长江经济带(江苏段)时空大数据平台的设计与实现

董安国，陈年松

(江苏省测绘工程院，江苏 南京 210013)

0 引 言

2016年1月，习近平总书记在重庆召开的推动长江经济带发展座谈会上，为长江治理开出了治本良方，提出要“共抓大保护、不搞大开发”，走“生态优先、绿色发展”之路。其中，岸线资源是实施沿江开发最具独特的资源，不仅具备岸线利用的经济功能，而且还具有邻近水源和内陆腹地的独特优势[1]。长江经济带(江苏段)时空大数据平台采用大数据、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)等技术，对长江经济带(江苏段)取水口、排水口、化工企业、码头、生态红线、保护区、码头等岸线资源数据进行加工处理和空间化显示，快速分析长江岸线资源的利用情况，直观反映重点区域生态环境整治、修复，沿江产业布局等情况，实现对长江经济带(江苏段)生态环境的信息化、空间化、可视化和大数据管理，为开展自然资源资产离任审计、评估国家环境资源政策的贯彻落实情况以及分析重大资源开发利用、保护活动提供科学决策支持[2]。

1 体系结构

本系统拟采用B/S架构，设计时采用模块化、组件化的思想，实现软件可配置，为系统将来的扩展预留接口。系统体系结构如图1所示，自下而上分为：基础设施层、数据层、服务层和应用层。

图1 长江经济带(江苏段)时空大数据平台体系结构图

1.1 基础设施层

基础设施层是系统最基本的运行环境，主要包括网络及通讯设施、主机服务器及存储系统，以及操作系统和数据库管理系统。

1.2 数据层

数据是整个系统运作的核心。在长江经济带(江苏段)时空大数据平台建设过程中，各种基础数据经过加工、处理、标准化、传输、存储，形成平台数据库，为系统提供一个保障科学、高效、准确的数据环境，也为生态环境修复、整治提供数据支持。数据层主要包括以下数据库：基础地形数据库、遥感影像数据库(0.1～0.3 m分辨率和2 m分辨率)、长江经济带(江苏段)专题数据库等。

1.3 服务层

服务层通过提供应用整合服务与数据整合服务，在最大程度上解决信息共享中的“信息孤岛”问题，实现最大限度地利用历史的和现有的数据资源，并为系统高效、可靠的运行提供保障。数据服务层主要包括：地图服务、几何服务、要素服务、统计服务、数据输出服务等。

1.4 应用层

长江经济带(江苏段)时空大数据平台的GIS功能，包括漫游长江、专项数据、地图切换、测量、图层控制、视角书签和工具等功能模块。

2 关键技术及创新点

长江经济带(江苏段)时空大数据平台不仅要像传统的GIS管理平台那样展示分析遥感影像数据，而且需要结合三生空间数据、海事专题数据、生态环境保护数据等多种类型的数据进行多维度的分析处理，分析规则较为复杂，需要处理的数据量较大。从保证分析的准确性、实时性与使用者的便利性等角度考虑，系统主要应用了以下关键技术：

2.1 基于开源Vue框架的WebGIS前端构建技术

Vue是一套构建用户界面的轻量级前端框架。由于Vue实现了MVVM分层架构，只需要将数据源与前端组件绑定，最终的页面显示结果就会随着数据源的变化自动改变，因此使用它来联动显示地图上的要素以及动态变化的分析统计图有非常大的优势。长江经济带(江苏段)时空大数据平台采用Vue框架设计并实现了B/S模式下的GIS监测系统，具有轻便、界面友好、易操作等优势，能够直观、高效、明了地提高用户对于数据的视觉感知。平台采用了Vue—cli构建工具生成的体系结构，将不同的业务模块封装到不同的component(组件)中，实现松耦合，具有易于开发的优点[3]。此外，平台采用Vue Router调用各类业务component，通过vuex管理全局对象，采用vue-axios处理前后端之间的交互。

2.2 Leaflet地图交互开源库

Leaflet是一个开源JavaScript库，它是WebGIS开发项目中广泛使用的开源地图库[4]。它具有轻量级、易拓展、跨平台、兼容性好、支持多源数据格式、功能齐全等优点，适用于开发中大型在线GIS应用。

长江经济带(江苏段)时空大数据平台主要使用了Leaflet提供的核心Map类，通过Map地图容器，在其中放置地图控件、添加图层、绘制点线面要素、添加符号、绑定事件等。Leaflet默认采用“L”作为命名空间，使用类似于JQuery的链式编码风格，代码更加精简，并且可读性强。此外，长江经济带(江苏段)时空大数据平台还应用了ESRI-Leaflet API。Esri-Leaflet是ESRI针对Leaflet做的扩展，在功能方面上全线支持各种task。Esri-Leaflet类似于适配器，通过简单的适配可以兼容ArcGIS的服务和功能。

2.3 矢量瓦片技术

矢量瓦片是一种利用协议缓冲(Protocol Buffers)技术的紧凑的二进制格式用来传递信息。与栅格瓦片类似，矢量瓦片也是将地理空间数据按一定的数学规则进行分级分块切片，形成矢量数据区块的集合，矢量瓦片的分级分块切片原理如图2所示。但不同的是，栅格瓦片返回给客户端应用程序的是静态栅格图片，而矢量瓦片返回的是用于绘制的数据，而不是已经绘制出固定样式的图片，本质上依然是矢量数据，因此矢量瓦片可以保留矢量数据的全部特性，即具备了灵活性、交互性等特征。

图2 矢量瓦片

使用矢量瓦片服务时，客户端只会调用当前比例尺级别下视野范围内的矢量数据，无须向服务器请求全部范围的矢量数据，大大降低了渲染的数据量，同时分块矢量矩阵也有利于客户端缓存和数据重用。正是基于这样的特性，矢量瓦片理论上具有优异的性能，使得数据的请求、传输和渲染更加高效。

长江经济带(江苏段)时空大数据平台中收集了大量测绘、海事、环保部门的专题地图，例如三生数据图、生态红线图等。使用矢量瓦片提供底图服务能不仅大大提高地图服务的质量，并且在灵活性、交互性、预处理开销和可移植性等方面也有很大提升。

2.4 差异图斑提取技术

差异图斑提取是利用不同时点的长江岸线资源地理实体通过叠加比较分析提取变化数据的过程，其本质是基于现有数据的目标匹配并从中发现区别并生成基本单元数据[5]。基本单元中任何一个对象发生变化,视为基本单元发生变化。空间目标在匹配时，可以采用地理信息表达中的语义、几何、属性以及拓扑等关系进行[6]。长江岸线资源大数据的差异图斑提取可设计为逻辑一致性、属性一致性和图形一致性三部分，差异图斑的对比内容如表1所示。

表1 差异图斑比对内容

依据上述原则，我们设计自然资源资产差异图斑的提取流程，同时使用FME软件做差异图斑的提取工作。FME(全称Feature Manipulate Engine)是一套将不同GIS数据模型和要素进行整合与同构化的产品，可用于读写存储和转换各种空间数据。

2.5 主要创新点

(1)随着用户对Web前端的使用体验提升,导致Web前端开发的工作量增大,代码量增加,开发难度增大。长江经济带(江苏段)时空大数据平台利用基于MVVM模式的轻量级响应式框架Vue.js以及Leaflet地图库开发,可以有效简化Web前端开发流程,降低开发难度,提高开发效率,实现了Web系统前、后端开发完全分离,提高了系统的灵活性和可扩展性。

(2)我们改进了长江岸线资源数据处理的工艺流程，利用FME软件的相关转换器，对差异图斑的提取流程进行建模，完成了差异图斑的几何比对和属性比对，最终实现了不同时间节点的差异图斑提取工作。

3 平台实现

长江经济带(江苏段)时空大数据平台主要设置了地图主题功能模块、长江岸线主题功能模块、优化产业布局主题功能模块、生态修复主题功能模块四大个主题功能模块，通过大数据理念，为长江经济带(江苏段)布局、管控、保护和生态环境修复提供科学决策支持。

3.1 地图主题功能模块

地图主题功能模块从整体上展示了长江(江苏段)近20年的一张空间底图。该模块整合了2000—2018年长江(江苏段)卫星和航空影像照片，以及矢量数据、长江岸线、入江干流、沿江交通等信息，覆盖了长江在江苏境内的433 km干流，800余千米岸线，以及沿江八个地级市，15个县市的区域范围，形成一套江苏境内长江岸线动态、完整、无缝的电子底图，以时间和空间维度，可以从宏观、微观角度客观展现长江(江苏段)地理环境全貌；同时，可通过时空对比分析，直观展示长江(江苏段)发展变化情况，地图主题功能模块中基础地图切换界面如图3所示。

图3 地图主题功能模块——基础地图切换

3.2 长江岸线主题功能模块

长江岸线主题功能模块融合了多行业数据，能准确反映长江岸线现状，和沿江八市岸线资源利用情况，为长江岸线清理整治和生态改造工作提供第一手资料，长江岸线主题功能模块中岸线资源统计界面如图4所示。

图4 长江岸线主题功能模块——岸线资源统计

3.3 优化产业布局主题功能模块

优化产业布局主题功能模块收集整理了江苏沿江2 km范围3000多家工商部门登记的企业信息，并将这些企业标注在地图上进行分类展示。用户可以在地图上通过点击代表企业位置的红点，了解企业名称、地址、法人、注册资本、成立日期、邮箱、电话等信息。沿江企业信息可用于辅助进行整治改造和产业布局，也可用于突发事件应急支撑。

3.4 生态修复主题功能模块

生态修复主题功能模块利用历史和当前长江(江苏段)环境对比，直观反映近年长江(江苏段)特别是重点区域的整治修复成果，为生态修复监测提供有效的技术支撑；同时，利用对比分析结果客观评价整治修复进度，提升生态环境修复的监管能力。生态修复主题功能模块中南京江北新区四屏比对界面如图5所示。

图5 生态修复主题功能模块—南京江北新区四屏比对

4 结 语

当前，长江经济带(江苏段)时空大数据信息平台的建设还在如火如荼地进行当中。该平台是基于多年高清影像地图打造的长江岸线资源大数据管理、智能决策分析平台，平台中的专题数据从不同部门收集或重新采集，数据整理比较复杂，完成周期相对较长，因此平台的建设是一个长期的过程。作为一种政府综合管理与决策层面的信息集成、集中管理的有效手段，长江经济带(江苏段)时空大数据信息平台力求客观反映长江这条母亲河的各项健康指数，以更加统筹和精细的方式，实现长江岸线资源管理与决策的智慧化。下一步，如何推动该平台又好又快地建设，更好的辅助政府部门的决策，是我们需要面对的问题。