基于開源框架的輕量級礦山GIS開發運行平臺的設計與應用實踐

陳漢章

摘要：WebGIS技術改變了傳統GIS應用模式，廣泛推廣于各領域。煤炭行業生產安全及運營管理與地理位置相關，且礦山生產地下地上空間位置隨時間不斷變化，因此對GIS應用需求旺盛。本文在分析開源GIS技術基礎上，提出基于開源GIS框架實現煤礦井上下多源數據及服務接入、各類礦圖快速發布展示設計方案，提供WEB端、移動端開發包，可快速構建煤礦各類應用。該GIS開發運行平臺在某大型煤炭企業調度集成監控系統中已成功實踐應用，有效解決WebGIS在礦山應用中復雜性高，成本大，針對性不強等問題。

關鍵詞：網絡地理信息系統（WebGIS）；GIS平臺；輕量級；OGC

中圖分類號：TP311.11 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0194-03

1 建設背景

隨著神華集團數字礦山逐步推廣，GIS應用需求日益旺盛。已經實施的戰略資源管理系統、數字礦山生產執行系統、數字礦山生產控制系統均結合二維GIS技術進行深入應用，目前在生產指揮調度、生產管理、應急管理、環保監測等各領域都有基于真實地理位置信息構建其業務應用需求。針對集團GIS應用，每個項目需單獨購買部署商用GIS平臺進行二次開發，商用GIS平臺采購成本高、周期較長，產品復雜度高，不能快速、靈活滿足GIS應用需求，急需輕量級GIS開發運行平臺替代商用平臺，根據集團各板塊需求快速搭建GIS應用。

在集團煤礦GIS系統應用上，已有公司結合地質、采礦等業務，圍繞制圖輔助設計，在各礦井做大量專業化系統和實施項目；礦山在地質勘查、規劃設計、建設施工、生產運營各階段所使用的制圖及GIS軟件有AutoCAD、龍軟GIS、MapGIS、ArcGIS等，數據格式也各不相同，存在數據標準不統一、數據互操作性差和數據共享困難等問題，因此需要構建統一數據標準，并在此基礎上搭建上層應用。當前神華迫切需要建立一套統一的可快速搭建新Web應用的輕量級礦山GIS開發運行平臺，替換或輔助商用GIS平臺，減少項目周期與成本，支撐數字礦山全面推廣及各業務系統逐步深入的應用需求，推進數字礦山建設，提供更高效、準確的網絡支撐地理信息服務。

2 總體框架

2.1 輕量級礦山GIS開發運行平臺系統架構（如圖1所示）

整個產品系統架構分為三層，從下往上依次是數據層、服務層和應用層。數據層是數據存儲中心，負責存儲矢量和切片數據；服務層是將底層數據發布成標準Web Service服務，并提供給應用層使用；應用層負責調用服務層提供的服務，完成各個業務功能。本項目建設內容重點在服務層，包括地圖服務發布模塊、地圖服務展示模塊、GIS組件、應用開發API和數據交換接口等。為保證程序兼容性和快速開發需求，選擇GeoServer作為地圖服務發布和管理平臺，采用瘦客戶端技術，不需要下載和安裝特殊控件，經服務器端將請求內容生成圖片發送到客戶端來顯示地圖，所有地圖生成與分析功能都放在服務器端實現，保證了圖形快速瀏覽要求，降低了對網絡帶寬要求。

地圖客戶端采用OpenLayers進行地圖服務展示，運行在Rest Web Service平臺上，采用Mush Up多源數據融合技術，能提供基本地圖漫游、圖層疊加、屬性查詢等功能，利用地圖瓦片技術實現地圖客戶端動態加載，在此基礎上封裝成標準GIS組件、高級GIS組件，同時提供應用開發API供其他應用系統調用。

2.2 系統主要功能模塊設計

輕量級礦山GIS開發運行平臺自2015年7月啟動，目前已進行了一期建設。平臺通過對基礎地理空間信息資源集中化管理，主要采用網絡系統在線共享，二次接口開發服務等方式為神華集團各個業務板塊提供基礎地理空間信息服務。該平臺主要由3個子系統模塊構成，按照實現功能目標的不同，分別是發布運行環境子系統、數據服務接入子系統和GIS應用組件子系統。系統總體功能模塊圖如下圖2所示。

2.3.1 構建二維GIS發布和運行環境

①搭建GeoServer開發測試環境，配置相應版本，將ArcSDE數據接入GeoServer。

②在GeoServer中實現空間數據快速發布，對發布好的服務進行管理，實現服務啟動、停止、暫停、更新等功能。

③對GeoServer進行配置和優化，使其并發數量和響應時間達到最優。

2.3.2 實現數據、服務接入功能

①將符合相應標準的瓦片數據、矢量數據（ESRI Shp、PostGIS）和實時數據發布成標準Web Service。

②開發相應數據接口，實現瓦片數據（CAD切片數據）、矢量數據和實時數據調用。

③使用UDig等桌面工具對空間數據配圖、渲染，并制作成符合煤炭行業需求和具有神華特色的制圖模板。

2.3.3 開發輕量級GIS應用組件

①搭建輕量級GIS應用開發框架，實現空間數據快速展示功能。構建符合神華需求的快速展示模板（Logo、顏色、樣式、字體等），加入地圖入口，使開發者用簡單的幾行代碼即可開發出地圖應用程序。

②開發標準GIS功能組件。實現包括放大、縮小、定位、平移、旋轉、全圖、測量、書簽、鷹眼圖、圖層管理、多源數據疊加顯示（瓦片圖層、矢量圖層、OGC圖層等）、縮放到圖層等功能。

③開發高級GIS功能組件。實現包括點擊查詢、關鍵字查詢、空間（點線面）查詢及標繪（點線面、任意多邊形）功能等功能。

④實現多源GIS數據瀏覽功能。能夠集成疊加展示矢量數據和切片數據，包括ESRI Shp格式數據、CAD切片數據，能夠加載OGC服務，如WMS服務、WMTS服務等。

3 系統設計與開發過程中的關鍵技術

3.1 技術路線

系統首先進行開源GIS平臺選型，本次選擇GeoServer作為服務器開源GIS平臺，而客戶端展示則選擇支持HTML5的OpenLayers作為展示平臺，符合當前IT技術發展潮流。之后將符合標準的地圖數據和服務接入到平臺中，并將其進行模板化和規范化，發布成標準的Web Service，并在此基礎上進行組件和接口封裝，使其開發粒度符合開發需求，最后將多源GIS數據進行統一集成展示，具體流程圖如下圖3所示。

3.2 技術接口說明

與底層數據的交互接口。系統位于服務層，與底層ESRI SHP數據、CAD切片數據等在統一的坐標框架體系下，通過標準OGC服務進行交互，包括WMS服務、WMTS服務等。

與上層應用系統的交互接口。系統位于服務層，與上層應用系統通過標準REST接口進行交互，客戶端和服務器的數據通過XML和JSON這2種格式進行傳輸。

本系統采用OGC標準協議，與ArcGIS產品體系完全兼容，可以結合ArcGIS產品共同使用，相互調用服務，可輔助使用ArcGIS平臺功能，逐步替換ArcGIS產品。

3.3 關鍵技術

3.3.1 OGC標準及地理參考模型

支持GIS開放和集成的一個保證就是標準。地理信息標準的制定由OGC開發，這個工作已經獲得Oracle、ESRI等GIS 軟件供應商的參與和支持。其主要的標準包括：

①WMS（Web Map Service）：柵格地理信息數據表示的標準，如GIF，PNG，JPEG 等；

②WFS（Web Feature Service）：矢量地理信息數據表示的標準，主要是 GML 格式；

③WCS（Web Coverage Service）：地理信息屬性資料表示的標準；

④CAT（Catalog Service Web）：資料庫中查詢結果表示的標準；

⑤GML（Geography Markup Language）：地圖數據標記語言的標準，以XML為基礎。同時 OGC 定義了三種地理參考信息模型：Web Map Serve（WMS）、Web Feature Server（WFS）、Web Coverage Server（WCS）。Web Map Server（WMS）可根據用戶請求返回相應的地圖，支持網絡協議HTTP，所支持的操作時由URL定義的，主要有三種操作：GetCapabilities（返回服務級元數據），GetMap（返回地圖影像），GetFeatureinfo（返回地圖要素的特征信息）。

Web Feature Server（WFS）支持對地理要素的插入、更新、刪除、檢索等服務，根據HTTP 用戶請求返回GML數據。其基礎接口是：GetCapabilities，DeseribeFeatureType，GetFeature。WFS就如桌面程序中的條件查詢功能，支持基于空間幾何關系、屬性域查詢，及二者的共同查詢。

Web Coverage Server（WCS）提供包含地理位置信息或屬性的空間柵格圖層，根據HTTP 客戶端要求發送相應數據，如影像、多光譜地圖等地理數據。WCS有二個重要操作GetCapabilities（返回一個描述服務和 XML 文檔），GetCoverag（返回覆蓋數據）。

3.3.2 GIS多源數據集成技術（Mush Up）

由于地理信息系統的圖形數據格式各異，給信息共享帶來了極大不便，解決多格式數據源集成一直是近年來GIS應用系統開發中的重要問題。本系統需加載展示的數據格式有ESRI SHP、CAD切片、OGC WMTS和WMS格式等，使用技術有：

①數據格式轉換。格式轉換是傳統GIS 數據集成方法。在這種模式下，其他數據格式經專門數據轉換程序進行格式轉換后，復制到當前系統中的數據庫或文件中。這是目前GIS系統數據集成主要辦法。

②數據互操作。數據互操作模式是OpenGIS Consortium （OGC） 制定的規范。OGC是為了發展開放式地理數據系統、研究地學空間信息標準化及處理方法的一個非盈利組織。GIS互操作是指在異構數據庫和分布計算情況下，GIS用戶在相互理解基礎上，能透明獲取所需信息。OGC為數據互操作制定了統一規范，使一個系統同時支持不同空間數據格式成為可能。

③直接數據訪問。直接數據訪問指在一個GIS軟件中實現對其他軟件數據格式的直接訪問，用戶可使用單個GIS軟件存取多種數據格式。直接數據訪問不僅避免繁瑣的數據轉換，而且在一個GIS軟件中訪問某種軟件的數據格式不要求用戶擁有該數據格式的宿主軟件，更不需要該軟件運行。直接數據訪問提供了一種更為經濟實用的多源數據集成模式。

4 平臺應用現狀及實踐

項目組在輕量級礦山GIS開發運行平臺研發完成之際，接到集團某煤礦集成監控系統開發任務，正好利用這一寶貴實踐機會，檢驗一下平臺在實際項目中的性能和表現。項目組首先認真分析了該煤礦集成監控系統項目的開發需求和建設重點，針對系統實時性和業務特點，采用輕量級礦山GIS開發運行平作為底層GIS圖形平臺，其中地圖瀏覽、地圖查詢、地圖定位等功能以服務的形式在應用框架內集成。

項目開發歷時5個多月，項目組在沒有相關開發案例的情況下，項目組成員精誠團結、群策群力，在現有開發能力基礎上進行了多項變通，克服種種困難，經過5個半月的攻關，最終順利完成了任務。目前系統已上線運行。系統的運行界面如圖4。

5 結語

輕量級礦山GIS開發運行平臺在集團某煤礦集成監控系統中的成功上線及在公司多個煤礦系統中應用，說明基于GeoServer的輕量級GIS開發運行平臺達到了初步設計標準。集團某煤礦集成監控系統依靠穩定運行、可定制可擴展、用戶體驗性好等優點，得到了用戶認可與好評。輕量級礦山GIS開發運行平臺作為一款具有自主知識產權的GIS軟件，完全可以支撐中小型地理信息系統的建設，替換或輔助商用GIS平臺，減少項目周期與成本，支撐數字礦山全面推廣及各業務系統逐步深入的應用需求，推進數字礦山建設，同時提供更高效、準確的網絡支撐地理信息服務。

參考文獻

[1]徐立新，趙蕾.開源WebGIS設計與研究[J].電腦編程技巧與維護，2012（8）.

[2]李福金，秦志偉.WebGIS開發平臺及實現技術的分析比較[J].測繪與空間地理信息，2011（4）.

[3]黃照強，馮學智.地理信息系統空間異構數據源集成研究[J].中國圖象圖形學報，2004（8）.

[4]黃向，張毅坤，房玉峰.基于WMS服務規范的Web GIS實現方法[J].山東農業大學學報（自然科學版），2007（1）.

[5]洪志遠，李成名.面向服務架構下的WebGIS開發模式探索及實踐[J].遙感信息，2012（5）.

[6]任艷蕾.eGIS1.0在車輛監控系統中的實踐與開發[J].石油工業計算機應用，2006（1）.

[7]熊小青，張豐.WebGIS 緩存中間件在輕量級地圖服務平臺中的應用研究[J].測繪與空間地理信息，2015（8）.