基于GIS的公路“一張圖”系統研究與應用

黃碧輝 陳可新 黃偉 鄭若鹢

摘? 要：為進一步提高公路信息管理的數據可視化程度和管理水平，文章著重研究多源空間數據融合處理及可視化技術，并在考慮數據安全性和系統的訪問機制的基礎上，基于衛星導航定位、虛擬專用網絡、地理信息系統、大數據等技術設計研發了基于GIS的面向不同用戶、不同終端的公路“一張圖”系統。系統的實現規范化了公路數據結構，保障了公路數據的安全性，提高了公路數據的可視化、共享水平和政府公路部門的監管水平。

關鍵詞：公路路網；一張圖；數據輕量化；可視化

中圖分類號：TP311? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）05-0136-06

Research and Application of Highway “One Map” System Based on GIS

HUANG Bihui， CHEN Kexin， HUANG Wei， ZHENG Ruoyi

（Fuzhou Polytechnic， Fuzhou? 350108， China）

Abstract： In order to further improve the data visualization and management level of highway information management， this paper focuses on the research of multi-source spatial data fusion processing and visualization technology， and on the basis of considering data security and system access mechanism， based on satellite navigation and positioning， virtual private network， geographic information system， big data and other technologies， designs and develops a GIS-based highway “one map” system for different users and different terminals. The realization of the system standardizes the highway data structure， ensures the safety of the highway data， improves the visualization and sharing level of the highway data and the supervision level of the government highway departments.

Keywords： highway network; one map; data lightweight; visualization

0? 引? 言

公路交通是國家的運輸動脈，是重要公共基礎設施，服務于國家的政治、經濟與民生。隨著我國公路建設的快速發展，公路管理局等監管部門根據業務需求開展了信息化的建設，建設了各類的公路數據管理及業務管理系統。傳統的公路信息管理已經難以滿足新時代下公路信息化對數據可視化和管理水平的要求。由于時代與技術的局限性，傳統公路交通信息管理系統在公路網更新維護、管理服務方面，存在著數據不全、基礎平臺多樣、數據標準不統一、缺乏統一管理、數據共享交換困難、更新機制不健全等問題，且目前其在多源基礎地理空間數據融合、二三維數據可視化等方面還存在諸多問題，將嚴重影響公路信息化推進進度。在新時代的新使命和新挑戰下，海量、多源、異構空間數據的快速敏捷集成、滿足應用不斷變化的數據需求是公路監管部門的主要需求。

“一張圖”以其利用GIS（Geography Information System）技術充分發揮空間數據可視化和共享性作用的優勢，在國土資源、農業、水利、交通等領域有眾多的應用[1]。將地理信息有機地融合到同一個地圖面上，通過交互查詢和空間分析，實現直觀地動態監管[2]。Sfakianaki通過基于GIS的區域道路交通安全管理系統研究，提升對公路的管理水平[3]；郭曉澎提出利用高分遙感技術打造高速公路基礎設施一張圖軟件平臺，為交通行業提供地理空間數據綜合信息服務[4]；王會娜通過省級公路“一張圖”的設計與實現，實現了全省公路業務系統使用一套數據、一張圖的目標[5]。然而，公路“一張圖”系統不但應關注其在多源空間數據融合、可視化問題，還應更加關注其與業務數據融合程度和整體架構設計等方面問題。

針對上述問題，根據閩侯公路局信息化的需求，本文通過多源空間數據融合、GIS可視化等關鍵技術的研究，設計并實現了基于GIS的公路“一張圖”系統，解決空間數據標準不統一、缺乏統一管理、數據共享交換困難、更新機制不健全等問題。系統利用GIS、大數據和互聯網等技術，實現地理空間信息和公路信息的有機融合、可視化顯示，實現多源異構空間數據的融合與共享，為閩侯公路監管部門提供公路網絡的規劃設計、建設實施、運行維護、環境評估等決策支持，同時為智能導航、智慧旅游、戶外場景展示等領域應用提供技術支撐。

1? 系統設計

1.1? 總體架構設計

依托云平臺機房、存儲、網絡、安全等基礎設施，建設基于GIS的公路“一張圖”系統，在信息安全保障體系和標準規范體系上，為閩侯縣公路局等部門監管賦能。系統采用基于自主框架和ArcGIS平臺進行二次開發，用戶終端包含Web端和移動端。其中，Web前端采用Vue架構，后臺服務采用Spring+Boot框架搭建，后臺服務端數據庫采用開源的PostgreSQL數據庫，系統采用云部署方式，便于用戶管理；移動端采用Android原生進行開發，離線數據庫采用SQLite數據庫，通信采用VPN專用通道為數據安全提供保障。

基于GIS的公路“一張圖”系統由基礎設施層、數據層、服務層、應用層、表現層、信息安全保障體系、標準規范體系五個層次和兩個體系構成，系統總體框架圖，如圖1所示。

基礎支撐層：包括機房設施、存儲計算、網絡通信及北斗衛星。機房建設參照GB 50174規定的B級技術進行建設；在存儲計算方面。采用SAN集中式網絡存儲或分布式共享存儲體系；在網絡通信方面，建立三個物理相對隔離的網絡運行環境，即核心網絡、內網、互聯網；北斗衛星用于實現移動端的定位和通信服務。

數據層：包括在線數據和移動端離線數據，主要實現對數據資源進行處理、存儲、管理和建庫，其中，在線數據包括公路數據、基礎地理數據、業務數據、系統管理數據，離線數據包括空間數據、業務數據和遙感地圖數據。

服務層：主要包括接口服務和地圖服務；地圖服務主要是采用ArcGIS Server進行地圖服務管理，地圖服務類型包括WMS、WFS、WMTS和GP Service服務，為系統地圖的數據訪問和空間分析提供服務接口。數據接口服務包含公共服務組件和業務服務組件。

應用層：面向公路業務監管需求，實現基于GIS的公路“一張圖”信息管理系統，功能模塊包括：地圖瀏覽、數據查詢、匯總統計、數據編輯、地圖標繪、巡查管理、專題圖層管理、公路比對、定位導航、離線數據管理、項目管理、文庫管理、權限管理和用戶管理等模塊。

表現層：系統由Web端和移動端結合使用，用戶通過設備的完成相關業務流程，實現公路項目的全過程監管。

1.2? 技術路線

通過開展閩侯縣公路管理局對公路“一張圖”需求調研及現有系統及數據的狀況分析等工作，明確了系統的使用對象包括公路監管部門及巡查人員，系統目的實現對公路線路的全過程監管，系統包括Web端和移動端，主要解決數據庫建設、服務制作及發布和系統業務系統設計應用等問題，技術路線如圖2所示。

2? 數據建設

“一張圖”優勢在于充分發揮GIS技術可視化和共享性，而GIS經常被視為地理數據庫系統，因此數據建設在“一張圖”系統建設過程中尤其重要，特別是其中的地理空間數據建設。

2.1? 數據收集

數據庫主要由公路專題數據、地圖背景數據和業務數據這三個數據集組成，如圖3所示。

公路專題數據主要包括交通路網數據和規劃路網數據。交通路網數據是現運行的符合國家標準建檔在冊的道路，包括地鐵、鐵路、高速公路、國道、省道、縣道、鄉道、村道等線狀空間數據。規劃路網數據規劃中道路，包含在建、未建道路，主要由地鐵、鐵路、高速公路、國道、省道、縣道等線狀空間數據組成。

地圖背景數據主要由影像底圖數據和矢量底圖數據，用于精細化地圖，從各種角度展示道路的地理方位和道路與周邊環境的關系，使得道路展示更貼合實際、更具象化。影像底圖數據包括衛星影像數據和在線的“天地圖”·福建影像圖，其中衛星影像為從閩侯公路局收集的2018—2021歷年0.5米分辨率的正射影像。矢量底圖數據收集了行政區劃（面狀數據市、縣、鄉、村界限，點狀數據市、縣、鄉人民政府點、村委會）、POI興趣點、林地、基本農田等數據。

業務數據主要是公路監管部門及公路項目監管日常辦公產生數據，包括項目信息數據、巡檢數據、上報數據、審批數據、定位數據、軌跡數據、現在圖片數據、相關文檔數據、用戶數據等。

2.2? 數據整合與融合

系統涉及了空間結構數據、屬性數據、文檔數據以及圖件數據等各類數據的整合與處理，數據處理過程主要包含從預處理、數據處理兩個步驟。數據預處理包括數據清洗、規范數據格式等處理過程，同時完善缺失的屬性信息，空間數據統一采用CGCS2000坐標系統。數據處理主要是進行空間拓撲檢查、屬性數據檢查，解決數據之間存在的拓撲錯誤和屬性不健全等問題，保證數據的準確性。

2.3? 數據庫設計

系統數據庫主要采用開源的空間數據庫PostgreSQL，并將數據庫部署在云上數據庫服務器。其中，移動端離線數據庫采用開源的SQLite實現，并集成到APK安裝包中。根據建庫內容和邏輯一致性分層的方法進行數據組織、命名、定義和管理，并依此完成數據庫設計與建設。

2.4? 數據服務

數據服務包括空間數據的地圖接口服務和業務數據的業務接口服務，為系統提供數據接口服務，將相關地圖及業務數據對接到系統應用中。

地圖接口服務主要由部署在云上的ArcGIS Server10.5地圖服務器提供，服務以REST API形式提供，提供的服務類型包括WFS服務、WMS服務、WMTS服務、GP服務等。其中，REST服務目錄使地圖資源以樹形目錄方式展示，方便了用戶對地圖的管理與使用。

業務接口服務用于支撐業務功能模塊的實現，后端服務使用通用的三層架構，以Spring Boot+MyBatis+PostgreSQL為技術路線，Swagger UI為接口服務測試和調用技術，便于代碼維護與服務。

3? 系統實現

系統主要功能模塊包括專題組地圖瀏覽、數據查詢、匯總統計、數據編輯、地圖標繪、巡查管理、專題圖層管理、公路比對、定位導航、離線數據管理、項目管理、文庫管理、權限管理和用戶管理等模塊，如表1所示。根據不同職能部門對公路管理的不同業務需求，系統針對性地研發Web端和移動端PAD兩個版本。

Web前端采用Vue框架與Element組件庫進行研發實現。Web端功能模塊主要側重于公路項目的監管（在建與未建的項目情況）與總體情況分析（如匯總統計各類公路的數量、里程情況）。公路“一張圖”Web端部分界面，如圖4、5所示。

移動端基于Android采用ArcGIS Runtime for Android 100.11開發包進行二次開發完成。功能模塊主要側重于項目進度監察與公路的日常巡檢問題上報等功能。公路“一張圖”移動端PAD版部分界面，如圖6、7所示。

4? 結? 論

本文通過結合GPS、GIS、VPN和大數據技術建設了閩侯縣公路“一張圖”信息管理系統。系統的建立，規范了數據結構，實現了多源空間數據的融合，同時健全了數據更新機制，提高了數據的共享性和可視化能力，打通了業務數據的傳遞，提升了閩侯縣公路管理部門信息化管理的工作質量、工作效率、監管水平和信息的公開透明度。

以此項目系統為基礎，后續可深入結合5G、物聯網技術、大數據等新技術，深入打造“智慧公路”平臺，通過公路實際業務與技術的融合，將有效地降低公路交通相關的建、管、養、運等業務的成本，提高智慧信息化管理水平。

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作者簡介：黃碧輝（1991—），男，漢族，福建泉州人，工程師，碩士，研究方向：數據可視化。

收稿日期：2022-09-19

基金項目：福建省中青年教師教育科研項目（JAT210812）