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1、长江口深水航道治理工程时空序数据库的构建王丽华，万军，潘才官，施卫星(上海达华测绘有限公司,上海,200136)摘要长江口深水航道治理工程是我国水运交通行业关注的热点，也是建国以来最大的水利工程项目。长久以来，由于缺少统一的标准和管理，工程治理实施过程中很多宝贵资料缺失，保存的数据亦难共享。本文研究构建一个基于时空序的工程数据库，对不同来源、不同标准的数据进行标准化处理，将收集、整理、控制质量和格式规范化处理后的水文观测数据、水下地形数据等大量不同时期的数据资料用一个统一标准的长江口深水航道治理工程数据库进行管理。1 前言长江口深水航道治理工程是我国水运交通行业关注的热点，也是建国以来最大的水
2、利工程项目。工程于1997年底开始，分三期实施，航道水深分阶段增深到理论最低潮面8.5m、10m、12.5m，航道底宽350400m。一期工程和二期工程分别于2000年3月和2005年11月竣工，而三期工程自2006年9月开始，2010年3月竣工，目前处在工程维护期。工程的施工期长，工程施工情况复杂（参与施工单位众多），由于缺少统一的标准和管理，工程治理实施过程中的很多宝贵资料缺失，保留的数据亦不能共享。应用和分析的基础是要有充分的数据支持，数据的缺失和不能共享必将影响对长江口区航道治理工程的研究，规划以及对工程决策的支持。因此收集建立一个数据库以供研究以及管理人员使用，进行研究航道工程治理效
3、果，河口航道整治工程实施后对地形的影响，探讨工程，动力，沉积和地貌及其相互间复杂的响应关系，对于深入认识长江口河床演变规律，进一步丰富河床演变学和河口工程学的研究进展等均具有较高的理论价值。通过收集整理水文观测资料、水下地形资料，针对不同来源、不同标准的数据做标准处理，利用大量不同时期的数据资料建立统一的长江口深水航道治理工程主题数据库，实现数据检索、浏览、查询，为后期研究、分析和决策提供数据支持。2 数据特点和结构分析空间数据的两个基本特征是空间特征和非空间特征。空间特征表示现象的空间位置一般以坐标表示。非空间数据又称属性数据，表示实际现象或特征类别、名称、值等。属性数据虽不表示位置，但它的
4、每一个数值总是和某个位置联系在一起。长江口深水航道治理工程数据库的构建主要包括收集、整理、录入长江口深水航道治理工程涉及的历史数据，其中既包括空间数据，也包含一些空间数据，如项目信息。地形数据：包括长江口区域施测的水下地形数据、相关部门的地形数据和历史海图。水文数据：包括长江口区域施测的定点垂线水文测验数据、固定水文断面；上游大通站来水来沙数据及其他相关水文站的潮位数据。航道及涉水工程数据：海图数字化、岸线数字化、相关涉水工程边界线数字化，如港口、码头、水下管线、桥梁等。洲滩涨坍数据：包括长江口卫星遥感影像数据。2.1 水下地形测深数据 1.1.1测深数据特点水下地形数据指能够描述水下地形的测
5、深数据，以离散点形式存在，可以通过数字建模进行断面分析、等深线分析及三维显示等技术手段更为直观的表述水下地形。这些数据的特点就是时间性和空间性。此类数据采用X、Y、Z坐标格式直接存储和检索，每个坐标（X，Y，Z）代表一个空间实体即所谓的空间数据，其关联的属性信息包括如时间，地点，项目等。因此考虑此类型数据属性特点：类型、地点和时间的不同及相关性，通过地点(工程)时间(项目)数据三级结构进行管理和检索。图1. 图形管理结构2.1.1 数据来源由于水下地形测图来源于不同部门，各测图存储介质、坐标、基面不尽相同，因此，需要专门对各测图进行数据提取与整理(包括部分图纸扫描、矢量化和数字化，坐标与基面转
6、换)，以统一格式，满足数据入库的要求。地形岸线信息和地形监测固定断面信息主要来源于施测单位提供的CAD测深图中。2.1.2 坐标系统与基准为了地形数据的标准化管理，入库地形数据统一采取理论最低潮面和1954北京坐标系，水深以米为单位。但由于数据来源不同，所采用的坐标系也不尽相同，因此在入库前，需要其他格式提供的测深数据如海图格式的DWG文件等，进行基面、坐标系的转换，以符合入库的标准。数据库入库统一规定测深数据定义Z轴向下为正，如果采用高程标注时需要把高程转换成水深。2.2 普通地形数据普通地形数据包括岸线，周边地形、道路、建筑，港口、航道附属设施，以及遥感影像等数据；采用点、线、面等矢量数据
7、格式进行存储和检索，通过符号化图形显示进行表述，同时可以叠加遥感影像等数据更为直观显示地形地貌，一般用于陆地、水面附属设施等要素的描述和显示。2.3 水文观测数据水文观测数据包括水文要素，即描述水文测验项目的基本信息、实测值和统计值。当前已知常规水文测验项目包括垂线分层流速流向、垂线分层含沙量、垂线分层含盐度、水温、风速风向、流量、输沙率等。此外水文观测数据还包括潮位站、水文测验断面、水文测验垂线、浮标、河床底质采样等数据。水文观测数据分类及特点见下表：表 1. 水文观测数据类型数据名称空间数据属性数据备注观测要素潮位站潮位站位置站名，站代码水文测验断面测验断面线位置断面名，编号水文测验垂线垂
8、线位置垂线名称，编号与测验断面关联浮标浮标平面坐标浮标名称，编号河床地质采样采样点平面坐标中值粒径、土质名称观测项目观测值垂线分层流速流向；垂线分层含沙量；垂线分层含盐度；水温；风速风向；潮位；流量；输沙率等与其他要素关联2.4 航道数据描述航道要素基本信息，包括航道、航标、航道疏浚单元等。属性信息主要指名称、概况，空间信息主要是其地理位置等。此外，航道疏浚单元信息还包括单元面积、疏浚量、平均水深等。航道数据主要来源于中交上航局及海事部门的相关资料。2.5 涉水工程数据此类数据包括：航道工程设施、港口码头设施、水下管线、光缆等。其中，航道工程设施主要包括航道导堤、丁坝、限流堤等已建航道涉水工程
9、设施。涉水工程要素信息主要包括工程的位置、建设规模、材质、管理单位、施工单位等。涉水工程数据信息主要来源于港口、水务、海洋部门和工程建设单位，其中部分资料需矢量化和数字化，如从海图、AutoCAD底图等介质转入数据库。3 长江口深水航道治理工程时空序数据库设计长江口深水航道治理工程其工程建设、管理、维护和科研工作常用的信息资料有水文数据、地形数据、航道数据、涉水工程数据、航运经济数据。因此，研究此处时空序数据库的设计和建设主要考虑水文数据库、地形数据库、航道数据库和涉水工程数据库四个数据库，还要充分考虑与已有数据库的兼容与接合。总体设计如下图：图2. 长江口深水航道治理工程数据库总体设计3.1
10、 专题数据库设计3.1.1 水文数据库设计水文数据库用于存储长江口相关水文测验数据和历史水文数据。设计见图3：图3水文数据库设计水文数据库设计要求参照基础水文数据库表结构及标识符标准 （SL324）的具体内容，该标准对库表分类、库表命名、字段命名、计量单位、编码规范等方面的要求均有详细说明。如果涉及到在该标准中未定义的条目，遵循规范、合理的原则。3.1.2 地形数据库设计地形数据库用于存储长江口区相关地形监测数据，采用空间数据库。地形数据库设计参照相关空间数据库设计范式，以规范、合理、高效为原则，以满足专业研究分析为前提。地形水深点采用三维矢量点数据存储，地形岸线和监测固定断面等线状要素用二维
11、矢量线数据存储。设计见下图4。图4地形数据库设计其中：地形要素：描述地形要素基本信息和实测值。地形要素包括：长江口地形水深测点、地形岸线等。地形水深测点实测数据格式为X、Y、Z，其中，X、Y表示测点平面坐标、Z表示测点水深。地形岸线为空间二维矢量线。其他要素：描述其他地形相关要素信息，如长江口地形定期监测固定断面信息，地图分幅信息等。要素关系：描述要素与要素之间的关系，如地形要素与地图分幅之间的所属关系等。3.1.3 航道数据库设计航道数据库用于存储航道相关信息。航道数据库设计见图5。图5航道数据库设计航道数据库设计要求参照交通运输科学数据共享元数据标准（征求意见稿2006-12-15）具体内
12、容。航道要素采用空间矢量数据存储。空间坐标系统一采用1954北京坐标。3.1.4 涉水工程数据库设计涉水工程数据库用于存储相关涉水工程基本信息。涉水工程数据库设计依据水利工程数据库数据字典和表结构。设计见图6。图6涉水工程数据库设计3.2 数据库的时空性数据库的时空性，指时间性和空间性。时间性即“与时间相关”意味着数据库中的数据大都与时间相关。因此数据库中的数据组织方式要便于按时间段计算和提取数据。工程数据库管理的数据，涉及施工前、施工实施中、施工后、维护期等一系列随时间推移的数据集合，设计数据库结构必须考虑时间概念。空间性是指整个工程数据库涉及的数据与地理位置，地形要素相关。因此这里也可以把
13、此处的工程数据库定义为时空序数据库。此外由于工程数据库包含的内容繁琐，意味着要用一些设计方法来建立“数据集成性”，。在命名协议、关键字、关系、编码和翻译中的一致性问题需要考虑。3.3 数据库空间数据的检索水深数据根据测图比例和测图范围的不同，数据量的差异非常悬殊，对于时间序空间数据库来说，由于历史数据的积累，为了响应一个简单的查询就可能检索成千上万条记录，数据的移动量很大。因此管理海量空间数据时，必须考虑快速检索的方法。空间过滤手段的应用可以进行有针对性的关键地域的研究分析并且减少参与分析计算的数据点个数，有效提高分析效率。根据上述分析的测深数据的特点，建立测深数据检索可以通过地点（工程）时间
14、（项目）GID（图形标志）获取对应的数据点集，根据实际分析的需要可以通过指定窗口范围或任意多边形范围进行空间范围过滤。3.3.1 窗口范围过滤采用窗口范围过滤技术上比较简单，测深点采用XYZ数据格式直接存储，窗口范围可以通过左下角点（min x，min y）和右上角点（max x，max y）简单表示，因此在数据检索时读取数据库表的SQL语句中添加过滤条件(x = minx and x = min y and y = max y)即可实现数据过滤。3.3.2 任意范围过滤任意范围即任意多边形范围过滤，在通常的数据库数据检索时无法直接实现范围过滤，因此采用两个步骤实现：1. 计算任意多边形最小外
15、包窗口范围，并根据该窗口范围进行窗口范围过滤数据检索得到数据点集。2. 检索获取的点集中的点依次与多边形进行点在多边形内判断，如果点不在多边形内则排除出点集。图7任意范围过滤4 结论长江口深水航道工程时空序数据库的构建将形成一个巨大的统一标准的数据资源库，可以满足多方面研究、应用和分析的数据需求，为研究不同时空尺度下的航道水下地形的动态变化趋势，提供决策者及时、准确的信息，也使得跨行业或国界规模的数据系统如全球海洋以及海岸带数据库等，各研究机构和管理机构之间的数据共享，数据交流和信息交流成为可能。参考文献1 地理信息系统-原理、方法和应用,邬伦等编著,科学出版社,2001.2 黄兴元,汤勤.地理信息系统概论.北京：高等教育出版社,1990.280-300.3 陈吉余. 陈吉余2000 从事河口海岸研究55年论文选G.上海：华东师范大学出版社,2000:510.4 钟耳顺,王康弘,宋关福,吴秋华.GIS多源数据集成模式评述.地理信息系统论坛,2005-2- 7 -
