長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺的設計與實現

董安國，陳年松

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

0 引 言

2016年1月，習近平總書記在重慶召開的推動長江經濟帶發展座談會上，為長江治理開出了治本良方，提出要“共抓大保護、不搞大開發”，走“生態優先、綠色發展”之路。其中，岸線資源是實施沿江開發最具獨特的資源，不僅具備岸線利用的經濟功能，而且還具有鄰近水源和內陸腹地的獨特優勢[1]。長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺采用大數據、遙感(RS)、地理信息系統(GIS)等技術，對長江經濟帶(江蘇段)取水口、排水口、化工企業、碼頭、生態紅線、保護區、碼頭等岸線資源數據進行加工處理和空間化顯示，快速分析長江岸線資源的利用情況，直觀反映重點區域生態環境整治、修復，沿江產業布局等情況，實現對長江經濟帶(江蘇段)生態環境的信息化、空間化、可視化和大數據管理，為開展自然資源資產離任審計、評估國家環境資源政策的貫徹落實情況以及分析重大資源開發利用、保護活動提供科學決策支持[2]。

1 體系結構

本系統擬采用B/S架構，設計時采用模塊化、組件化的思想，實現軟件可配置，為系統將來的擴展預留接口。系統體系結構如圖1所示，自下而上分為：基礎設施層、數據層、服務層和應用層。

圖1 長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺體系結構圖

1.1 基礎設施層

基礎設施層是系統最基本的運行環境，主要包括網絡及通訊設施、主機服務器及存儲系統，以及操作系統和數據庫管理系統。

1.2 數據層

數據是整個系統運作的核心。在長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺建設過程中，各種基礎數據經過加工、處理、標準化、傳輸、存儲，形成平臺數據庫，為系統提供一個保障科學、高效、準確的數據環境，也為生態環境修復、整治提供數據支持。數據層主要包括以下數據庫：基礎地形數據庫、遙感影像數據庫(0.1～0.3 m分辨率和2 m分辨率)、長江經濟帶(江蘇段)專題數據庫等。

1.3 服務層

服務層通過提供應用整合服務與數據整合服務，在最大程度上解決信息共享中的“信息孤島”問題，實現最大限度地利用歷史的和現有的數據資源，并為系統高效、可靠的運行提供保障。數據服務層主要包括：地圖服務、幾何服務、要素服務、統計服務、數據輸出服務等。

1.4 應用層

長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺的GIS功能，包括漫游長江、專項數據、地圖切換、測量、圖層控制、視角書簽和工具等功能模塊。

2 關鍵技術及創新點

長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺不僅要像傳統的GIS管理平臺那樣展示分析遙感影像數據，而且需要結合三生空間數據、海事專題數據、生態環境保護數據等多種類型的數據進行多維度的分析處理，分析規則較為復雜，需要處理的數據量較大。從保證分析的準確性、實時性與使用者的便利性等角度考慮，系統主要應用了以下關鍵技術：

2.1 基于開源Vue框架的WebGIS前端構建技術

Vue是一套構建用戶界面的輕量級前端框架。由于Vue實現了MVVM分層架構，只需要將數據源與前端組件綁定，最終的頁面顯示結果就會隨著數據源的變化自動改變，因此使用它來聯動顯示地圖上的要素以及動態變化的分析統計圖有非常大的優勢。長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺采用Vue框架設計并實現了B/S模式下的GIS監測系統，具有輕便、界面友好、易操作等優勢，能夠直觀、高效、明了地提高用戶對于數據的視覺感知。平臺采用了Vue—cli構建工具生成的體系結構，將不同的業務模塊封裝到不同的component(組件)中，實現松耦合，具有易于開發的優點[3]。此外，平臺采用Vue Router調用各類業務component，通過vuex管理全局對象，采用vue-axios處理前后端之間的交互。

2.2 Leaflet地圖交互開源庫

Leaflet是一個開源JavaScript庫，它是WebGIS開發項目中廣泛使用的開源地圖庫[4]。它具有輕量級、易拓展、跨平臺、兼容性好、支持多源數據格式、功能齊全等優點，適用于開發中大型在線GIS應用。

長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺主要使用了Leaflet提供的核心Map類，通過Map地圖容器，在其中放置地圖控件、添加圖層、繪制點線面要素、添加符號、綁定事件等。Leaflet默認采用“L”作為命名空間，使用類似于JQuery的鏈式編碼風格，代碼更加精簡，并且可讀性強。此外，長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺還應用了ESRI-Leaflet API。Esri-Leaflet是ESRI針對Leaflet做的擴展，在功能方面上全線支持各種task。Esri-Leaflet類似于適配器，通過簡單的適配可以兼容ArcGIS的服務和功能。

2.3 矢量瓦片技術

矢量瓦片是一種利用協議緩沖(Protocol Buffers)技術的緊湊的二進制格式用來傳遞信息。與柵格瓦片類似，矢量瓦片也是將地理空間數據按一定的數學規則進行分級分塊切片，形成矢量數據區塊的集合，矢量瓦片的分級分塊切片原理如圖2所示。但不同的是，柵格瓦片返回給客戶端應用程序的是靜態柵格圖片，而矢量瓦片返回的是用于繪制的數據，而不是已經繪制出固定樣式的圖片，本質上依然是矢量數據，因此矢量瓦片可以保留矢量數據的全部特性，即具備了靈活性、交互性等特征。

圖2 矢量瓦片

使用矢量瓦片服務時，客戶端只會調用當前比例尺級別下視野范圍內的矢量數據，無須向服務器請求全部范圍的矢量數據，大大降低了渲染的數據量，同時分塊矢量矩陣也有利于客戶端緩存和數據重用。正是基于這樣的特性，矢量瓦片理論上具有優異的性能，使得數據的請求、傳輸和渲染更加高效。

長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺中收集了大量測繪、海事、環保部門的專題地圖，例如三生數據圖、生態紅線圖等。使用矢量瓦片提供底圖服務能不僅大大提高地圖服務的質量，并且在靈活性、交互性、預處理開銷和可移植性等方面也有很大提升。

2.4 差異圖斑提取技術

差異圖斑提取是利用不同時點的長江岸線資源地理實體通過疊加比較分析提取變化數據的過程，其本質是基于現有數據的目標匹配并從中發現區別并生成基本單元數據[5]。基本單元中任何一個對象發生變化,視為基本單元發生變化。空間目標在匹配時，可以采用地理信息表達中的語義、幾何、屬性以及拓撲等關系進行[6]。長江岸線資源大數據的差異圖斑提取可設計為邏輯一致性、屬性一致性和圖形一致性三部分，差異圖斑的對比內容如表1所示。

表1 差異圖斑比對內容

依據上述原則，我們設計自然資源資產差異圖斑的提取流程，同時使用FME軟件做差異圖斑的提取工作。FME(全稱Feature Manipulate Engine)是一套將不同GIS數據模型和要素進行整合與同構化的產品，可用于讀寫存儲和轉換各種空間數據。

2.5 主要創新點

(1)隨著用戶對Web前端的使用體驗提升,導致Web前端開發的工作量增大,代碼量增加,開發難度增大。長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺利用基于MVVM模式的輕量級響應式框架Vue.js以及Leaflet地圖庫開發,可以有效簡化Web前端開發流程,降低開發難度,提高開發效率,實現了Web系統前、后端開發完全分離,提高了系統的靈活性和可擴展性。

(2)我們改進了長江岸線資源數據處理的工藝流程，利用FME軟件的相關轉換器，對差異圖斑的提取流程進行建模，完成了差異圖斑的幾何比對和屬性比對，最終實現了不同時間節點的差異圖斑提取工作。

3 平臺實現

長江經濟帶(江蘇段)時空大數據平臺主要設置了地圖主題功能模塊、長江岸線主題功能模塊、優化產業布局主題功能模塊、生態修復主題功能模塊四大個主題功能模塊，通過大數據理念，為長江經濟帶(江蘇段)布局、管控、保護和生態環境修復提供科學決策支持。

3.1 地圖主題功能模塊

地圖主題功能模塊從整體上展示了長江(江蘇段)近20年的一張空間底圖。該模塊整合了2000—2018年長江(江蘇段)衛星和航空影像照片，以及矢量數據、長江岸線、入江干流、沿江交通等信息，覆蓋了長江在江蘇境內的433 km干流，800余千米岸線，以及沿江八個地級市，15個縣市的區域范圍，形成一套江蘇境內長江岸線動態、完整、無縫的電子底圖，以時間和空間維度，可以從宏觀、微觀角度客觀展現長江(江蘇段)地理環境全貌；同時，可通過時空對比分析，直觀展示長江(江蘇段)發展變化情況，地圖主題功能模塊中基礎地圖切換界面如圖3所示。

圖3 地圖主題功能模塊——基礎地圖切換

3.2 長江岸線主題功能模塊

長江岸線主題功能模塊融合了多行業數據，能準確反映長江岸線現狀，和沿江八市岸線資源利用情況，為長江岸線清理整治和生態改造工作提供第一手資料，長江岸線主題功能模塊中岸線資源統計界面如圖4所示。

圖4 長江岸線主題功能模塊——岸線資源統計

3.3 優化產業布局主題功能模塊

優化產業布局主題功能模塊收集整理了江蘇沿江2 km范圍3000多家工商部門登記的企業信息，并將這些企業標注在地圖上進行分類展示。用戶可以在地圖上通過點擊代表企業位置的紅點，了解企業名稱、地址、法人、注冊資本、成立日期、郵箱、電話等信息。沿江企業信息可用于輔助進行整治改造和產業布局，也可用于突發事件應急支撐。

3.4 生態修復主題功能模塊

生態修復主題功能模塊利用歷史和當前長江(江蘇段)環境對比，直觀反映近年長江(江蘇段)特別是重點區域的整治修復成果，為生態修復監測提供有效的技術支撐；同時，利用對比分析結果客觀評價整治修復進度，提升生態環境修復的監管能力。生態修復主題功能模塊中南京江北新區四屏比對界面如圖5所示。

圖5 生態修復主題功能模塊—南京江北新區四屏比對

4 結 語

當前，長江經濟帶(江蘇段)時空大數據信息平臺的建設還在如火如荼地進行當中。該平臺是基于多年高清影像地圖打造的長江岸線資源大數據管理、智能決策分析平臺，平臺中的專題數據從不同部門收集或重新采集，數據整理比較復雜，完成周期相對較長，因此平臺的建設是一個長期的過程。作為一種政府綜合管理與決策層面的信息集成、集中管理的有效手段，長江經濟帶(江蘇段)時空大數據信息平臺力求客觀反映長江這條母親河的各項健康指數，以更加統籌和精細的方式，實現長江岸線資源管理與決策的智慧化。下一步，如何推動該平臺又好又快地建設，更好的輔助政府部門的決策，是我們需要面對的問題。