基于服务聚合和扩展技术的厦门港多源地理信息共享平台应用

■林晓彬 黄建明 管孝汉

（福建省港航管理局勘测中心，福州 350004）

厦门港是我国综合运输体系的重要枢纽、集装箱运输干线港、东南国际航运中心和对台航运的主要口岸，同时也是我国著名的人工港，其航道、港池及调头区多为人工开挖，在航道疏浚维护过程中积累了海量的港口航道数据、船舶航行数据、港口支撑系统数据等， 其中港口水文数据、 航道水深数据、港区陆域数据主要以二维方式存储和使用，并分散在各相关管理部门和码头企业， 数据的可视性、交互性不足，数据格式多源且服务模式单一、数据更新不及时， 各单位和部门建立的地理信息服务相互独立不能相互调用， 已不能满足厦门港日益复杂的实时立体化的港口航道监管需求。 随着厦门港船舶交通流量的快速增长， 厦门港正在由数字港口向智慧港口发展， 对港口地理信息服务的要求越来越高。 从港口运行安全、船舶通航保障到港口企业公众服务，都迫切需要利用三维GIS技术、BIM 技术、物联网技术等最新的信息技术建立统一完善的三维地理信息场景[1]，通过GIS 服务聚合和扩展， 实现厦门港多源地理信息的高效管理和利用。

针对以上问题，本文提出多源地理信息共享技术，融合厦门港多源数据，研究了统一框架下多源异构数据的动态显示方法，将多源异构数据、分布式应用和服务采用Cesium 框架聚合共享， 采用简单对象访问协议（SOAP）进行数据传输，紧密结合厦门港航管理业务，自主开发地图服务引擎，封装构建地理信息调用服务，实现厦门港三维地理信息系统跨部门、跨平台共享，并基于此服务搭建专题应用，提高厦门港三维地理信息共享、集成、开发的效率。

1 系统关键技术实现

1.1 多源异构数据融合技术

厦门港运维数据高维异构、总量巨大，主要包括航道、码头泊位的安全监测类、疏浚施工类、报表统计类的结构化数据，以及港航地理信息、潮位、气象水文、文本、视频类等非结构化数据。 系统对数据的时效性要求不一，安全监测、潮位、气象水文数据的实时性要求高，要求实时感知、传输入库；对于港航地理信息数据、三维模型数据、施工文档、报表等时效性要求一般的数据需采用不同方法进行融合集成。

实时动态类的流式数据，根据不同数据源的数据结构类型、数据规范、数据交换协议等，采用分布式消息系统，经过数据转换、数据清洗、数据去噪等预处理后，再通过属性追加、空间匹配和格式转换，实现数据的融合使用。 对于视频类数据处理可通过国标协议和流传输协议与前端设备或平台进行对接实现实时视频流的接入、转发、分析、结构化及云镜控制等。

1.2 GIS 服务聚合和对象扩展技术

为满足厦门港地理信息平台的多样化数据分析需要，采用GIS 服务聚合技术，将已有GIS 地图服务与需要开发的GIS 数据服务聚合，将多源异构数据、分布式应用系统融合，开发基于Rest 架构的Web Service 接口，结合基于注册中心的服务搜索机制， 在客户端采用Ajax 技术实现厦门港三维地理信息共享平台的服务调用和服务聚合[2]，实现多源数据的网络发布和服务共享。

基于港口航道地理信息系统建设的业务逻辑，需要采用空间统计对港航数据进行统计，已有地图服务主要提供地图浏览、距离和面积测量等基本分析功能，缺乏针对空间统计和分析的功能，为了高效安全的实现空间统计，本文采用SOE 服务对象扩展技术扩展GIS 空间统计服务，通过REST 服务调用实现GIS 服务对象扩展[3]，保证厦门港三维多源地理信息系统满足港航管理多源异构数据的分析和处理。

1.3 二三维一体化技术

厦门港多源地理信息共享平台基于WebGIS 可视化技术及模型渲染技术[4]，结合开源JavaScript 库Cesium 技术和二维地图类库ArcGIS API for JavaScript 中底层数据的转换、数据接口封装以及功能扩展，将二维地图数据的分析计算和三维模型数据的展示相结合，实现二三维港口地理空间数据的联动显示、更新和数据分析结果的同步，并能够无缝集成基于OGC 标准的地图服务， 实现二三维一体化的多源地理信息共享平台建设。

2 系统设计

2.1 系统总体架构

厦门港多源地理信息共享平台面向不同业务需求，结合物联网、三维GIS 技术，融合港区及航道测绘存量数据和增量感知数据，提供航道与码头港区三维可视化场景专业应用，建设厦门港地理空间数据库及三维共享平台，为数据共享、数据交换和业务协同提供数据支撑。 系统采用B/S 架构和Spring 框架[5]，系统总体架构（图1）从感知层、基础设施层、数据层、平台驱动层和应用层等方面进行，具体包括如下。

图1 系统总体架构

（1）感知层：主要包括航标遥测遥控终端、桥梁净高监测及防碰撞预警、高清视频监控终端、船舶流量监测、流速流向监测、实时潮位监测设备等，通过物联网感知技术实现港口航道要素实时感知；（2）基础层：依托已有的网络体系、服务器、存储设备、支撑软件、安全保障体系等软硬件基础设施，为平台运行提供必要的运行环境与支撑保障[1]；（3）数据层：组成系统的各类数据资源库，主要以历年航道测绘数据、港口地理空间数据、全景影像数据和实景三维数据为数据源，结合增量感知数据，建立三维场景模型库，融合基础地理信息数据库二维港口航道测绘数据，为系统建设提供数据支撑；（4）平台驱动层：集合了三维数据生产制作、数据更新及数据共享的功能与服务，通过对三维航道模型数据进行生产与统一管理， 构建三维地图服务接口，实现三维基础地理信息数据服务发布， 包括WMS、WFS、WMTS 等的发布和接入， 以及专业的地理信息分析服务，为系统运转提供二三维GIS 基础平台支撑；（5）应用层：通过构建厦门港地理信息共享平台，为厦门港海事及港航管理部门提供航道三维地图、综合航道测绘信息查询统计、三维空间分析等服务，建成港口航道数据服务标准接口，面向港口、船舶等提供港航数据标准接口服务， 促进海事、港口、水利、气象等航运数据共享融合、分析应用，初步形成厦门地理信息生态圈。

2.2 系统功能设计

厦门港多源地理信息共享平台基于港口水下地形数据生产与管理、三维GIS 地图服务及港口感知数据信息服务等业务需求，厦门港三维地理信息共享平台主要包括：数据采集入库管理系统、三维模型生成系统、三维数据发布系统、三维地图综合应用子系统。

2.2.1 数据采集入库管理系统

通过水深测量、无人机摄影测量、遥感测绘等方式获取测绘数据，或通过物联网多种传感装置及现场智能设备实时采集数据， 使不同数据类型、格式和来源的数据能够以自动或人机交互方式进行转换，并对提交的测绘成果进行检验[6]，形成规范化格式的测绘成果数据，对港口航道管理的各类电子资料（包括文档、图片、视频等）进行统一管理，实现在线浏览。 根据港口航道维护实际需求，空间数据根据业务功能和数据权限以Web Service 方式提供数据接口，实现数据的共享和利用。 数据采集入库流程如图2 所示。

图2 数据采集入库流程

2.2.2 三维模型生成与发布系统

建立港口航道三维模型，研究基于水深点三维模型自动更新算法，实现港口航道水下地形持续更新，通过三维模型自动更新模块设计开发，实现基于每次水深测量数据的模型自动更新， 并将历史模型存储，实现三维模型的查询统计、数据生成及管理。

2.2.3 三维地图综合信息服务系统

依托三维航道系统，通过综合研判航道感知泛在物联采集的航道、视频图像、水文气象数据，利用大数据分析及挖掘技术建设航道业务智能处理与分析预测应用，围绕协同运行、安全监测、应急指挥等业务场景，提供在线二三维一体化港口航道信息服务。

3 系统开发

厦门港多源地理信息共享平台建设主要包括数据资源建设、三维基础平台建设、三维应用系统建设3 个部分。 数据资源建设以厦门港航道建设与维护过程中积累的水深地形数据为基础数据源，建立三维空间数据库， 通过无人机倾斜摄影技术、无人机激光雷达技术、 水下三维扫描技术建立港口、码头、桥梁、航标等重点港区监管设施的高精度三维模型[7]；三维基础平台建设包括共享平台构建所必须的基础硬件、软件和网络运行环境，厦门港多源地理信息共享平台采用MySQL 数据库作为基本数据库管理平台， 采用Cesium 开源三维GIS 开发框架，建立面向服务的体系架构（SOA）[8]，通过分析感知网络采集的航道、视频图像、水文气象数据，利用大数据分析及挖掘技术建设航道业务智能处理与分析预测应用，围绕协同运行、安全监测、应急指挥等业务场景， 提供在线二三维一体化的地图服务。 三维应用系统建设主要包括三维模型生成、三维数据管理与发布及三维应用系统功能开发，最终实现厦门港三维港口航道GIS 服务、综合港航测绘数据服务目标。

4 系统功能实现

4.1 系统开发运行环境

软件平台采用Windows 10 操作系统， 服务器端采用Apache Tomcat8.5 和Java 1.7 运行环境支撑，数据库管理软件采用MySQL 5.5。系统采用Java开发语言和Eclipse 开发工具， 实现数据共享接口统一开发和平台界面人性化设计，具有在线地图展示、空间分析、动态展示和系统管理等功能。

4.2 系统主要功能模块

系统主要功能模块包括：（1）二三维综合信息查询。 在三维可视化的环境下有效展示水文气象、锚地、航道、通航设施、碍航物、港口支持系统等专题数据，生成查询结果统计图，如图3 所示。 （2）实时水深信息查询。 通过接口访问实时潮位在线服务系统及水文系统，实现三维环境下对水文水深信息的实时监控，实时水深信息如图4 所示。 （3）船舶通航预警。 通过三维模型和实时潮位及AIS 数据，显示船舶吃水和航道实时水深情况，分析船舶适航范围，提高航道预警能力和通航效率，船舶通航预警如图5 所示。（4）港口航道三维空间分析。调度历史航道模型， 进行历史航道的断面分析、冲淤分析（图6）、等高线分析、清淤土方计算等。（5）工程施工管理。 实现施工数据管理，将历年建设资料、地质资料、施工方案以三维形式直观展示，通过系统对施工船舶进行实时监测。 （6）碍航物管理。 基于水沙运动、洲滩变形、航槽调整等预测数据，预测将会出现的碍航问题。

图3 二三维综合信息查询

图4 实时水深信息查询

图5 船舶通航预警

图6 冲淤分析

5 结语

本文根据厦门港基础地理信息数据共享的难点，提出了一种基于服务聚合和对象扩展技术的多源地理信息共享总体架构，具体描述了平台的设计框架、功能设计、标准体系、数据共享模式等内容。共享平台的建设能够极大地促进厦门港口航道地理信息的共享水平，有效降低了“信息孤岛”和“烟囱式”系统建设，为智慧港口和智慧航道建设提供数据支撑。

共享平台的建设对港口运行维护和安全监管提供了积极有效的途径， 对港航管理业务效率、科学决策管理水平的提升具有重要意义。 同时，随着存量测绘数据的入库和增量感知数据的汇集，还需继续建立健全港航地理信息标准体系， 融合大数据、物联网、北斗等新兴技术，为厦门港智慧港口建设提供更丰富、更安全的数据共享模式。