地震构造背景数据研究是地震科学的基础性工作。多年前,云南就开展了多项背景数据的测量与研究工作,如地应力测量与地应力场、航磁测量与航磁场、重力测量与重力场等,积累了大量基础性资料和研究成果,在云南的地震科学研究、防震减灾和经济建设中发挥了重要作用。

由于历史原因,地震构造背景的研究数据多数被分散保存,其表达形式多样,并且多为扫描图件形式,不利于数据的查询使用,难以实现数据共享,容易产生重复性工作,造成科研成果的浪费。此外,采用多种方法获得的背景场数据资料缺乏统一的坐标系统和统一的对比基础,从而导致资料的使用价值被限制和降低。随着我省地震科研工作的深入发展,各种背景场测量数据逐渐增多,研究方法与成果不断增加,建立一个具有统一数据模型的基础数据库具有重要意义。我们参照国内外已有的标准和规范,依据资料的特点制定可靠的入库格式、技术标准和规范,将各类数据转换成空间数据,建立以GeoDatabase数据模型为基础的多层次、多功能的云南省地震构造背景场空间数据库(简称背景场数据库)。

GeoDatabase数据库是美国ESRI公司在其GIS商业软件ArcInfo8中推出的一种新型的面向对象的空间数据库。GeoDatabase数据模型是继CAD和Coverage数据模型后产生的第三代地理数据模型。GeoDatabase数据库中融入了面向对象的核心技术,采用一种开放的结构将空间数据(包括:矢量、栅格、影像、三维地形等)及相关的属性数据统一存放在工业标准的数据库管理系统DBMS中(程昌秀等,2002; 陈静和张树文,2003)。GeoDatabase数据模型以实体对象模型来描述现实世界,通过给要素添加更加贴切的“自然”行为,能让用户更容易、更自然地表示GIS数据特征和建立特征之间的各种关系(宋杨和万幼川,2004)。GeoDatabase除了提供空间数据的存储支持外,还更多地体现在将所处理的空间对象作为现实世界中的地理事物来考虑,加强了对空间对象(如注记、栅格数据、拓扑等)的管理和应用,同时还提供基于版本管理的工作流和长事物处理机制,支持大型地理数据的无缝存储,并非仅仅是点、线、面等简单空间要素的存储和检索功能。

背景场数据库建成后,必须对各专题数据进行动态维护和更新,以保证数据的现势性,提高数据的质量,这是数据库建设工作中的一项重要的任务。随着我国防震减灾事业的迅速发展,地震数据集和基础地理信息数据的变化处于一个相对活跃的时期,因此更要加强对数据的更新工作。基于这种要求,我们在空间数据库建设研究中,建立了一套数据的更新和维护机制,主要包括:

(1)结合地理数据库建设的要求,制定实时动态更新维护策略;

(2)通过各个专业合作单位收集云南的地震活动数据、震源物理数据以及地震区划成果数据等,并进行定时更新;

(3)对数据库中的基础地理数据进行定时修测,通过图形编辑处理,将更新的数据打包存入空间数据库中。

我们通过一个简单实例来说明地震构造背景场数据库的组织、管理以及遥感影像栅格图像的优化,查询等功能。

(1)数据质量检查功能。在数据入库之前,需要按照一定的标准进行数据质量检查,保证数据导入的完整性和规范性。在数据库建设中,我们开发了数据质量检查模块(图4a),包括数据完整性检查、属性结构检查以及拓扑检查等基本功能,该模块主要针对基础地理信息数据的质量检查,保证这些数据的入库质量。

(2)为地震专业数据自定义特征类(以定义震源机制解数据特征为例介绍GeoDatabase面向空间对象的管理功能)。在地震构造背景数据库建设中,需要为地震专业数据定制对象,并定义连接规则。利用CASE工具和Visio Professional软件能够比较方便地实现用户对象特征的定制(图4b),具体实现过程不在此作详细介绍,读者可参考CASE_Tools_Tutorial用户手册,最后将已有的数据导入定制的数据集中,用定制的特征符号进行可视化表达。

(3)遥感影像及栅格图像管理。由于栅格图像的数据量十分庞大,所涉及的内容也非常广泛,直接以整幅图像为单位进行存储,不利于数据的整理、提取、浏览与检索。为减小图像数据的传输量,优化显示性能,需要建立影像“金字塔”,通过影像采样的方法,建立一系列不同分辨率的图层,将每个图层分割存储,建立相应的空间索引机制。另外,影像数据量比较庞大,为了减小影像的存储空间,还需要在数据入库时对数据进行压缩处理。用户调用数据时,系统首先对数据进行解压缩处理,再返回给用户。

(4)GeoDatabase数据库压缩、整理功能。随着地震构造背景数据的不断导入以及对数据对象的操作,会出现空间数据库的文件增大或者磁盘空间的使用效率降低等问题。因此,在数据库试运行过程中,利用ArcGIS特有的工作流模式,创建数据库整理工具(图4c),简化数据压缩整理工作,提高磁盘空间的使用效率。

图4 地震构造背景空间数据库实例(a)数据质量检查模块;(b)创建用户对象特征模块;(c)数据库压缩整理模块

(1)GeoDatabase能够将空间数据和属性数据进行有效融合,打破关系模型范式的限制,对处理复杂的地理对象具有较大的优势。

(2)GeoDatabase支持XML格式的数据及模式交换,遵循定义良好的语法标准,用户可以使用XML来实现GeoDatabase数据及模式的交换和共享,能够方便快速地建立一个与原数据库具有相同结构的新数据库,从而简化数据库的设计流程,为今后地震构造领域的信息化建设提供一定的科学依据。

(3)建立以个人GeoDatabase数据模型为基础的背景场数据库设计流程,提出了各个专题数据集在GeoDatabase数据库中集成的方法,实现了数据的一体化管理,并在数据库建设中得到较成功的应用,提高了系统的安全性和运行效率。同时各个数据集仍然独立存在,可独立运行,从而方便数据库的维护和扩展。