基于WebGIS的长江口航道测绘信息平台的建设与应用

罗成，付桂

（上海航鸿工程管理有限公司，上海 200137）

长江口航道作为长江黄金水道和上海国际航运中心建设的重要组成部分，对流域经济发展和国防安全建设具有重大影响。长江口河势演变规律复杂，航道的管理和维护面临着巨大的挑战。近半个世纪，工程师和专家学者通过对长江口航道的研究，积累了大量的宝贵数据。但由于这些历史数据时间跨度长、数据种类多样、数据标准不统一，且分散于不同单位等原因，导致使用数据前需耗费大量的收集和处理时间，严重限制了长江口航道数据资源的利用面和利用率[1]。

随着WebGIS 新技术的快速发展，人们可以在Internet 环境下对地理空间数据进行整合，从而实现空间数据的共享和互操作，提高对大量数据信息资源的利用率，同时在已有数据的基础上对未来可能出现的情况进行预测和模拟。目前WebGIS 虽然已广泛用于城市规划[2]、地质灾害自动化监测[3]、海洋预警[4]以及长江航道测绘成果数据管理[5]等多个领域，但尚未在长江口航道测绘数据管理中得到有效的应用。因此，针对复杂多样的长江口航道测绘信息，为了满足长江口航道管理局航道日常管理和应急事件对水文、地形和航道等相关资料的处理和查询要求，并对未来可能事件作出预测，基于WebGIS 的长江口航道测绘信息平台（以下简称“平台”）的建设显得尤为重要。

1 平台总体设计

1.1 平台目标

平台的建设目标首先要完成数据库的建设，以收集和整理1998年以来长江口区域的水文、地形、航道和涉水工程相关数据为主，建成水文、地形、航道和涉水工程4 个数据库。其次是应用系统的开发，分别建立水文整编与统计系统、河床冲淤演变分析系统和航道回淤分析系统3个应用系统。最后借助局域网和Internet网络，实现多用户在线信息的浏览、查询、统计、分析和专题图表输出，“平台”在现有长江口区域数据的基础上结合机器学习和深度学习方法对未来长江口区域可能出现的情况进行预测和模拟分析，包括但不限于长江口航道中心线变化、航道回淤预测等。

1.2 平台框架

平台目的在于为长江口航道管理局各项职能的行使提供数据支撑和信息支持，根据长江口航道管理局信息化现状和业务管理的需要，“平台”包含数据库、应用系统和管理系统三个模块，如图1所示。

图1 长江口航道测绘信息管理系统模块

“平台”以数据为基础，通过数据库的建设，实现对水文、地形、航道以及涉水工程数据的标准化和一体化管理，大大提升数据管理水平，提高数据资源的利用效率，为航道管理提供更多的涉水工程信息。“平台”数据库的技术选型以关系型数据库（Postgresql）和非关系型数据库（Redis、Elasticsearch）配合使用为主。常规的水文、地形、航道数据存储在关系型数据库Postgresql 中，配合Postgresql 数据库中PostGIS 进行地理数据空间分析（水文变化态势、航道变化态势、航道回淤分析等）。为了保证“平台”的并发量和伸缩性使用非关系型数据库Redis 进行查询缓存和“平台”消息订阅与消息发布，“平台”运行需要保证数据安全性和系统运行安全性，使用Elasticsearch 进行“平台”系统日志管理。关系型数据库和非关系型数据库的配合使用可以极大程度提高“平台”的健硕性和鲁棒性，同时也能极大程度地提高系统的安全性和用户体验度。

“平台”以应用为目标，通过应用系统的开发，实现常规数据处理分析业务的软件自动化操作，简化数据分析处理过程，提高航道科研管理的工作效率。“平台”应用系统有三个子系统组成：水文整编与统计系统、河床冲淤演变分析系统和航道回淤分析系统组成。“平台”采用SOA（Service-Oriented Architecture，面向服务的架构）进行系统的开发、部署和管理。“平台”中所有的功能都被定义成了独立的服务，所有的服务通过服务总线(ESB，Enterprise Service Bus)或流程管理器来连接。

“平台”通过管理系统的开发，实现“平台”的稳定与可持续运行，保证信息数据的安全与同步更新。“平台”管理系统包括数据管理和平台管理，数据管理系统主要是面向不同权限的用户进行数据的操作。平台管理系统是系统高级用户对不同级别的用户进行权限的分配和调整，以确保系统中不同级别用户的差异性。

1.3 平台部署

“平台”的部署需要以下服务器：数据库服务器、应用服务器和Web 服务器（见图2）。“平台”采用K8S（kubernetes）进行部署容器的搭建和“平台”的部署。

图2 “平台”部署

（1）数据库服务器，建立适用于长江口区域时空大数据分析的统一数据标准，解决了长江口历史数据的基准不一致、分类编码不统一、数据格式不兼容等问题，为“平台”的运行提供基础数据服务。

（2）应用服务器，使用Postgresql 的PostGIS 插件实现GIS 空间索引技术引入测深点DEM 建模，实现超大范围、超大规模（10 万以上点数）测深点数据的云上快速建模和计算，为“平台”的运行提供GIS 应用服务。

（3）Web 服务器，采用Vue 框架，使用Echart 可视化图表实现快速生成报表及可视化图表，满足数据分析和可视化展示需求，对特定业务数据进行全方位分析，实现“平台”的对外信息发布。

2 平台主要功能与应用

根据长江口航道管理局常规业务的需要，“平台”主要功能包括水文整编与统计、河床冲淤演变分析和航道回淤分析三个。

2.1 水文整编与统计

水文整编与统计功能以大量的历史水文数据为基础，通过对垂线流速、流向、含沙量、含盐度，断面流量、输砂率和潮位等水文数据的整编与统计，实现各要素平均值、最值等水文要素特征值的自动计算，以过程线、对比图和统计报表等图形与报表为主要的结果输出方式。水文整编与统计相关方法和算法参照《水文资料整编规范》。

2.2 河床冲淤演变分析

河床冲淤演变分析系统的功能是通过离散的河道地形水深测点进行地形分析建模，实现地形水深提取、断面分析、等深线分析、容积（体积）计算和冲淤分析等功能。通过 GIS 可视化，实现河道地形、河床冲淤结果的可视化、河床历史演变过程以及等深线变化过程的动画演示。在现有数据的基础上引入机器学习随机森林（RandomForest）回归预测的方法，对未来河床冲淤的情况进行模型训练进而回归预测，为今后河床冲淤情况进行合理模拟。

2.3 航道回淤分析

航道回淤分析功能是通过航道回淤统计分析建模，实现航道各单元的疏浚工程量（上、下方）、回淤量和平均水深等回淤特征值的自动计算及回淤分布的可视化。输出结果包括：航道疏浚量分布图、航道回淤量分布图和航道单元平均水深图等。在获得回淤数据的基础上，“平台”对数据进行消息发布。

3 平台优势

“平台”的建成与应用具有如下优势：

（1）数据存储格式更加规范，统一和全面。可以同时查看和分析不同历史时期的同一类型的数据，或者同一历史时期的不同类型的数据，为长江口航道管理局航道日常管理和应急事件对相关资料的处理和查询提供方便。

（2）更加强大的数据计算与分析能力，“平台”的DEM 建模功能，不但实现了数据的可视化展示，还可以对数据进行二次分析，实现对长江口航道测绘数据的充分利用。

（3）“平台”用户界面友好，操作简便，使得其具有更广泛的受众群体。

（4）“平台”整体系统安全性强、鲁棒性高、并发量大，能够极大提高用户的系统体验。

（5）“平台”引入机器学习和深度学习的技术，有效提高“平台”预测和分析的能力。

4 总结

（1）利用“平台”强大的数据分析与可视化功能，为长江口航道管理提供了及时有效的数据支撑。

（2）“平台”实现了历史水文数据整编与分析、河床冲淤演变分析以及航道回淤分析等功能。实现了对长江口航道测绘数据的有效管理。