水旱災(zāi)害防御一張圖共享平臺設(shè)計(jì)與建設(shè)

林斌 李興漢 趙磊

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.039

摘? 要：水旱災(zāi)害防御數(shù)據(jù)具有數(shù)量大、對象多、自成體系、涉及業(yè)務(wù)類型繁雜等問題，給水旱防御數(shù)據(jù)的共享與應(yīng)用工作帶來困擾?；谒捣烙鶚I(yè)務(wù)特點(diǎn)，采用微服務(wù)、GIS和云計(jì)算等技術(shù)，集成水旱災(zāi)害防御數(shù)據(jù)并設(shè)計(jì)研發(fā)水旱災(zāi)害防御一張圖共享平臺，實(shí)現(xiàn)了多源水旱防御數(shù)據(jù)服務(wù)以及應(yīng)用分析服務(wù)的共享，有效地解決了當(dāng)前多源和共享應(yīng)用困難等問題，為水旱災(zāi)害防御工作提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵字：水旱災(zāi)害防御;空間數(shù)據(jù)庫;共享平臺

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：2096-4706（2021）08-0138-04

Design and Construction of a Picture Sharing Platform for Flood and

Drought Disaster Prevention

LIN Bin，LI Xinghan，ZHAO Lei

（Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangzhou? 510635，China）

Abstract：Flood and drought disaster prevention data has problems such as large quantity，multiple objects，self-contained systems，and complicated business types involved，which cause difficulties for the sharing and application of flood and drought prevention data. Based on the characteristics of the flood and drought prevention business，uses technologies such as microservices，GIS and cloud computing，integrated flood and drought disaster prevention data and designs and develops a picture sharing platform for flood and drought disaster prevention，realizes the sharing of multi-source flood and drought prevention data service and application analysis service，effectively solves the problems that have difficulties in multi-source and sharing application at present，and provides technical support for flood and drought disaster prevention work.

Keywords：flood and drought disaster prevention;spatial database;sharing platform

0? 引? 言

由于特定的地理位置、地形地貌及氣候因素影響，廣東省洪水災(zāi)害頻繁且嚴(yán)重^[1]，旱災(zāi)也時(shí)有發(fā)生，因此水旱災(zāi)害防御任務(wù)尤其繁重。近年來，在水利信息化的大背景下，廣東省全力推進(jìn)水利信息化建設(shè)，并且取得了不錯(cuò)的成績^[2]。其中，在水旱災(zāi)害防御方面建設(shè)了水利工程動(dòng)態(tài)監(jiān)管平臺、水旱災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺、水利視頻監(jiān)控應(yīng)用平臺、水利汛情發(fā)布平臺等，但是這些成果與廣東省水利信息化發(fā)展的形勢及新要求相比仍存在不足，突出表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）由于使用的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、尺度等不一致，造成水利普查、山洪災(zāi)害調(diào)查評價(jià)、河湖名錄等水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間相互孤立，目前為止還沒有對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與應(yīng)用。（2）現(xiàn)有的水旱災(zāi)害防御平臺只關(guān)注某個(gè)受災(zāi)點(diǎn)的信息，比如水庫是否受災(zāi)、堤防是否漫壩等，沒有在區(qū)域和流域兩個(gè)維度結(jié)合重點(diǎn)關(guān)注的水利工程、承災(zāi)體以及重要自然資源要素等對水旱災(zāi)害防御進(jìn)行綜合分析，防御工作缺少全局視角。（3）目前水旱災(zāi)害防御相關(guān)的平臺自成體系，數(shù)據(jù)間無法有效共享，很多信息存在一數(shù)多源、數(shù)據(jù)不一致甚至是數(shù)據(jù)使用不恰當(dāng)?shù)那闆r。

針對以上問題，本文通過對現(xiàn)有水旱災(zāi)害防御數(shù)據(jù)資源進(jìn)行整合，形成一套技術(shù)、尺度、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的水旱災(zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對成果數(shù)據(jù)與服務(wù)的共享方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。據(jù)此構(gòu)建水旱災(zāi)害防御一張圖共享平臺，將數(shù)據(jù)成果以標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)形式進(jìn)行共享;支持以流域和行政區(qū)劃兩個(gè)維度對水旱災(zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析及可視化表達(dá);提供應(yīng)用層面的共享服務(wù)，形成廣東省水旱災(zāi)害防御一張圖共享服務(wù)體系，為水旱災(zāi)害防御提供權(quán)威、全面、完整和一致的數(shù)據(jù)服務(wù)與應(yīng)用服務(wù)。

1? 平臺關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1? 設(shè)計(jì)思路

水旱災(zāi)害防御數(shù)據(jù)是平臺建設(shè)的基礎(chǔ)，首先要明確數(shù)據(jù)資源的來源與范圍，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，形成一套水旱災(zāi)害防御數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合水旱災(zāi)害防御工作需求與當(dāng)前水旱數(shù)據(jù)服務(wù)存在的問題，對平臺的實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與選型，最終構(gòu)建水旱災(zāi)害防御一張圖共享平臺，如圖1所示。

1.2? 水旱防御空間數(shù)據(jù)集建設(shè)

水旱災(zāi)害防御相關(guān)的數(shù)據(jù)量大且碎片化嚴(yán)重、坐標(biāo)系統(tǒng)各異、表現(xiàn)形式多樣、存儲結(jié)構(gòu)不一。相關(guān)數(shù)據(jù)格式包括shp、excel、word、tiff、mdb、rdb、多媒體等。為了更好地支撐防御工作，本文根據(jù)防御業(yè)務(wù)特點(diǎn)，采用統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)和存儲結(jié)構(gòu)，集成與建設(shè)了基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水利專題空間數(shù)據(jù)三大類水旱防御空間數(shù)據(jù)集：（1）基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。坐標(biāo)系為CGCS2000的1：10 000的最新基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)以及無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)，包括行政區(qū)劃、居民地、道路、河流、橋梁、房屋、加油站、地災(zāi)點(diǎn)等基礎(chǔ)信息與承災(zāi)體信息。（2）水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要來源于水利普查數(shù)據(jù)、山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)、河湖名錄數(shù)據(jù)、防洪工程數(shù)據(jù)、水旱災(zāi)害普查數(shù)據(jù)等，內(nèi)容包括基礎(chǔ)河流水系、流域面數(shù)據(jù)、防洪工程、堤防斷面、山洪防治區(qū)涉水工程、監(jiān)測預(yù)警預(yù)報(bào)基礎(chǔ)設(shè)施、社會經(jīng)濟(jì)信息、防御危險(xiǎn)區(qū)、安置點(diǎn)、轉(zhuǎn)移路線等信息。（3）水利專題空間數(shù)據(jù)。主要是業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)，收集現(xiàn)有業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺關(guān)鍵信息，包括歷史水旱災(zāi)害信息、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水利工程動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

1.3? 平臺實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

1.3.1? 平臺整體架構(gòu)

一張圖平臺架構(gòu)在邏輯上可以分為四個(gè)層級，包括：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用接入層，如圖2所示。

具體功能為：（1）基礎(chǔ)設(shè)施層。基礎(chǔ)設(shè)施層主要是支撐平臺運(yùn)行的軟硬件設(shè)施。利用云計(jì)算，采用虛擬化技術(shù)進(jìn)行IT資源的統(tǒng)一整合、管理，為水利行業(yè)的業(yè)務(wù)用戶提供云端宿主的工作環(huán)境^[3]。（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是一張圖平臺的核心內(nèi)容，是經(jīng)過水利數(shù)據(jù)資源整合后的成果。存儲于空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫postgres和文件系統(tǒng)中。（3）平臺服務(wù)層。平臺服務(wù)層是一張圖建設(shè)的主要內(nèi)容，利用微服務(wù)、GIS、云計(jì)算等技術(shù)將數(shù)據(jù)資源以服務(wù)的形式對外共享。（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用接入層。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)通過平臺的統(tǒng)一鑒權(quán)與驗(yàn)證，即可從平臺服務(wù)層獲取到相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)與應(yīng)用服務(wù)，為水旱災(zāi)害防御業(yè)務(wù)提供相應(yīng)的服務(wù)內(nèi)容與安全保障。

1.3.2? 數(shù)據(jù)及服務(wù)共享設(shè)計(jì)

1.3.2.1? 服務(wù)共享內(nèi)容

根據(jù)水旱災(zāi)害防御成果數(shù)據(jù)內(nèi)容與水旱災(zāi)害防御的工作需要，服務(wù)共享內(nèi)容主要包括目錄服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)與分析處理服務(wù)：（1）目錄服務(wù)。描述平臺所能提供的服務(wù)信息，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)容、地理空間數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)容、專題地圖數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)容、空間分析應(yīng)用服務(wù)內(nèi)容及服務(wù)的元數(shù)據(jù)信息，例如功能服務(wù)的名稱、說明、分類以及共享服務(wù)的管理部門和共享調(diào)用方法等。（2）數(shù)據(jù)服務(wù)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)與專題地圖服務(wù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)以接口服務(wù)的形式提供融合的水旱災(zāi)害防御成果數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)能夠直接獲取水利空間實(shí)體數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)容包括水利工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、自然資源基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)、承載體數(shù)據(jù)以及其他重要空間要素?cái)?shù)據(jù)等。專題地圖服務(wù)按照OGC規(guī)范及測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對融合后的地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行專題地圖整編^[4]。具體內(nèi)容包括：1）地圖符號化：以SL 73.7-2013《防汛抗旱用圖圖式》和GB/T 20257.3-2017《國家基本比例尺地圖圖式 第3部分：1：25 000 1：50 000 1：100 000地形圖圖式》為基礎(chǔ)，根據(jù)不同的水利空間要素制作多比例尺下的電子地圖符號庫。2）地圖分級：按照CH/Z 9011-2011《地理信息公共服務(wù)平臺 電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范》^[5]要求對地圖進(jìn)行分級設(shè)置，在保證制圖效果的基礎(chǔ)上兼顧地圖負(fù)載量和數(shù)據(jù)跨級平滑過渡，進(jìn)行不同級別下數(shù)據(jù)源的設(shè)置。3）服務(wù)發(fā)布與托管：通過ArcGIS Server或開源的GeoServer對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行地圖服務(wù)發(fā)布，遵循WMS、WFS、WMTS等規(guī)范。（3）分析處理服務(wù)：1）地理空間分析服務(wù)。遵循WPS規(guī)范對地圖基本操作功能進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)地圖量算、緩沖區(qū)分析、范圍分析、路徑規(guī)劃等常用的GIS空間分析服務(wù)。2）區(qū)域尺度要素關(guān)聯(lián)分析服務(wù)。以水旱災(zāi)害防御重點(diǎn)關(guān)注的行政區(qū)劃和流域兩個(gè)區(qū)域維度作為要素關(guān)聯(lián)分析的空間單元，綜合分析區(qū)域范圍內(nèi)水旱災(zāi)害防御重點(diǎn)關(guān)注對象，提供詳細(xì)的基礎(chǔ)要素信息、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)信息等，據(jù)此水旱災(zāi)害防御工作人員能夠在較大的尺度視角上對水旱災(zāi)害進(jìn)行分析與評估。3）面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的定制服務(wù)?；谌诤系乃禐?zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，面向具體的水旱災(zāi)害防御應(yīng)用場景，例如水旱災(zāi)害預(yù)警平臺、水利工程動(dòng)態(tài)監(jiān)管平臺、水利汛情發(fā)布平臺等，聚合相關(guān)基礎(chǔ)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，定制業(yè)務(wù)化服務(wù)接口。

1.3.2.2? 服務(wù)共享流程設(shè)計(jì)

服務(wù)調(diào)用方通過統(tǒng)一的登錄驗(yàn)證服務(wù)，獲取到訪問平臺服務(wù)的憑證token，帶著token訪問平臺的目錄服務(wù)，根據(jù)目錄服務(wù)的內(nèi)容獲取到自己業(yè)務(wù)需求的服務(wù)信息，按照服務(wù)信息中的元數(shù)據(jù)內(nèi)容構(gòu)建服務(wù)請求，發(fā)起服務(wù)請求，最終獲取到服務(wù)成果。其中服務(wù)調(diào)用方每次對服務(wù)的訪問都需要經(jīng)過服務(wù)攔截層，主要是對服務(wù)訪問的合法性進(jìn)行校驗(yàn)，包括登錄驗(yàn)證、服務(wù)訪問頻次控制、是否服務(wù)請求量控制等，確保平臺服務(wù)的安全。服務(wù)共享流程如圖3所示。

1.3.3? 平臺技術(shù)選型

平臺以WebGIS作為應(yīng)用集成的主要手段，采用開源技術(shù)路線，構(gòu)建微服務(wù)框架，實(shí)現(xiàn)前后端分離，降低系統(tǒng)耦合性。以下為具體要求：（1）服務(wù)端。使用Java語言，采用流行的Spring Boot及微服務(wù)框架搭建系統(tǒng)框架，使用jpa與jdbcTemplate對數(shù)據(jù)庫層進(jìn)行連接與操作，geotools/jts開源地理空間庫進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的讀取、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、空間數(shù)據(jù)處理、空間關(guān)系運(yùn)算等，lombok簡化規(guī)范代碼，logback進(jìn)行日志的規(guī)范與管理。（2）前端。采用vue進(jìn)行前端頁面框架搭建，ElementUI頁面框架渲染;采用openlayers地圖框架進(jìn)行地圖的加載、瀏覽、分析等操作;使用Echart開源統(tǒng)計(jì)表格框架進(jìn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的展示與大屏實(shí)現(xiàn)。（3）數(shù)據(jù)存儲。采用postgres+spatial extension進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲;使用亞馬遜s3云存儲進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲，例如影像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等。（4）中間件。采用GeoServer進(jìn)行地圖服務(wù)的發(fā)布與托管，消息隊(duì)列mq進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換與服務(wù)對接，alibaba-java-coding-guidelines阿里巴巴代碼規(guī)范插件控制代碼質(zhì)量。

2? 平臺建設(shè)成果

基于水旱災(zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫以及一張圖平臺的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了水旱災(zāi)害防御數(shù)據(jù)一張圖平臺。平臺主要功能包括：水旱災(zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、地理空間分析模塊、區(qū)域尺度統(tǒng)計(jì)分析模塊、面向業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)定制、數(shù)據(jù)資源與應(yīng)用服務(wù)共享等。

（1）水旱災(zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理對融合后的水旱災(zāi)害防御數(shù)據(jù)進(jìn)行集中的管理，包括各類數(shù)據(jù)的查看、搜索、修改，同時(shí)支持相關(guān)聯(lián)要素的查找，如圖4所示。（2）地理空間分析模塊遵循WPS規(guī)范利用GIS空間分析技術(shù)，同時(shí)以水利業(yè)務(wù)應(yīng)用為目標(biāo)，組合基礎(chǔ)分析服務(wù)、對接融合后的水旱災(zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)直接面向水利業(yè)務(wù)的水利空間分析服務(wù)，方便使用者直接應(yīng)用。（3）區(qū)域與流域兩維度統(tǒng)計(jì)分析模塊提供以行政區(qū)劃視角和流域視角統(tǒng)計(jì)分析功能。從行政區(qū)劃視角上來操作，用戶可以選擇某個(gè)行政區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)還可以下轉(zhuǎn)到下一個(gè)行政區(qū)劃等級的行政區(qū);從流域的視角上來操作，用戶選擇地圖上某個(gè)點(diǎn)，即可追溯這個(gè)點(diǎn)所在的小流域及小流域?qū)?yīng)的大流域面。通過不同的視角維度，獲取特定的地理空間范圍，即可關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)水旱災(zāi)害防御重點(diǎn)關(guān)注的空間要素信息，包括危險(xiǎn)區(qū)信息、涉水工程信息、社會經(jīng)濟(jì)信息、基礎(chǔ)設(shè)施分布信息、承災(zāi)體信息等，如圖5所示。（4）面向業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)定制。對某個(gè)應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求場景進(jìn)行分析，通過調(diào)用服務(wù)目錄進(jìn)行地圖服務(wù)、實(shí)體服務(wù)及分析服務(wù)的合理、自由組合配置，對接水旱災(zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，無須編制代碼即可直接快速實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用的服務(wù)定制。（5）綜合信息展示利用GIS可視化技術(shù)、專題地圖表達(dá)技術(shù)、Echart統(tǒng)計(jì)圖表展示技術(shù)、大屏展示技術(shù)等，將水旱災(zāi)害防御一張圖的內(nèi)容進(jìn)行綜合性展示。（6）數(shù)據(jù)資源與應(yīng)用服務(wù)共享以標(biāo)準(zhǔn)的REST服務(wù)對數(shù)據(jù)資源進(jìn)行封裝，定制統(tǒng)一的接口形態(tài)、響應(yīng)狀態(tài)碼、訪問鑒權(quán)方式等，提供數(shù)據(jù)的上傳下載、數(shù)據(jù)資源的調(diào)用、數(shù)據(jù)的訂閱推送以及數(shù)據(jù)分析處理等應(yīng)用服務(wù)。

3? 結(jié)? 論

本文根據(jù)水旱災(zāi)害防御業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，基于微服務(wù)、GIS和云計(jì)算等技術(shù)，集成建設(shè)了基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)、水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、水利專題空間數(shù)據(jù)集，形成了一套相互關(guān)聯(lián)的水旱災(zāi)害防御基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上建設(shè)了水旱災(zāi)害防御一張圖共享平臺。該平臺打破了原有水旱災(zāi)害防御數(shù)據(jù)分散、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、難以準(zhǔn)確調(diào)用的局面，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域和流域兩維度的水旱防御專題數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用，以及多源數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)的共享，形成了廣東省水旱災(zāi)害防御一張圖共享服務(wù)體系，有效地解決了當(dāng)前信息化建設(shè)中數(shù)出多源和共享應(yīng)用困難的問題，提高了水旱災(zāi)害防御治理與管理的工作水平和協(xié)同能力。

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作者簡介：林斌（1986—），男，漢族，海南?？谌耍砉こ處?，碩士，研究方向：地理信息系統(tǒng)、水利信息化;李興漢（1990—），男，漢族，廣東湛江人，工程師，本科，研究方向：軟件開發(fā)、水利信息化;趙磊（1997—），男，漢族，陜西寶雞人，助理工程師，本科，研究方向：地理信息系統(tǒng)，水利信息化。

收稿日期：2021-03-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（41401485）;廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020B0101130018）