基于 OGC 标准的水利一张图关键技术解析

曹 帅 ，陈 珺 ，王 颖 ，王 培 ，胡文斌

（1. 江苏省水文水资源勘测局，江苏 南京 210029；2. 江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013）

0 引言

水利对象具有空间分布特征，水利行业管理和业务应用均需要水利地理信息支持。以往水利 GIS建设中，信息资源分散，资源复用率低，地区发展不均。随着 WebGIS 技术的发展和应用日益成熟，各水利数据中心试图构建公共 GIS 平台作为一张图[1]，通过基于网络的地理信息服务，满足水利 GIS 共享的需求。当前，由开放地理空间信息联盟（OGC）提出的 OWS（OGC 网络服务）服务体系，包括数据、描述、过程、发布和应用等空间数据接口互操作规范，已成为网络地理信息服务的通用标准。为规范统一水利空间信息建设和应用，江苏省在水利一张图建设过程中，基于 OGC 标准和相关技术构建了一张图平台框架体系，实现水利 GIS 云。

1 需求分析

随着水利信息化的发展，GIS 在水利各业务中发挥愈加重要的支撑作用。水利用户对水利 GIS 的需求体现在以下 3 个方面：

1）数据层。不同的业务视角，对空间数据内容、范围和精度要求不同。省级关注骨干水系、水利对象分布和分析汇总，市县需要大比例尺下区域性河道和工程位置关系。防洪预警参照地形，水文模型考虑下垫面，河湖治理依赖遥感，工程建设、管理对勘测数据和三维建模有需求。

2）功能层。水利 GIS 系统除地图展示、空间查询、拓扑计算、制图打印等通用功能外，还包括与属性和业务模型结合的统计、分析、模拟、预测、决策功能。传统单体式 GIS 应用，业务功能与开发环境紧耦合，难以协同共享，重复建设严重。一张图架构下，采用颗粒度细小、开放接口的组件，组合完成复杂的功能，是跨系统任务协同、构建软件生态圈的需要。

3）应用层。空间信息特有的直观、拓扑、唯一性，有利于实现水利对象统一、实体关联、信息集成。通过图表一致性、空间属性一体化等技术，有利于统一信息资源架构、水利应用风格，为业务系统开发提供支撑。

2 技术路线分析

分散建设的水利 GIS 系统导致数据标准不一，信息共享困难，而单一集中方式难以满足水利地理信息多样化、个性化需求。为解决上述矛盾，江苏省水利一张图建设采用去中心化及统分结合的思想，基于开放通用的 OGC 标准，构建互联互通、协同应用的服务平台。具体技术路线如下：

1）数据融合为基础。从数学基础、要素分类、数据组织、应用模型、地图表达等 5 个方面，统一规范，使多源水利地理信息在统一框架下采集，存储，发布，应用和展现。

2）先进技术为支撑。综合采用云计算、SOA、资源目录、统一认证技术，构建分布式服务平台框架，实现地图、属性、功能的注册，发布和管理，保障服务运行质量（QoS）。

3）分级管理为目标。一张图目标是建设一个共建共享的“众包”地图。各水利要素的维护、更新由各部门分权分域负责和组织实施；基础地理信息（矢量、影像底图、DEM 等）由省级平台发布更新；用户可以上传、发布，也可使用一张图平台功能定制信息资源（如专题图）。

4）信息安全为红线。对敏感、高精度的水利GIS 信息，需遵循有关规定进行地图脱密、审图号申请，并采用反向代理、安全认证、冗余备份等方式，保障系统和数据安全。

5）标准规范为保障。形成一套涵盖数据资源、建设管理、应用服务的规范体系，使水利空间数据和业务对象产生全生命周期的对应关系，满足空间和属性的图表一致性，规范水利业务对象管理。

3 总体架构构建

江苏省水利一张图以“框架统一、逻辑一致、互联互通、数据分级”的建设思路，构建多视角切换的水利业务地图。将不同级别、区域、部门的数据和功能，通过服务方式共享，提高数据精细度、完整性和现势性要求，促进业务功能开发和多样化，实现应用统一。一张图平台采用统一资源、身份、目录，以及独立授权、互联互访的模式构建。在运行模式方面，通过 CA 认证实现用户统一身份认证，建立目录同步机制，保证省、市、县资源目录统一。一张图在水利专网、政务内网、互联网3 种网络环境部署，并提供在线、标准接口、定制开发和云端等 4 类服务模式，满足不同用户和应用的使用需求。

一张图在纵向上统筹考虑省、市、县三级水利部门应用。省级平台作为总节点，市、县级可以采用自建或租用省级平台云资源方式建设分节点。各节点管理本级水利部门掌握的 GIS 和属性数据，以服务方式共享。在横向上，一张图平台为各业务部门提供框架支撑，各业务部门通过接口调用的方式获取平台服务，平台服务的注册、发布、管理、使用框架与各部门系统组成一个完整的水利信息化体系，可为行业内外应用提供框架和各类服务。江苏省水利一张图信息共享三级架构如图 1 所示。

图 1 江苏省水利一张图信息共享三级架构

4 关键技术解析

OGC 从数据和服务 2 个方面为分布式环境下访问地理数据和信息资源制定了一套全面的规范。数据模型规定了几何对象和空间参考的描述、存储格式、查询、运算；服务模型是地理信息获取、管理、操作、表达、分享服务和实施的通用规范[2]。OWS 提出 Web Service 的数据型和操作型构件模型，主要接口如表 1 所示。

OGC 为地理信息提供全栈式标准，能够为水利GIS 采集、交换、共享、应用提供支撑。江苏省水利一张图参照 OWS 标准构建，并根据需求进行相应扩展，采用的关键应用技术主要有基于 OWS 和Web Service 的多源数据融合发布技术等 5 类。

4.1 基于 OWS 和 Web Service 的多源数据融合发布技术

水利地理信息分为基础地理、水利专题、大比例尺勘测、模型、河景等，具有矢量、栅格、地形、影像、三维、点云等多种格式。在 OWS 服务框架下，数据基于 GML 存储交换。GML 是基于模式文档（xml：Schema）定义的地理信息标识语言，以面向对象方式组织数据，支持几何、栅格、属性、拓扑、时态信息表示。WFS 提供有查询参数的 GML 矢量数据服务，WCS 返回以 GML 组织数值的栅格覆盖（Coverage）模型。从数据组织角度，除简单要素外，GML 可以自定义组合要素（复式河道、调水工程等）类型，并赋予对象属性和关联关系，使矢量数据结构更清晰易用，也可满足对时态、容量要求高的栅格数据分布式存储需求。在地图展示方面，WMS 和 WMTS 都返回地图的位图图片。WMTS 以 RESTful 风格访问瓦片地图，可采用分布式缓存策略，提高底图的访问效率，实现勘测、确权等大数据的局部切片更新[3]。WMS 支持多种地图服务的图层聚合，并用图层样式表 SLD 动态渲染，依据地图标识规范设置样式参数，能够实现地图统一风格展示，提供在线水利专题图制作功能的解决方案。

表 1 OWS 服务基本功能和接口列表

一张图平台研发了基于 Web 的三维模型共享技术，服务器端用 Spring MVC 架构实现三维模型和标注的数据共享发布服务，客户端使用 JavaScript 封装类实现三维地图的基本功能服务，用户通过调用平台提供的功能和数据服务共享接口构建的分布式三维地图系统，快速建立和部署三维地图应用，实现跨地区、部门的三维地图资源的互联互通和集成应用。

4.2 基于扩展 WFS 功能的空间属性一体化检索技术

实体建模通过图元关联、地名地址技术，支持空间对象基于属性、语义的查询和建模。水利实体图元关系有：多图元实体（如跨区域河流），图元实体一致（如取水口）；多几何形态实体（如水闸点、线、面）。WFS，WFS-G 规定了实体和地名地址的请求规范。

WFS 基于 XML 的过滤器或 CQL（OGC 提供的通用查询语言），进行空间和属性的查询。当前原生 GIS Server 提供的 WFS 实现存在以下 3 类问题：1）不支持空间表外部属性域的查询；2）不支持地名地址语义查询；3）服务端查询性能难以保证。针对上述问题，一张图采用扩展服务实现的方式解决：以命名空间、数据集、属性名 3 元组（ns，ds，at）定位属性，在 CQL BNF 范式中以 ns∶ds∶at + 谓词扩展属性域查询；由于开源搜索引擎 Solr既支持文本分词，也支持基于二进制编码的空间索引，通过在云平台搭建 Solr 集群，能使一张图百万级POI（信息点）实现毫秒级查询响应。通过在命名空间属性域、搜索引擎基础上重定义 WFS 接口实现，一张图构建了水利空间属性一体化检索体系，促进了水利信息资源整合共享。

4.3 基于 WPS 服务链和工作流的空间功能组合技术

WPS 是发布和执行空间处理功能的规范，不仅支持空间插值、坡度坡向、遥感识别、拓扑计算等GIS 原子功能发布，也支持通过流程编排，用服务链组合的复杂业务功能发布。如通过调用 WFS 的矢量数据、WCS 的 Coverage 模型，实现等值线、淹没面积计算等。

工作流技术可以按倒树型结构处理服务间的依赖关系，并缓存各服务的作业执行状态。一张图基于工作流技术实现聚合分析、专题制图、智能报表、采集更新、服务管理等典型应用，提供可视化建模环境，用户可定制服务依赖关系、流程组合，并发布为 WPS 模板。

4.4 基于 CSW 和 LDAP 的异构资源目录技术

CSW 以指定元数据模型为基础，实现查询类和管理类（包括目录同步）的 Web 服务接口。用户将数据库、文件和服务资源注册上传后，由一张图服务管理系统生成服务 URL（统一资源定位符），在资源目录公开服务元数据。CH/Z 9018—2012《地理信息网络分发服务元数据内容规范》仅描述空间元数据，需构建可扩展的元数据模型，描述细粒度水利业务域资源（包括防汛、工程示意图）等。

LDAP 结合了面向对象和树型层次的思想，树节点条目 Entry 对应 1 个对象实体，以对象类型（Object Class） 概念为其指定附加属性，以容器单元 OU 表达组织机构的对象层级。基于这种信息模型，一张图目录管理系统实现了具有层次、网状关系的动态元数据管理。结合命名、访问、安全模型，可将查询精确到服务操作级，如：OU = WFS，取水口，南京。采用开源的 OpenLDAP 产品实现 CSW服务的 GetRecord，Transaction 及 Haverst 接口。

4.5 基于云计算与 GIS 融合的云 GIS 技术

一张图作为水利信息化业务的支撑，其 GIS 具有数据量大、读取频繁和计算密集的特点，WebGIS架构在特定时间、区域访问量出现峰值时，对服务器端的压力巨大。采用云架构的分布式计算特点，结合 OWS 服务标准，能够在数据中心内部甚至跨域实现负载均衡，保证地图和功能的服务质量。一张图平台采用 Nginx 反向代理服务器，将部署在不同虚拟机上的地图服务，映射为对外地址保障安全，内部通过监控服务进程，灵活调用计算资源。

云 GIS 的实质是将 GIS 的平台、软件和地理信息方便高效地部署到云基础设施上，能够以弹性的、按需获取的方式提供最广泛的基于 Web 的服务[4]。依托云 GIS 平台，能够为不同用户提供不同的云端资源。当前，一张图提供地图服务、站点租用、云平台复制 3 种模式，满足不同地区和部门对水利空间数据建设、使用的需求。

5 结语

GIS 数据具有拓扑性、一致性、直观性的特点，在水利业务中发挥重要作用，但也存在专业性强、数据量大、采集困难的问题，制约了它的应用。以往水利 GIS 研究关注具体业务领域的应用，对水利一张图的论述重点也在应用或总体框架层面。本研究从 OGC 地图服务标准入手，描述了构建省级水利一张图的技术实现，并结合搜索引擎、工作流、资源目录、云计算等技术，扩展了 OGC 服务接口和能力。基于一张图发布的近百种专题地图服务和水利典型应用功能，支撑了业务信息系统建设。构建的水利 GIS 资源平台，实现了省内各级空间数据共享，调动了各部门空间数据建设和应用的积极性，用户参与提供的资源与日俱增。

今后可加强以下几方面的研究建设：1）标准体系，在开放标准基础上形成水利空间数据共享规范体系；2）智能搜索，通过在 Web 服务上加入语义机制，构建时空数据关联知识图谱[5]，实现智能搜索和信息推荐；3）深度应用，加强与业务属性数据融合，构建专题空间分析功能，推进水利 GIS 的行业化应用。