三维时空大数据政务服务系统建设研究.pdf

6月0引言自然资源部 2021 年在 实景三维中国建设技术大纲（2021 版）中指出，整合各级资源和力量，共同构建实景三维中国，为数字中国建设提供统一的空间基底。山西省人民政府 关于加快推进“互联网+政务服务”工作的实施意见 提出加快整合人口、法人、自然资源和空间地理信息等基础信息数据库，建设完善系统架构统一、省市分级管理、全省共建共享的政务服务大数据库，推进信息资源共享共用和数据开放利用。三维时空大数据政务服务系统以服务政府信息化管理为主要切入点，以辅助政府决策为基本出发点，以构建实景三维中国为技术目标，是切实贯彻落实好各级政府信息化建设指导思想的具体举措，是全面支撑自然资源“两支撑、一提升”职责的切实行动，是提升政府治理能力和服务水平的重要手段。三维时空大数据政务服务系统是可视化、开放式、体验式的平台，实现了时空数据的三维可视化、管理和决策分析，为数字政府建设提供了三维化、数字化、网络化的地理信息支撑，也提高了山西省地理信息公共服务平台多层次、三维时空大数据政务服务系统建设研究康丹（山西省测绘地理信息院，山西 太原 030001）收稿日期：2022-10-11作者简介：康丹（1982），女，山西阳泉人，硕士研究生，工程师，主要从事地理信息方面工作。E-mail：摘要：三维时空大数据政务服务系统是集地理信息数据服务、三维时空大数据可视化渲染、政务专题信息等多方面内容为一体的全流程综合性地理信息服务系统。系统充分利用了云服务模式、B/S框架、Cesuim引擎、域名分片、矢量切片等技术，通过大数据可视化渲染、三维场景叠加、数据模型加载等数据集成方式实现了对现实世界的实景再现，为实景三维建设提供了基础数据服务和信息集成技术支撑。该系统提供了地理信息公共服务的多维度、多层次的应用能力，为辅助政府决策提供了强有力的数据支撑。关键词：三维时空大数据；政务服务；云服务；大数据可视化中图分类号：P208文献标识码：B文章编号：2095-7319（2023）03-0063-03The research on the construction of a 3D spatial-temporalbig datagovernment serviceKANG Dan(Shanxi Institute of Surveying and Mapping Geographic Information,Taiyuan 030001,China)Abstract:The 3D spatial-temporal big data government service system is a full process comprehensive geographic informationservice system which integrates geographic information data service,3D spatial-temporal big datas visualization rendering,government thematic information and other aspects.The system makes full use of technologies like cloud service mode,B/Sframework,Cesuim engine,domain sharding,vector tile and others,and realizes the realistic reproduction of the real world throughdata integration methods,such as big data visualization rendering,3D scene overlay,data model loading,which provides basic dataservices and information integration technology support for the construction of 3D real scene.This system provides multi-dimensional and multi-level application capabilities for geographic information public services,and also provides strong data supportfor assisting government decision-making.Key words:3D spatial-temporal big data;government services;cloud service;big data visualization康丹：三维时空大数据政务服务系统建设研究63经纬天地Survey World2023年第3期No.32023多维度的应用能力。1系统框架三维时空大数据政务服务系统建设遵循经济、实用、先进、安全的基本原则，故系统架构沿用山西省地理信息公共服务平台的设计架构，即采用运行支撑层、数据层、服务层和应用层的 4 层架构1，即在运行支撑环境的基础上，整合二维、三维基础地理信息数据和政务专题信息、倾斜摄影等模型数据，构建三维时空政务信息数据库，并以服务的形式进行发布，在应用层以可视化形式进行各类资源和要素的浏览、分析、查询等功能。系统架构如图 1 所示。运行支撑层是平台的基础，包括硬件设施（高性能服务器）、软件设施（轻量级应用服务器，如 Tomcat）、政务专网、标准规范和安全保障等。数据层是系统的所有数据资源，即省级三维政务信息时空数据库，主要内容是由三维基础地理信息数据、政务专题信息数据组成，数据层的内容通过服务层提供给应用层调用。服务层将数据层提供的各类数据发布成服务，并在应用层进行调用。服务发布系统能够支持网络地图服务（WebMap Service，WMS）、网 络 地 图 瓦 片 服 务（Web Map TileService，WMTS）、网络要素服务（Web Feature Service，WFS）、矢量切片服务、数据文件服务等。应用层构建三维时空政务数据可视化分析系统，实现二维、三维地图浏览，三维实景模型浏览，地图分析，信息查询展示，地图标绘等功能。系统采用主流的 B/S（浏览器/客户端模式）架构，依托主流网络浏览器（如 IE、Chrome）、基于面向服务架构（SOA）进行构建，遵循“低耦合、高内聚”的理念，界面功能都具有明确的可调用接口，具有标准统一、通用性好、松耦合和重用性好等特点，组合若干个功能接口形成特定的业务应用和业务流程。2系统功能2.1二维、三维地理信息“一张图”系统以政务服务时空数据库为依据，将地形和影像、境界、地名地址数据等融合为一体，实现地图的缩放、旋转、飞行等功能，形成完备的二维、三维地理信息“一张图”。2.2政务专题信息服务政府辅助决策取决于丰富的行业专题数据。通过多种方式收集各行业专题数据，包括自然地理、自然资源、发展规划、生态环境、应急保障、经济、社会、文化旅游等，以加载 WMTS 服务、WFS 服务和 JSON 服务、矢量规则化动态渲染等方式对数据进行呈现，并坚持“高内聚，低耦合”的原则，以模块的形式显示各类专题，模块之间相互独立又可以相互叠加。丰富的平台数据不仅能高效地渲染展示，而且灵活的数据叠加的方式更加生动地显示了数据之间的相互关系，极大程度上增强了平台的可用性。2.3空间分析功能服务政府辅助决策是系统建设的导向，充分利用三维地形数据的优势，升级查询定位（地名地址、位置、坐标等查询和定位）、量算（测量空间或贴地的距离、面积以及角度、高度、坐标和三角测量等）、路径规划等常规地信分析功能，将现实世界中各类分析结果更生动地表达；开发日照、可视域、坡度、方量、地形开挖、模型单体化等基于地形的功能模块，分析建筑物的日照时间和区域、地表的坡度、监测点的可见范围、开挖地表的土方量、对倾斜摄影数据进行单体的查询等，这些分析结果为各项工作的开展提供了丰富、真实的数据依据和决策参考。2.4事件综合分析综合分析能力是辅助决策的直接体现，系统从测绘应急保障方面开发相关功能模块，全方位增强系统应对突发事件的能力。2.4.1快速定位突发事件的位置和环境在应急保障中是极为关键的基础。依据新闻事件的报告，在系统中依据坐标或地名等快速标注事件发生的位置，并将该事件第一时间进行描述，在地图上进行点、线、面、文字、模型等的标注，并对事件的描述进行保存和分享、发布。2.4.2.事件分析针对火灾、有害气体泄漏的事件，根据事件发生地的地理位置及事件类型，巡视周边的地势地貌，获取当时现场风向和风势，在系统中分析灾害的影响范围，并查询范围内的企业、学校、村庄等单位，为及时疏散或避险准备；针对洪水、泥石流等突发事件，模拟设定速度和范围内区域的淹没过程，分析区域内的最高海拔和最低海拔，计算淹没的时间，为紧急撤离提供数据支撑；针对地震等突发事件分析地震的影响范围，分析范围内村落、道路、桥梁、隧道、水库等重要因素，为降低灾害损失的部署提供数据基础。2.4.3救援分析根据事件位置，分析最近的救援物资、救援队伍和救援路线，为救援方案的科学制定、救援力量的最优配置、缩短救援时间提供有力的地理信息数据基础。图 1系统架构646月2.4.4对比分析将事件发生地的灾前、灾中、灾后影像和三维模型资料在三维地图上叠加显示，通过灾前灾后对比分析，快速计算受灾区域面积，为灾情统计和评估提供数据基础。3系统关键技术3.1Cesium 地图引擎系统采用无插件的三维 GIS 引擎Cesium2，是基于JS 编写的 WebGL 地图引擎，可用于多种浏览器和移动端的三维地球可视化，适合 B/S 架构的三维场景实时渲染，它打破了三维渲染必须依赖客户端插件的局限，支持通用的浏览器及移动设备，实现了跨平台、跨浏览器的 Web 端高效渲染。Cesium 提供调用栅格瓦片数据、地形数据、矢量数据及三维模型数据等的接口，支持的 gltf（三维模型）、3D Tiles（三维瓦片）、Geojson（矢量数据）和 WMTS（栅格瓦片）等格式的数据，显示方式上支持 3D、2D、2.5D 的地图，并提供良好的触摸屏操控体验。3.2三维空间分析传统的 GIS 分析模型缺乏精确的地表高程信息，不能精确地表述真实世界的地表环境，导致分析存在一定的误差。三维空间分析基于三维地形数据，对地表形态及属性信息进行数字化表达，这些地形的空间位置信息和属性特征更能具体地表现地表起伏的具体形态和相邻地形的关联关系，完整诠释了地表的准确信息。基于三维地形数据可进行更接近现实的分析，不仅在路径、缓冲区等传统分析功能方面比二维地图更加精准，而且在贴地运算方面也很有优势，比如地表的量算，三角测量，坡度、地貌的分析；还可对现实进行虚拟，如分析可视域、淹没和日照等，以及更深层次的地形开挖、方量分析。这些分析结果更加形象，更具有可操作性和交互性，更贴近现实生活，使得 GIS 分析技术迈向了虚拟现实。3.3域名分片技术三维时空政务数据可视化分析系统在前端浏览器承载可视化需要的所有请求，这些请求使用 HTTP 协议进行传输，对 HTML 文件、JavaScript 代码、CSS、图像、地图瓦片以及其他媒体文件进行传输。HTTP 报文响应的规则是“一发一收”3，即先进者先出，只有入队的先后顺序，而没有轻重缓急；实际传输中一般浏览器仅支持 6 至 8 个并发，这对于大数据的请求极易造成排队堵塞，被服务器“拒绝服务”，甚至被认为恶意攻击。虽然 HTTPS 不再限制请求并发数，但是HTTPS 在实际请求中获取证书、验证证书、生成密钥、发送密钥的过程需要消耗一部分网络资源，导致请求效率明显低于域名分片下的请求。“域名分片”技术用数量换取质量的思路，将一个请求拆分成多个子域名的请求，当这些域名不同的子域名同时进行请求时，对浏览器响应而言为多个请求的并发，不受排队的数量限制，对每个域名按规则进行响应；实际上这些请求都指向同一个服务，即这些子域名都处理一个资源时，这种策略将响应的阈值提升了 6 至 8 倍，极大程度上缩短了响应时间。3.4矢量切片技术地理信息系统中空间数据组织方式一般有矢量数据和栅格数据。栅格数据以行和列的组成的二维矩阵来表示空间信息，数据的最小元素是像素；矢量数据则是利用点、线、面等几何要素来表达地图，数据的最小元素是对象。由此可知：栅格地图缺乏弹性、实时性，切片一旦渲染，样式不再具备修改的能力4，当现实地物出现变化时，需要经过再次渲染，而且数据一旦受损，渲染切片过程是将地理坐标数据转换为图片的过程，这些缺点使栅格数据在应用时受到时间、效率等方面的极大限制。矢量数据比较灵活，数据完整性好，在地理信息检索、网络传输、地图渲染以及修改等方面都表现得很好。所以，结合矢量数据和栅格切片地图两者优势的矢量切片技术，达到了矢量数据和栅格数据优势互补的目的，被广泛应用于地理信息大数据领域。矢量切片的策略是以金字塔的方式切片矢量数据，即用级别、行号、级别唯一确定矢量数据的内容5，它以多层次模型将矢量数据切片成矢量要素和描述性文件，并存储于服务器端，客户端根据请求及数据样式进行渲染。4结语三维时空大数据政务服务系统是立足于实景三维中国的建设，该系统采用基于 WebGL 的 Cesium 三维地理信息引擎、矢量切片技术、域名分片技术，对各类专题数据、新型基础测绘成果等数据进行动态渲染和展示分析，已应用于政府决策、生态修复、应急保障等方面。随着新的技术、新的需求的不断出现，尤其是地理实体、城市白模、点云等数据对可视化的需求，三维时空大数据政务服务系统的数据内容将不断丰富，功能将更加完善，应用领域也将不断扩大。随着国家大力推进数字中国、数字经济等建设，三维时空信息平台的长足发展指日可待。参考文献：1李小敏.WebGIS三维实景地图在城市规划管理中的应用研究D.西安:西安科技大学,2019.2杨菁,陈冰凌,王文鹏,等.基于Cesium的三维可视化场景建设及发布技术的研究J.测绘通报,2021(S1):50-53.3李康,陈清华,卢金星.HTTP协议研究综述J.信息系统工程,2021(5):126-129.4范梦琪,宋伟东,郑人维,何欢.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):68-75.5胡振彪,赵军,韩磊,等.矢量电子地图瓦片制作性能评估与应用J.测绘科学,2020,45(2):138-144,165.康丹：三维时空大数据政务服务系统建设研究65