水利空间信息资源整合与共享平台技术框架研究

韦人玮 杨鹏 乔延军 甘勇 刘哲

摘 要：总结水利空间信息资源整合与共享平台的总体框架，提出完善数据模型、整合公共服务、融合开源软件等建议，并在长江水利专题“一张图”建设和业务融合应用中进行实践。

关键词：整合与共享;空间数据模型;公共服务;开源软件

中图法分类号：TV211.1;P208       文献标志码：A           DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0424

空间信息是各类实体的基本属性，也是管理决策中需要考量的重要因素。如何采集、存储、应用空间信息，有效地支撑管理决策是信息化工作中需要解决的问题之一。相较于非空间信息，空间信息的采集、存储和应用对基础数据、基础软件（算法）以及基础设施都有较高的要求，为建设和维护一个空间信息相关的应用，需要大量资金和人力。在谷歌地球、天地图等空间信息共享平台面世之前，空间信息应用通常局限于诸如测绘、勘探、国土等相关领域。这种天然的“高门槛”决定了在非测绘专业领域，分散布局的空间信息系统难以建设和维护。通过空间信息资源整合与共享平台，整合信息资源、提供公共服务、支撑业务应用，能成为空间信息有效利用的先決条件。

1  总体框架

水利空间信息整合与共享平台采用主流的分层架构搭建。其总体框架由“三层两境”构成，如图1所示：数据层、服务层、应用层以及安全与保障环境、运行环境。

数据层按照空间数据模型对数据进行整合、组织和管理，按照数据类型可分为矢量和栅格两大类。矢量数据按其表达的对象行业分类可分为水利对象和非水利对象，其中水利对象可进一步细分为江河湖泊、水利工程、监测站（点）和其他管理对象四类，非水利对象可按照数据生产者的分类体系进行组织。栅格数据主要包括影像、DEM、水下地形、点云数据等。

服务层主要依托数据资源为多个业务应用提供支撑。按照数据利用的类型可分为数据展现、数据分析、数据更新、数据检索与发现四类。数据展现类服务主要满足数据可视化需求，常见服务如切片地图服务、动态地图服务等;数据分析类服务满足空间分析计算需求，常见服务如缓冲区分析、等值线计算、上下游关系计算等;数据更新类服务提供数据更新的渠道，如标注、空间要素编辑等;数据检索与发现类服务主要服务于数据资源的检索、发现和分发等。

应用层基于平台服务构建，面向用户提供业务服务，包括“一张图（桌面版+移动版）”“一张图”门户、“一张图”后台管理系统以及多个业务应用模块（1+1+1+N）。“一张图（桌面版+移动版）”主要对平台的各类资源进行综合性的组织与呈现，便于开展综合决策，同时提供丰富的专题服务，满足各专业的基础应用需求;“一张图”门户主要展现平台的数据资源目录、服务目录，方便用户发现和应用资源;“一张图”后台管理系统主要对数据、服务进行管理;业务应用模块主要依托平台服务搭建应用模块，解决业务应用需求。

安全与保障环境，主要包括支撑平台建设和运行的标准规范、管理制度，以及数据安全、应用安全、主机安全等安全保障体系。运行环境主要包括平台运行所需的基础软件、计算资源、存储资源、网络资源、机房环境等。

2  若干关键问题与技术

经过多年技术实践和积累，水利空间信息资源整合与共享平台在建设和迭代完善方面已经有了一套较为成熟的解决方案，但仍有许多无法标准化或者尚在快速演进的技术领域，需要在平台建设和维护过程中予以关注。

2.1  完善数据模型

空间数据模型用于描述如何将现实世界的地理实体、地理现象及其相互关系映射到计算机世界。空间数据模型决定了空间数据的采集、存储和应用，是开展空间信息资源整合与共享平台建设需要解决的基础性问题。

水利空间数据模型领域主要采用面向对象的数据建模方法。在第一次全国水利普查中，水利部按照面向对象的方法，建立了一套较为完整的水利数据模型。该模型综合考虑了水利对象的空间、属性、关系以及相应元数据，有效解决了水利空间数据与属性数据的统一组织问题，支撑了普查工作的顺利开展。普查完成后，随着成果的广泛应用，该模型成为水利空间数据整合与共享平台采用的基础数据模型，对水利空间信息的整合与共享发挥了重要作用。

近年来，随着水利行业管理需求、管理要求的变化，尤其是在支撑河湖岸线管理、河湖长制等工作过程中，该模型暴露一些不足，需要改进完善。一是水利对象需要进一步补充，尤其是水域岸线、河湖管理范围、河湖长管理河段等。二是水利对象的空间关系表达需要进一步提升，如：考虑在对象模型基础上建立河网模型，更好表达上下游、左右岸关系;建立线性参考模型，更好反映各类沿河流开展的线性规划的关系等。在平台建设和应用过程中，需要以现有模型为基础，结合水利行业管理需求不断优化完善。

2.2  整合公共服务

信息技术的进步和空间信息应用的广泛性需求，共同催生了一批公共空间信息共享平台。这些平台往往由测绘主管部门或互联网头部企业建设和维护，为社会公众所熟知和普遍使用，针对水利行业应用具有很高的整合应用价值。一是基础数据资源丰富、更新频次较高，可弥补水利行业基础数据采集能力的短板。二是平台底层架构健壮，可提供高性能、高可靠的服务，可弥补水利行业信息化基础设施社会化服务能力不足的短板。三是公共信息服务平台发布的电子地图经过了行业主管部门的审核，可较好地避免自行制作发布电子地图带来的政策性风险。随着水利行业“强监管”的不断深入，社会化应用逐步增加，行业内外数据融合应用需求愈发强烈，整合公共空间信息共享平台资源，就显得愈发重要。

目前主要的公共空间信息共享平台有谷歌地球（图）、天地图、高德地图、百度地图、搜狗地图等。这些平台提供的服务内容主要有影像地图、线划地图、地貌晕渲地图等数据展现类服务;地名搜索、逆地理编码、实时路况等数据检索与发现类服务;路径规划等数据分析类服务，各平台的基本情况对比如表1所示。

在实际应用过程中由于公共平台的资源更新、系统迭代的速度较快，需要注意根据应用需求、应用范围，从数据标准、数据质量、数据时效性等方面挑选适当的平台服务，甚至综合应用多个平台的服务。

2.3  融合开源软件

长期以来，商业化地理信息系统产品提供成套解决方案是平台建设的首选方案。但商业化软件也存在许多不足，如：商业化软件注重通用性，导致其体量往往比较庞大，带来了较高的采购成本和运行资源消耗;对深度优化、业务功能定制开发的支持不理想;对新技术领域的跟进不及时等。开源软件具有低成本、轻量级、扩展性高等优点，可以作为商业软件的有益补充。随着开源软件社区的不断成熟，许多领域的开源产品已足以替代商业软件，支撑企业级应用。空间信息平台领域常用的优秀开源软件包括：PostgreSQL、Elasticsearch、GeoServer、Openlayers、MapBox GL等。

（1）PostgreSQL是对象关系型数据库管理系统，跨平台且兼容性高，支持大部分SQL标准并且支持复杂查询、空间数据管理等特性。在空间数据管理方面，基于PostgreSQL的PostGIS扩展符合并且实现了OpenGIS的规范，相当于Oracle的spatial部分，能够在数据库内核完成空间操作和处理，可替代Oracle等传统的关系数据库管理系统，用于平台数据层的建设。

（2）Elasticsearch是基于Lucene的分布式搜索引擎，可以提供稳定、实时、可靠的检索服务，具有高可用、易扩展以及实时的特点，使用Java语言和Lucene作为核心来实现索引和检索功能，提供了简单的RESTful API，隐藏了Lucene复杂性，易于调用;支持分布式实时文件存储、实时分析搜索、全文检索、可扩展上百个节点。在空间数据检索方面，能够实现缓冲区查询、周边查询，支持按照空间条件排序，响应速度快，是一个实现快速检索空间数据的解决方案。

（3）GeoServer是基于J2EE开发且遵循OpenGISWeb规范的地图服务管理工具，提供空间数据的更新、删除、插入等操作;支持数据信息的实时共享，兼容Web地图服务和要素服务;支持多种数据库和多种空间数据格式，具有包含、相交、叠加等多种空间分析功能;内置GeoWebCache可以发布矢量切片服务，有着丰富的扩展应用。

（4）Openlayers是用于在前端绘制地图的库，支持地图来源有谷歌地图、百度地图、天地图等公网服务，以及符合OGC规范发布的地图服务，支持矢量瓦片和栅格瓦片，具有良好的地图交互效果。能够加载自定义地图服务，支持相交、包含、融合、叠加分析等空间计算，支持多种坐标参考系的数据展示。

（5）Mapbox GL提供了浏览器和移动端的开发库，能够渲染大量的地图要素，拥有流畅的交互以及动画效果，可以显示立体地图，使用WebGL高性能的渲染交互式矢量瓦片地图和栅格瓦片地图。能够加载自定义地图服务，支持相交、包含、融合、叠加分析等空间计算，支持多种坐标参考系的数据展示。

上述列举的几个开源软件已为数据、服务、应用提供了基础软件支撑，构建一个完全基于开源软件体系的平台在技术上是可行的。同时，许多基于商业软件构建的平台经过多年运行，已形成了大量信息化资产，在很多细分领域商业软件仍有不可替代之处。因此需要结合实际有机融合开源软件，扬长避短，促进平台的建设和完善。

3  应用实践

长江委网信中心2005年起开始探索建立长江水利专题“一张图”平台，通过平台整合流域管理相关空间信息资源，促进空间信息技术与管理业务的深度融合。经过多年的建设和完善，目前已整合汇集了水利一张图、天地图、长江委自有数据资源、谷歌地图以及Arcgis Online等5个来源，包括国家基础空间数据、水利基础空间数据以及水利專题空间数据等3大类70余种空间信息资源。在一张图与水利管理业务的融合应用实践中，逐步摸索形成了“工作基础从图上来、工作过程以图协同、工作成果到图上去”的工作思路，在长江经济带相关规划、汛期险情处置技术支持、入河排污口核查、长江经济带资源环境数据库、小水库督查、流域控制断面监督管理、长江流域取水工程设施核查登记、全国取用水专项整治行动等多项业务工作中发挥了重要的支撑作用。

（1）构建流域河网模型

上下游、左右岸，是最具水利行业特征的空间关系之一，以水利普查成果数据为基础探索构建流域河网模型。对长江流域18 000余条河流（1～6级）的空间数据进行拓扑检查，确保河流空间数据连通性、空间要素节点与流向一致等，并在河流连接处建立水系交点将河流分解为河段，最终形成了共计34 000余条河段的一张河网。基于河网模型，可以研究分析水利对象在上下游、左右岸方向上的关联关系。如取水口与排污口之间的关联影响分析，如图2所示。

（2）基于Elasticsearch的水利对象空间检索

空间对象检索是使用频率最高的服务之一。为突破检索性能瓶颈，基于Elasticsearch搭建了水利对象的空间数据引擎。在50余万个空间对象（涉及河流、湖泊、水库、测站、取水口、排污口、水利工程等对象）的数据库规模下测试，空间对象检索速度较商业空间数据库引擎+Oracle关系数据库的组合提升近1 000倍。

（3）公共服务与私有服务的融合应用

在全国取用水管理专项整治工作信息化支撑保障工作中，探索了公共服务与私有服务融合应用的方式，其中，公共服务提供时效性强的电子地图和地名服务，支撑取水工程的空间位置标绘，私有服务提供工程所在水资源分区、所在行政区划的计算服务，控制标绘的数据质量。借助公共服务强大的网络带宽和计算性能，系统稳定地为16余万家取用水户提供了空间信息服务，在线用户峰值达6 500人。

4  结论

实践证明，构建水利空间数据模型，解决行业内问题，为决策提供科学依据，整合公共空间信息共享平台资源，减少重复建设，充分利用开源技术，有效降低建设成本，形成一套资源整合和共享的框架。以空间信息资源整合与共享为引领，开展信息化资源整合与共享，提升部门和行业的管理水平是切实可行的。

参考文献

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[3]Michael Zeiler.Modeling Our World[M].ESRI Press，1999.