基于开源WebGIS 的三维自然资源管理平台的设计与实现
2020-10-30赵栋梁孙朝李德元
赵栋梁 孙朝 李德元
（自然资源部第三地形测量队，黑龙江 哈尔滨150081)
自然资源部发布的《2020 年自然资源部网络安全与信息化工作要点》，明确了要加快自然资源三维立体“一张图”和国土空间基础信息平台的建设，并将其作为了首要任务[1]。《要点》提出，按照统一的标准，推进自然资源三维立体“一张图”建设，实现自然资源管理与服务的精准化和高效化[2]。三维立体“一张图”场景中，利用GIS系统的统计分析能力可直观展示自然资源组成、分类、权属分布情况。
基于开源WebGIS 设计了以自然资源数据库为基础，利用图形化、可视化、三维化等技术手段，通过对平台建设关键技术的研究，开发三维自然资源管理平台原型系统，实现对自然资源基本情况的管理与展示。
1 开源WebGIS
开源WebGIS 具有广泛的适用性、良好的跨平台性及开发成本低等特点，可以快速、高效、经济的完成GIS 系统或平台的搭建。本平台的开发设计基于PostgreSQLPostGIS（数据库）、Geoserver（服务器）、Cesium（客户端）的开源WebGIS 平台架构。
1.1 cesium
Cesium 是一套JavaScript 库，用来渲染2D 区域地图、2.5D 地图、3D 地球和多种GIS 要素，不需安装任何插件就能在支持HTML5 标准的浏览器上运行[3]。Cesium 使用WebGL 作为图形渲染引擎，广泛用于创建共享动态地理空间数据的交互式Web 应用程序。Cesium 具有强大的GIS 功能并且具有较高的可扩展性和强大的互操作性，因此平台选用Cesium 作为三维框架。
1.2 Geoserver
Geoserver 作为WebGIS 服务器，应用广泛，可以方便快捷地构建地理信息服务，实现空间地理信息快速发布。Geoserver 遵循OGC 开放标准的Web 服务的空间数据服务规范，通过参数可定制化的实现缓存业务可以实现WMS 瓦片缓存到文件系统当中，进而被客户端直接使用，减少对Geoserver 服务的请求次数。
1.3 postgis
PostgreSQL 具有可靠的架构、完整的数据结构、强大的功能，可提供高性能及创新性的解决方案，具有良好的兼容性及可扩展性，可以简单并快捷的构建项目，实现安全、可靠的存储数据。PostGIS作为PostgreSQL 地理空间数据库扩展程序，可以实现对空间数据的存储、输出、编辑、判断空间关系以及测量等功能，并且结合PostgreSQL 的对象关系型数据库的特性。
2 平台设计
2.1 平台架构
为提供多客户端查询浏览支持，平台采用B/S 架构开发模式，以统一规划、分层实施为原则，平台整体技术框架分为四层，从下到上分别为设施层、数据层、服务层、应用层。自然资源管理平台架构图如图1 所示。
图1 自然资源管理平台架构图
2.1.1 基础设施层
基础设施层为自然资源管理平台运行提供基础支撑。基础设施层将存储设施、数据库服务集群、应用服务器集群及网络安全设施等进行布设、整合，以高性能的计算资源、大容量的存储资源构建满足海量自然资源信息数据的存储的良好环境，为平台的顺利运行提供硬件保障[6]。
2.1.2 数据层
数据层主要是对数据进行整合与综合管理，将基础地理信息数据、地理国情监测数据、自然资源数据等空间数据按照统一的空间基准，分层进行组织存储在PostGIS 中。通过对各类数据库资源进行整合后，能够实现基础地理信息数据及自然资源专题数据的统一组织与存储，为数据的高效应用提供了基础。
2.1.3 服务层
服务层是支撑自然资源管理平台各种业务应用的核心环节。通过Geoserver 进行基础地理信息数据、自然资源专题数据等矢量数据以及地图瓦片等栅格数据进行发布，通过WebService 开发查询、统计分析等业务服务结构。
2.1.4 应用层
应用层主要是针对用户的功能展现，包括三维地图基本操作、“自然资源一张图”模块、专题统计及搜索模块、遥感影像监测模块、运维管理等模块。其中，应用层基于Cesium 三维框架进行平台搭建，实现自然资源数据的可视化显示，与用户进行交互并响应用户的操作。
2.2 关键技术
2.2.1“自然资源一张图”数据集成
将基础地理信息数据、地理国情监测数据、自然资源数据等多源、多尺度、多时相、多格式等特性的海量空间数据有机地组织、整合成“一张图”，必须统一空间基准、建立时空序列，利用标准的接口方式提供服务。
2.2.2 动态统计分析及展示
针对自然资源统计分析结果的动态性、可移植性等特性，采用在线地图表达模板的形式进行统计分析展示，使平台可针对不同类型自然资源数据基本统计分析信息，实现快速的展示与应用。使用Geoserver 中动态改变SLD 来实现这一效果，构造SLD 文件，根据需要动态修改SLD 文件里的参数，将修改好的SLD 文件加载到相关的layer 上，前端请求即可获取自定义的展示效果。
3 平台实现
依托“自然资源一张图”数据集成、动态统计分析及展示等关键技术，通过PostGIS 空间数据引擎存储自然资源大数据、Geoserver 服务器发布服务，Cesium 三维框架实现三维信息展示，搭建自然资源信息管理平台原型系统，实现“自然资源一张图”展示模块、专题统计与搜索模块、空间分析模块、运维管理模块的建设。自然资源管理平台功能结构图如图1 所示。
图2 自然资源管理平台功能结构图
3.1“自然资源一张图”展示模块
“自然资源一张图”集成了电子地图、遥感影像、数字高程模型、三维倾斜摄影模型、国情监测数据等基础数据，“三区三线”管制类数据、土地调查数据、林业调查数据等专题数据等要素信息，可实现对自然资源的三维空间立体形态的准确表达及一体化管理。在三维场景中，可直观展示自然资源空间布局，以及利用GIS 系统的统计分析能力展示自然资源组成、分类、权属分布情况。同时该模块包含级别控制器、距离与面积量测，地图打印等功能。
3.2 专题统计及搜索模块
专题统计包括专题统计与分类搜索两部分，专题统计可根据行政区域、统计类别、展现形式进行选择，组合出想要统计的内容，展现形式包括点状图、柱状图、散点图、分级图等类别。平台三维空间场景支持三维空间查询，支持对具体范围内的地上、地下自然资源的统一描述，通过查询可以一体化的展示地上下的自然资源的属性信息，为自然资源的统计分析提供支撑。分类搜索可根据姓名、身份证号、地籍号、地址等类别进行搜索，搜索结果显示关键信息并可实现定位，地图上要素均可点击以表格的形式显示详细属性信息。
3.3 空间分析模块
空间分析包括缓冲分析、叠置分析等功能。自然资源数据与自然保护区范围、生态红线范围、基本农田保护区范围等管制范围或人为绘制认定的特殊管制区域范围关系密切，对这两大类数据进行缓冲分析、叠置分析后的结果进行对比分析，可以直观的展现自然资源的空间布局，为自然资源的空间规划编制提供参考。
3.4 遥感影像监测模块
以高分辨率遥感影像为底图，集合多期不同时相的遥感影像，对多源自然资源信息进行展示，通过时间轴、卷帘对比、多屏对比等方式直观的展示自然资源变化情况，通过交互式判读可以对变化的区域进行图形编辑及属性录入，从而实现变化动态监测的目的。
3.5 运维管理模块
实现用户权限管理及平台日志管理及平台各项参数配置管理等，实现平台的调度与监控，数据与产品管理的统计分析等功能。
结束语
本文在基于开源WebGIS 的基础上进行了三维自然资源管理平台的设计与实现进行了研究，通过平台架构设计及关键技术的研究，开发了三维自然资源管理平台原型系统，实现“自然资源一张图”展示模块、专题统计与搜索模块、空间分析模块等功能模块的开发，为实现自然资源智慧化管理、“山水林田湖草”生命共同体管理提供了平台支撑，同时也为同类系统、平台的搭建提供了一定的参考。
