水利基礎設施空間布局“一張圖”管控平臺建設研究與設計

宮留留 管林杰 楊坤 李曉飛

摘要：為有效銜接國土空間規劃編制，根據管控平臺實際需要，研究并建立了水利基礎設施空間布局管控的標準、規范和體系，完成了空間數據庫的設計，并研究了矢量切片技術實現動態地圖服務和空間大數據存儲與快速檢索技術。該平臺采用了B/S架構，利用地理信息系統、數據庫、H5等技術設計并開發，實現了面向全國的統一數據存儲、快速可視化展示、數據動態更新及快速檢索等功能。研究成果可為統一水利空間用途管控、規劃編制審批、實施監督管理提供平臺支撐。

關鍵詞：水利基礎設施; 空間布局規劃; 管控平臺; 矢量切片; 空間大數據

中圖法分類號：TV212 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.017

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0092 - 05

0 引 言

為貫徹落實國家對水利空間規劃編制的要求，2019年10月9日，水利部在北京組織召開“水利基礎設施空間規劃”專題會議，會上提出了2020年要基本完成中國、流域、省級水利基礎設施空間布局規劃編制，并做好與國土空間總體規劃的銜接。以劃定涉水生態空間、優化水利基礎設施總體布局、推進水生態系統保護和修復為重點，將重要涉水生態空間與水利基礎設施空間布局落到國土空間“一張圖”上，依托“一張圖”管控平臺，落實涉水空間協調與管控措施要求[1]。

目前，國土空間規劃由自然資源部統一規劃部署，經過近年來的建設，自上而下地完成了國土空間基礎信息平臺和”一張圖“實施監督信息系統的建設，整合了各類國土空間基礎數據，形成了覆蓋中國、上下貫通、動態更新的國土空間規劃“一張圖”。水利空間規劃由水利部統一牽頭，系統建設起步較晚，目前也存在部分平臺設計方案，如由姚志武等[2]設計的國土空間規劃下水利基礎設施信息管理平臺。但是，大多數平臺在面向中國范圍的管控設計方面存在不足。① 平臺對C/S端系統進行設計，系統擴展性差，不能滿足快速訪問的需求;② 對中國范圍的統一管控考慮略有不足，不能滿足當下要求。因此，本研究圍繞中國水利基礎設施標準規范體系建設、數據存儲與數據庫建設、應用支撐服務平臺及業務應用等，設計、開發了面向中國的水利基礎設施空間布局“一張圖”管控平臺（以下簡稱“平臺”）。

1 研究內容

為滿足中國水利基礎設施的統一獲取、整合、存儲、管理與應用，本著“實用先進、安全可靠、標準規范、開放擴展”的建設目標，平臺主要研究內容如下。

（1） 依據《水利基礎設施空間布局規劃落圖技術要求》，平臺數據涉及三大類，36個二級類，70個三級類，共70個水利基礎設施管控對象，因此需建立一套面向中國水利基礎設施空間布局管理的標準、規范和體系[3]。

（2） 根據水利基礎設施空間規劃成果中各類數據的類型特征、數據規模與存儲要求，設計數據庫表結構及其存儲模式，制定空間對象與非空間對象的統一編碼規則，建立一套面向中國的、統一的水利基礎設施空間布局數據庫[4]。

（3） 由于數據范圍廣，數據量巨大，以及客戶端的性能限制，地理空間數據的快速可視化展示對平臺提出了嚴格要求，研究矢量切片技術及基于矢量切片的地圖服務動態更新至關重要。

（4） 在數據快速可視化的基礎上，研究如何快速進行地理空間數據的空間檢索，進一步提高用戶體驗，研究基于Elastic Search技術建立分布式空間大數據的存儲與檢索。

（5） 根據平臺建設需求，開發面向中國的水利基礎設施空間布局“一張圖”管控平臺，實現對中國范圍的水利基礎設施的統一管理。

2 技術路線

由于水利空間規劃涉及專業知識較深，功能結構復雜，未來的業務需求還存在諸多不確定性。因此，應本著“統籌規劃、分步推進，平臺優先、滾動拓展”的原則，分階段逐步開展專題建設。目前，主要以水利規劃信息收集、管理、分析和應用為基礎，匯集流域、省級水利基礎設施空間布局規劃成果資料，全面整合與水利基礎設施緊密關聯的規劃成果和數據資源，打造覆蓋中國、流域、省3級水利空間規劃業務應用技術體系，并以“一張圖”為基礎建設可配置的應用管理平臺。

根據目前階段“一張圖”管控平臺的建設需求，需要對錯綜復雜的數據進行信息資源整合，可按照基礎地理數據、規劃成果數據、規劃管控數據、規劃審批數據和業務管理數據等進行分類。同時，分別對規劃數據和管控平臺構建標準規范體系，并進行數據庫的建設工作。完成數據庫建設后，依托GIS軟件，以水利基礎設施空間規劃數據庫為基礎，制作與發布水利基礎設施空間布局電子地圖，建設水利基礎設施空間布局“一張圖”數據服務平臺以及成果展示應用，全面管理水利基礎設施空間布局規劃編制成果、規劃審批成果以及基礎地理數據。以“一張圖”數據服務平臺為基礎，完成水利基礎設施空間布局“一張圖”管控應用，提供規劃成果收集與更新、用地關聯分析、用地沖突檢測與處理、水資源承載力分析、空間適應性分析、規劃方案審查管理、規劃成果歸檔管理、規劃技術標準管理等應用。

3 系統設計

3.1 總體架構

面向中國的水利基礎設施空間布局“一張圖”管控平臺（圖1）由資源層、數據層、服務層、應用層、標準規范體系、安全保障體系共同構成。

（1） 資源層。分為基礎設施和數據資源，基礎設施資源包括存儲、網絡和計算資源，數據資源包括基礎地理數據、規劃成果數據、規劃管控數據、規劃審批數據和業務數據。

（2） 數據層。設置4個實體數據庫。基礎地理數據庫存儲行政區劃、居民、道路、水系等基礎地理數據;規劃成果數據庫存儲規劃文本、規劃藍圖和項目臺賬數據;規劃管控數據庫存儲水資源承載力、涉水生態空間、防洪基礎保障、水利工程等數據;規劃審批業務數據庫存儲規劃審批相關的業務數據。

（3） 服務層。包括數據服務和功能服務。數據服務采用GIS服務發布軟件進行發布，數據服務類型分為地圖服務、要素服務、OGC服務和影像服務等，通過后臺服務管理提供數據服務和計算服務。功能服務可采用WebGIS技術完成規劃數據瀏覽、專題圖展示、規劃圖打印輸出、地圖標繪、基礎數據查詢、綜合查詢等。

（4） 應用層。根據規劃業務需求，以數據服務平臺為基礎開發管控應用，可提供規劃成果收集與更新、用地關聯分析、用地沖突檢測與處理、水資源承載力分析、空間適應性分析、規劃方案審查管理、規劃成果歸檔管理、規劃技術標準管理等應用，實現貫穿規劃編制、審查、應用管理和實施監督等全環節的規劃應用。

3.2 技術選型

系統采用B/S的技術架構，為了提高開發效率，降低前端與后臺之間代碼的耦合程度，采用前端與后臺分離的開發模式，具體的技術選型設計如下。

（1） 前端框架。可選擇Vue.js進行頁面搭建，Vue是一套用于構建用戶界面的漸進式框架。與其他大型框架不同的是，Vue 被設計為可以自底向上逐層應用，組件可以重復利用，可大大提高開發效率，對出現的專題圖采用Echarts進行圖表渲染。

（2） 后臺框架。后端采用Java作為開發語言，以主流的SSM為核心技術框架搭建后臺服務，該框架包括Spring，SpringMVC和Mybatis。

（3） 數據庫選型。地理數據庫采用開源的PostGIS進行空間數據的存儲與管理，PostGIS數據庫符合并實現了OpenGIS的一些規范，是使用最廣泛的開源GIS數據庫之一，PostGIS提供了眾多空間分析接口服務，能夠滿足地理數據空間分析的要求[5]。業務數據庫采用關系型數據庫MySQL進行規劃審查管理、檔案歸檔管理及業務數據管理等數據的存儲，MySQL是目前最流行的關系型數據庫之一。

（4） GIS服務器。選擇GeoServer完成地理數據的服務發布，GeoServer是開源免費的，是用Java開發的GIS軟件服務器，允許用戶對地理空間數據進行編輯和共享，可對存儲在任何遵循開放標準的空間數據源的數據進行服務發布，并完成基礎地理數據、遙感影像數據的發布[6]。

（5） 地圖渲染引擎。采用OpenLayers完成地理數據的可視化展示，OpenLayers是開源免費的，并能夠基于此完成二次開發，擴展現有功能，并在客戶端完成各種地圖展示功能。

3.3 系統功能

平臺不僅要滿足數據整編及檢查入庫、地理信息數據服務和可視化展示，還需提供空間分析、水利專業分析等分析能力，同時滿足規劃方案審查管理、規劃成果歸檔管理和規劃技術標準管理等需求，具體系統功能設計如下。

（1） 數據整編及檢查入庫。根據數據資源體系對相關數據進行整編處理，對空間數據和非空間數據進行統一編碼，按照自動化檢查與人工檢查、屬性數據檢查與空間數據檢查相結合的原則開發相應的檢查入庫工具，展示未通過檢查的數據，提供數據修改建議，便于修改入庫。開發的數據處理工具見圖2。

（2） 地理數據服務和可視化展示。對入庫后的地理數據進行數據服務發布以及數據可視化的展示，提供規劃數據瀏覽、綜合查詢、地圖標繪與規劃圖打印輸出等地圖功能，以及服務管理、安全管理、系統監控、日志管理等地圖服務管理功能。

（3） 空間分析。提供基礎的空間分析能力，可對規劃成果空間數據進行沖突分析，比如用地關聯分析、用地沖突檢測分析等，支持對空間分析結果進行處理，可在地圖上以柱狀圖、餅狀圖等可視化手段對空間分析結果進行展示，清晰直觀，可以Excel或Word的形式導出空間分析結果。空間準入分析見圖3。

（4） 規劃方案審查管理。以工作流的形式構建規劃方案審查流程，完成規劃方案從預審、審查到批復全過程的審查管理，記錄規劃方案在每個階段的審查人員、單位、時間、進度等基本信息，同時提供規劃方案的綜合查詢功能。規劃方案審查統計見圖4。

（5） 規劃成果檔案歸檔管理。支持對規劃成果檔案的歸檔管理，根據角色權限配置，支持具有權限的人員進行對檔案的上傳、刪除、修改、預覽以及下載等操作，支持關鍵詞檢索、全文檢索、二次檢索以及組合條件檢索，可快速完成規劃成果檔案的檢索。規劃成果檔案歸檔見圖5。

（6）規劃技術標準管理。支持對規劃技術標準的管理，根據角色權限配置，支持具有權限的人員進行規劃技術標準的上傳、刪除、修改、預覽以及下載等操作，提供多條件的綜合查詢工具，便于完成規劃技術標準的查詢。規劃技術標準檢索見圖6。

4 關鍵性技術研究

4.1 矢量切片技術實現動態地圖服務

由于平臺是面向中國的管控平臺，需要整合中國各省、市、縣的基礎地理、成果、規劃成果等矢量數據，同時加載大量的遙感影像數據作為底圖進行顯示，具有數據量大、范圍較廣的特點，因此能夠滿足快速的地圖展示需求極其重要[7]。為解決柵格切片技術存在的問題，平臺采用矢量切片技術，該技術具有矢量數據和柵格切片的雙重優勢，且有數據體積更小、數據信息完整、客戶端可直接獲取屬性數據的特點。同時，樣式可以根據用戶需求進行改變和定制，且數據更新方便，具有實時性，還可根據用戶需要返回專題數據圖層，更加靈活。

然而，在實際使用過程中，大多數地圖服務的發布都以離散的數據作為來源。原因如下：①離散數據增加了數據管理的成本;②離散數據造成地圖服務不能及時動態更新。本研究采用地圖服務發布與數據庫直連，從數據庫獲取數據，建立數據庫與服務發布之間的動態關聯，只需改變數據庫內的存儲記錄就可實現前端地圖服務的動態更新與展示，不僅提升客戶端渲染速度，也解決了對大量空間矢量數據的渲染性能限制問題，實現了動態地圖服務的快速更新。

4.2 空間大數據存儲與快速檢索

本研究中的水利基礎設施數據庫涉及70張表，如何實現空間數據的存儲與快速檢索是平臺設計開發過程中亟需解決的問題。基于關系型數據庫的數據存儲在需要檢索字段很多或者數據量很大的情況下，會逐行、逐字段遍歷數據庫，過程耗時過長，且難以在速度上給用戶良好的體驗感，因此，既能滿足空間大數據的存儲要求，又能達到快速檢索的需要至關重要。

本平臺從關系型數據庫的建立出發，在此基礎上研究Elastic Search基于分布式的存儲方式，從而達到大量空間數據的快速檢索。通過實踐證明：普通關系型數據庫在一定程度上能夠滿足空間大量數據的存儲要求，能夠對海量空間大數據提供存儲管理;其次，通過采用Elastic Search對分布式數據庫的擴展支持，解決海量空間數據的存儲與解析難度的問題，能夠基于關系型數據庫完成復雜的空間數據快速檢索，同時不會產生數據冗余。

5 結 語

本研究對水利基礎設施的管控構建了一套標準、規范和體系，對水利基礎設施數據進行了規范化入庫，并根據實際項目需要，完成了平臺的設計與開發。在平臺實際開發過程中，對空間大數據的展示與檢索問題進行了研究，采用矢量切片實現動態地圖服務和空間大數據存儲與快速檢索技術，實現了空間數據范圍廣、數據量大的快速可視化和高效檢索。目前平臺已經完成開發工作，并在使用過程中得到了不斷地改進與優化，有助于使用單位順利開展水利空間用途管控、規劃編制審批、實施監督管理等工作。

參考文獻：

[1] ? ?蘭林. 芻議國土空間規劃水利專項規劃工作[J]. 水利規劃與設計，2021（11）：12-14，19.

[2] ? ?姚志武，管林杰，張鐘海，等. 國土空間規劃下水利基礎設施信息管理平臺設計[J]. 水利信息化，2021（3）：70-74.

[3] ? ?王慧，陳慧媛，熊娟. 國土空間總體規劃數據庫建庫與質檢問題研究[J]. 房地產世界，2021（18）：58-60.

[4] ? ?蔡陽. 關于水利信息化資源整合共享的思考[J]. 水利信息化， 2014（6）：1-6.

[5] ? ?盛凱，劉忠，周德超. 基于PostGIS的歷史航跡重演分析系統設計與開發[J]. 海軍工程大學學報，2017，29（5）：108-112.

[6] ? ?蔣佩伶， 苗放， 張峻驍. ?基于GeoServer和OpenLayers的WebGIS實現[J]. ?甘肅科技， 2009， 25（22）：33-34.

[7] ? ?李飛. 基于矢量切片的實時路況服務設計與實現[J]. 測繪與空間地理信息，2020，43（11）：96-99.

（編輯：唐湘茜）

Research and design of "one map" management and control platform

construction for national water conservancy infrastructure spatial layout

GONG Liuliu1，2，3， GUAN Linjie1，2，3， YANG Kun1，2，3， LI Xiaofei1，2，3

（1. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co. ， Ltd. ， Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Spatial Information Technology Company， Wuhan 430010， China; 3. Hubei Engineering Research Center of Hydroinformation Sensing and Big Data， Wuhan  430010， China）

Abstract：In order to effectively connect the preparation of land spatial planning， according to the actual needs of the management and control platform， we studied and established the standards， specifications and systems for the spatial layout management and control of water conservancy infrastructure， designed spatial database， and studied vector slicing technology to realize dynamic map service and spatial big data storage and rapid retrieval technology. Based on B/S architecture and employing geographic information system， database， H5 and other technologies in design and development， China-oriented unified data storage， rapid visual display， dynamic data update and rapid retrieval are realized. The study results can provide platform support for unified water conservancy spatial utilization control， planning preparation and examination-approval， and implementation of supervision and management.

Key words：water conservancy infrastructure; spatial layout planning; management and control platform; vector tile; spatial big data