包振虎，溫 偉，邢增招，吳若軒

(自然資源部海南基礎(chǔ)地理信息中心，海口，570203)

1 引言

城市水務(wù)的管理既需要從宏觀上了解城市整體運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市水務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理；同時(shí)，也需要從微觀上進(jìn)行“分包到戶(hù)”的監(jiān)督管理[1-2]，并指派巡檢員到分管區(qū)域巡查監(jiān)督，將巡檢情況匯總至平臺(tái)，以獲準(zhǔn)進(jìn)行執(zhí)法和其他水務(wù)管理維護(hù)行動(dòng)，形成自下而上的全覆蓋城市監(jiān)管。城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)基于地理信息公共平臺(tái)提供的資源服務(wù)，在線調(diào)用矢量電子地圖、影像地圖、專(zhuān)題數(shù)據(jù)和POI查詢(xún)等數(shù)據(jù)服務(wù)[3-5]，同時(shí)接入水資源傳感器監(jiān)控信息，集成水務(wù)設(shè)施部件數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖、文、業(yè)務(wù)一體化和全方位的管理，提高城市水務(wù)微觀管理的執(zhí)法效率和水務(wù)設(shè)施管理能力。

2 需求分析

2.1 業(yè)務(wù)分析

城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程分為城市水務(wù)綜合管理流程和執(zhí)法監(jiān)察兩個(gè)業(yè)務(wù)流程。

2.1.1 城市水務(wù)綜合管理業(yè)務(wù)流程

城市綜合管理業(yè)務(wù)流程包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)入庫(kù)、數(shù)據(jù)發(fā)布、圖形編輯、屬性錄入、地圖接入、地圖服務(wù)(疊加瀏覽、圖斑查詢(xún)、POI查詢(xún)等)、監(jiān)測(cè)傳感數(shù)據(jù)接入，其業(yè)務(wù)流程如圖1所示。

圖1 城市水務(wù)綜合管理業(yè)務(wù)流程

2.1.2 執(zhí)法監(jiān)察業(yè)務(wù)流程

執(zhí)法監(jiān)察的業(yè)務(wù)流程包含手機(jī)端數(shù)據(jù)采集、巡檢數(shù)據(jù)上傳，巡檢數(shù)據(jù)管理、巡檢數(shù)據(jù)展示等幾個(gè)部分，其業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 執(zhí)法監(jiān)察業(yè)務(wù)流程

2.2 功能需求分析

主要業(yè)務(wù)功能需要包括以下幾個(gè)方面：

(1)手機(jī)端水務(wù)管理APP：提供巡檢員實(shí)時(shí)位置和水務(wù)管理事件數(shù)據(jù)采集和上傳功能。

(2)城市水務(wù)綜合管理：提供電子地圖、影像地圖、水務(wù)設(shè)施部件矢量數(shù)據(jù)的圖層管理，接入水務(wù)監(jiān)測(cè)設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和城市水務(wù)管理專(zhuān)題數(shù)據(jù)的在線瀏覽。

(3)執(zhí)法監(jiān)察管理：將巡檢員通過(guò)手機(jī)端APP上傳的實(shí)時(shí)位置和水務(wù)管理事件在門(mén)戶(hù)系統(tǒng)上以空間化和列表清單的形式實(shí)現(xiàn)信息的展示、查詢(xún)和管理。

(4)地圖應(yīng)用：實(shí)現(xiàn)POI查詢(xún)、空間量算、地圖標(biāo)注等基本操作。

(5)運(yùn)維管理系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效管理和配置，保障系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 總體技術(shù)路線

3.1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)

(1)提供基于OGC開(kāi)放接口(WMS、WFS、WCS)標(biāo)準(zhǔn)的跨平臺(tái)、輕量級(jí)的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

(2)調(diào)用數(shù)字城市地理空間信息公共服務(wù)平臺(tái)發(fā)布的OGC標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)或?qū)ν馓峁┑母黝?lèi)Web Service服務(wù)。

(3)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)用分離，以數(shù)據(jù)訪問(wèn)中間件為邊界，應(yīng)用系統(tǒng)只關(guān)注用戶(hù)業(yè)務(wù)功能，數(shù)據(jù)系統(tǒng)關(guān)注數(shù)據(jù)的管理維護(hù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的持續(xù)運(yùn)行，兩者通過(guò)中間件銜接。

3.1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作依據(jù)本項(xiàng)目的建設(shè)要求與具體功能需求，確定技術(shù)路線如下：

(1)數(shù)據(jù)服務(wù)功能使用SOA體系架構(gòu)和Web Service技術(shù)實(shí)現(xiàn)；

(2)采用面向?qū)ο蟮臉?gòu)件設(shè)計(jì)思想，在需求分析抽象的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟件功能構(gòu)件的設(shè)計(jì)規(guī)劃，力求“低耦合，高內(nèi)聚”，再根據(jù)應(yīng)用與管理對(duì)象的不同，將軟件構(gòu)件靈活組裝搭建成不同的應(yīng)用子系統(tǒng)；

(3)采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML開(kāi)展系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)，系統(tǒng)使用J2EE技術(shù)架構(gòu)搭建。

3.2 總體技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)采用面向服務(wù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，采用異構(gòu)分布式的方式建設(shè)城市水務(wù)管理專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)，在線調(diào)用數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)項(xiàng)目的建設(shè)成果和水務(wù)專(zhuān)題服務(wù)，為管理部門(mén)提供在線水務(wù)管理的統(tǒng)一門(mén)戶(hù)。城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)項(xiàng)目總體技術(shù)架構(gòu)如圖3所示，可以劃分為四個(gè)層次：支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。

圖3 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

3.2.1 支撐層

主要包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)備份系統(tǒng)和各類(lèi)基礎(chǔ)軟件如數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、GIS軟件等。

3.2.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和行業(yè)專(zhuān)題數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)共享、交換和使用通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布與注冊(cè)接入實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 服務(wù)層

主體依托框架建設(shè)項(xiàng)目地理空間信息公共平臺(tái)提供的在線地理信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)以二維地圖為主要表現(xiàn)形式的地理信息瀏覽。通過(guò)該方式，可以大量節(jié)省基礎(chǔ)地理信息要素?cái)?shù)據(jù)采集、維護(hù)費(fèi)用。行業(yè)專(zhuān)題數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器端的專(zhuān)題服務(wù)進(jìn)行調(diào)用。

3.2.4 應(yīng)用層

構(gòu)建手機(jī)端水務(wù)執(zhí)法監(jiān)察APP，提供巡檢員實(shí)時(shí)位置和水務(wù)管理事件數(shù)據(jù)采集和上傳功能；構(gòu)建城市智慧水務(wù)管理地理信息門(mén)戶(hù)網(wǎng)站，滿(mǎn)足在線城市水務(wù)綜合管理和執(zhí)法監(jiān)察管理的需求，在線接入和調(diào)用電子地圖、影像地圖、矢量以及影像注記服務(wù)、監(jiān)測(cè)傳感信息等服務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市水務(wù)管理數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的在線瀏覽。并能將巡檢員通過(guò)手機(jī)端APP上傳的實(shí)時(shí)位置和水務(wù)管理事件在門(mén)戶(hù)系統(tǒng)上以空間化和列表清單的形式展示。

3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

針對(duì)城市智慧水務(wù)數(shù)據(jù)的集成管理及顯示等需要，設(shè)計(jì)城市水務(wù)綜合管理系統(tǒng)的架構(gòu)、模塊劃分、功能構(gòu)成，具體包括巡檢員數(shù)據(jù)采集手機(jī)軟件、門(mén)戶(hù)網(wǎng)站和運(yùn)維管理系統(tǒng)三大子系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)成

3.4 系統(tǒng)部署設(shè)計(jì)

綜合考慮系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象和提供的服務(wù)能力，采用如下部署模式，具體如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)部署設(shè)計(jì)

3.5 系統(tǒng)運(yùn)行模式

城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)以巡檢執(zhí)法數(shù)據(jù)、水務(wù)管理專(zhuān)題數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為核心，其中巡檢執(zhí)法數(shù)據(jù)通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行采集，并上傳至系統(tǒng)；水務(wù)管理專(zhuān)題數(shù)據(jù)包括水務(wù)設(shè)施部件數(shù)據(jù)等，通過(guò)矢量編輯、統(tǒng)一入庫(kù)管理實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一對(duì)外提供服務(wù)；基礎(chǔ)地理信息要素?cái)?shù)據(jù)通過(guò)地理空間框架建設(shè)項(xiàng)目地理空間信息公共平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)調(diào)用。系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行模式

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)基于數(shù)字城市地理信息公共平臺(tái)所提供的各類(lèi)數(shù)據(jù)服務(wù)，整合城市水務(wù)管理專(zhuān)題數(shù)據(jù)特點(diǎn)的情況下，開(kāi)發(fā)建設(shè)了城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)的前臺(tái)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站(圖7-圖8)、手機(jī)巡檢APP(圖9-圖10)。為城市水污染源在線監(jiān)管、城市供排水管理等提供了多樣化的手段，進(jìn)而提高了城市水務(wù)管理效率。

圖7 城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)前臺(tái)門(mén)戶(hù)網(wǎng)站

圖8 巡查監(jiān)控

圖 9 實(shí)時(shí)位置采集界面

圖10 巡檢內(nèi)容采集界面

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 地理編碼和地址匹配技術(shù)

地理編碼和地址匹配是建立空間信息與非空間信息之間聯(lián)系的最重要最實(shí)用的手段。地理編碼是一個(gè)將街區(qū)地址轉(zhuǎn)換為帶有空間位置信息的過(guò)程。地址匹配是將文字性的描述地址與其空間的地理位置坐標(biāo)建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系的過(guò)程。地址匹配服務(wù)按照特定的步驟為地址查找匹配對(duì)象。首先要將地址標(biāo)準(zhǔn)化；然后服務(wù)器搜索地址匹配參考數(shù)據(jù)，查找潛在的位置；根據(jù)與地址的接近程度為每個(gè)候選位置指定分值，最后用分值最高的候選位置來(lái)匹配這個(gè)地址。

5.2 海量地圖瓦片存儲(chǔ)和管理技術(shù)

地圖瓦片是WebGIS應(yīng)用中一種重要的數(shù)據(jù)，它的主要特點(diǎn)如下：數(shù)據(jù)離散、存儲(chǔ)占用空間大、管理和更新不變等特點(diǎn)。因此，對(duì)海量地圖瓦片的存儲(chǔ)和管理，有一定的技術(shù)難度。因?yàn)閷?duì)海量瓦片的管理既要考慮存儲(chǔ)、更新、備份、管理的便捷性又要考慮在大并發(fā)訪問(wèn)時(shí)的高效性。

5.3 數(shù)據(jù)緩存技術(shù)

數(shù)據(jù)緩存，就是對(duì)系統(tǒng)中訪問(wèn)頻繁、不經(jīng)常變動(dòng)的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的一種優(yōu)化處理的技術(shù)。數(shù)據(jù)緩存的形態(tài)主要分為內(nèi)存緩存和磁盤(pán)緩存兩種。數(shù)據(jù)緩存的建立，能有效降低數(shù)據(jù)庫(kù)并發(fā)訪問(wèn)的壓力，提升系統(tǒng)的并發(fā)能力和響應(yīng)速度，提高用戶(hù)的查詢(xún)?yōu)g覽體驗(yàn)。

在WebGIS應(yīng)用中，需要做緩存處理的數(shù)據(jù)主要有：地圖切片、地名數(shù)據(jù)和其他元數(shù)據(jù)等。在實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)多種緩存技術(shù)并用的情況。以地圖瓦片為例，對(duì)于那些熱點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)放置在內(nèi)存中。而內(nèi)存緩存有限，如果想把所有的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)都做緩存優(yōu)化處理，這時(shí)需要配合一定的磁盤(pán)緩存處理。

5.4 跨平臺(tái)地圖可視化保真技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)與本地地理信息應(yīng)用不同，由于客戶(hù)端所依賴(lài)的運(yùn)行條件的差異，地圖應(yīng)用環(huán)境存在較大的不確定性。為達(dá)到統(tǒng)一的圖形顯示效果，必須解決地圖表達(dá)的跨平臺(tái)可視化保真問(wèn)題，即無(wú)論客戶(hù)端運(yùn)行平臺(tái)如何變化，應(yīng)保證地圖顯示的一致性和不失真。本項(xiàng)目采用基于Bezier曲線的繪圖機(jī)理，利用其良好的多平臺(tái)支持特性，通過(guò)構(gòu)建基于Bezier曲線的地圖基元模型，實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)的地圖可視化。

6 小結(jié)

城市智慧水務(wù)管理信息系統(tǒng)的建設(shè)為城市水污染、城市供排水等問(wèn)題在線監(jiān)管提供了多樣化的手段，實(shí)現(xiàn)基于“一張圖”的監(jiān)測(cè)全面實(shí)時(shí)化、管理業(yè)務(wù)協(xié)同化、決策科學(xué)化管理，構(gòu)建了一個(gè)“建、集、管、用、維”的智慧水務(wù)體系[6]。