國(guó)土空間規(guī)劃下水利基礎(chǔ)設(shè)施信息管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

姚志武 ，管林杰 ，張鐘海 ，李俊輝

（1. 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2. 長(zhǎng)江空間信息技術(shù)工程有限公司（武漢），湖北 武漢 430010；3. 焦作黃河河務(wù)局博愛(ài)沁河河務(wù)局，河南 焦作 454450）

2019 年 5 月，《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于建立國(guó)土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的若干意見(jiàn)》提出，到2020 年要基本完成國(guó)土空間規(guī)劃體系的建設(shè)，并初步形成全國(guó)國(guó)土空間開(kāi)發(fā)保護(hù)一張圖[1]。而水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局規(guī)劃作為涉及空間利用的專項(xiàng)規(guī)劃，是水利規(guī)劃與國(guó)土空間規(guī)劃相銜接的規(guī)劃，是重要涉水生態(tài)空間與水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局落到國(guó)土空間一張圖上的前提，是依托一張圖管控平臺(tái)落實(shí)涉水空間協(xié)調(diào)與管控措施要求的基礎(chǔ)。

開(kāi)展水利基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)信息化管理與建設(shè)，是貫徹落實(shí)中央關(guān)于統(tǒng)一規(guī)劃體系、建立國(guó)土空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實(shí)施的重大部署[2]，是強(qiáng)化水對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的引導(dǎo)約束和協(xié)同保障作用，貫徹落實(shí)“以水而定、量水而行”，對(duì)促進(jìn)各類空間布局與水資源承載能力、防洪安全保障水平相適應(yīng)，預(yù)留水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)空間具有重要作用。

目前，各種 GIS 平臺(tái)軟件都具備空間數(shù)據(jù)的查詢、編輯等功能，ArcGIS 軟件體系作為 GIS 平臺(tái)的引領(lǐng)者，具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理、處理和分析功能，然而其桌面管理平臺(tái) ArcMap 功能繁多且對(duì)于初學(xué)者相對(duì)復(fù)雜。因此，本研究圍繞多層級(jí)數(shù)據(jù)信息全景可視化、規(guī)劃藍(lán)圖、數(shù)據(jù)臺(tái)賬、空間布局、規(guī)劃報(bào)告、成果管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，基于 C# 和AE（ArcGIS Engine）[3]組件設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了水利基礎(chǔ)設(shè)施信息管理平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱平臺(tái)），從數(shù)據(jù)收集存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析管理、專業(yè)應(yīng)用服務(wù) 3 個(gè)層面對(duì)水利業(yè)務(wù)成員和規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供全過(guò)程信息化支撐。

1 研究?jī)?nèi)容

為有效對(duì)接國(guó)土空間規(guī)劃編制工作，考慮涉水各類數(shù)據(jù)的空間特點(diǎn)，結(jié)合水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局規(guī)劃編制工作內(nèi)容，以實(shí)用性、統(tǒng)一性、可靠性、先進(jìn)性為原則，建立水利基礎(chǔ)設(shè)施信息管理平臺(tái)，具體內(nèi)容如下：

1）研究并建立水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局管理的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和體系。

2）以《水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局規(guī)劃編制工作大綱附件》中包括的基礎(chǔ)工作、涉水空間、規(guī)劃基礎(chǔ)設(shè)施三大類（26 張表格）為基礎(chǔ)，結(jié)合第一次全國(guó)水利普查數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，完成水利基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

3）研究水利專網(wǎng)上天地圖等公共地圖資源接入方案，并將公共地圖資源作為信息管理平臺(tái)的工作底圖。

4）考慮到空間數(shù)據(jù)量龐大、屬性字段繁多等因素，為提高空間要素檢索效率和靈活性，研究Lucene 方式下的全文檢索方案。

5）開(kāi)發(fā)水利基礎(chǔ)設(shè)施管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水利基礎(chǔ)設(shè)施信息的統(tǒng)一管理。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

平臺(tái)總體架構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 平臺(tái)總體架構(gòu)

總體架構(gòu)主要包括以下幾個(gè)層級(jí)：

1）基礎(chǔ)組件層。主要包括 AE（ArcGIS Engine）二次開(kāi)發(fā)組件庫(kù)、DevExpress 界面庫(kù)、Sqlite 文件數(shù)據(jù)庫(kù)組件、Lucene 全文檢索組件庫(kù)等構(gòu)成，是整個(gè)管理平臺(tái)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐保障。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行的“血液”，主要涵蓋基礎(chǔ)空間、涉水工程、各類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、三區(qū)三線、規(guī)劃報(bào)告等相關(guān)數(shù)據(jù)。其中空間數(shù)據(jù)的交換形式主要以 Shapefile，CAD 文件為主，屬性數(shù)據(jù)則以 Excel 文件為主。

3）業(yè)務(wù)邏輯層。平臺(tái)對(duì)外提供的功能，基本涵蓋數(shù)據(jù)檢查、導(dǎo)入、編輯、輸出的全生命周期管理。

4）應(yīng)用層。平臺(tái)面向用戶的可視化層級(jí)，即水利基礎(chǔ)設(shè)施信息管理平臺(tái)軟件。

5）用戶層。主要包括系統(tǒng)管理、水利部門(mén)、其他授權(quán)行業(yè)部門(mén)等業(yè)務(wù)人員，平臺(tái)根據(jù)用戶類別劃定功能訪問(wèn)權(quán)限，以保證數(shù)據(jù)安全。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

平臺(tái)的核心功能是統(tǒng)計(jì)得出三大類 26 張表格。通過(guò)對(duì)表格的分析發(fā)現(xiàn)，大部分表格統(tǒng)計(jì)都涉及多個(gè)空間對(duì)象，例如“已建、在建水庫(kù)工程空間范圍統(tǒng)計(jì)表”中，記錄包括水庫(kù)、水庫(kù)管理范圍、水庫(kù)保護(hù)范圍、壩址斷面等空間對(duì)象，然而每一類空間對(duì)象都具備其特有的屬性信息。顯然，已有的統(tǒng)計(jì)表不能作為平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，需要對(duì)表格進(jìn)行拆分，保證所有字段值都是不可分解的原子值，以確保滿足數(shù)據(jù)庫(kù)范式設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)統(tǒng)計(jì)表結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合水利規(guī)劃基礎(chǔ)知識(shí)，將原始統(tǒng)計(jì)表拆分為七大類（51 張表格），如表 1 所示。

表 1 數(shù)據(jù)庫(kù)表格數(shù)量統(tǒng)計(jì)

在數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇上，采用 ArcGIS GeoDataBase（地理數(shù)據(jù)庫(kù)）中 File GeoDataBase 作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。File GeoDataBase 數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)很多，例如對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)，多用戶可對(duì)地理數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行操作，要素具有連續(xù)性，空間數(shù)據(jù)的編輯精度更高，更便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織和管理[4]。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)與方法

2.3.1 離線地圖存儲(chǔ)方案

由于部分水利基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)屬于涉密數(shù)據(jù)，導(dǎo)致平臺(tái)不能運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)上，而只能運(yùn)行在用戶所在的涉密內(nèi)網(wǎng)中。因此，平臺(tái)本身無(wú)法接入公共地圖服務(wù)，例如天地圖、谷歌地圖等，這對(duì)于用戶圖上編輯空間數(shù)據(jù)造成了極大的困難。為解決這個(gè)問(wèn)題，本研究提出一種離線地圖存儲(chǔ)方案，支持平臺(tái)在缺少外網(wǎng)支持的情況下讀取離線地圖包中的地圖瓦片，以作為用戶使用時(shí)的工作底圖。本研究使用國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)中的天地圖數(shù)據(jù)資源作為離線地圖數(shù)據(jù)源，程序設(shè)計(jì)過(guò)程中將按照版權(quán)聲明要求進(jìn)行數(shù)據(jù)來(lái)源的注明。

本研究最開(kāi)始使用文件系統(tǒng)存儲(chǔ)作為緩存機(jī)制，即將每張瓦片保存為 PNG 圖片。通過(guò)程序測(cè)試發(fā)現(xiàn)存在 2 個(gè)致命問(wèn)題：1）由于大多數(shù)文件系統(tǒng)本身的限制，F(xiàn)AT（文件分配表）系統(tǒng)中文件數(shù)不能超過(guò) 65 536 個(gè)，HFS（混合文件系統(tǒng)）中不能超過(guò)32 767 個(gè)，并且在目錄中文件數(shù)超過(guò) 20 000 個(gè)時(shí)，文件訪問(wèn)速度開(kāi)始減慢[5]；2）程序打包或者離線地圖包拷貝時(shí)，由于離散的圖片過(guò)多導(dǎo)致速度極度減慢。因此，本研究采用 MBTiles（一種地圖瓦片存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)規(guī)范）方式，利用 SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)瓦片，并規(guī)定將數(shù)以百萬(wàn)的瓦片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 1 個(gè)文件中，能夠大大提高海量地圖瓦片的讀取速度[6]。離線瓦片數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)如表 2 所示。

表 2 離線瓦片數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)

本研究將天地圖服務(wù)的 0～10 級(jí)作為系統(tǒng)安裝時(shí)的默認(rèn)瓦片，平臺(tái)后臺(tái)服務(wù)提供各個(gè)市區(qū)的 11～16 級(jí)瓦片離線包的下載，以降低全部瓦片作為打包源文件的壓力。此外，為進(jìn)一步提高瓦片讀取速度，采用雙緩存機(jī)制（即內(nèi)存和文件數(shù)據(jù)庫(kù)緩存）讀取瓦片。當(dāng)每次需要讀取瓦片時(shí)，首先遍歷瓦片對(duì)象緩存池中的對(duì)象，如果能夠找到對(duì)應(yīng)瓦片則返回，反之則讀取 SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)中的瓦片數(shù)據(jù)，并將其存入瓦片緩存池中。瓦片讀取流程如圖 2 所示。

本研究中離線地圖存儲(chǔ)與讀取方案解決了以文件方式進(jìn)行地圖瓦片本地存儲(chǔ)時(shí)，往往受限于文件系統(tǒng)本身對(duì)文件數(shù)量的限制，并且整體可移植性低，難以打包部署項(xiàng)目的問(wèn)題。同時(shí)，考慮了系統(tǒng)頻繁讀寫(xiě)文件數(shù)據(jù)庫(kù)的效率及安全問(wèn)題，通過(guò)引入雙緩存機(jī)制，大大降低了數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫(xiě)頻率，增強(qiáng)了瓦片數(shù)據(jù)調(diào)度能力，有效提升了公共服務(wù)地圖瓦片數(shù)據(jù)前端顯示與渲染效率。

圖 2 瓦片讀取流程圖

2.3.2 基于 Lucene 的要素檢索機(jī)制

本研究中的水利基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)涉及 51 張表，那么如何通過(guò)關(guān)鍵字快速檢索出用戶感興趣的要素是平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中亟須解決的問(wèn)題?；跀?shù)據(jù)庫(kù)的查詢方式，通常是采用“Like”關(guān)鍵字進(jìn)行 GREP（模式匹配器）模式的模糊查詢，如若需要檢索的字段很多或數(shù)據(jù)量很大時(shí)，這種逐行逐字段遍歷的方式在速度上顯然難以接受。目前采用 ElasticSearch（一個(gè)分布式、高擴(kuò)展、高實(shí)時(shí)的搜索與數(shù)據(jù)分析引擎）作為對(duì)象索引處理及查詢功能支撐，屬于主流方案，但本平臺(tái)為桌面端應(yīng)用開(kāi)發(fā)，ElasticSearch的方式并不適合平臺(tái)的實(shí)施與部署。而 Lucene 作為一種全文檢索框架，采用倒排序的檢索機(jī)制，具有很高的檢索效率[7]。為此，使用 Lucene.net 作為全文檢索引擎應(yīng)用開(kāi)發(fā)包，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行全文檢索功能的定制化開(kāi)發(fā)，提高了程序開(kāi)發(fā)與部署的靈活性。

然而表格眾多，且字段數(shù)量和名稱都各不相同，若為每張表建立其專門(mén)的索引庫(kù)，顯然難以完成對(duì)所有表格的一次性查找?？紤]到各個(gè)表中字符型字段較多，且用戶查找方式以關(guān)鍵字檢索為主，設(shè)計(jì) 1 張中間表結(jié)構(gòu)，以此為全文檢索索引庫(kù)構(gòu)建的依據(jù)。中間表結(jié)構(gòu)如表 3 所示。

表 3 通用性表結(jié)構(gòu)

用戶通過(guò)關(guān)鍵字檢索時(shí)，系統(tǒng)首先對(duì)查詢關(guān)鍵字分詞，然后進(jìn)入索引文件中找到與這些關(guān)鍵字相關(guān)的信息，最后根據(jù)匹配度高低排序，將結(jié)果返回給用戶。當(dāng)用戶需要查看某條記錄的詳細(xì)信息時(shí)，系統(tǒng)會(huì)到指定要素類中，根據(jù)要素的唯一標(biāo)識(shí)符FID 快速檢索出要素的所有字段信息。檢索流程如圖 3 所示。

圖 3 全文檢索流程圖

基于 Lucene 的要素檢索機(jī)制充分結(jié)合了實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)發(fā)方式與應(yīng)用部署模式，提高了系統(tǒng)部署的便捷性和可操作性。同時(shí)，要素索引構(gòu)建方式更便于數(shù)據(jù)內(nèi)容的檢索，用戶能夠從不同類型、屬性的所有數(shù)據(jù)中快速獲取滿足檢索要求的內(nèi)容，使整個(gè)檢索過(guò)程更加便捷與全面。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 開(kāi)發(fā)技術(shù)路線

系統(tǒng)采用 .Net 平臺(tái)，使用地理數(shù)據(jù)庫(kù)管理水利基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，基于 ArcGIS Engine 二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行平臺(tái)的構(gòu)建。整個(gè)平臺(tái)采用 C/S（Client/Server）架構(gòu)方式，客戶端基于 .Net 下的 Framework 4.0 框架開(kāi)發(fā)，服務(wù)端則基于 Java 平臺(tái)下的 SSM（Spring，SpringMVC，MyBatis）框架開(kāi)發(fā)[8]，客戶端通過(guò)HTTP 請(qǐng)求進(jìn)行用戶登錄驗(yàn)證和軟件版本更新。

3.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境

在 Visual Studio 2015 開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，使用 ArcGIS Engine 10.4 組件庫(kù)和 DevExpress 17.2 界面庫(kù)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)方式進(jìn)行客戶端的定制開(kāi)發(fā)；在 IntelliJ IDEA 開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，借助 SSM 框架和 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，完成服務(wù)端的定制開(kāi)發(fā)。ArcGIS Engine 是ArcGIS 的一套軟件開(kāi)發(fā)引擎，可以讓程序員創(chuàng)建自定義的 GIS 桌面程序，完成對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理與操作。DevExpress 是一套用戶界面控件庫(kù)，幫助開(kāi)發(fā)人員快速搭建出交互性良好的界面，以提高用戶體驗(yàn)。開(kāi)發(fā)工具及說(shuō)明如表 4 所示。

表 4 應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具

3.3 系統(tǒng)功能

平臺(tái)作為水利基礎(chǔ)設(shè)施信息收集的通用性工具，由水利部門(mén)統(tǒng)一下發(fā)使用，為數(shù)據(jù)的逐級(jí)匯集與統(tǒng)一管理提供了保障。平臺(tái)支持各市水利（務(wù)）局業(yè)務(wù)人員按照水利基礎(chǔ)設(shè)施空間布局規(guī)劃編制工作方案，根據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范，完成水利基礎(chǔ)設(shè)施信息的質(zhì)檢、錄入、管理，進(jìn)而構(gòu)建水利基礎(chǔ)設(shè)施空間和業(yè)務(wù)信息的綜合匯聚、分析和展現(xiàn)平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)水利基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)與自然資源等部門(mén)一張圖數(shù)據(jù)共享。系統(tǒng)功能模塊具體如下：

1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入模塊。主要支持用戶按照基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范導(dǎo)入數(shù)據(jù)內(nèi)容，包括空間和表格數(shù)據(jù)，其中空間數(shù)據(jù)的導(dǎo)入以 Shapefile 和 CAD 文件為主，表格數(shù)據(jù)則以 Excel 文件為主。

2）規(guī)劃藍(lán)圖模塊。為用戶提供地圖操作（地圖放大、地圖縮小、視圖切換、地圖平移等基礎(chǔ)功能）、要素查詢、量算分析（距離和面積量算）等功能，其中要素查詢提供屬性（支持以全文檢索方式查詢要素內(nèi)容）和空間查詢（支持地圖交互性查詢，如點(diǎn)選、拉框、自定義多邊形等查詢）。

3）數(shù)據(jù)臺(tái)賬模塊。提供以水利基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)為信息源，快速統(tǒng)計(jì)得出三大類 26 張表格的功能，從而有效掌握水利設(shè)施基本信息與建設(shè)情況，提高水利基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目信息化管理水平。

4）規(guī)劃報(bào)告模塊。完成對(duì)規(guī)劃報(bào)告的統(tǒng)一管理，包括上傳、下載、更新報(bào)告及歷史版本查看等功能。通過(guò)信息化手段管理水利基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、表格、圖件、規(guī)劃報(bào)告等成果數(shù)據(jù)。

5）成果管理模塊。基于統(tǒng)一的質(zhì)檢要求及細(xì)則，梳理總結(jié)形成質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)體系，通過(guò)成果管理工具，能夠從數(shù)據(jù)完成性、規(guī)范性、一致性、空間拓?fù)涞确矫孢M(jìn)行質(zhì)量檢查，從而規(guī)范鞏固并提升成果質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究基于 ArcGIS Engine 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了水利基礎(chǔ)設(shè)施信息管理平臺(tái)，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需求，研究了離線瓦片存儲(chǔ)和 Lucene 全文檢索引擎技術(shù)，通過(guò)不斷的改進(jìn)與優(yōu)化，提出了一套符合項(xiàng)目應(yīng)用的解決方案。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了地圖瀏覽、空間數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)質(zhì)檢分析功能，可對(duì)海量水利基礎(chǔ)設(shè)施的空間和屬性信息進(jìn)行高效的組織、管理和應(yīng)用，并為下一步構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施空間布局一張圖管控平臺(tái)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)與保障。目前平臺(tái)已經(jīng)完成開(kāi)發(fā)，在業(yè)主單位的推行下進(jìn)行試點(diǎn)市區(qū)的試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容的統(tǒng)一收集、入庫(kù)、管理。