王封祚，王新福，高慶方，徐東彪

（黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

安徽省位于中國東部，覆蓋淮河、長江和新安江三大流域。由于特定的地理位置和地形地貌，干旱和洪水頻繁而嚴重，安徽省防汛抗旱任務繁重。近年來，在水利信息化及國家防汛抗旱指揮系統建設的大背景下，安徽省全力推進水利信息化建設，取得了顯著成績。但是，與安徽省水利發(fā)展的新形勢及新要求相比仍存在不足，針對目前存在的問題，安徽省水利廳啟動防汛決策及山洪災害預警地理信息系統建設項目，緊緊圍繞防汛抗旱工作，結合其他業(yè)務需求，利用現代水利、測繪地理信息技術，通過現有信息資源的重組、更新和擴展，設計面向對象的水利數據模型，梳理整合資源，擴展功能，構建具有防汛抗旱業(yè)務特色的服務體系，搭建安徽省防汛抗旱地理信息云服務平臺，為防洪、抗旱、山洪等管理工作提供全方位和高效率的技術支撐。

1 現狀分析

1）信息化基礎設施現狀。安徽水利信息中心已建成基于云架構的信息化基礎設施，即將硬件設備及必要的硬件資源監(jiān)控軟件通過虛擬化軟件進行整合，形成硬件和軟件資源池，通過虛擬化管理平臺提供基礎云服務，如數據存儲、數據備份和運行環(huán)境。

2）地理信息資源現狀。安徽水利信息中心有覆蓋全省的多尺度、多種類地理信息資源，其中，數字線劃圖比例尺最高達到 1∶10 000，遙感影像分辨率最高達 0.5 m。存在問題為空間數據標準不同及存儲分散，水利地理信息數據不完整，缺乏面向對象的水利空間數據模型，缺少面向水利業(yè)務的電子地圖，地理信息數據共享困難，不能滿足防汛抗旱業(yè)務對地理信息的需求。

3）基礎 GIS 平臺現狀。安徽水利信息中心部署 ArcGIS 系列軟件，包含 ArcGIS Server，Portal for ArcGIS，WebAdaptor 等服務端套件。各業(yè)務系統僅使用 ArcGIS Server 發(fā)布所需的地圖服務，而針對服務管理的 Portal for ArcGIS 雖已部署，但未使用。

2 平臺設計

綜合分析安徽省信息化基礎設施現狀和基礎GIS 軟件平臺現狀，進行安徽省防汛抗旱地理信息服務平臺架構設計：采用虛擬化、彈性化、服務化的設計思想，以安徽水利信息中心基礎設施作為硬件系統支撐平臺，以 ArcGIS 系列軟件作為地理信息服務平臺基礎軟件，按照“四層”架構體系進行設計。平臺分為基礎設施層、數據層、平臺服務層和業(yè)務應用層，并通過貫穿多個層次的管理與調度系統實現各層之間的協同工作，實現平臺的應用集成。

分析安徽水利信息中心地理信息資源現狀，針對存在問題，通過水利地理信息數據統一整編建庫、制作防汛抗旱電子地圖、發(fā)布地理信息服務，滿足防汛抗旱業(yè)務對地理信息的需求。

分析基礎 GIS 平臺現狀，通過搭建 ArcGIS Server 集群來提高地理信息服務高并發(fā)訪問保障能力，基于 Portal for ArcGIS 開發(fā)服務平臺門戶系統，實現地理信息資源統一高效管理，最終實現地理信息資源的共享利用。平臺總體框架如圖1 所示。

圖1 總體架構圖

3 關鍵技術研究

3.1 面向對象的水利地理數據建庫技術

面向對象的數據模型利用面向對象的技術，該數據模型將 GIS 處理的空間數據抽象為不同的地理對象（地理實體），并且將各對象的唯一標識符、屬性與方法封裝在一起，建立各對象的聯系[1]。

安徽省境內河網縱橫交錯，水利工程眾多，水利相關基礎地理信息數據量大且碎片化嚴重。水旱災害頻發(fā)，防汛防旱相關業(yè)務信息數據量大而分散。根據安徽省防汛抗旱業(yè)務的需要，基于面向對象的數據模型進行安徽水利地理數據模型的設計，基于 ESRI 地理空間數據模型和大型關系數據庫Oracle 進行水利地理實體庫的具體實現。通過整合海量多源異構數據，建立面向安徽省防汛抗旱業(yè)務的水利地理實體庫。

3.2 防汛抗旱電子地圖編制技術

電子地圖編制首先需要收集數據，并且進行格式及空間參考統一轉換，然后進行地圖分級設置及其相應地圖數據源設定、制作地圖符號庫，并且通過在地圖符號和相應的比例尺電子地圖數據之間制定匹配策略，實現符號與地理數據的自動匹配，最后為了網絡瀏覽地圖順暢，需制作地圖瓦片，通過地圖服務器將地圖發(fā)布為 REST 風格地圖服務[2]。

安徽省防汛抗旱電子地圖采用 ArcMap 軟件編制，結合安徽水利信息中心已有數據資源和防汛抗旱業(yè)務需求，制作安徽水利系列綜合和業(yè)務專題電子地圖。

3.3 微服務架構及服務開發(fā)技術

Web 應用系統架構由早期的單體式架構發(fā)展到后來的面向服務的架構 SOA，近些年來，基于 SOA發(fā)展而來的微服務架構得到越來越多的應用，其特點是松耦合、服務獨立部署、應用系統前后端分離等，極大增加了應用系統開發(fā)的靈活性及開發(fā)效率。微服務設計思路是服務開發(fā)組件化、通信接口標準化、服務功能單元獨立化[3]。

安徽省防汛抗旱數據服務基于微服務策略設計，由一系列服務組成，每個服務相對獨立，內部實現一定的業(yè)務邏輯，對外承擔特定的任務，通過服務組合實現更大程度上的業(yè)務邏輯。數據服務開發(fā)通過 JaveEE 平臺開發(fā)實現，服務接口風格為表述性狀態(tài)傳遞 REST（Representational State Transfer），通過基于 JavaScript 語言的輕量級的數據交換格式JSON（JavaScript Object Notation）進行交換數據。

3.4 地理信息服務平臺門戶開發(fā)技術

目前國內行業(yè)地理信息門戶開發(fā)平臺主要有Portal for ArcGIS 和 SuperMap 的 iPortal 平臺。其中，Portal for ArcGIS 是 ArcGIS10.2 正式發(fā)布的產品，最新版本是 10.7，其定位是地理信息資源協同管理平臺，核心功能是通過和 ArcGIS Server 集成實現服務托管。目前已有包括江蘇水利[4]、智慧廣州[5]在內的多個行業(yè)地理信息平臺采用 Portal for ArcGIS 構建服務平臺門戶系統。

安徽水利信息中心已部署 Portal for ArcGIS，故安徽省防汛抗旱地理信息服務平臺門戶系統基于Portal for ArcGIS 構建，通過 Portal REST API 和前端開發(fā)框架實現門戶界面的個性化定制。通過門戶系統實現地理信息服務托管、資源使用權限管理、Web 快速制圖等功能。

4 平臺建設

4.1 水利地理實體建庫

1）水利地理實體分類。安徽水利地理實體內容包括基礎、水利地理及相關聯的水利業(yè)務等信息。

基礎地理信息基于全省范圍 1∶10 000 脫密矢量數據，選取政區(qū)、境界、交通、居民地等圖層；水利地理數據主要來自于 1∶50 000 水利普查地理和國家防汛抗旱指揮系統二期工程建設擴充的數據，包括河流水系、防洪工程、抗旱工程等空間圖層；防汛抗旱業(yè)務信息包括河道堤防斷面、險情、歷史災情、防汛責任人、工程施工管理、洪水風險、社會經濟、檔案、多媒體等信息。數據來源基層水利單位上報。

2）水利地理實體整編入庫。通過對基礎和水利地理信息等進行分層、編輯、統一編碼、格式轉換，以及對防汛抗旱業(yè)務信息的格式化處理構建安徽水利地理實體庫。

按照國家標準，采用 FME 和 ArcMap 軟件對基礎和水利地理信息數據進行統一的格式轉換、空間參考轉換、圖形整編、數據更新、統一編碼，建立規(guī)范、統一的水利地理實體庫。防汛抗旱專題數據存儲的形式多樣、結構不一，數據格式包括 .mdb、Excel 表格、Word 文檔、多媒體等，為了實現業(yè)務專題信息與地理對象的掛接，對非格式化的業(yè)務專題信息進行規(guī)范化整理。按照相關標準對各項目的專題數據進行整合，采用面向對象的思想，將水利業(yè)務中涉及的對象按行業(yè)要求進行分類和分級，構建框架穩(wěn)定的分類分級體系，并為后續(xù)擴展預留空間，滿足水利數據長期管理的需要。對業(yè)務專題數據賦以唯一的代碼，以便于地理對象與之關聯。

通過安徽水利地理實體庫建設，入庫 21 萬余條地理實體記錄，涵蓋安徽省政區(qū)、流域、河流、湖泊、水庫、水閘、泵站、堤段、行蓄洪區(qū)、灌區(qū)、渠道、水井、控制站、險工險段等多種水利要素。

4.2 防汛抗旱電子地圖制作與發(fā)布

1）地圖數據源。安徽省防汛抗旱業(yè)務電子地圖的數據源包括 DLG，DEM 和 DOM 3 種類型數據源。其中，矢量數據主要包括全省 1∶4 000 000，1∶100 000，1∶250 000，1∶50 000，1∶10 000 等多尺度的地理信息數據，用于制作水利綜合地圖；高程數據主要采用全省 30.0 m 分辨力 DEM 數據，用于制作地貌暈渲地圖；影像數據包括全省 30.0 和2.1 m 分辨力衛(wèi)星遙感影像及全省 0.5 m 分辨力航空遙感影像數據，以及重點水利工程區(qū)域優(yōu)于 0.1 m 分辨力無人機遙感影像，用于制作影像地圖。地圖數據源空間參考統一轉換至 CGCS2000 國家大地坐標系。

2）地圖分級。按照 CH/Z 9011—2011《地理信息公共服務平臺電子地圖數據規(guī)范》要求對地圖進行分級設置，并且基于安徽省 1∶4 000 000 等 5 個比例尺數據源，兼顧地圖負載量和數據跨級平滑過渡，進行不同級別下數據源的設置。為了保證制圖效果的美觀，在現有數據的基礎上根據不同的顯示級別對道路、河流、湖泊、水庫、堤防、灌區(qū)等線狀、面狀要素進行編輯，以保證數據在相應顯示級別下線條光滑，圖面美觀。

3）地圖符號化。以 SL 73.7—2013《防汛抗旱用圖圖式》和 GB/T 20257.3—2017《國家基本比例尺地圖圖式》為基礎，制作安徽省防汛抗旱多比例尺電子地圖符號庫。

4）瓦片制作。地圖瓦片可以在訪問電子地圖時有效縮短地圖服務器的響應時間，從而提高電子地圖的訪問效率。電子地圖制作完成后，對其進行瓦片制作，地圖瓦片在 ArcGIS Server 中完成，按照電子地圖分級設置，結合安徽省電子地圖數據范圍，瓦片制作級別為 L7～L15，瓦片格式為 PNG32、瓦片大小為 256×256、存儲格式為緊湊格式、像素為96 dpi，兼顧瓦片質量及網絡傳輸，單張瓦片大小控制在 20 kB 以內。

5）服務發(fā)布與托管。通過 ArcGIS Server 將電子地圖發(fā)布為 REST 風格服務，并且通過 Portal for ArcGIS 進行服務托管，地圖服務遵循 WMS，WFS，WMTS 等 OGC 規(guī)范。

制作了安徽防汛抗旱系列電子地圖，包括水利綜合線劃圖、地形暈渲圖、衛(wèi)星影像圖等多類型基礎地圖，以及涵蓋水利工程、監(jiān)測站點、防汛、抗旱、實測斷面、地貌單元、流域、行政區(qū)和交通、山洪災害等專題圖。符號樣式及地圖表示符合行業(yè)標準和習慣，滿足安徽省防汛抗旱使用。

4.3 防汛抗旱數據服務開發(fā)

從服務開發(fā)規(guī)范、接口參數調用、接口響應及返回值這 4 個方面進行安徽省防汛抗旱數據服務設計與實現：

1）服務開發(fā)規(guī)范。數據服務接口統一使用Web Service 的標準進行設計，采用 REST 風格，基于 JavaEE 平臺開發(fā)，程序編碼遵循 JSR168 規(guī)范要求，通過 JSON 進行數據交換。

2）接口參數調用。接口調用參數分為必須和可選參數，其中 TokenID 為必須參數，由應用系統前端自動傳給服務端，與地理實體相關聯的查詢還必須傳入 ClassCode 和 EntityCode 參數。

3）接口響應及返回值。統一采用標準的 JSON 數據響應客戶端請求，響應對象為 RespData。返回值包含服務返回碼：標記服務請求數據是否成功；服務返回數據：服務調用成功后返回給客戶端的數據，包含數據類型、名稱、屬性值等，返回值如圖2 所示。

圖2 RespData 對象結構示意

4.4 服務平臺門戶構建

安徽省防汛抗旱地理信息服務平臺門戶系統通過 Portal for ArcGIS 構建，提供多方面、多層次的空間信息服務，主要功能包括：訪問控制、地理信息資源目錄、應急制圖、二次開發(fā)中心。

1）訪問控制。門戶系統對地理信息服務資源訪問權限進行控制。用戶登錄后可以查看個人發(fā)布的及經授權查看使用其它用戶所有的地理信息資源，具有特定權限的用戶可使用應急制圖等功能。

2）地理信息資源目錄。資源目錄匯集了安徽防汛抗旱地理信息云服務平臺所有的地理空間和功能服務。提供空間信息服務資源目錄，授權用戶可以通過關鍵字、服務類型、服務分類過濾地理信息服務資源，實現快速檢索查找和預覽獲取。

3）應急制圖。應急制圖主要針對安徽省防汛業(yè)務，用戶可在瀏覽器端快速制作專題地圖，滿足掛圖作戰(zhàn)的需求。用戶可以使用系統中提供的底圖，選擇疊加系統中已有的防汛抗旱、水系分布、水利工程分布等各種水利業(yè)務專題信息，也可疊加上傳的文件或者第三方地圖服務，還可以在線添加點、線、面、文本注記等標繪，并配置符號，添加地圖輔助要素及圖廓整飾要素，完成專題圖制作，保存地圖并且自動發(fā)布為專題地圖服務，用戶可選擇導出為 pdf 格式。

4）開發(fā)者中心。安徽防汛抗旱地理信息云服務平臺提供多層次的二次開發(fā)組件和接口，提供面向安徽省防汛抗旱用戶的開發(fā)框架。為了方便用戶調用數據服、功能服務和二次開發(fā)接口構建專題應用系統，平臺提供開發(fā)應用示例，包括代碼、控件示例等，以及快速入門、類參考手冊等相關幫助文檔。

5 平臺應用

5.1 典型應用

安徽省防汛地理信息系統以微服務架構為基礎進行架構設計、以安徽省防汛抗旱地理信息服務平臺提供的地圖服務和地理實體服務為基礎進行地圖功能開發(fā)、以主流 MVVM 框架-Vue2.0 為基礎，使用 Webpack 和 Node.js 搭建開發(fā)環(huán)境，結合 HTML5，AJAX，Babel，ECMAScript6 標準等進行前端頁面的開發(fā)，實現防汛業(yè)務信息與地圖對象關聯掛接，可以在地圖上可視化展示并查詢各類防汛抗旱業(yè)務信息，給用戶提供 “一站式”業(yè)務信息查看體驗，如圖3 所示。

圖3 安徽省防汛地理信息系統信息展示界面

主要功能有以下 4 點：

1）基本功能?；竟δ馨ǘ嘀黝}電子地圖瀏覽，地圖量測，動態(tài)圖層疊加，按政區(qū)和流域快捷定位，防洪工程統計分析，卷簾分析等。

2）綜合查詢。綜合查詢功能是系統的核心功能，包括模糊和點圖查詢。對于模糊查詢，用戶可以選擇類別、輸入關鍵字進行查詢，也可以同時指定上述條件，查詢結果同時以列表和圖形的形式在地圖上展示，點擊查詢結果，彈窗顯示所有與該結果相關所有信息；對于點圖查詢，用戶可在視圖范圍內點擊任意水利對象，直接彈窗顯示與該水利對象相關的所有信息。

3）專題信息查詢。專題查詢實現了開口工程、崩岸預警、險工險段、險情災情、防汛責任人、斷面、臺風路徑、山洪預警、重點水利工程全景影像、沿淮行蓄洪區(qū)洪水風險圖、重點水利工程多媒體介紹等防汛業(yè)務信息的專題查詢。

4）實時信息查詢。實時信息包括實時水雨情及工情監(jiān)控視頻。對于水情信息，顯示監(jiān)測站點實時水位數據及任意時段的水位過程線，同時疊加顯示該站所在河段“三防水位”；對雨情信息，可進行全省雨量站降雨量數據的查詢、統計及可視化分析。工情監(jiān)控視頻瀏覽可根據流域、工程類型及級別、是否為干流站點等條件進行篩選，以及按照關鍵字過濾視頻站點，并且在監(jiān)控視頻播放窗口可控制攝像頭云臺。

5.2 其它應用

目前，安徽防汛抗旱地理信息服務平臺已為多個防汛抗旱業(yè)務系統提供地理信息應用服務：包括安徽省洪災損失評估、水情遙測系統、安山洪災害預警管理信息、河湖及水工程信息管理等系統、淮河洪水及行蓄洪區(qū)調度決策風險管理[6]、排灌泵站綜合管理信息等系統。為防汛抗旱、山洪災害等業(yè)務管理工作提供全方位和高效率的技術支撐。

6 結語

安徽防汛抗旱地理信息服務平臺建立了基礎地理數據與多種防汛專題數據之間的關聯機制，構建了面向對象的水利數據框架，形成了防汛專題知識庫，實現了地理信息和防汛抗旱業(yè)務數據的一體化管理與應用，為安徽省防汛抗旱決策提供了數據支撐；集成了虛擬存儲與管理、Portal for GIS、二三維可視化、水利工程實景顯示等技術，搭建了安徽防汛抗旱地理信息服務云平臺，創(chuàng)新了安徽防汛抗旱地理信息業(yè)務管理模式；綜合運用基礎、專題、概化等多種地圖表達形式，實現了靜態(tài)與動態(tài)地圖合理組織與個性化定制，滿足了安徽省多種防汛抗旱業(yè)務的應用需要。

但是，安徽省防汛抗旱地理信息云服務平臺涉及的業(yè)務范圍主要包括防汛抗旱工作涉及的防汛、抗旱、山洪災害等業(yè)務內容，對于水利行業(yè)的其他業(yè)務內容，例如水資源、水環(huán)境、水土保持和農村水利等內容未涉及，不能充分發(fā)揮水利行業(yè)大數據的價值，下一步應加強安徽涉水空間信息資源整合力度，為安徽水利的決策支持提供支持。