開源 GIS 軟件梳理及在水利行業(yè)中的組合應用

董萬鈞 ，董 波 ，張俊儒

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012；3. 江蘇南水科技有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引言

GIS 技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于水利行業(yè)的方方面面，主要應用領(lǐng)域包括防災減災（防汛抗旱決策、災情評估、洪澇災害風險分析與區(qū)劃、城市防洪）、水資源管理、水環(huán)境和水土保持，以及水利水電工程設(shè)施的建設(shè)管理等[1-2]。隨著水利信息化系統(tǒng)建設(shè)及水利一張圖工作的推進，GIS 成為水利信息化系統(tǒng)構(gòu)建框架中不可或缺的一部分，既是系統(tǒng)中輔助決策的工具，也是成果展示的平臺?？梢灶A見 GIS技術(shù)將隨著時代的發(fā)展越來越深入到水利行業(yè)的骨髓之中。

在水利行業(yè)的實際應用中，商業(yè)化 GIS 產(chǎn)品往往占據(jù)主流地位。國外的如 ArcGIS 系列產(chǎn)品，國內(nèi)的如 SuperMap 系列產(chǎn)品等占據(jù)了大部分市場。這些產(chǎn)品針對水利行業(yè)的各個應用場景都有較為完善的解決方案，但由于其商業(yè)化產(chǎn)品的特性，存在以下2 個方面的弊端：1）我國是一個地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展極不平衡的國家，雖然近年來國家加大了對水利部門的投入，但對于部分中西部地區(qū)和中小水利管理機構(gòu)而言，經(jīng)費相對有限，采用商業(yè)化 GIS 軟件將是一筆不小的投入；2）商業(yè)化 GIS 軟件為了應對復雜的應用場景，產(chǎn)品往往大而全。對中小型水利信息化工程而言，為了少量的 GIS 功能需求安裝部署一套完整的商業(yè)化 GIS 平臺顯得過于沉重。

開源 GIS 具有天生免費的特性，一款開源軟件往往只承擔某一方面的功能，更加輕巧，很好地規(guī)避了采用商業(yè) GIS 平臺帶來的問題，同時，開源GIS 軟件大多具有跨平臺特性，對運行環(huán)境的適應能力更好。開源 GIS 軟件目前已在各行各業(yè)中得到相對廣泛的應用，比較典型的有：梁國峰等[3]基于 Cesium 開源三維框架、GeoServer 開源 GIS 服務(wù)、PostgreSQL 開源空間數(shù)據(jù)庫，設(shè)計了一套三維WebGIS 開發(fā)方案，實現(xiàn)了水庫綜合管理系統(tǒng)的搭建；趙彥博等[4]在剖析 DHSVM 模型中河網(wǎng)數(shù)據(jù)表達與組織的基礎(chǔ)上，采用 C++ 和開源 GIS 庫實現(xiàn)了DHSVM 河網(wǎng)數(shù)據(jù)的自動制備；張玉龍等[5]以開源GIS 軟件 GRASS 為平臺，首次通過輻射過程模型r.sun 和編程語言 Shell，實現(xiàn)長江流域 500 m 分辨率的晴日輻射反演（包括直接、散射和反射輻射），為了解長江流域輻射時空分布規(guī)律和相關(guān)宏觀氣候、生態(tài)建模奠定基礎(chǔ)；梅清銀[6]以 WebGIS 方式實現(xiàn)自動氣象觀測站資料的展示及其簡單應用。開源集成建模環(huán)境 FREEWAT 采用插件式方式開發(fā)并嵌入到 QGIS 當中，用于模擬、管理、計劃地表水和地下水的水量和水質(zhì)等[7-8]；Duarte 等[9]在 Quantum GIS 環(huán)境下開發(fā)了使用 RUSLE 方法估計流域尺度上侵蝕率的程序，并且也提供改程序的 Web 版本，用于土壤流失方面的研究和應用；Singh[10]通過CityGML，X3D，X3DOM，WebGL，GeoServer3D等開源 GIS 工具的組合，構(gòu)建了 3D 場景，以此為基礎(chǔ)模擬了洪水淹沒過程。雖然開源 GIS 在水利行業(yè)已經(jīng)得到廣泛的應用，但是這些應用大多針對特定的需求進行開源軟件的選取與組合：一方面 GIS軟件的選取取決于研發(fā)人員的喜好而具有隨意性；另一方面，沒有形成針對行業(yè)需求的系統(tǒng)性的解決方案，針對開源 GIS 軟件使用過程中可能涉及的許可證問題也缺乏探討。

從 GIS 的定義看，GIS 是用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)[11]；從 GIS應用于水利行業(yè)的工程實踐看，主要涉及地理數(shù)據(jù)的加工、存儲、發(fā)布、分析、展示 5 個環(huán)節(jié)。本研究從這 5 個環(huán)節(jié)收集和梳理現(xiàn)有的開源 GIS 軟件，考察其優(yōu)缺點，采用組合的思想，建立中小型水利信息化開源 GIS 平臺的解決方案，并開展工程實踐。

1 開源 GIS 軟件分類

在梳理開源 GIS 軟件分類前，首先要注意軟件授權(quán)許可的問題。軟件授權(quán)許可詳盡表述了獲得代碼后擁有的權(quán)利，可以對別人的作品進行何種操作，何種操作又是被禁止的[12]。世界上開源軟件協(xié)議的種類非常多，并且同一款協(xié)議有很多變種，比較常見的協(xié)議有 MIT，GPL，LGPL，BSD，Apache 2.0 等。當前國內(nèi)使用開源軟件時普遍存在忽略開源軟件許可的情況，極易引發(fā)相關(guān)法律問題，因此在使用開源 GIS 軟件時，需要注意開源要求、修改聲明、專利授權(quán)、許可證兼容、商標使用、網(wǎng)絡(luò)分法等幾方面的條款要求。

本研究從水利信息化系統(tǒng)的構(gòu)建過程和需求出發(fā)，從開發(fā)語言、軟件功能等角度，按照 5 個環(huán)節(jié)對開源 GIS 軟件進行分類，具體分類如表 1 所示。這種分類方式雖不能涵蓋所有的開源 GIS 軟件，但能指導水利工程應用中對各種開源 GIS 軟件的選取和組合。值得一提的是：雖然開源 GIS 基礎(chǔ)性類庫，如 Proj.4，GDAL，OGR 等嚴格來說很難歸類到某一個環(huán)節(jié)，但是在開源 GIS 軟件中被廣泛采用，其中許多軟件也被商業(yè) GIS 軟件采用。

表 1 開源 GIS 軟件分類

1.1 數(shù)據(jù)加工

空間數(shù)據(jù)前期的數(shù)據(jù)加工處理及分析工作一般采用桌面級 GIS 軟件完成，常見的桌面級 GIS 軟件特點和許可類型如表 2 所示。這些軟件可大致劃分為 2 類：一類以構(gòu)建完整的桌面級 GIS 平臺為主要目標，包括 uDIg，Quantum GIS，Open Jump，gvSIG，MapWindow 等；另一類更加側(cè)重于完成復雜的空間分析功能，包括 GRASS，GeoDa，WhiteBox GAT。水利空間數(shù)據(jù)主要以河道、湖泊等水域邊界，測站、閘門、泵站等水利設(shè)施的定位等數(shù)據(jù)為主。加工此類數(shù)據(jù)的功能需求相對簡單，比較而言，uDig 和 Quantum GIS 在易用性方面和商業(yè) GIS軟件接近，容易上手，具備對常見類型空間數(shù)據(jù)文件的編輯修改及空間分析等功能，完全能夠滿足輕量級水利 WebGIS 構(gòu)建前期對空間數(shù)據(jù)的加工處理需求。

uDig 的許可為 EPL，Quantum GIS 的許可為GNU Free Documentation License，如果在這 2 種軟件上進行二次開發(fā)，或者使用部分模塊集成到應用系統(tǒng)中，系統(tǒng)將難以進行商業(yè)化使用。但是在僅使用軟件進行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)本身并不集成這 2 種軟件的情況下，系統(tǒng)的商業(yè)化使用不會受到影響。

1.2 數(shù)據(jù)存儲

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 + 空間數(shù)據(jù)引擎通常是一種中間件解決方案。用戶將自己的空間數(shù)據(jù)交給獨立于數(shù)據(jù)庫之外的空間數(shù)據(jù)引擎，由其組織空間數(shù)據(jù)在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中存儲；當用戶需要訪問數(shù)據(jù)時，再通知空間數(shù)據(jù)引擎，從關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為客戶可以使用的方式。大多數(shù)空間數(shù)據(jù)庫都采用這一方案。

在開源空間數(shù)據(jù)庫方面可供選擇的軟件不多，主要軟件特點及許可類型如表 3 所示，PostgreSQL/PostGIS 目前應用最為廣泛。PostgreSQL 是一種對象-關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ORDBMS），也是目前功能最強大、特性最豐富和最復雜的自由軟件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是最重要的開源數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品開發(fā)項目之一。PostGIS 是對 PostgreSQL 的一個擴展，遵循OpenGIS 的規(guī)范，PostGIS 提供的空間信息服務(wù)功能包括空間對象的存儲、索引、操作函數(shù)和操作符。MySQL 遵從 OpenGIS 的規(guī)范，實施具有 Geometry類型的 SQL 環(huán)境的一個子集，也得到一定的應用。

表 2 數(shù)據(jù)加工類開源 GIS 軟件特點和許可類型

表 3 空間數(shù)據(jù)庫軟件特點及許可類型

PostgreSQL/PostGIS 是目前開源空間數(shù)據(jù)庫的首選，該協(xié)議并不限制軟件在商業(yè)化場景中使用，但需要注意的是該軟件本身不能收費，并且使用這類軟件時只能將該軟件作為獨立組件使用，不得修改軟件源代碼，否則整個系統(tǒng)源代碼都可能面臨必須開源的要求。

1.3 地圖發(fā)布

因為數(shù)據(jù)量小，輕量級水利 WebGIS 雖然對地圖服務(wù)器不要求有極高的性能，但是有以下一些要求：

1）部署簡單，配置容易上手，易維護；

2）能夠定制地圖元素和空間數(shù)據(jù)的樣式，提供豐富的制圖手段；

3）支持主流空間數(shù)據(jù)格式，支持標準的 WMS，WFS，WPS 等規(guī)范。

地圖發(fā)布開源 GIS 軟件特點和許可類型如表 4所示，MapGuide 和 MapFish 近年來在水利行業(yè)使用得很少，出現(xiàn)問題不利于獲得技術(shù)支持。綜合而言，MapServer，GeoServer 不但滿足上述所有要求，而且廣泛使用，有更多的研發(fā)人員參與使用和改進，比較適合用于輕量級水利 WebGIS 的地圖服務(wù)器。

表 4 地圖發(fā)布開源 GIS 軟件特點和許可類型

MapServer 遵循的是 MIT 許可，使用中注明版權(quán)和協(xié)議，商業(yè)和非商業(yè)環(huán)境皆可使用；Geo-Server 使用的是 GPL2.0 協(xié)議，使用時注意事項同PostgreSQL/PostGIS。

1.4 空間分析

空間分析包括用于理解地理特征的模式和關(guān)系的各種技術(shù)和計算過程的集合體?？臻g分析包含的種類或算法非常龐大，這里列出的空間分析的庫只是很小的一部分，軟件特點和許可類型如表 5 所示，其中：GRASS，GeoDa，GeoTools 和 PySAL 屬于成體系的空間分析軟件；PyWPS 和 ZOO-Project側(cè)重于提供網(wǎng)絡(luò)空間分析服務(wù)，可以與多種空間分析軟件進行集成；Turf，JSTS 和 kriging.js 則運行于前端的 JavaScript 空間分析庫。

表 5 空間分析類開源 GIS 軟件

在進行 WebGIS 系統(tǒng)集成的過程中，開源空間分析軟件的選擇需要根據(jù)需求具體確定，一般來說水利行業(yè)中輕量級 GIS 應用只需要簡單的空間分析功能，可以選擇集成實現(xiàn)了該部分功能的軟件模塊。表 5 所述軟件在商業(yè)化使用中除了 GRASS 和GeoDa 的 GPL 協(xié)議要特別注意外，其他風險較低。

1.5 數(shù)據(jù)展示

常見開源 GIS 前端軟件的特點及許可類型如表 6 所示。商業(yè)提供的地圖 API（應用程序編程接口）包括 Google Maps Javascript API、百度地圖JavaScript API、高德地圖 JS API、天地圖 JS API 和Mapbox GL JS 等，這些由商業(yè)公司提供的 API 省去了開發(fā) WebGIS 系統(tǒng)的諸多環(huán)節(jié)，能夠快速構(gòu)建出簡單的地圖應用，缺點是免費版本有一定功能或者性能限制，且在沒有互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)網(wǎng)環(huán)境下無法使用。Leaflet 和 OpenLayers 都是應用極為廣泛的開源 WebGIS 前端，兩者各有千秋，面對輕量級應用皆能滿足需求；CesiumJs 則在三維應用中比較有優(yōu)勢。Leaflet，OpenLayers 和 CesiumJs 所采用的開源協(xié)議皆允許在商業(yè)環(huán)境下使用。

表 6 開源 GIS 前端軟件

2 開源 GIS 解決方案

在梳理和比較各類開源 GIS 軟件的基礎(chǔ)上，本研究將結(jié)合典型的 WebGIS 框架和應用場景需求，提供不同應用場景的開源 GIS 解決方案。

圖 1 是一個完整的 WebGIS 的構(gòu)建框架，空間數(shù)據(jù)經(jīng)過加工處理后，存儲于空間數(shù)據(jù)庫或文件中，通過 GIS 和 Web 服務(wù)器發(fā)布為標準的地圖服務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸在前端呈現(xiàn)?？臻g分析的功能模塊既可以在服務(wù)端實現(xiàn)，也可以在前端實現(xiàn)。

圖 1 WebGIS 構(gòu)建框架

輕量級水利 WebGIS 應用的輕量主要體現(xiàn)在：機構(gòu)管理的范圍小，數(shù)據(jù)量小，或者管理的工程數(shù)量相對較少，具體功能需求隨工程項目的不同而有所差異。因此在應用開源 GIS 軟件時需要依據(jù)需求的復雜度提供多種模塊組合方案，以滿足不同層次的需求。結(jié)合 WebGIS 框架，將需求劃分為 4 個應用場景，并針對每個場景給出相關(guān)的 GIS 解決方案，具體如表 7 所示。

表 7 不同應用場景下的開源軟件組合方案

2.1 應用場景一

應用場景中需要對客戶獨有的空間數(shù)據(jù)進行加工并疊加在地圖上顯示。在地圖發(fā)布前，對空間數(shù)據(jù)進行處理和加工是基本的環(huán)節(jié)。常見的需求包括站點數(shù)據(jù)的添加、修改和刪除，河流、湖泊等區(qū)域的勾勒突出，區(qū)域范圍的劃分及對各類地圖要素的配色出圖。uDig 和 Quantum GIS 都是較為優(yōu)秀的開源桌面 GIS 軟件，完全能夠滿足對基本的點線面等空間及屬性要素的編輯修改，地圖配色，出圖等功能要求，Quantum GIS 對地圖的樣式設(shè)置還可以導出為 SLD 文件，供 GeoServer 發(fā)布地圖使用。

2.2 應用場景二

應用場景中百度、高德、天地圖等互聯(lián)網(wǎng)地圖能夠滿足提供地理底圖要求，并且系統(tǒng)運行環(huán)境允許連接互聯(lián)網(wǎng)?；镜男枨鬄樵诘貓D上疊加展示數(shù)據(jù)等各類信息，當需要在二維地圖上進行信息疊加時可以選用 OpenLayers 或者 Leaflet，OpenLayers 是一個十分完善的 GIS 前端功能模塊，Leaflet 更小更輕，對移動端開發(fā)更加友好。如果需要在三維地圖上進行展示，目前可供選擇的 Web 三維軟件庫不多，CesiumJs 是其中較為成熟的軟件。

2.3 應用場景三

應用場景中需要將客戶獨有的空間數(shù)據(jù)通過地圖服務(wù)器發(fā)布并且在前端展示。前端展示可以參照場景二，定制地圖發(fā)布可通過 PostGIS + GeoServer +GeoWebCache 組合的方式進行發(fā)布：PostGIS 是非常成熟可靠的開源空間數(shù)據(jù)庫；GeoServer 用于發(fā)布地圖服務(wù)，提供標準的 WMS，WFS 及 WPS 服務(wù)；GeoWebCache 用于生成瓦片地圖，提升地圖的訪問效率。

2.4 應用場景四

應用場景中需要將客戶獨有的空間數(shù)據(jù)通過地圖服務(wù)器發(fā)布，在前端進行二三維混合展示，并且進行一些基本的空間分析操作。定制地圖和數(shù)據(jù)展示的需求可以參照應用場景三?？臻g分析所涵蓋的應用領(lǐng)域和算法種類非常多，沒有特定的軟件庫能夠涵蓋所有算法，一般根據(jù)具體算法需求選取相應的開源庫軟件，例如：Turf.js 主要用于實現(xiàn)網(wǎng)頁端空間幾何對象關(guān)系的計算，包括點、線、面之間的包含及相交等一系列運算；kriging.js 實現(xiàn)了網(wǎng)頁前端的克里金插值功能等。

3 開源 GIS 應用案例

3.1 水利 PPGIS 系統(tǒng)

水利 PPGIS 系統(tǒng)（公眾參與地理信息系統(tǒng)）是一個向公眾傳達水利信息、知識，解釋水利政策，鼓勵公眾參與水利決策的平臺，需要提供基于 GIS的移動端數(shù)據(jù)展示功能。PPGIS 系統(tǒng)對于 GIS 的主要功能需求包括基于 GIS 底圖的風場、流場、臺風路徑、站點實時數(shù)據(jù)的展示等，GIS 底圖采用公開的互聯(lián)網(wǎng)地圖，如百度地圖、天地圖等。PPGIS 系統(tǒng)的需求重點在于基于 GIS 的水利數(shù)據(jù)展示，符合應用場景二描述的需求，因此在 GIS 軟件集成的方案中采用 leaflet 作為 GIS 前端。PPGIS 系統(tǒng)開發(fā)過程注重動態(tài)效果，流場、風場采用粒子流的表達方式，臺風路徑采用動態(tài)表達的方式，取得了良好的效果。

3.2 某水庫水雨情系統(tǒng)

某水庫水雨情系統(tǒng)有以下 3 個方面的要求：首先，系統(tǒng)部分客戶端運行在內(nèi)網(wǎng)中，無法訪問互聯(lián)網(wǎng)地圖；其次，地圖上需疊加庫區(qū)范圍、站點等定制化圖層；最后，地圖部分融合到大數(shù)據(jù)看板中，頁面展示更加豐富。該系統(tǒng)的需求包括地圖定制發(fā)布、前端展示 2 個方面，與 4 個應用場景對比后確定場景三的解決方案能夠滿足上述要求，采用PostGIS + GeoServer + GeoWebCache 發(fā)布地圖，前端選取 OpenLayers，融合各類圖、表、曲線圖構(gòu)建系統(tǒng)大數(shù)據(jù)看板，全面監(jiān)測水庫水雨情信息。

3.3 某電網(wǎng)氣象系統(tǒng)

某電網(wǎng)氣象系統(tǒng)要求提供基于 GIS 的氣象預報信息（氣溫、風速風向、濕度等）的展示，提供在線等值線計算功能，運行于安全二區(qū)，與互聯(lián)網(wǎng)完全隔絕，同時服務(wù)器操作系統(tǒng)采用的是國產(chǎn) linux操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)的需求包括地圖定制發(fā)布、前端展示及在線等值線計算，與 4 個場景對比后確定應用場景四的方案能夠很好地滿足上述功能需求，從而確定采用 PostGIS + GeoServer + GeoWebCache +OpenLayers + kriging.js 的 GIS 軟件集成方案。

4 結(jié)語

開源 GIS 軟件在水利行業(yè)中的應用已經(jīng)非常普遍，但往往針對某個具體問題選取某個軟件予以解決時，缺乏系統(tǒng)性的整理和分析。本研究根據(jù)應用需求總結(jié)了 4 個應用場景并提供了針對性的解決方案。這些不同場景的方案，一方面為水利 WebGIS提供了指導作用，可根據(jù)項目應用需求對照相應場景快速構(gòu)建 WebGIS 系統(tǒng)，提升效率；另一方面，全開源的方案節(jié)約了項目建設(shè)資金，對于部分中西部地區(qū)和中小水利管理機構(gòu)的水利信息化項目有很好的經(jīng)濟效益。值得注意的是：在空間分析方面，本研究只是簡單地選擇相應的算法庫予以集成，但面對復雜應用時可能需要多個算法庫和自研算法或者模型進行結(jié)合，這方面仍需加強研究和實踐。