寧夏地質數據共享服務平臺關鍵技術研究及應用

馬海濤，潘進禮，齊娟，余國良

(1.寧夏回族自治區核地質調查院，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏回族自治區地質局，寧夏 銀川 750021)

1 引 言

地質勘查工作在國民經濟與社會發展中具有強烈的基礎性和先行性特點，而地質基礎數據是國家組織完成地質調查工作任務后所形成的重要地學信息資源，對保障國家資源安全、生態環境保護、地質災害防治和支撐服務經濟社會發展具有重要意義[1]。海量地質數據也正在從綜合管理到數據挖掘與知識服務，再到通過平臺提供多元化、精準化服務方向轉變，地質數據已具備大數據4V特征[2～5]。而現有的GIS服務體系已無法滿足地質數據的管理需求，迫切需要構建地質大數據共享服務平臺，以現代信息技術手段為抓手，全面支撐國家重大戰略和自然資源中心管理工作，精心服務生態文明建設，同時滿足地勘業務管理、數據存儲管理、應用系統集成、網絡資源服務、地質數據綜合分析加工與利用的統一管理要求[6]。

地質大數據共享服務平臺旨在通過整合各類地質數據資源、集成各類專業應用系統，來構建地質數據處理與共享服務信息支撐體系、地質數據匯聚與產品應用服務體系，實現地質數據采集與管理、地質信息共享共用和業務協同管理，從而為新時期地質事業改革及高質量發展提供重要手段，也為政府、行業和公眾等在內的多元主體提供多元化地質信息服務和決策管理支持[7]。為此，基于大數據、“互聯網+”、云計算、遙感和GIS等技術最新發展趨勢，充分發揮地質數據資源的最大價值，實現地質數據的共享共用，構建寧夏地質數據共享服務平臺具有重要的現實意義[8]。

2 平臺建設

2.1 總體設計

平臺總體部署模式為：一平臺(局級)+多個專業數據庫(院級)，即“局級平臺院級庫”。通過建設一個集中式共享服務平臺和21個專業數據庫，實現全局地質數據集匯聚、采集、管理、展示和共享開放為一體的多層次服務協同管理窗口。

2.2 系統架構

以地質數據匯聚體系為主線，以“互聯網+”、云計算及其他信息技術為支撐，以機器學習、人工智能技術體系為核心，建立地質大數據共享服務體系；以安全防護體系、數據標準化建設為基礎，以服務體系與機制形成為保障，通過豐富地質數據產品，面向政府、行業和公眾形成綜合的地質數據信息共享服務能力[9]。根據建設需求，平臺整體架構如圖1所示，主要包括基礎層、數據層、應用支撐層、地質資料數據管理層和業務展現層。

圖1 平臺整體架構

2.3 技術架構

本系統技術架構從數據資源層、數據加工層、數據存儲層、數據訪問層、組建定制層、功能管理層和平臺接入層共7個方面進行了研究設計，技術架構如圖2所示。

圖2 平臺技術架構

2.4 功能設計

在設計平臺服務功能時，充分考慮了平臺必須具備可操作性、可擴展性和可共享性[10，11]。平臺總體服務功能框架見圖3，主要包括集中式軟硬件環境建設、基礎地質信息資源管理系統、地質數據采集管理系統、數據管理系統、平臺管理系統以及智能檢索查詢功能。

圖3 平臺總體服務功能框架

2.5 技術路線

本系統采用了符合SOA體系架構的設計思想[12]，采用組件式開發技術，通過RPC、JSON等耦合通訊方式形成完整的業務系統，采用JDBC實現對數據庫的存取，采用O-R Mapping確保公共數據庫的可擴展性，采用JSON和Web Service作為數據發布標準，采用元數據、數據映射、原生關系型數據庫等技術實現數據處理[13]。

系統架構設計采用B/S方式，以J2EE開放標準體系架構為基礎，搭載Linux操作系統，系統開發基于面向對象技術，采取可重用化的模塊設計方式進行設計，從而確保系統具有良好的可擴展性，同時系統還集成了GIS技術、Redis緩存技術、RESTful API系統設計技術、輕量級Sylla框架技術、地圖緩沖區技術、bootstrap框架技術、MVC框架技術和jQuery開發等基礎技術。

在此基礎上，還從以下幾方面進行了設計：①應用技術，主要從專題分析、動態查詢服務、身份認證、訪問控制等幾個角度進行了設計；②表現技術，為了達到靈活、直觀、科學、生動、易懂的效果，主要從報表、圖表、GIS等多個方面進行了設計；③數據庫技術，主要采用了面向對象的關系型空間數據庫設計思想，選擇數據庫PostgreSQL[14]，其中PostGIS可以和PostgreSQL數據庫完美結合，實現空間數據的一體化管理；④地理信息技術，地理信息系統軟件采用了GeoServer+PostGIS+天地圖系列，選擇GeoServer開源GIS服務器作為核心Server進行開發；⑤其他關鍵技術，如數據切分(垂直切分和水平切分)、服務拆分(橫向拆分和縱向拆分)、GIS服務(自動化發布圖層和圖層渲染)和空間服務(坐標自動轉換、空間數據存儲和地圖要素查詢)。

2.6 數據庫建設

地質大數據體系主要包括矢量數據、柵格數據、遙感影像數據、文本及圖件數據等多種形式。矢量數據以PostGreSQL物理表的形式存儲，影像數據、柵格數據、文本及圖件數據等以對象文件存儲。

通過采用集中管理方式進行一體化數據庫設計，參照統一的標準規范，根據數據模型進行構建。在統一的存儲框架下，建立各類數據庫集群，以滿足高并發、高吞吐的數據訪問和應用。

本平臺數據庫數據類型主要劃分為兩大類，即結構化數據和非結構化數據[15，16]，數據庫設計按照地質數據的不同應用分為以下類別，如表1所示。

表1 平臺數據類型及說明

3 平臺實現功能

本平臺實現功能主要分為兩大部分：①前臺門戶，共由10個功能模塊組成，即地質數據、成果資料、專題圖件、實物資料、應用系統、項目管理、地質科普、資料借閱、一張圖風格化及空間搜索；②后臺數據，包含3部分，即后臺用戶管理、后臺數據采集和后臺數據管理。

通過開發設計平臺功能模塊，初步實現了各類成果地質資料的在線瀏覽、查詢、統計和共享，以及從項目申報至成果匯交的全鏈條式綜合服務和地質數據資料一張圖集成共享功能，同時也對系統的界面及各項菜單功能，包括后臺數據采集、上傳和管理方式進行了優化設計和靈活定制，以達到便捷高效簡潔的操作使用目的，平臺主界面如圖4所示。

圖4 平臺主界面示意圖

4 平臺應用服務

4.1 地質數據GIS服務

平臺展示了14個專業數據庫的矢量數據，將不同類型的數據庫圖層進行統一的坐標及格式規范并發布地圖服務，針對矢量數據，在服務器配置系統建立關鍵字段字典、屬性字段查詢和分析配置，以天地圖為底圖，通過將各種類型地質圖層疊加，最終將瓦片數據展示在平臺界面，形成寧夏地質“一張圖”疊加展示和查詢服務。

基于對矢量數據的空間瀏覽，以空間數據形-性結合的形式，通過屬性查詢，更為詳細、豐富地表達空間矢量數據。通過開發數據查詢檢索功能，可以對指定區域所需數據或項目情況進行框選、多邊形等查詢。數據庫樹形結構如圖5所示，鉆孔數據庫屬性查詢如圖6所示。

圖5 數據庫樹形結構圖

圖6 鉆孔數據庫屬性查詢

4.2 成果資料檢索服務

成果資料主要包含成果目錄和成果報告兩大部分，成果目錄只包含項目基本信息，不掛實體數據；成果報告既包含項目基本信息，也掛有實體數據(如成果報告、附圖、附件、附表及數據庫等)。

成果目錄瀏覽界面包含匯交檔號、題名、編著者、有無實體、實體數量、匯交時間等信息，同時提供關鍵字段查詢檢索及其他高級檢索功能，如圖7所示；成果報告瀏覽功能主要針對匯交項目中掛有實體的成果資料進行綜合瀏覽。

圖7 成果目錄瀏覽功能示意圖

4.3 專業系統應用服務

專業應用系統模塊主要通過門戶展示接口集成在平臺上，提供了局屬各院專業系統的連接，技術人員通過該連接可以訪問各院專業系統并獲取所需服務。

(1)多源遙感數據分發服務系統：通過整合國家高分系列遙感衛星等多源立體空間數據獲取的網絡通道，滿足動態獲取覆蓋寧夏全境高分辨率空間數據的管理需求，完成海量空間數據資源庫建設，支持多源遙感數據整合獲取、管理、快速處理、智能提取、遙感解譯、應用展示、數據共享及分發服務的高分即時服務平臺。通過高效的索引技術，提高對高分遙感數據以及基礎地理信息數據的綜合利用，提供動態多樣化應用服務，系統主要功能包括服務門戶、數據查詢、數據申請和需求申請等，系統界面如圖8所示。

圖8 多源遙感數據分發服務系統

(2)銀川都市圈地質信息服務與決策支持系統：該系統以MapGIS10.3全空間智能GIS平臺為開發基礎，綜合運用現代數據庫、GIS、三維可視化等技術，開發建設了銀川城市地質數據庫6項專題共75個屬性結構表，完成地球化學評價分析、地下空間適應性評價及淺層地溫能3個專題評價模塊，實現了專業數據的動態顯示；通過多源數據耦合層狀地質體自動建模和其他多約束復雜地質體交互式建模，實現了對銀川城市地質多源、異構、海量數據的全面、有效、便捷管理和地下地質結構關系三維可視化展示，系統界面如圖9所示。

圖9 銀川都市圈地質信息服務與決策支持系統

(3)銀川都市圈地下水資料環境信息系統：該系統基于B/S模式，開發了一套面向公眾的數據共享服務平臺，主要內容包括代表性成果展示、野外原位試驗場建設情況、成果資料目錄及地下水三維展示，完成了銀川平原水文地質空間數據庫、地下水系統分區空間數據庫、寧夏生態移民調查等重點項目，初步建立了查詢統計、地下水預警、業務分析、成果資料、資料共享、數據管理、系統管理7個系統模塊，為地下水資源及地下水環境管理提供信息化處理手段，將地下水資源專業及科普性成果高效服務于水工環地質中心工作和自治區政府重大決策部署，為經濟社會發展提供數據保障，系統界面如圖10所示。

圖10 銀川都市圈地下水資料環境信息系統

4.4 其他應用展示服務

平臺同時實現了專題圖件瀏覽展示、實物資料(巖心巖礦)展示、地質科普信息瀏覽、意見反饋等其他應用服務。

5 結 論

(1)通過平臺建設，將空間數據和非空間數據有效結合，實現了寧夏地質數據“一張網”“一張圖”“一平臺”集成功能，既滿足了對空間數據的瀏覽查詢，又滿足了對成果報告、圖件等非空間數據的查詢瀏覽，實現了結構化數據和非結構化數據的相互聯系，消除了兩類數據之間的技術鴻溝。

(2)平臺后臺采集系統嚴格對標國家地質資料館，形成了形式統一、標準統一的數據采集管理系統，實現了地質資料采集管理的無縫對接。

(3)平臺可維護性、可擴展性較強，平臺操作應用簡潔方便，平臺后臺代碼接口充分，隨時可擴展新內容和功能，為平臺后期功能擴展打下良好基礎。

(4)平臺集地質專業成果與地質科普成果于一體，形成了厚平臺，輕應用的格局，不僅滿足公眾對專業性地質科普知識的了解，也滿足了專業技術人員對地質資料的查詢、借閱和共享共用。

(5)平臺實現了項目管理從實施到成果資料匯交全鏈條式一體化服務，使項目管理更加高效和規范，登錄平臺后可隨時查看項目進度及開展情況，實現了地勘報表在線化填報及審核，提高了工作效率。

(6)平臺集成了特色化專業應用系統，“銀川都市圈地下水資源環境信息系統”和“銀川都市圈城市地質信息服務和決策支持系統”為銀川水資源和城市地質提供專業支撐服務，借助應用系統，可以及時掌握地下水資源開發利用情況，通過模塊分析，能及時掌握城市建設發展過程中出現的影響人類居住和生活的地質問題，如地下管網建設、土壤污染、地面沉降等，能及時預警并提出合理化對策與建議，更好地促進城市健康穩定發展。