基于服務(wù)聚合和擴展技術(shù)的廈門港多源地理信息共享平臺應(yīng)用

■林曉彬 黃建明 管孝漢

（福建省港航管理局勘測中心，福州 350004）

廈門港是我國綜合運輸體系的重要樞紐、集裝箱運輸干線港、東南國際航運中心和對臺航運的主要口岸，同時也是我國著名的人工港，其航道、港池及調(diào)頭區(qū)多為人工開挖，在航道疏浚維護過程中積累了海量的港口航道數(shù)據(jù)、船舶航行數(shù)據(jù)、港口支撐系統(tǒng)數(shù)據(jù)等， 其中港口水文數(shù)據(jù)、 航道水深數(shù)據(jù)、港區(qū)陸域數(shù)據(jù)主要以二維方式存儲和使用，并分散在各相關(guān)管理部門和碼頭企業(yè)， 數(shù)據(jù)的可視性、交互性不足，數(shù)據(jù)格式多源且服務(wù)模式單一、數(shù)據(jù)更新不及時， 各單位和部門建立的地理信息服務(wù)相互獨立不能相互調(diào)用， 已不能滿足廈門港日益復(fù)雜的實時立體化的港口航道監(jiān)管需求。 隨著廈門港船舶交通流量的快速增長， 廈門港正在由數(shù)字港口向智慧港口發(fā)展， 對港口地理信息服務(wù)的要求越來越高。 從港口運行安全、船舶通航保障到港口企業(yè)公眾服務(wù)，都迫切需要利用三維GIS技術(shù)、BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等最新的信息技術(shù)建立統(tǒng)一完善的三維地理信息場景[1]，通過GIS 服務(wù)聚合和擴展， 實現(xiàn)廈門港多源地理信息的高效管理和利用。

針對以上問題，本文提出多源地理信息共享技術(shù)，融合廈門港多源數(shù)據(jù)，研究了統(tǒng)一框架下多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示方法，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)、分布式應(yīng)用和服務(wù)采用Cesium 框架聚合共享， 采用簡單對象訪問協(xié)議（SOAP）進行數(shù)據(jù)傳輸，緊密結(jié)合廈門港航管理業(yè)務(wù)，自主開發(fā)地圖服務(wù)引擎，封裝構(gòu)建地理信息調(diào)用服務(wù)，實現(xiàn)廈門港三維地理信息系統(tǒng)跨部門、跨平臺共享，并基于此服務(wù)搭建專題應(yīng)用，提高廈門港三維地理信息共享、集成、開發(fā)的效率。

1 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

1.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

廈門港運維數(shù)據(jù)高維異構(gòu)、總量巨大，主要包括航道、碼頭泊位的安全監(jiān)測類、疏浚施工類、報表統(tǒng)計類的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及港航地理信息、潮位、氣象水文、文本、視頻類等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的時效性要求不一，安全監(jiān)測、潮位、氣象水文數(shù)據(jù)的實時性要求高，要求實時感知、傳輸入庫；對于港航地理信息數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、施工文檔、報表等時效性要求一般的數(shù)據(jù)需采用不同方法進行融合集成。

實時動態(tài)類的流式數(shù)據(jù)，根據(jù)不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型、數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)交換協(xié)議等，采用分布式消息系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)去噪等預(yù)處理后，再通過屬性追加、空間匹配和格式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合使用。 對于視頻類數(shù)據(jù)處理可通過國標(biāo)協(xié)議和流傳輸協(xié)議與前端設(shè)備或平臺進行對接實現(xiàn)實時視頻流的接入、轉(zhuǎn)發(fā)、分析、結(jié)構(gòu)化及云鏡控制等。

1.2 GIS 服務(wù)聚合和對象擴展技術(shù)

為滿足廈門港地理信息平臺的多樣化數(shù)據(jù)分析需要，采用GIS 服務(wù)聚合技術(shù)，將已有GIS 地圖服務(wù)與需要開發(fā)的GIS 數(shù)據(jù)服務(wù)聚合，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)、分布式應(yīng)用系統(tǒng)融合，開發(fā)基于Rest 架構(gòu)的Web Service 接口，結(jié)合基于注冊中心的服務(wù)搜索機制， 在客戶端采用Ajax 技術(shù)實現(xiàn)廈門港三維地理信息共享平臺的服務(wù)調(diào)用和服務(wù)聚合[2]，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和服務(wù)共享。

基于港口航道地理信息系統(tǒng)建設(shè)的業(yè)務(wù)邏輯，需要采用空間統(tǒng)計對港航數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，已有地圖服務(wù)主要提供地圖瀏覽、距離和面積測量等基本分析功能，缺乏針對空間統(tǒng)計和分析的功能，為了高效安全的實現(xiàn)空間統(tǒng)計，本文采用SOE 服務(wù)對象擴展技術(shù)擴展GIS 空間統(tǒng)計服務(wù)，通過REST 服務(wù)調(diào)用實現(xiàn)GIS 服務(wù)對象擴展[3]，保證廈門港三維多源地理信息系統(tǒng)滿足港航管理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的分析和處理。

1.3 二三維一體化技術(shù)

廈門港多源地理信息共享平臺基于WebGIS 可視化技術(shù)及模型渲染技術(shù)[4]，結(jié)合開源JavaScript 庫Cesium 技術(shù)和二維地圖類庫ArcGIS API for JavaScript 中底層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)接口封裝以及功能擴展，將二維地圖數(shù)據(jù)的分析計算和三維模型數(shù)據(jù)的展示相結(jié)合，實現(xiàn)二三維港口地理空間數(shù)據(jù)的聯(lián)動顯示、更新和數(shù)據(jù)分析結(jié)果的同步，并能夠無縫集成基于OGC 標(biāo)準(zhǔn)的地圖服務(wù)， 實現(xiàn)二三維一體化的多源地理信息共享平臺建設(shè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

廈門港多源地理信息共享平臺面向不同業(yè)務(wù)需求，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、三維GIS 技術(shù)，融合港區(qū)及航道測繪存量數(shù)據(jù)和增量感知數(shù)據(jù)，提供航道與碼頭港區(qū)三維可視化場景專業(yè)應(yīng)用，建設(shè)廈門港地理空間數(shù)據(jù)庫及三維共享平臺，為數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)交換和業(yè)務(wù)協(xié)同提供數(shù)據(jù)支撐。 系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)和Spring 框架[5]，系統(tǒng)總體架構(gòu)（圖1）從感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、平臺驅(qū)動層和應(yīng)用層等方面進行，具體包括如下。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）感知層：主要包括航標(biāo)遙測遙控終端、橋梁凈高監(jiān)測及防碰撞預(yù)警、高清視頻監(jiān)控終端、船舶流量監(jiān)測、流速流向監(jiān)測、實時潮位監(jiān)測設(shè)備等，通過物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)實現(xiàn)港口航道要素實時感知；（2）基礎(chǔ)層：依托已有的網(wǎng)絡(luò)體系、服務(wù)器、存儲設(shè)備、支撐軟件、安全保障體系等軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施，為平臺運行提供必要的運行環(huán)境與支撐保障[1]；（3）數(shù)據(jù)層：組成系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)資源庫，主要以歷年航道測繪數(shù)據(jù)、港口地理空間數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)和實景三維數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，結(jié)合增量感知數(shù)據(jù)，建立三維場景模型庫，融合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫二維港口航道測繪數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐；（4）平臺驅(qū)動層：集合了三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)制作、數(shù)據(jù)更新及數(shù)據(jù)共享的功能與服務(wù)，通過對三維航道模型數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)與統(tǒng)一管理， 構(gòu)建三維地圖服務(wù)接口，實現(xiàn)三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布， 包括WMS、WFS、WMTS 等的發(fā)布和接入， 以及專業(yè)的地理信息分析服務(wù)，為系統(tǒng)運轉(zhuǎn)提供二三維GIS 基礎(chǔ)平臺支撐；（5）應(yīng)用層：通過構(gòu)建廈門港地理信息共享平臺，為廈門港海事及港航管理部門提供航道三維地圖、綜合航道測繪信息查詢統(tǒng)計、三維空間分析等服務(wù)，建成港口航道數(shù)據(jù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)接口，面向港口、船舶等提供港航數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口服務(wù)， 促進海事、港口、水利、氣象等航運數(shù)據(jù)共享融合、分析應(yīng)用，初步形成廈門地理信息生態(tài)圈。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

廈門港多源地理信息共享平臺基于港口水下地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)與管理、三維GIS 地圖服務(wù)及港口感知數(shù)據(jù)信息服務(wù)等業(yè)務(wù)需求，廈門港三維地理信息共享平臺主要包括：數(shù)據(jù)采集入庫管理系統(tǒng)、三維模型生成系統(tǒng)、三維數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)、三維地圖綜合應(yīng)用子系統(tǒng)。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集入庫管理系統(tǒng)

通過水深測量、無人機攝影測量、遙感測繪等方式獲取測繪數(shù)據(jù)，或通過物聯(lián)網(wǎng)多種傳感裝置及現(xiàn)場智能設(shè)備實時采集數(shù)據(jù)， 使不同數(shù)據(jù)類型、格式和來源的數(shù)據(jù)能夠以自動或人機交互方式進行轉(zhuǎn)換，并對提交的測繪成果進行檢驗[6]，形成規(guī)范化格式的測繪成果數(shù)據(jù)，對港口航道管理的各類電子資料（包括文檔、圖片、視頻等）進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)在線瀏覽。 根據(jù)港口航道維護實際需求，空間數(shù)據(jù)根據(jù)業(yè)務(wù)功能和數(shù)據(jù)權(quán)限以Web Service 方式提供數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和利用。 數(shù)據(jù)采集入庫流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集入庫流程

2.2.2 三維模型生成與發(fā)布系統(tǒng)

建立港口航道三維模型，研究基于水深點三維模型自動更新算法，實現(xiàn)港口航道水下地形持續(xù)更新，通過三維模型自動更新模塊設(shè)計開發(fā)，實現(xiàn)基于每次水深測量數(shù)據(jù)的模型自動更新， 并將歷史模型存儲，實現(xiàn)三維模型的查詢統(tǒng)計、數(shù)據(jù)生成及管理。

2.2.3 三維地圖綜合信息服務(wù)系統(tǒng)

依托三維航道系統(tǒng)，通過綜合研判航道感知泛在物聯(lián)采集的航道、視頻圖像、水文氣象數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析及挖掘技術(shù)建設(shè)航道業(yè)務(wù)智能處理與分析預(yù)測應(yīng)用，圍繞協(xié)同運行、安全監(jiān)測、應(yīng)急指揮等業(yè)務(wù)場景，提供在線二三維一體化港口航道信息服務(wù)。

3 系統(tǒng)開發(fā)

廈門港多源地理信息共享平臺建設(shè)主要包括數(shù)據(jù)資源建設(shè)、三維基礎(chǔ)平臺建設(shè)、三維應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)3 個部分。 數(shù)據(jù)資源建設(shè)以廈門港航道建設(shè)與維護過程中積累的水深地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，建立三維空間數(shù)據(jù)庫， 通過無人機傾斜攝影技術(shù)、無人機激光雷達(dá)技術(shù)、 水下三維掃描技術(shù)建立港口、碼頭、橋梁、航標(biāo)等重點港區(qū)監(jiān)管設(shè)施的高精度三維模型[7]；三維基礎(chǔ)平臺建設(shè)包括共享平臺構(gòu)建所必須的基礎(chǔ)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境，廈門港多源地理信息共享平臺采用MySQL 數(shù)據(jù)庫作為基本數(shù)據(jù)庫管理平臺， 采用Cesium 開源三維GIS 開發(fā)框架，建立面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA）[8]，通過分析感知網(wǎng)絡(luò)采集的航道、視頻圖像、水文氣象數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析及挖掘技術(shù)建設(shè)航道業(yè)務(wù)智能處理與分析預(yù)測應(yīng)用，圍繞協(xié)同運行、安全監(jiān)測、應(yīng)急指揮等業(yè)務(wù)場景， 提供在線二三維一體化的地圖服務(wù)。 三維應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)主要包括三維模型生成、三維數(shù)據(jù)管理與發(fā)布及三維應(yīng)用系統(tǒng)功能開發(fā)，最終實現(xiàn)廈門港三維港口航道GIS 服務(wù)、綜合港航測繪數(shù)據(jù)服務(wù)目標(biāo)。

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)運行環(huán)境

軟件平臺采用Windows 10 操作系統(tǒng)， 服務(wù)器端采用Apache Tomcat8.5 和Java 1.7 運行環(huán)境支撐，數(shù)據(jù)庫管理軟件采用MySQL 5.5。系統(tǒng)采用Java開發(fā)語言和Eclipse 開發(fā)工具， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享接口統(tǒng)一開發(fā)和平臺界面人性化設(shè)計，具有在線地圖展示、空間分析、動態(tài)展示和系統(tǒng)管理等功能。

4.2 系統(tǒng)主要功能模塊

系統(tǒng)主要功能模塊包括：（1）二三維綜合信息查詢。 在三維可視化的環(huán)境下有效展示水文氣象、錨地、航道、通航設(shè)施、礙航物、港口支持系統(tǒng)等專題數(shù)據(jù)，生成查詢結(jié)果統(tǒng)計圖，如圖3 所示。 （2）實時水深信息查詢。 通過接口訪問實時潮位在線服務(wù)系統(tǒng)及水文系統(tǒng)，實現(xiàn)三維環(huán)境下對水文水深信息的實時監(jiān)控，實時水深信息如圖4 所示。 （3）船舶通航預(yù)警。 通過三維模型和實時潮位及AIS 數(shù)據(jù)，顯示船舶吃水和航道實時水深情況，分析船舶適航范圍，提高航道預(yù)警能力和通航效率，船舶通航預(yù)警如圖5 所示。（4）港口航道三維空間分析。調(diào)度歷史航道模型， 進行歷史航道的斷面分析、沖淤分析（圖6）、等高線分析、清淤土方計算等。（5）工程施工管理。 實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)管理，將歷年建設(shè)資料、地質(zhì)資料、施工方案以三維形式直觀展示，通過系統(tǒng)對施工船舶進行實時監(jiān)測。 （6）礙航物管理。 基于水沙運動、洲灘變形、航槽調(diào)整等預(yù)測數(shù)據(jù)，預(yù)測將會出現(xiàn)的礙航問題。

圖3 二三維綜合信息查詢

圖4 實時水深信息查詢

圖5 船舶通航預(yù)警

圖6 沖淤分析

5 結(jié)語

本文根據(jù)廈門港基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)共享的難點，提出了一種基于服務(wù)聚合和對象擴展技術(shù)的多源地理信息共享總體架構(gòu)，具體描述了平臺的設(shè)計框架、功能設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)據(jù)共享模式等內(nèi)容。共享平臺的建設(shè)能夠極大地促進廈門港口航道地理信息的共享水平，有效降低了“信息孤島”和“煙囪式”系統(tǒng)建設(shè)，為智慧港口和智慧航道建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。

共享平臺的建設(shè)對港口運行維護和安全監(jiān)管提供了積極有效的途徑， 對港航管理業(yè)務(wù)效率、科學(xué)決策管理水平的提升具有重要意義。 同時，隨著存量測繪數(shù)據(jù)的入庫和增量感知數(shù)據(jù)的匯集，還需繼續(xù)建立健全港航地理信息標(biāo)準(zhǔn)體系， 融合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、北斗等新興技術(shù)，為廈門港智慧港口建設(shè)提供更豐富、更安全的數(shù)據(jù)共享模式。