水旱災害防御一張圖共享平臺設計與建設

林斌 李興漢 趙磊

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.039

摘? 要：水旱災害防御數(shù)據(jù)具有數(shù)量大、對象多、自成體系、涉及業(yè)務類型繁雜等問題，給水旱防御數(shù)據(jù)的共享與應用工作帶來困擾。基于水旱防御業(yè)務特點，采用微服務、GIS和云計算等技術，集成水旱災害防御數(shù)據(jù)并設計研發(fā)水旱災害防御一張圖共享平臺，實現(xiàn)了多源水旱防御數(shù)據(jù)服務以及應用分析服務的共享，有效地解決了當前多源和共享應用困難等問題，為水旱災害防御工作提供了技術支撐。

關鍵字：水旱災害防御;空間數(shù)據(jù)庫;共享平臺

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：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，廣東省洪水災害頻繁且嚴重^[1]，旱災也時有發(fā)生，因此水旱災害防御任務尤其繁重。近年來，在水利信息化的大背景下，廣東省全力推進水利信息化建設，并且取得了不錯的成績^[2]。其中，在水旱災害防御方面建設了水利工程動態(tài)監(jiān)管平臺、水旱災害監(jiān)測預警平臺、水利視頻監(jiān)控應用平臺、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)在以下三個方面：（1）由于使用的技術、標準、尺度等不一致，造成水利普查、山洪災害調(diào)查評價、河湖名錄等水利基礎數(shù)據(jù)之間相互孤立，目前為止還沒有對這些數(shù)據(jù)進行集成與應用。（2）現(xiàn)有的水旱災害防御平臺只關注某個受災點的信息，比如水庫是否受災、堤防是否漫壩等，沒有在區(qū)域和流域兩個維度結合重點關注的水利工程、承災體以及重要自然資源要素等對水旱災害防御進行綜合分析，防御工作缺少全局視角。（3）目前水旱災害防御相關的平臺自成體系，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?shù)那闆r。

針對以上問題，本文通過對現(xiàn)有水旱災害防御數(shù)據(jù)資源進行整合，形成一套技術、尺度、標準統(tǒng)一的水旱災害防御基礎數(shù)據(jù)，并對成果數(shù)據(jù)與服務的共享方式進行設計。據(jù)此構建水旱災害防御一張圖共享平臺，將數(shù)據(jù)成果以標準的服務形式進行共享;支持以流域和行政區(qū)劃兩個維度對水旱災害防御基礎數(shù)據(jù)進行關聯(lián)分析及可視化表達;提供應用層面的共享服務，形成廣東省水旱災害防御一張圖共享服務體系，為水旱災害防御提供權威、全面、完整和一致的數(shù)據(jù)服務與應用服務。

1? 平臺關鍵技術設計

1.1? 設計思路

水旱災害防御數(shù)據(jù)是平臺建設的基礎，首先要明確數(shù)據(jù)資源的來源與范圍，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，形成一套水旱災害防御數(shù)據(jù)庫。在此基礎上，結合水旱災害防御工作需求與當前水旱數(shù)據(jù)服務存在的問題，對平臺的實現(xiàn)技術進行設計與選型，最終構建水旱災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

水旱災害防御相關的數(shù)據(jù)量大且碎片化嚴重、坐標系統(tǒng)各異、表現(xiàn)形式多樣、存儲結構不一。相關數(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)務特點，采用統(tǒng)一坐標系統(tǒng)和存儲結構，集成與建設了基礎空間數(shù)據(jù)、水利基礎數(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）基礎空間數(shù)據(jù)。坐標系為CGCS2000的1：10 000的最新基礎地理矢量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)以及無人機航拍數(shù)據(jù)，包括行政區(qū)劃、居民地、道路、河流、橋梁、房屋、加油站、地災點等基礎信息與承災體信息。（2）水利基礎數(shù)據(jù)。主要來源于水利普查數(shù)據(jù)、山洪災害數(shù)據(jù)、河湖名錄數(shù)據(jù)、防洪工程數(shù)據(jù)、水旱災害普查數(shù)據(jù)等，內(nèi)容包括基礎河流水系、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)測預警預報基礎設施、社會經(jīng)濟信息、防御危險區(qū)、安置點、轉移路線等信息。（3）水利專題空間數(shù)據(jù)。主要是業(yè)務應用數(shù)據(jù)，收集現(xiàn)有業(yè)務應用平臺關鍵信息，包括歷史水旱災害信息、水文監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水利工程動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

1.3? 平臺實現(xiàn)設計

1.3.1? 平臺整體架構

一張圖平臺架構在邏輯上可以分為四個層級，包括：基礎設施層、數(shù)據(jù)層、平臺服務層、業(yè)務應用接入層，如圖2所示。

具體功能為：（1）基礎設施層。基礎設施層主要是支撐平臺運行的軟硬件設施。利用云計算，采用虛擬化技術進行IT資源的統(tǒng)一整合、管理，為水利行業(yè)的業(yè)務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。存儲于空間關系型數(shù)據(jù)庫postgres和文件系統(tǒng)中。（3）平臺服務層。平臺服務層是一張圖建設的主要內(nèi)容，利用微服務、GIS、云計算等技術將數(shù)據(jù)資源以服務的形式對外共享。（4）業(yè)務應用接入層。業(yè)務應用系統(tǒng)通過平臺的統(tǒng)一鑒權與驗證，即可從平臺服務層獲取到相關的數(shù)據(jù)服務與應用服務，為水旱災害防御業(yè)務提供相應的服務內(nèi)容與安全保障。

1.3.2? 數(shù)據(jù)及服務共享設計

1.3.2.1? 服務共享內(nèi)容

根據(jù)水旱災害防御成果數(shù)據(jù)內(nèi)容與水旱災害防御的工作需要，服務共享內(nèi)容主要包括目錄服務、數(shù)據(jù)服務與分析處理服務：（1）目錄服務。描述平臺所能提供的服務信息，包括基礎數(shù)據(jù)服務內(nèi)容、地理空間數(shù)據(jù)服務內(nèi)容、專題地圖數(shù)據(jù)服務內(nèi)容、空間分析應用服務內(nèi)容及服務的元數(shù)據(jù)信息，例如功能服務的名稱、說明、分類以及共享服務的管理部門和共享調(diào)用方法等。（2）數(shù)據(jù)服務包括基礎數(shù)據(jù)服務與專題地圖服務。基礎數(shù)據(jù)服務以接口服務的形式提供融合的水旱災害防御成果數(shù)據(jù)，業(yè)務應用系統(tǒng)能夠直接獲取水利空間實體數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)服務內(nèi)容包括水利工程基礎數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)、自然資源基礎設施數(shù)據(jù)、承載體數(shù)據(jù)以及其他重要空間要素數(shù)據(jù)等。專題地圖服務按照OGC規(guī)范及測繪行業(yè)標準規(guī)范對融合后的地理空間數(shù)據(jù)進行專題地圖整編^[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，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《地理信息公共服務平臺 電子地圖數(shù)據(jù)規(guī)范》^[5]要求對地圖進行分級設置，在保證制圖效果的基礎上兼顧地圖負載量和數(shù)據(jù)跨級平滑過渡，進行不同級別下數(shù)據(jù)源的設置。3）服務發(fā)布與托管：通過ArcGIS Server或開源的GeoServer對空間數(shù)據(jù)進行地圖服務發(fā)布，遵循WMS、WFS、WMTS等規(guī)范。（3）分析處理服務：1）地理空間分析服務。遵循WPS規(guī)范對地圖基本操作功能進行封裝，實現(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。2）區(qū)域尺度要素關聯(lián)分析服務。以水旱災害防御重點關注的行政區(qū)劃和流域兩個區(qū)域維度作為要素關聯(lián)分析的空間單元，綜合分析區(qū)域范圍內(nèi)水旱災害防御重點關注對象，提供詳細的基礎要素信息、統(tǒng)計數(shù)據(jù)信息等，據(jù)此水旱災害防御工作人員能夠在較大的尺度視角上對水旱災害進行分析與評估。3）面向業(yè)務應用的定制服務。基于融合的水旱災害防御基礎數(shù)據(jù)，面向具體的水旱災害防御應用場景，例如水旱災害預警平臺、水利工程動態(tài)監(jiān)管平臺、水利汛情發(fā)布平臺等，聚合相關基礎與業(yè)務數(shù)據(jù)，定制業(yè)務化服務接口。

1.3.2.2? 服務共享流程設計

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

1.3.3? 平臺技術選型

平臺以WebGIS作為應用集成的主要手段，采用開源技術路線，構建微服務框架，實現(xiàn)前后端分離，降低系統(tǒng)耦合性。以下為具體要求：（1）服務端。使用Java語言，采用流行的Spring Boot及微服務框架搭建系統(tǒng)框架，使用jpa與jdbcTemplate對數(shù)據(jù)庫層進行連接與操作，geotools/jts開源地理空間庫進行空間數(shù)據(jù)的讀取、坐標轉換、空間數(shù)據(jù)處理、空間關系運算等，lombok簡化規(guī)范代碼，logback進行日志的規(guī)范與管理。（2）前端。采用vue進行前端頁面框架搭建，ElementUI頁面框架渲染;采用openlayers地圖框架進行地圖的加載、瀏覽、分析等操作;使用Echart開源統(tǒng)計表格框架進行統(tǒng)計數(shù)據(jù)的展示與大屏實現(xiàn)。（3）數(shù)據(jù)存儲。采用postgres+spatial extension進行屬性數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲;使用亞馬遜s3云存儲進行非結構化數(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進行地圖服務的發(fā)布與托管，消息隊列mq進行數(shù)據(jù)的交換與服務對接，alibaba-java-coding-guidelines阿里巴巴代碼規(guī)范插件控制代碼質量。

2? 平臺建設成果

基于水旱災害防御基礎數(shù)據(jù)庫以及一張圖平臺的實現(xiàn)設計，構建了水旱災害防御數(shù)據(jù)一張圖平臺。平臺主要功能包括：水旱災害防御基礎數(shù)據(jù)管理、地理空間分析模塊、區(qū)域尺度統(tǒng)計分析模塊、面向業(yè)務應用服務定制、數(shù)據(jù)資源與應用服務共享等。

（1）水旱災害防御基礎數(shù)據(jù)管理對融合后的水旱災害防御數(shù)據(jù)進行集中的管理，包括各類數(shù)據(jù)的查看、搜索、修改，同時支持相關聯(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，同時以水利業(yè)務應用為目標，組合基礎分析服務、對接融合后的水旱災害防御基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)直接面向水利業(yè)務的水利空間分析服務，方便使用者直接應用。（3）區(qū)域與流域兩維度統(tǒng)計分析模塊提供以行政區(qū)劃視角和流域視角統(tǒng)計分析功能。從行政區(qū)劃視角上來操作，用戶可以選擇某個行政區(qū)域進行統(tǒng)計分析，同時還可以下轉到下一個行政區(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點，即可追溯這個點所在的小流域及小流域對應的大流域面。通過不同的視角維度，獲取特定的地理空間范圍，即可關聯(lián)區(qū)域內(nèi)水旱災害防御重點關注的空間要素信息，包括危險區(qū)信息、涉水工程信息、社會經(jīng)濟信息、基礎設施分布信息、承災體信息等，如圖5所示。（4）面向業(yè)務應用服務定制。對某個應用業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求場景進行分析，通過調(diào)用服務目錄進行地圖服務、實體服務及分析服務的合理、自由組合配置，對接水旱災害防御基礎數(shù)據(jù)庫，無須編制代碼即可直接快速實現(xiàn)業(yè)務應用的服務定制。（5）綜合信息展示利用GIS可視化技術、專題地圖表達技術、Echart統(tǒng)計圖表展示技術、大屏展示技術等，將水旱災害防御一張圖的內(nèi)容進行綜合性展示。（6）數(shù)據(jù)資源與應用服務共享以標準的REST服務對數(shù)據(jù)資源進行封裝，定制統(tǒng)一的接口形態(tài)、響應狀態(tài)碼、訪問鑒權方式等，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)分析處理等應用服務。

3? 結? 論

本文根據(jù)水旱災害防御業(yè)務的特點，基于微服務、GIS和云計算等技術，集成建設了基礎空間數(shù)據(jù)、水利基礎數(shù)據(jù)、水利專題空間數(shù)據(jù)集，形成了一套相互關聯(lián)的水旱災害防御基礎數(shù)據(jù)庫，并在此基礎上建設了水旱災害防御一張圖共享平臺。該平臺打破了原有水旱災害防御數(shù)據(jù)分散、標準不統(tǒng)一、難以準確調(diào)用的局面，實現(xiàn)了區(qū)域和流域兩維度的水旱防御專題數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析應用，以及多源數(shù)據(jù)和應用服務的共享，形成了廣東省水旱災害防御一張圖共享服務體系，有效地解決了當前信息化建設中數(shù)出多源和共享應用困難的問題，提高了水旱災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，海南海口人，助理工程師，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

基金項目：國家自然科學基金（41401485）;廣東省重點領域研發(fā)計劃項目（2020B0101130018）