现代大地测量数据库系统的研究与构建

王永尚，张 鹏，王孝青，孙占义

(国家基础地理信息中心，北京 100836)

大地测量数据是国家测绘基准和测绘系统的具体体现，是国家基础测绘信息所不可缺少的重要组成部分，在国民经济建设、国防建设、民生服务中发挥着重要作用。如何科学管理测绘成果资料，并对外提供便捷、有效的测绘信息服务，是现代大地测量数据管理系统的重要功能。

随着新的大地测量技术体系逐步形成，大地测量数据服务呈现出定位数据应用的实时性和大众化的新特点。本文着重就现代大地测量数据库系统的实时数据入库管理、数据组成、体系结构和实现技术进行研究探讨，旨在分析研究构建现代大地测量数据库服务系统。

1 现代大地测量数据分析

1.1 数据实时性分析

大地测量数据库主要存储内容包括三角测量数据、重力测量数据、水准测量数据、卫星导航定位数据等，特别对全国卫星定位连续运行站每天24 h的1 s采样(或50 Hz)实时数据集中存储、管理、应用和服务，是现代大地测量数据服务新的特征。

1.2 数据实体建模分析

按照大地测量数据的内容特点，可将其归纳为观测数据类、成果数据类、概要数据类和辅助数据类4类数据，将4类数据进行实体建模分析，如图1所示。

图1 数据建模分析

观测数据是原始测量记录，包括卫星定位连续运行基准站观测数据、水准观测数据、基准点和基本点的重力观测数据、磁偏角控制点观测数据等，这些数据结构化程度低，往往以文件作为应用粒度。

成果数据是根据观测数据进行计算而获得的结果，包括大地控制网点坐标成果、时间序列、速度场、高程测量成果、重力测量成果等，这些成果数据结构化程度高，应用粒度细。

概要数据描述GPS点、水准点、重力点的特征和概要信息，主要是一些站点信息、点位说明及说明性文档文件等，这些文件规范化程度较低。

辅助数据为展现概要数据、成果数据、观测数据的空间分布提供电子地图、行政区划，以及给出数据库设计的数据字典等，可作为多类数据库公用的辅助信息数据存储。

2 基于数据库DBFS技术的实时数据存储结构设计

实时观测数据组织主要针对全国卫星定位连续运行站实时数据，采用半结构与非结构化数据组织策略。实时观测数据按照行政区、站址的组织分类方式，以数据文件为基本单元进行存储。

半结构与非结构化数据组织策略是结合使用关系代数和面向对象方法，刻画具有半结构与非结构化属性的复杂实体结构，保证客观实体描述的自然性、完整性。

将文件以二进制LOB存储在关系型数据库中的方式，虽然具有集群化、并行、并发、细粒度存取控制、事务完整性控制、透明压缩和加密、生命周期管理支持、数据安全策略丰富等优势，但与文件系统存储管理文件方式相比，具有相当的性能劣势。具有大量非结构化文件数据的系统，往往采用数据库系统和文件系统并用的方式存储管理数据资源，以牺牲数据库优势来弥补其文件数据存取性能的不足。

数据库Oracle DBFS技术克服了数据库管理系统存取LOB数据不足的劣势，通过改善存储机制，LOB数据存取性能已达到与文件系统相当的程度，甚至在一些情况下还有所提升；同时，为了支持现有应用系统对文件数据的存取，Oracle DBFS技术在实现数据库应用接口访问LOB数据机制的同时，还增加了LOB数据的文件系统应用接口。基于此，对于现代大地测量数据库中卫星定位连续运行站实时的文件型数据，采用具有数据库文件系统特定的DBFS技术进行存储和应用支撑，如图2所示。

图2 基于DBFS的实时数据存储结构

在DBFS中，Server为Oracle数据库，文件存储在表的一个SecureFiles LOBs字段里面。一个PLSQL存储过程的集合，提供了访问文件系统的基本操作，如create、open、read、write、ls。DBFS目录库允许每个数据库用户创建一个或多个文件系统，并且可以被clients使用。每个文件系统拥有专有的数据表，保证文件系统的内容。

Oracle DBFS在文件和目录之上创建了一个标准的文件系统结构，并且将数据存储在数据库基表中。DBFS很像NFS，因为它提供了一个与本地文件系统相同的共享网络文件系统，且与NFS一样，由Server与Client组成，如图3所示。

图3 基于DBFS的实时数据访问机制

3 结构化成果数据存储结构设计

大地测量成果数据采用结构化数据组织策略，主要分为以下3类：

(1) 控制网基本属性：控制网主要包括全国天文大地网、全国基准站整网平差网、国家GNSS大地控制网、2000国家GPS大地控制网、天文大地网与GPS2000大地控制网联合平差网、高程控制网和重力控制网等信息，其属性主要包括网名称、等级、采用基准、覆盖范围、网概要信息等。

(2) 布测路线基本属性：布测路线主要包括水准路线、GPS测量基线、相对重力测量基线等，其属性主要包括路线名称、起始点编码、方向向量、方向向量中误差、基线长度、基线相对中误差、误差椭球、基线段差等施测信息。

(3) 控制点基本属性：控制点主要包括三角点、GNNN点、重力点和水准点等，其基本属性包括控制点的点名、点号、点之记、位置坐标、高程、重力值、天线高信息等。

在大地测量数据建库中，根据数据内容和对象类型的不同，结构化处理成果数据，并进行空间化、可视化处理，按照点、线、网分层管理。

以大地测量控制点为基本单元存储，以控制点为基础按照网、线建立控制点之间的逻辑关系，同一类成果的不同内容之间应建立逻辑关系，如控制点成果与点之记之间应通过点的唯一标识建立逻辑关系。不同类的成果之间应建立逻辑关系，如大地控制网、高程控制网和重力控制网之间存在重合点时，应以控制点为关键字建立重合点之间的逻辑关系。对于同一控制点具有多期成果时，应建立多期成果之间的逻辑关系。数据表中将点、线、网的空间数据存在ArcSDE中，属性数据存在其他属性列中。点、线、网的空间数据表以控制点的唯一标识符与点之记及其他属性表连接。通过点、线、网等作为关键字建立观测数据、成果数据、文档之间的逻辑关系。

4 数据库组成与管理系统构建

4.1 大地测量数据库组成

大地测量数据库由大地测量数据及其管理系统组成。其中，大地测量数据是大地测量数据库的核心，按类型分为GNSS测量数据、高程测量数据、重力测量数据和深度基准数据等；管理系统是数据存储、管理、运行维护的软件。如图4所示。

图4 数据库组成结构

4.2 管理系统构建

4.2.1 系统总体构架

系统采用3层软件架构，主要分为数据层、数据访问层和应用层。在大地测量数据库管理系统中，许多数据管理工作如实时数据存储、数据转换等具有数据量大、计算密集等特点，往往需要占用较大的计算机存储空间和内存空间，消耗大量的CPU资源，适合C/S架构模式，同时还需满足基于Web技术的大地测量数据服务实现的需要，适合B/S模式下在服务器端集中处理，因此，系统采用C/S与B/S架构模式相结合的混合体系结构形式。系统总体架构如图5所示。

图5 系统结构

4.2.2 服务机制以及功能设计

大地测量数据库库管理与服务面向不同的用户群提供不同的功能，如图6所示。

图6 系统功能

5 结 语

国家大地测量数据库服务系统建设将Oracle DBFS技术和GIS技术应用于大地测量数据的管理和应用，实现了对数据入库管理和服务，并提高了大地测量数据应用的实时性、交互性和可视性，为大众位置服务等提供了高精度、动态、三维的支持与服务，能够较好地满足当前大地测量信息化的要求。

致谢:感谢国家基础地理信息中心王东华研究员对本次研究工作的指导。