寧夏地質(zhì)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

馬海濤，潘進(jìn)禮，齊娟，余國良

(1.寧夏回族自治區(qū)核地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)局，寧夏 銀川 750021)

1 引 言

地質(zhì)勘查工作在國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中具有強(qiáng)烈的基礎(chǔ)性和先行性特點(diǎn)，而地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是國家組織完成地質(zhì)調(diào)查工作任務(wù)后所形成的重要地學(xué)信息資源，對(duì)保障國家資源安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害防治和支撐服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義[1]。海量地質(zhì)數(shù)據(jù)也正在從綜合管理到數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)服務(wù)，再到通過平臺(tái)提供多元化、精準(zhǔn)化服務(wù)方向轉(zhuǎn)變，地質(zhì)數(shù)據(jù)已具備大數(shù)據(jù)4V特征[2～5]。而現(xiàn)有的GIS服務(wù)體系已無法滿足地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理需求，迫切需要構(gòu)建地質(zhì)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)，以現(xiàn)代信息技術(shù)手段為抓手，全面支撐國家重大戰(zhàn)略和自然資源中心管理工作，精心服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)，同時(shí)滿足地勘業(yè)務(wù)管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、應(yīng)用系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)綜合分析加工與利用的統(tǒng)一管理要求[6]。

地質(zhì)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)旨在通過整合各類地質(zhì)數(shù)據(jù)資源、集成各類專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，來構(gòu)建地質(zhì)數(shù)據(jù)處理與共享服務(wù)信息支撐體系、地質(zhì)數(shù)據(jù)匯聚與產(chǎn)品應(yīng)用服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)采集與管理、地質(zhì)信息共享共用和業(yè)務(wù)協(xié)同管理，從而為新時(shí)期地質(zhì)事業(yè)改革及高質(zhì)量發(fā)展提供重要手段，也為政府、行業(yè)和公眾等在內(nèi)的多元主體提供多元化地質(zhì)信息服務(wù)和決策管理支持[7]。為此，基于大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計(jì)算、遙感和GIS等技術(shù)最新發(fā)展趨勢，充分發(fā)揮地質(zhì)數(shù)據(jù)資源的最大價(jià)值，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的共享共用，構(gòu)建寧夏地質(zhì)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8]。

2 平臺(tái)建設(shè)

2.1 總體設(shè)計(jì)

平臺(tái)總體部署模式為：一平臺(tái)(局級(jí))+多個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(院級(jí))，即“局級(jí)平臺(tái)院級(jí)庫”。通過建設(shè)一個(gè)集中式共享服務(wù)平臺(tái)和21個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)全局地質(zhì)數(shù)據(jù)集匯聚、采集、管理、展示和共享開放為一體的多層次服務(wù)協(xié)同管理窗口。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

以地質(zhì)數(shù)據(jù)匯聚體系為主線，以“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計(jì)算及其他信息技術(shù)為支撐，以機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能技術(shù)體系為核心，建立地質(zhì)大數(shù)據(jù)共享服務(wù)體系；以安全防護(hù)體系、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)為基礎(chǔ)，以服務(wù)體系與機(jī)制形成為保障，通過豐富地質(zhì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，面向政府、行業(yè)和公眾形成綜合的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息共享服務(wù)能力[9]。根據(jù)建設(shè)需求，平臺(tái)整體架構(gòu)如圖1所示，主要包括基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用支撐層、地質(zhì)資料數(shù)據(jù)管理層和業(yè)務(wù)展現(xiàn)層。

圖1 平臺(tái)整體架構(gòu)

2.3 技術(shù)架構(gòu)

本系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)從數(shù)據(jù)資源層、數(shù)據(jù)加工層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)訪問層、組建定制層、功能管理層和平臺(tái)接入層共7個(gè)方面進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

2.4 功能設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)平臺(tái)服務(wù)功能時(shí)，充分考慮了平臺(tái)必須具備可操作性、可擴(kuò)展性和可共享性[10，11]。平臺(tái)總體服務(wù)功能框架見圖3，主要包括集中式軟硬件環(huán)境建設(shè)、基礎(chǔ)地質(zhì)信息資源管理系統(tǒng)、地質(zhì)數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、平臺(tái)管理系統(tǒng)以及智能檢索查詢功能。

圖3 平臺(tái)總體服務(wù)功能框架

2.5 技術(shù)路線

本系統(tǒng)采用了符合SOA體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想[12]，采用組件式開發(fā)技術(shù)，通過RPC、JSON等耦合通訊方式形成完整的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，采用JDBC實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的存取，采用O-R Mapping確保公共數(shù)據(jù)庫的可擴(kuò)展性，采用JSON和Web Service作為數(shù)據(jù)發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)，采用元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)映射、原生關(guān)系型數(shù)據(jù)庫等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理[13]。

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用B/S方式，以J2EE開放標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)為基礎(chǔ)，搭載Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開發(fā)基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)，采取可重用化的模塊設(shè)計(jì)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確保系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，同時(shí)系統(tǒng)還集成了GIS技術(shù)、Redis緩存技術(shù)、RESTful API系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、輕量級(jí)Sylla框架技術(shù)、地圖緩沖區(qū)技術(shù)、bootstrap框架技術(shù)、MVC框架技術(shù)和jQuery開發(fā)等基礎(chǔ)技術(shù)。

在此基礎(chǔ)上，還從以下幾方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)：①應(yīng)用技術(shù)，主要從專題分析、動(dòng)態(tài)查詢服務(wù)、身份認(rèn)證、訪問控制等幾個(gè)角度進(jìn)行了設(shè)計(jì)；②表現(xiàn)技術(shù)，為了達(dá)到靈活、直觀、科學(xué)、生動(dòng)、易懂的效果，主要從報(bào)表、圖表、GIS等多個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)；③數(shù)據(jù)庫技術(shù)，主要采用了面向?qū)ο蟮年P(guān)系型空間數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)思想，選擇數(shù)據(jù)庫PostgreSQL[14]，其中PostGIS可以和PostgreSQL數(shù)據(jù)庫完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的一體化管理；④地理信息技術(shù)，地理信息系統(tǒng)軟件采用了GeoServer+PostGIS+天地圖系列，選擇GeoServer開源GIS服務(wù)器作為核心Server進(jìn)行開發(fā)；⑤其他關(guān)鍵技術(shù)，如數(shù)據(jù)切分(垂直切分和水平切分)、服務(wù)拆分(橫向拆分和縱向拆分)、GIS服務(wù)(自動(dòng)化發(fā)布圖層和圖層渲染)和空間服務(wù)(坐標(biāo)自動(dòng)轉(zhuǎn)換、空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和地圖要素查詢)。

2.6 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

地質(zhì)大數(shù)據(jù)體系主要包括矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、文本及圖件數(shù)據(jù)等多種形式。矢量數(shù)據(jù)以PostGreSQL物理表的形式存儲(chǔ)，影像數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、文本及圖件數(shù)據(jù)等以對(duì)象文件存儲(chǔ)。

通過采用集中管理方式進(jìn)行一體化數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，參照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，根據(jù)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行構(gòu)建。在統(tǒng)一的存儲(chǔ)框架下，建立各類數(shù)據(jù)庫集群，以滿足高并發(fā)、高吞吐的數(shù)據(jù)訪問和應(yīng)用。

本平臺(tái)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)類型主要?jiǎng)澐譃閮纱箢悾唇Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[15，16]，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)按照地質(zhì)數(shù)據(jù)的不同應(yīng)用分為以下類別，如表1所示。

表1 平臺(tái)數(shù)據(jù)類型及說明

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能

本平臺(tái)實(shí)現(xiàn)功能主要分為兩大部分：①前臺(tái)門戶，共由10個(gè)功能模塊組成，即地質(zhì)數(shù)據(jù)、成果資料、專題圖件、實(shí)物資料、應(yīng)用系統(tǒng)、項(xiàng)目管理、地質(zhì)科普、資料借閱、一張圖風(fēng)格化及空間搜索；②后臺(tái)數(shù)據(jù)，包含3部分，即后臺(tái)用戶管理、后臺(tái)數(shù)據(jù)采集和后臺(tái)數(shù)據(jù)管理。

通過開發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)功能模塊，初步實(shí)現(xiàn)了各類成果地質(zhì)資料的在線瀏覽、查詢、統(tǒng)計(jì)和共享，以及從項(xiàng)目申報(bào)至成果匯交的全鏈條式綜合服務(wù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)資料一張圖集成共享功能，同時(shí)也對(duì)系統(tǒng)的界面及各項(xiàng)菜單功能，包括后臺(tái)數(shù)據(jù)采集、上傳和管理方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和靈活定制，以達(dá)到便捷高效簡潔的操作使用目的，平臺(tái)主界面如圖4所示。

圖4 平臺(tái)主界面示意圖

4 平臺(tái)應(yīng)用服務(wù)

4.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)GIS服務(wù)

平臺(tái)展示了14個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)庫的矢量數(shù)據(jù)，將不同類型的數(shù)據(jù)庫圖層進(jìn)行統(tǒng)一的坐標(biāo)及格式規(guī)范并發(fā)布地圖服務(wù)，針對(duì)矢量數(shù)據(jù)，在服務(wù)器配置系統(tǒng)建立關(guān)鍵字段字典、屬性字段查詢和分析配置，以天地圖為底圖，通過將各種類型地質(zhì)圖層疊加，最終將瓦片數(shù)據(jù)展示在平臺(tái)界面，形成寧夏地質(zhì)“一張圖”疊加展示和查詢服務(wù)。

基于對(duì)矢量數(shù)據(jù)的空間瀏覽，以空間數(shù)據(jù)形-性結(jié)合的形式，通過屬性查詢，更為詳細(xì)、豐富地表達(dá)空間矢量數(shù)據(jù)。通過開發(fā)數(shù)據(jù)查詢檢索功能，可以對(duì)指定區(qū)域所需數(shù)據(jù)或項(xiàng)目情況進(jìn)行框選、多邊形等查詢。數(shù)據(jù)庫樹形結(jié)構(gòu)如圖5所示，鉆孔數(shù)據(jù)庫屬性查詢?nèi)鐖D6所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫樹形結(jié)構(gòu)圖

圖6 鉆孔數(shù)據(jù)庫屬性查詢

4.2 成果資料檢索服務(wù)

成果資料主要包含成果目錄和成果報(bào)告兩大部分，成果目錄只包含項(xiàng)目基本信息，不掛實(shí)體數(shù)據(jù)；成果報(bào)告既包含項(xiàng)目基本信息，也掛有實(shí)體數(shù)據(jù)(如成果報(bào)告、附圖、附件、附表及數(shù)據(jù)庫等)。

成果目錄瀏覽界面包含匯交檔號(hào)、題名、編著者、有無實(shí)體、實(shí)體數(shù)量、匯交時(shí)間等信息，同時(shí)提供關(guān)鍵字段查詢檢索及其他高級(jí)檢索功能，如圖7所示；成果報(bào)告瀏覽功能主要針對(duì)匯交項(xiàng)目中掛有實(shí)體的成果資料進(jìn)行綜合瀏覽。

圖7 成果目錄瀏覽功能示意圖

4.3 專業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)

專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)模塊主要通過門戶展示接口集成在平臺(tái)上，提供了局屬各院專業(yè)系統(tǒng)的連接，技術(shù)人員通過該連接可以訪問各院專業(yè)系統(tǒng)并獲取所需服務(wù)。

(1)多源遙感數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)：通過整合國家高分系列遙感衛(wèi)星等多源立體空間數(shù)據(jù)獲取的網(wǎng)絡(luò)通道，滿足動(dòng)態(tài)獲取覆蓋寧夏全境高分辨率空間數(shù)據(jù)的管理需求，完成海量空間數(shù)據(jù)資源庫建設(shè)，支持多源遙感數(shù)據(jù)整合獲取、管理、快速處理、智能提取、遙感解譯、應(yīng)用展示、數(shù)據(jù)共享及分發(fā)服務(wù)的高分即時(shí)服務(wù)平臺(tái)。通過高效的索引技術(shù)，提高對(duì)高分遙感數(shù)據(jù)以及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的綜合利用，提供動(dòng)態(tài)多樣化應(yīng)用服務(wù)，系統(tǒng)主要功能包括服務(wù)門戶、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)申請(qǐng)和需求申請(qǐng)等，系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 多源遙感數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)系統(tǒng)

(2)銀川都市圈地質(zhì)信息服務(wù)與決策支持系統(tǒng)：該系統(tǒng)以MapGIS10.3全空間智能GIS平臺(tái)為開發(fā)基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫、GIS、三維可視化等技術(shù)，開發(fā)建設(shè)了銀川城市地質(zhì)數(shù)據(jù)庫6項(xiàng)專題共75個(gè)屬性結(jié)構(gòu)表，完成地球化學(xué)評(píng)價(jià)分析、地下空間適應(yīng)性評(píng)價(jià)及淺層地溫能3個(gè)專題評(píng)價(jià)模塊，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示；通過多源數(shù)據(jù)耦合層狀地質(zhì)體自動(dòng)建模和其他多約束復(fù)雜地質(zhì)體交互式建模，實(shí)現(xiàn)了對(duì)銀川城市地質(zhì)多源、異構(gòu)、海量數(shù)據(jù)的全面、有效、便捷管理和地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)關(guān)系三維可視化展示，系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖9 銀川都市圈地質(zhì)信息服務(wù)與決策支持系統(tǒng)

(3)銀川都市圈地下水資料環(huán)境信息系統(tǒng)：該系統(tǒng)基于B/S模式，開發(fā)了一套面向公眾的數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)，主要內(nèi)容包括代表性成果展示、野外原位試驗(yàn)場建設(shè)情況、成果資料目錄及地下水三維展示，完成了銀川平原水文地質(zhì)空間數(shù)據(jù)庫、地下水系統(tǒng)分區(qū)空間數(shù)據(jù)庫、寧夏生態(tài)移民調(diào)查等重點(diǎn)項(xiàng)目，初步建立了查詢統(tǒng)計(jì)、地下水預(yù)警、業(yè)務(wù)分析、成果資料、資料共享、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理7個(gè)系統(tǒng)模塊，為地下水資源及地下水環(huán)境管理提供信息化處理手段，將地下水資源專業(yè)及科普性成果高效服務(wù)于水工環(huán)地質(zhì)中心工作和自治區(qū)政府重大決策部署，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供數(shù)據(jù)保障，系統(tǒng)界面如圖10所示。

圖10 銀川都市圈地下水資料環(huán)境信息系統(tǒng)

4.4 其他應(yīng)用展示服務(wù)

平臺(tái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了專題圖件瀏覽展示、實(shí)物資料(巖心巖礦)展示、地質(zhì)科普信息瀏覽、意見反饋等其他應(yīng)用服務(wù)。

5 結(jié) 論

(1)通過平臺(tái)建設(shè)，將空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了寧夏地質(zhì)數(shù)據(jù)“一張網(wǎng)”“一張圖”“一平臺(tái)”集成功能，既滿足了對(duì)空間數(shù)據(jù)的瀏覽查詢，又滿足了對(duì)成果報(bào)告、圖件等非空間數(shù)據(jù)的查詢?yōu)g覽，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的相互聯(lián)系，消除了兩類數(shù)據(jù)之間的技術(shù)鴻溝。

(2)平臺(tái)后臺(tái)采集系統(tǒng)嚴(yán)格對(duì)標(biāo)國家地質(zhì)資料館，形成了形式統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)資料采集管理的無縫對(duì)接。

(3)平臺(tái)可維護(hù)性、可擴(kuò)展性較強(qiáng)，平臺(tái)操作應(yīng)用簡潔方便，平臺(tái)后臺(tái)代碼接口充分，隨時(shí)可擴(kuò)展新內(nèi)容和功能，為平臺(tái)后期功能擴(kuò)展打下良好基礎(chǔ)。

(4)平臺(tái)集地質(zhì)專業(yè)成果與地質(zhì)科普成果于一體，形成了厚平臺(tái)，輕應(yīng)用的格局，不僅滿足公眾對(duì)專業(yè)性地質(zhì)科普知識(shí)的了解，也滿足了專業(yè)技術(shù)人員對(duì)地質(zhì)資料的查詢、借閱和共享共用。

(5)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目管理從實(shí)施到成果資料匯交全鏈條式一體化服務(wù)，使項(xiàng)目管理更加高效和規(guī)范，登錄平臺(tái)后可隨時(shí)查看項(xiàng)目進(jìn)度及開展情況，實(shí)現(xiàn)了地勘報(bào)表在線化填報(bào)及審核，提高了工作效率。

(6)平臺(tái)集成了特色化專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，“銀川都市圈地下水資源環(huán)境信息系統(tǒng)”和“銀川都市圈城市地質(zhì)信息服務(wù)和決策支持系統(tǒng)”為銀川水資源和城市地質(zhì)提供專業(yè)支撐服務(wù)，借助應(yīng)用系統(tǒng)，可以及時(shí)掌握地下水資源開發(fā)利用情況，通過模塊分析，能及時(shí)掌握城市建設(shè)發(fā)展過程中出現(xiàn)的影響人類居住和生活的地質(zhì)問題，如地下管網(wǎng)建設(shè)、土壤污染、地面沉降等，能及時(shí)預(yù)警并提出合理化對(duì)策與建議，更好地促進(jìn)城市健康穩(wěn)定發(fā)展。