水利空間信息資源整合與共享平臺技術框架研究

韋人瑋 楊鵬 喬延軍 甘勇 劉哲

摘 要：總結水利空間信息資源整合與共享平臺的總體框架，提出完善數(shù)據(jù)模型、整合公共服務、融合開源軟件等建議，并在長江水利專題“一張圖”建設和業(yè)務融合應用中進行實踐。

關鍵詞：整合與共享;空間數(shù)據(jù)模型;公共服務;開源軟件

中圖法分類號：TV211.1;P208? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0424

空間信息是各類實體的基本屬性，也是管理決策中需要考量的重要因素。如何采集、存儲、應用空間信息，有效地支撐管理決策是信息化工作中需要解決的問題之一。相較于非空間信息，空間信息的采集、存儲和應用對基礎數(shù)據(jù)、基礎軟件（算法）以及基礎設施都有較高的要求，為建設和維護一個空間信息相關的應用，需要大量資金和人力。在谷歌地球、天地圖等空間信息共享平臺面世之前，空間信息應用通常局限于諸如測繪、勘探、國土等相關領域。這種天然的“高門檻”決定了在非測繪專業(yè)領域，分散布局的空間信息系統(tǒng)難以建設和維護。通過空間信息資源整合與共享平臺，整合信息資源、提供公共服務、支撐業(yè)務應用，能成為空間信息有效利用的先決條件。

1? 總體框架

水利空間信息整合與共享平臺采用主流的分層架構搭建。其總體框架由“三層兩境”構成，如圖1所示：數(shù)據(jù)層、服務層、應用層以及安全與保障環(huán)境、運行環(huán)境。

數(shù)據(jù)層按照空間數(shù)據(jù)模型對數(shù)據(jù)進行整合、組織和管理，按照數(shù)據(jù)類型可分為矢量和柵格兩大類。矢量數(shù)據(jù)按其表達的對象行業(yè)分類可分為水利對象和非水利對象，其中水利對象可進一步細分為江河湖泊、水利工程、監(jiān)測站（點）和其他管理對象四類，非水利對象可按照數(shù)據(jù)生產(chǎn)者的分類體系進行組織。柵格數(shù)據(jù)主要包括影像、DEM、水下地形、點云數(shù)據(jù)等。

服務層主要依托數(shù)據(jù)資源為多個業(yè)務應用提供支撐。按照數(shù)據(jù)利用的類型可分為數(shù)據(jù)展現(xiàn)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)檢索與發(fā)現(xiàn)四類。數(shù)據(jù)展現(xiàn)類服務主要滿足數(shù)據(jù)可視化需求，常見服務如切片地圖服務、動態(tài)地圖服務等;數(shù)據(jù)分析類服務滿足空間分析計算需求，常見服務如緩沖區(qū)分析、等值線計算、上下游關系計算等;數(shù)據(jù)更新類服務提供數(shù)據(jù)更新的渠道，如標注、空間要素編輯等;數(shù)據(jù)檢索與發(fā)現(xiàn)類服務主要服務于數(shù)據(jù)資源的檢索、發(fā)現(xiàn)和分發(fā)等。

應用層基于平臺服務構建，面向用戶提供業(yè)務服務，包括“一張圖（桌面版+移動版）”“一張圖”門戶、“一張圖”后臺管理系統(tǒng)以及多個業(yè)務應用模塊（1+1+1+N）?！耙粡垐D（桌面版+移動版）”主要對平臺的各類資源進行綜合性的組織與呈現(xiàn)，便于開展綜合決策，同時提供豐富的專題服務，滿足各專業(yè)的基礎應用需求;“一張圖”門戶主要展現(xiàn)平臺的數(shù)據(jù)資源目錄、服務目錄，方便用戶發(fā)現(xiàn)和應用資源;“一張圖”后臺管理系統(tǒng)主要對數(shù)據(jù)、服務進行管理;業(yè)務應用模塊主要依托平臺服務搭建應用模塊，解決業(yè)務應用需求。

安全與保障環(huán)境，主要包括支撐平臺建設和運行的標準規(guī)范、管理制度，以及數(shù)據(jù)安全、應用安全、主機安全等安全保障體系。運行環(huán)境主要包括平臺運行所需的基礎軟件、計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源、機房環(huán)境等。

2? 若干關鍵問題與技術

經(jīng)過多年技術實踐和積累，水利空間信息資源整合與共享平臺在建設和迭代完善方面已經(jīng)有了一套較為成熟的解決方案，但仍有許多無法標準化或者尚在快速演進的技術領域，需要在平臺建設和維護過程中予以關注。

2.1? 完善數(shù)據(jù)模型

空間數(shù)據(jù)模型用于描述如何將現(xiàn)實世界的地理實體、地理現(xiàn)象及其相互關系映射到計算機世界。空間數(shù)據(jù)模型決定了空間數(shù)據(jù)的采集、存儲和應用，是開展空間信息資源整合與共享平臺建設需要解決的基礎性問題。

水利空間數(shù)據(jù)模型領域主要采用面向對象的數(shù)據(jù)建模方法。在第一次全國水利普查中，水利部按照面向對象的方法，建立了一套較為完整的水利數(shù)據(jù)模型。該模型綜合考慮了水利對象的空間、屬性、關系以及相應元數(shù)據(jù)，有效解決了水利空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織問題，支撐了普查工作的順利開展。普查完成后，隨著成果的廣泛應用，該模型成為水利空間數(shù)據(jù)整合與共享平臺采用的基礎數(shù)據(jù)模型，對水利空間信息的整合與共享發(fā)揮了重要作用。

近年來，隨著水利行業(yè)管理需求、管理要求的變化，尤其是在支撐河湖岸線管理、河湖長制等工作過程中，該模型暴露一些不足，需要改進完善。一是水利對象需要進一步補充，尤其是水域岸線、河湖管理范圍、河湖長管理河段等。二是水利對象的空間關系表達需要進一步提升，如：考慮在對象模型基礎上建立河網(wǎng)模型，更好表達上下游、左右岸關系;建立線性參考模型，更好反映各類沿河流開展的線性規(guī)劃的關系等。在平臺建設和應用過程中，需要以現(xiàn)有模型為基礎，結合水利行業(yè)管理需求不斷優(yōu)化完善。

2.2? 整合公共服務

信息技術的進步和空間信息應用的廣泛性需求，共同催生了一批公共空間信息共享平臺。這些平臺往往由測繪主管部門或互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)建設和維護，為社會公眾所熟知和普遍使用，針對水利行業(yè)應用具有很高的整合應用價值。一是基礎數(shù)據(jù)資源豐富、更新頻次較高，可彌補水利行業(yè)基礎數(shù)據(jù)采集能力的短板。二是平臺底層架構健壯，可提供高性能、高可靠的服務，可彌補水利行業(yè)信息化基礎設施社會化服務能力不足的短板。三是公共信息服務平臺發(fā)布的電子地圖經(jīng)過了行業(yè)主管部門的審核，可較好地避免自行制作發(fā)布電子地圖帶來的政策性風險。隨著水利行業(yè)“強監(jiān)管”的不斷深入，社會化應用逐步增加，行業(yè)內(nèi)外數(shù)據(jù)融合應用需求愈發(fā)強烈，整合公共空間信息共享平臺資源，就顯得愈發(fā)重要。

目前主要的公共空間信息共享平臺有谷歌地球（圖）、天地圖、高德地圖、百度地圖、搜狗地圖等。這些平臺提供的服務內(nèi)容主要有影像地圖、線劃地圖、地貌暈渲地圖等數(shù)據(jù)展現(xiàn)類服務;地名搜索、逆地理編碼、實時路況等數(shù)據(jù)檢索與發(fā)現(xiàn)類服務;路徑規(guī)劃等數(shù)據(jù)分析類服務，各平臺的基本情況對比如表1所示。

在實際應用過程中由于公共平臺的資源更新、系統(tǒng)迭代的速度較快，需要注意根據(jù)應用需求、應用范圍，從數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)質量、數(shù)據(jù)時效性等方面挑選適當?shù)钠脚_服務，甚至綜合應用多個平臺的服務。

2.3? 融合開源軟件

長期以來，商業(yè)化地理信息系統(tǒng)產(chǎn)品提供成套解決方案是平臺建設的首選方案。但商業(yè)化軟件也存在許多不足，如：商業(yè)化軟件注重通用性，導致其體量往往比較龐大，帶來了較高的采購成本和運行資源消耗;對深度優(yōu)化、業(yè)務功能定制開發(fā)的支持不理想;對新技術領域的跟進不及時等。開源軟件具有低成本、輕量級、擴展性高等優(yōu)點，可以作為商業(yè)軟件的有益補充。隨著開源軟件社區(qū)的不斷成熟，許多領域的開源產(chǎn)品已足以替代商業(yè)軟件，支撐企業(yè)級應用?？臻g信息平臺領域常用的優(yōu)秀開源軟件包括：PostgreSQL、Elasticsearch、GeoServer、Openlayers、MapBox GL等。

（1）PostgreSQL是對象關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，跨平臺且兼容性高，支持大部分SQL標準并且支持復雜查詢、空間數(shù)據(jù)管理等特性。在空間數(shù)據(jù)管理方面，基于PostgreSQL的PostGIS擴展符合并且實現(xiàn)了OpenGIS的規(guī)范，相當于Oracle的spatial部分，能夠在數(shù)據(jù)庫內(nèi)核完成空間操作和處理，可替代Oracle等傳統(tǒng)的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，用于平臺數(shù)據(jù)層的建設。

（2）Elasticsearch是基于Lucene的分布式搜索引擎，可以提供穩(wěn)定、實時、可靠的檢索服務，具有高可用、易擴展以及實時的特點，使用Java語言和Lucene作為核心來實現(xiàn)索引和檢索功能，提供了簡單的RESTful API，隱藏了Lucene復雜性，易于調用;支持分布式實時文件存儲、實時分析搜索、全文檢索、可擴展上百個節(jié)點。在空間數(shù)據(jù)檢索方面，能夠實現(xiàn)緩沖區(qū)查詢、周邊查詢，支持按照空間條件排序，響應速度快，是一個實現(xiàn)快速檢索空間數(shù)據(jù)的解決方案。

（3）GeoServer是基于J2EE開發(fā)且遵循OpenGISWeb規(guī)范的地圖服務管理工具，提供空間數(shù)據(jù)的更新、刪除、插入等操作;支持數(shù)據(jù)信息的實時共享，兼容Web地圖服務和要素服務;支持多種數(shù)據(jù)庫和多種空間數(shù)據(jù)格式，具有包含、相交、疊加等多種空間分析功能;內(nèi)置GeoWebCache可以發(fā)布矢量切片服務，有著豐富的擴展應用。

（4）Openlayers是用于在前端繪制地圖的庫，支持地圖來源有谷歌地圖、百度地圖、天地圖等公網(wǎng)服務，以及符合OGC規(guī)范發(fā)布的地圖服務，支持矢量瓦片和柵格瓦片，具有良好的地圖交互效果。能夠加載自定義地圖服務，支持相交、包含、融合、疊加分析等空間計算，支持多種坐標參考系的數(shù)據(jù)展示。

（5）Mapbox GL提供了瀏覽器和移動端的開發(fā)庫，能夠渲染大量的地圖要素，擁有流暢的交互以及動畫效果，可以顯示立體地圖，使用WebGL高性能的渲染交互式矢量瓦片地圖和柵格瓦片地圖。能夠加載自定義地圖服務，支持相交、包含、融合、疊加分析等空間計算，支持多種坐標參考系的數(shù)據(jù)展示。

上述列舉的幾個開源軟件已為數(shù)據(jù)、服務、應用提供了基礎軟件支撐，構建一個完全基于開源軟件體系的平臺在技術上是可行的。同時，許多基于商業(yè)軟件構建的平臺經(jīng)過多年運行，已形成了大量信息化資產(chǎn)，在很多細分領域商業(yè)軟件仍有不可替代之處。因此需要結合實際有機融合開源軟件，揚長避短，促進平臺的建設和完善。

3? 應用實踐

長江委網(wǎng)信中心2005年起開始探索建立長江水利專題“一張圖”平臺，通過平臺整合流域管理相關空間信息資源，促進空間信息技術與管理業(yè)務的深度融合。經(jīng)過多年的建設和完善，目前已整合匯集了水利一張圖、天地圖、長江委自有數(shù)據(jù)資源、谷歌地圖以及Arcgis Online等5個來源，包括國家基礎空間數(shù)據(jù)、水利基礎空間數(shù)據(jù)以及水利專題空間數(shù)據(jù)等3大類70余種空間信息資源。在一張圖與水利管理業(yè)務的融合應用實踐中，逐步摸索形成了“工作基礎從圖上來、工作過程以圖協(xié)同、工作成果到圖上去”的工作思路，在長江經(jīng)濟帶相關規(guī)劃、汛期險情處置技術支持、入河排污口核查、長江經(jīng)濟帶資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫、小水庫督查、流域控制斷面監(jiān)督管理、長江流域取水工程設施核查登記、全國取用水專項整治行動等多項業(yè)務工作中發(fā)揮了重要的支撐作用。

（1）構建流域河網(wǎng)模型

上下游、左右岸，是最具水利行業(yè)特征的空間關系之一，以水利普查成果數(shù)據(jù)為基礎探索構建流域河網(wǎng)模型。對長江流域18 000余條河流（1～6級）的空間數(shù)據(jù)進行拓撲檢查，確保河流空間數(shù)據(jù)連通性、空間要素節(jié)點與流向一致等，并在河流連接處建立水系交點將河流分解為河段，最終形成了共計34 000余條河段的一張河網(wǎng)?；诤泳W(wǎng)模型，可以研究分析水利對象在上下游、左右岸方向上的關聯(lián)關系。如取水口與排污口之間的關聯(lián)影響分析，如圖2所示。

（2）基于Elasticsearch的水利對象空間檢索

空間對象檢索是使用頻率最高的服務之一。為突破檢索性能瓶頸，基于Elasticsearch搭建了水利對象的空間數(shù)據(jù)引擎。在50余萬個空間對象（涉及河流、湖泊、水庫、測站、取水口、排污口、水利工程等對象）的數(shù)據(jù)庫規(guī)模下測試，空間對象檢索速度較商業(yè)空間數(shù)據(jù)庫引擎+Oracle關系數(shù)據(jù)庫的組合提升近1 000倍。

（3）公共服務與私有服務的融合應用

在全國取用水管理專項整治工作信息化支撐保障工作中，探索了公共服務與私有服務融合應用的方式，其中，公共服務提供時效性強的電子地圖和地名服務，支撐取水工程的空間位置標繪，私有服務提供工程所在水資源分區(qū)、所在行政區(qū)劃的計算服務，控制標繪的數(shù)據(jù)質量。借助公共服務強大的網(wǎng)絡帶寬和計算性能，系統(tǒng)穩(wěn)定地為16余萬家取用水戶提供了空間信息服務，在線用戶峰值達6 500人。

4? 結論

實踐證明，構建水利空間數(shù)據(jù)模型，解決行業(yè)內(nèi)問題，為決策提供科學依據(jù)，整合公共空間信息共享平臺資源，減少重復建設，充分利用開源技術，有效降低建設成本，形成一套資源整合和共享的框架。以空間信息資源整合與共享為引領，開展信息化資源整合與共享，提升部門和行業(yè)的管理水平是切實可行的。

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