韋人瑋 楊鵬 喬延軍 甘勇 劉哲

摘 要：總結水利空間信息資源整合與共享平臺的總體框架，提出完善數據模型、整合公共服務、融合開源軟件等建議，并在長江水利專題“一張圖”建設和業務融合應用中進行實踐。

關鍵詞：整合與共享;空間數據模型;公共服務;開源軟件

中圖法分類號：TV211.1;P208? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0424

空間信息是各類實體的基本屬性，也是管理決策中需要考量的重要因素。如何采集、存儲、應用空間信息，有效地支撐管理決策是信息化工作中需要解決的問題之一。相較于非空間信息，空間信息的采集、存儲和應用對基礎數據、基礎軟件（算法）以及基礎設施都有較高的要求，為建設和維護一個空間信息相關的應用，需要大量資金和人力。在谷歌地球、天地圖等空間信息共享平臺面世之前，空間信息應用通常局限于諸如測繪、勘探、國土等相關領域。這種天然的“高門檻”決定了在非測繪專業領域，分散布局的空間信息系統難以建設和維護。通過空間信息資源整合與共享平臺，整合信息資源、提供公共服務、支撐業務應用，能成為空間信息有效利用的先決條件。

1? 總體框架

水利空間信息整合與共享平臺采用主流的分層架構搭建。其總體框架由“三層兩境”構成，如圖1所示：數據層、服務層、應用層以及安全與保障環境、運行環境。

數據層按照空間數據模型對數據進行整合、組織和管理，按照數據類型可分為矢量和柵格兩大類。矢量數據按其表達的對象行業分類可分為水利對象和非水利對象，其中水利對象可進一步細分為江河湖泊、水利工程、監測站（點）和其他管理對象四類，非水利對象可按照數據生產者的分類體系進行組織。柵格數據主要包括影像、DEM、水下地形、點云數據等。

服務層主要依托數據資源為多個業務應用提供支撐。按照數據利用的類型可分為數據展現、數據分析、數據更新、數據檢索與發現四類。數據展現類服務主要滿足數據可視化需求，常見服務如切片地圖服務、動態地圖服務等;數據分析類服務滿足空間分析計算需求，常見服務如緩沖區分析、等值線計算、上下游關系計算等;數據更新類服務提供數據更新的渠道，如標注、空間要素編輯等;數據檢索與發現類服務主要服務于數據資源的檢索、發現和分發等。

應用層基于平臺服務構建，面向用戶提供業務服務，包括“一張圖（桌面版+移動版）”“一張圖”門戶、“一張圖”后臺管理系統以及多個業務應用模塊（1+1+1+N）。“一張圖（桌面版+移動版）”主要對平臺的各類資源進行綜合性的組織與呈現，便于開展綜合決策，同時提供豐富的專題服務，滿足各專業的基礎應用需求;“一張圖”門戶主要展現平臺的數據資源目錄、服務目錄，方便用戶發現和應用資源;“一張圖”后臺管理系統主要對數據、服務進行管理;業務應用模塊主要依托平臺服務搭建應用模塊，解決業務應用需求。

安全與保障環境，主要包括支撐平臺建設和運行的標準規范、管理制度，以及數據安全、應用安全、主機安全等安全保障體系。運行環境主要包括平臺運行所需的基礎軟件、計算資源、存儲資源、網絡資源、機房環境等。

2? 若干關鍵問題與技術

經過多年技術實踐和積累，水利空間信息資源整合與共享平臺在建設和迭代完善方面已經有了一套較為成熟的解決方案，但仍有許多無法標準化或者尚在快速演進的技術領域，需要在平臺建設和維護過程中予以關注。

2.1? 完善數據模型

空間數據模型用于描述如何將現實世界的地理實體、地理現象及其相互關系映射到計算機世界。空間數據模型決定了空間數據的采集、存儲和應用，是開展空間信息資源整合與共享平臺建設需要解決的基礎性問題。

水利空間數據模型領域主要采用面向對象的數據建模方法。在第一次全國水利普查中，水利部按照面向對象的方法，建立了一套較為完整的水利數據模型。該模型綜合考慮了水利對象的空間、屬性、關系以及相應元數據，有效解決了水利空間數據與屬性數據的統一組織問題，支撐了普查工作的順利開展。普查完成后，隨著成果的廣泛應用，該模型成為水利空間數據整合與共享平臺采用的基礎數據模型，對水利空間信息的整合與共享發揮了重要作用。

近年來，隨著水利行業管理需求、管理要求的變化，尤其是在支撐河湖岸線管理、河湖長制等工作過程中，該模型暴露一些不足，需要改進完善。一是水利對象需要進一步補充，尤其是水域岸線、河湖管理范圍、河湖長管理河段等。二是水利對象的空間關系表達需要進一步提升，如：考慮在對象模型基礎上建立河網模型，更好表達上下游、左右岸關系;建立線性參考模型，更好反映各類沿河流開展的線性規劃的關系等。在平臺建設和應用過程中，需要以現有模型為基礎，結合水利行業管理需求不斷優化完善。

2.2? 整合公共服務

信息技術的進步和空間信息應用的廣泛性需求，共同催生了一批公共空間信息共享平臺。這些平臺往往由測繪主管部門或互聯網頭部企業建設和維護，為社會公眾所熟知和普遍使用，針對水利行業應用具有很高的整合應用價值。一是基礎數據資源豐富、更新頻次較高，可彌補水利行業基礎數據采集能力的短板。二是平臺底層架構健壯，可提供高性能、高可靠的服務，可彌補水利行業信息化基礎設施社會化服務能力不足的短板。三是公共信息服務平臺發布的電子地圖經過了行業主管部門的審核，可較好地避免自行制作發布電子地圖帶來的政策性風險。隨著水利行業“強監管”的不斷深入，社會化應用逐步增加，行業內外數據融合應用需求愈發強烈，整合公共空間信息共享平臺資源，就顯得愈發重要。

目前主要的公共空間信息共享平臺有谷歌地球（圖）、天地圖、高德地圖、百度地圖、搜狗地圖等。這些平臺提供的服務內容主要有影像地圖、線劃地圖、地貌暈渲地圖等數據展現類服務;地名搜索、逆地理編碼、實時路況等數據檢索與發現類服務;路徑規劃等數據分析類服務，各平臺的基本情況對比如表1所示。

在實際應用過程中由于公共平臺的資源更新、系統迭代的速度較快，需要注意根據應用需求、應用范圍，從數據標準、數據質量、數據時效性等方面挑選適當的平臺服務，甚至綜合應用多個平臺的服務。

2.3? 融合開源軟件

長期以來，商業化地理信息系統產品提供成套解決方案是平臺建設的首選方案。但商業化軟件也存在許多不足，如：商業化軟件注重通用性，導致其體量往往比較龐大，帶來了較高的采購成本和運行資源消耗;對深度優化、業務功能定制開發的支持不理想;對新技術領域的跟進不及時等。開源軟件具有低成本、輕量級、擴展性高等優點，可以作為商業軟件的有益補充。隨著開源軟件社區的不斷成熟，許多領域的開源產品已足以替代商業軟件，支撐企業級應用。空間信息平臺領域常用的優秀開源軟件包括：PostgreSQL、Elasticsearch、GeoServer、Openlayers、MapBox GL等。

（1）PostgreSQL是對象關系型數據庫管理系統，跨平臺且兼容性高，支持大部分SQL標準并且支持復雜查詢、空間數據管理等特性。在空間數據管理方面，基于PostgreSQL的PostGIS擴展符合并且實現了OpenGIS的規范，相當于Oracle的spatial部分，能夠在數據庫內核完成空間操作和處理，可替代Oracle等傳統的關系數據庫管理系統，用于平臺數據層的建設。

（2）Elasticsearch是基于Lucene的分布式搜索引擎，可以提供穩定、實時、可靠的檢索服務，具有高可用、易擴展以及實時的特點，使用Java語言和Lucene作為核心來實現索引和檢索功能，提供了簡單的RESTful API，隱藏了Lucene復雜性，易于調用;支持分布式實時文件存儲、實時分析搜索、全文檢索、可擴展上百個節點。在空間數據檢索方面，能夠實現緩沖區查詢、周邊查詢，支持按照空間條件排序，響應速度快，是一個實現快速檢索空間數據的解決方案。

（3）GeoServer是基于J2EE開發且遵循OpenGISWeb規范的地圖服務管理工具，提供空間數據的更新、刪除、插入等操作;支持數據信息的實時共享，兼容Web地圖服務和要素服務;支持多種數據庫和多種空間數據格式，具有包含、相交、疊加等多種空間分析功能;內置GeoWebCache可以發布矢量切片服務，有著豐富的擴展應用。

（4）Openlayers是用于在前端繪制地圖的庫，支持地圖來源有谷歌地圖、百度地圖、天地圖等公網服務，以及符合OGC規范發布的地圖服務，支持矢量瓦片和柵格瓦片，具有良好的地圖交互效果。能夠加載自定義地圖服務，支持相交、包含、融合、疊加分析等空間計算，支持多種坐標參考系的數據展示。

（5）Mapbox GL提供了瀏覽器和移動端的開發庫，能夠渲染大量的地圖要素，擁有流暢的交互以及動畫效果，可以顯示立體地圖，使用WebGL高性能的渲染交互式矢量瓦片地圖和柵格瓦片地圖。能夠加載自定義地圖服務，支持相交、包含、融合、疊加分析等空間計算，支持多種坐標參考系的數據展示。

上述列舉的幾個開源軟件已為數據、服務、應用提供了基礎軟件支撐，構建一個完全基于開源軟件體系的平臺在技術上是可行的。同時，許多基于商業軟件構建的平臺經過多年運行，已形成了大量信息化資產，在很多細分領域商業軟件仍有不可替代之處。因此需要結合實際有機融合開源軟件，揚長避短，促進平臺的建設和完善。

3? 應用實踐

長江委網信中心2005年起開始探索建立長江水利專題“一張圖”平臺，通過平臺整合流域管理相關空間信息資源，促進空間信息技術與管理業務的深度融合。經過多年的建設和完善，目前已整合匯集了水利一張圖、天地圖、長江委自有數據資源、谷歌地圖以及Arcgis Online等5個來源，包括國家基礎空間數據、水利基礎空間數據以及水利專題空間數據等3大類70余種空間信息資源。在一張圖與水利管理業務的融合應用實踐中，逐步摸索形成了“工作基礎從圖上來、工作過程以圖協同、工作成果到圖上去”的工作思路，在長江經濟帶相關規劃、汛期險情處置技術支持、入河排污口核查、長江經濟帶資源環境數據庫、小水庫督查、流域控制斷面監督管理、長江流域取水工程設施核查登記、全國取用水專項整治行動等多項業務工作中發揮了重要的支撐作用。

（1）構建流域河網模型

上下游、左右岸，是最具水利行業特征的空間關系之一，以水利普查成果數據為基礎探索構建流域河網模型。對長江流域18 000余條河流（1～6級）的空間數據進行拓撲檢查，確保河流空間數據連通性、空間要素節點與流向一致等，并在河流連接處建立水系交點將河流分解為河段，最終形成了共計34 000余條河段的一張河網。基于河網模型，可以研究分析水利對象在上下游、左右岸方向上的關聯關系。如取水口與排污口之間的關聯影響分析，如圖2所示。

（2）基于Elasticsearch的水利對象空間檢索

空間對象檢索是使用頻率最高的服務之一。為突破檢索性能瓶頸，基于Elasticsearch搭建了水利對象的空間數據引擎。在50余萬個空間對象（涉及河流、湖泊、水庫、測站、取水口、排污口、水利工程等對象）的數據庫規模下測試，空間對象檢索速度較商業空間數據庫引擎+Oracle關系數據庫的組合提升近1 000倍。

（3）公共服務與私有服務的融合應用

在全國取用水管理專項整治工作信息化支撐保障工作中，探索了公共服務與私有服務融合應用的方式，其中，公共服務提供時效性強的電子地圖和地名服務，支撐取水工程的空間位置標繪，私有服務提供工程所在水資源分區、所在行政區劃的計算服務，控制標繪的數據質量。借助公共服務強大的網絡帶寬和計算性能，系統穩定地為16余萬家取用水戶提供了空間信息服務，在線用戶峰值達6 500人。

4? 結論

實踐證明，構建水利空間數據模型，解決行業內問題，為決策提供科學依據，整合公共空間信息共享平臺資源，減少重復建設，充分利用開源技術，有效降低建設成本，形成一套資源整合和共享的框架。以空間信息資源整合與共享為引領，開展信息化資源整合與共享，提升部門和行業的管理水平是切實可行的。

參考文獻

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