黄海大海洋生态系数据库设计

第26卷第2期

2008年4月海洋科学进展A DV A N CES IN M A RIN E SCIEN CE Vo l. 26 No. 2A pr il, 2008

黄海大海洋生态系数据库设计*

苏天赟1, 2, 刘海行1, 3, 刘保华1, 2, 韩京云4, 杨凤丽4

(1. 国家海洋局第一海洋研究所, 山东青岛266061; 2. 国家海洋局海洋沉积与环境地质重点实验室, 山东青岛266061;

3. 国家海洋局海洋环境科学和数值模拟重点实验室, 山东青岛266061; 4. 中韩共同海洋研究中心, 山东青岛266061) 摘 要:由联合国开发计划署/全球环境机构(U NDP /G EF ) 资助的/减少黄海大海洋生态系环境压力0项目在实施

过程中积累了大量关于黄海区域的生物多样性、渔业、生态系统和污染等多种类别的空间数据和属性数据。针对

这些多源异构的综合数据, 设计和建设了适合于黄海大海洋生态系G IS 信息共享系统的专业数据库, 主要包括元

数据库和数据库逻辑结构的设计。从而实现黄海大海洋生态系综合数据的统一高效管理, 更好地为信息共享系统

提供数据支持服务。

关键词:黄海大海洋生态系; 元数据; 数据库

中图分类号:T P311. 12 文献标识码:A 文章编号:1671-6647(2008) 02-0243-08

/减少黄海大海洋生态系环境压力0项目由联合国开发计划署/全球环境机构资助, 并且由中国和韩国双方国家政府代表共同组成一个协调委员会来对该项目的实施进行管理和监督。该项目的目标是以生态系统调查为基础, 合理地和可持续地管理和利用黄海大海洋生态环境, 通过减少对黄海这个人口密度高、城市化和工业化较发达、半封闭海域的开发强度, 来推进该海域生态环境的可持续开发[1, 2]。在总经费2400万美元项目的支持下, 直至2009年, 中、韩双方的海洋科学研究人员将对黄海的生物多样性、渔业、生态系统和污染等方面进行实地考察和研究。项目在实施过程中, 获得了大量的、种类繁多的有关黄海大海洋生态系的专业数据, 而且数据随时间的推移在不断地增长和更新。

本文主要针对/减少黄海大海洋生态系环境压力0项目的实际应用需求, 对项目获得的数据进行整理和分析, 设计并建设黄海大海洋生态系数据库, 来对多源异构的海量科学数据进行统一管理, 向应用系统提供高效的数据支持, 从而促进黄海大海洋生态系信息共享和交换, 推动/减少黄海大海洋生态系环境压力0项目的发展。

1 数据库总体设计

为了满足项目和系统的应用需求, 系统数据库的总体设计框架如图1所示, 主要包括元数据库和黄海大海洋生态系(YSLME) 数据库两部分。

元数据库主要在参考各种国际海洋元数据标准(如FGDC [3], NASA GCMD DIF [4]和ISO 19115元数据标准[5]等) 的基础上进行设计的。根据用户的需求, 元数据库主要包括两部分:YSLME 元数据库和世界海洋科学数据中心元数据库(简称:世界元数据库) 。YSLM E 元数据库主要对YSLM E 数据库中的数据集进行描述, 以使科学家和公众能够便捷有效地共享YSLM E 项目数据; 世界元数据库主要对目前全球主要的海洋科学数据中心进行描述和集成, 这样可以使用户更容易地了解其所需的科学数据的所在位置和基本信*收稿日期:2007-06-04

资助项目:联合国开发计划署/全球环境机构(U NDP/GEF) 减少黄海大海洋生态系环境压力项目) ) ) 黄海大海洋生态系地理信息系统

建设

作者简介:苏天赟(1977-) , 男, 山东青岛人, 助理研究员, 博士, 主要从事海洋信息技术、空间数据库技术以及海洋可视化技术方面研究.

E -mail:sutiany@fio. org. cn (

244海 洋 科 学 进 展26卷息, 从而促进国际海洋科学数据的共享和交换。

YSLM E 数据库主要针对/减少黄海大海洋生态系环

境压力0项目获得的数据来设计, 这些数据内容包括渔

业、生物多样性、生态系统和污染等不同研究方向。数据

库能够以标准的格式对多源、异构、海量的黄海生态环境

数据进行录入和存储, 并且能够有效地检索数据来快速

响应来自客户端的数据共享请求。

本文采用M icrosoft SQL Server 2000数据库管理系

统对黄海大海洋生态系数据库进行建设。Micr oso ft

SQ L Serv er 是微软的企业级数据库, 它功能强大, 并且易

于使用, 能够通过友好、易操作的图形交互界面, 方便地

管理使用者对SQL Server 的存取权限, 采用用户和角色

许可等限制用户对数据库的访问, 来确保数据库运行的图1 Y SLM E G IS 系统数据库总体设计框架图F ig. 1Fr amew o rk diagr am of master design o f YSL M E GIS database

安全性和稳定性。它所构建的服务器大型数据库, 不仅可以支持字符型、整型、浮点型等常规数据类型, 还能很好地支持影像、音频、视频等二进制大对象(BLOB) , 其最大数据长度可达2GB 。同时, 它具有良好的可收缩性、安全性、易用性以及大容量的管理能力(支持TB 级数据量) [6]。

2 元数据库结构设计

2. 1 YSLME 元数据库

如上所述, YSLM E 元数据库主要用于描述YSLME 数据库中的数据集以使数据能够有效、快速地获取, 它主要记录了YSLM E 数据集的基本信息、空间信息和存储信息等。

数据集的基本信息包括标识(主键) 、数据集名称、摘要、国籍、提交时间、语言、专业、内容、关键字、目标、开始时间、完成时间、数据质量和数据量等。

数据集的空间信息主要包括起始经度、终止经度、起始纬度、终止纬度、比例尺、分辨率、图层名称、图层描述、操作工具、坐标系、是否投影、投影名称、中央经线、中央纬线、向东偏移和向北偏移等。

数据集的存储信息包括字段名称、记录名称、存储介质、存储系统、格式、存储部门、联系人、地址、电话、传真和E -mail 等。

2. 2 世界元数据库

世界元数据库主要用来对分布在世界各地的海洋科学数据中心进行描述, 以使用户能够方便、快捷地了解现有海洋科学数据的基本信息, 从而促进全球海洋科学数据的共享和交换。

世界元数据库的主要数据结构包括唯一标识(主键) , 数据集信息(数据集名称和数据制造者等) , 研究专业(地貌、农业、岩土、气候和海洋等) , 空间信息(初始经度、终止经度, 初始纬度、终止纬度、水平分辨率、垂直分辨率、高程和水深等) , 时间信息(起始时间和终止时间等) , 数据质量信息(处理方法、地理位置精度、数据精度、数据完整性、数据认可性和误差等) , 数据中心信息(名称、网站地址、E -mail 和联系电话等) 以及数据分布信息(约束条件、存储介质、大小和格式等) 。

3 数据库结构设计/,

2期苏天赟, 等:黄海大海洋生态系数据库设计245多样性、渔业、污染和生态系统等。本文主要基于各个研究方向, 对这些多源异构数据进行分析, 设计系统数据库结构, 使其对黄海生态环境科学数据进行统一、高效的管理。

3. 1 生物多样性数据

生物多样性研究主要分为4类:易受侵害物种栖息地保护、遗传多样性、外来物种以及战略政策调整等。每一类活动的主要工作在表1中列出。

表1 生物多样性研究主要工作

T able 1 M a in w or k of biodiv ersity research

研究内容

易受侵害物种

栖息地保护主 要 工 作调查本国现有海岸带栖息地使用、保护、重建和易受侵害物种的现状、营养链以及分析不同区域的价值级别等制定区域合作政策对栖息环境进行保存和重建, 以保护易受侵害物种实施栖息地保护区域战略来保护易受侵害物种

明确重要生物资源的基因退化现状

遗传多样性对基因多样性保护的需求进行区域调查针对保护的方法提出建议

对引进的外来物种以及它们的迁移路线进行文档记录, 并对其影响和风险进行评估

外来物种针对引进外来物种的规划和控制提出建议

实施战略政策来规划和控制引进外来物种, 包括在国家和区域层面上必需的法规、政策和制度改革

战略政策调整对已进行工作进行总结针对生物多样性保护制定区域合作政策

通过对生物多样性数据的分析可知, 物种和物种组是基础信息, 其他各种主题研究都与它们相关联。因此, YSLME 数据库中生物多样性数据结构设计了两个基本数据表和多个主题研究表。基本数据表包括物种表和物种组表。其中, 物种组表与物种表之间是一对多的关系。主题研究表主要包括本地物种表、外来物种表、遗传多样性表、易受侵害物种表、功能区表、栖息保护区表、改造区表、保护区表、法律法规表和法律组表等。其中, 法律组表与法律法规表是一对多的关系, 法律法规表通过Group ID 字段与法律组表中的ID 字段相关联。大部分主题研究数据表由外键(Species ID 字段) 与物种数据表(ID 字段) 进行关联, 以确保数据库的一致性。另外, 主题表的每一条记录都与一条元数据记录相对应, 主题表通过M etadata 字段与元数据表中的Metadata ID 字段相关联, 以确保元数据与数据集的一致性。限于篇幅, 本文将不详述各个数据表的具体字段, 后面三类数据结构(渔业数据、污染数据和生态数据) 也相同。生物多样性数据逻辑结构和关系如图2所示。

3. 2 渔业数据

渔业研究的主要任务包括:制定和签署协议来保证渔业资源的可持续利用, 通过开发通用的区域储量评估方法进行区域监测和对捕捞量进行一系列的区域分析等工作来促进黄海大海洋生态系的渔业资源管理。渔业研究的主要活动和工作在表2中列出。

246海 洋 科 学 进 展26卷

图2 生物多样性数据逻辑结构和关系图

F ig. 2L og ical st ruct ur e and relationships o f biodiver sity data

表2 渔业研究的主要工作

T able 2M a in w or k of fishery research

研究内容主 要 工 作

对现有数据进行收集和分析(历史数据、商业数据和研究成果)

对储量情况进行判断

储量评估开发通用的区域储量评估方法, 进行初步的区域储量评估

进行区域调查示范

建立每年一次的多物种储量评估机制, 通过制定相关的法规和政策克服现有的障碍

对现有的认识进行总结, 对捕捞量进行初步分析(回顾性的) , 明确存在的知识空缺

捕捞量填补捕捞量分析上的认知空缺

对捕捞量进行一系列反复分析确定每年合理的捕捞量

对海产生物养殖的现状和趋势进行总结

海产养殖产量开展联合应用研究项目来保持海产生物养殖的可持续发展

展开海产生物养殖示范工作

促进针对新疾病、诊断方法和控制技术的交流

区域合作协议、

国家法律和管理

办法对渔业和海产生物养殖方面现存的国家法律法规和相关的国际协议进行总结为渔业资源的可持续使用制定区域合作协议提出强化法律和法规的方法

制定区域渔业管理/实施计划, 包括区域保护项目

和生物多样性数据类似, 渔业数据也包括基础表和主题研究表。基础表包括鱼类物种组表、鱼类物种表、省份表、栖息方式表。其中, 鱼类物种组表与鱼类物种表是一对多的关系, 鱼类物种表中的Kind ID 字段与鱼类物种组表中的ID 字段相关联。主题研究数据表包括渔船属性表、渔船统计表、具有重要商业价值物种捕捞量表、渔业收入表、鱼类幼虫和卵的季节性数量表、季节性物种组成表、物种生长参数表、物种繁殖产卵特点表、省份渔船统计表、水产养殖方法表、海产养殖生物总产量变化表、季节性密度分布表、海产生物养

2期苏天赟, 等:黄海大海洋生态系数据库设计247cies ID 字段) 与基础表(ID 字段) 相关联, 以确保数据库的一致性。另外, 主题表每一条记录都与一条元数据记录相对应, 主题表通过Metadata 字段与元数据表中的M etadata ID 字段相关联, 以确保元数据与数据集的一致性。渔业数据逻辑结构和关系如图3

所示。

图3 渔业数据逻辑结构和关系图

F ig. 3 L og ical st ruct ur e and relationships o f fishery data

3. 3 污染数据

污染研究的主要任务是开发有效降低和缓解海洋污染的区域性框架体系, 制定区域指导方针来监控和评估黄海海洋环境, 并为污染控制和管理的区域战略的制定提供指导。污染研究的结果主要是不同研究参数(溶解氧、炭、大肠杆菌、重金属、有机污染物等) 的统计数据, 这些统计数据按照季节、区域-月、区域) 季节、区域) 年等不同的组合方式进行计算, 主要针对水质降低、渔业和其它海洋生物的减少、人类健康水平降低、海滩和海岸面积减少等污染问题。污染研究的主要研究内容和工作在表3中列出。

表3 污染研究的主要工作

T able 3M ain wo rk of pollutio n resea rch

研究内容

关键场所主 要 工 作对水质降低的关键场所进行落实和定级

收集整理基础数据, 对黄海区域污染物和营养物水平进行总结

污染物等级实施区域监控网策略对水质降低的关键场所的污染来源进行确定和定级

分析污染物的危害

和运输路线,

促进SAP 的分析

污染控制的

区域战略对污染物和营养物危害及运输路线的认识进行总结分析污染物和营养物的危害和运输路线, 更好地进行管理和政策制定污染预防和管理总结和对比水质污染控制方面的国家法律法规, 提出建议制定投资策略为区域性策略实施制定资助机制

248海 洋 科 学 进 展26卷 根据数据内容和特点, 污染数据同样包括相互关联的基础表和各种统计表。基础表主要包括污染问题表、污染问题属性表、污染参数表、污染参数类别表和污染区域表。其中, 污染参数类别表和污染参数表是一对多的关系(污染参数类别表的ID 字段与污染参数表的Datakind 字段相关联) , 污染问题表和污染问题属性表是一对多的关系(污染问题表的ID 字段和污染问题属性表的Problem 字段相关联) 。统计表主要包括区域) 月、区域) 季节、区域) 年等污染统计表。统计表的每一条记录都通过M etadata 字段与元数据表中一条记录的Metadata ID 字段相关联, 以确保元数据与数据集的一致性。图4表示的是按照区域) 月统计污染参数的数据逻辑结构和关系, 按照区域) 季度和区域)

年的统计数据结构和关系类似。

图4 污染数据逻辑结构和关系图(按照区域一月统计)

F ig. 4L og ical st ruct ur e and relationships o f po llution data (statistics o f reg ion -month)

3. 4 生态系统数据

生态系统研究主要负责对黄海生态系统的现状和趋势进行评估, 建立区域科学技术框架来监视和改变黄海生态环境状况, 并且推荐有效的补救方法来最大程度地降低人为活动对生态系统的破坏。生态系统研究的主要研究内容和工作在表4中列出。

表4 生态系统研究的主要工作

T able 4M ain w or k o f eco system research

研究内容主 要 工 作

对现有原始数据进行收集和处理

生态系统状况对各国的评估结果进行综合, 找出信息空白的地方

起草策略, 包括指标、分析方法、相互校准以及数据交换等遥感方法的应用和船只监视

生态系统的捕捞量同渔业工作组进行讨论和协调, 确定捕捞量的评估方法进行关于低营养级别生态系统的调查

找出主要的人类活动带来的危害

生态系统的破坏因果关系链分析

确定寻找根源的方法

准备、讨论并且完成国家和区域政策

2期苏天赟, 等:黄海大海洋生态系数据库设计249

生态系统数据同样也分为基础表(站位表、生态系统物种表、生态系统问题表、生态系统指标表和数据单位表等) 和主题研究表(生态系统监测数据表、栖息地数据表等) , 主题研究表的每一条记录都由外键与基础表关联(如生态系统监测数据表中的Species 字段与生态系统物种表中的ID 字段相关联) , 而且主题研究表的每一条记录都通过Metadata 字段与一条元数据记录的M etadata ID 字段相对应。图5表示的是生态系

统数据的逻辑结构和关系。

图5 生态系统数据逻辑结构和关系图

Fig. 5L og ical str ucture and relat ionships o f eco system data

4 结 语

为了满足对/减少黄海大海洋生态系环境压力0项目科学数据进行统一高效的管理的应用需求, 本文基于Microsoft SQ L Serv er 2000数据库管理系统, 对黄海大海洋生态系信息共享系统数据库进行了设计和建设。目前, 数据库已经建成, 能够向应用系统提供高效的数据支持, 并且通过网络向项目科学家和公众提供科研信息共享服务, 进而促进海洋研究、保护和开发等各项工作的发展。

致谢:YSLM E 项目管理办公室大力资助和支持, 中韩共同海洋研究中心在项目实施过程中提供帮助。参考文献(R eferences) :

[1] DUDA A M , SH ERM AN K. A n ew imperative for im proving management of large marine ecosy stems [J ]. Ocean &Coastal M anage -

m ent, 2002, 45(11) :797-833.

[2] CH EN S, ZH U M Y, M A Y. Research an d intern ational programmes for global larger marine ecosystem[J]. J ou rnal of Oceanography of

H uanghai &Boh ai Seas , 1999, 17(4) :103-109. 陈尚, 朱明远, 马艳. 世界大海洋生态系研究及其国际计划[J]. 黄渤海海洋, 1999, 17

(4) :103-109.

[3] Federal Geographic Data Com mittee. FGDC -S TD -001-1998Content standard for digital geospatial metadata (revised June 1998) [S ].

W ashington, D C:Federal Geographic Data Committee, 1998.

[4] National Aeronautics an d S pace Administration. Directory interchange format (DIF) w riter's guide[EB/OL ]. [2007-06-04]. h ttp://gc -

md. n asa. gov/User/difguide/.

[5] C .

250海 洋 科 学 进 展26卷

[6] L I Z W. SQL s erver 2000developer' s guide [M ]. Beijing:Beijing H ope E lectron ic Press, 2001. 李真文. SQL Server 2000开发人员指南

[M ]. 北京:北京希望电子出版社, 2001.

Design of Yellow Sea Larger Marine Ecosytem Database

SU T ian -y un 1, 2, LIU H a-i x ing 1, 3, LIU Bao -hua 1, 2, H AN Jing -yun 4, YANG Feng -li 4

(1. F irs t I ns titute of Oceanog r ap hy , S OA , Q ingdao 266061, China;

2. K ey Lab of M ar ine Sedimentology and E nv iro nmental Geology , SOA , Q ing dao 266061, China;

3. K ey L ab of M ar ine Science and N umer ical Mo deling , SOA , Q ingdao 266061, China;

4. China -K or ea J oint Ocean Resear ch Center , Q ingdao 266061, China)

Abstract:A g reat number of spatial and attribute data in m any aspects including biodiversity, fishery , eco -system and pollutio n in the Yellow Sea had been accumulated in im plementating the UNDP/GEF pro ject " Reducing Enviro nm ental Stress in the Yellow Sea Larg er M arine Ecosystem (YSLME) ". In o rder to eff-i ciently manag e the m ult-i source and heterogeneo us data, a professional database suitable for the YSLM E GIS info rmation shar ing sy stem w as desig ned and constructed, and the main job included the desig n of metadata database and database lo gical structure. T he database can provide g ood data supporting services fo r the public data sharing and ex chang e.

Key words:Yellow Sea Larger Marine Ecosystem; m etadata; database

Received:June 4, 2007