董安國，陳年松

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

0 引 言

2016年1月，習(xí)近平總書記在重慶召開的推動長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展座談會上，為長江治理開出了治本良方，提出要“共抓大保護(hù)、不搞大開發(fā)”，走“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”之路。其中，岸線資源是實施沿江開發(fā)最具獨特的資源，不僅具備岸線利用的經(jīng)濟(jì)功能，而且還具有鄰近水源和內(nèi)陸腹地的獨特優(yōu)勢[1]。長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺采用大數(shù)據(jù)、遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)等技術(shù)，對長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)取水口、排水口、化工企業(yè)、碼頭、生態(tài)紅線、保護(hù)區(qū)、碼頭等岸線資源數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理和空間化顯示，快速分析長江岸線資源的利用情況，直觀反映重點區(qū)域生態(tài)環(huán)境整治、修復(fù)，沿江產(chǎn)業(yè)布局等情況，實現(xiàn)對長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)生態(tài)環(huán)境的信息化、空間化、可視化和大數(shù)據(jù)管理，為開展自然資源資產(chǎn)離任審計、評估國家環(huán)境資源政策的貫徹落實情況以及分析重大資源開發(fā)利用、保護(hù)活動提供科學(xué)決策支持[2]。

1 體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)擬采用B/S架構(gòu)，設(shè)計時采用模塊化、組件化的思想，實現(xiàn)軟件可配置，為系統(tǒng)將來的擴(kuò)展預(yù)留接口。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，自下而上分為：基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。

圖1 長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺體系結(jié)構(gòu)圖

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是系統(tǒng)最基本的運行環(huán)境，主要包括網(wǎng)絡(luò)及通訊設(shè)施、主機(jī)服務(wù)器及存儲系統(tǒng)，以及操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

1.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)運作的核心。在長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)過程中，各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過加工、處理、標(biāo)準(zhǔn)化、傳輸、存儲，形成平臺數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)提供一個保障科學(xué)、高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)環(huán)境，也為生態(tài)環(huán)境修復(fù)、整治提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)層主要包括以下數(shù)據(jù)庫：基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)庫、遙感影像數(shù)據(jù)庫(0.1～0.3 m分辨率和2 m分辨率)、長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)專題數(shù)據(jù)庫等。

1.3 服務(wù)層

服務(wù)層通過提供應(yīng)用整合服務(wù)與數(shù)據(jù)整合服務(wù)，在最大程度上解決信息共享中的“信息孤島”問題，實現(xiàn)最大限度地利用歷史的和現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源，并為系統(tǒng)高效、可靠的運行提供保障。數(shù)據(jù)服務(wù)層主要包括：地圖服務(wù)、幾何服務(wù)、要素服務(wù)、統(tǒng)計服務(wù)、數(shù)據(jù)輸出服務(wù)等。

1.4 應(yīng)用層

長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺的GIS功能，包括漫游長江、專項數(shù)據(jù)、地圖切換、測量、圖層控制、視角書簽和工具等功能模塊。

2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺不僅要像傳統(tǒng)的GIS管理平臺那樣展示分析遙感影像數(shù)據(jù)，而且需要結(jié)合三生空間數(shù)據(jù)、海事專題數(shù)據(jù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)數(shù)據(jù)等多種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的分析處理，分析規(guī)則較為復(fù)雜，需要處理的數(shù)據(jù)量較大。從保證分析的準(zhǔn)確性、實時性與使用者的便利性等角度考慮，系統(tǒng)主要應(yīng)用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 基于開源Vue框架的WebGIS前端構(gòu)建技術(shù)

Vue是一套構(gòu)建用戶界面的輕量級前端框架。由于Vue實現(xiàn)了MVVM分層架構(gòu)，只需要將數(shù)據(jù)源與前端組件綁定，最終的頁面顯示結(jié)果就會隨著數(shù)據(jù)源的變化自動改變，因此使用它來聯(lián)動顯示地圖上的要素以及動態(tài)變化的分析統(tǒng)計圖有非常大的優(yōu)勢。長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺采用Vue框架設(shè)計并實現(xiàn)了B/S模式下的GIS監(jiān)測系統(tǒng)，具有輕便、界面友好、易操作等優(yōu)勢，能夠直觀、高效、明了地提高用戶對于數(shù)據(jù)的視覺感知。平臺采用了Vue—cli構(gòu)建工具生成的體系結(jié)構(gòu)，將不同的業(yè)務(wù)模塊封裝到不同的component(組件)中，實現(xiàn)松耦合，具有易于開發(fā)的優(yōu)點[3]。此外，平臺采用Vue Router調(diào)用各類業(yè)務(wù)component，通過vuex管理全局對象，采用vue-axios處理前后端之間的交互。

2.2 Leaflet地圖交互開源庫

Leaflet是一個開源JavaScript庫，它是WebGIS開發(fā)項目中廣泛使用的開源地圖庫[4]。它具有輕量級、易拓展、跨平臺、兼容性好、支持多源數(shù)據(jù)格式、功能齊全等優(yōu)點，適用于開發(fā)中大型在線GIS應(yīng)用。

長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺主要使用了Leaflet提供的核心Map類，通過Map地圖容器，在其中放置地圖控件、添加圖層、繪制點線面要素、添加符號、綁定事件等。Leaflet默認(rèn)采用“L”作為命名空間，使用類似于JQuery的鏈?zhǔn)骄幋a風(fēng)格，代碼更加精簡，并且可讀性強(qiáng)。此外，長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺還應(yīng)用了ESRI-Leaflet API。Esri-Leaflet是ESRI針對Leaflet做的擴(kuò)展，在功能方面上全線支持各種task。Esri-Leaflet類似于適配器，通過簡單的適配可以兼容ArcGIS的服務(wù)和功能。

2.3 矢量瓦片技術(shù)

矢量瓦片是一種利用協(xié)議緩沖(Protocol Buffers)技術(shù)的緊湊的二進(jìn)制格式用來傳遞信息。與柵格瓦片類似，矢量瓦片也是將地理空間數(shù)據(jù)按一定的數(shù)學(xué)規(guī)則進(jìn)行分級分塊切片，形成矢量數(shù)據(jù)區(qū)塊的集合，矢量瓦片的分級分塊切片原理如圖2所示。但不同的是，柵格瓦片返回給客戶端應(yīng)用程序的是靜態(tài)柵格圖片，而矢量瓦片返回的是用于繪制的數(shù)據(jù)，而不是已經(jīng)繪制出固定樣式的圖片，本質(zhì)上依然是矢量數(shù)據(jù)，因此矢量瓦片可以保留矢量數(shù)據(jù)的全部特性，即具備了靈活性、交互性等特征。

圖2 矢量瓦片

使用矢量瓦片服務(wù)時，客戶端只會調(diào)用當(dāng)前比例尺級別下視野范圍內(nèi)的矢量數(shù)據(jù)，無須向服務(wù)器請求全部范圍的矢量數(shù)據(jù)，大大降低了渲染的數(shù)據(jù)量，同時分塊矢量矩陣也有利于客戶端緩存和數(shù)據(jù)重用。正是基于這樣的特性，矢量瓦片理論上具有優(yōu)異的性能，使得數(shù)據(jù)的請求、傳輸和渲染更加高效。

長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺中收集了大量測繪、海事、環(huán)保部門的專題地圖，例如三生數(shù)據(jù)圖、生態(tài)紅線圖等。使用矢量瓦片提供底圖服務(wù)能不僅大大提高地圖服務(wù)的質(zhì)量，并且在靈活性、交互性、預(yù)處理開銷和可移植性等方面也有很大提升。

2.4 差異圖斑提取技術(shù)

差異圖斑提取是利用不同時點的長江岸線資源地理實體通過疊加比較分析提取變化數(shù)據(jù)的過程，其本質(zhì)是基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的目標(biāo)匹配并從中發(fā)現(xiàn)區(qū)別并生成基本單元數(shù)據(jù)[5]。基本單元中任何一個對象發(fā)生變化,視為基本單元發(fā)生變化。空間目標(biāo)在匹配時，可以采用地理信息表達(dá)中的語義、幾何、屬性以及拓?fù)涞汝P(guān)系進(jìn)行[6]。長江岸線資源大數(shù)據(jù)的差異圖斑提取可設(shè)計為邏輯一致性、屬性一致性和圖形一致性三部分，差異圖斑的對比內(nèi)容如表1所示。

表1 差異圖斑比對內(nèi)容

依據(jù)上述原則，我們設(shè)計自然資源資產(chǎn)差異圖斑的提取流程，同時使用FME軟件做差異圖斑的提取工作。FME(全稱Feature Manipulate Engine)是一套將不同GIS數(shù)據(jù)模型和要素進(jìn)行整合與同構(gòu)化的產(chǎn)品，可用于讀寫存儲和轉(zhuǎn)換各種空間數(shù)據(jù)。

2.5 主要創(chuàng)新點

(1)隨著用戶對Web前端的使用體驗提升,導(dǎo)致Web前端開發(fā)的工作量增大,代碼量增加,開發(fā)難度增大。長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺利用基于MVVM模式的輕量級響應(yīng)式框架Vue.js以及Leaflet地圖庫開發(fā),可以有效簡化Web前端開發(fā)流程,降低開發(fā)難度,提高開發(fā)效率,實現(xiàn)了Web系統(tǒng)前、后端開發(fā)完全分離,提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。

(2)我們改進(jìn)了長江岸線資源數(shù)據(jù)處理的工藝流程，利用FME軟件的相關(guān)轉(zhuǎn)換器，對差異圖斑的提取流程進(jìn)行建模，完成了差異圖斑的幾何比對和屬性比對，最終實現(xiàn)了不同時間節(jié)點的差異圖斑提取工作。

3 平臺實現(xiàn)

長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)平臺主要設(shè)置了地圖主題功能模塊、長江岸線主題功能模塊、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局主題功能模塊、生態(tài)修復(fù)主題功能模塊四大個主題功能模塊，通過大數(shù)據(jù)理念，為長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)布局、管控、保護(hù)和生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供科學(xué)決策支持。

3.1 地圖主題功能模塊

地圖主題功能模塊從整體上展示了長江(江蘇段)近20年的一張空間底圖。該模塊整合了2000—2018年長江(江蘇段)衛(wèi)星和航空影像照片，以及矢量數(shù)據(jù)、長江岸線、入江干流、沿江交通等信息，覆蓋了長江在江蘇境內(nèi)的433 km干流，800余千米岸線，以及沿江八個地級市，15個縣市的區(qū)域范圍，形成一套江蘇境內(nèi)長江岸線動態(tài)、完整、無縫的電子底圖，以時間和空間維度，可以從宏觀、微觀角度客觀展現(xiàn)長江(江蘇段)地理環(huán)境全貌；同時，可通過時空對比分析，直觀展示長江(江蘇段)發(fā)展變化情況，地圖主題功能模塊中基礎(chǔ)地圖切換界面如圖3所示。

圖3 地圖主題功能模塊——基礎(chǔ)地圖切換

3.2 長江岸線主題功能模塊

長江岸線主題功能模塊融合了多行業(yè)數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確反映長江岸線現(xiàn)狀，和沿江八市岸線資源利用情況，為長江岸線清理整治和生態(tài)改造工作提供第一手資料，長江岸線主題功能模塊中岸線資源統(tǒng)計界面如圖4所示。

圖4 長江岸線主題功能模塊——岸線資源統(tǒng)計

3.3 優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局主題功能模塊

優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局主題功能模塊收集整理了江蘇沿江2 km范圍3000多家工商部門登記的企業(yè)信息，并將這些企業(yè)標(biāo)注在地圖上進(jìn)行分類展示。用戶可以在地圖上通過點擊代表企業(yè)位置的紅點，了解企業(yè)名稱、地址、法人、注冊資本、成立日期、郵箱、電話等信息。沿江企業(yè)信息可用于輔助進(jìn)行整治改造和產(chǎn)業(yè)布局，也可用于突發(fā)事件應(yīng)急支撐。

3.4 生態(tài)修復(fù)主題功能模塊

生態(tài)修復(fù)主題功能模塊利用歷史和當(dāng)前長江(江蘇段)環(huán)境對比，直觀反映近年長江(江蘇段)特別是重點區(qū)域的整治修復(fù)成果，為生態(tài)修復(fù)監(jiān)測提供有效的技術(shù)支撐；同時，利用對比分析結(jié)果客觀評價整治修復(fù)進(jìn)度，提升生態(tài)環(huán)境修復(fù)的監(jiān)管能力。生態(tài)修復(fù)主題功能模塊中南京江北新區(qū)四屏比對界面如圖5所示。

圖5 生態(tài)修復(fù)主題功能模塊—南京江北新區(qū)四屏比對

4 結(jié) 語

當(dāng)前，長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)信息平臺的建設(shè)還在如火如荼地進(jìn)行當(dāng)中。該平臺是基于多年高清影像地圖打造的長江岸線資源大數(shù)據(jù)管理、智能決策分析平臺，平臺中的專題數(shù)據(jù)從不同部門收集或重新采集，數(shù)據(jù)整理比較復(fù)雜，完成周期相對較長，因此平臺的建設(shè)是一個長期的過程。作為一種政府綜合管理與決策層面的信息集成、集中管理的有效手段，長江經(jīng)濟(jì)帶(江蘇段)時空大數(shù)據(jù)信息平臺力求客觀反映長江這條母親河的各項健康指數(shù)，以更加統(tǒng)籌和精細(xì)的方式，實現(xiàn)長江岸線資源管理與決策的智慧化。下一步，如何推動該平臺又好又快地建設(shè)，更好的輔助政府部門的決策，是我們需要面對的問題。