水利基础设施空间布局“一张图”管控平台建设研究与设计

宫留留 管林杰 杨坤 李晓飞

摘要：为有效衔接国土空间规划编制，根据管控平台实际需要，研究并建立了水利基础设施空间布局管控的标准、规范和体系，完成了空间数据库的设计，并研究了矢量切片技术实现动态地图服务和空间大数据存储与快速检索技术。该平台采用了B/S架构，利用地理信息系统、数据库、H5等技术设计并开发，实现了面向全国的统一数据存储、快速可视化展示、数据动态更新及快速检索等功能。研究成果可为统一水利空间用途管控、规划编制审批、实施监督管理提供平台支撑。

关键词：水利基础设施; 空间布局规划; 管控平台; 矢量切片; 空间大数据

中图法分类号：TV212 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.017

文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0092 - 05

0 引 言

为贯彻落实国家对水利空间规划编制的要求，2019年10月9日，水利部在北京组织召开“水利基础设施空间规划”专题会议，会上提出了2020年要基本完成中国、流域、省级水利基础设施空间布局规划编制，并做好与国土空间总体规划的衔接。以划定涉水生态空间、优化水利基础设施总体布局、推进水生态系统保护和修复为重点，将重要涉水生态空间与水利基础设施空间布局落到国土空间“一张图”上，依托“一张图”管控平台，落实涉水空间协调与管控措施要求[1]。

目前，国土空间规划由自然资源部统一规划部署，经过近年来的建设，自上而下地完成了国土空间基础信息平台和”一张图“实施监督信息系统的建设，整合了各类国土空间基础数据，形成了覆盖中国、上下贯通、动态更新的国土空间规划“一张图”。水利空间规划由水利部统一牵头，系统建设起步较晚，目前也存在部分平台设计方案，如由姚志武等[2]设计的国土空间规划下水利基础设施信息管理平台。但是，大多数平台在面向中国范围的管控设计方面存在不足。① 平台对C/S端系统进行设计，系统扩展性差，不能满足快速访问的需求;② 对中国范围的统一管控考虑略有不足，不能满足当下要求。因此，本研究围绕中国水利基础设施标准规范体系建设、数据存储与数据库建设、应用支撑服务平台及业务应用等，设计、开发了面向中国的水利基础设施空间布局“一张图”管控平台（以下简称“平台”）。

1 研究内容

为满足中国水利基础设施的统一获取、整合、存储、管理与应用，本着“实用先进、安全可靠、标准规范、开放扩展”的建设目标，平台主要研究内容如下。

（1） 依据《水利基础设施空间布局规划落图技术要求》，平台数据涉及三大类，36个二级类，70个三级类，共70个水利基础设施管控对象，因此需建立一套面向中国水利基础设施空间布局管理的标准、规范和体系[3]。

（2） 根据水利基础设施空间规划成果中各类数据的类型特征、数据规模与存储要求，设计数据库表结构及其存储模式，制定空间对象与非空间对象的统一编码规则，建立一套面向中国的、统一的水利基础设施空间布局数据库[4]。

（3） 由于数据范围广，数据量巨大，以及客户端的性能限制，地理空间数据的快速可视化展示对平台提出了严格要求，研究矢量切片技术及基于矢量切片的地图服务动态更新至关重要。

（4） 在数据快速可视化的基础上，研究如何快速进行地理空间数据的空间检索，进一步提高用户体验，研究基于Elastic Search技术建立分布式空间大数据的存储与检索。

（5） 根据平台建设需求，开发面向中国的水利基础设施空间布局“一张图”管控平台，实现对中国范围的水利基础设施的统一管理。

2 技术路线

由于水利空間规划涉及专业知识较深，功能结构复杂，未来的业务需求还存在诸多不确定性。因此，应本着“统筹规划、分步推进，平台优先、滚动拓展”的原则，分阶段逐步开展专题建设。目前，主要以水利规划信息收集、管理、分析和应用为基础，汇集流域、省级水利基础设施空间布局规划成果资料，全面整合与水利基础设施紧密关联的规划成果和数据资源，打造覆盖中国、流域、省3级水利空间规划业务应用技术体系，并以“一张图”为基础建设可配置的应用管理平台。

根据目前阶段“一张图”管控平台的建设需求，需要对错综复杂的数据进行信息资源整合，可按照基础地理数据、规划成果数据、规划管控数据、规划审批数据和业务管理数据等进行分类。同时，分别对规划数据和管控平台构建标准规范体系，并进行数据库的建设工作。完成数据库建设后，依托GIS软件，以水利基础设施空间规划数据库为基础，制作与发布水利基础设施空间布局电子地图，建设水利基础设施空间布局“一张图”数据服务平台以及成果展示应用，全面管理水利基础设施空间布局规划编制成果、规划审批成果以及基础地理数据。以“一张图”数据服务平台为基础，完成水利基础设施空间布局“一张图”管控应用，提供规划成果收集与更新、用地关联分析、用地冲突检测与处理、水资源承载力分析、空间适应性分析、规划方案审查管理、规划成果归档管理、规划技术标准管理等应用。

3 系统设计

3.1 总体架构

面向中国的水利基础设施空间布局“一张图”管控平台（图1）由资源层、数据层、服务层、应用层、标准规范体系、安全保障体系共同构成。

（1） 资源层。分为基础设施和数据资源，基础设施资源包括存储、网络和计算资源，数据资源包括基础地理数据、规划成果数据、规划管控数据、规划审批数据和业务数据。

（2） 数据层。设置4个实体数据库。基础地理数据库存储行政区划、居民、道路、水系等基础地理数据;规划成果数据库存储规划文本、规划蓝图和项目台账数据;规划管控数据库存储水资源承载力、涉水生态空间、防洪基础保障、水利工程等数据;规划审批业务数据库存储规划审批相关的业务数据。

（3） 服务层。包括数据服务和功能服务。数据服务采用GIS服务发布软件进行发布，数据服务类型分为地图服务、要素服务、OGC服务和影像服务等，通过后台服务管理提供数据服务和计算服务。功能服务可采用WebGIS技术完成规划数据浏览、专题图展示、规划图打印输出、地图标绘、基础数据查询、综合查询等。

（4） 应用层。根据规划业务需求，以数据服务平台为基础开发管控应用，可提供规划成果收集与更新、用地关联分析、用地冲突检测与处理、水资源承载力分析、空间适应性分析、规划方案审查管理、规划成果归档管理、规划技术标准管理等应用，实现贯穿规划编制、审查、应用管理和实施监督等全环节的规划应用。

3.2 技术选型

系统采用B/S的技术架构，为了提高开发效率，降低前端与后台之间代码的耦合程度，采用前端与后台分离的开发模式，具体的技术选型设计如下。

（1） 前端框架。可选择Vue.js进行页面搭建，Vue是一套用于构建用户界面的渐进式框架。与其他大型框架不同的是，Vue 被设计为可以自底向上逐层应用，组件可以重复利用，可大大提高开发效率，对出现的专题图采用Echarts进行图表渲染。

（2） 后台框架。后端采用Java作为开发语言，以主流的SSM为核心技术框架搭建后台服务，该框架包括Spring，SpringMVC和Mybatis。

（3） 数据库选型。地理数据库采用开源的PostGIS进行空间数据的存储与管理，PostGIS数据库符合并实现了OpenGIS的一些规范，是使用最广泛的开源GIS数据库之一，PostGIS提供了众多空间分析接口服务，能够满足地理数据空间分析的要求[5]。业务数据库采用关系型数据库MySQL进行规划审查管理、档案归档管理及业务数据管理等数据的存储，MySQL是目前最流行的关系型数据库之一。

（4） GIS服务器。选择GeoServer完成地理数据的服务发布，GeoServer是开源免费的，是用Java开发的GIS软件服务器，允许用户对地理空间数据进行编辑和共享，可对存储在任何遵循开放标准的空间数据源的数据进行服务发布，并完成基础地理数据、遥感影像数据的发布[6]。

（5） 地图渲染引擎。采用OpenLayers完成地理数据的可视化展示，OpenLayers是开源免费的，并能够基于此完成二次开发，扩展现有功能，并在客户端完成各种地图展示功能。

3.3 系统功能

平台不仅要满足数据整编及检查入库、地理信息数据服务和可视化展示，还需提供空间分析、水利专业分析等分析能力，同时满足规划方案审查管理、规划成果归档管理和规划技术标准管理等需求，具体系统功能设计如下。

（1） 数据整编及检查入库。根据数据资源体系对相关数据进行整编处理，对空间数据和非空间数据进行统一编码，按照自动化检查与人工检查、属性数据检查与空间数据检查相结合的原则开发相应的检查入库工具，展示未通过检查的数据，提供数据修改建议，便于修改入库。开发的数据处理工具见图2。

（2） 地理数据服务和可视化展示。对入库后的地理数据进行数据服务发布以及数据可视化的展示，提供规划数据浏览、综合查询、地图标绘与规划图打印输出等地图功能，以及服务管理、安全管理、系统监控、日志管理等地图服务管理功能。

（3） 空间分析。提供基础的空间分析能力，可对规划成果空间数据进行冲突分析，比如用地关联分析、用地冲突检测分析等，支持对空间分析结果进行处理，可在地图上以柱状图、饼状图等可视化手段对空间分析结果进行展示，清晰直观，可以Excel或Word的形式导出空间分析结果。空间准入分析見图3。

（4） 规划方案审查管理。以工作流的形式构建规划方案审查流程，完成规划方案从预审、审查到批复全过程的审查管理，记录规划方案在每个阶段的审查人员、单位、时间、进度等基本信息，同时提供规划方案的综合查询功能。规划方案审查统计见图4。

（5） 规划成果档案归档管理。支持对规划成果档案的归档管理，根据角色权限配置，支持具有权限的人员进行对档案的上传、删除、修改、预览以及下载等操作，支持关键词检索、全文检索、二次检索以及组合条件检索，可快速完成规划成果档案的检索。规划成果档案归档见图5。

（6）规划技术标准管理。支持对规划技术标准的管理，根据角色权限配置，支持具有权限的人员进行规划技术标准的上传、删除、修改、预览以及下载等操作，提供多条件的综合查询工具，便于完成规划技术标准的查询。规划技术标准检索见图6。

4 关键性技术研究

4.1 矢量切片技术实现动态地图服务

由于平台是面向中国的管控平台，需要整合中国各省、市、县的基础地理、成果、规划成果等矢量数据，同时加载大量的遥感影像数据作为底图进行显示，具有数据量大、范围较广的特点，因此能够满足快速的地图展示需求极其重要[7]。为解决栅格切片技术存在的问题，平台采用矢量切片技术，该技术具有矢量数据和栅格切片的双重优势，且有数据体积更小、数据信息完整、客户端可直接获取属性数据的特点。同时，样式可以根据用户需求进行改变和定制，且数据更新方便，具有实时性，还可根据用户需要返回专题数据图层，更加灵活。

然而，在实际使用过程中，大多数地图服务的发布都以离散的数据作为来源。原因如下：①离散数据增加了数据管理的成本;②离散数据造成地图服务不能及时动态更新。本研究采用地图服务发布与数据库直连，从数据库获取数据，建立数据库与服务发布之间的动态关联，只需改变数据库内的存储记录就可实现前端地图服务的动态更新与展示，不仅提升客户端渲染速度，也解决了对大量空间矢量数据的渲染性能限制问题，实现了动态地图服务的快速更新。

4.2 空间大数据存储与快速检索

本研究中的水利基礎设施数据库涉及70张表，如何实现空间数据的存储与快速检索是平台设计开发过程中亟需解决的问题。基于关系型数据库的数据存储在需要检索字段很多或者数据量很大的情况下，会逐行、逐字段遍历数据库，过程耗时过长，且难以在速度上给用户良好的体验感，因此，既能满足空间大数据的存储要求，又能达到快速检索的需要至关重要。

本平台从关系型数据库的建立出发，在此基础上研究Elastic Search基于分布式的存储方式，从而达到大量空间数据的快速检索。通过实践证明：普通关系型数据库在一定程度上能够满足空间大量数据的存储要求，能够对海量空间大数据提供存储管理;其次，通过采用Elastic Search对分布式数据库的扩展支持，解决海量空间数据的存储与解析难度的问题，能够基于关系型数据库完成复杂的空间数据快速检索，同时不会产生数据冗余。

5 结 语

本研究对水利基础设施的管控构建了一套标准、规范和体系，对水利基础设施数据进行了规范化入库，并根据实际项目需要，完成了平台的设计与开发。在平台实际开发过程中，对空间大数据的展示与检索问题进行了研究，采用矢量切片实现动态地图服务和空间大数据存储与快速检索技术，实现了空间数据范围广、数据量大的快速可视化和高效检索。目前平台已经完成开发工作，并在使用过程中得到了不断地改进与优化，有助于使用单位顺利开展水利空间用途管控、规划编制审批、实施监督管理等工作。

参考文献：

[1]    兰林. 刍议国土空间规划水利专项规划工作[J]. 水利规划与设计，2021（11）：12-14，19.

[2]    姚志武，管林杰，张钟海，等. 国土空间规划下水利基础设施信息管理平台设计[J]. 水利信息化，2021（3）：70-74.

[3]    王慧，陈慧媛，熊娟. 国土空间总体规划数据库建库与质检问题研究[J]. 房地产世界，2021（18）：58-60.

[4]    蔡阳. 关于水利信息化资源整合共享的思考[J]. 水利信息化， 2014（6）：1-6.

[5]    盛凯，刘忠，周德超. 基于PostGIS的历史航迹重演分析系统设计与开发[J]. 海军工程大学学报，2017，29（5）：108-112.

[6]    蒋佩伶， 苗放， 张峻骁.  基于GeoServer和OpenLayers的WebGIS实现[J].  甘肃科技， 2009， 25（22）：33-34.

[7]    李飞. 基于矢量切片的实时路况服务设计与实现[J]. 测绘与空间地理信息，2020，43（11）：96-99.

（编辑：唐湘茜）

Research and design of "one map" management and control platform

construction for national water conservancy infrastructure spatial layout

GONG Liuliu1，2，3， GUAN Linjie1，2，3， YANG Kun1，2，3， LI Xiaofei1，2，3

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co. ， Ltd. ， Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Spatial Information Technology Company， Wuhan 430010， China; 3. Hubei Engineering Research Center of Hydroinformation Sensing and Big Data， Wuhan  430010， China）

Abstract：In order to effectively connect the preparation of land spatial planning， according to the actual needs of the management and control platform， we studied and established the standards， specifications and systems for the spatial layout management and control of water conservancy infrastructure， designed spatial database， and studied vector slicing technology to realize dynamic map service and spatial big data storage and rapid retrieval technology. Based on B/S architecture and employing geographic information system， database， H5 and other technologies in design and development， China-oriented unified data storage， rapid visual display， dynamic data update and rapid retrieval are realized. The study results can provide platform support for unified water conservancy spatial utilization control， planning preparation and examination-approval， and implementation of supervision and management.

Key words：water conservancy infrastructure; spatial layout planning; management and control platform; vector tile; spatial big data