周信文，張發(fā)勇，羅 津，許小華，羅 寧

(1.江西省水利科學(xué)院，江西 南昌 330029；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.江西師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330022；4.武漢智博創(chuàng)享科技股份有限公司，湖北 武漢 430223)

水文站信息管理的水平是衡量水文工作效率和水利信息化的重要方面，而運(yùn)用WebGIS技術(shù)對(duì)站點(diǎn)信息進(jìn)行科學(xué)管理可以有效地避免信息傳輸緩慢、低效，信息更新周期長(zhǎng)、大量消耗人力物力等缺點(diǎn)。隨著地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于WebGIS的水文站信息系統(tǒng)在我國(guó)水利信息化建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用，如董玲燕[1]利用WebGIS技術(shù)建立的水電站水資源管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水電站的信息管理，空間統(tǒng)計(jì)等功能。李雅麗[2]等基于WebGIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)的集成管理，包含數(shù)據(jù)的分級(jí)可視化顯示、圖文查詢和統(tǒng)計(jì)分析等功能。

近幾年WebGL、虛擬仿真技術(shù)飛速發(fā)展，Web3D技術(shù)與GIS技術(shù)相結(jié)合而形成的WebGIS已成為水文信息可視化發(fā)展的一個(gè)重要方向。Cesium便是一種輕量級(jí)的開(kāi)源三維WebGIS開(kāi)發(fā)框架，可以集成不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，如OpenStreetMap、Bing Maps、ArcGIS地圖服務(wù)、天地圖和標(biāo)準(zhǔn)圖像文件，用戶可以方便地對(duì)Cesium三維地球加載的圖層進(jìn)行GIS地圖基本操作[3-4]。開(kāi)發(fā)人員可針對(duì)不同領(lǐng)域、不同層次用戶需求，在Cesium原有功能基礎(chǔ)上進(jìn)行定制構(gòu)建基于WebGIS的三維數(shù)字地球可視化系統(tǒng)[5-6]。杜鵬[7]基于 HTML5 和 WebGL 技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的氣象三維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字地球表面地理信息數(shù)據(jù)的疊加顯示以及量測(cè)、空間查詢等 GIS 功能。闞文生[8]基于 Cesium 數(shù)字地球平臺(tái)，綜合運(yùn)用 Echarts 等開(kāi)源技術(shù)，在 Internet 環(huán)境下進(jìn)行全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)二維、三維可視化。

本文提出基于Cesium的WebGIS水文站點(diǎn)信息管理系統(tǒng)，不僅具備WebGIS跨平臺(tái)、易共享、維護(hù)方便等特性，還能通過(guò)Cesium在三維地圖上自定義加載遙感影像等空間數(shù)據(jù)和水文站點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水文站點(diǎn)空間信息和屬性信息二、三維一體化存儲(chǔ)、管理、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能，并結(jié)合前端Echarts圖表技術(shù)對(duì)統(tǒng)計(jì)查詢結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化展示，為水文站點(diǎn)信息的高效管理和位置合理布局提供決策支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

水文站點(diǎn)信息管理系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分為5層，分別是用戶層、應(yīng)用層、邏輯層、數(shù)據(jù)層和支撐層[9]。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

用戶層主要可分為普通用戶、管理用戶、維護(hù)用戶。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)用戶角色的權(quán)限分配，普通用戶負(fù)責(zé)系統(tǒng)的使用，包括水文站點(diǎn)的三維地球場(chǎng)景瀏覽，系統(tǒng)各模塊功能使用等。管理用戶主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的用戶、角色、權(quán)限設(shè)置與管理。維護(hù)用戶主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)庫(kù)備份等。

應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的圖形界面展示。本文研究利用Vue前端框架結(jié)合Cesium設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字地球WebGIS平臺(tái)，其中利用編寫(xiě)好的Vue功能組件，完成系統(tǒng)的界面布局設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)基本的交互功能；基于Cesium官方提供的開(kāi)源接口嵌入Vue框架完成Web端三維數(shù)字地球的加載。用戶通過(guò)前端功能菜單界面對(duì)三維數(shù)字地球可視化系統(tǒng)進(jìn)行交互，后端服務(wù)器會(huì)接收用戶的請(qǐng)求并及時(shí)完成響應(yīng)，在前端界面展示符合用戶需求的水文站點(diǎn)信息可視化結(jié)果。

邏輯層由負(fù)責(zé)前端功能交互的代碼和后端服務(wù)環(huán)境配置兩部分組成，是整個(gè)三維數(shù)字地球可視化系統(tǒng)的核心部分，構(gòu)成基于異步響應(yīng)的單頁(yè)面程序[10]。程序前端模塊功能代碼都有各自對(duì)應(yīng)的功能組件組合而成，它們由Vue前端框架結(jié)合其他前端開(kāi)源技術(shù)共同編寫(xiě)。這些功能組件通過(guò)傳遞前端用戶的交互請(qǐng)求，無(wú)需對(duì)前端界面進(jìn)行刷新[11]，與后端服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)后端存儲(chǔ)的水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)在前端三維數(shù)字地球上可視化展示、空間查詢與統(tǒng)計(jì)、圖層管理等功能，其中后端服務(wù)器包括Tomcat應(yīng)用服務(wù)器和Geoserver地圖服務(wù)器。

數(shù)據(jù)層主要是存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)，可通過(guò)SQL Server或oracle對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理。它可以根據(jù)前端用戶的界面交互請(qǐng)求，將相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)反饋給邏輯層，是整個(gè)三維數(shù)字地球可視化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心。本文研究的系統(tǒng)數(shù)據(jù)層主要包括衛(wèi)星遙感影像、DEM數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，研究區(qū)域行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、等矢量、柵格空間數(shù)據(jù)，另外則是用于解釋空間數(shù)據(jù)附帶的屬性數(shù)據(jù)。

支撐層是系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的基本保障，主要包括操作系統(tǒng)、專用網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器集群等支持系統(tǒng)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)、軟硬件環(huán)境。

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容

水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)大致由非空間與空間數(shù)據(jù)組成，空間數(shù)據(jù)包含站點(diǎn)所在區(qū)域的衛(wèi)星影像柵格和行政區(qū)劃等地圖數(shù)據(jù)。因?yàn)榭臻g數(shù)據(jù)都是通過(guò)Geoserver服務(wù)器發(fā)布，無(wú)需存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此本文數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要包含系統(tǒng)用戶角色資料數(shù)據(jù)、水文站點(diǎn)相關(guān)的屬性字段數(shù)據(jù)和描述地圖數(shù)據(jù)信息的屬性數(shù)據(jù)等一系列非空間數(shù)據(jù)，具體說(shuō)明如下。

(1)用戶資料數(shù)據(jù)。對(duì)系統(tǒng)角色分別賦予相應(yīng)的數(shù)據(jù)和功能執(zhí)行權(quán)限，并可進(jìn)行相關(guān)操作。用戶在使用系統(tǒng)前，都需要使用特定賬號(hào)登錄，不同賬號(hào)用戶會(huì)匹配不同角色權(quán)限，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)分配的權(quán)限限制每個(gè)用戶的功能使用。因此，用戶資料數(shù)據(jù)保存了所有用戶角色的相關(guān)信息。

(2)空間數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)。遙感影像、矢量地圖和高程地形圖同樣包含各自的屬性信息，比如保存在Geoserver服務(wù)器中WMS數(shù)據(jù)同樣存在中英文名稱、起始顯示級(jí)別、URL、版本號(hào)，這些信息在調(diào)用地圖時(shí)都需要通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)提前存儲(chǔ)好的數(shù)據(jù)來(lái)獲取。

(3)水文站點(diǎn)數(shù)據(jù)。因?yàn)楸疚南到y(tǒng)是對(duì)水文站點(diǎn)進(jìn)行管理，需要對(duì)水文站點(diǎn)的空間分布進(jìn)行可視化展示，其數(shù)據(jù)信息包括站名，地址，站點(diǎn)類型，經(jīng)緯度坐標(biāo)等相關(guān)屬性信息。根據(jù)水文站點(diǎn)信息可視化需求，本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)分包含的數(shù)據(jù)表主要有：用戶角色表、WMS圖層表、水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)表。

1.3 功能模塊設(shè)計(jì)

基于Cesium的WebGIS水文站點(diǎn)信息管理系統(tǒng)，根據(jù)不同用戶使用需求，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)主要包括三維地球場(chǎng)景展示、水文站點(diǎn)查詢、水文站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)、水文站點(diǎn)編輯、角色權(quán)限5個(gè)模塊，各模塊又由若干子模塊組成，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)示意圖

水文站點(diǎn)信息管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

(1)三維地球展示模塊。該功能模塊主要提供對(duì)三維數(shù)字地球場(chǎng)景的加載和瀏覽功能。其中，圖層管理提供豐富的圖層控制功能，如衛(wèi)星圖、三維高程圖、2D平面圖等，用戶還可以自定義控制需要顯示的圖層，支持創(chuàng)建圖層、創(chuàng)建圖層組、加載圖形，對(duì)地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)操作等。場(chǎng)景設(shè)置則是通過(guò)勾選、調(diào)節(jié)地形、霧、白天黑夜、大氣層色調(diào)、飽和度、亮度、狀態(tài)欄等狀態(tài)，調(diào)節(jié)三維數(shù)字地球場(chǎng)景的顯示效果。

(2)站點(diǎn)查詢模塊。該功能模塊主要通過(guò)屬性查詢、范圍查詢、緩沖區(qū)查詢操作實(shí)現(xiàn)對(duì)水文站點(diǎn)信息的查詢結(jié)果與三維視窗交叉定位顯示。

(3)站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)模塊。該功能模塊根據(jù)緩沖區(qū)統(tǒng)計(jì)、范圍統(tǒng)計(jì)、屬性統(tǒng)計(jì)菜單操作實(shí)現(xiàn)對(duì)水文站點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并可將統(tǒng)計(jì)結(jié)果通過(guò)餅狀圖、柱狀圖、折線圖進(jìn)行可視化分析展示。

(4)站點(diǎn)編輯模塊。該功能模塊針對(duì)地圖中顯示的水文站點(diǎn)進(jìn)行編輯，可進(jìn)行坐標(biāo)變換及刪除操作。

(5)角色權(quán)限模塊。從保障系統(tǒng)安全的角度出發(fā)，對(duì)登錄系統(tǒng)用戶角色進(jìn)行功能使用權(quán)限分配。通過(guò)不同用戶分配不同的角色權(quán)限，可以限制每個(gè)用戶可操作的系統(tǒng)功能范圍，包括站點(diǎn)查詢、統(tǒng)計(jì)、編輯等功能的使用。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

地理數(shù)據(jù)是用一定的測(cè)度方式描述直接或間接關(guān)聯(lián)著相對(duì)于地球某個(gè)地點(diǎn)的數(shù)據(jù)[12]，本文系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用的地理數(shù)據(jù)有，湖北省宜昌市水文站點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)，宜昌市行政區(qū)劃圖、天地圖遙感影像、DEM等基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)，規(guī)范化處理后的專題屬性數(shù)據(jù)。前兩者通過(guò)Geoserver服務(wù)器發(fā)布，后者專題屬性數(shù)據(jù)借助Excel、Access等工具導(dǎo)入Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，屬性字段既包括站名、監(jiān)測(cè)河流名稱、地址、站點(diǎn)經(jīng)緯度等非空間屬性又有經(jīng)度、緯度空間屬性。Cesium平臺(tái)以二維和三維的兼顧方式描述地理空間信息，將非空間數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)建立關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全球任意范圍內(nèi)多源地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、查詢、共享[13-14]。基于Cesium的WebGIS水文站點(diǎn)信息管理系統(tǒng)的主用戶界面系統(tǒng)的主要功能包括地圖操作功能、水文站點(diǎn)查詢功能、水文站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析功能、用戶權(quán)限控制功能，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主用戶界面

2.1 地圖操作功能

整個(gè)系統(tǒng)地圖操作功能包括地圖顯示、圖層管理、場(chǎng)景設(shè)置。

(1)地圖顯示，實(shí)現(xiàn)過(guò)程用到由Geoserver服務(wù)器發(fā)布的WMS和WFS影像服務(wù)，前端利用Cesium API調(diào)用WMS和WFS，從而在三維數(shù)字地球中呈現(xiàn)遙感影像地圖。其中WMS調(diào)用只需在代碼中添加對(duì)應(yīng)服務(wù)即可，WFS 則提供地理數(shù)據(jù)圖層可視化服務(wù)[15]，水文站點(diǎn)疊加后圖層實(shí)際顯示效果如圖4所示。

圖4 圖層疊加顯示效果

地圖基本操作包括基于三維數(shù)字地球的地圖顯示、漫游、縮放和圖層選取，鼠標(biāo)左鍵選中地圖，通過(guò)長(zhǎng)按鼠標(biāo)左鍵控制其上下左右移動(dòng)就可以同步對(duì)三維地圖進(jìn)行移動(dòng)查看。滾動(dòng)鼠標(biāo)的滾軸即可縮放地圖，放大看地圖的細(xì)節(jié)，縮小看整個(gè)三維數(shù)字地球。點(diǎn)擊地圖中的水文站點(diǎn)圖標(biāo)要素，可彈出其對(duì)應(yīng)的屬性框，點(diǎn)擊顯示水文站其對(duì)應(yīng)屬性彈窗的效果，屬性窗口展示的字段包括測(cè)站名稱，所屬河流、水系、流域名稱，經(jīng)緯度坐標(biāo)和地址等。

(2)圖層管理，主要提供對(duì)所有加載到當(dāng)前視圖的數(shù)據(jù)圖層進(jìn)行管理，通過(guò)圖層管理面板，用戶可以對(duì)三維數(shù)字地球展示圖層進(jìn)行切換操作，同時(shí)還可以控制當(dāng)前視圖的數(shù)據(jù)圖層顯示與隱藏。

(3)場(chǎng)景設(shè)置，主要針對(duì)三維數(shù)字地球場(chǎng)景的地圖三維效果進(jìn)行調(diào)整設(shè)置。通過(guò)點(diǎn)擊2D/3D來(lái)控制三維數(shù)字地球場(chǎng)景的二維/三維顯示模式，勾選霧、白天黑夜、大氣層色調(diào)、飽和度、亮度等狀態(tài)欄，來(lái)調(diào)節(jié)三維場(chǎng)景的顯示效果，系統(tǒng)3D模式下，顯示效果如圖5所示。

圖5 地圖三維顯示模式

2.2 水文站點(diǎn)查詢

本文的水文站點(diǎn)查詢功能可通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)查詢信息的提取，并將提取的范圍信息與三維數(shù)字地球進(jìn)行聯(lián)動(dòng)顯示，從而滿足可視化應(yīng)用需求。在本文研究中，查詢菜單包括屬性查詢、范圍查詢及緩沖區(qū)查詢。其中屬性查詢包含水文站點(diǎn)管理機(jī)構(gòu)和普通站點(diǎn)查詢。管理機(jī)構(gòu)的查詢條件包含管理機(jī)構(gòu)編碼和名稱，兩者可聯(lián)合查詢；普通站點(diǎn)的查詢除了自身名稱外還可以基于其管理機(jī)構(gòu)的編碼和名稱進(jìn)行聯(lián)合查詢。屬性查詢結(jié)果還具備字段過(guò)濾顯示、屬性查看、刪除、編輯、定位、報(bào)表導(dǎo)出Excel功能。基于Cesium也實(shí)現(xiàn)了常用的幾何條件查詢，即范圍查詢功能。它包括多邊形、圓形、矩形3種查詢方式，三者都以操作的空間范圍作為限定條件進(jìn)行查詢。用戶在地球上用鼠標(biāo)繪制多邊形、圓形或者矩形框，查詢繪制區(qū)域范圍的圖層要素信息，并將查詢結(jié)果與地球進(jìn)行聯(lián)動(dòng)彈窗顯示。例如，基于用戶繪制的多邊形范圍，多邊形查詢結(jié)果包含3類，分別為雨量站、水文測(cè)站、水位站。

2.3 水文站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

水文站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)是本文水文站數(shù)據(jù)可視化的核心功能之一，統(tǒng)計(jì)功能是基于上述水文數(shù)據(jù)查詢功能基礎(chǔ)上，再結(jié)合Echarts前端插件個(gè)性化定制圖表[16]，對(duì)查詢的屬性結(jié)果進(jìn)行數(shù)量計(jì)算，然后可以自由選擇進(jìn)行餅圖、條形圖、折線圖等可視化展示方式。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊包含屬性、范圍、緩沖區(qū)3種統(tǒng)計(jì)可視化方式。以緩沖區(qū)統(tǒng)計(jì)為例，本文系統(tǒng)緩沖區(qū)，目前只支持點(diǎn)狀緩沖區(qū)統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)緩沖區(qū)統(tǒng)計(jì)的實(shí)現(xiàn)效果如圖6所示。

圖6 緩沖區(qū)統(tǒng)計(jì)

首先輸入點(diǎn)緩沖區(qū)范圍參數(shù)(半徑50000m)，然后基于范圍內(nèi)的查詢結(jié)果進(jìn)行圖形可視化展示，根據(jù)處在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的站點(diǎn)，彈出窗口面板對(duì)各站點(diǎn)類型數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并展示。

2.4 系統(tǒng)權(quán)限管理

系統(tǒng)權(quán)限管理就是系統(tǒng)根據(jù)用戶類型，設(shè)定不同的數(shù)據(jù)權(quán)限，用戶登錄系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定用戶的數(shù)據(jù)操作權(quán)限。用戶可用相應(yīng)是權(quán)限對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增加、刪除、修改、查詢等操作。用戶操作數(shù)據(jù)的權(quán)限按“用戶—角色—權(quán)限”進(jìn)行，一個(gè)用戶一般只創(chuàng)建一個(gè)帳號(hào)，個(gè)別用戶可以創(chuàng)建2個(gè)或多個(gè)帳號(hào)，角色可以按部門進(jìn)行劃分和授權(quán)，一個(gè)用戶帳號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)角色，角色可以分配一個(gè)權(quán)限，2個(gè)權(quán)限，甚至全部權(quán)限。本文水文站點(diǎn)信息管理系統(tǒng)的權(quán)限控制模塊包含3個(gè)功能，分別是部門管理、用戶管理、角色管理三大塊。

其中用戶管理與部門管理類似，主要基于用戶層面對(duì)用戶角色進(jìn)行維護(hù)，而角色管理是針對(duì)系統(tǒng)每個(gè)角色進(jìn)行權(quán)限分配，系統(tǒng)功能權(quán)限的控制主要通過(guò)在對(duì)應(yīng)的樹(shù)狀功能條目上進(jìn)行勾選與不勾選狀態(tài)，然后根據(jù)修改的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)保存，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)權(quán)限的控制，包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、屬性查看、定位等功能的權(quán)限分配。

3 結(jié)論

本文基于Cesium構(gòu)建的三維數(shù)字地球可視化系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)了與系統(tǒng)界面交互聯(lián)動(dòng)的

WebGIS站點(diǎn)信息管理，主要包括三維數(shù)字地球地圖顯示模塊、水文站點(diǎn)信息查詢模塊、水文站點(diǎn)信息統(tǒng)計(jì)模塊和系統(tǒng)權(quán)限管理模塊。以宜昌水文站點(diǎn)的管理進(jìn)行實(shí)踐，結(jié)果證明該系統(tǒng)能夠滿足水文部門相關(guān)用戶的基本需求，為推動(dòng)水利行業(yè)信息化建設(shè)提供有效的技術(shù)支持。