0 引 言

2007年国家自然科学基金委启动了“华北克拉通破坏”重大科学研究计划，该计划将在八年的研究周期内对华北克拉通开展地质、地球物理、地球化学等多学科综合研究，探讨有关华北克拉通破坏的时空分布范围、过程与机理等相关科学问题(朱日祥等，2012).在该计划支持下，开展了一系列天然地震与人工地震探测等地球物理观测项目，以及与克拉通破坏相关的地质和地球化学观测与实验项目(高山等，2009; 陈凌等，2010; 李松林等，2011).在相关项目实施过程中，获得了大量的科学观测数据，这些数据是支撑华北克拉通破坏相关科学问题研究的重要基础与依据.因此，研究计划提出建设相应的共享数据库，对数据进行收集和统一管理并实现共享，这对于地球科学创新具有重要科学意义(孙枢，2003; 徐冠华，2003).

近年来，大型数据库管理技术、WebGIS技术以及计算机网络技术的发展，为建设管理海量数据的数据库系统提供了更加高效的技术支撑，同时也为开发更加便利的数据服务提供了技术条件，这些技术已在国内许多数据库设计与开发中得到应用(屈春燕等，2001; 王卷乐等，2004; 欧少佳等，2005; 陈谦等，2009).“华北克拉通破坏”重大科学研究计划共享数据库系统正是在分析相关观测数据特点的基础上，充分利用这些计算机技术进行设计和开发，根据科研用户需求特点提供图形化、便利化的数据服务功能.

1 观测数据

观测数据的特点直接决定整个数据管理与服务系统的底层架构，而底层架构的设计又直接决定了数据管理和服务的效率，因此，对观测数据进行了解和分析是及其重要的工作.在“华北克拉通破坏”重大研究计划支持的观测项目中，有流动台阵地震观测(陈凌等，2010; 许卫卫等，2011; 朱日祥等，2011; Li， et al.， 2012; Wang， et al.， 2014)、人工地震探测(李松林等，2011; 徐亚等，2012; 嘉世旭和王夫运，2013)、地质和地球化学观测实验(高山等，2009; 张宏福，2009; Xu， et al.， 2010; 张长厚等，2012)，产生的数据类别繁多，数据量大.其中流动台阵地震观测数据量最大，在华北克拉通及周缘地震台阵观测就达到975个台站(朱日祥等，2012)，以一台地震仪器采样率每秒50个采样点计，原始压缩数据一年约7.5 GB，仅地震观测原始数据、解压归档数据及处理数据就达几十TB.因此，数据库系统要具有海量数据管理和处理能力.另外，不同学科产出的数据特点有很大区别，需要分类管理，如天然地震数据中台站、通道、仪器响应等信息数据，需要根据SEED国际标准交换格式建立数据库表结构(IRIS，2006)，人工探测数据的观测点、炮点等信息数据需要根据国际SEGY格式相关要求建立数据库结构，而涉及的地质、地球化学等岩石采样及测定数据根据相关标准建立结构化的数据库.一般而言，根据数据结构特征可以把数据分为结构化数据和非结构化数据，结构化数据可以用标准化的数据库表进行管理，如地震数据中台站信息与仪器响应等信息、岩石相关采集测定信息与数据；非结构化数据是指不能够用关系数据库结构进行分类描述的数据，如文档资料数据和一般数据表格文档数据.

2 共享数据库系统

在共享数据库系统进行设计开发过程中，以观测数据管理的统一性、标准化、完整性和安全性为原则，同时以数据共享服务的方便、快捷、直观为宗旨，最终对系统进行了设计开发工作.

2.1 系统设计

共享数据库系统根据研究计划以项目划分的特点，以数据的处理流程来进行设计(图 1)，系统可分成七个功能模块，包括数据汇集系统、数据管理系统、数据分析处理与产品生成系统、数据共享服务系统、图形化展示系统、数据存储备份系统、门户网站和用户管理与认证系统，通过各系统实现数据的汇集、整理、数据分析处理、标准化、管理、产品加工和数据共享服务等功能.

图 1

Fig. 1

图 1 系统流程图 Fig. 1 The data flowchart for the system design

共享数据库系统整体架构由底层数据库、专业应用层、系统支撑平台与门户共同组成.其中数据库包括地震数据(包括天然地震和人工探测数据)、地质数据、地球化学数据和系统支撑数据库，而专业应用分为观测数据应用、数据交换与共享应用、GIS地理信息系统应用、数据有效性保障应用.在数据库和专业应用的基础上，通过系统权限管理和系统运营两个系统支撑平台保证系统门户的运行.从功能逻辑上可以分为系统支撑功能部分、地震等相关数据管理功能部分、用户及权限管理功能部分、有关数据共享的应用及接口处理部分以及附属工具，各功能部分承担不同的系统任务(图 2).根据具体承担的任务划分，功能模块主要包括系统管理、数据管理、权限管理、数据共享、WebGIS、信息发布等主体模块，这些主体模块由若干程序模块及多级子模块组成，共有18个程序模块，47个一级子程序模块和50个二级子程序模块，各自完成相应的功能.

图 2

Fig. 2

图 2 系统功能逻辑模块基本构成图 Fig. 2 The basic composition of logical modules of system functions

依据共享数据库系统架构和功能模块，考虑到系统的高开放性和高可维护性，系统采用成熟的B/S(Browser/Server)结构，严格遵循J2EE的MVC(模型层(model)、视图层(view)、控制器层(Controller))三层架构模式开发.考虑到系统的海量数据管理及数据安全性的要求，系统采用大型Oracle数据库技术，以Java语言及部分基于Java语言的成熟程序开发框架进行系统程序的开发，以满足系统运行时的系统负载、运行效率和跨平台性方面的要求.针对具有空间特性的数据，开发基于Flex技术的WebGIS可视化应用.在客户端技术方面，系统采用先进的RIA(Rich Internet Application)(陈谦等，2009)的理念及相关成熟可靠的Flex等开发技术，使表现力、通信与网络效率和交互性更强.

3 数据管理与服务

由于研究计划涉及的地学观测数据种类多，数据量大，系统对地震数据、地质地球化学及相关元数据等不同类型数据实行了分类管理，并按照多级权限模式保障数据安全.观测数据中地震观测数据量最大，数据结构复杂，又需要大量的数据处理，因此，共享数据库系统重点针对地震观测数据的管理和服务进行了设计和开发.

针对流动地震观测台阵的特点，借鉴国际上相关地震数据管理经验，系统采取台网方式进行管理.按照国际地震标准数据交换格式—SEED格式的具体要求(IRIS，2006)，根据国家测震数据库规范，对地震观测相关信息数据，如项目名称、执行人、项目时间、台站编码、仪器信息、仪器响应、通道信息、数据单位信息、地震目录、连续波形数据、事件波形数据等进行了规范编码，并用Oracle数据库进行管理.连续波形数据和事件波形数据用miniSEED格式以台网、台站、通道和事件为索引并使用文件系统存储，提高数据处理速度和效率.

流动地震台阵数据服务主要包括数据信息查询和共享，可通过门户网站(www.cratondmc.cn)用网页条件检索方式和WebGIS图形化方式查看浏览.连续波形数据和地震事件波形数据共享可提供基于HTTP和FTP方式的地震目录、台网、台站、震中距、方位角、波形长度等条件检索和定制下载，以及Email方式的定制服务，提供了SEED、SAC、miniSEED、txt等多种数据格式服务.

人工源地震探测剖面数据服务主要提供基于WebGIS的测线位置、炮点、接收点、仪器等相关信息显示和查询，以及SEGY等标准格式的数据体打包下载.地质、地球化学数据依据相关标准进行标准化建库，利用Oracle数据库进行管理，并可以通过WebGIS进行采样点、岩石及相关测定数据的显示、查询和数据下载.另外，数据库系统还提供了项目信息及相关图片、文章等成果数据的查询、展示、下载等服务功能.

4 结论与讨论

针对 “华北克拉通破坏”重大研究计划产出的地震、地质与地球化学等相关观测数据，通过分类管理和标准化，建立了共享数据库系统.系统数据库采用大型的Oracle数据库系统，利用ArcGIS等计算机技术和现代网络技术，实现了数据的统一汇集管理、图形化展示和网络共享服务.系统采用具有成熟的B/S结构和J2EE的MVC三层架构模式，结合Flex和RIA新技术和理念，选用跨平台的Java语言进行开发.通过对数据库层、系统与专应用层合理设计，使系统具有高开放性和高可维护性，以及更好的表现力、交互性和便捷性.

“华北克拉通破坏”重大研究计划共享数据系统建立，将有助于不同学科研究人员充分利用观测数据，可以为研究计划目的的实现提供重要支撑作用，同时也可以为开展更深入的相关地球科学研究发挥重要作用.但数据共享系统效益发挥并不能完全依赖于系统建立，仍需要不断的发展完善和维护，同时还需要长期的数据管理及共享方面的制度性保障，才能为科学创新发挥更大的效益(孙枢，2003; 徐冠华，2003).

致 谢 感谢审稿专家提出的宝贵意见.