基于開源WebGIS 的三維自然資源管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙棟梁 孫朝 李德元

（自然資源部第三地形測(cè)量隊(duì)，黑龍江 哈爾濱150081)

自然資源部發(fā)布的《2020 年自然資源部網(wǎng)絡(luò)安全與信息化工作要點(diǎn)》，明確了要加快自然資源三維立體“一張圖”和國土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)的建設(shè)，并將其作為了首要任務(wù)[1]。《要點(diǎn)》提出，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)自然資源三維立體“一張圖”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)自然資源管理與服務(wù)的精準(zhǔn)化和高效化[2]。三維立體“一張圖”場景中，利用GIS系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析能力可直觀展示自然資源組成、分類、權(quán)屬分布情況。

基于開源WebGIS 設(shè)計(jì)了以自然資源數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用圖形化、可視化、三維化等技術(shù)手段，通過對(duì)平臺(tái)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)三維自然資源管理平臺(tái)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然資源基本情況的管理與展示。

1 開源WebGIS

開源WebGIS 具有廣泛的適用性、良好的跨平臺(tái)性及開發(fā)成本低等特點(diǎn)，可以快速、高效、經(jīng)濟(jì)的完成GIS 系統(tǒng)或平臺(tái)的搭建。本平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)基于PostgreSQLPostGIS（數(shù)據(jù)庫）、Geoserver（服務(wù)器）、Cesium（客戶端）的開源WebGIS 平臺(tái)架構(gòu)。

1.1 cesium

Cesium 是一套JavaScript 庫，用來渲染2D 區(qū)域地圖、2.5D 地圖、3D 地球和多種GIS 要素，不需安裝任何插件就能在支持HTML5 標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器上運(yùn)行[3]。Cesium 使用WebGL 作為圖形渲染引擎，廣泛用于創(chuàng)建共享動(dòng)態(tài)地理空間數(shù)據(jù)的交互式Web 應(yīng)用程序。Cesium 具有強(qiáng)大的GIS 功能并且具有較高的可擴(kuò)展性和強(qiáng)大的互操作性，因此平臺(tái)選用Cesium 作為三維框架。

1.2 Geoserver

Geoserver 作為WebGIS 服務(wù)器，應(yīng)用廣泛，可以方便快捷地構(gòu)建地理信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)空間地理信息快速發(fā)布。Geoserver 遵循OGC 開放標(biāo)準(zhǔn)的Web 服務(wù)的空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范，通過參數(shù)可定制化的實(shí)現(xiàn)緩存業(yè)務(wù)可以實(shí)現(xiàn)WMS 瓦片緩存到文件系統(tǒng)當(dāng)中，進(jìn)而被客戶端直接使用，減少對(duì)Geoserver 服務(wù)的請(qǐng)求次數(shù)。

1.3 postgis

PostgreSQL 具有可靠的架構(gòu)、完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的功能，可提供高性能及創(chuàng)新性的解決方案，具有良好的兼容性及可擴(kuò)展性，可以簡單并快捷的構(gòu)建項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)安全、可靠的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。PostGIS作為PostgreSQL 地理空間數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、輸出、編輯、判斷空間關(guān)系以及測(cè)量等功能，并且結(jié)合PostgreSQL 的對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的特性。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)架構(gòu)

為提供多客戶端查詢?yōu)g覽支持，平臺(tái)采用B/S 架構(gòu)開發(fā)模式，以統(tǒng)一規(guī)劃、分層實(shí)施為原則，平臺(tái)整體技術(shù)框架分為四層，從下到上分別為設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。自然資源管理平臺(tái)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 自然資源管理平臺(tái)架構(gòu)圖

2.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層為自然資源管理平臺(tái)運(yùn)行提供基礎(chǔ)支撐?；A(chǔ)設(shè)施層將存儲(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫服務(wù)集群、應(yīng)用服務(wù)器集群及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)施等進(jìn)行布設(shè)、整合，以高性能的計(jì)算資源、大容量的存儲(chǔ)資源構(gòu)建滿足海量自然資源信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)的良好環(huán)境，為平臺(tái)的順利運(yùn)行提供硬件保障[6]。

2.1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與綜合管理，將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地理國情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、自然資源數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)，分層進(jìn)行組織存儲(chǔ)在PostGIS 中。通過對(duì)各類數(shù)據(jù)庫資源進(jìn)行整合后，能夠?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及自然資源專題數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織與存儲(chǔ)，為數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

2.1.3 服務(wù)層

服務(wù)層是支撐自然資源管理平臺(tái)各種業(yè)務(wù)應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)。通過Geoserver 進(jìn)行基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、自然資源專題數(shù)據(jù)等矢量數(shù)據(jù)以及地圖瓦片等柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布，通過WebService 開發(fā)查詢、統(tǒng)計(jì)分析等業(yè)務(wù)服務(wù)結(jié)構(gòu)。

2.1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是針對(duì)用戶的功能展現(xiàn)，包括三維地圖基本操作、“自然資源一張圖”模塊、專題統(tǒng)計(jì)及搜索模塊、遙感影像監(jiān)測(cè)模塊、運(yùn)維管理等模塊。其中，應(yīng)用層基于Cesium 三維框架進(jìn)行平臺(tái)搭建，實(shí)現(xiàn)自然資源數(shù)據(jù)的可視化顯示，與用戶進(jìn)行交互并響應(yīng)用戶的操作。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1“自然資源一張圖”數(shù)據(jù)集成

將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地理國情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、自然資源數(shù)據(jù)等多源、多尺度、多時(shí)相、多格式等特性的海量空間數(shù)據(jù)有機(jī)地組織、整合成“一張圖”，必須統(tǒng)一空間基準(zhǔn)、建立時(shí)空序列，利用標(biāo)準(zhǔn)的接口方式提供服務(wù)。

2.2.2 動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)分析及展示

針對(duì)自然資源統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的動(dòng)態(tài)性、可移植性等特性，采用在線地圖表達(dá)模板的形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析展示，使平臺(tái)可針對(duì)不同類型自然資源數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計(jì)分析信息，實(shí)現(xiàn)快速的展示與應(yīng)用。使用Geoserver 中動(dòng)態(tài)改變SLD 來實(shí)現(xiàn)這一效果，構(gòu)造SLD 文件，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)修改SLD 文件里的參數(shù)，將修改好的SLD 文件加載到相關(guān)的layer 上，前端請(qǐng)求即可獲取自定義的展示效果。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

依托“自然資源一張圖”數(shù)據(jù)集成、動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)分析及展示等關(guān)鍵技術(shù)，通過PostGIS 空間數(shù)據(jù)引擎存儲(chǔ)自然資源大數(shù)據(jù)、Geoserver 服務(wù)器發(fā)布服務(wù)，Cesium 三維框架實(shí)現(xiàn)三維信息展示，搭建自然資源信息管理平臺(tái)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“自然資源一張圖”展示模塊、專題統(tǒng)計(jì)與搜索模塊、空間分析模塊、運(yùn)維管理模塊的建設(shè)。自然資源管理平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖2 自然資源管理平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖

3.1“自然資源一張圖”展示模塊

“自然資源一張圖”集成了電子地圖、遙感影像、數(shù)字高程模型、三維傾斜攝影模型、國情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，“三區(qū)三線”管制類數(shù)據(jù)、土地調(diào)查數(shù)據(jù)、林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)等專題數(shù)據(jù)等要素信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)自然資源的三維空間立體形態(tài)的準(zhǔn)確表達(dá)及一體化管理。在三維場景中，可直觀展示自然資源空間布局，以及利用GIS 系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析能力展示自然資源組成、分類、權(quán)屬分布情況。同時(shí)該模塊包含級(jí)別控制器、距離與面積量測(cè)，地圖打印等功能。

3.2 專題統(tǒng)計(jì)及搜索模塊

專題統(tǒng)計(jì)包括專題統(tǒng)計(jì)與分類搜索兩部分，專題統(tǒng)計(jì)可根據(jù)行政區(qū)域、統(tǒng)計(jì)類別、展現(xiàn)形式進(jìn)行選擇，組合出想要統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容，展現(xiàn)形式包括點(diǎn)狀圖、柱狀圖、散點(diǎn)圖、分級(jí)圖等類別。平臺(tái)三維空間場景支持三維空間查詢，支持對(duì)具體范圍內(nèi)的地上、地下自然資源的統(tǒng)一描述，通過查詢可以一體化的展示地上下的自然資源的屬性信息，為自然資源的統(tǒng)計(jì)分析提供支撐。分類搜索可根據(jù)姓名、身份證號(hào)、地籍號(hào)、地址等類別進(jìn)行搜索，搜索結(jié)果顯示關(guān)鍵信息并可實(shí)現(xiàn)定位，地圖上要素均可點(diǎn)擊以表格的形式顯示詳細(xì)屬性信息。

3.3 空間分析模塊

空間分析包括緩沖分析、疊置分析等功能。自然資源數(shù)據(jù)與自然保護(hù)區(qū)范圍、生態(tài)紅線范圍、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)范圍等管制范圍或人為繪制認(rèn)定的特殊管制區(qū)域范圍關(guān)系密切，對(duì)這兩大類數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖分析、疊置分析后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以直觀的展現(xiàn)自然資源的空間布局，為自然資源的空間規(guī)劃編制提供參考。

3.4 遙感影像監(jiān)測(cè)模塊

以高分辨率遙感影像為底圖，集合多期不同時(shí)相的遙感影像，對(duì)多源自然資源信息進(jìn)行展示，通過時(shí)間軸、卷簾對(duì)比、多屏對(duì)比等方式直觀的展示自然資源變化情況，通過交互式判讀可以對(duì)變化的區(qū)域進(jìn)行圖形編輯及屬性錄入，從而實(shí)現(xiàn)變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的目的。

3.5 運(yùn)維管理模塊

實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理及平臺(tái)日志管理及平臺(tái)各項(xiàng)參數(shù)配置管理等，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的調(diào)度與監(jiān)控，數(shù)據(jù)與產(chǎn)品管理的統(tǒng)計(jì)分析等功能。

結(jié)束語

本文在基于開源WebGIS 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了三維自然資源管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究，通過平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)了三維自然資源管理平臺(tái)原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“自然資源一張圖”展示模塊、專題統(tǒng)計(jì)與搜索模塊、空間分析模塊等功能模塊的開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)自然資源智慧化管理、“山水林田湖草”生命共同體管理提供了平臺(tái)支撐，同時(shí)也為同類系統(tǒng)、平臺(tái)的搭建提供了一定的參考。