基于 OGC 標(biāo)準(zhǔn)的水利一張圖關(guān)鍵技術(shù)解析

曹 帥 ，陳 珺 ，王 穎 ，王 培 ，胡文斌

（1. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210029；2. 江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013）

0 引言

水利對(duì)象具有空間分布特征，水利行業(yè)管理和業(yè)務(wù)應(yīng)用均需要水利地理信息支持。以往水利 GIS建設(shè)中，信息資源分散，資源復(fù)用率低，地區(qū)發(fā)展不均。隨著 WebGIS 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用日益成熟，各水利數(shù)據(jù)中心試圖構(gòu)建公共 GIS 平臺(tái)作為一張圖[1]，通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)的地理信息服務(wù)，滿足水利 GIS 共享的需求。當(dāng)前，由開放地理空間信息聯(lián)盟（OGC）提出的 OWS（OGC 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）服務(wù)體系，包括數(shù)據(jù)、描述、過(guò)程、發(fā)布和應(yīng)用等空間數(shù)據(jù)接口互操作規(guī)范，已成為網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)的通用標(biāo)準(zhǔn)。為規(guī)范統(tǒng)一水利空間信息建設(shè)和應(yīng)用，江蘇省在水利一張圖建設(shè)過(guò)程中，基于 OGC 標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)技術(shù)構(gòu)建了一張圖平臺(tái)框架體系，實(shí)現(xiàn)水利 GIS 云。

1 需求分析

隨著水利信息化的發(fā)展，GIS 在水利各業(yè)務(wù)中發(fā)揮愈加重要的支撐作用。水利用戶對(duì)水利 GIS 的需求體現(xiàn)在以下 3 個(gè)方面：

1）數(shù)據(jù)層。不同的業(yè)務(wù)視角，對(duì)空間數(shù)據(jù)內(nèi)容、范圍和精度要求不同。省級(jí)關(guān)注骨干水系、水利對(duì)象分布和分析匯總，市縣需要大比例尺下區(qū)域性河道和工程位置關(guān)系。防洪預(yù)警參照地形，水文模型考慮下墊面，河湖治理依賴遙感，工程建設(shè)、管理對(duì)勘測(cè)數(shù)據(jù)和三維建模有需求。

2）功能層。水利 GIS 系統(tǒng)除地圖展示、空間查詢、拓?fù)溆?jì)算、制圖打印等通用功能外，還包括與屬性和業(yè)務(wù)模型結(jié)合的統(tǒng)計(jì)、分析、模擬、預(yù)測(cè)、決策功能。傳統(tǒng)單體式 GIS 應(yīng)用，業(yè)務(wù)功能與開發(fā)環(huán)境緊耦合，難以協(xié)同共享，重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重。一張圖架構(gòu)下，采用顆粒度細(xì)小、開放接口的組件，組合完成復(fù)雜的功能，是跨系統(tǒng)任務(wù)協(xié)同、構(gòu)建軟件生態(tài)圈的需要。

3）應(yīng)用層。空間信息特有的直觀、拓?fù)?、唯一性，有利于?shí)現(xiàn)水利對(duì)象統(tǒng)一、實(shí)體關(guān)聯(lián)、信息集成。通過(guò)圖表一致性、空間屬性一體化等技術(shù)，有利于統(tǒng)一信息資源架構(gòu)、水利應(yīng)用風(fēng)格，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)提供支撐。

2 技術(shù)路線分析

分散建設(shè)的水利 GIS 系統(tǒng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一，信息共享困難，而單一集中方式難以滿足水利地理信息多樣化、個(gè)性化需求。為解決上述矛盾，江蘇省水利一張圖建設(shè)采用去中心化及統(tǒng)分結(jié)合的思想，基于開放通用的 OGC 標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建互聯(lián)互通、協(xié)同應(yīng)用的服務(wù)平臺(tái)。具體技術(shù)路線如下：

1）數(shù)據(jù)融合為基礎(chǔ)。從數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、要素分類、數(shù)據(jù)組織、應(yīng)用模型、地圖表達(dá)等 5 個(gè)方面，統(tǒng)一規(guī)范，使多源水利地理信息在統(tǒng)一框架下采集，存儲(chǔ)，發(fā)布，應(yīng)用和展現(xiàn)。

2）先進(jìn)技術(shù)為支撐。綜合采用云計(jì)算、SOA、資源目錄、統(tǒng)一認(rèn)證技術(shù)，構(gòu)建分布式服務(wù)平臺(tái)框架，實(shí)現(xiàn)地圖、屬性、功能的注冊(cè)，發(fā)布和管理，保障服務(wù)運(yùn)行質(zhì)量（QoS）。

3）分級(jí)管理為目標(biāo)。一張圖目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)共建共享的“眾包”地圖。各水利要素的維護(hù)、更新由各部門分權(quán)分域負(fù)責(zé)和組織實(shí)施；基礎(chǔ)地理信息（矢量、影像底圖、DEM 等）由省級(jí)平臺(tái)發(fā)布更新；用戶可以上傳、發(fā)布，也可使用一張圖平臺(tái)功能定制信息資源（如專題圖）。

4）信息安全為紅線。對(duì)敏感、高精度的水利GIS 信息，需遵循有關(guān)規(guī)定進(jìn)行地圖脫密、審圖號(hào)申請(qǐng)，并采用反向代理、安全認(rèn)證、冗余備份等方式，保障系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全。

5）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為保障。形成一套涵蓋數(shù)據(jù)資源、建設(shè)管理、應(yīng)用服務(wù)的規(guī)范體系，使水利空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)對(duì)象產(chǎn)生全生命周期的對(duì)應(yīng)關(guān)系，滿足空間和屬性的圖表一致性，規(guī)范水利業(yè)務(wù)對(duì)象管理。

3 總體架構(gòu)構(gòu)建

江蘇省水利一張圖以“框架統(tǒng)一、邏輯一致、互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)分級(jí)”的建設(shè)思路，構(gòu)建多視角切換的水利業(yè)務(wù)地圖。將不同級(jí)別、區(qū)域、部門的數(shù)據(jù)和功能，通過(guò)服務(wù)方式共享，提高數(shù)據(jù)精細(xì)度、完整性和現(xiàn)勢(shì)性要求，促進(jìn)業(yè)務(wù)功能開發(fā)和多樣化，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用統(tǒng)一。一張圖平臺(tái)采用統(tǒng)一資源、身份、目錄，以及獨(dú)立授權(quán)、互聯(lián)互訪的模式構(gòu)建。在運(yùn)行模式方面，通過(guò) CA 認(rèn)證實(shí)現(xiàn)用戶統(tǒng)一身份認(rèn)證，建立目錄同步機(jī)制，保證省、市、縣資源目錄統(tǒng)一。一張圖在水利專網(wǎng)、政務(wù)內(nèi)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)3 種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署，并提供在線、標(biāo)準(zhǔn)接口、定制開發(fā)和云端等 4 類服務(wù)模式，滿足不同用戶和應(yīng)用的使用需求。

一張圖在縱向上統(tǒng)籌考慮省、市、縣三級(jí)水利部門應(yīng)用。省級(jí)平臺(tái)作為總節(jié)點(diǎn)，市、縣級(jí)可以采用自建或租用省級(jí)平臺(tái)云資源方式建設(shè)分節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)管理本級(jí)水利部門掌握的 GIS 和屬性數(shù)據(jù)，以服務(wù)方式共享。在橫向上，一張圖平臺(tái)為各業(yè)務(wù)部門提供框架支撐，各業(yè)務(wù)部門通過(guò)接口調(diào)用的方式獲取平臺(tái)服務(wù)，平臺(tái)服務(wù)的注冊(cè)、發(fā)布、管理、使用框架與各部門系統(tǒng)組成一個(gè)完整的水利信息化體系，可為行業(yè)內(nèi)外應(yīng)用提供框架和各類服務(wù)。江蘇省水利一張圖信息共享三級(jí)架構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 江蘇省水利一張圖信息共享三級(jí)架構(gòu)

4 關(guān)鍵技術(shù)解析

OGC 從數(shù)據(jù)和服務(wù) 2 個(gè)方面為分布式環(huán)境下訪問(wèn)地理數(shù)據(jù)和信息資源制定了一套全面的規(guī)范。數(shù)據(jù)模型規(guī)定了幾何對(duì)象和空間參考的描述、存儲(chǔ)格式、查詢、運(yùn)算；服務(wù)模型是地理信息獲取、管理、操作、表達(dá)、分享服務(wù)和實(shí)施的通用規(guī)范[2]。OWS 提出 Web Service 的數(shù)據(jù)型和操作型構(gòu)件模型，主要接口如表 1 所示。

OGC 為地理信息提供全棧式標(biāo)準(zhǔn)，能夠?yàn)樗鸊IS 采集、交換、共享、應(yīng)用提供支撐。江蘇省水利一張圖參照 OWS 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，并根據(jù)需求進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展，采用的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)主要有基于 OWS 和Web Service 的多源數(shù)據(jù)融合發(fā)布技術(shù)等 5 類。

4.1 基于 OWS 和 Web Service 的多源數(shù)據(jù)融合發(fā)布技術(shù)

水利地理信息分為基礎(chǔ)地理、水利專題、大比例尺勘測(cè)、模型、河景等，具有矢量、柵格、地形、影像、三維、點(diǎn)云等多種格式。在 OWS 服務(wù)框架下，數(shù)據(jù)基于 GML 存儲(chǔ)交換。GML 是基于模式文檔（xml：Schema）定義的地理信息標(biāo)識(shí)語(yǔ)言，以面向?qū)ο蠓绞浇M織數(shù)據(jù)，支持幾何、柵格、屬性、拓?fù)?、時(shí)態(tài)信息表示。WFS 提供有查詢參數(shù)的 GML 矢量數(shù)據(jù)服務(wù)，WCS 返回以 GML 組織數(shù)值的柵格覆蓋（Coverage）模型。從數(shù)據(jù)組織角度，除簡(jiǎn)單要素外，GML 可以自定義組合要素（復(fù)式河道、調(diào)水工程等）類型，并賦予對(duì)象屬性和關(guān)聯(lián)關(guān)系，使矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更清晰易用，也可滿足對(duì)時(shí)態(tài)、容量要求高的柵格數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)需求。在地圖展示方面，WMS 和 WMTS 都返回地圖的位圖圖片。WMTS 以 RESTful 風(fēng)格訪問(wèn)瓦片地圖，可采用分布式緩存策略，提高底圖的訪問(wèn)效率，實(shí)現(xiàn)勘測(cè)、確權(quán)等大數(shù)據(jù)的局部切片更新[3]。WMS 支持多種地圖服務(wù)的圖層聚合，并用圖層樣式表 SLD 動(dòng)態(tài)渲染，依據(jù)地圖標(biāo)識(shí)規(guī)范設(shè)置樣式參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)地圖統(tǒng)一風(fēng)格展示，提供在線水利專題圖制作功能的解決方案。

表 1 OWS 服務(wù)基本功能和接口列表

一張圖平臺(tái)研發(fā)了基于 Web 的三維模型共享技術(shù)，服務(wù)器端用 Spring MVC 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)三維模型和標(biāo)注的數(shù)據(jù)共享發(fā)布服務(wù)，客戶端使用 JavaScript 封裝類實(shí)現(xiàn)三維地圖的基本功能服務(wù)，用戶通過(guò)調(diào)用平臺(tái)提供的功能和數(shù)據(jù)服務(wù)共享接口構(gòu)建的分布式三維地圖系統(tǒng)，快速建立和部署三維地圖應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、部門的三維地圖資源的互聯(lián)互通和集成應(yīng)用。

4.2 基于擴(kuò)展 WFS 功能的空間屬性一體化檢索技術(shù)

實(shí)體建模通過(guò)圖元關(guān)聯(lián)、地名地址技術(shù)，支持空間對(duì)象基于屬性、語(yǔ)義的查詢和建模。水利實(shí)體圖元關(guān)系有：多圖元實(shí)體（如跨區(qū)域河流），圖元實(shí)體一致（如取水口）；多幾何形態(tài)實(shí)體（如水閘點(diǎn)、線、面）。WFS，WFS-G 規(guī)定了實(shí)體和地名地址的請(qǐng)求規(guī)范。

WFS 基于 XML 的過(guò)濾器或 CQL（OGC 提供的通用查詢語(yǔ)言），進(jìn)行空間和屬性的查詢。當(dāng)前原生 GIS Server 提供的 WFS 實(shí)現(xiàn)存在以下 3 類問(wèn)題：1）不支持空間表外部屬性域的查詢；2）不支持地名地址語(yǔ)義查詢；3）服務(wù)端查詢性能難以保證。針對(duì)上述問(wèn)題，一張圖采用擴(kuò)展服務(wù)實(shí)現(xiàn)的方式解決：以命名空間、數(shù)據(jù)集、屬性名 3 元組（ns，ds，at）定位屬性，在 CQL BNF 范式中以 ns∶ds∶at + 謂詞擴(kuò)展屬性域查詢；由于開源搜索引擎 Solr既支持文本分詞，也支持基于二進(jìn)制編碼的空間索引，通過(guò)在云平臺(tái)搭建 Solr 集群，能使一張圖百萬(wàn)級(jí)POI（信息點(diǎn)）實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)查詢響應(yīng)。通過(guò)在命名空間屬性域、搜索引擎基礎(chǔ)上重定義 WFS 接口實(shí)現(xiàn)，一張圖構(gòu)建了水利空間屬性一體化檢索體系，促進(jìn)了水利信息資源整合共享。

4.3 基于 WPS 服務(wù)鏈和工作流的空間功能組合技術(shù)

WPS 是發(fā)布和執(zhí)行空間處理功能的規(guī)范，不僅支持空間插值、坡度坡向、遙感識(shí)別、拓?fù)溆?jì)算等GIS 原子功能發(fā)布，也支持通過(guò)流程編排，用服務(wù)鏈組合的復(fù)雜業(yè)務(wù)功能發(fā)布。如通過(guò)調(diào)用 WFS 的矢量數(shù)據(jù)、WCS 的 Coverage 模型，實(shí)現(xiàn)等值線、淹沒(méi)面積計(jì)算等。

工作流技術(shù)可以按倒樹型結(jié)構(gòu)處理服務(wù)間的依賴關(guān)系，并緩存各服務(wù)的作業(yè)執(zhí)行狀態(tài)。一張圖基于工作流技術(shù)實(shí)現(xiàn)聚合分析、專題制圖、智能報(bào)表、采集更新、服務(wù)管理等典型應(yīng)用，提供可視化建模環(huán)境，用戶可定制服務(wù)依賴關(guān)系、流程組合，并發(fā)布為 WPS 模板。

4.4 基于 CSW 和 LDAP 的異構(gòu)資源目錄技術(shù)

CSW 以指定元數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)查詢類和管理類（包括目錄同步）的 Web 服務(wù)接口。用戶將數(shù)據(jù)庫(kù)、文件和服務(wù)資源注冊(cè)上傳后，由一張圖服務(wù)管理系統(tǒng)生成服務(wù) URL（統(tǒng)一資源定位符），在資源目錄公開服務(wù)元數(shù)據(jù)。CH/Z 9018—2012《地理信息網(wǎng)絡(luò)分發(fā)服務(wù)元數(shù)據(jù)內(nèi)容規(guī)范》僅描述空間元數(shù)據(jù)，需構(gòu)建可擴(kuò)展的元數(shù)據(jù)模型，描述細(xì)粒度水利業(yè)務(wù)域資源（包括防汛、工程示意圖）等。

LDAP 結(jié)合了面向?qū)ο蠛蜆湫蛯哟蔚乃枷耄瑯涔?jié)點(diǎn)條目 Entry 對(duì)應(yīng) 1 個(gè)對(duì)象實(shí)體，以對(duì)象類型（Object Class） 概念為其指定附加屬性，以容器單元 OU 表達(dá)組織機(jī)構(gòu)的對(duì)象層級(jí)?；谶@種信息模型，一張圖目錄管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了具有層次、網(wǎng)狀關(guān)系的動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)管理。結(jié)合命名、訪問(wèn)、安全模型，可將查詢精確到服務(wù)操作級(jí)，如：OU = WFS，取水口，南京。采用開源的 OpenLDAP 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn) CSW服務(wù)的 GetRecord，Transaction 及 Haverst 接口。

4.5 基于云計(jì)算與 GIS 融合的云 GIS 技術(shù)

一張圖作為水利信息化業(yè)務(wù)的支撐，其 GIS 具有數(shù)據(jù)量大、讀取頻繁和計(jì)算密集的特點(diǎn)，WebGIS架構(gòu)在特定時(shí)間、區(qū)域訪問(wèn)量出現(xiàn)峰值時(shí)，對(duì)服務(wù)器端的壓力巨大。采用云架構(gòu)的分布式計(jì)算特點(diǎn)，結(jié)合 OWS 服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部甚至跨域?qū)崿F(xiàn)負(fù)載均衡，保證地圖和功能的服務(wù)質(zhì)量。一張圖平臺(tái)采用 Nginx 反向代理服務(wù)器，將部署在不同虛擬機(jī)上的地圖服務(wù)，映射為對(duì)外地址保障安全，內(nèi)部通過(guò)監(jiān)控服務(wù)進(jìn)程，靈活調(diào)用計(jì)算資源。

云 GIS 的實(shí)質(zhì)是將 GIS 的平臺(tái)、軟件和地理信息方便高效地部署到云基礎(chǔ)設(shè)施上，能夠以彈性的、按需獲取的方式提供最廣泛的基于 Web 的服務(wù)[4]。依托云 GIS 平臺(tái)，能夠?yàn)椴煌脩籼峁┎煌脑贫速Y源。當(dāng)前，一張圖提供地圖服務(wù)、站點(diǎn)租用、云平臺(tái)復(fù)制 3 種模式，滿足不同地區(qū)和部門對(duì)水利空間數(shù)據(jù)建設(shè)、使用的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

GIS 數(shù)據(jù)具有拓?fù)湫?、一致性、直觀性的特點(diǎn)，在水利業(yè)務(wù)中發(fā)揮重要作用，但也存在專業(yè)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)量大、采集困難的問(wèn)題，制約了它的應(yīng)用。以往水利 GIS 研究關(guān)注具體業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)水利一張圖的論述重點(diǎn)也在應(yīng)用或總體框架層面。本研究從 OGC 地圖服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)入手，描述了構(gòu)建省級(jí)水利一張圖的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合搜索引擎、工作流、資源目錄、云計(jì)算等技術(shù)，擴(kuò)展了 OGC 服務(wù)接口和能力?；谝粡垐D發(fā)布的近百種專題地圖服務(wù)和水利典型應(yīng)用功能，支撐了業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)建設(shè)。構(gòu)建的水利 GIS 資源平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了省內(nèi)各級(jí)空間數(shù)據(jù)共享，調(diào)動(dòng)了各部門空間數(shù)據(jù)建設(shè)和應(yīng)用的積極性，用戶參與提供的資源與日俱增。

今后可加強(qiáng)以下幾方面的研究建設(shè)：1）標(biāo)準(zhǔn)體系，在開放標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上形成水利空間數(shù)據(jù)共享規(guī)范體系；2）智能搜索，通過(guò)在 Web 服務(wù)上加入語(yǔ)義機(jī)制，構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)知識(shí)圖譜[5]，實(shí)現(xiàn)智能搜索和信息推薦；3）深度應(yīng)用，加強(qiáng)與業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建專題空間分析功能，推進(jìn)水利 GIS 的行業(yè)化應(yīng)用。