基于開源框架的輕量級礦山GIS開發(fā)運行平臺的設(shè)計與應(yīng)用實踐

陳漢章

摘要：WebGIS技術(shù)改變了傳統(tǒng)GIS應(yīng)用模式，廣泛推廣于各領(lǐng)域。煤炭行業(yè)生產(chǎn)安全及運營管理與地理位置相關(guān)，且礦山生產(chǎn)地下地上空間位置隨時間不斷變化，因此對GIS應(yīng)用需求旺盛。本文在分析開源GIS技術(shù)基礎(chǔ)上，提出基于開源GIS框架實現(xiàn)煤礦井上下多源數(shù)據(jù)及服務(wù)接入、各類礦圖快速發(fā)布展示設(shè)計方案，提供WEB端、移動端開發(fā)包，可快速構(gòu)建煤礦各類應(yīng)用。該GIS開發(fā)運行平臺在某大型煤炭企業(yè)調(diào)度集成監(jiān)控系統(tǒng)中已成功實踐應(yīng)用，有效解決WebGIS在礦山應(yīng)用中復(fù)雜性高，成本大，針對性不強等問題。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（WebGIS）；GIS平臺；輕量級；OGC

中圖分類號：TP311.11 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0194-03

1 建設(shè)背景

隨著神華集團數(shù)字礦山逐步推廣，GIS應(yīng)用需求日益旺盛。已經(jīng)實施的戰(zhàn)略資源管理系統(tǒng)、數(shù)字礦山生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)字礦山生產(chǎn)控制系統(tǒng)均結(jié)合二維GIS技術(shù)進行深入應(yīng)用，目前在生產(chǎn)指揮調(diào)度、生產(chǎn)管理、應(yīng)急管理、環(huán)保監(jiān)測等各領(lǐng)域都有基于真實地理位置信息構(gòu)建其業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。針對集團GIS應(yīng)用，每個項目需單獨購買部署商用GIS平臺進行二次開發(fā)，商用GIS平臺采購成本高、周期較長，產(chǎn)品復(fù)雜度高，不能快速、靈活滿足GIS應(yīng)用需求，急需輕量級GIS開發(fā)運行平臺替代商用平臺，根據(jù)集團各板塊需求快速搭建GIS應(yīng)用。

在集團煤礦GIS系統(tǒng)應(yīng)用上，已有公司結(jié)合地質(zhì)、采礦等業(yè)務(wù)，圍繞制圖輔助設(shè)計，在各礦井做大量專業(yè)化系統(tǒng)和實施項目；礦山在地質(zhì)勘查、規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、生產(chǎn)運營各階段所使用的制圖及GIS軟件有AutoCAD、龍軟GIS、MapGIS、ArcGIS等，數(shù)據(jù)格式也各不相同，存在數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)互操作性差和數(shù)據(jù)共享困難等問題，因此需要構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準，并在此基礎(chǔ)上搭建上層應(yīng)用。當前神華迫切需要建立一套統(tǒng)一的可快速搭建新Web應(yīng)用的輕量級礦山GIS開發(fā)運行平臺，替換或輔助商用GIS平臺，減少項目周期與成本，支撐數(shù)字礦山全面推廣及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)逐步深入的應(yīng)用需求，推進數(shù)字礦山建設(shè)，提供更高效、準確的網(wǎng)絡(luò)支撐地理信息服務(wù)。

2 總體框架

2.1 輕量級礦山GIS開發(fā)運行平臺系統(tǒng)架構(gòu)（如圖1所示）

整個產(chǎn)品系統(tǒng)架構(gòu)分為三層，從下往上依次是數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層是數(shù)據(jù)存儲中心，負責(zé)存儲矢量和切片數(shù)據(jù)；服務(wù)層是將底層數(shù)據(jù)發(fā)布成標準Web Service服務(wù)，并提供給應(yīng)用層使用；應(yīng)用層負責(zé)調(diào)用服務(wù)層提供的服務(wù)，完成各個業(yè)務(wù)功能。本項目建設(shè)內(nèi)容重點在服務(wù)層，包括地圖服務(wù)發(fā)布模塊、地圖服務(wù)展示模塊、GIS組件、應(yīng)用開發(fā)API和數(shù)據(jù)交換接口等。為保證程序兼容性和快速開發(fā)需求，選擇GeoServer作為地圖服務(wù)發(fā)布和管理平臺，采用瘦客戶端技術(shù)，不需要下載和安裝特殊控件，經(jīng)服務(wù)器端將請求內(nèi)容生成圖片發(fā)送到客戶端來顯示地圖，所有地圖生成與分析功能都放在服務(wù)器端實現(xiàn)，保證了圖形快速瀏覽要求，降低了對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求。

地圖客戶端采用OpenLayers進行地圖服務(wù)展示，運行在Rest Web Service平臺上，采用Mush Up多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，能提供基本地圖漫游、圖層疊加、屬性查詢等功能，利用地圖瓦片技術(shù)實現(xiàn)地圖客戶端動態(tài)加載，在此基礎(chǔ)上封裝成標準GIS組件、高級GIS組件，同時提供應(yīng)用開發(fā)API供其他應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用。

2.2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計

輕量級礦山GIS開發(fā)運行平臺自2015年7月啟動，目前已進行了一期建設(shè)。平臺通過對基礎(chǔ)地理空間信息資源集中化管理，主要采用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在線共享，二次接口開發(fā)服務(wù)等方式為神華集團各個業(yè)務(wù)板塊提供基礎(chǔ)地理空間信息服務(wù)。該平臺主要由3個子系統(tǒng)模塊構(gòu)成，按照實現(xiàn)功能目標的不同，分別是發(fā)布運行環(huán)境子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)接入子系統(tǒng)和GIS應(yīng)用組件子系統(tǒng)。系統(tǒng)總體功能模塊圖如下圖2所示。

2.3.1 構(gòu)建二維GIS發(fā)布和運行環(huán)境

①搭建GeoServer開發(fā)測試環(huán)境，配置相應(yīng)版本，將ArcSDE數(shù)據(jù)接入GeoServer。

②在GeoServer中實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)快速發(fā)布，對發(fā)布好的服務(wù)進行管理，實現(xiàn)服務(wù)啟動、停止、暫停、更新等功能。

③對GeoServer進行配置和優(yōu)化，使其并發(fā)數(shù)量和響應(yīng)時間達到最優(yōu)。

2.3.2 實現(xiàn)數(shù)據(jù)、服務(wù)接入功能

①將符合相應(yīng)標準的瓦片數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)（ESRI Shp、PostGIS）和實時數(shù)據(jù)發(fā)布成標準Web Service。

②開發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)瓦片數(shù)據(jù)（CAD切片數(shù)據(jù)）、矢量數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)調(diào)用。

③使用UDig等桌面工具對空間數(shù)據(jù)配圖、渲染，并制作成符合煤炭行業(yè)需求和具有神華特色的制圖模板。

2.3.3 開發(fā)輕量級GIS應(yīng)用組件

①搭建輕量級GIS應(yīng)用開發(fā)框架，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)快速展示功能。構(gòu)建符合神華需求的快速展示模板（Logo、顏色、樣式、字體等），加入地圖入口，使開發(fā)者用簡單的幾行代碼即可開發(fā)出地圖應(yīng)用程序。

②開發(fā)標準GIS功能組件。實現(xiàn)包括放大、縮小、定位、平移、旋轉(zhuǎn)、全圖、測量、書簽、鷹眼圖、圖層管理、多源數(shù)據(jù)疊加顯示（瓦片圖層、矢量圖層、OGC圖層等）、縮放到圖層等功能。

③開發(fā)高級GIS功能組件。實現(xiàn)包括點擊查詢、關(guān)鍵字查詢、空間（點線面）查詢及標繪（點線面、任意多邊形）功能等功能。

④實現(xiàn)多源GIS數(shù)據(jù)瀏覽功能。能夠集成疊加展示矢量數(shù)據(jù)和切片數(shù)據(jù)，包括ESRI Shp格式數(shù)據(jù)、CAD切片數(shù)據(jù)，能夠加載OGC服務(wù)，如WMS服務(wù)、WMTS服務(wù)等。

3 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 技術(shù)路線

系統(tǒng)首先進行開源GIS平臺選型，本次選擇GeoServer作為服務(wù)器開源GIS平臺，而客戶端展示則選擇支持HTML5的OpenLayers作為展示平臺，符合當前IT技術(shù)發(fā)展潮流。之后將符合標準的地圖數(shù)據(jù)和服務(wù)接入到平臺中，并將其進行模板化和規(guī)范化，發(fā)布成標準的Web Service，并在此基礎(chǔ)上進行組件和接口封裝，使其開發(fā)粒度符合開發(fā)需求，最后將多源GIS數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一集成展示，具體流程圖如下圖3所示。

3.2 技術(shù)接口說明

與底層數(shù)據(jù)的交互接口。系統(tǒng)位于服務(wù)層，與底層ESRI SHP數(shù)據(jù)、CAD切片數(shù)據(jù)等在統(tǒng)一的坐標框架體系下，通過標準OGC服務(wù)進行交互，包括WMS服務(wù)、WMTS服務(wù)等。

與上層應(yīng)用系統(tǒng)的交互接口。系統(tǒng)位于服務(wù)層，與上層應(yīng)用系統(tǒng)通過標準REST接口進行交互，客戶端和服務(wù)器的數(shù)據(jù)通過XML和JSON這2種格式進行傳輸。

本系統(tǒng)采用OGC標準協(xié)議，與ArcGIS產(chǎn)品體系完全兼容，可以結(jié)合ArcGIS產(chǎn)品共同使用，相互調(diào)用服務(wù)，可輔助使用ArcGIS平臺功能，逐步替換ArcGIS產(chǎn)品。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 OGC標準及地理參考模型

支持GIS開放和集成的一個保證就是標準。地理信息標準的制定由OGC開發(fā)，這個工作已經(jīng)獲得Oracle、ESRI等GIS 軟件供應(yīng)商的參與和支持。其主要的標準包括：

①WMS（Web Map Service）：柵格地理信息數(shù)據(jù)表示的標準，如GIF，PNG，JPEG 等；

②WFS（Web Feature Service）：矢量地理信息數(shù)據(jù)表示的標準，主要是 GML 格式；

③WCS（Web Coverage Service）：地理信息屬性資料表示的標準；

④CAT（Catalog Service Web）：資料庫中查詢結(jié)果表示的標準；

⑤GML（Geography Markup Language）：地圖數(shù)據(jù)標記語言的標準，以XML為基礎(chǔ)。同時 OGC 定義了三種地理參考信息模型：Web Map Serve（WMS）、Web Feature Server（WFS）、Web Coverage Server（WCS）。Web Map Server（WMS）可根據(jù)用戶請求返回相應(yīng)的地圖，支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議HTTP，所支持的操作時由URL定義的，主要有三種操作：GetCapabilities（返回服務(wù)級元數(shù)據(jù)），GetMap（返回地圖影像），GetFeatureinfo（返回地圖要素的特征信息）。

Web Feature Server（WFS）支持對地理要素的插入、更新、刪除、檢索等服務(wù)，根據(jù)HTTP 用戶請求返回GML數(shù)據(jù)。其基礎(chǔ)接口是：GetCapabilities，DeseribeFeatureType，GetFeature。WFS就如桌面程序中的條件查詢功能，支持基于空間幾何關(guān)系、屬性域查詢，及二者的共同查詢。

Web Coverage Server（WCS）提供包含地理位置信息或?qū)傩缘目臻g柵格圖層，根據(jù)HTTP 客戶端要求發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)，如影像、多光譜地圖等地理數(shù)據(jù)。WCS有二個重要操作GetCapabilities（返回一個描述服務(wù)和 XML 文檔），GetCoverag（返回覆蓋數(shù)據(jù)）。

3.3.2 GIS多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)（Mush Up）

由于地理信息系統(tǒng)的圖形數(shù)據(jù)格式各異，給信息共享帶來了極大不便，解決多格式數(shù)據(jù)源集成一直是近年來GIS應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中的重要問題。本系統(tǒng)需加載展示的數(shù)據(jù)格式有ESRI SHP、CAD切片、OGC WMTS和WMS格式等，使用技術(shù)有：

①數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。格式轉(zhuǎn)換是傳統(tǒng)GIS 數(shù)據(jù)集成方法。在這種模式下，其他數(shù)據(jù)格式經(jīng)專門數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序進行格式轉(zhuǎn)換后，復(fù)制到當前系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫或文件中。這是目前GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成主要辦法。

②數(shù)據(jù)互操作。數(shù)據(jù)互操作模式是OpenGIS Consortium （OGC） 制定的規(guī)范。OGC是為了發(fā)展開放式地理數(shù)據(jù)系統(tǒng)、研究地學(xué)空間信息標準化及處理方法的一個非盈利組織。GIS互操作是指在異構(gòu)數(shù)據(jù)庫和分布計算情況下，GIS用戶在相互理解基礎(chǔ)上，能透明獲取所需信息。OGC為數(shù)據(jù)互操作制定了統(tǒng)一規(guī)范，使一個系統(tǒng)同時支持不同空間數(shù)據(jù)格式成為可能。

③直接數(shù)據(jù)訪問。直接數(shù)據(jù)訪問指在一個GIS軟件中實現(xiàn)對其他軟件數(shù)據(jù)格式的直接訪問，用戶可使用單個GIS軟件存取多種數(shù)據(jù)格式。直接數(shù)據(jù)訪問不僅避免繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，而且在一個GIS軟件中訪問某種軟件的數(shù)據(jù)格式不要求用戶擁有該數(shù)據(jù)格式的宿主軟件，更不需要該軟件運行。直接數(shù)據(jù)訪問提供了一種更為經(jīng)濟實用的多源數(shù)據(jù)集成模式。

4 平臺應(yīng)用現(xiàn)狀及實踐

項目組在輕量級礦山GIS開發(fā)運行平臺研發(fā)完成之際，接到集團某煤礦集成監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)，正好利用這一寶貴實踐機會，檢驗一下平臺在實際項目中的性能和表現(xiàn)。項目組首先認真分析了該煤礦集成監(jiān)控系統(tǒng)項目的開發(fā)需求和建設(shè)重點，針對系統(tǒng)實時性和業(yè)務(wù)特點，采用輕量級礦山GIS開發(fā)運行平作為底層GIS圖形平臺，其中地圖瀏覽、地圖查詢、地圖定位等功能以服務(wù)的形式在應(yīng)用框架內(nèi)集成。

項目開發(fā)歷時5個多月，項目組在沒有相關(guān)開發(fā)案例的情況下，項目組成員精誠團結(jié)、群策群力，在現(xiàn)有開發(fā)能力基礎(chǔ)上進行了多項變通，克服種種困難，經(jīng)過5個半月的攻關(guān)，最終順利完成了任務(wù)。目前系統(tǒng)已上線運行。系統(tǒng)的運行界面如圖4。

5 結(jié)語

輕量級礦山GIS開發(fā)運行平臺在集團某煤礦集成監(jiān)控系統(tǒng)中的成功上線及在公司多個煤礦系統(tǒng)中應(yīng)用，說明基于GeoServer的輕量級GIS開發(fā)運行平臺達到了初步設(shè)計標準。集團某煤礦集成監(jiān)控系統(tǒng)依靠穩(wěn)定運行、可定制可擴展、用戶體驗性好等優(yōu)點，得到了用戶認可與好評。輕量級礦山GIS開發(fā)運行平臺作為一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的GIS軟件，完全可以支撐中小型地理信息系統(tǒng)的建設(shè)，替換或輔助商用GIS平臺，減少項目周期與成本，支撐數(shù)字礦山全面推廣及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)逐步深入的應(yīng)用需求，推進數(shù)字礦山建設(shè)，同時提供更高效、準確的網(wǎng)絡(luò)支撐地理信息服務(wù)。

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