辐射沙脊群时空信息集成系统设计

王鑫浩1，葛小平1，丁贤荣1，李森2

(1.河海大学 水文水资源学院，南京210098; 2.华为软件技术有限公司，南京210012)

摘要：针对江苏沿海滩涂围垦开发的难点，在海洋时空数据模型的基础上探讨了辐射沙脊群时空信息集成的方法，初步尝试了准同步思想在时空数据管理中的应用。系统在.NET 开发平台下，结合ArcGIS二次开发、数据库编程，设计开发了C/S和B/S混合结构的辐射沙脊群时空信息集成系统。水文站管理、漂流浮标示踪、遥感影像检索3大关键模块与数据源、数据整编、数据库管理、模型库和业务表达5层互成经纬结构，实现数据交互查询和管理。系统主要功能包括数据整编、模型计算、数据分析、时空数据接收、成果展示和分享，为辐射沙脊群区域围垦开发及水文监测提供数据支撑和技术支持。

关键词：辐射沙脊群；时空数据模型；准同步；GIS；信息集成

中图分类号：TV123文献标志码：A

1研究背景

江苏沿海辐射沙脊群是世界独特的海洋动力地貌奇观[1]，受浅海潮汐动力以及沉积作用，8大沙脊和9大水道构成其主体，以盐城海岸条子泥为顶点辐射状展开，覆盖面积22 470 km2[2]。在缺少外部泥沙供给的条件下，该区域受到周期性的潮流和风浪作用，海底物质易产生高强度再悬浮和运输[3]，使潮流通道存在复杂的潮动力以及泥沙运输状态[4]。在多种因素作用下，辐射沙脊群区域潮强流急，海上航行困难，对传统地形测量方法造成海测、陆测双重考验。研究区域长期缺乏海洋水位观测站网和长时间尺度海洋水文基础资料，对辐射沙脊群的深入研究产生严重影响。

在《江苏沿海滩涂围垦及开发利用规划纲要》中，辐射沙脊群区域作为围垦重点，不仅围垦难度大，而且深水航道及港口建设均受到其复杂地质和水文条件影响，需要加强监测和研究。通过沿海潮位监测站网和漂流浮标监测系统，自动采集连续、具有一定时间序列的现场观测数据[5]，结合历史水文资料和遥感影像，建立辐射沙脊群综合观测体系，成为针对上述难点的辐射沙脊群海域监测研究新方法；以此监测体系作为数据采集平台，构建时空信息数据库，存储、管理、分析、可视化和共享多元异构时空数据，对实现辐射沙脊群时空信息集成具有重要意义。

海洋时空数据模型作为多元异构时空数据的拓展，也是海洋信息化管理的关键。时空数据概念模型大多从GIS发展而来，包括时空立方体模型(Space-time cube)、基态修正模型(Base state with amendments)、时空复合模型(Space-time composite)等[6]，关于海洋时空数据模型及数据分析，国内外学者均有相关研究[7-19]。但是海洋数据格式不一，来源众多，尚不能满足海洋信息标准化建设，因此也给大范围海洋环境监测分析带来困难。为表达相对复杂多变的辐射沙脊群区域特征，需要设计面向海洋环境的时空数据模型，以匹配海洋环境数据动态、连续、边界模糊等特点。本文依托“江苏省基础研究计划(自然科学基金)资助项目(BK2012414)”及国家科技支撑计划课题(2012BAB03B01)， 结合辐射沙脊群围垦海域海天一体化观测系统[1]，以水文站网监测和遥感技术为核心，以海洋时空数据模型为理论基础，拟设计开发辐射沙脊群时空信息集成系统。

2系统数据集成方法

辐射沙脊群区域包含多元连续信息，海洋环境动态变化、传统监测方法人为阻碍了海洋过程的统一性。监测数据的时空尺度各不相同，而实测资料的匮乏导致不同种类的数据信息无法统一在同一时空尺度下，无法表达海洋环境的立体信息。单一的数据分析往往无法完整反映环境信息，其精确性又依赖于大量实测资料，成本昂贵；而遥感影像可以反应大面积、同步的沙脊群环境信息，包含水边线、潮流场、悬沙场以及水下地形等，是沙脊群研究中的宝贵资料。由于潮汐运动具有周期性，利用潮位过程的相似性，将离散的遥感影像信息标准化至不同潮汐涨落过程中，通过连续化，实现遥感影像过程与潮位监测信息的准同步，与潮位、漂流浮标相结合，形成真正意义的点、线、面同步立体观测，连续完整地表达沙脊群水环境变化。对于单一类型的数据，时空一体化是在绝对时间的范围内，对不同时间、空间的数据进行时空分析，而多源数据的时空一体化往往无法统一到绝对的时间范围内，需要分析数据内部的规律，利用相对时间的概念，实现数据的准同步，从而实现不同数据的时空信息一体化，表达地理实体的完整信息。

准同步原为数字通信系统中的概念[20]，是为保证通信质量而对时钟误差范围进行限制的一种同步方法。本系统首次引入准同步的概念，旨在利用潮汐涨落周期规律将绝对时间转换到同一过程线上，从而可以获取准同步时间的潮位、漂流轨迹以及遥感影像，将时间尺度统一在一个过程线内，实现不同时间序列向同步时间序列的转变。准同步潮位分析可以提供准同步的长时间序列数据信息，解决一定时间序列的资料缺失的问题，初步实现时空信息的一体化的要求。

本文对样本潮位序列信息进行匹配，从匹配开始时间选取后24 h的潮位过程线，对相位信息的匹配结果进行了检验，如图1所示。结果显示匹配存在一定误差，但已经满足潮位过程线的相似要求。此方法可以用来查找一系列准同步的影像集合，并反映不同的潮汐涨落潮状态，并作为一体化分析的框架。

图1　准同步匹配结果检验 Fig.1　Verification of quasi-synchronization results

3系统关键技术

3.1　系统总体结构设计

辐射沙脊群时空信息集成系统由水文站网管理、漂流浮标示踪、遥感影像检索等3个功能模块组成，每一个模块的运行过程都包含数据源、数据整编、数据库管理、模型库和业务表达5个技术层面。根据系统总体需求及运行特点，其业务功能体系按信息的纵向流程组织，技术层面按相应的信息技术支撑与功能横向组织，形成经纬式组织结构[21](图2)，3个专业模块既分别独立，又相互支持，是一个横向组织紧密、纵向逻辑过程清晰的有机体。

图2　系统总体经纬式结构 Fig.2　Fabric structure of the system

3.2　数据库设计

3.2.1属性数据库设计

在海洋数据具有复杂时空特征的前提下，根据其对象属性和时空关系，可以将属性数据分为原始监测数据、整编数据和系统分析数据，对应属性主要包括水文站编号、传感器编号、潮位大小、记录时间等。以水文站网监测数据为例，收集到的原始数据经数据整编工具剔除异常数据，处理成逐小时的潮位数据，调用潮位调和分析模型，计算出相应的调和常数，将调和参数植入模型，进行报表制作和潮位预测。表标识的编写格式如表1。

表1　属性数据库标识结构 Table 1　Identification structure of attribute database

3.2.2空间数据库设计

空间数据库技术与空间分析和空间数据可视化称为GIS的3大核心技术[22]，也是空间数据进出关系数据库的关键通道[23]。其核心组件是空间数据库引擎(Spatial Database Engine，简称SDE)，主要解决存储在关系数据库中的空间数据与应用程序之间的数据接口问题。ArcSDE支持多用户访问存储于关系数据库的空间地理数据的中间件技术，可以无缝地连入应用开发环境中，应用程序可以容易地定位和共享中间件提供的应用逻辑和数据，易于系统的开发和集成[24]。从辐射沙脊群时空信息集成系统的功能需求出发，本系统充分利用ArcSDE作为访问SQL Server 2008空间数据的中间件作用，将辐射沙脊群的地理空间数据存储到SQL Server 2008关系数据库中，实现空间信息与属性信息的一体化管理。

3.3　系统开发环境

辐射沙脊群时空信息集成系统的研发基于ESRI公司ArcGIS平台，整个系统架构建立在.NET基础上，以Visual Studio 2010为开发平台，采用双层结构、 C/S和B/S混合开发的方式。结合实际情况和具体需求，系统研发平台详情见表2所示。

表2　系统研发平台详情 Table 2　Details of system development platform

4系统主要模块

目前系统已实现的模块包括水文站管理、漂流浮标示踪、遥感信息检索。3个模块既相互独立，又相互支持，实现辐射沙脊群地理信息交互查询和管理。系统从体系结构上可分为2大部分，包括C/S部分和B/S部分，C/S部分主要完成数据整编、模型计算和数据分析，B/S部分负责实时数据的接收，成果展示和分享，两部分系统通过空间数据库紧密联系在一起。

4.1　水文站网管理模块

水文站网管理模块主要负责水文站网潮位的存储、分析和潮位信息的共享，主要功能数据获取、数据整编、潮位信息时空分析、潮位预报等，其功能结构如图3所示，主要模块运行结果如图4。

图3　水文站网模块总体结构 Fig.3　Structure of hydrological station network module

图4　水文站网模块运行界面 Fig.4　Operation interface of hydrological station network module

4.2　GPS漂流浮标示踪模块

本模块将收集到的漂流浮标信息整编，导入ArcSDE数据库管理，利用Arc Server建立漂流浮标轨迹跟踪的服务模型，借助于ArcGIS API for Flex，构建一个WebGIS模块，实现在浏览器端进行数据查询、浏览、空间分析功能。

本模块对包含时空信息的漂流浮标数据进行了统一管理和可视化，采用动态符号法，对相应时段的数据进行渲染，实现时空数据的动态可视化。ArcGIS API for Flex集成了部分空间分析功能，而Flex具有富因特网特性，可以在客户端进行轻量级的数据运算和空间分析，从而减轻服务器端的压力，同时具有良好的用户体验，本模块在此基础上主要实现了漂流浮标基本信息的查询和轨迹的动态跟踪功能。图5为西洋内漂流浮标轨迹的动态跟踪。

图5　漂流浮标轨迹的动态跟踪 Fig.5　Dynamic tracking of drifting buoy trajectories

4.3　遥感影像检索模块

在实际研究工作中，遥感影像是极其重要的数据源，在庞大的影像库中选取、判读合适的遥感影像选择不仅决定了数据质量，而且是一项繁重的工作，劳动强度大,信息获取周期长[25]。遥感影像检索模块，实现影像的快速查找和定制，提高选择影像的效率。本模块主要包含遥感影像相位查询(图6(a))、影像信息检索(图6(b))等功能，主要实现对现有影像的检索、影像的个性化定制以及准同步影像查询。

图6　遥感影像检索模块运行界面 Fig.6　Operation interface of remote sensing image query module

5结语

随着空间信息技术发展和多源数据获取途径的拓宽，如何高效地获取、利用时空信息以满足科学研究需求，成为亟待解决的问题。辐射沙脊群时空信息以至于海洋时空信息，不论从复杂程度还是获取难度上，都需要一个专业、适用的平台为其服务。如何将基础信息平台、信息监测平台、信息查询平台与信息服务平台完美无缝地结合起来，具有重要科学意义和现实意义。

本文初步探讨了辐射沙脊群时空信息集成的方法，并对多源异构数据、时空数据建立时空信息数据库，从而进行有效的存储管理、数据分析、可视化和信息共享，初步尝试了准同步思想在时空数据管理中的应用，为江苏省沿海滩涂开发和辐射沙脊群研究提供科学数据和决策支持。但是将准同步运用到地理空间信息管理中，其精度控制和具体算法尚未深入研究，还有待进一步改进和深化。

致谢：特别感谢华为软件技术有限公司员工李森、安徽师范大学国土资源与旅游学院青年教师吴立、南京大学地理与海洋科学学院博士研究生李开封等在论文指导上的帮助。

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(编辑：王慰)

Design of Spatio-temporal Information Integration Systemfor Sand Ridge Field

WANG Xin-hao1, GE Xiao-ping1, DING Xian-rong1, LI Sen2

(1.College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing210098, China;

2.Huawei Technologies Co., Ltd., Nanjing210012, China)

Abstract:In view of the difficulties of exclamation and exploitation in the coastal area of Jiangsu Province, we discussed the method of spatio-temporal information integration for radial sand ridges based on marine spatio-temporal data model, and preliminarily applied quasi-synchronization to the spatial and temporal data management. A system involving ArcGIS secondary development and database programming is designed and developed as C/S and B/S structure on the development platform of MicroSoft.Net. The system consists of hydrological station management, drifting buoy tracer, retrieval of remote sensing information as key modules, and data source, data reorganization, database management, model base and business expression as layers, which together make up a fabric structure of interactive data query and management. The main function of this system includes data reorganization, model calculation, data analysis, spatio-temporal data receiving, result displaying and sharing. It provides data support and technical support for the reclamation exploitation and hydrological monitoring in radial sand ridge field.

Key words: radial sand ridge; spatio-temporal data model; quasi-synchronization; GIS; information integration