（计算机应用技术专业论文）大洋矿产资源信息系统关键技术研究.pdf

中文摘要 信息技术的发展为我国大洋信息系统建设提供了支持和保证，使学科众多、 结构复杂、数据量巨大的大洋系统建设成为可能。针对大洋信息系统建设方面的 实际需要，就其中一些关键技术开展研究，为实现我国大洋数据信息共享和高效 管理提供技术服务。 在对大洋信息系统工作现状、信息内容需求、功能和非功能分析的基础上， 设计了大洋信息系统的体系结构。该系统采用多层结构，包括表现层、在线系统 层和数据层。在线系统包括在线信息子层和应用子层两部分；数据层包括应用子 层、信息子层和数据源子层。创建了大洋数据模型，利用建模工具完成了大洋数 据库设计。 探讨了数据标准化处理流程。以多波束资料后处理为例，提出了一种海量数 据三维建模的方法，实现了软件编程。研究了温盐剖面的质量控制方法，用v c 和m a t l a b 混合编程的方法实现了温盐剖面的可视化质控程序。 阐述了基于o r a c l e 数据库实现多种大洋标准数据自动加载入库软件的设计、 实现方法以及o r a c l e 函数创建。基于v c 抖和0 0 4 0 设计开发了灵活实用的c s 结构的网络查询检索系统。并重点解决了j a v a 开发地理地图显示站位图形、 j a v a a p p l e t 与a s p 网页的通信以及a s p 实现大数据量数据库的查询性能优化等 问题。 关键词：大洋矿产数据库；三维建模；质量控制；检索。 a b s t r a c t t o d a y , i tb e c o m e sp o s s i b l et os e t t i n gu pt h eo c e a n i cr e s o u r c e s & e n v i r o n m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mo fc o m r aw h i c hi n c l u d e sm a n ys u b j e c t s ，c o m p l e xd a t as t r u c t u r e a n dh u g ed a t au n d e rt h es u p p o r ta n ds e r v i c eo ft h eq u i c kd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i no r d e rt os u p p o r tt h ea c t u a ln e e do fs e t t i n gu pt h eo c e a n i cr e s o u r c e s & e n v i r o n m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，s o m ep i v o t a lt e c h n o l o g ya r er e s e a r c h e da n dt h e w o r kp r o v i d e st e c h n o l o g ys e r v i c ef o rs h a r i n ga n dm a n a g i n go c e a n i ci n f o r m a t i o n t o g e t h e r b a s e do ni t sw o r ka c t u a l i t y , c o n t e n to fi n f o r m a t i o nd e m a n d ，a n a l y s i so fi t s f u n c t i o na n dn o f u n c t i o na n ds oo n ，t h eo c e a n i cm i n e r a lr e s o u r c ei n f o r m a t i o ns y s t e m f r a m e w o r kh a sb e e nw e l lo v e r a l ld e s i g n e d t h es y s t e mu s e sm u l t i - l a y e ri n c l u d i n g s h o wl a y e r , o n l i n es y s t e ml a y e ra n dd a t al a y e r o n l i n es y s t e ml a y e ri n c l u d e st w op a r t s ： o n l i n ei n f o r m a t i o ns u b - - l a y e ra n da p p l i c a t i o ns u b - l a y e r d a t al a y e ri n c l u d e s a p p l i c a t i o ns u b - l a y e r , i n f o r m a t i o ns u b - l a y e ra n dd a t as o u r c es u b l a y e r t h ed e s i g no f t h eo c e a nm i n e r a lr e s o u r c ed a t a b a s eh a sb e e na c c o m p l i s h e dw i t hp o w e r d e s i g n e r i ti sp r o b e di n t ot os e tu pt h ef l o wo fd a t as t a n d a r d i z a t i o np r o c e s s w ep r e s e n ta m e t h o do fc o n s t r u c t i n g3 dm o d e lf r o mh u g ed a t aa n di m p l e m e n to ft h ep r o g r a m i n t h ep a p e rq u a l i t yc o n t r o lm e t h o do ft h ep r o f i l eo f m a r i n et e m p e r a t u r ea n ds a l i l i t yh a s b e e ns t u d i e da n di m p l i e du s i n gv ca n dm a t l a bs o r w a r e i t se x p a t i a t e dt h a to r a c l ef u n c t i o n s ，d e s i g n i n ga n da c c o m p l i s h i n gm e t h o d so f p r a g r a m i n go fw h i c hm a n yk i n d so fo c e a nd a t a c a l lb el o a d e di n t od a t a b a s e a u t o m a t i c a l l yb a s e d0 1 1o r a c l e b a s e do nd a t a b a s e ，w ed e v e l o pap r o g r a mo f w h i c ha f l e x i b l ea n da p p l i e ds y s t e mo fq u e r y i n gw h i c hi sc ss t r u c t u r eh a sb e e na c c o m p l i s h e d u s i n gv c 抖a n d0 0 4 0 t h r e em a j o rp r o b l e m sh a v e b e e nr e s o l v e d ，i n c l u d i n g d r a w i n go fs t a t i o nc h a r to nt h eg e o g r a p h i cm a pu s i n gj a v al a n g u a g e ，c o m m u t a t i o n s b e t w e e nj a v aa p p l e ta n da s ph o m e p a g eb yj a v as c r i p t ，o p t i m i z a t i o no fq u e r yh u g e d a t af r o md a t a b a s e k e y w o r d s ：o c e a n i cm i n e r a lr e s o u r c ed a t a b a s e ；3 dm o d e l ；q u a l i t yc o n t r o l ；q u e r y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：确 签字日期： 彻7 年夕月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权歪鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字f i 期：矽卜尹月如 导卿签名： 葑：叼年川6 同 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 2 1 世纪世界的经济发展已经进入了一个新的时代一知识经济时代，其重 要特征是世界的发展进入了信息化、网络化时代。2 1 世纪是海洋的世纪，海洋 资源的开发利用、海洋权益的维护、海域管辖和管理、领海安全已受到世界各国 政府的极大重视。在知识经济社会中，信息将是国家生存发展的关键，只有掌握 了信息，特别是高科技信息，才能取得经济发展的主动权和国际竞争的优先权。 随着“数字地球、“数字海洋 的提出，信息技术和网络化已经进入一个新的阶 段。高速获取准确的信息及信息技术产品已经成为社会各个领域的基本需求。特 别近几年来的地理信息系统技术已经在各个领域中得到广泛应用，提高了信息管 理能力，更好地发挥了信息的作用。 我国自“七五 以来，开展了大规模的大洋矿产资源调查研究，并从单一 的多金属结核资源扩展到包括结核、富钴结壳、生物基因和硫化物等资源领域。 围绕着调查、研究、矿区圈定等工作的开展，还进行了有关技术规程、国际动态 以及有关资源战略等方面的研究。在各种资源的各个阶段的调查研究过程中都产 出了大量数据，这些数据不仅是矿产资源调查研究的基础和矿区圈定的依据，更 是采矿系统、冶炼技术和将来进行矿产开采的基础和依据。此外大洋矿产调查数 据在管理与规划、环境与资源评价研究等各个领域也得到了广泛的应用，具有长 远的保存和应用价值，这些已经在“八五 、“九五期间的大洋工作中得到了充 分体现。 “海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分，是一种有助于实现可持续 发展的宝贵财富( 联合国( 2 1 世纪议程，1 9 9 2 ) ，2 0 世纪现代技术的发展为开 发海洋资源提供了机会，加速了工业与经济的发展，海洋的用途已从提供食物和 便利交通扩展到作为能源和矿产的来源。海洋的重要性与时俱进。 海洋的竞争在资源日益短缺的今天更加剧烈，世界各国都在争先恐后发展海 洋事业。美日法等国在海洋研究开发上起步较早，并不惜重金，海洋资金投入每 年以4 左右的速度增加。“谁能最早、最好、最充分地开发利用海洋，谁就能从 海洋中获得最大利益、就可能成为未来真正的大国、强国”。1 “1 9 9 4 年1 1 月1 6 日联合国海洋法公约( l a wo ft h es e ac o n v e t i o nu n ) 生效后，各海洋国家都面临着新的挑战和机遇，海洋主权和权益及其资源将又一 次成为争夺的焦点。在海洋的竞争中，谁先在海洋科技方面获得突破，谁在海洋 高新技术方面领先，谁就会在世界海洋竞争中占据主动，就能从海洋中获得更多 第一章绪论 的资源和更大的经济利益。一“国际海洋竞争，在某种意义上又是海洋技术特别 是高新技术的竞争”。“解决资源安全问题，除了要充分利用国际资源市场外， 发展海洋经济、开发利用海洋资源必然成为中国经济崛起的必由之路。 嘲 从无数事实不难看出，在浩瀚海洋起伏的波涛中，隐藏着大国兴衰的答案。 建国以来，我国进行了多次海洋调查，获取了大量珍贵的海洋数据，这些数 据包括地质、地球物理、水文、气象、化学、生物等多方面的海洋数据，为海洋 事业的发展做出了巨大贡献，为海洋科学研究提供了宝贵的基础资料。由于受阶 段性技术发展的制约，海洋数据管理存在一定的局限性，首先数据管理比较分散， 未形成统一的管理方案；其次数据的传输和实时管理脱节，制约了使用的效率； 另外，数据的送交与获取需要通过很多渠道周转，不能方便地交流使用：在空间 信息技术运用上还存在缺陷。本文尝试利用信息技术的方法解决上述部分问题。 1 2 国内外海洋信息系统建设的现状 2 1 世纪是“海洋开发时代协，同时也是信息技术高速发展的时代，发展海 洋、探索海洋的奥秘离不开信息技术的支持，世界各国，尤其是西方先进国家在 积极发展海洋的同时，都关注了海洋信息系统的建设，并取得了长足的发展。1 因特网作为现有海洋与近海信息的“在线 指示器，在澳大利亚、荷兰、英 国、加拿大和美国等国家都存在大量实例。澳大利亚以世界宽网( w w w ) 为基础的 国家海洋信息系统( n a t m i s ) 己采用分布式网络概念和开放式系统结构，动态连结 信息提供部门，并己成立技术咨询组，监督数据的收集、信息分发的数据标淮和 格式。荷兰地理信息理事会( r a v i ) 已建立n c g i 系统( 国家地学信息交流所) ，目的 在于以成本价在因特网上向地学数据提供者和用户提供海量地学数据服务。r a v i 在n c g i 开发中还解决了海景数据标准的制定与执行，以及利用、商业化、版权和 保密等问题。荷兰运输部公共工程和水管理局开发的n e t c o a s t 系统 ( h t t p ：w w w m i n v e n w n 1 p r o j e c t s m e t c o a s t i n d e x v h t m l ) 为海岸带管理社区 内的通信和数据传输提供了方便四1 。 英国海洋数据中心( b o d c ) 正在积极编制欧洲海洋环境数据地址录( e d m e d ) ， 在欧盟成员国内建立海洋环境信息海量数据库，该地址录包含了约2 1 8 0 个数据 集的信息。同样，澳大利亚海洋数据中心已编制了澳大利亚海洋与近海数据地址 录，包含有关澳大利亚近海地区3 0 0 0 多个数据集的信息。英国的全球环境变化 数据集包括气象记录、海平面变化、人口增长与迁移、水文记录、农业统计和卫 星图像，目前正在为这些数据集开发分布式信息交换平台g e n i e ( 信息交换全球环 境网络) 。该项计划的目的是简化这些方面的数据查询，在一定程度上有利于使 用嗍的科研人员之间的信息交换哼1 。 2 第一章绪论 美国国家海洋大气局( n o a a ) 的海岸研究中心建立了“海洋规划与管理地理信 息系统 抽1 。n o h a 还建立了“地理规则信息系统( g e o r e g u l a t i o ng 1 s ) 一，使开 发人员能够在国家领海及国际海洋法允许的范围内选择开发空间，充分利用海洋 资源，同时使该系统能够帮助解决海事争端。美国海洋地球物理流体力学实验室 开发了i r i se x p l o r e r 系统，该系统具有强大的地图显示功能，在此基础上研制 的预报系统能够为高技术条件下的气象研究提供服务。美国太平洋海底环境实验 室的海洋信息系统能对海啸、厄尔尼诺、拉尼娜等现象提供三维的、动态的显示。 美国蒙特瑞湾生物研究协会( m b a r i ) 建立了基于a r c i n f o 平台的“蒙特瑞湾海洋 地理信息系统，该系统拥有航线数据、r o v ( r e m o l e l yo p e r a t e dv e h i c l e ) 数据、 n o a a a r r 数据、海洋生物、海洋物理、海洋化学和部分试验室采样数据，具有 输入、输出、显示和分析功能巧，。 “我国政府十分重视海洋科学和信息技术的发展，近年来，我国在海洋信息 技术及其应用领域的制度化建设、海洋空间数据信息收集、传输和处理的基础设 施建设、通讯网络建设、国产计算机硬件、软件开发等方面，做了大量的工作。 “我国即将发射的海洋卫星将和各国对地观测卫星共同构筑海洋空间数据获取 体系，这将成为建设数字海洋的主要信息源之一。哺h 国家海洋局1 9 9 7 年建立了国家海洋信息系统( n m i s ) 。该系统集海洋开发、应 用、计算机技术、网络技术、通讯技术于一体。拥有国内海洋经济、世界海洋经 济、海洋资源、海洋环境、海洋空间、海洋史献法规等信息。能够进行图形、图 像、文字显示，具有多媒体功能。拥有国内外海洋调查数据和国内海洋站资料、 海浪资料、海洋化学数据、海洋地质、海冰、海洋生物资料、海洋污染情况调查 数据等嘲。 国家海洋信息系统信息服务与信息产品、国家海洋信息中心的海洋基础信 息网络服务系统建设口1 、以及多种动态数据模型的建立( 如任建武等1 9 9 6 年建立 的海底地形及变化可视模型) 等，都表明了我国正致力于海洋信息系统方面的发 展和研究，这些系统的建设及其技术的解决，为海洋系统建设更上一个台阶打下 了基础。 “国家海洋信息中心通过公共通信网络连接国家信息中心、国家海洋局机关 ( 北京) 、北海海洋信息中心( 青岛) 、东海海洋信息中心( 上海) 、南海海洋信息中 心( 广州) ，国家海洋环境监测中心( 大连) 、以及1 2 个沿海省、市、自治区海洋 管理部门、国务院有关部委信息中心，形成一个基本完善的信息传输、服务网 络。一“国家海洋信息系统以经济建设为中心，以面向全社会的开放性服务为 宗旨，建设成隶属于国家经济信息系统之下的全国海洋信息系统，成为沟通国际 海洋信息的桥梁”嘲。 第一章绪论 如上事实和分析表明，2 1 世纪的今天，世界各国尤其西方发达国家在为发展 海洋事业进行海洋信息系统方面建设的同时，我国也正紧跟时代的脚步和潮流， 努力进行海洋信息系统建设，运用信息技术的手段武装海洋事业，并取得显著成 效。 基础数据库建设和信息共享是信息时代的发展方向，数据库系统在国内外已 经广泛应用于社会经济的各个领域，甚至发达国家的政府也直接参与，如美国总 统克林顿于1 9 9 4 年颁布的1 2 9 0 6 号总统令要求建立国家空间数据基础设施，以 支持精确的高质量空间数据的高效生产、方便访问和高度共享，从而满足国家发 展和安全的需要。各主要海洋国家除了其海洋资料中心建立的综合海洋信息库群 外，其专业机构还建立起具有针对性的各种海洋专业数据库。 目前国际上元数据标准研究工作早已开展，其中欧洲标准化组织( c e n ) 、美 国联邦地理数据委员会( f g d c ) 以及国际标准化组织( i s o ) 他们做了大量的工 作，并制定了包括数字地理信息的获取、处理、分析、访问、表示以及转换的方 法、工具和服务体系在内的多项标准，在制定元数据标准的基础上，发达国家已 经将部分元数据信息通过网络发布服务。 地理信息系统的应用更为广泛。1 9 8 8 年美国加州大学和缅因大学在国家科 学基金会支持下成立“国家地理信息分析中心( n c g i a ) 以后，g i s 便成为政府 部门、商业部门和大学普遍重视的技术领域。目前，美国已经具有相当完善的全 国海洋资源与环境数据库，日本于1 9 7 4 年由国家土地院建立数字国土信息系统。 海洋信息产品的开发更为迅猛。8 0 年代后期，信息可视化技术特别是交互 式可视化技术在国际上得到迅速发展，在海洋信息领域的应用不断深入。_ 二些海 洋服务机构，如美国海洋大气局的分支机构和澳大利亚海洋资料中心等，早在数 年前就开始进行海洋资料的可视化服务。许多从事可视化商业软件开发的公司看 到了海洋信息可视化领域的巨大发展潜力，纷纷推出各自的海洋信息可视化模 块，而且海底立体地形图、温盐分布立体视图等一些可视化样品在i n t e r n e t 上 时有发布。从整体上看，已有的可视化技术成功地实现了海洋信息产品由数字向 图形、由平面向立体、由单色向彩色的转换。海洋信息产品正在由静态向动态方 向发展。 与国外相比，我国海洋信息技术发展起步较晚，总体上处在发展和完善的阶 段，无论是基础海洋信息设施建设、专业海洋信息系统开发，还是可视化海洋信 息产品、海洋信息服务手段等都需要不断加强和提高。如：对于元数据的研究以 及相关标准的制定和实施才刚刚起步。“九五期间开展了一些有关元数据的标 准及示范的前期研究工作，但与国外相比还存在较大差距。特别是由于中国海洋 4 第一章绪论 信息领域的元数据标准体系尚未形成导致海洋信息元数据网络服务根本无法开 展。目前所建的大洋矿产数据库虽然具有一定的规模，但与国外仍存在很大差距， 需要在内容、应用等方面进一步完善和提高。特别是必须研究和建立起大洋元数 据库并开展网上发布服务，只有这样才能最大程度地发挥大洋信息对我国大洋工 作的支持作用。 自从“七五”期间我国首次开展锰结核调查以来，2 0 年来已从单一的多金 属结核资源扩展到包括富钴结壳、生物基因和热液硫化物等资源领域，建成了“大 洋一号”综合性海洋科学调查船( 图l - i ) ，尤其是1 9 9 0 年大洋协会成立以来， 成功地组织了多个航次的大洋调查，获取了地质、地球物理、水文、气象、化学、 生物、资源等多方面的调查数据，为太洋矿产资源勘探开发事业的发展做出了巨 大贡献，同时也为海洋科学研究提供了宝贵的基础资料。 图i 一1 “大洋一号“考察船数据采集过程示意圈( 引自ct a o 2 0 0 4 ) 随着信息技术的高速发展和大洋矿产工作领域的不断拓宽，原有大洋数据 库无论是在信息内容、功能还是服务方式上只有不断补充和创新，才能满足需要。 主要表现在：在“八五”期问已经建立了大洋矿产数据库，虽然当时在大洋领 域内处于先进的地位但限于当时的信息技术和大洋调查资料本身的状况，涉及 的资源种类比较单一，主要是多金属结核调查、分析资料；“九五”建设的 大洋矿产信息系统，无论库存信息内容，还是在功能方面，已大大超过了“八五” 数据库采用了c l i n e t s e r v e r 结构的数据库系统，使系统具有了一定的环境评 第一章绪论 价和资源评价功能，特别在系统中引入了成熟的结核资源量分析计算模型，在多 金属结核区域圈定和放弃等工作中发挥了重要作用，但要满足“十五 期间富钴 结壳等资源评价的需要，还必须扩充信息内容，进一步研究和引进新的方法和模 型，增加新功能。由于考虑到大洋矿产数据共享政策，九五期间除了大洋文献 数据库在i n t e r n e t 网上发布外，其它数据及产品仅采用传统方式进行内部交流， 在服务方式上滞后于信息时代的要求。 随着我国大洋矿产资源调查研究工作的深入和最新调查手段和仪器设备的 投入，由此而产出的数据不仅包括传统的调查分析数值结果，而且获取的包括图 形、图象、声学、视频等多媒体数据越来越多，在对多种媒体数据配准的基础上， 建立集图形、图象、数字于一体的基础数据库群，是实现大洋矿产信息数据综合 管理最有效的方法。从“十五大洋规划框架来看，直接参与大洋各项工作的单 位和人员队伍不断壮大，每一个领域和专业的研究都必须以相关数据信息为基 础，因此对多专业领域和多层次的信息及信息产品的需求越来越广泛。从“九五 开始，来自从事大洋工作的各个方面的对能实时快速地获取有用信息和信息产品 的呼声日渐强烈。 1 3 目前需要解决的问题 尽管我国在大洋信息系统建设方面取得了很多成就，海洋信息技术化水平也 得到了很大程度的提高。但还存在问题： 1 大洋数据没有统一的格式，没有标准的数据库数据结构，所建成的数据 库呈现数据不够完整，限于当时的信息技术和大洋调查资料本身的状况，涉及的 资源种类比较单一，种类不够齐全，新的调查和分析技术方法的成果还未进入大 洋数据库。 2 现今的g i s 、w e b g i s 技术已趋于成熟，各个领域都争相运用以提高技术 水平，但在海洋这个与位置数据紧密相关的领域，尽管建立“数字海洋的呼声 很强烈，却一直并未把最新空间技术真正融入到大洋信息系统的建设中来。 3 所建成的大洋信息系统限于大洋工作的保密性和有关规定，还未充分利 用网络时代信息传输的便利性，没有把较新的计算技术运用于大洋信息系统建 设。异地操作、分布式管理、远程数据与内部网络数据的互动操作以及信息的实 时传输和利用还未实现。 1 4 本文研究重点 信息技术的发展为我国大洋信息系统建设提供了支持和保证，使学科众多、 结构复杂、数据量巨大的大洋系统建设成为可能。o r a c l e 数据库技术使海量的数 6 第一章绪论 据信息能够利用关系数据库高效存储。v i s i o 建模工具提供了能用于多种平台的 方便灵活的建模方案。a s p 技术架构让编程变得非常简单。m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 强有力的开发工具v i s u a lc * 提供可视化的、方便快捷的技术开发平台。本文 的目的和研究重点就是要在对这些技术深入研究的基础上，针对大洋信息系统建 设方面的实际需要和存在的问题，通过关键技术的攻关研究加以解决。本文所要 完成的工作具体如下： 首先，以历史开发的相关研究为基础，从我国大洋的实际工作出发，把计算 机的新技术和工作实际结合起来，进行大洋信息系统总体设计。深入研究o r a c l e 数据库技术原理，利用p o w e r d e s i g n e r 建模工具完成大洋数据库总体设计，统一 多种异构数据的格式，建立大洋数据模型，为大洋信息系统建设奠定基础。 其次，做好数据标准化处理和质量控制工作。以海量多波束资料后处理为例， 探讨了海量数据三维建模的方法，实现了软件编程。质量控制是数据库建设流程 中的重要环节。本文重点研究了温盐剖面的质量控制方法，用v c 和m a t l a b 混 合编程的方法实现了温盐剖面可视化质控。 再次，研究o r a c l e 应用方法以及o r a c l e0 0 4 0 、v c + + 技术、a s p 技术， 以实现多种大洋标准数据自动加载入库为目标，阐述了自动加载入库软件的设计 和实现方法以及o r a c l e 函数创建。基于v c + + 和0 0 4 0 重点设计开发完整的灵活 实用的c s 结构的网络查询检索系统。网络开发方面重点解决了j a v a 开发地理 地图显示站位图形、j a v a a p p l e t 与a s p 网页的通信以及a s p 实现大数据量数据 库的查询性能优化问题。 通过上述在空间数据模型和各种技术研究的基础上，将大洋矿产数据利用 o r a c l e 数据库存储管理，搭建我国大洋信息系统部分框架，解决大洋信息系统建 设的部分关键技术，为实现我国大洋数据信息共享和高效管理提供技术服务。 1 5 论文结构 本文根据国内外海洋信息系统建设的现状和技术水平，指出我国大洋矿产信 息系统建设中存在的问题，并分别介绍了一些关键问题的解决方案。整个论文包 括如下内容： 第l 章绪论，介绍本文的研究背景和海洋信息系统发展现状，并分析指出海洋 信息系统建设存在的问题，指明本文的工作重点和论文的结构。引言( 背景、研 究现状、难点、论文工作、内容介绍。 第2 章需求分析，围绕大洋信息系统建设，描述了大洋工作现状和用户分析、 大洋信息需求、功能需求等分析。 第3 章总体设计，介绍了系统建设中研究思路和原则、总体结构、逻辑和物理 7 第一章绪论 结构，对主要功能模块设计作了简要说明。针对大洋调查分析数据资料的特点， 阐述了大洋数据库创建模型，并在减少冗余和提高性能的措施和策略方法等方面 作了一些探索。 第4 章数据标准化处理与可视化质量控制，介绍了大洋矿产标准化数据处理流 程，以多波束资料后处理为例，提出了一种海量数据三维建模的方法，实现了软 件编程。研究了温盐剖面的质量控制方法，用v c 和m a t l a b 混合编程的方法实 现了温盐剖面的可视化质控程序。 第5 章数据加载描述了大洋标准格式数据自动加载入库程序的流程、设计和 实现，以及数据文件加载入库的实现方法。 第6 章基于c s 和b s 模式的查询系统实现重点介绍了查询系统建设各环节中 的主要技术方法，包括数c s 结构查询检索、b s 结构查询浏览等设计开发中的 关键技术难点。 第7 章结论与展望总结了论文的研究成果和将来的研究方向。 第二章大洋矿产资源信息系统需求分析 第二章大洋矿产资源信息系统需求分析 2 1 大洋矿产资源信息系统用户需求分析 我们在“八五一、“九五工作的基础上，进行了更广泛的具有针对性的用户 调查。用户调查主要采用两种方式进行，一是直接用户或潜在的用户接触，直接 了解和掌握他们的要求，让用户提出现阶段急需解决的问题和长远需要，包括需 要哪些基础数据信息、需要那些信息产品、需要系统提供哪些功能等；一是广泛 查阅有关大洋矿产资源研究开发的文献著作、调查研究报告，按照大洋工作的总 体目标，紧紧围绕着大洋矿产资源调查、开发和管理，确定所需信息和功能，将 两者进行有机分析和结合来确定系统数据构成和逻辑功能构成。 大洋矿产资源研究开发涉及的现有用户和潜在用户主要有： 大洋矿产资源研究开发管理部门 大洋矿产资源调查实施部门和单位 进行大洋环境和资源基础研究的有关高校和科研院所 进行大洋矿产资源开发的生产经济实体等。 其他关心我国大洋事业的社会公众 管理部门主要是大洋矿产资源研究开发协会和涉海的其他管理决策部门，要 求提供的主要是有关实际调查状况、资源状况等宏观综合信息和能够满足日常决 策需要的支持信息，用于掌握调查研究状况，制定研究开发规划和计划等。 调查实施部门则需要制定航次计划( 包括调查内容、调查区域、调查航线等) 、 了解历史调查情况，收集历史等相关资料数据信息，并需要进行调查和研究报告 的编写等，还需要进行环境现状研究、资源分布和资源量的评价，最主要的是在 完成各种调查分析的基础上，圈定出有利的资源分布区域。 对于采选冶方面研究的部门和单位，主要关心的是底质条件、矿物成分、化 学成分、资源分布情况、结核产状、海洋环境场分布和海水化学等；科研院所则 注重的主要是基础数据信息，往往对数据的完整性要求较高，除了调查分析结果 数据外，还需要有关仪器设备、试验测试条件、方法和精度等背景信息；作为资 源开采的经济实体，则关心的是开采的底质条件、地形条件、资源分布情况和资 源量、靶区天气状况等。 不管是哪类用户，尽管其业务领域和涉及的学科不同，业务流程不完全一致， 9 第二章大洋矿产资源信息系统需求分析 但都希望能够及时方便快速地获取所需的信息服务，所需信息基本一致，包括： 调查综合信息、海洋环境信息、海洋地质地球物理信息、资源信息等。要求的基 本功能为：可以灵活方便地获取高质量的数据和信息服务。 2 2 工作现状分析 、 2 2 1 工作业务现状 多年来，我国进行了多次大洋调查，获取了大量珍贵的海洋数据，尤其是自 1 9 9 1 年大洋协会成立以来，成功地组织了数个航次的大洋多学科综合调查和研 究，获取了地质、地球物理、水文、气象、化学、生物等多方面的海洋数据，为 海洋事业的发展做出了巨大贡献，为海洋科学研究提供了宝贵的基础资料。 加强海洋数据管理的必要性和紧迫性在信息技术高速发展的今天显而易见。 大洋协会在组织我国大洋调查的同时，积极拟建成大洋信息共享平台，以更有利 于我国大洋海洋事业的迅速发展。 研制开发我国的大洋矿产信息资源综合管理与服务系统已经具备了充分的 条件。现代先进的信息技术提供了可靠的技术保障。大型的高安全性数据库软件 系统已经广泛应用于通讯、交通和国防等各个领域；各种地理信息系统工具为基 础信息的加工和开发利用提供了多功能的二次开发平台；网络系统已经广泛分布 和应用于社会经济的各个方面，由于采用了各种安全措施，网络安全得到了保障。 具有丰富的信息和广阔的信息获取渠道。随着我国大洋矿产资源调查研究工 作的深入和最新调查手段和仪器设备的投入，由此而产出的数据不仅包括传统的 调查分析数值结果，而且获取的包括图形、图象、声学、视频等多媒体数据越来 越多。 经过“七五 、“八五 、“九五”及“十五”各时期的大洋工作，已经取得了 丰富的信息，包括基础数据和各种研究成果，随着大洋工作的继续深入开展，将 产出更多的数据信息；广泛的国际资料交换，越来越成为重要的大洋信息来源。 “八五 、“九五大洋基础数据库的建设已经培养了大批技术人才并积累了丰富 的工作经验。 2 2 2 工作业务内容 通过调研了解到，大洋信息系统基础海洋资料工作的对象包含海洋水文、海 洋气象、海洋生物、海洋化学、海洋环境质量、海洋地质、海洋地球物理、海洋 l o 第二章大洋矿产资源信息系统需求分析 航空与卫星遥感、海洋经济、海洋资源等数据内容，数据总量多达千亿字节以上 全球范围的海洋各学科领域的科学数据。当前开发的管理系统对这些数据的主要 操作包括质控、导入、管理、检索、统计、导出和作图等。大洋基础海洋资料工 作划分为如下1 0 类业务，分别对应1 0 个业务单元，包括原始数据资料的收集、 纸质资料的数字化、数据标准化处理和质量控制、数据加载入库、数据库查询检 索、数据资料统计分析、数据导出、数据的图形化显示以及数据的备份与恢复。 具体业务内容如图2 - 1 所示。 2 2 3 资料内容 图2 - 1 大洋数据库业务内容 大洋数据库工作的对象包含矿产资源、海洋水文、海洋气象、海洋生物、海 洋化学、海洋环境质量、海洋地质、海洋地球物理、多波束水深、海底照相和海 底摄像等数据内容，数据总量多达2 5 0 g b 。大洋矿产资源信息系统的业务数据 概貌如表2 1 所示。 表2 1 ：大洋业务数据概貌 年二进制 数据现有文本年文本现有二进制 数据增长量 分类 数据量( m b )数据增长量0 v m )数据量o m ) ( m b ) 资源1 0 01 0 o 0 水文9 ，0 0 0 2 0 0o1 0 0 0 气象 1 0 ，0 0 0 1 5 0oo 生物 1 ，0 0 0 5 0o0 第二章大洋矿产资源信息系统需求分析 环境 5 01 00o 地质 5 0 02 005 0 0 重磁 6 ，0 0 0 1 0 0 2 0 ，0 01 0 ，0 0 多波束1 0 ，0 0 0l ，0 0 05 0 ，0 0 05 , 0 0 0 图像 0o5 0 g b5 g b 视频 0o1 2 5 g b2 0 g b 总计3 6 6 5 g b 1 6 g b1 8 3 g b 3 2 5 g b 三年以后数据量 4 0 0 g b 2 3 大洋信息需求分析 通过对用户需求的调查和综合分析对所需基础信息进行分类，总体上可分为 综合类信息、环境类信息( 海洋水文气象环境、海洋地质地球物理环境、海洋生 物生态环境) 、资源类信息等。综合类信息主要用于综合管理，环境类信息主要 用于海洋环境评价和对资源成因及成矿机制的研究，资源类信息用于资源量计算 和资源评价。具体按学科分类，各类信息需求如下： 综合信息 调查航次信息、航次调查工作量信息、调查仪器信息、航线信息、库存数据 量信息、资料管理信息和资料汇交信息表。 海洋环境信息 水文气象站点信息、标准层温盐资料、实测层温盐资料、标准层附加信息、 海面气象信息表、c t d 站点信息表、c t d 要素信息表、锚系海流站位信息、锚系 流要素信息、表层海流数据信息、a d c p 观测站位信息、a c d p 观测信息、南森站 水化学信息和台风路径信息。 海洋底质地球物理信息 底质调查站位信息、沉积物样品鉴定结果数据、沉积物粘土矿物鉴定结果数、 沉积物矿物鉴定数据、沉积物化学成分数据、沉积物粒度数据、沉积物工程物理 质数据、柱状样测量鉴定数据、沉积物古地磁数据、古生物鉴定结果数据、地质 年数据、大洋地球物理调查航次数据信息、重力数据、磁力数据、单波束水深数、 多波束水深数据、地震仪参数实体型属性、地震测量值班记录、地震测量原始数、 地震测量成果数据、浅剖测量成果数据和海底热流测量实体型属性等。 海生物生态信息 第二章大洋矿产资源信息系统需求分析 底栖生物数据、生物生产力数据和叶绿素a 数据等。 大洋多金属结核信息 多金属结核站位信息、多金属结核品位数据、多金属结核样品数据、多金 结核元素含量数据、多金属结核矿物成分数据、多金属结核照片和海底电视等多 体数据、多频探测结果数据和多金属结核现场班报等。 富钴结壳信息 富钴结壳站位信息、富钴结壳丰度计算信息、富钴结壳样品信息、富钻结壳 学元素、富钴结壳化学分析微量稀土元素、富钴结壳化学成分、富钻结壳矿物鉴 分析数据、富钴结壳测年信息、富钴结壳工程物理性质信息和富钻结壳工程力学 质信息。 热液硫化物信息 硫化物站位信息、热液硫化物采样信息、热液硫化物化学元素、热液硫化物 学分析微量稀土元素、热液硫化物化学成分和热液硫化物矿物鉴定分析数据。 地理信息图层信息 表2 - 2 大洋地理信息图层 类别层名属性 属性1属性2属性3属性4 波浪层波浪值 最大波高 平均波高 水文温盐层温盐值等值线类型 气象平均气温气温值等值线类型 气象层测站名称最大风速平均风速平均降水 多 丰度层 丰度值等值线类型面积周长 金 覆盖率层覆盖率值等值线类型 面积周长 属 金属元素层元素含量值等值线类型面积周长 结 站位层站位信息丰度覆盖率主要金属元 核 素 沉积物层沉积物类型面积周长 富厚度层板状、砾状、 点状品位属性 基岩 钴钴结核 结海山水深高程等值线长度 = ? 海山水深高程面状面积周长冗 第二章大洋矿产资源信息系统需求分析 2 4 其它功能需求分析 2 4 1 数据处理需求 数据处理总体上包括数据录入、格式转换、质量控制等。对于不同形式的数 据信息，要采用不同的功能处理模块完成。纸质报表资料按照数据录入格式采用 人工录入，图形图象资料使用数字化仪和扫描仪进行数字化处理，磁盘、磁带和 光盘等电子数据由编程处理模块完成格式转化或后期处理。对海量数据的后期处 理，只能通过商业软件或研究特殊的方法流程来完成。 数据的质量审查和控制是资料分析计算和进行海洋科学研究的基础，它们完 成的如何，对分析结果的影响至关重要。当前，随着海洋科学技术的不断发展， 大洋调查和实验室分析广泛采用了电子自记仪器，在资料处理分析中也普及推广 了电子计算机应用技术。因此应更加重视资料质量控制，以保证用各种手段获取 的海洋资料的完整性和可靠性。以前，大洋资料中的异常值是靠有经验的专业人 员，用手工的方式，通过比较数据值的大小，或分析要素的变化趋势等方法判别 处理的。近几年来由于观测资料的日益增多，完全靠手工的方式判断异常值有一 定困难，因而提出了用计算机判别数据中的异常值，对海洋资料质量进行自动控 制。其基本作法是先用计算机根据异常值的判别准则和方法，将异常值从大量的 数据中挑选出来。对明显含有过失误差的异常值，可在计算机处理中直接删除； 对靠计算机判别有困难的异常值，可将它们打印或显示出来，由专家根据调查情 况等条件结合专家的经验，确定是否应将其删除。计算机判别和人工审查相结合 的作法，既节省了检验资料的时间，又保证了检验的质量，很适合大量的资料处 理。因此，开发可视化的、人机交互的海洋资料质控程序，显得非常重要。 所有数据经过质量控制后形成标准格式数据，以各加载入库。 2 4 2 导入功能需求 数据导入是一切数据库管理的基础，也是用户一切业务活动的开始。导入就 是将标准格式的数据文件导入数据库，同时把导入结果进行反馈。大洋资料种类 繁多，格式复杂，除个别内容采用在线录入方式外，主要采用程序自动数据加载。 若对每个文件单独处理、入库，将极其复杂，而且容易出错。需要设计开发大洋 矿产资源综合数据库数据自动加载导入系统，对经过标准化处理和质量控制形成 标准格式的数据文件进行自动数据库加载入库，既可大大减少工作量，提高工作 效率，又可以保证数据库内的数据内容准确和完整，有效地减少出错率。大洋数 第二章大洋矿产资源信息系统需求分析 据库系统需要实现大洋数据的集中管理，这就要求为大洋数据搭建数据库以实现 业务化管理，因此，大洋数据的自动导入数据库成为必需解决的问题。 为保证数据的安全性和可靠性，要求导入程序必须兼顾事务处理、数据备份 和数据库日志。在具体操作细节上，同样的数据不能重复入库，也就是说要导入 的数据在数据库中已经存在对应资料，则提示需要系统排重。一些“国家调查 单位、“学科一要素”等对应关系代码表也需要在导入时进行维护。当数据文件 中的某条或多条数据出现异常时，整个文件都不能入库( 已经入库的部分需回滚 删除) ，并要求提示错误信息；数据导入成功后，要求备份相应的数据文件。 2 4 3 高级查询需求描述 高级查询是用户重要的业务需求，通常是在复杂的条件下检索相关的数据。 ( 1 ) 查询条件 根据航次某些属性( 航次号、调查机构、调查项目、船代码) 、站位某些属 性( 断面号、站号、调查方法、站位经纬度、调查时间范围) 、某些数据项测量 值( 气压、气温、距地高度) 等的组合作为检索条件。 时间范围。包括两种：开始至结束，如1 9 9 0 0 1 0 1 到2 0 0 4 0 5 2 0 ；固定 时段，如1 9 9 0 2 0 0 4 年的2 月，或者是2 月1 0 日至2 月2 0 日； 地理范围检索。输入经纬度范围，或者在底图上选择矩形区； 水深范围检索。指定层次或者层次范围； 要素条件。要素值范围检索和质量符条件，多要素范围的联合检索； 观测手段检索。用户选择或输入仪器类型，提供多种类型的复合查询； 资料来源检索。提供现有资料数据库中的来源( 如国家、调查单位) ，进 行检索。 ( 2 ) 选查检内容 大洋资料涉及多个学科，查询前能够按照大洋矿产的数据库分类罗列，内容 直观，便于用户选择。 对每