基于开源GIS的航道数据采集及共享系统设计与实现.pdf

信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期基于开源 GIS 的航道数据采集及共享系统设计与实现林子胜(广州南方智能技术有限公司 广东 广州 510000)【摘摘要要】我国内河航道网络密布,河流众多,水运资源丰富。随着“互联网+”“大数据”等信息技术的推广应用,传统的航道管理和服务模式已不能适应时代发展,迫切需要充分利用信息技术改造传统航道,推动航道向社会开放、服务民生方向发展,积极推进“智慧航道”建设。以江苏省为例,基于开源地理信息系统(geographic information system,GIS)平台,开发了江苏省航道数据采集及共享系统,实现了江苏省航道数据的采集、处理、存储、成果展示、服务共享等功能,大大提高航道数据采集工作的效率,解决数据孤岛问题,提升航道资源管理的水平,实现对全省航道资源的数字化、可视化、动态化管理。【关关键键词词】开开源源 G GI IS S;智智慧慧航航道道;G Ge eo oS Se er rv ve er r;O Op pe en nl la ay ye er rs s;P Po os st tG GI IS S【中中图图分分类类号号】TP31 【文文献献标标识识码码】A 【文文章章编编号号】1009-5624(2023)07-0135-040 引言在互联网领域,软件开源已经成为业界的一种发展趋势,有许多软件都加入到了开源系统中。开源地理信息系统(geographic information system,GIS)也异军突起,与昂贵的商业 GIS 软件相比,开源 GIS 无需考虑商业 GIS 的数据兼容性、易用性问题,同时也能让开发者能够更专注于功能的二次开发1。目前开源 GIS 已经形成了一个比较齐全且成熟稳定的生态体系,例如:桌面软件 Udig、QGIS,前端可视化框架 OpenLayers、Leaflet,地图服务器 GeoServer、MapServer,空间数据处理框架 Geotools、GDAL,空间数据库 PostGIS,等等。已经形成了比较稳定、成熟的生态体系。本文基于开源 GIS 技术,采用 B/S 架构构建江苏省航道数据采集及共享系统,对整个平台进行了设计及编码实现,为航道信息业务服务的智慧化提供一些新的思路和手段。1 系统总体设计航道数据采集及共享系统基于 B/S 架构进行建设,采用面向服务的软件架构技术进行系统设计,在统一的安全保障体系之上,采用组件化的技术进行构建,灵活快速地响应业务变化对系统的需求,体现系统的先进性、灵活性、可用性、稳定性和扩展性2。以数据处理软件与数据库作为纽带,全面且及时地采集航道数据,进行统一处理,存入航道信息数据库;安全、可靠地进行数据存储管理,将全部航道资料浓缩到一张图上,实现快速精确定位查询,提供综合的数据、应用服务支撑。1.1 总体架构系统逻辑构成包括六层二体系:基础设施层、数据层、应用支撑层、业务应用层、用户层以及访问层,政策法规与标准规范体系、安全保障体系。各层都遵循体系的支撑,如图 1 所示。(1)基础设施层,支撑系统的管理、运行、维护,以及信息系统安全的硬件支撑环境、网络基础设施和软件运行环境等内容。具体包括航道专网、服务器、操作系统等内容组成,配置了专业数据库服务器、应用服务器等相关设备。(2)数据层,为整个系统建设提供数据服务,在数据标准指导下结合现有资料进行数据采集、数据处理,形成航道空间数据库、属性数据库。(3)应用支撑层,负责对物理资源、数据资源、应用服务等内容进行统一管理、监控与调度,提供了应用开发和部署的环境。(4)业务应用层,是基于应用支撑层提供的功能,运行于 PC 端,采用 B/S 架构,通过 WEB 浏览器进行访问,面向航道普查各类用户提供数据采集、数据质检、维护更新、符号化展示、共享服务接口等。(5)用户层,服务对象包括航道管理部门各级领导、管理人员、采集人员,以及第三方应用系统等,其他系统用户通过数据接口进行访问。(6)访问层,系统支持 PC 端电脑及大屏展示。(7)政策法规与标准规范体系。主要包括信息化技术基础标准、网络基础设施、信息安全标准和管理标准等,采用国家、省政府制定的信息技术规范与管理标准,结合全省航道普查工作的实际,重点突出业务特色,分层、分类细化,主要涉及信息技术术语、数据交换、业务流程、界面显示、操作规程和标准作业等方面的标准化,形成全省航道普查工作信息化标准规范保障体系。(8)安全保障体系。在系统的设计中充分考虑了航道数据的保密性、可靠性、安全性。建设内容包括安全管理机构、人员安全管理、安全管理制度、系统建设管理以及系统运行管理等方面。1.2 系统功能航道数据采集及共享系统基于统一身份管理、系统管理,实现在航道专网从省、市、县三级联动的数据采集录入。系统包括空间属性数据采集录入、数据导入、数据质检、更新维护、符号化、服务共享等功能模块,如图 2 所示。1.2.1 数据采集支持航道空间数据和属性数据的采集录入。数据采集录入是在省级航道普查机构统一下发的卫星影像图上完成航道及航道设施,同时提供在线编辑功能,可以对现531信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期图 1 总体架构图图 2 功能架构图有标图图形做手动编辑操作。1.2.2 数据导入数据导入提供统一规范的数据上报模板,使得各下属单位能够按照该模板填报数据,用户可以在线实时录入各类数据,也可以采用离线录入的方式,缩短数据统计时间,提高工作效率;提供可视化的数据上传接口,实现对上传的数据的统一存储。1.2.3 数据质检系统基于工作流引擎构建航道普查成果数据上报审核的工作流程,提供数据质检功能,包括空间拓扑分析、属性数据检查,以确保数据的完整性、准确性。1.2.4 数据维护更新针对后期每年各地方少量数据维护更新的需求,系统提供数据维护更新界面,实现数据的自动更新,保证数据的时效性,提供数据变更工具,对地图标载的空间信息和属性信息进行新增、分割、合并等。1.2.5 数据符号化依据国家相关标准规范和本项目制作的内河电子航道图数据及展示系统,在内河电子航道图技术规范的基础上,新增补充江苏特有物标的符号,并建立航道数据展示符号库,用户可在符号管理界面查看符号库中所有符号。1.2.6 服务共享航道成果数据可为不同业务部门提供数据基础和服务,方便其他部门/系统调用航道采集成果数据,并对数据接口进行管理,接口主要以 REST API 及 OGC 地图服务形式提供。1.3 技术架构系统采用 B/S 架构进行开发,实现了前后端技术栈的分离,基于开源生态体系进行二次开发,支持市场上主流的浏览器访问使用,主要技术路线架构如图 3 所示。1.3.1 OpenLayersOpenLayers 是由 MetaCarta 公司开发的,通过 BSDLicense 发 行,用 于 Web GIS 客 户 端 的 JavaScript 包。OpenLayers 严格遵守 OGC 颁布制定的 WMS、WFS 和 WCS等规范,从而符合地理空间数据传输的行业规范,具有较好的跨浏览器特性3。1.3.2 GeoServerGeoServer 是基于 OpenGIS Web 服务器规范的 J2EE开发实现,通过 GeoServer 可以方便地发布地图数据,允许用户 对 特 征 数 据 进 行 更 新、删 除、插 入 操 作,同 时GeoServer 可以比较容易地在用户之间迅速共享空间地理信息4。631信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期图 3 技术架构图1.3.3 PostGISPostgreSQL 是一个功能强大、应用类型非常广泛的一种开源的对象-关系型数据库管理系统,PostGIS 在其数据库的基础上增加了存储和管理空间地理数据的扩展能力,实现了空间数据和属性数据的一体化扩展管理,支持OpenGIS 规范,具备管理和分析空间数据的能力。同时加上其源码公开、紧密结合 GIS 的特性,因此在目前的地理信息工程中具有广泛的用户群体5。2 系统实现与应用2.1 数据采集数据采集,是本系统数据获取的重点功能。数据采集配置管理需要设计基础数据类型表、技术数据字段表、基础数据内容表,需要先确定比例尺范围、区域范围,实现对所需数据的全面采集。数据内容包括空间数据和属性数据两种,根据数据类型的不同,通过增加属性字段的方式,对数据进行二次处理,确保数据采集精准性。用户依托高分卫星影像并根据数据标准进行点、线、面图层标注,描绘出航道设施的外部轮廓或坐标。空间数据采用 WKT 标准进行传输存储,统一空间数据存储渲染标准,在人机交互界面实现数据展示。2.2 数据质检数据质检的作用,是核查数据库中已经加工好的数据,并将核查出的问题通知数据编辑,修正数据问题,做好信息记录。将出现的问题汇总,分析问题产生的原因,避免同类错误再次发生。数据质检处理方法主要有空间拓扑分析和属性数据检查两种方式,并能够为后续更新维护提供参考。在解决问题后,完善录审记录,利用模板提高数据编辑效率。基于开源空间数据库引擎 PostGIS 函数,支持用户自定义设置拓扑分析规则,包括:面不能重叠、线需与面相交、线需与线相交、点需包含在面内、线需包含在面内、面需包含在面内、点与线对象垂直距离的范围检查。方便用户快速定位不符合拓扑规则的地理要素,提高问题纠错效率。2.3 数据符号化风格化图层描述器(styled layer descriptor,SLD),是开放地理空间信息联盟(Open Geospatial Consortium,OGC)在 2005 年提出的一个标准,这个标准允许 WMS 服务在一定条件下对地图可视化的表现进行丰富扩展。通过 SLD语言配置,让符号化展示不仅仅是简单的颜色和宽度填充。点状图层可以设置为常用的形状,如圆形、方形等形状,或者可以使用自定义的图片或字体来进行设置;线图层可以渲染成虚线或者点虚线等;面图层可以填充为自定义的平铺图像,样式可以基于数据的属性进行设置,使要素能够渲染成不同的风格。SLD 关键配置项如下:(1)FeatureTypeStyle。这是整个 SLD 样式文档的根节点,说明了它的样式将被应用的特征类型,其中包含一个或者多个 Rule 元素,Rule 元素允许有条件的映射。(2)RULE。RULE 是根据属性条件和地图比例尺来对要素进行分组渲染,一般 RULE 中只允许渲染一种类型的要素,即点、线、面图层等其中的一种,但它支持和注记同时进行使用。(3)Symbolizer。指定数据可视化的方式,在 1.0 的标准中包含五种类型的 Symbolizer,分别是 PointSymbolizer(点符号)、LineSymbolizer(线符号)、PloygonSymbolizer(面符号)、TextSymbolizer(注记)、RasterSymbolizer(栅格)。2.4 服务共享服务共享主要包括地图服务及数据服务:地图服务接口满足 OGC 的 WMS、WMTS 及 WFS 等服务标准,其他系统可通过调用标准 OGC 地图服务的方式来调用服务。数据服务接口通过 RESTful API 的形式提供,在其他731信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期系统中可通过 JavaScript 调用接口,获取到 JSON 格式的查询结果。数据共享主要功能包括数据服务和地图服务两个接口,能够为相关部门提供数据基础和服务,并实现对数据的安全管理。服务共享核心代码如下:Overridepublic Map shareData(Integer page,Integer size,String keyWord,InterfaceRecord record)throws Exception Pageable pageable=PageRequest.of(page,size,sort);Specification specification=(root,criteriaQuery,criteriaBuilder)-List list=new ArrayList ();if(!StringUtils.isEmpty(record.getAccountNumber()list.add(criteriaBuilder.like(root.get(InterfaceRecord.ACCOUNT_NUMBER).as(String.class),%+record.getAccountNumber()+%);if(!StringUtils.isEmpty(record.getStatus()list.add(criteriaBuilder.equal(root.get(InterfaceRecord.STATUS).as(String.class),record.getStatus();if(!StringUtils.isEmpty(record.getType()list.add(criteriaBuilder.like(root.get(InterfaceRecord.TYPE).as(String.class),%+record.getType()+%);3 结语内河航道作为综合交通运输体系中必不可缺一环,需要充分利用航道信息化作为航道系统改革创新的重要抓手,按照发展新理念加强顶层设计,推进航道业务转型,提升干线航道供给能力和服务水平,着力为水运与其他运输方式协调发展、高效对接、深度融合提升更加有力的支撑。本文以江苏省航道为例,基于开源 GIS 技术,设计开发了符合实际航道采集作业的系统,并对其核心模块的关键技术进行了阐述,为打造特色鲜明、系统全面、水平领先、理念前沿的江苏省航道管理、应用和研究体系提供信息化支撑,对于智慧航道数据采集平台建设具有一定的借鉴意义。【参考文献】1 陈奕超,陈冬,刘春启.基于过闸数据的江苏省内河货运情况分析J.水运管理,2023,45(3):10-13,33.2 范梦琪,宋伟东,郑人维,等.基于矢量瓦片技术的 Web 电子海图优化方法J.海洋科学,2021,45(2):68-75.3 范先铮,陈军.ObjectARX 技术在城市地下电力管线可视化中的应用J.测绘与空间地理信息,2018,41(6):198-200,205.4 刘小飞,胡珂,关昆.基于 PostGIS 的异构地理空间数据组织与应用开发J.测绘与空间地理信息,2014,37(9):63-65,68.5 李胜利,任军.基于可缩放矢量图形和构件技术实现电网线损管理系统J.广东电力,2012,25(7):91-95,113.作者简介:林子胜(1996),男,广东汕头,本科,助理工程师,研究方向:GIS 开发、智慧城市及测绘信息化应用。(上接第 134 页)6 PREZ-SALA L,CURADO M,TORTOSA L,et al.Deeplearning model of convolutional neural networks powered by agenetic algorithm for prevention of traffic accidents severity J/OL.Chaos Solitons Fractals,2023,169:113245.https:/doi.org/10.1016/j.chaos.2023.113245.7 黄攀.基于深度学习的自然场景文字识别 D.杭州:浙江大学,2016.8 段萌.基于卷积神经网络的图像识别方法研究 D.郑州:郑州大学,2017.基金项目:河南省科技攻关项目:基于多源交通大数据驱动的区域交通协同控制算法、模型与软件(222102210110);河南省科技攻关 项 目:SDN 技 术 在 5G 车 联 网 中 的 研 究 与 应 用(222102240046);可 靠 性 增 强 的 云 服 务 供 应 机 制 研 究(2021FNA04018)。作者简介:李飞飞(1990),女,河南新乡,硕士,助教,研究方向:图像处理、软件开发。831