水旱灾害防御一张图共享平台设计与建设

林斌 李兴汉 赵磊

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.08.039

摘  要：水旱灾害防御数据具有数量大、对象多、自成体系、涉及业务类型繁杂等问题，给水旱防御数据的共享与应用工作带来困扰。基于水旱防御业务特点，采用微服务、GIS和云计算等技术，集成水旱灾害防御数据并设计研发水旱灾害防御一张图共享平台，实现了多源水旱防御数据服务以及应用分析服务的共享，有效地解决了当前多源和共享应用困难等问题，为水旱灾害防御工作提供了技术支撑。

关键字：水旱灾害防御;空间数据库;共享平台

中图分类号：TP311      文献标识码：A    文章编号：2096-4706（2021）08-0138-04

Design and Construction of a Picture Sharing Platform for Flood and

Drought Disaster Prevention

LIN Bin，LI Xinghan，ZHAO Lei

（Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangzhou  510635，China）

Abstract：Flood and drought disaster prevention data has problems such as large quantity，multiple objects，self-contained systems，and complicated business types involved，which cause difficulties for the sharing and application of flood and drought prevention data. Based on the characteristics of the flood and drought prevention business，uses technologies such as microservices，GIS and cloud computing，integrated flood and drought disaster prevention data and designs and develops a picture sharing platform for flood and drought disaster prevention，realizes the sharing of multi-source flood and drought prevention data service and application analysis service，effectively solves the problems that have difficulties in multi-source and sharing application at present，and provides technical support for flood and drought disaster prevention work.

Keywords：flood and drought disaster prevention;spatial database;sharing platform

0  引  言

由于特定的地理位置、地形地貌及氣候因素影响，广东省洪水灾害频繁且严重^[1]，旱灾也时有发生，因此水旱灾害防御任务尤其繁重。近年来，在水利信息化的大背景下，广东省全力推进水利信息化建设，并且取得了不错的成绩^[2]。其中，在水旱灾害防御方面建设了水利工程动态监管平台、水旱灾害监测预警平台、水利视频监控应用平台、水利汛情发布平台等，但是这些成果与广东省水利信息化发展的形势及新要求相比仍存在不足，突出表现在以下三个方面：（1）由于使用的技术、标准、尺度等不一致，造成水利普查、山洪灾害调查评价、河湖名录等水利基础数据之间相互孤立，目前为止还没有对这些数据进行集成与应用。（2）现有的水旱灾害防御平台只关注某个受灾点的信息，比如水库是否受灾、堤防是否漫坝等，没有在区域和流域两个维度结合重点关注的水利工程、承灾体以及重要自然资源要素等对水旱灾害防御进行综合分析，防御工作缺少全局视角。（3）目前水旱灾害防御相关的平台自成体系，数据间无法有效共享，很多信息存在一数多源、数据不一致甚至是数据使用不恰当的情况。

针对以上问题，本文通过对现有水旱灾害防御数据资源进行整合，形成一套技术、尺度、标准统一的水旱灾害防御基础数据，并对成果数据与服务的共享方式进行设计。据此构建水旱灾害防御一张图共享平台，将数据成果以标准的服务形式进行共享;支持以流域和行政区划两个维度对水旱灾害防御基础数据进行关联分析及可视化表达;提供应用层面的共享服务，形成广东省水旱灾害防御一张图共享服务体系，为水旱灾害防御提供权威、全面、完整和一致的数据服务与应用服务。

1  平台关键技术设计

1.1  设计思路

水旱灾害防御数据是平台建设的基础，首先要明确数据资源的来源与范围，并对数据进行分析处理，形成一套水旱灾害防御数据库。在此基础上，结合水旱灾害防御工作需求与当前水旱数据服务存在的问题，对平台的实现技术进行设计与选型，最终构建水旱灾害防御一张图共享平台，如图1所示。

1.2  水旱防御空间数据集建设

水旱灾害防御相关的数据量大且碎片化严重、坐标系统各异、表现形式多样、存储结构不一。相关数据格式包括shp、excel、word、tiff、mdb、rdb、多媒体等。为了更好地支撑防御工作，本文根据防御业务特点，采用统一坐标系统和存储结构，集成与建设了基础空间数据、水利基础数据、水利专题空间数据三大类水旱防御空间数据集：（1）基础空间数据。坐标系为CGCS2000的1：10 000的最新基础地理矢量数据、遥感影像数据以及无人机航拍数据，包括行政区划、居民地、道路、河流、桥梁、房屋、加油站、地灾点等基础信息与承灾体信息。（2）水利基础数据。主要来源于水利普查数据、山洪灾害数据、河湖名录数据、防洪工程数据、水旱灾害普查数据等，内容包括基础河流水系、流域面数据、防洪工程、堤防断面、山洪防治区涉水工程、监测预警预报基础设施、社会经济信息、防御危险区、安置点、转移路线等信息。（3）水利专题空间数据。主要是业务应用数据，收集现有业务应用平台关键信息，包括历史水旱灾害信息、水文监测数据、气象数据、水利工程动态监测数据等。

1.3  平台实现设计

1.3.1  平台整体架构

一张图平台架构在逻辑上可以分为四个层级，包括：基础设施层、数据层、平台服务层、业务应用接入层，如图2所示。

具体功能为：（1）基础设施层。基础设施层主要是支撑平台运行的软硬件设施。利用云计算，采用虚拟化技术进行IT资源的统一整合、管理，为水利行业的业务用户提供云端宿主的工作环境^[3]。（2）数据层。数据层是一张图平台的核心内容，是经过水利数据资源整合后的成果。存储于空间关系型数据库postgres和文件系统中。（3）平台服务层。平台服务层是一张图建设的主要内容，利用微服务、GIS、云计算等技术将数据资源以服务的形式对外共享。（4）业务应用接入层。业务应用系统通过平台的统一鉴权与验证，即可从平台服务层获取到相关的数据服务与应用服务，为水旱灾害防御业务提供相应的服务内容与安全保障。

1.3.2  数据及服务共享设计

1.3.2.1  服务共享内容

根据水旱灾害防御成果数据内容与水旱灾害防御的工作需要，服务共享内容主要包括目录服务、数据服务与分析处理服务：（1）目录服务。描述平台所能提供的服务信息，包括基础数据服务内容、地理空间数据服务内容、专题地图数据服务内容、空间分析应用服务内容及服务的元数据信息，例如功能服务的名称、说明、分类以及共享服务的管理部门和共享调用方法等。（2）数据服务包括基础数据服务与专题地图服务。基础数据服务以接口服务的形式提供融合的水旱灾害防御成果数据，业务应用系统能够直接获取水利空间实体数据，其数据服務内容包括水利工程基础数据、社会经济统计数据、自然资源基础设施数据、承载体数据以及其他重要空间要素数据等。专题地图服务按照OGC规范及测绘行业标准规范对融合后的地理空间数据进行专题地图整编^[4]。具体内容包括：1）地图符号化：以SL 73.7-2013《防汛抗旱用图图式》和GB/T 20257.3-2017《国家基本比例尺地图图式 第3部分：1：25 000 1：50 000 1：100 000地形图图式》为基础，根据不同的水利空间要素制作多比例尺下的电子地图符号库。2）地图分级：按照CH/Z 9011-2011《地理信息公共服务平台 电子地图数据规范》^[5]要求对地图进行分级设置，在保证制图效果的基础上兼顾地图负载量和数据跨级平滑过渡，进行不同级别下数据源的设置。3）服务发布与托管：通过ArcGIS Server或开源的GeoServer对空间数据进行地图服务发布，遵循WMS、WFS、WMTS等规范。（3）分析处理服务：1）地理空间分析服务。遵循WPS规范对地图基本操作功能进行封装，实现地图量算、缓冲区分析、范围分析、路径规划等常用的GIS空间分析服务。2）区域尺度要素关联分析服务。以水旱灾害防御重点关注的行政区划和流域两个区域维度作为要素关联分析的空间单元，综合分析区域范围内水旱灾害防御重点关注对象，提供详细的基础要素信息、统计数据信息等，据此水旱灾害防御工作人员能够在较大的尺度视角上对水旱灾害进行分析与评估。3）面向业务应用的定制服务。基于融合的水旱灾害防御基础数据，面向具体的水旱灾害防御应用场景，例如水旱灾害预警平台、水利工程动态监管平台、水利汛情发布平台等，聚合相关基础与业务数据，定制业务化服务接口。

1.3.2.2  服务共享流程设计

服务调用方通过统一的登录验证服务，获取到访问平台服务的凭证token，带着token访问平台的目录服务，根据目录服务的内容获取到自己业务需求的服务信息，按照服务信息中的元数据内容构建服务请求，发起服务请求，最终获取到服务成果。其中服务调用方每次对服务的访问都需要经过服务拦截层，主要是对服务访问的合法性进行校验，包括登录验证、服务访问频次控制、是否服务请求量控制等，确保平台服务的安全。服务共享流程如图3所示。

1.3.3  平台技术选型

平台以WebGIS作为应用集成的主要手段，采用开源技术路线，构建微服务框架，实现前后端分离，降低系统耦合性。以下为具体要求：（1）服务端。使用Java语言，采用流行的Spring Boot及微服务框架搭建系统框架，使用jpa与jdbcTemplate对数据库层进行连接与操作，geotools/jts开源地理空间库进行空间数据的读取、坐标转换、空间数据处理、空间关系运算等，lombok简化规范代码，logback进行日志的规范与管理。（2）前端。采用vue进行前端页面框架搭建，ElementUI页面框架渲染;采用openlayers地图框架进行地图的加载、浏览、分析等操作;使用Echart开源统计表格框架进行统计数据的展示与大屏实现。（3）数据存储。采用postgres+spatial extension进行属性数据与空间数据的统一存储;使用亚马逊s3云存储进行非结构化数据存储，例如影像数据、视频数据、图片数据、文本数据等。（4）中间件。采用GeoServer进行地图服务的发布与托管，消息队列mq进行数据的交换与服务对接，alibaba-java-coding-guidelines阿里巴巴代码规范插件控制代码质量。

2  平台建设成果

基于水旱灾害防御基础数据库以及一张图平台的实现设计，构建了水旱灾害防御数据一张图平台。平台主要功能包括：水旱灾害防御基础数据管理、地理空间分析模块、区域尺度统计分析模块、面向业务应用服务定制、数据资源与应用服务共享等。

（1）水旱灾害防御基础数据管理对融合后的水旱灾害防御数据进行集中的管理，包括各类数据的查看、搜索、修改，同时支持相关联要素的查找，如图4所示。（2）地理空间分析模块遵循WPS规范利用GIS空间分析技术，同时以水利业务应用为目标，组合基础分析服务、对接融合后的水旱灾害防御基础数据，实现直接面向水利业务的水利空间分析服务，方便使用者直接应用。（3）区域与流域两维度统计分析模块提供以行政区划视角和流域视角统计分析功能。从行政区划视角上来操作，用户可以选择某个行政区域进行统计分析，同时还可以下转到下一个行政区划等级的行政区;从流域的视角上来操作，用户选择地图上某个点，即可追溯这个点所在的小流域及小流域对应的大流域面。通过不同的视角维度，获取特定的地理空间范围，即可关联区域内水旱灾害防御重点关注的空间要素信息，包括危险区信息、涉水工程信息、社会经济信息、基础设施分布信息、承灾体信息等，如图5所示。（4）面向业务应用服务定制。对某个应用业务系统的数据需求场景进行分析，通过调用服务目录进行地图服务、实体服务及分析服務的合理、自由组合配置，对接水旱灾害防御基础数据库，无须编制代码即可直接快速实现业务应用的服务定制。（5）综合信息展示利用GIS可视化技术、专题地图表达技术、Echart统计图表展示技术、大屏展示技术等，将水旱灾害防御一张图的内容进行综合性展示。（6）数据资源与应用服务共享以标准的REST服务对数据资源进行封装，定制统一的接口形态、响应状态码、访问鉴权方式等，提供数据的上传下载、数据资源的调用、数据的订阅推送以及数据分析处理等应用服务。

3  结  论

本文根据水旱灾害防御业务的特点，基于微服务、GIS和云计算等技术，集成建设了基础空间数据、水利基础数据、水利专题空间数据集，形成了一套相互关联的水旱灾害防御基础数据库，并在此基础上建设了水旱灾害防御一张图共享平台。该平台打破了原有水旱灾害防御数据分散、标准不统一、难以准确调用的局面，实现了区域和流域两维度的水旱防御专题数据统计分析应用，以及多源数据和应用服务的共享，形成了广东省水旱灾害防御一张图共享服务体系，有效地解决了当前信息化建设中数出多源和共享应用困难的问题，提高了水旱灾害防御治理与管理的工作水平和协同能力。

参考文献：

[1] 杨国华，周永章.广东省水旱灾害风险分析与农业可持续发展 [J].灾害学，2005，20（3）：16-20.

[2] 王战友，李观义.广东省“互联网+现代水利”总体框架与关键内容 [J].水利信息化，2018（1）：53-58.

[3] 刘方，谢艾玲.安徽省水利“一张图”建设探讨 [J].长江技术经济，2020，4（4）：86-90.

[4] 张勇进，章美林.政务信息系统整合共享：历程、经验与方向 [J].中国行政管理，2018（3）：22-26.

[5] 国家测绘地理信息局.地理信息公共服务平台 电子地图数据规范：CH/Z 9011-2011 [S].北京：测绘出版社，2011.

作者简介：林斌（1986—），男，汉族，海南海口人，助理工程师，硕士，研究方向：地理信息系统、水利信息化;李兴汉（1990—），男，汉族，广东湛江人，工程师，本科，研究方向：软件开发、水利信息化;赵磊（1997—），男，汉族，陕西宝鸡人，助理工程师，本科，研究方向：地理信息系统，水利信息化。

收稿日期：2021-03-20

基金项目：国家自然科学基金（41401485）;广东省重点领域研发计划项目（2020B0101130018）