空間信息技術在極地資源管理系統(tǒng)中的應用

目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 11.1研究背景 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2.1我國極地數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀 21.2.2外國極地數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀 31.3本文研究內(nèi)容與組織結構 42極地數(shù)據(jù)特征分析 42.1極地數(shù)據(jù)本質(zhì)特征分析 42.2極地數(shù)據(jù)形態(tài)特征分析 52.3極地數(shù)據(jù)來源特征分析 52.4極地數(shù)據(jù)管理需要解決的問題 53極地資源管理系統(tǒng)設計 63.1需求分析 63.1.1提供可視化方案 63.1.2提供空間數(shù)據(jù) 63.1.3提供數(shù)據(jù)管理 73.2可行性分析 73.2.1技術可行性 73.2.2經(jīng)濟可行性 73.2.3社會因素方面的可行性 83.3功能設計 83.4數(shù)據(jù)準備 83.4.1天地圖 83.4.2國家極地科學數(shù)據(jù)中心 93.4.3數(shù)據(jù)選擇 93.4.4數(shù)據(jù)處理 103.5技術概述 103.5.1SpringBoot框架 103.5.2MySQL數(shù)據(jù)庫 123.5.3Leaflet 123.6技術路線 133.6.1總體設計 133.6.2總體架構 133.7環(huán)境要求 134極地資源管理系統(tǒng)搭建 144.1極地資源管理系統(tǒng)展示 144.1.1地圖查看 144.1.2數(shù)據(jù)管理 164.2代碼及數(shù)據(jù)庫說明 184.2.1前端說明 184.2.2數(shù)據(jù)庫說明 194.2.3Java后端說明 20總結 21謝辭 22空間信息技術在極地資源管理系統(tǒng)中的應用摘要：隨著人們對地球探索的深入，極地的神秘面紗被一點點揭開，人類科考的腳步不斷向前，積累了大量的極地環(huán)境探測的基礎數(shù)據(jù)和相關的成果報告。這些成果來之不易，所以如何管理這些極地數(shù)據(jù)成了一個關鍵的問題。本文從極地數(shù)據(jù)的特征入手，分析極地數(shù)據(jù)的本質(zhì)特征，形態(tài)特征和來源特征，進行需求分析并針對極地數(shù)據(jù)的特征搭建了一個極地資源管理平臺。平臺采用了MySQL數(shù)據(jù)庫存儲極地數(shù)據(jù)，對空間數(shù)據(jù)以Geodatabase模型對這些數(shù)據(jù)進行組織，并實現(xiàn)了對極地數(shù)據(jù)在地圖上的可視化，實現(xiàn)了極地空間信息的管理和展示功能。此外平臺還實現(xiàn)了對極地數(shù)據(jù)的介紹，查詢和下載功能。關鍵字：空間信息；極地；資源管理ApplicationofspatialinformationtechnologyinpolarresourcemanagementsystemAbstract:Withthedeepeningofpeople'sexplorationoftheearth,themysteryofthepolarregionhasbeenrevealedlittlebylittle,andthepaceofhumanscientificresearchhasbeenmovingforward,accumulatingalargenumberofbasicdataandrelatedresultsreportsofpolarenvironmentexploration.Theseachievementshavenotcomeeasily,sohowtomanagethesepolardatahasbecomeakeyissue.Startingfromthecharacteristicsofpolardata,thispaperanalyzestheessentialcharacteristics,morphologicalcharacteristicsandsourcecharacteristicsofpolardata,makesdemandanalysis,andbuildsapolarresourcemanagementplatformaccordingtothecharacteristicsofpolardata.TheplatformusesMySQLdatabasetostorepolardata,organizesthespatialdatawithGeodatabasemodel,realizesthevisualizationofpolardataonthemap,andrealizesthemanagementanddisplayofpolarspatialinformation.Inaddition,theplatformalsorealizesthefunctionsofpolardataintroduction,queryanddownload.Keywords:spatialinformation;polarregion;resourcemanagement;1緒論1.1研究背景地球的兩極有著獨特的區(qū)位優(yōu)勢、氣候條件和戰(zhàn)略意義，由于受人類活動的影響較小，極地蘊涵大量有待發(fā)掘的資源，是研究全球環(huán)境變化和研究地球演變的前沿陣地，也是解決全球氣候問題和資源問題的關鍵鑰匙。從1984年我國科考隊首次奔赴南極至今，我國的極地科考已經(jīng)走過了36個年頭，從無到有，在幾代極地科學家的努力下，我國極地事業(yè)也取得了長足進展，積累了大量的極地測繪數(shù)據(jù)和極地資源數(shù)據(jù)，如何有效管理極地數(shù)據(jù)、如何提供及時恰好的數(shù)據(jù)服務、如何有效應用極地數(shù)據(jù)也成了極地工作中亟待解決的問題。我國極地科學考察工作正處于從大國向強國邁進的關鍵時期，開展極地資源管理關鍵技術研究，對推動極地測繪信息化體系建設，提升自主創(chuàng)新能力，滿足極地國家戰(zhàn)略和科學考察的需求，保障極地測繪科學發(fā)展具有重要意義。中國的南北極考察是在幾十個單位共同參與下進行的，考察內(nèi)容涉及到天文、地理、生物、醫(yī)學等在內(nèi)的十幾個學科，學科跨度非常大，交叉現(xiàn)象也很普遍，作為國際極地考察成員國大家庭中的一員，還承擔相應的義務和有關的考察項目，因此，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須面向國際。顯然，數(shù)據(jù)資源是分散的，數(shù)字化后的數(shù)據(jù)量是巨大的，數(shù)據(jù)種類是多樣的。由此引伸出如下兩個重要問題：其一，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的集中管理，這是數(shù)據(jù)庫建設迫切需要解決的非技術性問題；其二，如何將來自不同學科背景、數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)處理千差萬別的原始數(shù)據(jù)有序地儲存到一個數(shù)據(jù)庫中，并能方便、快速提取和查詢，這是數(shù)據(jù)庫設計面臨的主要技術難點。本文研究和探討了極地資源管理系統(tǒng)設計過程中所要考慮的兩個主要問題：數(shù)據(jù)的組織與表達，元數(shù)據(jù)庫作為基礎數(shù)據(jù)庫的搜索引擎。極地數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫的建設，積極推進了信息技術、網(wǎng)絡技術和計算機技術以及多媒體可視化技術在極地信息領域的應用和發(fā)展；使極地基礎數(shù)據(jù)將得以搶救與保護，并按規(guī)范化標準得以入庫和共享；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可提供更專業(yè)的服務，開發(fā)專業(yè)數(shù)據(jù)應用模塊，產(chǎn)生再生數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)信息產(chǎn)品，形成各類專題應用信息數(shù)據(jù)庫，乃至極地地理信息系統(tǒng)，將極大地推動我國極地科學考察研究事業(yè)的發(fā)展，在維護我國極地權益，了解極地環(huán)境、氣候變化，預測兩極對我國環(huán)境和氣候變化的影響等方面起到重要的、積極的作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1我國極地數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀1996年，按照SCAR的要求，我國在中國極地研究所設立了國家南北極數(shù)據(jù)中心CN-NADC，并成為JCADM的成員國。從此,從業(yè)務上CN-NADC賦予了代表國家行使極地數(shù)據(jù)與信息管理以及參與國際南極數(shù)據(jù)交流的職能。我國極地數(shù)據(jù)管理工作在組織與實施方面學習澳大利亞的一些先進經(jīng)驗。2003年國家海洋局正式頒布了“中國極地科學考察數(shù)據(jù)管理辦法”，明確了該CN-NADC作為我國極地數(shù)據(jù)管理的主管機構,并建立了數(shù)據(jù)采集、處理、共享發(fā)布的業(yè)務化運行與管理機制。經(jīng)過多年來的發(fā)展，該中心已培養(yǎng)了一支數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)庫研發(fā)、數(shù)據(jù)管理與服務隊伍。通過中國極地科學數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)管理與共享平臺的建設,中國極地數(shù)據(jù)管理工作逐步業(yè)務化。在國家科技基礎條件平臺建設項目的長期支持下，CN-NADC于2002年建成了中國極地科學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[1]（）并投入運行。中國極地科學數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個物理上分布、邏輯上集中、開放式多數(shù)據(jù)庫集成的系統(tǒng),主要包括系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊和網(wǎng)頁發(fā)布功能模塊組成[2]。由于該數(shù)據(jù)庫采用以元數(shù)據(jù)庫為數(shù)值數(shù)據(jù)庫搜索引擎的先進架構，成功解決了極地數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)集類型多的難題。2003年，該數(shù)據(jù)庫加入了國家科學數(shù)據(jù)共享工程——地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，CN-NADC成為該共享網(wǎng)的區(qū)域分中心即極地區(qū)域分中心，這不僅擴展了該系統(tǒng)的用戶群，而且國內(nèi)用戶能夠更方便地訪問極地數(shù)據(jù)。經(jīng)2006年的升級與改版，該系統(tǒng)增加數(shù)據(jù)在線匯交系統(tǒng)、提供分布式的數(shù)據(jù)管理、平臺升級與維護等功能,最終實現(xiàn)完全基于Web的數(shù)據(jù)管理、共享與服務。由于其數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)采用三層體系結構的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫設計思想，開發(fā)位于中間層的多種數(shù)據(jù)庫應用程序，為極地數(shù)據(jù)庫的有效管理提供了一種高效、直觀的手段，同時利用互聯(lián)網(wǎng)這一網(wǎng)絡工具，為不同專業(yè)學科數(shù)據(jù)的提交、收集、整理和入庫提供了更為便捷的渠道[3]。通過整理與整合極地區(qū)域獲取的歷史觀測數(shù)據(jù)集和部分國外相關極地基礎數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站目前涵蓋了歷次極地考察所獲得的近2000個數(shù)據(jù)集，涉及的學科包括極地海洋學、極地日地物理學、極地冰川學、極地資源與環(huán)境科學、極地生物與生態(tài)學、極地地理與大地測量學、極地地質(zhì)與地球物理學和極地大氣科學。目前，CN-NADC提供基礎數(shù)據(jù)集、主題數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)產(chǎn)品3個層面的數(shù)據(jù)服務。包括提供部分極地基礎數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)查詢與數(shù)據(jù)發(fā)布服務；提供極地海洋、大氣、高空物理、冰雪、航海、地球物理等主題數(shù)據(jù)查詢與發(fā)布服務；提供相關數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務；同時初步形成極地區(qū)域分中心的管理機制和數(shù)據(jù)質(zhì)量評估制度，每年定期或不定期地增加南(北)極考察新獲得的數(shù)據(jù)集。在此基礎上,今后針對極地學科的專題應用，建立一些專題數(shù)據(jù)庫與特色極地學科應用系統(tǒng)以滿足各種學科用戶的數(shù)據(jù)需求。同時，將加強系統(tǒng)平臺、應用平臺建設和完善數(shù)據(jù)安全措施，逐步開展WebGIS基礎平臺建設，為國內(nèi)外科學研究提供權威的極地數(shù)據(jù)的共享服務。1.2.2外國極地數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀在國際上，就兩極地區(qū)的科學考察數(shù)據(jù)的交換共享，所有參與成員國都達成了一致的意見。針對這些海量的數(shù)據(jù)，各個國家充分利用GIS平臺對極地空間數(shù)據(jù)的進行存儲、處理，并產(chǎn)生了大量的信息平臺。如南極洲地理信息系統(tǒng)[4]（http://www.anta.canterbury.ac.nz/gis），該系統(tǒng)是2004由新西蘭建立，基于ArcIMS發(fā)布的地理信息系統(tǒng)，系統(tǒng)提供了海冰數(shù)據(jù)、地域信息、航線、湖泊、道路、保護區(qū)、管理區(qū)等信息的查詢。美國的UnitedStatesAntarcticResourceCenter[5]（/）發(fā)布了許多包括南極的地形數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)等的地理空間數(shù)據(jù)，并基于ESRI的ArcGISJavaScriptapi建立了一套在線瀏覽這些地理空間數(shù)據(jù)的GIS系統(tǒng)[6]（/website/antarctic_research_atlas/）。其主要包括地形學數(shù)據(jù)、地名信息、水文學數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、DOM（數(shù)字正射影像模型)數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等。2005年在冰島創(chuàng)立的一個非政府組織ARCTICPORTAL，該組織由來至由冰島的北極高級官員和與其他北極理事會及其工作組的成員、NorthernForum、UArctic、拉普蘭大學北極中心、俄羅斯水文氣象局北極與南極研究所等共同組成?，F(xiàn)在主要合作國家有丹麥、加拿大、芬蘭、冰島、挪威、瑞典、俄羅斯、美國，該組織針對于北極地區(qū)以及少部分南極地區(qū)的空間數(shù)據(jù)查看構建了一套空間地理信息系統(tǒng)[7]（/），系統(tǒng)基于Flex的flash開發(fā)模式，支持對南北極植物、動物、航道、漁業(yè)資源、海冰、能源、旅游區(qū)等空間數(shù)據(jù)的查看與查詢。美國阿拉斯加海洋觀測系統(tǒng)[8]（/arctic），其主要針對于海洋安全、沿海減災、跟蹤系統(tǒng)、氣候趨勢和監(jiān)測水質(zhì)等。該系統(tǒng)是利用OpenLayer開發(fā)的一個地理信息系統(tǒng)，涵蓋了鳥類、魚類等動物、藻類等生物、地形、生態(tài)環(huán)境、海冰、油氣資源等空間數(shù)據(jù)的查詢展示，但這些數(shù)據(jù)之間是按數(shù)據(jù)分類進行獨立展示的，并不是集成在一個GIS系統(tǒng)里的。1.3本文研究內(nèi)容與組織結構本文圍繞空間信息在極地資源管理系統(tǒng)中的應用進行研究，論述了極地數(shù)據(jù)海量、多源、異構、空間、時間的特征，并在此基礎上設計并建立極地數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。本文共分四個部分：第一章緒論。介紹了本文的研究背景，介紹和羅列了國內(nèi)外對極地資源管理平臺建設的情況，最后介紹了本文的研究內(nèi)容和全文的組織結構。第二章極地數(shù)據(jù)特征分析。本章詳細分析了極地數(shù)據(jù)的本質(zhì)、形態(tài)和來源特征，并討論了這些特征在極地數(shù)據(jù)管理中可能帶來的問題。第三章極地資源管理系統(tǒng)設計。詳細介紹了極地管理系統(tǒng)的需求分析，可行性分析，功能設計，論述了數(shù)據(jù)的準備過程，簡要介紹系統(tǒng)建設需要用到的技術，概述了系統(tǒng)設計的技術路線和環(huán)境要求。第四章極地資源管理系統(tǒng)搭建。展示了搭建完成的極地資源管理系統(tǒng)和各個功能的演示，說明了項目的框架和數(shù)據(jù)庫設計。2極地數(shù)據(jù)特征分析2.1極地數(shù)據(jù)本質(zhì)特征分析極地數(shù)據(jù)是南極洲和北冰洋區(qū)域某一特定時間或時間段內(nèi)采集或計算得到的數(shù)據(jù)，具有屬性特征、空間特征與時間特征三大本質(zhì)特征。屬性特征：指極地數(shù)據(jù)的專題特征，它表達數(shù)據(jù)的歸類、內(nèi)容及物理、化學特征等?？臻g特征：指極地數(shù)據(jù)獲取的位置以及與其他極地數(shù)據(jù)的空間關系，包括平面空間、垂直空間和空間關系等特征。平面空間特征往往用某一投影和坐標系下的坐標來表達。垂向空間特征用某一高程系下的海拔來表達，有時也用相對高度來表達，如沉積物埋深。空間關系指的是極地數(shù)據(jù)之間的空間拓撲、空間距離以及空間方向關系。時間特征：指極地數(shù)據(jù)內(nèi)容代表的時間，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)來說，采集時間代表著數(shù)據(jù)內(nèi)容時間。2.2極地數(shù)據(jù)形態(tài)特征分析數(shù)據(jù)形態(tài)特征描述極地數(shù)據(jù)的組織方式、結構、數(shù)學基礎信息，分為外部形態(tài)和內(nèi)部形態(tài)。外部形態(tài)特征指數(shù)據(jù)的類型、格式、存儲方式、語言等；內(nèi)部形態(tài)包括數(shù)據(jù)的基準、精度、粒度(尺度)等。極地數(shù)據(jù)根據(jù)表示對象不同，分為點數(shù)據(jù)，例如站點觀測數(shù)據(jù)等；線數(shù)據(jù)，例如航線考察數(shù)據(jù)等；面狀數(shù)據(jù)，例如極地區(qū)域遙感影像等。按格式分有Excel數(shù)據(jù)、text數(shù)據(jù)、shapefile矢量數(shù)據(jù)等。不同形態(tài)的數(shù)據(jù)，可根據(jù)研究的需求，進行無損或有損的轉換處理。2.3極地數(shù)據(jù)來源特征分析極地數(shù)據(jù)來源記錄了極地數(shù)據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)生、處理過程，包括數(shù)據(jù)源、原始數(shù)據(jù)獲取方法、數(shù)據(jù)產(chǎn)品加工處理方法以及各個過程的參與者等。數(shù)據(jù)來源特征有助于用戶了解數(shù)據(jù)的來源、轉換和更新，是數(shù)據(jù)可信度評估的重要參考因素，對于極地數(shù)據(jù)的維護與更新、應用分析與再生產(chǎn)等有著重要意義，有助于提升極地數(shù)據(jù)應用服務的水平。極地數(shù)據(jù)來源按獲取方式可分為地面定點監(jiān)測、考察調(diào)查、模型模擬、對地觀測等。按搭載平臺可分為固定觀測站、移動觀測站、科學考察船、遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)等。2.4極地數(shù)據(jù)管理需要解決的問題極地科學考察涉及多個領域、多個學科，涉及到生物化學、大氣物理、物理海洋、海洋氣象、海洋地質(zhì)、海洋地球物理、海洋化學、海洋生物、海洋經(jīng)濟、高空化學等不同研究領域，每個領域各自的數(shù)據(jù)采集設備不盡相同，數(shù)據(jù)處理手段也不一樣，數(shù)據(jù)利用的平臺也不同，數(shù)據(jù)存儲格式多種多樣，導致了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一利用和共享、交換實現(xiàn)困難。由于極地科學考察數(shù)據(jù)的多領域和多學科導致了其本身固有的特殊性，特殊性表現(xiàn)如下：海量性。我國進行南北極的科學考察與研究是一個長時間持續(xù)的過程，之前不僅收集了巨大數(shù)量的歷史數(shù)據(jù)，并且科考數(shù)據(jù)會隨著時間的推移不斷地增加，其數(shù)量將會不斷膨脹。多源性。極地科學考察包含對多個學科，多個領域的探索與域各自的數(shù)據(jù)采集設備是不同的.例如:衛(wèi)星、雷達、GPS、氣象站、浮標、科考船等等。異構性。不同的數(shù)據(jù)采集設備的數(shù)據(jù)生成格式是不同的，有文本數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、圖片、數(shù)據(jù)表、高程數(shù)據(jù)、研究報告等，包含了結構化數(shù)據(jù)、非結構化數(shù)據(jù)以及半結構化數(shù)據(jù)?？臻g性。極地空間數(shù)據(jù)是地理空間數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)本身包含了數(shù)據(jù)的地理空間信息，其不僅包含了經(jīng)緯位置，還包含了高度信息，他是一個三維的空間數(shù)據(jù)。例如風速，在同一位置不同高度的風速值是不同的。時間性。對南北極地區(qū)的科學考察與研究是一個長時間持續(xù)的過程，具有時間屬性，例如科考船的航行軌跡，本質(zhì)上是一個時間序列。因此，要充分利用、共享極地空間數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要集成所有這些具有海量、多源、異構、空間、時間性的極地空間數(shù)據(jù)。因此，如何將這些多樣化的空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理入庫并對這些數(shù)據(jù)進行處理，使之能夠應用于該空間數(shù)據(jù)服務共享的地理信息系統(tǒng)是一個棘手的問題。其次，對海量的極地空間數(shù)據(jù)處理后，除了剔除掉數(shù)據(jù)中的錯誤，以保證這些數(shù)據(jù)的質(zhì)量不會受到過多的影響。另外，這些海量的數(shù)據(jù)的產(chǎn)品在展示給用戶時，不應該將海量的數(shù)據(jù)全部呈現(xiàn)給用戶，因為用戶不需要看到如此龐大的數(shù)據(jù)量，如此巨大的數(shù)據(jù)量也不利于用戶對這些數(shù)據(jù)很快做出快速的判斷。對于普通用戶，他們往往關心的是所查詢的數(shù)據(jù)的大致變化趨勢，數(shù)據(jù)的主要特征值。更重要的是巨大的數(shù)據(jù)量會給系統(tǒng)帶來巨大的內(nèi)存消耗，甚至出現(xiàn)卡頓的情況、更嚴重將會導致系統(tǒng)的崩潰。3極地資源管理系統(tǒng)設計3.1需求分析為了確保海量空間信息存儲、分析和科學應用，首先應當建立地理信息大數(shù)據(jù)平臺。對地理信息大數(shù)據(jù)進行分類存儲，采用統(tǒng)一規(guī)格，實行科學化管理。建立數(shù)據(jù)查詢體系，確保體系具備優(yōu)化配置功能、靈活性等功能，能夠?qū)?shù)據(jù)進行科學化查詢與統(tǒng)計，以免多次建設大數(shù)據(jù)平臺。3.1.1提供可視化方案由于空間數(shù)據(jù)具備較強的可視化能力，相較一般數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)可以在地圖上進行展示。在管理和展示極地空間數(shù)據(jù)時，利用gis地圖展示的可視化方式，可實現(xiàn)極地空間數(shù)據(jù)的直觀性表達。采用海量地理信息大數(shù)據(jù)，可提供數(shù)據(jù)依據(jù)、實物變化規(guī)律等信息，為極地資源的開發(fā)和利用奠定良好基礎。3.1.2提供空間數(shù)據(jù)極地研究以極地為大致區(qū)域，研究數(shù)據(jù)涉及實驗采集點準確位置信息、平面位置甚至垂直位置信息。除了位置信息，在極地數(shù)據(jù)中，牽扯到較多物理屬性、生物屬性，且不同信息均存在碎片化、離散狀態(tài)。對于非結構性數(shù)據(jù)源，需要應用大數(shù)據(jù)平臺，聯(lián)合空間位置關系進行整理收集。通過地理信息大數(shù)據(jù)，能夠擴展空間位置信息，涉及極地科考路線、極地資源開發(fā)、極地環(huán)境監(jiān)測等覆蓋信息，確保極地資源的開發(fā)和利用可以獲得高準確度的數(shù)據(jù)源。3.1.3提供數(shù)據(jù)管理極地數(shù)據(jù)管理是一個籠統(tǒng)的概述，可以細分為多個功能，涉及到數(shù)據(jù)的展示、搜索、下載等功能。數(shù)據(jù)展示：按照數(shù)據(jù)形態(tài)不不同，可以簡單分為可在地圖上展示的空間數(shù)據(jù)與沒有空間信息的文件類數(shù)據(jù)。對于空間數(shù)據(jù)，需要設計其在地圖上的可視化展示，包括數(shù)據(jù)位置信息及其其他屬性數(shù)據(jù)的展示方式。對于非空間類數(shù)據(jù)，則只需要考慮到數(shù)據(jù)的基礎信息的展示即可。數(shù)據(jù)搜索：按照搜索的方式不同，能將搜索分為按搜索數(shù)據(jù)的名稱搜索、按搜索地點的空間相關性搜索，考慮到本設計包含的數(shù)據(jù)并非都含空間數(shù)據(jù)以及設計的難度，這里選用的是按名稱關鍵字進行搜索。數(shù)據(jù)下載：在數(shù)據(jù)下載時如果為不同形式的數(shù)據(jù)設計不同的下載方式過于繁瑣，將不同類型的數(shù)據(jù)統(tǒng)一壓縮成壓縮包的形式，而后允許用戶下載數(shù)據(jù)的壓縮包。3.2可行性分析3.2.1技術可行性在系統(tǒng)開發(fā)的過程中，為實現(xiàn)極地數(shù)據(jù)管理的需求，需要熟練掌握不同的技術。本項目基于Windows7或WindowsXP操作系統(tǒng)，極地數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中空間信息部分的需求實現(xiàn)主要使用了WebGIS技術。WebGIS技術通過互聯(lián)網(wǎng)對地理空間數(shù)據(jù)進行發(fā)布和應用，以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的共享和互操作，如GIS信息的在線查詢和業(yè)務處理等。數(shù)據(jù)管理部分的需求實現(xiàn)主要使用了數(shù)據(jù)庫技術。開發(fā)中所有涉及的技術，現(xiàn)有的技術都很成熟，從技術上是可行的。3.2.2經(jīng)濟可行性本系統(tǒng)開發(fā)階段沒有額外經(jīng)濟投入，項目支出如下：硬件設備：一臺計算機。本項目只需一臺計算機，不需額外購買。軟件：IntelliJIDEA，HBuilderX，MySQL，NavicatPremium。所有軟件都已購買，無需再次購買。極地數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)作為非盈利的系統(tǒng)并沒有后續(xù)的銷售收益，但是該系統(tǒng)提供了極地數(shù)據(jù)的管理辦法，在應用后能一定程度上滿足極地研究人員對與極地數(shù)據(jù)管理的需求，節(jié)約了極地研究人員的時間和極地資源管理的成本。3.2.3社會因素方面的可行性法律可行性：該系統(tǒng)的開發(fā)將不會侵犯任何個人、集體、國家的利益，也不會違反國家的政策與法律。使用可行性：系統(tǒng)界面簡潔，操作簡單。3.3功能設計極地數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能劃分為地圖查看和數(shù)據(jù)管理兩個地圖查看功能包括基礎地圖展示、專題數(shù)據(jù)展示、工作底圖切換和基礎底圖功能。數(shù)據(jù)管理功能包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)介紹和數(shù)據(jù)下載。圖1極地資源管理功能模塊圖3.4數(shù)據(jù)準備3.4.1天地圖地圖基礎數(shù)據(jù)像數(shù)據(jù)采用最權威的天地圖作為工作底圖，天地圖是國家測繪地理信息局（現(xiàn)歸屬中華人民共和國自然資源部）主導建設的，為政府、企業(yè)、公眾提供權威、可信、統(tǒng)一的地理信息服務。底圖數(shù)據(jù)類型采用當前互聯(lián)網(wǎng)最主流的柵格地圖瓦片，柵格地圖瓦片是一種比較成熟的模式，將矢量數(shù)據(jù)渲染成為256×256像素大小的圖片，這些瓦片一個挨一個并列放置以組成一張很大的看似無縫的地圖，其優(yōu)勢在于高效的顯示效率和傳輸能力。除此外，使用瓦片緩存技術提高電子地圖的出圖速度，實現(xiàn)平滑流暢瀏覽的效果。3.4.2國家極地科學數(shù)據(jù)中心本研究中所使用的極地資源數(shù)據(jù)全部來源于國家極地科學數(shù)據(jù)中心[1]（/）。國家極地科學數(shù)據(jù)中心是負責我國極地領域科學數(shù)據(jù)的匯交、管理和共享的國家數(shù)據(jù)中心，同時也是極地科學領域國際交流合作與協(xié)同創(chuàng)新平臺。極地科學數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)資源涉及極地海洋學、極地日地物理學、極地冰川學、極地資源與環(huán)境科學、極地生物與生態(tài)學、極地地理與大地測量學、極地地質(zhì)與地球物理學和極地大氣科學等學科開展的科學觀測獲取長時間序列、多參數(shù)的常規(guī)觀測數(shù)據(jù)和樣品分析數(shù)據(jù)。3.4.3數(shù)據(jù)選擇極地數(shù)據(jù)包含各種不同的數(shù)據(jù)格式，例如Excel數(shù)據(jù)、Text數(shù)據(jù)，在極地數(shù)據(jù)管理中常用于存儲各類觀測數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)之間通常都有一定的數(shù)據(jù)結構但不一定含有空間信息；CDR數(shù)據(jù)、Shapefile數(shù)據(jù)，這是兩種不同的矢量數(shù)據(jù)格式，需要用對應的地理信息軟件進行管理和處理，在極地數(shù)據(jù)管理中常用于儲存各類站點信息、航跡數(shù)據(jù)、基礎地理數(shù)據(jù)等可以被GIS數(shù)據(jù)化的數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)一定包含著空間數(shù)據(jù)；JPG數(shù)據(jù)、PNG數(shù)據(jù)、DOC數(shù)據(jù)等，在極地數(shù)據(jù)管理中常用于儲存成果圖集、分析報告、專題報告等內(nèi)容，沒有一定的數(shù)據(jù)結構也沒有空間信息。按照不同的數(shù)據(jù)類型，本次實驗選取的三個數(shù)據(jù)分別是：第26-32次南極考察航線OCPs監(jiān)測數(shù)據(jù)，中國第3次北極科學考察(2008年)路線數(shù)據(jù)和中國第28次南極科學考察（2011年）中山站和長城站南極MODIS紅外圖像數(shù)據(jù)。這三個數(shù)據(jù)分別包含了excel、Shapefile、PNG三種不同的格式，同時還包含了點數(shù)據(jù)、線數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)三種不同的數(shù)據(jù)對象，選取這三個數(shù)據(jù)可以保證數(shù)據(jù)盡可能的多樣，同時也減小了軟件的負擔。其中OCPs監(jiān)測數(shù)據(jù)是中國第26次至32次南極航線對大氣氣溶膠進行采集，監(jiān)測其中有機氯農(nóng)藥（OCPs）的殘余狀況的監(jiān)測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的文件類型是excel表格的形式存儲的，數(shù)據(jù)結構為：數(shù)據(jù)ID，緯度，經(jīng)度，起始日期，起始時間，OCPs(pg/m3）。北極科學考察路線數(shù)據(jù)是中國第3次北極(北冰洋)科學考察隊的考察走航GPS航跡數(shù)據(jù)。航跡，是指船舶和水上飛行器等航行時的軌跡。數(shù)據(jù)的文件類型是Shapefile文件，由ArcGIS軟件打開后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)是線要素的矢量數(shù)據(jù)。紅外圖像數(shù)據(jù)是由2011年中國南極中山站和長城站SATRAX-XL衛(wèi)星接收系統(tǒng)追蹤接收的NASA的Terra、Aqua的X波段衛(wèi)星MODIS數(shù)據(jù)以及NOAA的C/HRPT、FY-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲得。數(shù)據(jù)的文件類型為PNG圖片文件。存儲了長城站24張圖片和中山站11站圖片。3.4.4數(shù)據(jù)處理所有的數(shù)據(jù)在入庫前需要先進行預處理，對錯誤的不規(guī)范的數(shù)據(jù)及時編輯校正，修改錯誤、規(guī)范數(shù)據(jù)格式，在確保數(shù)據(jù)的安全、完整、正確、可用后再將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，這樣可以減輕在后續(xù)的數(shù)據(jù)庫環(huán)節(jié)可能會引起的錯誤，保證數(shù)據(jù)的完整性、減輕編碼中報錯的可能。OCPs監(jiān)測數(shù)據(jù)處理：起止時間的單元格格式為自定義的時間格式，需要先行處理成文本格式方便后續(xù)導入數(shù)據(jù)庫。經(jīng)緯度的格式是由度分秒的形式表示的，需要先轉化成十進制的表示方式。北極科學考察路線數(shù)據(jù)處理：將路線數(shù)據(jù)添加到圖層上觀察后發(fā)現(xiàn)，有兩條線筆直的橫跨了亞歐大陸和北美大陸，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，推測是在考察隊坐飛機進行了轉移，對數(shù)據(jù)進行了切割，添加路線標識，根據(jù)不同標識改變數(shù)據(jù)的顯示顏色。圖2北極科學考察路線數(shù)據(jù)處理3.5技術概述3.5.1SpringBoot框架Spring框架是如今最廣泛使用的輕量級JAVA框架，可以較好的融合其他各類框架。其最主要的特征就是控制反轉和依賴注入，同時還提供了對面向切面編程的支持。面向切面編程是指，在各類業(yè)務處理的過程中對各切面進行提取，它所對應的是整個處理階段中的某個步驟，以實現(xiàn)邏輯過程中各部分間低耦合性的隔離效果。面向切面編程主要用于日志記錄、異常處理等場景，我們希望把這些功能單獨提取出來，保證改變這些功能的時候不會影響到整體的業(yè)務邏輯代碼，降低程序的耦合性，提高代碼的靈活性。控制反轉是一種編程思想，字面理解就是實例的控制權從主動變?yōu)楸粍??？刂品崔D指所有實例由Spring框架統(tǒng)一管理，程序在運行時無需主動創(chuàng)建對象，統(tǒng)一由Spring容器進行注入。依賴注入則指組件之間的運行關系，由程序在運行時確定，指容器動態(tài)的把依托的關系注入到相關的程序中?？刂品崔D和依賴注入的思想，降低了程序之間的耦合度，使得程序的開發(fā)、測試更加簡便。圖3Spring框架核心模塊如圖3所示，Spring框架最核心的部分是核心容器中的模塊，其中的Beans和Core模塊提供了控制反轉和依賴注入功能，是整個Spring框架的基礎。核心容器中的Context模塊在Beans和Core模塊基礎上添加了更多的框架級支持，并使Spring框架與其他框架和類庫可以實現(xiàn)集成。SpEL模塊提供了Spring表達式語言的支持，使開發(fā)者可以通過Spring表達式語言靈活的訪問和操作對象。Spring的AOP和Aspects模塊提供的對面向切面編程的支持，Instrumentation模塊提供了對JavaInstrumentation的支持，Messaging模塊提供了對基于消息的Spring應用的關鍵抽象。Spring還提供了用于數(shù)據(jù)訪問的web開發(fā)的大量模塊。最后，Spring的Test模塊提供了對Junit和TestNG這兩個測試框架的支持，使Spring應用可以方便地進行單元測試和集成測試。SpringBoot不是一個全新的框架，看名字可以知道他是在Spring基礎上進行開發(fā)的框架。傳統(tǒng)方式下，要實現(xiàn)Spring框架的控制反轉和依賴注入，一般可以通過XML配置文件或者注解的方式，需要配置大量的XML文件；另外若要使用Maven進行項目管理，開發(fā)者也需要自己配置pom文件。SpringBoot在Spring的基礎上進行了進一步的簡化，幾乎做到了零代碼、零配置。SpringBoot主要有以下特點：1、SpringBoot無需進行任何的XML配置，全部由注解的方式進行開發(fā)；2、SpringBoot項目在初始化的時候，就生成了pom文件，開發(fā)者可以在項目初始化的時候選擇所需的Jar包，其Maven坐標會出現(xiàn)在pom文件中；SpringBoot應用嵌入了Tomcat和Jetty服務器，簡化了web應用的部署。SpringBoot整合并并支持多種數(shù)據(jù)庫操作，比如常用的關系映射數(shù)據(jù)庫MySql、Oracle以及SqlServer等，也支持MongoDB、Redis等非關系映射型數(shù)據(jù)庫。SpringBoot提供了多種常用框架的整合，比如數(shù)據(jù)持久框架MyBatis、Hibernate，Web應用框架Struts等。SpringBoot項目初始化完成后，自帶測試類，方便進行單元測試。SpringBoot框架的出現(xiàn)，大大簡化了Java應用的搭建和開發(fā)過程，能夠快速的進行Java應用的開發(fā)，微服務架構由于其應用較多且單個應用功能點少，適合使用SpringBoot進行開發(fā)。3.5.2MySQL數(shù)據(jù)庫MySQL是目前比較流行的關系型數(shù)據(jù)庫之一，同時在Web應用這方面來說MySQL是非常好的關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一。MySQL是由瑞典MySQLAB公司開發(fā)的，但是目前MySQL屬于Oracle公司。MySQL數(shù)據(jù)庫是一種關系型數(shù)據(jù)庫，把抽象出來的數(shù)據(jù)按不同的關系存儲在不同的表當中，并不是把所有的數(shù)據(jù)都存放在同一很大的數(shù)據(jù)倉庫里面，這樣的設計能夠有效的提高數(shù)據(jù)的查詢速度，同時也提高了數(shù)據(jù)存儲的靈活性。數(shù)據(jù)庫是一種根據(jù)數(shù)據(jù)結構來存儲、組織以及管理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)倉庫，它的本質(zhì)其實就是一個文件系統(tǒng)，用戶可以對存儲的數(shù)據(jù)進行增加、刪除、修改、查詢等操作。但是存儲在文件中的數(shù)據(jù)，對文件進行讀寫操作是比較慢的。因此我們可以使用關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來存儲以及管理大量的數(shù)據(jù)。關系型數(shù)據(jù)庫實際上是建立在抽象出來的關系模型基礎上的，數(shù)據(jù)存儲是以表格的形式來表現(xiàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關系，每一行就是一個實體，每一列就是實體記錄所對應的數(shù)據(jù)字段，由非常多的行和列組成數(shù)據(jù)表，而數(shù)據(jù)表又組成了數(shù)據(jù)庫。3.5.3LeafletLeaflet是地圖交互的主要的開源JavaScript庫，適用于PC端和手機端。Leaflet庫的大小為38k左右，但是擁有大部分開發(fā)者需要的全部地圖功能。Leaflet保持著簡單、性能和實用性的設計思想。它可以在所有主要的桌面和移動端平臺上高效的運轉，可以擴展插件，它有一個漂亮的、易用的和文檔清晰的API，還有一個簡單、易讀的源代碼。3.6技術路線3.6.1總體設計設計采用商業(yè)數(shù)據(jù)庫MySQL管理各類空間數(shù)據(jù)；并利用ESRI所提出的Geodatabase模型對這些數(shù)據(jù)進行組織，對具備空間關聯(lián)關系的數(shù)據(jù)進行關聯(lián)；在開發(fā)層面所涉及到的控制信息、消息信息就均采用JSON統(tǒng)一傳遞。對于后臺，現(xiàn)采用Springboot框架系統(tǒng)。Springboot是一個基于Java平臺的極簡、靈活的web應用開發(fā)框架，它提供一系列強大的特性，快速創(chuàng)建各種Web和移動設備應用。對于前端，使用html5、css3、JavaScript、jQuery，實現(xiàn)前后端分離，完成數(shù)據(jù)渲染，服務端通常只負責數(shù)據(jù)接口，而前端只需專注視圖和事件交互，所有的頁面動作都是在一個宿主頁面中完成。GIS模塊采用Leaflet的技術路線。在項目實施過程中，采用面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)管理模式，采用成熟的多層體系架構，基于“數(shù)據(jù)-功能組件-功能業(yè)務”的三層體系結構，采用面向?qū)ο蠹夹g、組件技術、可定制可配置等技術，采用快速構建開發(fā)模式，通過業(yè)務構建和維護管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)成果管理和成果分發(fā)等業(yè)務流程的快速構建和維護，使系統(tǒng)具備良好的可擴展性。3.6.2總體架構為了方便用戶訪問系統(tǒng)，同時降低客戶端運行環(huán)境依賴，本系統(tǒng)采用B/S架構，即客戶端通過瀏覽器（Browser）訪問Web服務器以及與之相連的后臺數(shù)據(jù)庫的體系結構。該架構具有良好的跨平臺性、可擴展性和易更新升級等優(yōu)點。3.7環(huán)境要求序號分類環(huán)境軟件版本1操作系統(tǒng)客戶端Windows7(及以上)64位旗艦版2開發(fā)語言Web后端Java最新Web前端JavaScript最新3開發(fā)IDEWeb后端IntelliJIDEA最新Web前端HBuilderX最新4數(shù)據(jù)庫環(huán)境服務端數(shù)據(jù)庫MySQL5.6表1系統(tǒng)開發(fā)運行環(huán)境4極地資源管理系統(tǒng)搭建4.1極地資源管理系統(tǒng)展示系統(tǒng)功能可分為兩大部分：地圖查看和數(shù)據(jù)管理。如圖3-1所示，在網(wǎng)頁的左上角有兩個功能的按鈕，點擊不同的按鈕可以切換不同功能。圖4-1功能切換4.1.1地圖查看如4-2所示，是地圖查看功能的初始界面，左上角是功能切換按鈕，右上角是底圖切換和地圖縮放按鈕，右下角是地圖比例尺。圖4-2地圖查看工作底圖切換：如圖4-3所示，鼠標移到右上角標識時將展開顯示不同底圖，工作底圖包括影像圖、衛(wèi)星圖、地形圖、夜景圖四種，點擊不同地圖，在線方便快捷切換。圖4-3工作底圖切換基礎地圖功能：如圖4-4、圖4-5所示，具備最常用的地圖操作功能，包括地圖放大縮小、平移地圖、地圖比例尺。圖4-4地圖放大縮小功能圖4-5地圖比例尺專題數(shù)據(jù)展示：在數(shù)據(jù)管理界面，點擊目標數(shù)據(jù)的地圖查看按鈕后，跳轉到地圖查看界面，并在地圖上顯示相關的數(shù)據(jù)，只有有地理信息的空間數(shù)據(jù)可以展示到地圖上（本研究中選取了點數(shù)據(jù)，線數(shù)據(jù)和不能在地圖上顯示的影像數(shù)據(jù)三種不同數(shù)據(jù)）。圖4-5顯示的是OCPs分析數(shù)據(jù)，每個點都是采集OCPs數(shù)據(jù)的地點記錄，在地圖上點擊小氣泡，顯示在該點采集的詳細信息，如圖4-6顯示，OPCs數(shù)據(jù)中顯示了數(shù)據(jù)的編號，數(shù)據(jù)采集的批次，經(jīng)緯度信息，采集時間信息和OPCs的值。圖4-7是中國第3次北極科學考察(2008年)路線在地圖上的可視化顯示。圖4-5OCPs分析數(shù)據(jù)地圖展示圖4-6OCPs采集數(shù)據(jù)展示圖4-7科考航跡地圖顯示4.1.2數(shù)據(jù)管理點擊左上角數(shù)據(jù)管理功能切換，如圖5-1所示，切換到數(shù)據(jù)管理界面，數(shù)據(jù)管理界面分左右兩塊，左邊是全部數(shù)據(jù)的列表，數(shù)據(jù)上方是查詢功能，可以對數(shù)據(jù)進行簡單的管理、查詢、下載功能。右邊是指定數(shù)據(jù)的文字介紹。圖5-1數(shù)據(jù)管理功能數(shù)據(jù)查詢：可以通過極地數(shù)據(jù)文件的關鍵字進行查詢，如圖5-2所示，輸入了路線數(shù)據(jù)后，得到查詢結果中國第3次北極科學考察(2008年)路線數(shù)據(jù)。圖5-2數(shù)據(jù)查詢功能如圖5-1所示，每個數(shù)據(jù)后有不同的按鈕，對應地圖查看、下載和介紹三種數(shù)據(jù)管理功能。圖5-3顯示的是中國第3次北極科學考察(2008年)路線數(shù)據(jù)的介紹，包括了數(shù)據(jù)的概述和數(shù)據(jù)基本信息。圖5-4是數(shù)據(jù)下載功能，所有下載的數(shù)據(jù)都是壓縮包的形式。圖5-3數(shù)據(jù)介紹