基于WebGIS的長江口航道測繪信息平臺的建設與應用

羅成，付桂

（上海航鴻工程管理有限公司，上海 200137）

長江口航道作為長江黃金水道和上海國際航運中心建設的重要組成部分，對流域經濟發展和國防安全建設具有重大影響。長江口河勢演變規律復雜，航道的管理和維護面臨著巨大的挑戰。近半個世紀，工程師和專家學者通過對長江口航道的研究，積累了大量的寶貴數據。但由于這些歷史數據時間跨度長、數據種類多樣、數據標準不統一，且分散于不同單位等原因，導致使用數據前需耗費大量的收集和處理時間，嚴重限制了長江口航道數據資源的利用面和利用率[1]。

隨著WebGIS 新技術的快速發展，人們可以在Internet 環境下對地理空間數據進行整合，從而實現空間數據的共享和互操作，提高對大量數據信息資源的利用率，同時在已有數據的基礎上對未來可能出現的情況進行預測和模擬。目前WebGIS 雖然已廣泛用于城市規劃[2]、地質災害自動化監測[3]、海洋預警[4]以及長江航道測繪成果數據管理[5]等多個領域，但尚未在長江口航道測繪數據管理中得到有效的應用。因此，針對復雜多樣的長江口航道測繪信息，為了滿足長江口航道管理局航道日常管理和應急事件對水文、地形和航道等相關資料的處理和查詢要求，并對未來可能事件作出預測，基于WebGIS 的長江口航道測繪信息平臺（以下簡稱“平臺”）的建設顯得尤為重要。

1 平臺總體設計

1.1 平臺目標

平臺的建設目標首先要完成數據庫的建設，以收集和整理1998年以來長江口區域的水文、地形、航道和涉水工程相關數據為主，建成水文、地形、航道和涉水工程4 個數據庫。其次是應用系統的開發，分別建立水文整編與統計系統、河床沖淤演變分析系統和航道回淤分析系統3個應用系統。最后借助局域網和Internet網絡，實現多用戶在線信息的瀏覽、查詢、統計、分析和專題圖表輸出，“平臺”在現有長江口區域數據的基礎上結合機器學習和深度學習方法對未來長江口區域可能出現的情況進行預測和模擬分析，包括但不限于長江口航道中心線變化、航道回淤預測等。

1.2 平臺框架

平臺目的在于為長江口航道管理局各項職能的行使提供數據支撐和信息支持，根據長江口航道管理局信息化現狀和業務管理的需要，“平臺”包含數據庫、應用系統和管理系統三個模塊，如圖1所示。

圖1 長江口航道測繪信息管理系統模塊

“平臺”以數據為基礎，通過數據庫的建設，實現對水文、地形、航道以及涉水工程數據的標準化和一體化管理，大大提升數據管理水平，提高數據資源的利用效率，為航道管理提供更多的涉水工程信息。“平臺”數據庫的技術選型以關系型數據庫（Postgresql）和非關系型數據庫（Redis、Elasticsearch）配合使用為主。常規的水文、地形、航道數據存儲在關系型數據庫Postgresql 中，配合Postgresql 數據庫中PostGIS 進行地理數據空間分析（水文變化態勢、航道變化態勢、航道回淤分析等）。為了保證“平臺”的并發量和伸縮性使用非關系型數據庫Redis 進行查詢緩存和“平臺”消息訂閱與消息發布，“平臺”運行需要保證數據安全性和系統運行安全性，使用Elasticsearch 進行“平臺”系統日志管理。關系型數據庫和非關系型數據庫的配合使用可以極大程度提高“平臺”的健碩性和魯棒性，同時也能極大程度地提高系統的安全性和用戶體驗度。

“平臺”以應用為目標，通過應用系統的開發，實現常規數據處理分析業務的軟件自動化操作，簡化數據分析處理過程，提高航道科研管理的工作效率。“平臺”應用系統有三個子系統組成：水文整編與統計系統、河床沖淤演變分析系統和航道回淤分析系統組成。“平臺”采用SOA（Service-Oriented Architecture，面向服務的架構）進行系統的開發、部署和管理。“平臺”中所有的功能都被定義成了獨立的服務，所有的服務通過服務總線(ESB，Enterprise Service Bus)或流程管理器來連接。

“平臺”通過管理系統的開發，實現“平臺”的穩定與可持續運行，保證信息數據的安全與同步更新。“平臺”管理系統包括數據管理和平臺管理，數據管理系統主要是面向不同權限的用戶進行數據的操作。平臺管理系統是系統高級用戶對不同級別的用戶進行權限的分配和調整，以確保系統中不同級別用戶的差異性。

1.3 平臺部署

“平臺”的部署需要以下服務器：數據庫服務器、應用服務器和Web 服務器（見圖2）。“平臺”采用K8S（kubernetes）進行部署容器的搭建和“平臺”的部署。

圖2 “平臺”部署

（1）數據庫服務器，建立適用于長江口區域時空大數據分析的統一數據標準，解決了長江口歷史數據的基準不一致、分類編碼不統一、數據格式不兼容等問題，為“平臺”的運行提供基礎數據服務。

（2）應用服務器，使用Postgresql 的PostGIS 插件實現GIS 空間索引技術引入測深點DEM 建模，實現超大范圍、超大規模（10 萬以上點數）測深點數據的云上快速建模和計算，為“平臺”的運行提供GIS 應用服務。

（3）Web 服務器，采用Vue 框架，使用Echart 可視化圖表實現快速生成報表及可視化圖表，滿足數據分析和可視化展示需求，對特定業務數據進行全方位分析，實現“平臺”的對外信息發布。

2 平臺主要功能與應用

根據長江口航道管理局常規業務的需要，“平臺”主要功能包括水文整編與統計、河床沖淤演變分析和航道回淤分析三個。

2.1 水文整編與統計

水文整編與統計功能以大量的歷史水文數據為基礎，通過對垂線流速、流向、含沙量、含鹽度，斷面流量、輸砂率和潮位等水文數據的整編與統計，實現各要素平均值、最值等水文要素特征值的自動計算，以過程線、對比圖和統計報表等圖形與報表為主要的結果輸出方式。水文整編與統計相關方法和算法參照《水文資料整編規范》。

2.2 河床沖淤演變分析

河床沖淤演變分析系統的功能是通過離散的河道地形水深測點進行地形分析建模，實現地形水深提取、斷面分析、等深線分析、容積（體積）計算和沖淤分析等功能。通過 GIS 可視化，實現河道地形、河床沖淤結果的可視化、河床歷史演變過程以及等深線變化過程的動畫演示。在現有數據的基礎上引入機器學習隨機森林（RandomForest）回歸預測的方法，對未來河床沖淤的情況進行模型訓練進而回歸預測，為今后河床沖淤情況進行合理模擬。

2.3 航道回淤分析

航道回淤分析功能是通過航道回淤統計分析建模，實現航道各單元的疏浚工程量（上、下方）、回淤量和平均水深等回淤特征值的自動計算及回淤分布的可視化。輸出結果包括：航道疏浚量分布圖、航道回淤量分布圖和航道單元平均水深圖等。在獲得回淤數據的基礎上，“平臺”對數據進行消息發布。

3 平臺優勢

“平臺”的建成與應用具有如下優勢：

（1）數據存儲格式更加規范，統一和全面。可以同時查看和分析不同歷史時期的同一類型的數據，或者同一歷史時期的不同類型的數據，為長江口航道管理局航道日常管理和應急事件對相關資料的處理和查詢提供方便。

（2）更加強大的數據計算與分析能力，“平臺”的DEM 建模功能，不但實現了數據的可視化展示，還可以對數據進行二次分析，實現對長江口航道測繪數據的充分利用。

（3）“平臺”用戶界面友好，操作簡便，使得其具有更廣泛的受眾群體。

（4）“平臺”整體系統安全性強、魯棒性高、并發量大，能夠極大提高用戶的系統體驗。

（5）“平臺”引入機器學習和深度學習的技術，有效提高“平臺”預測和分析的能力。

4 總結

（1）利用“平臺”強大的數據分析與可視化功能，為長江口航道管理提供了及時有效的數據支撐。

（2）“平臺”實現了歷史水文數據整編與分析、河床沖淤演變分析以及航道回淤分析等功能。實現了對長江口航道測繪數據的有效管理。