姚志祥 欧阳飚 吴建平 郑秀芬 黄 静 黎 明

1）中国地震局地球物理研究所，北京100081

2）中国地震局地质研究所，北京100029

（作者电子信箱，姚志祥：qdocyao＠126.com）

引言

“华北克拉通破坏”重大科学研究计划通过资助流动台阵地震观测和人工源地震探测剖面，以及与克拉通破坏相关的地质和地球化学观测等项目，开展对华北克拉通破坏有关的核心科学问题进行多学科研究［1－2］。在该计划实施过程中，产生了大量的包括天然地震、人工探测等类型的地球科学观测数据，这些地球科学数据是认识华北克拉通形成、演化理论的基础与根据。因此，自然基金委借鉴国际上重大研究计划建立相应数据中心的经验，在该计划开始之初提出建立共享数据库系统，安全科学地管理这些宝贵的数据［1］。通过共享数据库系统的建立，实现数据的共享，让科研人员充分挖掘与应用其中蕴藏的大量信息，开展多学科科学研究［3］。

近年来，随着大型数据库技术、Web－GIS技术以及计算机网络技术的发展，为数据库建设和数据共享提供了更加安全、有效、快捷的技术支撑。如GIS技术对具有空间属性的数据图形化表达，可以为用户提供更优质的服务，在数据库设计时可以充分利用相关技术［4－6］。另外，大型存储等设备的更新换代，也为海量数据的集中管理和服务提供了更好的条件。但数据量的增长对数据库系统和数据服务都提出更高的要求，因此，充分利用先进技术进行合理的数据库系统设计极其重要。

1 数据结构与建库

在“华北克拉通破坏”重大研究计划支持的观测项目中，有流动台阵地震观测、人工地震探测、地质和地球化学等观测研究 ，数据类别繁多，数据量大，其中流动台阵地震观测数据量最大，数据量达到几个TB。因此，需要根据不同种类数据及其结构特点进行划分，按照相关专业规范建立相应的数据库。一般而言，根据数据结构特征可以把数据分为结构化数据和非结构化数据，结构化数据是数据之间具有一定的关系和条理性的数据体，可以用标准化的数据库表进行管理。如天然地震数据中台站、通道、仪器响应等信息数据，需要根据国际标准交换格式SEED 建立库表；人工探测数据的观测点、炮点等信息数据需要根据国际SEGY 格式相关要求建立数据库结构，而涉及的地质、地球化学等岩石采样及测定数据根据相关标准建立结构化的数据库。非结构化数据是指不能够用关系数据库结构进行分类描述的数据，主要包括文档资料数据和一般数据表格文档数据，对可以通过提取关系属性信息进行结构化的管理的数据，形成结构化的数据或索引，对于无法提取关系结构的部分数据使用文档库进行管理。其中数据量最大的天然地震观测数据以及人工探测数据的地震波形数据体，采用了标准格式的文件系统进行管理和存储，通过结构化的索引进行管理。

2 系统架构设计

依据“华北克拉通破坏”重大研究计划共享数据库系统在数据建模、数据汇集、数据分析处理与产品生成、数据图形化展示及GIS导航、数据共享、数据管理、数据存储备份、门户网站、用户管理与权限认证等方面的功能需求，采用Oracle大型数据库技术，结合新的GIS技术对整个数据库系统进行了架构设计。

2.1 系统架构

设计的“华北克拉通破坏”重大研究计划共享数据库系统整体架构由“一个数据库、一个门户、两个系统支撑平台、四个专业应用”构成（图1）。一个数据库包括采取独立数据库、独立用户、独立表空间的方式管理的四类数据，主要有地震数据（包括天然地震和人工探测数据）、地质数据、地球化学数据和系统支撑数据，这些专业数据、用户与权限以及系统运行所需要的支撑数据通过数据库进行系统管理。经专业应用、数据交换与共享应用、GIS地理信息系统应用、数据有效性保障应用四个专业应用，在系统权限管理平台和系统运营管理平台两个系统支撑平台支撑下保证共享数据系统门户的运行。

图1 系统整体架构示意图

2.2 系统功能模块

根据系统架构设计，共享数据库系统功能从逻辑上可以分为系统支撑功能部分、地震等相关数据管理功能部分、用户及权限管理功能部分、有关数据共享的应用及接口处理部分以及附属工具，各功能部分承担不同的系统任务（图2）。根据具体承担的任务划分，功能模块主要包括系统管理、数据管理、权限管理、数据共享、Web GIS、信息发布等主体模块，这些主体模块由若干程序模块组成，程序模块又由若干一级、二级程序子模块组成，分别完成各自独立的功能。如数据共享模块包括流动台、固定台的连续波形和事件波形数据共享服务、人工地震探测数据、地质与地球化学数据共享服务，及其有关的数据处理格式转换等程序子模块。共享数据库系统共设计有18个程序模块，47个一级子程序模块和50个二级子程序模块。

图2 系统功能逻辑模块基本构成图

3 系统开发技术体系

“华北克拉通破坏”重大研究计划共享数据库系统是对海量观测数据进行管理和业务应用的综合性平台，考虑到系统的高开放性和高可维护性，系统采用成熟的B/S（Browser/Server）结构，严格遵循J2EE 的MVC（模型层（model）、视图层（view）、控制器层（Controller））三层架构模式（如图3）。在数据库技术方面，考虑到系统将面对海量数据的处理及对数据高安全性的要求，系统选用大型Oracle数据库技术。应用服务技术方面，根据系统运行时的系统负载、运行效率和跨平台性等方面实际需求，系统选用Java语言及部分基于Java语言的成熟程序开发框架作为系统后台程序的开发基础。同时，针对具有空间特性的数据，开发基于Flex技术的Web GIS 可视化应用，部分子模块采用GIS地图操作触发的方式进行数据管理和系统应用。在客户端技术方面，系统采用先进的RIA（Rich Internet Application）的理念及相关成熟可靠的Flex 等开发技术，使表现力、通信与网络效率和交互性更强。

图3 程序开发设计架构图

4 结语

针对“华北克拉通破坏”重大研究计划有关观测数据的类型和特点，结合在数据管理和共享以及系统整体性能方面的实际需求，对共享数据库系统进行了整体设计。系统设计充分利用了大型Oracle数据库和Arc GIS等计算机新技术，通过对数据库层、系统与专应用层合理设计，采用成熟的B/S结构和J2EE的MVC 三层架构模式，结合Flex和RIA 新技术和理念，选用Java语言进行开发。这些计算机新技术的应用，保证了已建成的共享数据库系统数据管理和共享服务功能的实现，同时系统具有高开放性和高可维护性，客户端方面表现力、交互性、以及便捷性更好。

［1］国家自然科学基金委员会.国家自然科学基金《华北克拉通破坏》重大研究计划2007年项目申请指南.2007

［2］朱日祥，徐义刚，朱光，等.华北克拉通破坏.中国科学：地球科学，2012，42（8）：1135－1159

［3］孙枢.地球数据是地球科学创新的重要源泉—从地球科学谈科学数据共享.中国基础科学，2003（1）：19－23

［4］王卷乐，游松财，谢传节，等.面向Web的地学数据共享服务平台架构设计.地球信息科学，2004，6（4）：62－65

［5］郭腾云，陈小钢，吴绍洪，等.基于Web GIS的空间数据共享解决方案.科技导报，2004（3）：17－20

［6］欧少佳，许惠平，陈华根，等.中国岩石圈数据模型总体设计.地球学报，2005，26（3）：265－270