当前,地学数据管理和共享服务手段正随着数据库技术、Web服务技术和地理信息技术的更新不断发生变化(高锐等,2001;诸云强等,2006;韩露等,2006;凌晓良等,2007;张金区等,2010;陈郑辉等,2011;董树文等,2011)。例如,国家973计划资源环境领域项目的数据类型具有典型的学科广泛性和格式多样性,且大多具备时空属性。2008年,国家科技部在“地球系统科学数据共享平台”(王卷乐等,2006;刘润达等,2007;诸云强等,2009a,b,2010)的基础上,成立了专门的数据汇交管理中心(王卷乐等,2009a,b),并将数据汇交与共享工作纳入 973项目验收的考核指标,在基础研究领域具有重要的示范意义。同时,为建立面向项目内部的数据汇交、管理和共享实施机制,有必要建立针对项目自身运行管理需要和数据产出特色的在线数据支撑平台。本文以973项目“白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”(编号:2006CB701400)为例,研究并应用Web Services技术与地理信息技术建立服务于大型综合地学科研项目数据汇交、管理与共享的信息平台。

1 数据分类与汇交机制

1.1 项目数据分类

973项目“白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”(王成善,2006,2007)分为6个课题,涉及8家主要承担单位和数十名骨干研究人员,在历时5年研究之后于2010年通过结题验收。项目产生的数据类型总体上分为测试分析原始数据、松科1井数据、实测剖面、白垩纪地层剖面、项目管理数据5大类。表1、图2、表2分别展示了数据分类结构、亚类结构及其元数据列表。

根据本项目实际情况,考虑各课题组数据汇交和管理的方便性,尽可能少占用课题组额外的数据整理时间;并充分参照相关标准,扩展了 973项目数据汇交中心提供的元数据模板,针对科学数据共享价值较大的测试分析原始数据制定了表2描述的元数据列表。

1.2 数据汇交机制

项目确立了由首席科学家和课题负责人主管数据质量控制,“课题-项目”两级数据汇交联络员和项目办公室负责具体实施的数据汇交机制(图2)。在项目的生命周期末,由课题数据汇交联络员对本课题产生的各类原始数据和运行管理文档按照预定的汇交规范和流程进行收集和统计,再分别提交课题负责人审核和项目办公室汇总。最后统一上报项目数据汇交联络员,经整理入库后提交首席科学家审核。本项目汇交的有效数据文件共 29958个,总计21.3 G。

表1 项目数据总体分类Table 1 Overall classification of project data

图1 项目数据亚类结构图Fig.1 Sub-class structure diagram of project data

表2 元数据列表Table 2 Meta data list

图2 数据汇交机制Fig.2 Data archiving mechanism

2 平台设计与开发

平台框架按照数据、功能、用户3类视图进行组织设计(图3)。

2.1 数据视图

图3 平台框架设计Fig.3 Design for platform framework

包括测试分析数据库、实测剖面数据库、白垩纪地层剖面数据库、松科1井数据库、项目管理数据库、元数据库六类数据汇交子库(表 1、图 1、表2)。测试分析数据库,存储第一、二、五、六课题在进行测试分析实验时使用的原始数据,划分为10大类,近60个亚类。实测剖面数据库存储了野外工作中的剖面位置、实测单位、人员等基本信息和剖面记录内容。白垩纪地层剖面数据库集成了本项目专题“中国陆相白垩纪古气候与古地理数据库”中录入的 709条地层剖面的空间坐标和资料来源,岩石组与岩石地层、岩性描述等信息。松科1井数据库存储第三、四、五课题对钻井工程施工记录和测试分析产生的各类数据、照片和文档,划分为9大类,近50个亚类。项目管理数据库以资料归档为主,存储项目运行以来召开的各类国际会议、学术讨论会、项目年会等产生的汇报多媒体、会议纪要和照片,项目和各课题的年度报告和简报,历年发表的论文清单。元数据库由汇交数据的主研人员填写数据集的元数据模板后提交汇总入库。

数据视图中的部分信息含带空间坐标,为与平台中的 GIS服务器实现数据交互,各子库均采用ESRI File Geodatabase企业级地理空间数据库的存储管理模式。数据文件除基于Geodatabase模型的矢量、栅格、表格等 GIS文件外,还包括后缀名为.doc,.txt,.xls,.jpg,.cdr,.tif,.dat,.raw,.d,.sdd,.sta,.stw,.inf,.idx,.itf,.exp,.gcc,.prm,.axp,.map,.pdf等的其他科学数据文件类型。

2.2 功能视图

功能视图概括了在线数据支撑平台对项目数据管理、汇交、发布和共享等Web Services的功能集成。平台开发环境由Windows Server 2008+Microsoft Visual Studio 2010 + IIS 7+ ESRI ArcGIS Server 9.3,Silverlight 4 Tools for Visual Studio 2010,Bing Maps Silverlight Control SDK组成。数据导航主要以课题为目录树进行内容组织,按表 1分类导航到各数据子库,并提供了目录编辑功能,包括新建、删除、移动、复制、压缩、解压、搜索等。共享管理提供了数据集的上传、下载和共享功能,数据共享机制既可对项目组内部访问,也可以对外部公开访问。平台的主要特色是提供在线数据检索与查看功能(如图 4),对松科 1井数据实现了岩心扫描图件、岩心照片、解释成果文档的多视图管理与查询(图5)。特别对剖面分布专题,提供了丰富的可视化交互界面。平台基于ASP.NET MVC2(Model-View-Controller)框架,采用微软 Silverlight技术开发了剖面数据管理WebGIS,构建了地图服务RIA (Rich Internet Application)程序,赋予了丰富的客户端数据展示与交互特征。通过 Silverlight API(Application Programming Interface)建立一系列wrapper widgets来构建页面交互元素,例如工具栏、底图选择面板、图层控制栏等,并以XAML (Extensible Application Markup Language)文件定义他们的外观参数和交互事件。图6展现了以动画提示给出被检索到的剖面坐标位置,弹出剖面详细信息窗口显示相关亚类数据,实现剖面记录的空间信息与属性信息一体化管理。可以逐条查询剖面或全部剖面一次性加载,且通过ArcGIS Server Rest API访问微软Bing Maps地图服务,展示多样化的背景底图。

图4 古生物数据在线检索示例Fig.4 An example of paleontological data online search

图5 松科1井多视图数据管理与查询Fig.5 Multi-view data management and query for Songke 1 well

图6 剖面数据查询WebGIS窗口Fig.6 Profile data query in WebGIS window

2.3 用户视图

用户视图对课题管理和角色管理的对应关系进行映射。由于平台采用单点登录的门户技术,每个平台用户被管理员分配为特定的角色,如首席科学家、课题负责人、主研等,并与其所在课题关联,享有对应的数据检索、下载、共享、发布权限。因此,保证了用户对平台数据操纵的安全性。

3 结论

随着我国对基础研究投入的不断加大,越来越多的地学类大型科研项目对项目组织管理方和承担方都提出了海量数据管理、共享、以及数据成果可持续应用的挑战。面向基础地质研究的973项目在地学领域乃至资源环境领域的大型综合研究中具有典型性和代表性,其学科交叉性明显,参研单位和项目角色多,项目实施的时间跨度长,主研人员分布于不同地域和不同单位,数据成果大多具有时空属性,尤其是地质剖面、野外样品和钻井工程等归档数据的时空跨度大。因而,一般的管理信息系统或者网站难以胜任海量、异构、时空性强的地学数据管理和共享要求。例如,973项目“青藏高原环境变化及其对全球变化的响应与适应对策”(2005CB42200)建立的门户网站 http://973.itpcas.ac.cn,对各课题产出的矢量、栅格、表格、文本等数据集提供了基于元数据的数据共享链接,但未建立易操作的 GIS图形界面接口。本文考虑 GIS和WebServices技术整合,以973项目“白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”为例,建设了基于 ESRI File Geodatabase的项目汇交数据库,开发了较完备的在线数据支撑平台,实现了对项目数据汇交、管理、发布和共享等服务集成。同时,采用微软Silverlight技术开发了剖面数据管理WebGIS,构建了地图服务RIA程序,赋予了丰富的客户端数据展示与交互特征。

平台应用结果表明:

1)项目中古生物、古气候、地球化学、沉积学等地质学研究中常涉及学科的实验分析数据在数据库中得到了结构分类有序的存储和组织;包含坐标信息的剖面和钻孔数据,其空间展布特性能够得到直观的表达,有利于地质研究或数据再利用中对时空属性的识别交互。

2)首席科学家、课题负责人、项目办公室、全体参研人员能借助这一在线数据支撑平台对原始数据、成果数据和项目运行资料等开展高效的汇交、检索、下载和统计分析工作;在本项目数据汇交机制的保障下,任何入库的数据都能在后期维护和使用中进行可靠的质量跟踪。

3)本文研究开发的在线数据支撑平台旨在服务于以地学类 973项目为代表的大型综合科研项目,它对发挥多源、复杂、高成本的科学数据共享利用价值能够起到良好的支撑作用;它所具备的一定通用性的平台框架对同类项目数据集成、成果归档以及汇报演示具有示范推广意义。

致谢:感谢973项目“白垩纪地球表层系统重大地质事件与温室气候变化”各课题负责人及数据汇交联络员、相关专家和研究生对数据整理和分类所作的辛勤工作。