現(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究與構(gòu)建

王永尚，張 鵬，王孝青，孫占義

(國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100836)

大地測量數(shù)據(jù)是國家測繪基準(zhǔn)和測繪系統(tǒng)的具體體現(xiàn)，是國家基礎(chǔ)測繪信息所不可缺少的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)、民生服務(wù)中發(fā)揮著重要作用。如何科學(xué)管理測繪成果資料，并對外提供便捷、有效的測繪信息服務(wù)，是現(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的重要功能。

隨著新的大地測量技術(shù)體系逐步形成，大地測量數(shù)據(jù)服務(wù)呈現(xiàn)出定位數(shù)據(jù)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和大眾化的新特點(diǎn)。本文著重就現(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)入庫管理、數(shù)據(jù)組成、體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行研究探討，旨在分析研究構(gòu)建現(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)。

1 現(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)分析

1.1 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性分析

大地測量數(shù)據(jù)庫主要存儲內(nèi)容包括三角測量數(shù)據(jù)、重力測量數(shù)據(jù)、水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)等，特別對全國衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站每天24 h的1 s采樣(或50 Hz)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集中存儲、管理、應(yīng)用和服務(wù)，是現(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)服務(wù)新的特征。

1.2 數(shù)據(jù)實(shí)體建模分析

按照大地測量數(shù)據(jù)的內(nèi)容特點(diǎn)，可將其歸納為觀測數(shù)據(jù)類、成果數(shù)據(jù)類、概要數(shù)據(jù)類和輔助數(shù)據(jù)類4類數(shù)據(jù)，將4類數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體建模分析，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)建模分析

觀測數(shù)據(jù)是原始測量記錄，包括衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)、水準(zhǔn)觀測數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)點(diǎn)和基本點(diǎn)的重力觀測數(shù)據(jù)、磁偏角控制點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化程度低，往往以文件作為應(yīng)用粒度。

成果數(shù)據(jù)是根據(jù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算而獲得的結(jié)果，包括大地控制網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)成果、時(shí)間序列、速度場、高程測量成果、重力測量成果等，這些成果數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化程度高，應(yīng)用粒度細(xì)。

概要數(shù)據(jù)描述GPS點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)、重力點(diǎn)的特征和概要信息，主要是一些站點(diǎn)信息、點(diǎn)位說明及說明性文檔文件等，這些文件規(guī)范化程度較低。

輔助數(shù)據(jù)為展現(xiàn)概要數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)、觀測數(shù)據(jù)的空間分布提供電子地圖、行政區(qū)劃，以及給出數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)字典等，可作為多類數(shù)據(jù)庫公用的輔助信息數(shù)據(jù)存儲。

2 基于數(shù)據(jù)庫DBFS技術(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)組織主要針對全國衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用半結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組織策略。實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)按照行政區(qū)、站址的組織分類方式，以數(shù)據(jù)文件為基本單元進(jìn)行存儲。

半結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組織策略是結(jié)合使用關(guān)系代數(shù)和面向?qū)ο蠓椒?，刻畫具有半結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)化屬性的復(fù)雜實(shí)體結(jié)構(gòu)，保證客觀實(shí)體描述的自然性、完整性。

將文件以二進(jìn)制LOB存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中的方式，雖然具有集群化、并行、并發(fā)、細(xì)粒度存取控制、事務(wù)完整性控制、透明壓縮和加密、生命周期管理支持、數(shù)據(jù)安全策略豐富等優(yōu)勢，但與文件系統(tǒng)存儲管理文件方式相比，具有相當(dāng)?shù)男阅芰觿?。具有大量非結(jié)構(gòu)化文件數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，往往采用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和文件系統(tǒng)并用的方式存儲管理數(shù)據(jù)資源，以犧牲數(shù)據(jù)庫優(yōu)勢來彌補(bǔ)其文件數(shù)據(jù)存取性能的不足。

數(shù)據(jù)庫Oracle DBFS技術(shù)克服了數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存取LOB數(shù)據(jù)不足的劣勢，通過改善存儲機(jī)制，LOB數(shù)據(jù)存取性能已達(dá)到與文件系統(tǒng)相當(dāng)?shù)某潭?，甚至在一些情況下還有所提升；同時(shí)，為了支持現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)對文件數(shù)據(jù)的存取，Oracle DBFS技術(shù)在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用接口訪問LOB數(shù)據(jù)機(jī)制的同時(shí)，還增加了LOB數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)應(yīng)用接口?；诖耍瑢τ诂F(xiàn)代大地測量數(shù)據(jù)庫中衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行站實(shí)時(shí)的文件型數(shù)據(jù)，采用具有數(shù)據(jù)庫文件系統(tǒng)特定的DBFS技術(shù)進(jìn)行存儲和應(yīng)用支撐，如圖2所示。

圖2 基于DBFS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

在DBFS中，Server為Oracle數(shù)據(jù)庫，文件存儲在表的一個SecureFiles LOBs字段里面。一個PLSQL存儲過程的集合，提供了訪問文件系統(tǒng)的基本操作，如create、open、read、write、ls。DBFS目錄庫允許每個數(shù)據(jù)庫用戶創(chuàng)建一個或多個文件系統(tǒng)，并且可以被clients使用。每個文件系統(tǒng)擁有專有的數(shù)據(jù)表，保證文件系統(tǒng)的內(nèi)容。

Oracle DBFS在文件和目錄之上創(chuàng)建了一個標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫基表中。DBFS很像NFS，因?yàn)樗峁┝艘粋€與本地文件系統(tǒng)相同的共享網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，且與NFS一樣，由Server與Client組成，如圖3所示。

圖3 基于DBFS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)訪問機(jī)制

3 結(jié)構(gòu)化成果數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大地測量成果數(shù)據(jù)采用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組織策略，主要分為以下3類：

(1) 控制網(wǎng)基本屬性：控制網(wǎng)主要包括全國天文大地網(wǎng)、全國基準(zhǔn)站整網(wǎng)平差網(wǎng)、國家GNSS大地控制網(wǎng)、2000國家GPS大地控制網(wǎng)、天文大地網(wǎng)與GPS2000大地控制網(wǎng)聯(lián)合平差網(wǎng)、高程控制網(wǎng)和重力控制網(wǎng)等信息，其屬性主要包括網(wǎng)名稱、等級、采用基準(zhǔn)、覆蓋范圍、網(wǎng)概要信息等。

(2) 布測路線基本屬性：布測路線主要包括水準(zhǔn)路線、GPS測量基線、相對重力測量基線等，其屬性主要包括路線名稱、起始點(diǎn)編碼、方向向量、方向向量中誤差、基線長度、基線相對中誤差、誤差橢球、基線段差等施測信息。

(3) 控制點(diǎn)基本屬性：控制點(diǎn)主要包括三角點(diǎn)、GNNN點(diǎn)、重力點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)等，其基本屬性包括控制點(diǎn)的點(diǎn)名、點(diǎn)號、點(diǎn)之記、位置坐標(biāo)、高程、重力值、天線高信息等。

在大地測量數(shù)據(jù)建庫中，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容和對象類型的不同，結(jié)構(gòu)化處理成果數(shù)據(jù)，并進(jìn)行空間化、可視化處理，按照點(diǎn)、線、網(wǎng)分層管理。

以大地測量控制點(diǎn)為基本單元存儲，以控制點(diǎn)為基礎(chǔ)按照網(wǎng)、線建立控制點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，同一類成果的不同內(nèi)容之間應(yīng)建立邏輯關(guān)系，如控制點(diǎn)成果與點(diǎn)之記之間應(yīng)通過點(diǎn)的唯一標(biāo)識建立邏輯關(guān)系。不同類的成果之間應(yīng)建立邏輯關(guān)系，如大地控制網(wǎng)、高程控制網(wǎng)和重力控制網(wǎng)之間存在重合點(diǎn)時(shí)，應(yīng)以控制點(diǎn)為關(guān)鍵字建立重合點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。對于同一控制點(diǎn)具有多期成果時(shí)，應(yīng)建立多期成果之間的邏輯關(guān)系。數(shù)據(jù)表中將點(diǎn)、線、網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)存在ArcSDE中，屬性數(shù)據(jù)存在其他屬性列中。點(diǎn)、線、網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)表以控制點(diǎn)的唯一標(biāo)識符與點(diǎn)之記及其他屬性表連接。通過點(diǎn)、線、網(wǎng)等作為關(guān)鍵字建立觀測數(shù)據(jù)、成果數(shù)據(jù)、文檔之間的邏輯關(guān)系。

4 數(shù)據(jù)庫組成與管理系統(tǒng)構(gòu)建

4.1 大地測量數(shù)據(jù)庫組成

大地測量數(shù)據(jù)庫由大地測量數(shù)據(jù)及其管理系統(tǒng)組成。其中，大地測量數(shù)據(jù)是大地測量數(shù)據(jù)庫的核心，按類型分為GNSS測量數(shù)據(jù)、高程測量數(shù)據(jù)、重力測量數(shù)據(jù)和深度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)等；管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)存儲、管理、運(yùn)行維護(hù)的軟件。如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫組成結(jié)構(gòu)

4.2 管理系統(tǒng)構(gòu)建

4.2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

系統(tǒng)采用3層軟件架構(gòu)，主要分為數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)訪問層和應(yīng)用層。在大地測量數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，許多數(shù)據(jù)管理工作如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等具有數(shù)據(jù)量大、計(jì)算密集等特點(diǎn)，往往需要占用較大的計(jì)算機(jī)存儲空間和內(nèi)存空間，消耗大量的CPU資源，適合C/S架構(gòu)模式，同時(shí)還需滿足基于Web技術(shù)的大地測量數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)的需要，適合B/S模式下在服務(wù)器端集中處理，因此，系統(tǒng)采用C/S與B/S架構(gòu)模式相結(jié)合的混合體系結(jié)構(gòu)形式。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2.2 服務(wù)機(jī)制以及功能設(shè)計(jì)

大地測量數(shù)據(jù)庫庫管理與服務(wù)面向不同的用戶群提供不同的功能，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)功能

5 結(jié) 語

國家大地測量數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)將Oracle DBFS技術(shù)和GIS技術(shù)應(yīng)用于大地測量數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)入庫管理和服務(wù)，并提高了大地測量數(shù)據(jù)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性、交互性和可視性，為大眾位置服務(wù)等提供了高精度、動態(tài)、三維的支持與服務(wù)，能夠較好地滿足當(dāng)前大地測量信息化的要求。

致謝:感謝國家基礎(chǔ)地理信息中心王東華研究員對本次研究工作的指導(dǎo)。