基于GIS的公路“一張圖”系統(tǒng)研究與應(yīng)用

黃碧輝 陳可新 黃偉 鄭若鹢

摘? 要：為進一步提高公路信息管理的數(shù)據(jù)可視化程度和管理水平，文章著重研究多源空間數(shù)據(jù)融合處理及可視化技術(shù)，并在考慮數(shù)據(jù)安全性和系統(tǒng)的訪問機制的基礎(chǔ)上，基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)設(shè)計研發(fā)了基于GIS的面向不同用戶、不同終端的公路“一張圖”系統(tǒng)。系統(tǒng)的實現(xiàn)規(guī)范化了公路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保障了公路數(shù)據(jù)的安全性，提高了公路數(shù)據(jù)的可視化、共享水平和政府公路部門的監(jiān)管水平。

關(guān)鍵詞：公路路網(wǎng)；一張圖；數(shù)據(jù)輕量化；可視化

中圖分類號：TP311? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）05-0136-06

Research and Application of Highway “One Map” System Based on GIS

HUANG Bihui， CHEN Kexin， HUANG Wei， ZHENG Ruoyi

（Fuzhou Polytechnic， Fuzhou? 350108， China）

Abstract： In order to further improve the data visualization and management level of highway information management， this paper focuses on the research of multi-source spatial data fusion processing and visualization technology， and on the basis of considering data security and system access mechanism， based on satellite navigation and positioning， virtual private network， geographic information system， big data and other technologies， designs and develops a GIS-based highway “one map” system for different users and different terminals. The realization of the system standardizes the highway data structure， ensures the safety of the highway data， improves the visualization and sharing level of the highway data and the supervision level of the government highway departments.

Keywords： highway network; one map; data lightweight; visualization

0? 引? 言

公路交通是國家的運輸動脈，是重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)于國家的政治、經(jīng)濟與民生。隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，公路管理局等監(jiān)管部門根據(jù)業(yè)務(wù)需求開展了信息化的建設(shè)，建設(shè)了各類的公路數(shù)據(jù)管理及業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。傳統(tǒng)的公路信息管理已經(jīng)難以滿足新時代下公路信息化對數(shù)據(jù)可視化和管理水平的要求。由于時代與技術(shù)的局限性，傳統(tǒng)公路交通信息管理系統(tǒng)在公路網(wǎng)更新維護、管理服務(wù)方面，存在著數(shù)據(jù)不全、基礎(chǔ)平臺多樣、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、缺乏統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)共享交換困難、更新機制不健全等問題，且目前其在多源基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)融合、二三維數(shù)據(jù)可視化等方面還存在諸多問題，將嚴(yán)重影響公路信息化推進進度。在新時代的新使命和新挑戰(zhàn)下，海量、多源、異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的快速敏捷集成、滿足應(yīng)用不斷變化的數(shù)據(jù)需求是公路監(jiān)管部門的主要需求。

“一張圖”以其利用GIS（Geography Information System）技術(shù)充分發(fā)揮空間數(shù)據(jù)可視化和共享性作用的優(yōu)勢，在國土資源、農(nóng)業(yè)、水利、交通等領(lǐng)域有眾多的應(yīng)用[1]。將地理信息有機地融合到同一個地圖面上，通過交互查詢和空間分析，實現(xiàn)直觀地動態(tài)監(jiān)管[2]。Sfakianaki通過基于GIS的區(qū)域道路交通安全管理系統(tǒng)研究，提升對公路的管理水平[3]；郭曉澎提出利用高分遙感技術(shù)打造高速公路基礎(chǔ)設(shè)施一張圖軟件平臺，為交通行業(yè)提供地理空間數(shù)據(jù)綜合信息服務(wù)[4]；王會娜通過省級公路“一張圖”的設(shè)計與實現(xiàn)，實現(xiàn)了全省公路業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用一套數(shù)據(jù)、一張圖的目標(biāo)[5]。然而，公路“一張圖”系統(tǒng)不但應(yīng)關(guān)注其在多源空間數(shù)據(jù)融合、可視化問題，還應(yīng)更加關(guān)注其與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合程度和整體架構(gòu)設(shè)計等方面問題。

針對上述問題，根據(jù)閩侯公路局信息化的需求，本文通過多源空間數(shù)據(jù)融合、GIS可視化等關(guān)鍵技術(shù)的研究，設(shè)計并實現(xiàn)了基于GIS的公路“一張圖”系統(tǒng)，解決空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、缺乏統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)共享交換困難、更新機制不健全等問題。系統(tǒng)利用GIS、大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)地理空間信息和公路信息的有機融合、可視化顯示，實現(xiàn)多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的融合與共享，為閩侯公路監(jiān)管部門提供公路網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)實施、運行維護、環(huán)境評估等決策支持，同時為智能導(dǎo)航、智慧旅游、戶外場景展示等領(lǐng)域應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1? 系統(tǒng)設(shè)計

1.1? 總體架構(gòu)設(shè)計

依托云平臺機房、存儲、網(wǎng)絡(luò)、安全等基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)基于GIS的公路“一張圖”系統(tǒng)，在信息安全保障體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系上，為閩侯縣公路局等部門監(jiān)管賦能。系統(tǒng)采用基于自主框架和ArcGIS平臺進行二次開發(fā)，用戶終端包含Web端和移動端。其中，Web前端采用Vue架構(gòu)，后臺服務(wù)采用Spring+Boot框架搭建，后臺服務(wù)端數(shù)據(jù)庫采用開源的PostgreSQL數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)采用云部署方式，便于用戶管理；移動端采用Android原生進行開發(fā)，離線數(shù)據(jù)庫采用SQLite數(shù)據(jù)庫，通信采用VPN專用通道為數(shù)據(jù)安全提供保障。

基于GIS的公路“一張圖”系統(tǒng)由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層、信息安全保障體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系五個層次和兩個體系構(gòu)成，系統(tǒng)總體框架圖，如圖1所示。

基礎(chǔ)支撐層：包括機房設(shè)施、存儲計算、網(wǎng)絡(luò)通信及北斗衛(wèi)星。機房建設(shè)參照GB 50174規(guī)定的B級技術(shù)進行建設(shè)；在存儲計算方面。采用SAN集中式網(wǎng)絡(luò)存儲或分布式共享存儲體系；在網(wǎng)絡(luò)通信方面，建立三個物理相對隔離的網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境，即核心網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)；北斗衛(wèi)星用于實現(xiàn)移動端的定位和通信服務(wù)。

數(shù)據(jù)層：包括在線數(shù)據(jù)和移動端離線數(shù)據(jù)，主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)資源進行處理、存儲、管理和建庫，其中，在線數(shù)據(jù)包括公路數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，離線數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和遙感地圖數(shù)據(jù)。

服務(wù)層：主要包括接口服務(wù)和地圖服務(wù)；地圖服務(wù)主要是采用ArcGIS Server進行地圖服務(wù)管理，地圖服務(wù)類型包括WMS、WFS、WMTS和GP Service服務(wù)，為系統(tǒng)地圖的數(shù)據(jù)訪問和空間分析提供服務(wù)接口。數(shù)據(jù)接口服務(wù)包含公共服務(wù)組件和業(yè)務(wù)服務(wù)組件。

應(yīng)用層：面向公路業(yè)務(wù)監(jiān)管需求，實現(xiàn)基于GIS的公路“一張圖”信息管理系統(tǒng)，功能模塊包括：地圖瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、匯總統(tǒng)計、數(shù)據(jù)編輯、地圖標(biāo)繪、巡查管理、專題圖層管理、公路比對、定位導(dǎo)航、離線數(shù)據(jù)管理、項目管理、文庫管理、權(quán)限管理和用戶管理等模塊。

表現(xiàn)層：系統(tǒng)由Web端和移動端結(jié)合使用，用戶通過設(shè)備的完成相關(guān)業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)公路項目的全過程監(jiān)管。

1.2? 技術(shù)路線

通過開展閩侯縣公路管理局對公路“一張圖”需求調(diào)研及現(xiàn)有系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的狀況分析等工作，明確了系統(tǒng)的使用對象包括公路監(jiān)管部門及巡查人員，系統(tǒng)目的實現(xiàn)對公路線路的全過程監(jiān)管，系統(tǒng)包括Web端和移動端，主要解決數(shù)據(jù)庫建設(shè)、服務(wù)制作及發(fā)布和系統(tǒng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用等問題，技術(shù)路線如圖2所示。

2? 數(shù)據(jù)建設(shè)

“一張圖”優(yōu)勢在于充分發(fā)揮GIS技術(shù)可視化和共享性，而GIS經(jīng)常被視為地理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，因此數(shù)據(jù)建設(shè)在“一張圖”系統(tǒng)建設(shè)過程中尤其重要，特別是其中的地理空間數(shù)據(jù)建設(shè)。

2.1? 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)庫主要由公路專題數(shù)據(jù)、地圖背景數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)這三個數(shù)據(jù)集組成，如圖3所示。

公路專題數(shù)據(jù)主要包括交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)和規(guī)劃路網(wǎng)數(shù)據(jù)。交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)是現(xiàn)運行的符合國家標(biāo)準(zhǔn)建檔在冊的道路，包括地鐵、鐵路、高速公路、國道、省道、縣道、鄉(xiāng)道、村道等線狀空間數(shù)據(jù)。規(guī)劃路網(wǎng)數(shù)據(jù)規(guī)劃中道路，包含在建、未建道路，主要由地鐵、鐵路、高速公路、國道、省道、縣道等線狀空間數(shù)據(jù)組成。

地圖背景數(shù)據(jù)主要由影像底圖數(shù)據(jù)和矢量底圖數(shù)據(jù)，用于精細(xì)化地圖，從各種角度展示道路的地理方位和道路與周邊環(huán)境的關(guān)系，使得道路展示更貼合實際、更具象化。影像底圖數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和在線的“天地圖”·福建影像圖，其中衛(wèi)星影像為從閩侯公路局收集的2018—2021歷年0.5米分辨率的正射影像。矢量底圖數(shù)據(jù)收集了行政區(qū)劃（面狀數(shù)據(jù)市、縣、鄉(xiāng)、村界限，點狀數(shù)據(jù)市、縣、鄉(xiāng)人民政府點、村委會）、POI興趣點、林地、基本農(nóng)田等數(shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要是公路監(jiān)管部門及公路項目監(jiān)管日常辦公產(chǎn)生數(shù)據(jù)，包括項目信息數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、上報數(shù)據(jù)、審批數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)、軌跡數(shù)據(jù)、現(xiàn)在圖片數(shù)據(jù)、相關(guān)文檔數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等。

2.2? 數(shù)據(jù)整合與融合

系統(tǒng)涉及了空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)以及圖件數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)的整合與處理，數(shù)據(jù)處理過程主要包含從預(yù)處理、數(shù)據(jù)處理兩個步驟。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)清洗、規(guī)范數(shù)據(jù)格式等處理過程，同時完善缺失的屬性信息，空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理主要是進行空間拓?fù)錂z查、屬性數(shù)據(jù)檢查，解決數(shù)據(jù)之間存在的拓?fù)溴e誤和屬性不健全等問題，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3? 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要采用開源的空間數(shù)據(jù)庫PostgreSQL，并將數(shù)據(jù)庫部署在云上數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。其中，移動端離線數(shù)據(jù)庫采用開源的SQLite實現(xiàn)，并集成到APK安裝包中。根據(jù)建庫內(nèi)容和邏輯一致性分層的方法進行數(shù)據(jù)組織、命名、定義和管理，并依此完成數(shù)據(jù)庫設(shè)計與建設(shè)。

2.4? 數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)服務(wù)包括空間數(shù)據(jù)的地圖接口服務(wù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)接口服務(wù)，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口服務(wù)，將相關(guān)地圖及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)對接到系統(tǒng)應(yīng)用中。

地圖接口服務(wù)主要由部署在云上的ArcGIS Server10.5地圖服務(wù)器提供，服務(wù)以REST API形式提供，提供的服務(wù)類型包括WFS服務(wù)、WMS服務(wù)、WMTS服務(wù)、GP服務(wù)等。其中，REST服務(wù)目錄使地圖資源以樹形目錄方式展示，方便了用戶對地圖的管理與使用。

業(yè)務(wù)接口服務(wù)用于支撐業(yè)務(wù)功能模塊的實現(xiàn)，后端服務(wù)使用通用的三層架構(gòu)，以Spring Boot+MyBatis+PostgreSQL為技術(shù)路線，Swagger UI為接口服務(wù)測試和調(diào)用技術(shù)，便于代碼維護與服務(wù)。

3? 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)主要功能模塊包括專題組地圖瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、匯總統(tǒng)計、數(shù)據(jù)編輯、地圖標(biāo)繪、巡查管理、專題圖層管理、公路比對、定位導(dǎo)航、離線數(shù)據(jù)管理、項目管理、文庫管理、權(quán)限管理和用戶管理等模塊，如表1所示。根據(jù)不同職能部門對公路管理的不同業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)針對性地研發(fā)Web端和移動端PAD兩個版本。

Web前端采用Vue框架與Element組件庫進行研發(fā)實現(xiàn)。Web端功能模塊主要側(cè)重于公路項目的監(jiān)管（在建與未建的項目情況）與總體情況分析（如匯總統(tǒng)計各類公路的數(shù)量、里程情況）。公路“一張圖”Web端部分界面，如圖4、5所示。

移動端基于Android采用ArcGIS Runtime for Android 100.11開發(fā)包進行二次開發(fā)完成。功能模塊主要側(cè)重于項目進度監(jiān)察與公路的日常巡檢問題上報等功能。公路“一張圖”移動端PAD版部分界面，如圖6、7所示。

4? 結(jié)? 論

本文通過結(jié)合GPS、GIS、VPN和大數(shù)據(jù)技術(shù)建設(shè)了閩侯縣公路“一張圖”信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)的建立，規(guī)范了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多源空間數(shù)據(jù)的融合，同時健全了數(shù)據(jù)更新機制，提高了數(shù)據(jù)的共享性和可視化能力，打通了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳遞，提升了閩侯縣公路管理部門信息化管理的工作質(zhì)量、工作效率、監(jiān)管水平和信息的公開透明度。

以此項目系統(tǒng)為基礎(chǔ)，后續(xù)可深入結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，深入打造“智慧公路”平臺，通過公路實際業(yè)務(wù)與技術(shù)的融合，將有效地降低公路交通相關(guān)的建、管、養(yǎng)、運等業(yè)務(wù)的成本，提高智慧信息化管理水平。

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作者簡介：黃碧輝（1991—），男，漢族，福建泉州人，工程師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)可視化。

收稿日期：2022-09-19

基金項目：福建省中青年教師教育科研項目（JAT210812）