基于服務聚合和擴展技術的廈門港多源地理信息共享平臺應用

■林曉彬 黃建明 管孝漢

（福建省港航管理局勘測中心，福州 350004）

廈門港是我國綜合運輸體系的重要樞紐、集裝箱運輸干線港、東南國際航運中心和對臺航運的主要口岸，同時也是我國著名的人工港，其航道、港池及調頭區多為人工開挖，在航道疏浚維護過程中積累了海量的港口航道數據、船舶航行數據、港口支撐系統數據等， 其中港口水文數據、 航道水深數據、港區陸域數據主要以二維方式存儲和使用，并分散在各相關管理部門和碼頭企業， 數據的可視性、交互性不足，數據格式多源且服務模式單一、數據更新不及時， 各單位和部門建立的地理信息服務相互獨立不能相互調用， 已不能滿足廈門港日益復雜的實時立體化的港口航道監管需求。 隨著廈門港船舶交通流量的快速增長， 廈門港正在由數字港口向智慧港口發展， 對港口地理信息服務的要求越來越高。 從港口運行安全、船舶通航保障到港口企業公眾服務，都迫切需要利用三維GIS技術、BIM 技術、物聯網技術等最新的信息技術建立統一完善的三維地理信息場景[1]，通過GIS 服務聚合和擴展， 實現廈門港多源地理信息的高效管理和利用。

針對以上問題，本文提出多源地理信息共享技術，融合廈門港多源數據，研究了統一框架下多源異構數據的動態顯示方法，將多源異構數據、分布式應用和服務采用Cesium 框架聚合共享， 采用簡單對象訪問協議（SOAP）進行數據傳輸，緊密結合廈門港航管理業務，自主開發地圖服務引擎，封裝構建地理信息調用服務，實現廈門港三維地理信息系統跨部門、跨平臺共享，并基于此服務搭建專題應用，提高廈門港三維地理信息共享、集成、開發的效率。

1 系統關鍵技術實現

1.1 多源異構數據融合技術

廈門港運維數據高維異構、總量巨大，主要包括航道、碼頭泊位的安全監測類、疏浚施工類、報表統計類的結構化數據，以及港航地理信息、潮位、氣象水文、文本、視頻類等非結構化數據。 系統對數據的時效性要求不一，安全監測、潮位、氣象水文數據的實時性要求高，要求實時感知、傳輸入庫；對于港航地理信息數據、三維模型數據、施工文檔、報表等時效性要求一般的數據需采用不同方法進行融合集成。

實時動態類的流式數據，根據不同數據源的數據結構類型、數據規范、數據交換協議等，采用分布式消息系統，經過數據轉換、數據清洗、數據去噪等預處理后，再通過屬性追加、空間匹配和格式轉換，實現數據的融合使用。 對于視頻類數據處理可通過國標協議和流傳輸協議與前端設備或平臺進行對接實現實時視頻流的接入、轉發、分析、結構化及云鏡控制等。

1.2 GIS 服務聚合和對象擴展技術

為滿足廈門港地理信息平臺的多樣化數據分析需要，采用GIS 服務聚合技術，將已有GIS 地圖服務與需要開發的GIS 數據服務聚合，將多源異構數據、分布式應用系統融合，開發基于Rest 架構的Web Service 接口，結合基于注冊中心的服務搜索機制， 在客戶端采用Ajax 技術實現廈門港三維地理信息共享平臺的服務調用和服務聚合[2]，實現多源數據的網絡發布和服務共享。

基于港口航道地理信息系統建設的業務邏輯，需要采用空間統計對港航數據進行統計，已有地圖服務主要提供地圖瀏覽、距離和面積測量等基本分析功能，缺乏針對空間統計和分析的功能，為了高效安全的實現空間統計，本文采用SOE 服務對象擴展技術擴展GIS 空間統計服務，通過REST 服務調用實現GIS 服務對象擴展[3]，保證廈門港三維多源地理信息系統滿足港航管理多源異構數據的分析和處理。

1.3 二三維一體化技術

廈門港多源地理信息共享平臺基于WebGIS 可視化技術及模型渲染技術[4]，結合開源JavaScript 庫Cesium 技術和二維地圖類庫ArcGIS API for JavaScript 中底層數據的轉換、數據接口封裝以及功能擴展，將二維地圖數據的分析計算和三維模型數據的展示相結合，實現二三維港口地理空間數據的聯動顯示、更新和數據分析結果的同步，并能夠無縫集成基于OGC 標準的地圖服務， 實現二三維一體化的多源地理信息共享平臺建設。

2 系統設計

2.1 系統總體架構

廈門港多源地理信息共享平臺面向不同業務需求，結合物聯網、三維GIS 技術，融合港區及航道測繪存量數據和增量感知數據，提供航道與碼頭港區三維可視化場景專業應用，建設廈門港地理空間數據庫及三維共享平臺，為數據共享、數據交換和業務協同提供數據支撐。 系統采用B/S 架構和Spring 框架[5]，系統總體架構（圖1）從感知層、基礎設施層、數據層、平臺驅動層和應用層等方面進行，具體包括如下。

圖1 系統總體架構

（1）感知層：主要包括航標遙測遙控終端、橋梁凈高監測及防碰撞預警、高清視頻監控終端、船舶流量監測、流速流向監測、實時潮位監測設備等，通過物聯網感知技術實現港口航道要素實時感知；（2）基礎層：依托已有的網絡體系、服務器、存儲設備、支撐軟件、安全保障體系等軟硬件基礎設施，為平臺運行提供必要的運行環境與支撐保障[1]；（3）數據層：組成系統的各類數據資源庫，主要以歷年航道測繪數據、港口地理空間數據、全景影像數據和實景三維數據為數據源，結合增量感知數據，建立三維場景模型庫，融合基礎地理信息數據庫二維港口航道測繪數據，為系統建設提供數據支撐；（4）平臺驅動層：集合了三維數據生產制作、數據更新及數據共享的功能與服務，通過對三維航道模型數據進行生產與統一管理， 構建三維地圖服務接口，實現三維基礎地理信息數據服務發布， 包括WMS、WFS、WMTS 等的發布和接入， 以及專業的地理信息分析服務，為系統運轉提供二三維GIS 基礎平臺支撐；（5）應用層：通過構建廈門港地理信息共享平臺，為廈門港海事及港航管理部門提供航道三維地圖、綜合航道測繪信息查詢統計、三維空間分析等服務，建成港口航道數據服務標準接口，面向港口、船舶等提供港航數據標準接口服務， 促進海事、港口、水利、氣象等航運數據共享融合、分析應用，初步形成廈門地理信息生態圈。

2.2 系統功能設計

廈門港多源地理信息共享平臺基于港口水下地形數據生產與管理、三維GIS 地圖服務及港口感知數據信息服務等業務需求，廈門港三維地理信息共享平臺主要包括：數據采集入庫管理系統、三維模型生成系統、三維數據發布系統、三維地圖綜合應用子系統。

2.2.1 數據采集入庫管理系統

通過水深測量、無人機攝影測量、遙感測繪等方式獲取測繪數據，或通過物聯網多種傳感裝置及現場智能設備實時采集數據， 使不同數據類型、格式和來源的數據能夠以自動或人機交互方式進行轉換，并對提交的測繪成果進行檢驗[6]，形成規范化格式的測繪成果數據，對港口航道管理的各類電子資料（包括文檔、圖片、視頻等）進行統一管理，實現在線瀏覽。 根據港口航道維護實際需求，空間數據根據業務功能和數據權限以Web Service 方式提供數據接口，實現數據的共享和利用。 數據采集入庫流程如圖2 所示。

圖2 數據采集入庫流程

2.2.2 三維模型生成與發布系統

建立港口航道三維模型，研究基于水深點三維模型自動更新算法，實現港口航道水下地形持續更新，通過三維模型自動更新模塊設計開發，實現基于每次水深測量數據的模型自動更新， 并將歷史模型存儲，實現三維模型的查詢統計、數據生成及管理。

2.2.3 三維地圖綜合信息服務系統

依托三維航道系統，通過綜合研判航道感知泛在物聯采集的航道、視頻圖像、水文氣象數據，利用大數據分析及挖掘技術建設航道業務智能處理與分析預測應用，圍繞協同運行、安全監測、應急指揮等業務場景，提供在線二三維一體化港口航道信息服務。

3 系統開發

廈門港多源地理信息共享平臺建設主要包括數據資源建設、三維基礎平臺建設、三維應用系統建設3 個部分。 數據資源建設以廈門港航道建設與維護過程中積累的水深地形數據為基礎數據源，建立三維空間數據庫， 通過無人機傾斜攝影技術、無人機激光雷達技術、 水下三維掃描技術建立港口、碼頭、橋梁、航標等重點港區監管設施的高精度三維模型[7]；三維基礎平臺建設包括共享平臺構建所必須的基礎硬件、軟件和網絡運行環境，廈門港多源地理信息共享平臺采用MySQL 數據庫作為基本數據庫管理平臺， 采用Cesium 開源三維GIS 開發框架，建立面向服務的體系架構（SOA）[8]，通過分析感知網絡采集的航道、視頻圖像、水文氣象數據，利用大數據分析及挖掘技術建設航道業務智能處理與分析預測應用，圍繞協同運行、安全監測、應急指揮等業務場景， 提供在線二三維一體化的地圖服務。 三維應用系統建設主要包括三維模型生成、三維數據管理與發布及三維應用系統功能開發，最終實現廈門港三維港口航道GIS 服務、綜合港航測繪數據服務目標。

4 系統功能實現

4.1 系統開發運行環境

軟件平臺采用Windows 10 操作系統， 服務器端采用Apache Tomcat8.5 和Java 1.7 運行環境支撐，數據庫管理軟件采用MySQL 5.5。系統采用Java開發語言和Eclipse 開發工具， 實現數據共享接口統一開發和平臺界面人性化設計，具有在線地圖展示、空間分析、動態展示和系統管理等功能。

4.2 系統主要功能模塊

系統主要功能模塊包括：（1）二三維綜合信息查詢。 在三維可視化的環境下有效展示水文氣象、錨地、航道、通航設施、礙航物、港口支持系統等專題數據，生成查詢結果統計圖，如圖3 所示。 （2）實時水深信息查詢。 通過接口訪問實時潮位在線服務系統及水文系統，實現三維環境下對水文水深信息的實時監控，實時水深信息如圖4 所示。 （3）船舶通航預警。 通過三維模型和實時潮位及AIS 數據，顯示船舶吃水和航道實時水深情況，分析船舶適航范圍，提高航道預警能力和通航效率，船舶通航預警如圖5 所示。（4）港口航道三維空間分析。調度歷史航道模型， 進行歷史航道的斷面分析、沖淤分析（圖6）、等高線分析、清淤土方計算等。（5）工程施工管理。 實現施工數據管理，將歷年建設資料、地質資料、施工方案以三維形式直觀展示，通過系統對施工船舶進行實時監測。 （6）礙航物管理。 基于水沙運動、洲灘變形、航槽調整等預測數據，預測將會出現的礙航問題。

圖3 二三維綜合信息查詢

圖4 實時水深信息查詢

圖5 船舶通航預警

圖6 沖淤分析

5 結語

本文根據廈門港基礎地理信息數據共享的難點，提出了一種基于服務聚合和對象擴展技術的多源地理信息共享總體架構，具體描述了平臺的設計框架、功能設計、標準體系、數據共享模式等內容。共享平臺的建設能夠極大地促進廈門港口航道地理信息的共享水平，有效降低了“信息孤島”和“煙囪式”系統建設，為智慧港口和智慧航道建設提供數據支撐。

共享平臺的建設對港口運行維護和安全監管提供了積極有效的途徑， 對港航管理業務效率、科學決策管理水平的提升具有重要意義。 同時，隨著存量測繪數據的入庫和增量感知數據的匯集，還需繼續建立健全港航地理信息標準體系， 融合大數據、物聯網、北斗等新興技術，為廈門港智慧港口建設提供更豐富、更安全的數據共享模式。