水利基礎設施空間布局“一張圖”管控平臺建設研究與設計

宮留留 管林杰 楊坤 李曉飛

摘要：為有效銜接國土空間規(guī)劃編制，根據(jù)管控平臺實際需要，研究并建立了水利基礎設施空間布局管控的標準、規(guī)范和體系，完成了空間數(shù)據(jù)庫的設計，并研究了矢量切片技術實現(xiàn)動態(tài)地圖服務和空間大數(shù)據(jù)存儲與快速檢索技術。該平臺采用了B/S架構，利用地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、H5等技術設計并開發(fā)，實現(xiàn)了面向全國的統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲、快速可視化展示、數(shù)據(jù)動態(tài)更新及快速檢索等功能。研究成果可為統(tǒng)一水利空間用途管控、規(guī)劃編制審批、實施監(jiān)督管理提供平臺支撐。

關鍵詞：水利基礎設施; 空間布局規(guī)劃; 管控平臺; 矢量切片; 空間大數(shù)據(jù)

中圖法分類號：TV212 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.017

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0092 - 05

0 引 言

為貫徹落實國家對水利空間規(guī)劃編制的要求，2019年10月9日，水利部在北京組織召開“水利基礎設施空間規(guī)劃”專題會議，會上提出了2020年要基本完成中國、流域、省級水利基礎設施空間布局規(guī)劃編制，并做好與國土空間總體規(guī)劃的銜接。以劃定涉水生態(tài)空間、優(yōu)化水利基礎設施總體布局、推進水生態(tài)系統(tǒng)保護和修復為重點，將重要涉水生態(tài)空間與水利基礎設施空間布局落到國土空間“一張圖”上，依托“一張圖”管控平臺，落實涉水空間協(xié)調(diào)與管控措施要求[1]。

目前，國土空間規(guī)劃由自然資源部統(tǒng)一規(guī)劃部署，經(jīng)過近年來的建設，自上而下地完成了國土空間基礎信息平臺和”一張圖“實施監(jiān)督信息系統(tǒng)的建設，整合了各類國土空間基礎數(shù)據(jù)，形成了覆蓋中國、上下貫通、動態(tài)更新的國土空間規(guī)劃“一張圖”。水利空間規(guī)劃由水利部統(tǒng)一牽頭，系統(tǒng)建設起步較晚，目前也存在部分平臺設計方案，如由姚志武等[2]設計的國土空間規(guī)劃下水利基礎設施信息管理平臺。但是，大多數(shù)平臺在面向中國范圍的管控設計方面存在不足。① 平臺對C/S端系統(tǒng)進行設計，系統(tǒng)擴展性差，不能滿足快速訪問的需求;② 對中國范圍的統(tǒng)一管控考慮略有不足，不能滿足當下要求。因此，本研究圍繞中國水利基礎設施標準規(guī)范體系建設、數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)庫建設、應用支撐服務平臺及業(yè)務應用等，設計、開發(fā)了面向中國的水利基礎設施空間布局“一張圖”管控平臺（以下簡稱“平臺”）。

1 研究內(nèi)容

為滿足中國水利基礎設施的統(tǒng)一獲取、整合、存儲、管理與應用，本著“實用先進、安全可靠、標準規(guī)范、開放擴展”的建設目標，平臺主要研究內(nèi)容如下。

（1） 依據(jù)《水利基礎設施空間布局規(guī)劃落圖技術要求》，平臺數(shù)據(jù)涉及三大類，36個二級類，70個三級類，共70個水利基礎設施管控對象，因此需建立一套面向中國水利基礎設施空間布局管理的標準、規(guī)范和體系[3]。

（2） 根據(jù)水利基礎設施空間規(guī)劃成果中各類數(shù)據(jù)的類型特征、數(shù)據(jù)規(guī)模與存儲要求，設計數(shù)據(jù)庫表結構及其存儲模式，制定空間對象與非空間對象的統(tǒng)一編碼規(guī)則，建立一套面向中國的、統(tǒng)一的水利基礎設施空間布局數(shù)據(jù)庫[4]。

（3） 由于數(shù)據(jù)范圍廣，數(shù)據(jù)量巨大，以及客戶端的性能限制，地理空間數(shù)據(jù)的快速可視化展示對平臺提出了嚴格要求，研究矢量切片技術及基于矢量切片的地圖服務動態(tài)更新至關重要。

（4） 在數(shù)據(jù)快速可視化的基礎上，研究如何快速進行地理空間數(shù)據(jù)的空間檢索，進一步提高用戶體驗，研究基于Elastic Search技術建立分布式空間大數(shù)據(jù)的存儲與檢索。

（5） 根據(jù)平臺建設需求，開發(fā)面向中國的水利基礎設施空間布局“一張圖”管控平臺，實現(xiàn)對中國范圍的水利基礎設施的統(tǒng)一管理。

2 技術路線

由于水利空間規(guī)劃涉及專業(yè)知識較深，功能結構復雜，未來的業(yè)務需求還存在諸多不確定性。因此，應本著“統(tǒng)籌規(guī)劃、分步推進，平臺優(yōu)先、滾動拓展”的原則，分階段逐步開展專題建設。目前，主要以水利規(guī)劃信息收集、管理、分析和應用為基礎，匯集流域、省級水利基礎設施空間布局規(guī)劃成果資料，全面整合與水利基礎設施緊密關聯(lián)的規(guī)劃成果和數(shù)據(jù)資源，打造覆蓋中國、流域、省3級水利空間規(guī)劃業(yè)務應用技術體系，并以“一張圖”為基礎建設可配置的應用管理平臺。

根據(jù)目前階段“一張圖”管控平臺的建設需求，需要對錯綜復雜的數(shù)據(jù)進行信息資源整合，可按照基礎地理數(shù)據(jù)、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)、規(guī)劃管控數(shù)據(jù)、規(guī)劃審批數(shù)據(jù)和業(yè)務管理數(shù)據(jù)等進行分類。同時，分別對規(guī)劃數(shù)據(jù)和管控平臺構建標準規(guī)范體系，并進行數(shù)據(jù)庫的建設工作。完成數(shù)據(jù)庫建設后，依托GIS軟件，以水利基礎設施空間規(guī)劃數(shù)據(jù)庫為基礎，制作與發(fā)布水利基礎設施空間布局電子地圖，建設水利基礎設施空間布局“一張圖”數(shù)據(jù)服務平臺以及成果展示應用，全面管理水利基礎設施空間布局規(guī)劃編制成果、規(guī)劃審批成果以及基礎地理數(shù)據(jù)。以“一張圖”數(shù)據(jù)服務平臺為基礎，完成水利基礎設施空間布局“一張圖”管控應用，提供規(guī)劃成果收集與更新、用地關聯(lián)分析、用地沖突檢測與處理、水資源承載力分析、空間適應性分析、規(guī)劃方案審查管理、規(guī)劃成果歸檔管理、規(guī)劃技術標準管理等應用。

3 系統(tǒng)設計

3.1 總體架構

面向中國的水利基礎設施空間布局“一張圖”管控平臺（圖1）由資源層、數(shù)據(jù)層、服務層、應用層、標準規(guī)范體系、安全保障體系共同構成。

（1） 資源層。分為基礎設施和數(shù)據(jù)資源，基礎設施資源包括存儲、網(wǎng)絡和計算資源，數(shù)據(jù)資源包括基礎地理數(shù)據(jù)、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)、規(guī)劃管控數(shù)據(jù)、規(guī)劃審批數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)。

（2） 數(shù)據(jù)層。設置4個實體數(shù)據(jù)庫?；A地理數(shù)據(jù)庫存儲行政區(qū)劃、居民、道路、水系等基礎地理數(shù)據(jù);規(guī)劃成果數(shù)據(jù)庫存儲規(guī)劃文本、規(guī)劃藍圖和項目臺賬數(shù)據(jù);規(guī)劃管控數(shù)據(jù)庫存儲水資源承載力、涉水生態(tài)空間、防洪基礎保障、水利工程等數(shù)據(jù);規(guī)劃審批業(yè)務數(shù)據(jù)庫存儲規(guī)劃審批相關的業(yè)務數(shù)據(jù)。

（3） 服務層。包括數(shù)據(jù)服務和功能服務。數(shù)據(jù)服務采用GIS服務發(fā)布軟件進行發(fā)布，數(shù)據(jù)服務類型分為地圖服務、要素服務、OGC服務和影像服務等，通過后臺服務管理提供數(shù)據(jù)服務和計算服務。功能服務可采用WebGIS技術完成規(guī)劃數(shù)據(jù)瀏覽、專題圖展示、規(guī)劃圖打印輸出、地圖標繪、基礎數(shù)據(jù)查詢、綜合查詢等。

（4） 應用層。根據(jù)規(guī)劃業(yè)務需求，以數(shù)據(jù)服務平臺為基礎開發(fā)管控應用，可提供規(guī)劃成果收集與更新、用地關聯(lián)分析、用地沖突檢測與處理、水資源承載力分析、空間適應性分析、規(guī)劃方案審查管理、規(guī)劃成果歸檔管理、規(guī)劃技術標準管理等應用，實現(xiàn)貫穿規(guī)劃編制、審查、應用管理和實施監(jiān)督等全環(huán)節(jié)的規(guī)劃應用。

3.2 技術選型

系統(tǒng)采用B/S的技術架構，為了提高開發(fā)效率，降低前端與后臺之間代碼的耦合程度，采用前端與后臺分離的開發(fā)模式，具體的技術選型設計如下。

（1） 前端框架?？蛇x擇Vue.js進行頁面搭建，Vue是一套用于構建用戶界面的漸進式框架。與其他大型框架不同的是，Vue 被設計為可以自底向上逐層應用，組件可以重復利用，可大大提高開發(fā)效率，對出現(xiàn)的專題圖采用Echarts進行圖表渲染。

（2） 后臺框架。后端采用Java作為開發(fā)語言，以主流的SSM為核心技術框架搭建后臺服務，該框架包括Spring，SpringMVC和Mybatis。

（3） 數(shù)據(jù)庫選型。地理數(shù)據(jù)庫采用開源的PostGIS進行空間數(shù)據(jù)的存儲與管理，PostGIS數(shù)據(jù)庫符合并實現(xiàn)了OpenGIS的一些規(guī)范，是使用最廣泛的開源GIS數(shù)據(jù)庫之一，PostGIS提供了眾多空間分析接口服務，能夠滿足地理數(shù)據(jù)空間分析的要求[5]。業(yè)務數(shù)據(jù)庫采用關系型數(shù)據(jù)庫MySQL進行規(guī)劃審查管理、檔案歸檔管理及業(yè)務數(shù)據(jù)管理等數(shù)據(jù)的存儲，MySQL是目前最流行的關系型數(shù)據(jù)庫之一。

（4） GIS服務器。選擇GeoServer完成地理數(shù)據(jù)的服務發(fā)布，GeoServer是開源免費的，是用Java開發(fā)的GIS軟件服務器，允許用戶對地理空間數(shù)據(jù)進行編輯和共享，可對存儲在任何遵循開放標準的空間數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)進行服務發(fā)布，并完成基礎地理數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)的發(fā)布[6]。

（5） 地圖渲染引擎。采用OpenLayers完成地理數(shù)據(jù)的可視化展示，OpenLayers是開源免費的，并能夠基于此完成二次開發(fā)，擴展現(xiàn)有功能，并在客戶端完成各種地圖展示功能。

3.3 系統(tǒng)功能

平臺不僅要滿足數(shù)據(jù)整編及檢查入庫、地理信息數(shù)據(jù)服務和可視化展示，還需提供空間分析、水利專業(yè)分析等分析能力，同時滿足規(guī)劃方案審查管理、規(guī)劃成果歸檔管理和規(guī)劃技術標準管理等需求，具體系統(tǒng)功能設計如下。

（1） 數(shù)據(jù)整編及檢查入庫。根據(jù)數(shù)據(jù)資源體系對相關數(shù)據(jù)進行整編處理，對空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一編碼，按照自動化檢查與人工檢查、屬性數(shù)據(jù)檢查與空間數(shù)據(jù)檢查相結合的原則開發(fā)相應的檢查入庫工具，展示未通過檢查的數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)修改建議，便于修改入庫。開發(fā)的數(shù)據(jù)處理工具見圖2。

（2） 地理數(shù)據(jù)服務和可視化展示。對入庫后的地理數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)服務發(fā)布以及數(shù)據(jù)可視化的展示，提供規(guī)劃數(shù)據(jù)瀏覽、綜合查詢、地圖標繪與規(guī)劃圖打印輸出等地圖功能，以及服務管理、安全管理、系統(tǒng)監(jiān)控、日志管理等地圖服務管理功能。

（3） 空間分析。提供基礎的空間分析能力，可對規(guī)劃成果空間數(shù)據(jù)進行沖突分析，比如用地關聯(lián)分析、用地沖突檢測分析等，支持對空間分析結果進行處理，可在地圖上以柱狀圖、餅狀圖等可視化手段對空間分析結果進行展示，清晰直觀，可以Excel或Word的形式導出空間分析結果?？臻g準入分析見圖3。

（4） 規(guī)劃方案審查管理。以工作流的形式構建規(guī)劃方案審查流程，完成規(guī)劃方案從預審、審查到批復全過程的審查管理，記錄規(guī)劃方案在每個階段的審查人員、單位、時間、進度等基本信息，同時提供規(guī)劃方案的綜合查詢功能。規(guī)劃方案審查統(tǒng)計見圖4。

（5） 規(guī)劃成果檔案歸檔管理。支持對規(guī)劃成果檔案的歸檔管理，根據(jù)角色權限配置，支持具有權限的人員進行對檔案的上傳、刪除、修改、預覽以及下載等操作，支持關鍵詞檢索、全文檢索、二次檢索以及組合條件檢索，可快速完成規(guī)劃成果檔案的檢索。規(guī)劃成果檔案歸檔見圖5。

（6）規(guī)劃技術標準管理。支持對規(guī)劃技術標準的管理，根據(jù)角色權限配置，支持具有權限的人員進行規(guī)劃技術標準的上傳、刪除、修改、預覽以及下載等操作，提供多條件的綜合查詢工具，便于完成規(guī)劃技術標準的查詢。規(guī)劃技術標準檢索見圖6。

4 關鍵性技術研究

4.1 矢量切片技術實現(xiàn)動態(tài)地圖服務

由于平臺是面向中國的管控平臺，需要整合中國各省、市、縣的基礎地理、成果、規(guī)劃成果等矢量數(shù)據(jù)，同時加載大量的遙感影像數(shù)據(jù)作為底圖進行顯示，具有數(shù)據(jù)量大、范圍較廣的特點，因此能夠滿足快速的地圖展示需求極其重要[7]。為解決柵格切片技術存在的問題，平臺采用矢量切片技術，該技術具有矢量數(shù)據(jù)和柵格切片的雙重優(yōu)勢，且有數(shù)據(jù)體積更小、數(shù)據(jù)信息完整、客戶端可直接獲取屬性數(shù)據(jù)的特點。同時，樣式可以根據(jù)用戶需求進行改變和定制，且數(shù)據(jù)更新方便，具有實時性，還可根據(jù)用戶需要返回專題數(shù)據(jù)圖層，更加靈活。

然而，在實際使用過程中，大多數(shù)地圖服務的發(fā)布都以離散的數(shù)據(jù)作為來源。原因如下：①離散數(shù)據(jù)增加了數(shù)據(jù)管理的成本;②離散數(shù)據(jù)造成地圖服務不能及時動態(tài)更新。本研究采用地圖服務發(fā)布與數(shù)據(jù)庫直連，從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫與服務發(fā)布之間的動態(tài)關聯(lián)，只需改變數(shù)據(jù)庫內(nèi)的存儲記錄就可實現(xiàn)前端地圖服務的動態(tài)更新與展示，不僅提升客戶端渲染速度，也解決了對大量空間矢量數(shù)據(jù)的渲染性能限制問題，實現(xiàn)了動態(tài)地圖服務的快速更新。

4.2 空間大數(shù)據(jù)存儲與快速檢索

本研究中的水利基礎設施數(shù)據(jù)庫涉及70張表，如何實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的存儲與快速檢索是平臺設計開發(fā)過程中亟需解決的問題?；陉P系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲在需要檢索字段很多或者數(shù)據(jù)量很大的情況下，會逐行、逐字段遍歷數(shù)據(jù)庫，過程耗時過長，且難以在速度上給用戶良好的體驗感，因此，既能滿足空間大數(shù)據(jù)的存儲要求，又能達到快速檢索的需要至關重要。

本平臺從關系型數(shù)據(jù)庫的建立出發(fā)，在此基礎上研究Elastic Search基于分布式的存儲方式，從而達到大量空間數(shù)據(jù)的快速檢索。通過實踐證明：普通關系型數(shù)據(jù)庫在一定程度上能夠滿足空間大量數(shù)據(jù)的存儲要求，能夠?qū)Ａ靠臻g大數(shù)據(jù)提供存儲管理;其次，通過采用Elastic Search對分布式數(shù)據(jù)庫的擴展支持，解決海量空間數(shù)據(jù)的存儲與解析難度的問題，能夠基于關系型數(shù)據(jù)庫完成復雜的空間數(shù)據(jù)快速檢索，同時不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余。

5 結 語

本研究對水利基礎設施的管控構建了一套標準、規(guī)范和體系，對水利基礎設施數(shù)據(jù)進行了規(guī)范化入庫，并根據(jù)實際項目需要，完成了平臺的設計與開發(fā)。在平臺實際開發(fā)過程中，對空間大數(shù)據(jù)的展示與檢索問題進行了研究，采用矢量切片實現(xiàn)動態(tài)地圖服務和空間大數(shù)據(jù)存儲與快速檢索技術，實現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)范圍廣、數(shù)據(jù)量大的快速可視化和高效檢索。目前平臺已經(jīng)完成開發(fā)工作，并在使用過程中得到了不斷地改進與優(yōu)化，有助于使用單位順利開展水利空間用途管控、規(guī)劃編制審批、實施監(jiān)督管理等工作。

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（編輯：唐湘茜）

Research and design of "one map" management and control platform

construction for national water conservancy infrastructure spatial layout

GONG Liuliu1，2，3， GUAN Linjie1，2，3， YANG Kun1，2，3， LI Xiaofei1，2，3

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co. ， Ltd. ， Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Spatial Information Technology Company， Wuhan 430010， China; 3. Hubei Engineering Research Center of Hydroinformation Sensing and Big Data， Wuhan  430010， China）

Abstract：In order to effectively connect the preparation of land spatial planning， according to the actual needs of the management and control platform， we studied and established the standards， specifications and systems for the spatial layout management and control of water conservancy infrastructure， designed spatial database， and studied vector slicing technology to realize dynamic map service and spatial big data storage and rapid retrieval technology. Based on B/S architecture and employing geographic information system， database， H5 and other technologies in design and development， China-oriented unified data storage， rapid visual display， dynamic data update and rapid retrieval are realized. The study results can provide platform support for unified water conservancy spatial utilization control， planning preparation and examination-approval， and implementation of supervision and management.

Key words：water conservancy infrastructure; spatial layout planning; management and control platform; vector tile; spatial big data