基于ArcSDE皖北煤矿应急救援数据库平台研究

白洪伟，吴满意

（1.宿州学院 安徽省煤矿勘探工程技术研究中心，安徽 宿州 234000；2.国家测绘地理信息局第一地形测量队，陕西 西安 710054）

应急平台的最主要部分为公共安全科技，以信息技术、应急管理流程为支撑，以软件硬件相结合的方式服务于突发公共事件应急保障技术系统，是实施应急预案的有力工具.应急平台是个工具，是块黑板.例如当煤矿灾害发生后，气象部分会预报未来降水情况，国土资源部发布灾害区有关关山体滑坡情况，煤炭相关部门会组织救援行动，但各个专业部门只能将各自领域分头向上级部门汇报，而应急平台能够起到“黑板”的作用，将各方意见进行集纳.在将相关数据输入应急平台并启动综合研判分析模型后，平台就充当了“大脑”功能.它能得出让人一目了然的综合研判结果，其中包括灾害基本情况，可能发生的次生灾害，灾害影响范围及程度，需要启动的专项、部门、地方应急预案，参与应急处置的单位及职责，应急救援所需要的队伍、物资、装备、资金，目前部门和地方已有的物资情况及地理分布等，这些分析结果以直观的专题地图、数据表格等形式展现在“黑板”上.同时针对这些分析结果，平台能给出几套应急方案.满足平战结合，贯穿应急管理全过程.当前，在全国范围内，各个部门，机构都在对应急救援平台进行研究，并建立相应的应急救援平台，一台灾害、事故、灾难即将发生、正在发生，应急救援平台立即启动，可以对救援工作进行指导作用，使得救援工作有序、合理、及时、有据可依的进行.以安徽省宿州市祁县镇祁东煤矿为例,介绍了建立煤矿安全应急救援空间数据库的基本技术，实现了空间信息的可视化查询，能够较好地提高煤矿安全应急救援的工作效率.

1 ArcSDE空间数据引擎

1.1 空间数据库引擎

空间数据库引擎简称SDE是借助关系型数据库管理空间数据的一个中间件技术，其利用现有的关系数据库本身的功能，通过加入一个空间数据列在现有的数据表中，对于与之相关联的空间数据用户可以管理和访问.通过空间索引机制，SDE将空间数据和其属性数据一体化存储在商业大型数据库中.实现对空间数据和与其相关联的属性数据高效率的操作.由于SDE没有专用的数据库，它管理空间数据是通过与商业数据库管理系统的集成来实现的[1-3].这种集成的方式可以分为两种：与传统关系数据库管理系统的集成，与对象—关系型数据库的集成.

1.2 ArcSDE体系结构

ArcSDE对空间数据与属性数据采用一体化的存储和管理，可以存储和管理海量、多源空间数据.ArcSDE通过三层结构（RDBMS服务器，ArcSDE服务器和客户端）来完成对数据的存储和操作.

(1)RDBMS服务器：RDBMS服务器管理着所有数据库访问的内容.用户浏览或者修改数据的权限也是由RDBMS验证的，并输入的SQL语句进行解释，提供一个环境来进行事务处理.

(2)ArcSDE服务器：为RDBMS解释空间数据正是ArcSDE服务器的任务，客户端对数据端的请求是通过ArcSDE来转换为SQL语句的，对于存储在数据库表中的几何数据使得RDBMS能读写.

(3)ArcSDE客户端:在客户端，向ArcSDE服务器发出请求是通过用户输入命令或者操作图形控制器来实现的，继而获取数据用来显示、分析或者装入新数据.

1.3 ArcSDE对空间数据的存储方案

SDE组织与存储的模式是将空间数据加载在数据库中，对于现有的关系型数据库不改变也不影响.只是加入图形数据项对应于现有的数据表中.通常情况下，SDE采用二进制方案来对空间数据的存储.ArcSDE通过空间元数据(GeometryMetadata)的管理、创建和访问，保存空间数据列的属性与行为.在ArcSDE中，主要通过SPATIAL_REF_SYS、GEOMETRY_COLUMNS与LAYERS，这三张表对空间元数据进行管理.

1.4 ArcSDE对矢量数据的存储和管理

缺省情况下，ArcSDE使用压缩的二进制格式来存储要素的几何图形，一个压缩的二进制要素类由商业表，特征表，空间索引表组成.ArcSDE 对所有的图层建立了层表(Layertable),其中,每条记录对应一个图层,其中记录了如下信息:所有者、对应表名、空间数据列名称、空间索引大小、包络矩形(MBR)等[4-6].

ArcSDE主要通过商业表来管理属性数据和空间数据之间的连接，通过层表（Layertable），特征表和空间索引表在关系数据库管理系统（RDBMS）中存储和管理空间数据.对于用户来说，特征表和空间索引表是不可见的，空间数据的存储和管理是通过对层表和商业表的读写操作实现的.

1.5 ArcSDE对栅格数据的存储和管理

(1)栅格数据表,在ArcSDE中，栅格数据集的存储方式与它存储压缩二进制要素类的方式类似，ArcSDE数据库加载栅格数据时，ArcSDE增加一个栅格列（一个表只允许一个栅格列）在创建的商业表中，同时创建栅格波段表，栅格分块表，栅格辅助表，栅格表和栅格元数据表.

栅格数据的元数据被存储在栅格元数据表中，在ArcSDE中，用唯一标识码标识每一幅栅格数据，其实列Raster columnsID存储着这些唯一标识码，Tablename列存储着栅格数据的商业表名.底层的栅格数据表与商业表相互关联是通过IMAGE列中的唯一标示符来实现.

(2)ArcSDE对栅格数据的组织,ArcSDE对于栅格数据主要有两种组织形式：无缝镶嵌(栅格集)和栅格编目(栅格目录).

无缝镶嵌(栅格集)是将两景或多景映像融合为一个无缝的栅格数据集，根据各影像加载时的顺序影像重叠部分会由后加载的影像修改、覆盖先前加载的影像.客户端得到的是一个无缝的栅格镶嵌图是无缝镶嵌的好处，因此用户访问时不需要分别打开组成镶嵌图的各个栅格数据集，只要打开一个栅格数据集就可以了.

栅格编目(栅格目录)不必将栅格图镶嵌，其组织形式在一个无缝的栅格图中显示多景影像.栅格编目实质上其实是一张表，各栅格数据的空间范围和它们的名称被记录在这张表中.因此，一个大的数据集被模拟成栅格编目，用户访问这个大的数据集时它也指向所需要的栅格分块，是客户端返回的.相同的空间参考，对于栅格编目来讲是不需要的.

(3)栅格数据的优化组织,栅格数据都有很大的数据量，在实际应用中快速浏览和检索是我们必须要解决的问题，因此需要优化组织这些大数据量的栅格数据.栅格数据分块和建立影像金字塔是典型的栅格数据组织优化措施.

2 煤矿应急救援数据库设计

2.1 系统需求分析

煤矿应急救援平台数据库设计主用包括以下三个方面的应用需求：

(1)海量数据入库以及及时更新需求：数据的规范化，标准化，入库前的数据必须转换到统一的编码体系、统一的数据格式、统一的空间参考上；数据应该有优良的现势性，数据入库的同时要考虑数据及时更新的问题.

(2)空间数据的管理需求：煤矿应急救援平台数据库是一个空间数据库，空间数据库的一个首要特点是存储和管理以图幅为单位的数据.以便产品分发，为此，本数据库的数据也是存储和管理以图幅为单元的数据，同时为了保障有效地组织及高效的管理这些数据，要把分幅的数据组织成一个整体，而且逻辑上要无缝的，同时在垂直方向上，通过一致的空间参考能够相互套合和叠加各种数据.在数据库的后期工作中，应需注意数据的安全，包括数据库运行安全与数据恢复备份等，同时注意历史数据的管理与更新.

(3)应用服务需求分析：数据库主要是为救援指挥部的救援指挥决策提供服务的，一方面为救援指挥部提供最基础的数据显示，包括：空间数据的显示、漫游、查询、统计、分析、符号化和制图输出，以及救援队自身数据的查看；另一方面是为辅助决策支持软件提供数据支撑.

2.2 数据库概念设计

把用户的需求加以解释，并抽象成概念模型.概念模型是现实世界到信息世界的抽象，既独立于集体的信息内容（不涉及具体数据），也独立于信息系统的实现方式.GIS数据库概念设计是从独立于数据库软硬件的抽象层次上进行数据组织和设计，以保证数据库内完整、组织合理和便于应用.

煤矿应急救援平台数据库主要存放某煤矿的空间数据和以矿区辅助的统计数据为主的属性数据.空间数据库存放1:1000的某市政区信息、1：500某煤矿矿区信息、某煤矿专题图信息、某煤矿的DEM数据、航空影像图、遥感影像图和多媒体数据等；属性数据库存放整个煤矿区的统计数据和某市与煤矿相关的辅助数据等.

2.3 矢量数据逻辑设计

本数据库采用GeoDatabase通过空间要素集（Feature Dataset）、空间要素类（FeatureClass）和空间要素（Feature）三级模型组织矢量地图数据.空间要素类，比如：建筑物、河流、主干道、矿区等，对应了RDBMS中的表，具体的一个要素（Feature）是表中的一条记录.具有共同空间参考的一组空间要素类又可以组成更大的结构，称要素数据集合（Feature Dataset）.

2.4 栅格数据逻辑设计

栅格影像数据库：用于管理和存储与煤矿应急救援相关的各种遥感影像数据、DEM、DRG等栅格数据的栅格影像数据库.

栅格数据集：按照影像矿区名、影像拍摄时间等分区的不同定义的，把具有相同空间参考的，这些栅格数据类的集合，是影像数据划分的主要逻辑单元，作为影像数据库中的影像目录来管理数据.

栅格数据层：栅格影像数据库存储管理栅格影像数据的基本逻辑单元是栅格数据层，每个栅格影像图层可以使单波段栅格影像或者多波段的栅格影像.

波段：一定波段范围的影像数据用波段记录，单波段影像与DEM影像被看作单波段影像，多波段影像如SPOT、TM、QuikBird、IKONOS彩色数据，在一个栅格图层中存储管理多波段的影像数据.

调色板：每个波段影像在显示时被指定的彩色映射表，一个波段有多个调色板，如DEM数据可以采用不同的调色板表达坡度、高程、坡向数据等.

2.5 数据库物理设计

ArcSDE中的矢量数据是作为Shape存储的，一个Shape可以使一个点、一条线、一个面，一个Shape是地图上的一个对象，每个Shape有独立的属性，例如道路名称，居民地等.

在ArsSDE中，栅格数据存储为SQLServer的诸关系表，这些表主要包括SDE系统用户方案下的栅格元数据表(Rastercolumnstable)、用户方案下的业务表(Businesstable)和4个辅助表：栅格表 (Rastertable)、栅格波段表(Raster bandtable)、栅格辅助表(Rasterauxiliarytable)、栅格分块表(Rasterblocktable)，以及它们的索引.这6个表中，栅格分块表是真正存储影像像元值的，因此记录数最多，记录数的多少与ArcSDE的存储参数有关.

2.5.1 磁盘分配设计

数据库文件一般都存储在磁盘上，因此磁盘的分配布局和优良使用也是很重要的.磁盘分配布局的目标是：数据库性能的实现不能被磁盘性能阻碍，数据库磁盘专用于数据库文件，否则数据库将会受到非数据库的影响，而且是不可预测的影响；系统硬件和镜像都要满足性能和恢复的要求，磁盘的I/O和大小应该是数据文件I/O和大小的上限，没有不能恢复的数据库，在后台进程之间的竞争应该达到最小化.

在规划磁盘分配时要注意：首先使用的磁盘容量，有时用一个大的磁盘可能比多个容量小的磁盘的效果要差，因为能进行级别更高的并行I/O操作；其次磁盘的速度，可以考虑使用合适的文件系统作为数据文件.

2.5.2 SDE参数优化设计

①空间数据和SDE系统表空间分离

独立于SDE表空间，建立IMAGE、SBDT、DXT三个独立的表空间，分别用于存储遥感影像(包括DEM)、煤矿应急救援专题地图和基础地形图.

②空间数据表空间和索引表空间分离

独立于空间数据的表空间，单独建立空间索引表空间IDXRASTER、SINDEX，分别用户存储影像数据的索引和存储矢量地图的索引，以提高空间数据检索的效率.

3 煤矿应急救援平台数据库管理系统

煤矿应急救援平台数据库管理系统是煤矿应急救援平台数据库建设的核心，目的在于实现数据库的建立、使用和维护，根据系统研制的目标来设计功能模块，并规划各个组成部分及系统的规模以使系统能更好的管理和维护数据库.依据安徽省宿州市祁县镇祁东煤矿应用需求及各种资料数据开发系统.

(1)文件管理模块：对用户信息进行管理和修改，加载数据等.

(2)数据入库与查询：主要的功能是空间数据和表数据的入库，并显示图形数据和属性数据.

(3)数据管理模块：该模块分为空间数据管理和表数据管理，空间数据管理是对己入库的空间数据进行图形数据和属性数据的编辑工作，表管理主要实现表中的数据删除、更改、添加的功能.

(4)符号编辑模块：自定义点、线、面图片格式的符号.

(5)地图输出：对已编辑的图片输出为栅格格式和矢量格式.

(6)空间分析模块：包括缓冲区分析、距离量算、面积量算等.

(7)元数据：描述煤矿应急救援平台数据的相关信息.包括：煤矿应急救援资料表、数据质量表、空间参考信息、字段信息.

4 结论

煤矿安全应急救援工作在煤矿安全应急中占有重要地位，其工作的及时成效直接影响人民生命的救助.笔者对当前煤矿应急救援工作的现状做了分析，针对煤矿灾害在实施救援工作时遇到的困难提出了建设煤矿应急救援平台数据库管理系统.分析和研究了ArcSDE空间数据库引擎及煤矿应急救援平台数据库设计，虽然在数据的入库方面做了一定的工作，但还是不够，应在以后的学习工作中更为深入的研究.

〔1〕孟华,李晓东,韩敏,邢军等.基于 GeoDatabase 和 ArcSDE的湿地GIS数据库技术研究与应用实例[J].计算机应用研究,2005(10):184-187.

〔2〕刘洪岐,宫辉力.基于 ArcSDE 和 SQL Server2000的洪涝灾害救助决策支持系统空间数据库设计研究[J],首都师范大学学报,2008,29(2):65-71.

〔3〕秦琳.基于ArcSDE和Geodatabase的森林空间数据库构建研究[J],林业调查规划,2010,35(2):86-89.

〔4〕杨金玲,曹先革,刘璐璐.基于ArcSDE的数字城市规划空间数据库设计与实现 [J],测绘与空间地理信息,2010,33(4):16-18.

〔5〕李国慧.基于ArcSDE的人防地理信息系统数据库设计[J].地理空间信息，2008,6(2):84-86.

〔6〕钟世杰,陈锁忠,姜许辉.基于ArcSDE的矿井水文地质数据库构建研究[J],能源技术与管理,2008(5):108-110.