基于開源WebGIS 的三維自然資源管理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

趙棟梁 孫朝 李德元

（自然資源部第三地形測量隊，黑龍江 哈爾濱150081)

自然資源部發(fā)布的《2020 年自然資源部網(wǎng)絡(luò)安全與信息化工作要點》，明確了要加快自然資源三維立體“一張圖”和國土空間基礎(chǔ)信息平臺的建設(shè)，并將其作為了首要任務(wù)[1]。《要點》提出，按照統(tǒng)一的標準，推進自然資源三維立體“一張圖”建設(shè)，實現(xiàn)自然資源管理與服務(wù)的精準化和高效化[2]。三維立體“一張圖”場景中，利用GIS系統(tǒng)的統(tǒng)計分析能力可直觀展示自然資源組成、分類、權(quán)屬分布情況。

基于開源WebGIS 設(shè)計了以自然資源數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，利用圖形化、可視化、三維化等技術(shù)手段，通過對平臺建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)三維自然資源管理平臺原型系統(tǒng)，實現(xiàn)對自然資源基本情況的管理與展示。

1 開源WebGIS

開源WebGIS 具有廣泛的適用性、良好的跨平臺性及開發(fā)成本低等特點，可以快速、高效、經(jīng)濟的完成GIS 系統(tǒng)或平臺的搭建。本平臺的開發(fā)設(shè)計基于PostgreSQLPostGIS（數(shù)據(jù)庫）、Geoserver（服務(wù)器）、Cesium（客戶端）的開源WebGIS 平臺架構(gòu)。

1.1 cesium

Cesium 是一套JavaScript 庫，用來渲染2D 區(qū)域地圖、2.5D 地圖、3D 地球和多種GIS 要素，不需安裝任何插件就能在支持HTML5 標準的瀏覽器上運行[3]。Cesium 使用WebGL 作為圖形渲染引擎，廣泛用于創(chuàng)建共享動態(tài)地理空間數(shù)據(jù)的交互式Web 應(yīng)用程序。Cesium 具有強大的GIS 功能并且具有較高的可擴展性和強大的互操作性，因此平臺選用Cesium 作為三維框架。

1.2 Geoserver

Geoserver 作為WebGIS 服務(wù)器，應(yīng)用廣泛，可以方便快捷地構(gòu)建地理信息服務(wù)，實現(xiàn)空間地理信息快速發(fā)布。Geoserver 遵循OGC 開放標準的Web 服務(wù)的空間數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范，通過參數(shù)可定制化的實現(xiàn)緩存業(yè)務(wù)可以實現(xiàn)WMS 瓦片緩存到文件系統(tǒng)當中，進而被客戶端直接使用，減少對Geoserver 服務(wù)的請求次數(shù)。

1.3 postgis

PostgreSQL 具有可靠的架構(gòu)、完整的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、強大的功能，可提供高性能及創(chuàng)新性的解決方案，具有良好的兼容性及可擴展性，可以簡單并快捷的構(gòu)建項目，實現(xiàn)安全、可靠的存儲數(shù)據(jù)。PostGIS作為PostgreSQL 地理空間數(shù)據(jù)庫擴展程序，可以實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的存儲、輸出、編輯、判斷空間關(guān)系以及測量等功能，并且結(jié)合PostgreSQL 的對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的特性。

2 平臺設(shè)計

2.1 平臺架構(gòu)

為提供多客戶端查詢?yōu)g覽支持，平臺采用B/S 架構(gòu)開發(fā)模式，以統(tǒng)一規(guī)劃、分層實施為原則，平臺整體技術(shù)框架分為四層，從下到上分別為設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。自然資源管理平臺架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 自然資源管理平臺架構(gòu)圖

2.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層為自然資源管理平臺運行提供基礎(chǔ)支撐。基礎(chǔ)設(shè)施層將存儲設(shè)施、數(shù)據(jù)庫服務(wù)集群、應(yīng)用服務(wù)器集群及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)施等進行布設(shè)、整合，以高性能的計算資源、大容量的存儲資源構(gòu)建滿足海量自然資源信息數(shù)據(jù)的存儲的良好環(huán)境，為平臺的順利運行提供硬件保障[6]。

2.1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要是對數(shù)據(jù)進行整合與綜合管理，將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)、自然資源數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的空間基準，分層進行組織存儲在PostGIS 中。通過對各類數(shù)據(jù)庫資源進行整合后，能夠?qū)崿F(xiàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)及自然資源專題數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織與存儲，為數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

2.1.3 服務(wù)層

服務(wù)層是支撐自然資源管理平臺各種業(yè)務(wù)應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)。通過Geoserver 進行基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、自然資源專題數(shù)據(jù)等矢量數(shù)據(jù)以及地圖瓦片等柵格數(shù)據(jù)進行發(fā)布，通過WebService 開發(fā)查詢、統(tǒng)計分析等業(yè)務(wù)服務(wù)結(jié)構(gòu)。

2.1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是針對用戶的功能展現(xiàn)，包括三維地圖基本操作、“自然資源一張圖”模塊、專題統(tǒng)計及搜索模塊、遙感影像監(jiān)測模塊、運維管理等模塊。其中，應(yīng)用層基于Cesium 三維框架進行平臺搭建，實現(xiàn)自然資源數(shù)據(jù)的可視化顯示，與用戶進行交互并響應(yīng)用戶的操作。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1“自然資源一張圖”數(shù)據(jù)集成

將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)、自然資源數(shù)據(jù)等多源、多尺度、多時相、多格式等特性的海量空間數(shù)據(jù)有機地組織、整合成“一張圖”，必須統(tǒng)一空間基準、建立時空序列，利用標準的接口方式提供服務(wù)。

2.2.2 動態(tài)統(tǒng)計分析及展示

針對自然資源統(tǒng)計分析結(jié)果的動態(tài)性、可移植性等特性，采用在線地圖表達模板的形式進行統(tǒng)計分析展示，使平臺可針對不同類型自然資源數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計分析信息，實現(xiàn)快速的展示與應(yīng)用。使用Geoserver 中動態(tài)改變SLD 來實現(xiàn)這一效果，構(gòu)造SLD 文件，根據(jù)需要動態(tài)修改SLD 文件里的參數(shù)，將修改好的SLD 文件加載到相關(guān)的layer 上，前端請求即可獲取自定義的展示效果。

3 平臺實現(xiàn)

依托“自然資源一張圖”數(shù)據(jù)集成、動態(tài)統(tǒng)計分析及展示等關(guān)鍵技術(shù)，通過PostGIS 空間數(shù)據(jù)引擎存儲自然資源大數(shù)據(jù)、Geoserver 服務(wù)器發(fā)布服務(wù)，Cesium 三維框架實現(xiàn)三維信息展示，搭建自然資源信息管理平臺原型系統(tǒng)，實現(xiàn)“自然資源一張圖”展示模塊、專題統(tǒng)計與搜索模塊、空間分析模塊、運維管理模塊的建設(shè)。自然資源管理平臺功能結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖2 自然資源管理平臺功能結(jié)構(gòu)圖

3.1“自然資源一張圖”展示模塊

“自然資源一張圖”集成了電子地圖、遙感影像、數(shù)字高程模型、三維傾斜攝影模型、國情監(jiān)測數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，“三區(qū)三線”管制類數(shù)據(jù)、土地調(diào)查數(shù)據(jù)、林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)等專題數(shù)據(jù)等要素信息，可實現(xiàn)對自然資源的三維空間立體形態(tài)的準確表達及一體化管理。在三維場景中，可直觀展示自然資源空間布局，以及利用GIS 系統(tǒng)的統(tǒng)計分析能力展示自然資源組成、分類、權(quán)屬分布情況。同時該模塊包含級別控制器、距離與面積量測，地圖打印等功能。

3.2 專題統(tǒng)計及搜索模塊

專題統(tǒng)計包括專題統(tǒng)計與分類搜索兩部分，專題統(tǒng)計可根據(jù)行政區(qū)域、統(tǒng)計類別、展現(xiàn)形式進行選擇，組合出想要統(tǒng)計的內(nèi)容，展現(xiàn)形式包括點狀圖、柱狀圖、散點圖、分級圖等類別。平臺三維空間場景支持三維空間查詢，支持對具體范圍內(nèi)的地上、地下自然資源的統(tǒng)一描述，通過查詢可以一體化的展示地上下的自然資源的屬性信息，為自然資源的統(tǒng)計分析提供支撐。分類搜索可根據(jù)姓名、身份證號、地籍號、地址等類別進行搜索，搜索結(jié)果顯示關(guān)鍵信息并可實現(xiàn)定位，地圖上要素均可點擊以表格的形式顯示詳細屬性信息。

3.3 空間分析模塊

空間分析包括緩沖分析、疊置分析等功能。自然資源數(shù)據(jù)與自然保護區(qū)范圍、生態(tài)紅線范圍、基本農(nóng)田保護區(qū)范圍等管制范圍或人為繪制認定的特殊管制區(qū)域范圍關(guān)系密切，對這兩大類數(shù)據(jù)進行緩沖分析、疊置分析后的結(jié)果進行對比分析，可以直觀的展現(xiàn)自然資源的空間布局，為自然資源的空間規(guī)劃編制提供參考。

3.4 遙感影像監(jiān)測模塊

以高分辨率遙感影像為底圖，集合多期不同時相的遙感影像，對多源自然資源信息進行展示，通過時間軸、卷簾對比、多屏對比等方式直觀的展示自然資源變化情況，通過交互式判讀可以對變化的區(qū)域進行圖形編輯及屬性錄入，從而實現(xiàn)變化動態(tài)監(jiān)測的目的。

3.5 運維管理模塊

實現(xiàn)用戶權(quán)限管理及平臺日志管理及平臺各項參數(shù)配置管理等，實現(xiàn)平臺的調(diào)度與監(jiān)控，數(shù)據(jù)與產(chǎn)品管理的統(tǒng)計分析等功能。

結(jié)束語

本文在基于開源WebGIS 的基礎(chǔ)上進行了三維自然資源管理平臺的設(shè)計與實現(xiàn)進行了研究，通過平臺架構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)的研究，開發(fā)了三維自然資源管理平臺原型系統(tǒng)，實現(xiàn)“自然資源一張圖”展示模塊、專題統(tǒng)計與搜索模塊、空間分析模塊等功能模塊的開發(fā)，為實現(xiàn)自然資源智慧化管理、“山水林田湖草”生命共同體管理提供了平臺支撐，同時也為同類系統(tǒng)、平臺的搭建提供了一定的參考。