基于開源WebGIS 的三維自然資源管理平臺的設計與實現

趙棟梁 孫朝 李德元

（自然資源部第三地形測量隊，黑龍江 哈爾濱150081)

自然資源部發布的《2020 年自然資源部網絡安全與信息化工作要點》，明確了要加快自然資源三維立體“一張圖”和國土空間基礎信息平臺的建設，并將其作為了首要任務[1]。《要點》提出，按照統一的標準，推進自然資源三維立體“一張圖”建設，實現自然資源管理與服務的精準化和高效化[2]。三維立體“一張圖”場景中，利用GIS系統的統計分析能力可直觀展示自然資源組成、分類、權屬分布情況。

基于開源WebGIS 設計了以自然資源數據庫為基礎，利用圖形化、可視化、三維化等技術手段，通過對平臺建設關鍵技術的研究，開發三維自然資源管理平臺原型系統，實現對自然資源基本情況的管理與展示。

1 開源WebGIS

開源WebGIS 具有廣泛的適用性、良好的跨平臺性及開發成本低等特點，可以快速、高效、經濟的完成GIS 系統或平臺的搭建。本平臺的開發設計基于PostgreSQLPostGIS（數據庫）、Geoserver（服務器）、Cesium（客戶端）的開源WebGIS 平臺架構。

1.1 cesium

Cesium 是一套JavaScript 庫，用來渲染2D 區域地圖、2.5D 地圖、3D 地球和多種GIS 要素，不需安裝任何插件就能在支持HTML5 標準的瀏覽器上運行[3]。Cesium 使用WebGL 作為圖形渲染引擎，廣泛用于創建共享動態地理空間數據的交互式Web 應用程序。Cesium 具有強大的GIS 功能并且具有較高的可擴展性和強大的互操作性，因此平臺選用Cesium 作為三維框架。

1.2 Geoserver

Geoserver 作為WebGIS 服務器，應用廣泛，可以方便快捷地構建地理信息服務，實現空間地理信息快速發布。Geoserver 遵循OGC 開放標準的Web 服務的空間數據服務規范，通過參數可定制化的實現緩存業務可以實現WMS 瓦片緩存到文件系統當中，進而被客戶端直接使用，減少對Geoserver 服務的請求次數。

1.3 postgis

PostgreSQL 具有可靠的架構、完整的數據結構、強大的功能，可提供高性能及創新性的解決方案，具有良好的兼容性及可擴展性，可以簡單并快捷的構建項目，實現安全、可靠的存儲數據。PostGIS作為PostgreSQL 地理空間數據庫擴展程序，可以實現對空間數據的存儲、輸出、編輯、判斷空間關系以及測量等功能，并且結合PostgreSQL 的對象關系型數據庫的特性。

2 平臺設計

2.1 平臺架構

為提供多客戶端查詢瀏覽支持，平臺采用B/S 架構開發模式，以統一規劃、分層實施為原則，平臺整體技術框架分為四層，從下到上分別為設施層、數據層、服務層、應用層。自然資源管理平臺架構圖如圖1 所示。

圖1 自然資源管理平臺架構圖

2.1.1 基礎設施層

基礎設施層為自然資源管理平臺運行提供基礎支撐。基礎設施層將存儲設施、數據庫服務集群、應用服務器集群及網絡安全設施等進行布設、整合，以高性能的計算資源、大容量的存儲資源構建滿足海量自然資源信息數據的存儲的良好環境，為平臺的順利運行提供硬件保障[6]。

2.1.2 數據層

數據層主要是對數據進行整合與綜合管理，將基礎地理信息數據、地理國情監測數據、自然資源數據等空間數據按照統一的空間基準，分層進行組織存儲在PostGIS 中。通過對各類數據庫資源進行整合后，能夠實現基礎地理信息數據及自然資源專題數據的統一組織與存儲，為數據的高效應用提供了基礎。

2.1.3 服務層

服務層是支撐自然資源管理平臺各種業務應用的核心環節。通過Geoserver 進行基礎地理信息數據、自然資源專題數據等矢量數據以及地圖瓦片等柵格數據進行發布，通過WebService 開發查詢、統計分析等業務服務結構。

2.1.4 應用層

應用層主要是針對用戶的功能展現，包括三維地圖基本操作、“自然資源一張圖”模塊、專題統計及搜索模塊、遙感影像監測模塊、運維管理等模塊。其中，應用層基于Cesium 三維框架進行平臺搭建，實現自然資源數據的可視化顯示，與用戶進行交互并響應用戶的操作。

2.2 關鍵技術

2.2.1“自然資源一張圖”數據集成

將基礎地理信息數據、地理國情監測數據、自然資源數據等多源、多尺度、多時相、多格式等特性的海量空間數據有機地組織、整合成“一張圖”，必須統一空間基準、建立時空序列，利用標準的接口方式提供服務。

2.2.2 動態統計分析及展示

針對自然資源統計分析結果的動態性、可移植性等特性，采用在線地圖表達模板的形式進行統計分析展示，使平臺可針對不同類型自然資源數據基本統計分析信息，實現快速的展示與應用。使用Geoserver 中動態改變SLD 來實現這一效果，構造SLD 文件，根據需要動態修改SLD 文件里的參數，將修改好的SLD 文件加載到相關的layer 上，前端請求即可獲取自定義的展示效果。

3 平臺實現

依托“自然資源一張圖”數據集成、動態統計分析及展示等關鍵技術，通過PostGIS 空間數據引擎存儲自然資源大數據、Geoserver 服務器發布服務，Cesium 三維框架實現三維信息展示，搭建自然資源信息管理平臺原型系統，實現“自然資源一張圖”展示模塊、專題統計與搜索模塊、空間分析模塊、運維管理模塊的建設。自然資源管理平臺功能結構圖如圖1 所示。

圖2 自然資源管理平臺功能結構圖

3.1“自然資源一張圖”展示模塊

“自然資源一張圖”集成了電子地圖、遙感影像、數字高程模型、三維傾斜攝影模型、國情監測數據等基礎數據，“三區三線”管制類數據、土地調查數據、林業調查數據等專題數據等要素信息，可實現對自然資源的三維空間立體形態的準確表達及一體化管理。在三維場景中，可直觀展示自然資源空間布局，以及利用GIS 系統的統計分析能力展示自然資源組成、分類、權屬分布情況。同時該模塊包含級別控制器、距離與面積量測，地圖打印等功能。

3.2 專題統計及搜索模塊

專題統計包括專題統計與分類搜索兩部分，專題統計可根據行政區域、統計類別、展現形式進行選擇，組合出想要統計的內容，展現形式包括點狀圖、柱狀圖、散點圖、分級圖等類別。平臺三維空間場景支持三維空間查詢，支持對具體范圍內的地上、地下自然資源的統一描述，通過查詢可以一體化的展示地上下的自然資源的屬性信息，為自然資源的統計分析提供支撐。分類搜索可根據姓名、身份證號、地籍號、地址等類別進行搜索，搜索結果顯示關鍵信息并可實現定位，地圖上要素均可點擊以表格的形式顯示詳細屬性信息。

3.3 空間分析模塊

空間分析包括緩沖分析、疊置分析等功能。自然資源數據與自然保護區范圍、生態紅線范圍、基本農田保護區范圍等管制范圍或人為繪制認定的特殊管制區域范圍關系密切，對這兩大類數據進行緩沖分析、疊置分析后的結果進行對比分析，可以直觀的展現自然資源的空間布局，為自然資源的空間規劃編制提供參考。

3.4 遙感影像監測模塊

以高分辨率遙感影像為底圖，集合多期不同時相的遙感影像，對多源自然資源信息進行展示，通過時間軸、卷簾對比、多屏對比等方式直觀的展示自然資源變化情況，通過交互式判讀可以對變化的區域進行圖形編輯及屬性錄入，從而實現變化動態監測的目的。

3.5 運維管理模塊

實現用戶權限管理及平臺日志管理及平臺各項參數配置管理等，實現平臺的調度與監控，數據與產品管理的統計分析等功能。

結束語

本文在基于開源WebGIS 的基礎上進行了三維自然資源管理平臺的設計與實現進行了研究，通過平臺架構設計及關鍵技術的研究，開發了三維自然資源管理平臺原型系統，實現“自然資源一張圖”展示模塊、專題統計與搜索模塊、空間分析模塊等功能模塊的開發，為實現自然資源智慧化管理、“山水林田湖草”生命共同體管理提供了平臺支撐，同時也為同類系統、平臺的搭建提供了一定的參考。