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海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫創(chuàng)新設(shè)計與建設(shè)*

2014-05-01 07:49路文海付瑞全向先全
海洋開發(fā)與管理 2014年11期
關(guān)鍵詞:監(jiān)測數(shù)據(jù)環(huán)境監(jiān)測要素

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.國家海洋信息中心 天津 300171)

海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫創(chuàng)新設(shè)計與建設(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.國家海洋信息中心 天津 300171)

國家、海區(qū)、省(自治區(qū)、直轄市)、市、縣等五級海洋環(huán)境監(jiān)測機(jī)構(gòu)每年在執(zhí)行多種海洋環(huán)境監(jiān)測任務(wù)時,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)測數(shù)據(jù),針對這多源異構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù),文章在總結(jié)前人研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,對海洋環(huán)境業(yè)務(wù)監(jiān)測工作進(jìn)行梳理、數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,創(chuàng)新設(shè)計構(gòu)建了能滿足各種監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲管理的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),開發(fā)了監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),從而實現(xiàn)全國海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一高效管理,以及監(jiān)測數(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;監(jiān)測數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu);數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

1 引言

海洋環(huán)境監(jiān)測是海洋環(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)境污染的狀況和長期變化趨勢,評價海洋環(huán)境質(zhì)量,為制定國家海洋環(huán)境保護(hù)政策提供基礎(chǔ)依據(jù)[1-2]。在中央和沿海各級政府的支持下,現(xiàn)已形成了國家、海區(qū)、?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市)、市、縣五級海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系,在我國管轄的300萬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)測工作[3]。隨著時間的推移,由海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)所產(chǎn)生的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)類型不斷豐富,數(shù)量也呈幾何級增長和更新,海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建設(shè)迫在眉睫。

為加強(qiáng)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲管理與服務(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)測數(shù)據(jù)庫設(shè)計與構(gòu)建嘗試[4-5]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,針對監(jiān)測數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用需求,對全國海洋環(huán)境業(yè)務(wù)化監(jiān)測工作進(jìn)行梳理,對所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析,設(shè)計通用性較強(qiáng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu),開發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),來對多源異構(gòu)監(jiān)測數(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)測數(shù)據(jù)的共享與應(yīng)用服務(wù)。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)來源

2.1 監(jiān)測任務(wù)

為全面掌握我國管轄海域的環(huán)境狀況及變化趨勢,科學(xué)、客觀地評價海洋環(huán)境質(zhì)量,實現(xiàn)對環(huán)境質(zhì)量與趨勢清楚、對主要的污染源清楚、對潛在環(huán)境風(fēng)險清楚,我國每年都會開展任務(wù)多樣的海洋環(huán)境監(jiān)測工作,以實現(xiàn)不同的海洋環(huán)境監(jiān)測目標(biāo)。

以《2012年海洋監(jiān)測工作任務(wù)》[6]為例,實施的監(jiān)測工作共包括環(huán)境狀況、環(huán)境風(fēng)險、環(huán)境監(jiān)管與公益服務(wù)等四大類25項監(jiān)測任務(wù)(表1)。其中,環(huán)境狀況是針對全海域環(huán)境質(zhì)量而開展的監(jiān)測,旨在把握我國海域環(huán)境質(zhì)量狀況及演變趨勢;環(huán)境風(fēng)險是針對災(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,旨在識別我國海洋環(huán)境風(fēng)險源;環(huán)境監(jiān)管是針對敏感海域或重要海洋功能區(qū)而開展的監(jiān)測,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)是針對與公眾健康密切相關(guān)的海域而開展的監(jiān)測,旨在保障公眾的健康安全。

表1 2012年海洋環(huán)境監(jiān)測任務(wù)分類

2.2 監(jiān)測要素

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

(1)環(huán)境質(zhì)量要素,有評價標(biāo)準(zhǔn),可以評價環(huán)境狀況等級的要素,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,用于分析評價生物種類、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)成或人為活動影響或其他相關(guān)的要素,即除一、二類以外的監(jiān)測要素,如水文氣象、水深、二氧化碳分壓等。各監(jiān)測要素由不同的監(jiān)測參數(shù)組成,同一監(jiān)測要素的不同監(jiān)測參數(shù)值就組成了用于分析評價的監(jiān)測要素數(shù)據(jù),所以監(jiān)測參數(shù)值是組成監(jiān)測數(shù)據(jù)的最小單元。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫創(chuàng)新設(shè)計

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫設(shè)計原則

監(jiān)測數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用“面向數(shù)據(jù)”的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法與E-R建模技術(shù),除堅持分類存儲、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)測數(shù)據(jù)自身的特點,還將考慮以下原則。

(1)數(shù)據(jù)的共享性原則。兼顧監(jiān)測數(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)對數(shù)據(jù)調(diào)用。

(2)數(shù)據(jù)的獨立性原則。數(shù)據(jù)的組織與析取主要依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)性質(zhì)和被利用價值所決定,不受單項應(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,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)項的擴(kuò)充。

(4)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性原則。對由于各監(jiān)測要素組成的監(jiān)測數(shù)據(jù),必須實現(xiàn)各要素數(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(字段),分屬不同的表,描述的對象卻可能相同,數(shù)據(jù)之間有約束關(guān)系。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計

監(jiān)測數(shù)據(jù)庫主要針對通過海洋環(huán)境業(yè)務(wù)化監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)來設(shè)計。數(shù)據(jù)庫能夠以標(biāo)準(zhǔn)的格式對多源、異構(gòu)、海量的海洋環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行錄入和存儲,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)共享請求。監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的總體設(shè)計框架如圖1所示,包括基本信息庫、監(jiān)測要素庫和元數(shù)據(jù)庫3部分?;拘畔煊糜诜从潮O(jiān)測數(shù)據(jù)的來源地;監(jiān)測要素庫用于存儲監(jiān)測數(shù)據(jù),涉及的監(jiān)測要素有近40項;元數(shù)據(jù)庫用于反映監(jiān)測數(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)測數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計框架

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

(1)數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計。進(jìn)行E-R分析首先要確定數(shù)據(jù)庫中的各種實體,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)測數(shù)據(jù)中,有監(jiān)測站位、監(jiān)測任務(wù)、監(jiān)測區(qū)域等基本信息實體,有海水水質(zhì)、水文氣象、沉積物質(zhì)量、浮游植物、浮游動物等近40項監(jiān)測要素實體(表1),有跟蹤數(shù)據(jù)來源的報表信息,即元數(shù)據(jù)實體。通過分析各實體之間的關(guān)系可以看出,監(jiān)測要素實體是用于存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)的實體,也是整個數(shù)據(jù)庫建設(shè)的主體,通過與基本信息實體、元數(shù)據(jù)實體關(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)計工具Sybase公司的Power Designer[9]軟件開展數(shù)據(jù)庫E-R分析。在進(jìn)行實體關(guān)系圖設(shè)計時,要著重考慮的是實體的屬性和主鍵等因素,考慮同一監(jiān)測要素要滿足多個監(jiān)測任務(wù)的管理需求。

(2)數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計。數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計即表與字段分析,是建立在數(shù)據(jù)庫E-R圖的基礎(chǔ)上,通過該E-R圖可以確定數(shù)據(jù)庫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)庫模型,可減輕建庫工作量并提高設(shè)計質(zhì)量。各表的字段參數(shù)名和字段類型、長度、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)測要素可分配給多個監(jiān)測任務(wù)執(zhí)行,但每個監(jiān)測任務(wù)中該監(jiān)測要素的監(jiān)測參數(shù)不一定相同,所以監(jiān)測要素表字段需要基于監(jiān)測任務(wù)所確定的監(jiān)測參數(shù),采用去重追加的方法來確定。

(3)監(jiān)測要素表結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。監(jiān)測要素表的構(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+任務(wù)編號+區(qū)域編碼+監(jiān)測日期+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+任務(wù)編號+區(qū)域編碼+監(jiān)測日期+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;但建庫的目的不只是存儲數(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)分析評價時,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)測或評價結(jié)果,海量數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換,效率一般極低;③方式二會導(dǎo)致存儲的數(shù)據(jù)記錄成倍增長,是方式一的n倍,也極易產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余[10],相對于方式一來說,參數(shù)名與參數(shù)單位冗余,假設(shè)監(jiān)測參數(shù)有n個,2個冗余,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,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)測要素表應(yīng)采用方式一來構(gòu)建。

(4)數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)構(gòu)建。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計是面向用戶的,而物理結(jié)構(gòu)設(shè)計是面向計算機(jī)的。數(shù)據(jù)庫在物理設(shè)備上的存儲結(jié)構(gòu)和存取方法等就稱為數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)。本文采用Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)庫進(jìn)行建設(shè)。SQL Server是微軟的企業(yè)級數(shù)據(jù)庫,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)制大對象(BLOB)[11]。利用數(shù)據(jù)庫管理軟件的“新建數(shù)據(jù)庫”和“新建表”兩個命令按鈕,創(chuàng)建監(jiān)測數(shù)據(jù)庫表,并設(shè)置數(shù)據(jù)應(yīng)用分析所需要的視圖、存儲過程以及觸發(fā)器、函數(shù)等。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生的單位多,涉及的數(shù)據(jù)量大,為避免監(jiān)測要素表中監(jiān)測數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入,需要對各要素表進(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、監(jiān)測時期、層號。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

一般的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可以通過兩種方式來訪問數(shù)據(jù)庫:通過數(shù)據(jù)庫軟件客戶端和自主開發(fā)的客戶端[12]。本文監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理系統(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)庫管理功能,可快捷、方便,靈活地開發(fā)數(shù)據(jù)庫管理系統(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,滿足用戶對數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入、刪除、編輯、修改、查詢、導(dǎo)出、統(tǒng)計、空間范圍查詢等功能需求。

數(shù)據(jù)庫建設(shè)的目的除滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲管理外,還得讓數(shù)據(jù)看得見、摸得著,實現(xiàn)共享服務(wù)。本文利用已構(gòu)建的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,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)測數(shù)據(jù)查詢,即任務(wù)查詢、要素查詢、組織單位查詢,實現(xiàn)了查詢結(jié)果顯示、及與空間定位的互聯(lián)互動。

5 結(jié)束語

為了滿足對全國海洋環(huán)境監(jiān)測數(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)庫管理軟件,并針對海洋環(huán)境數(shù)據(jù)量龐大,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)訪問效率低的問題,對海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計和構(gòu)建,降低了數(shù)據(jù)存儲冗余,提高了查詢性能。目前,監(jiān)測數(shù)據(jù)庫及共享服務(wù)平臺已經(jīng)建成,并通過“海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)”投入業(yè)務(wù)化運行,為各級海洋行政管理部門、科研人員提供了監(jiān)測數(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)測數(shù)據(jù)的使用價值。

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