关于水文数据库建设问题的探讨(图)

　　摘要:水文数据库系统是十分重要的水利信息资源基础设施,其建设与发展经过了较长的历史过程。由于不同历史时期技术与管理条件的制约,目前水文数据库建设和应用中仍存在若干有待解决的问题。在对全国水文数据库建设和应用现状调查结果的基础上,对当前水文数据库的建设和应用中存在的主要问题进行了分析和归纳,并对水文数据库今后的建设和应用进行了探讨,提出了建议。

　　关键词:水文数据库; 系统建设; 信息资源; 水利信息化

　　中图分类号: TP391 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 4179 (2009) 24 - 0070 - 03

　　水文数据是国民经济建设和社会发展所必需的重要基础信息,也是水文事业服务于社会、经济、环境、交通、生态等领域的主体产品。水文数据库系统既是水文数据的集合,也是进行水文信息综合服务的重要基础设施。按照《中华人民共和国水文条例》关于“国家水行政主管部门直属的水文机构应当建立国家水文数据库”的要求,水文数据库的建设与运行维护管理已经成为水文行业的一项重要基础业务。我国水文数据库的建设与发展,大致经过了全国分布式水文数据库试点建设、水文数据库系统初步建成、水文数据库系统基本建成以及新技术应用与试点开发等几个阶段。建成的水文数据库各节点为防汛抗旱、水资源管理、水利水电规划和科学研究等方面提供了大量的服务,在支撑水文现代化方面起到了不可代替的作用[ 1、2 ]。但是,由于不同历史时期技术与管理条件的制约,水文数据库在达到“基本建成”的相关技术要求后,出现了较长时间的停滞,存在着许多问题。随着水利信息化的快速推进和水文现代化的发展,这些问题不但没有缓解,反而日见突出。存在的问题主要表现在各地建设进展不平衡、信息源种类不够丰富、需进一步整合、未能与水利其他系统互连并实现信息共享、提供服务的手段和能力还不够强,以及硬件设备和服务软件水平较低等[ 3 ]。

　　在水文行业确立“立足水利,全面服务”的发展新思路后,面对更好地为水利行业服务,广泛地为经济社会各方面各层次提供全方位服务的水文发展新需求,水文数据库的建设就显得越来越重要。为了进一步推动水文数据库系统建设,水利部水文局近两年在全国范围进行了水文数据库建设现状调查。本文在调查结果的基础上,对水文数据库的现状进行了分析和归纳,并结合数据库技术的发展和业务需求,对水文数据库的建设问题进行了探讨。

　　1　基本状况

　　2007年12月到2009年2月,水利部水文局先后通过纸质问卷填报、网上调查及现场走访等方式对目前水文数据库的建设应用情况进行了全面调查。调查对象涉及全国7个流域机构、31个省市自治区、新疆生产建设兵团、水利科研院所及高等院校等单位。调查内容包括:流域及省市等节点水文原始观测记录数据量情况、水文资料(数据)入库情况;数据库软硬件环境、数据库服务器联网和数据存储分布状况;人员与管理制度;运行维护管理中存在的问题和需求;地方与中央、流域之间资料(数据)共享的基本情况和存在的问题;水文数据的应用与服务方式;水文数据在生产研究和教学科研等方面的应用需求、技术要求以及服务方式;水文数据与GIS结合方面的数据结构、运行环境以及相关技术要求;对全国水文数据库建设与发展的建议等等。

　　调查获取了大量丰富翔实的基础信息。根据调查统计结果,至2007年底,水利部、流域机构、省市等各级节点中,绝大多数均完成了水文数据库建设并投入业务运行,数据更新和应用服务作为日常业务基本上能保证正常运转。全国基础水文数据库(不包含水质和地下水资料)存贮数据总量已经达到28 GB,年增量近500MB,地表水文资料整编成果90%以上已经入库(如图1所示) 。大多数水文部门根据业务需求配套开发了数据入库软件和数据查询服务软件。

图1　2007年底全国水文数据库地表水整编成果数据入库情况

　　调查结果也表明,截止2008年底,全国40个应建库节点中,还有4家单位尚未建立水文数据库。在已建库节点中,由于各地经济社会发展不平衡,对水文信息的需求差异较大,导致各地水文数据库的建设、应用与发展的技术水平差异很大。从总体上看,入库数据的种类不全,综合信息服务的技术水平低、能力差,水文数据库的开发普通存在的主要问题是还停留在保存数据、简单查询上,应用范围较小。

　　2　主要问题分析

　　2. 1　入库数据类型

　　现在的水文数据库系统中存贮的数据,主要是地表水资料整编的成果数据,相当于中华人民共和国水文年鉴的主体部分。为了实现支撑水利信息化、水文现代化和向社会提供全面的水文信息服务,必须对水文数据库系统中的数据类型进行扩充。

　　水文基本数据一般可划分为10大类,即原始水文资料、地表水整编成果资料、水质整编成果资料、地下水整编成果资料、水资源评价成果、河道观测资料成果、水文预报与水文计算成果、历史洪水成果、流域属性信息及其他类型的信息。

　　当前水文数据库的入库数据,仅为地表水整编成果资料类的主要部分,其他类型的水文基本数据,部分进行了基础表结构与标识符的标准化工作,还未能在全国范围内形成系统,特别是历史数据的录入及建库基本工作,还未能大范围展开。

　　在10类水文基本数据中,随着水利信息化的发展和水文业务的扩展,水文信息的服务对象与服务需求发生了很大变化。其中,对水量、水质和地表、地下多尺度融合的综合性水文信息服务的需求十分迫切。因此,尽快研究在水文数据库中,增加水质整编成果资料类和地下水整编成果资料类数据,应该作为水文数据库近期建设的重点。

　　另一方面,无论是在水文业务发展方面,还是在水科学研究等方面,对整编成果数据具有回溯支撑作用以及有重要应用需求的原始观测记录数据,即原始水文资料类数据,都应该成为水文数据库尽快入库的基本库存内容。

　　原始水文资料类数据的建库工作在技术上有一定的难度,一是系列长、记录规范程度低,二是人工或纸质自记介质损坏程度高,三是自动数字化记录的数据量大。根据2008年对各单位水文原始观测记录情况调查的统计,目前全国仍有可能入库的原始观测记录数据总站年数(人工、传统自记和数据化自记总和)约为120万站年,其中电算资料整编已录入并有效保存的人工观测记录约50万站年,为建库奠定了一定的基础。但是,根据应用的需求与技术条件,研究各类原始数据的入库格式、入库方式和入库频度及内容和数据模型,是当前必须研究解决的基础性技术问题。

　　实际上,由于需要同时考虑10类基础水文数据在水文数据库系统中同时存贮与提供综合信息服务,因此在地表水整编资料水文数据库及地下水、水质和水资源数据库表结构与标识符标准的基础上,根据应用需求,研究设计了新的数据模型,以统一信息编码,协调时空尺度,这是解决水文数据库入库数据类型不足问题,并为提供全面、综合的水文信息服务创造条件必须的重要技术环节。

　　2. 2　应用服务能力

　　通过对各单位在水文数据库建设与发展需求方面的调查发现,当前全国水文数据库各节点基本技术架构以C /S为主, B /S为辅,为水文数据库实现基于网络的综合信息应用服务创造了良好条件。但是,当前近90%的节点数据库只能在本单位内部使用,仅有68%的节点将数据库服务器连入网络,严重阻碍了水文数据库提供信息应用服务能力的提升。

　　水文数据库作为一个由多级节点组成的复杂系统,在多年的发展过程中,形成了在管理系统、运行环境等技术要素方面的异构局面,加上中央节点建设滞后和政策环境方面的配套不完善,导致目前各节点间数据共享难以实现,也使得其他水利信息系统难以实现对水文数据库的访问与数据共享。技术和环境的制约客观上造成了水文数据库在应用服务上不便用、不好用、不能用的现状,应用服务的欠缺又在一定程度上导致了越没人用就越不好用的恶性循环。目前大多数水文数据库节点的服务能力基本上处于“电子年鉴”的技术水平,数据类型和服务目标过于单一, 70%以上的节点是通过从水文数据库中提取数据形成数据文件,将数据文件拷贝给数据使用者来实施服务。如图2所示。

图2　当前水文数据库节点信息服务提供方式的基本情况

　　分析水文数据库各节点提供信息服务的方式可以看出,除了水文信息共享政策等非技术因素的影响外,技术上也存在水文信息服务需求分析不充分、没有把水文数据库系统的服务属性放在突出位置、技术体系不完整、数据共享技术条件不具备等不足。因此,在充分分析水文信息服务需求,研究设计10类水文基础数据有机融合的新型水文数据库模型的基础上,建立以中央节点为重点的水文数据库技术体系,实施支撑环境研究与开发,设计全国通用的开放式、可配置和高起点的水文数据库系统信息管理与服务平台,是全面提高水文数据库服务水平与能力的有效途径。

　　3　建设探讨

　　针对调查结果分析反映出来的水文数据库目前存在的问题,还是应当遵循信息系统建设“统一规划、分步实施。标准先行、加强保障。整合资源、实现共享。”的原则在后续建设中加以解决。目前,如何使水文数据库能够很好地满足服务水利、服务社会的需求,保持科学、和谐以及可持续发展,是水文数据库建设与发展要考虑的重点问题。因此,需要在水文数据库基础设施投入、水文信息资源开发、水文数据库及信息服务系统完善、水文数据库运行维护及保障环境等方面综合、协调、可持续地进行建设与发展。

　　3. 1　基础设施

　　制定满足发展要求的各类各级水文数据库节点基础软件和硬件环境的技术要求指标。根据当前各级水文数据库节点的基础软件和硬件环境状况和数据量,评估其能力,提出初步的改善需求,确定建设内容(服务器、存储、网络、数据库管理系统等) ,实施中央、流域、省级及以下各级节点的基础软件和硬件环境达标建设。

　　3. 2　水文信息资源

　　近期优先重点开展以下工作:

　　(1) 加强水文数据库数据完整性建设,完善水文数据库入库资料系列。在现有水文数据库地表水整编资料的基础上,重点考虑原始观测记录数据以及地下水、水质和水资源等水文部门采集的基本数据的存储,并根据应用的需要,补充进入水文数据库。

　　(2) 建设中央级节点所需的各类数据,如全国水文数据索引、全国水文站网索引、主要流域水系信息、全国重要站点的主要水文要素系统等。

　　(3) 各级水文数据库的元数据库建设。

　　(4) 制定水文数据库入库要素数据质量指标。

　　3. 3　水文数据库及信息服务系统

　　(1) 集中进行水文数据库业务应用及基础水文信息交换与服务支撑平台、面向经济社会和面向水利业务应用的信息服务系统与协同接口的开发,在全国分级部署、推广应用。

　　(2) 水文数据库对水文行业内部业务信息服务系统的通用软件开发建设及推广应用。

　　(3) 水文数据仓库及空间化、主题化综合服务系统建设。

　　3. 4　运行维护及保障环境

　　(1) 进行全国水文数据库总体架构设计,确定水文数据库的基础技术体系结构、数据分布模式、数据交换与共享体系、数据服务方式、数据质量保障措施、数据安全保障环境和数据库运行维护规程。

　　(2) 制定全国水文数据库技术标准体系,编制水文数据库元数据标准、扩充基础水文数据库表结构及标识符标准,制定全国水文数据库更新、维护和服务技术规范。

　　(3) 针对水文数据库的建设、运行维护与信息服务特点与需求,对水文业务定额、相关业务规程进行必要的修订与完善。

　　(4) 水文数据库备份(在线、近线和灾备) 、保密及安全体系的建设。

　　(5) 制定包括人才培养在内的各项保障水文数据库建设发展的规定与政策,促进水文数据库建设与运行维护管理工作的可持续性。

　　4　结语

　　水文数据库建设是一个复杂的系统工程,随着水文业务的发展、经济社会的需求和IT技术的进步,其建设过程也是动态发展的。但作为一项水文现代化和服务经济社会的重要基础业务,解决目前水文数据库建设和应用服务中存在的问题已是刻不容缓。其中技术和管理因素同等重要,但从近期工作重点来讲,管理方面的欠缺表现得更为明显,解决需求问题更为迫切,尤其是标准体系和保障环境方面。除本文所述的问题外,还存在着许多关键性的技术问题,如应用数据仓库、数据挖掘的数据库应用新技术[ 4, 5 ] ,结合软计算和柔性集成的软件新技术[ 6, 7 ] ,以满足多尺度、多层次和多方式的动态水文信息服务需求等。作为信息技术在水文领域的典型应用,水文数据库系统在推进水文现代化,服务水利信息化方面的基础性作用是显著的,其客观上存在的众多技术问题,需要进行系统而深入的研究,以充分发挥其水利基础信息资源的作用。

　　参考文献:

　　[1]　章树安,吴礼福,林伟. 我国水文资料整编和数据库技术发展综述. 水文, 2006 , 26 (3) : 48 - 52.

　　[2]　葛维亚. 我国水文数据库建设回顾. 水资源研究, 2007, 28 ( 2) : 40- 43.

　　[3]　章树安. 我国水文数据库系统建设回顾及对有关问题的建议. 水文, 2001, 21 (3) : 60 - 62.

　　[4]　艾萍,王志坚,索丽生,等. 水文数据在线分析与知识发现系统模型. 水利学报, 2001, (11) : 15 - 19.

　　[5]　艾萍,倪伟新. 我国水文数据挖掘技术研究的回顾与展望,计算机工程与应用, 2003, 39 (28) : 13 - 16.

　　[6]　艾萍. 柔性集成技术及其在水文数据挖掘中的应用,中国水论坛No. 5论文集. 北京:中国水利水电出版社, 2008.

　　[7]　Ping Ai. A Review on App lied Research of Soft Computing for Hydrology in China. International Conference on Information Technology & Environmental Systems Sciences 2008 Proceenings: 741 - 746.

　　作者简介:史芳斌,长江水利委员会水文局网络信息中心,高级工程师。