基于GIS的公路“一张图”系统研究与应用

2023-06-22 23:07:34黄碧辉陈可新黄伟郑若鹢
现代信息科技 2023年5期
关键词:一张图可视化

黄碧辉 陈可新 黄伟 郑若鹢

摘  要:为进一步提高公路信息管理的数据可视化程度和管理水平,文章着重研究多源空间数据融合处理及可视化技术,并在考虑数据安全性和系统的访问机制的基础上,基于卫星导航定位、虚拟专用网络、地理信息系统、大数据等技术设计研发了基于GIS的面向不同用户、不同终端的公路“一张图”系统。系统的实现规范化了公路数据结构,保障了公路数据的安全性,提高了公路数据的可视化、共享水平和政府公路部门的监管水平。

关键词:公路路网;一张图;数据轻量化;可视化

中图分类号:TP311  文献标识码:A  文章编号:2096-4706(2023)05-0136-06

Research and Application of Highway “One Map” System Based on GIS

HUANG Bihui, CHEN Kexin, HUANG Wei, ZHENG Ruoyi

(Fuzhou Polytechnic, Fuzhou  350108, China)

Abstract: In order to further improve the data visualization and management level of highway information management, this paper focuses on the research of multi-source spatial data fusion processing and visualization technology, and on the basis of considering data security and system access mechanism, based on satellite navigation and positioning, virtual private network, geographic information system, big data and other technologies, designs and develops a GIS-based highway “one map” system for different users and different terminals. The realization of the system standardizes the highway data structure, ensures the safety of the highway data, improves the visualization and sharing level of the highway data and the supervision level of the government highway departments.

Keywords: highway network; one map; data lightweight; visualization

0  引  言

公路交通是国家的运输动脉,是重要公共基础设施,服务于国家的政治、经济与民生。随着我国公路建设的快速发展,公路管理局等监管部门根据业务需求开展了信息化的建设,建设了各类的公路数据管理及业务管理系统。传统的公路信息管理已经难以满足新时代下公路信息化对数据可视化和管理水平的要求。由于时代与技术的局限性,传统公路交通信息管理系统在公路网更新维护、管理服务方面,存在着数据不全、基础平台多样、数据标准不统一、缺乏统一管理、数据共享交换困难、更新机制不健全等问题,且目前其在多源基础地理空间数据融合、二三维数据可视化等方面还存在诸多问题,将严重影响公路信息化推进进度。在新时代的新使命和新挑战下,海量、多源、异构空间数据的快速敏捷集成、满足应用不断变化的数据需求是公路监管部门的主要需求。

“一张图”以其利用GIS(Geography Information System)技术充分发挥空间数据可视化和共享性作用的优势,在国土资源、农业、水利、交通等领域有众多的应用[1]。将地理信息有机地融合到同一个地图面上,通过交互查询和空间分析,实现直观地动态监管[2]。Sfakianaki通过基于GIS的区域道路交通安全管理系统研究,提升对公路的管理水平[3];郭晓澎提出利用高分遥感技术打造高速公路基础设施一张图软件平台,为交通行业提供地理空间数据综合信息服务[4];王会娜通过省级公路“一张图”的设计与实现,实现了全省公路业务系统使用一套数据、一张图的目标[5]。然而,公路“一张图”系统不但应关注其在多源空间数据融合、可视化问题,还应更加关注其与业务数据融合程度和整体架构设计等方面问题。

针对上述问题,根据闽侯公路局信息化的需求,本文通过多源空间数据融合、GIS可视化等关键技术的研究,设计并实现了基于GIS的公路“一张图”系统,解决空间数据标准不统一、缺乏统一管理、数据共享交换困难、更新机制不健全等问题。系统利用GIS、大数据和互联网等技术,实现地理空间信息和公路信息的有機融合、可视化显示,实现多源异构空间数据的融合与共享,为闽侯公路监管部门提供公路网络的规划设计、建设实施、运行维护、环境评估等决策支持,同时为智能导航、智慧旅游、户外场景展示等领域应用提供技术支撑。

1  系统设计

1.1  总体架构设计

依托云平台机房、存储、网络、安全等基础设施,建设基于GIS的公路“一张图”系统,在信息安全保障体系和标准规范体系上,为闽侯县公路局等部门监管赋能。系统采用基于自主框架和ArcGIS平台进行二次开发,用户终端包含Web端和移动端。其中,Web前端采用Vue架构,后台服务采用Spring+Boot框架搭建,后台服务端数据库采用开源的PostgreSQL数据库,系统采用云部署方式,便于用户管理;移动端采用Android原生进行开发,离线数据库采用SQLite数据库,通信采用VPN专用通道为数据安全提供保障。

基于GIS的公路“一张图”系统由基础设施层、数据层、服务层、应用层、表现层、信息安全保障体系、标准规范体系五个层次和两个体系构成,系统总体框架图,如图1所示。

基础支撑层:包括机房设施、存储计算、网络通信及北斗卫星。机房建设参照GB 50174规定的B级技术进行建设;在存储计算方面。采用SAN集中式网络存储或分布式共享存储体系;在网络通信方面,建立三个物理相对隔离的网络运行环境,即核心网络、内网、互联网;北斗卫星用于实现移动端的定位和通信服务。

数据层:包括在线数据和移动端离线数据,主要实现对数据资源进行处理、存储、管理和建库,其中,在线数据包括公路数据、基础地理数据、业务数据、系统管理数据,离线数据包括空间数据、业务数据和遥感地图数据。

服务层:主要包括接口服务和地图服务;地图服务主要是采用ArcGIS Server进行地图服务管理,地图服务类型包括WMS、WFS、WMTS和GP Service服务,为系统地图的数据访问和空间分析提供服务接口。数据接口服务包含公共服务组件和业务服务组件。

应用层:面向公路业务监管需求,实现基于GIS的公路“一张图”信息管理系统,功能模塊包括:地图浏览、数据查询、汇总统计、数据编辑、地图标绘、巡查管理、专题图层管理、公路比对、定位导航、离线数据管理、项目管理、文库管理、权限管理和用户管理等模块。

表现层:系统由Web端和移动端结合使用,用户通过设备的完成相关业务流程,实现公路项目的全过程监管。

1.2  技术路线

通过开展闽侯县公路管理局对公路“一张图”需求调研及现有系统及数据的状况分析等工作,明确了系统的使用对象包括公路监管部门及巡查人员,系统目的实现对公路线路的全过程监管,系统包括Web端和移动端,主要解决数据库建设、服务制作及发布和系统业务系统设计应用等问题,技术路线如图2所示。

2  数据建设

“一张图”优势在于充分发挥GIS技术可视化和共享性,而GIS经常被视为地理数据库系统,因此数据建设在“一张图”系统建设过程中尤其重要,特别是其中的地理空间数据建设。

2.1  数据收集

数据库主要由公路专题数据、地图背景数据和业务数据这三个数据集组成,如图3所示。

公路专题数据主要包括交通路网数据和规划路网数据。交通路网数据是现运行的符合国家标准建档在册的道路,包括地铁、铁路、高速公路、国道、省道、县道、乡道、村道等线状空间数据。规划路网数据规划中道路,包含在建、未建道路,主要由地铁、铁路、高速公路、国道、省道、县道等线状空间数据组成。

地图背景数据主要由影像底图数据和矢量底图数据,用于精细化地图,从各种角度展示道路的地理方位和道路与周边环境的关系,使得道路展示更贴合实际、更具象化。影像底图数据包括卫星影像数据和在线的“天地图”·福建影像图,其中卫星影像为从闽侯公路局收集的2018—2021历年0.5米分辨率的正射影像。矢量底图数据收集了行政区划(面状数据市、县、乡、村界限,点状数据市、县、乡人民政府点、村委会)、POI兴趣点、林地、基本农田等数据。

业务数据主要是公路监管部门及公路项目监管日常办公产生数据,包括项目信息数据、巡检数据、上报数据、审批数据、定位数据、轨迹数据、现在图片数据、相关文档数据、用户数据等。

2.2  数据整合与融合

系统涉及了空间结构数据、属性数据、文档数据以及图件数据等各类数据的整合与处理,数据处理过程主要包含从预处理、数据处理两个步骤。数据预处理包括数据清洗、规范数据格式等处理过程,同时完善缺失的属性信息,空间数据统一采用CGCS2000坐标系统。数据处理主要是进行空间拓扑检查、属性数据检查,解决数据之间存在的拓扑错误和属性不健全等问题,保证数据的准确性。

2.3  数据库设计

系统数据库主要采用开源的空间数据库PostgreSQL,并将数据库部署在云上数据库服务器。其中,移动端离线数据库采用开源的SQLite实现,并集成到APK安装包中。根据建库内容和逻辑一致性分层的方法进行数据组织、命名、定义和管理,并依此完成数据库设计与建设。

2.4  数据服务

数据服务包括空间数据的地图接口服务和业务数据的业务接口服务,为系统提供数据接口服务,将相关地图及业务数据对接到系统应用中。

地图接口服务主要由部署在云上的ArcGIS Server10.5地图服务器提供,服务以REST API形式提供,提供的服务类型包括WFS服务、WMS服务、WMTS服务、GP服务等。其中,REST服务目录使地图资源以树形目录方式展示,方便了用户对地图的管理与使用。

业务接口服务用于支撑业务功能模块的实现,后端服务使用通用的三层架构,以Spring Boot+MyBatis+PostgreSQL为技术路线,Swagger UI为接口服务测试和调用技术,便于代码维护与服务。

3  系统实现

系统主要功能模块包括专题组地图浏览、数据查询、汇总统计、数据编辑、地图标绘、巡查管理、专题图层管理、公路比对、定位导航、离线数据管理、项目管理、文库管理、权限管理和用户管理等模块,如表1所示。根据不同职能部门对公路管理的不同业务需求,系统针对性地研发Web端和移动端PAD两个版本。

Web前端采用Vue框架与Element组件库进行研发实现。Web端功能模块主要侧重于公路项目的监管(在建与未建的项目情况)与总体情况分析(如汇总统计各类公路的数量、里程情况)。公路“一张图”Web端部分界面,如图4、5所示。

移动端基于Android采用ArcGIS Runtime for Android 100.11开发包进行二次开发完成。功能模块主要侧重于项目进度监察与公路的日常巡检问题上报等功能。公路“一张图”移动端PAD版部分界面,如图6、7所示。

4  结  论

本文通过结合GPS、GIS、VPN和大数据技术建设了闽侯县公路“一张图”信息管理系统。系统的建立,规范了数据结构,实现了多源空间数据的融合,同时健全了数据更新机制,提高了数据的共享性和可视化能力,打通了业务数据的传递,提升了闽侯县公路管理部门信息化管理的工作质量、工作效率、监管水平和信息的公开透明度。

以此项目系统为基础,后续可深入结合5G、物联网技术、大数据等新技术,深入打造“智慧公路”平台,通过公路实际业务与技术的融合,将有效地降低公路交通相关的建、管、养、运等业务的成本,提高智慧信息化管理水平。

參考文献:

[1] 钟镇涛,张鸿辉,洪良,等.生态文明视角下的国土空间底线管控:“双评价”与国土空间规划监测评估预警 [J].自然资源学报,2020,35(10):2415-2427.

[2] 李满春,陈振杰,周琛,等.面向“一张图”的国土空间规划数据库研究 [J].中国土地科学,2020,34(5):69-75.

[3] SFAKIANAKI E,O'REILLY M. GIS IN ROAD ENVIRONMENTAL PLANNING AND MANAGEMENT [C]//Eighth International Conference on Urban Transport and the Environment in the 21st Century.Seville:WIT Press,2002:711-720.

[4] 郭晓澎,杨莹,张佳鹏,等.基于高分遥感技术的高速公路基础设施一张图研究与应用 [J].电子世界,2020(2):121-123.

[5] 王会娜,刘菁华,李璐.省级公路“一张图”的设计与实现——以江苏省为例[ J].测绘与空间地理信息,2019,42(12):89-91+94.

[6] 中国公路编辑部.大力推进“四好农村路”高质量发展 [J].中国公路,2019(7):16-19.

[7] 陈岳峰.高速公路工程建设监管平台融合应用方案探究 [J].中国交通信息化,2020(7):115-117.

[8] 李峰,王士成,邱政,等.基于数据盒的多源空间数据敏捷集成方法 [J].无线电工程,2021,51(7):634-640.

[9] 张宏鹏.信息技术在公路管理中的应用研究 [J].智能城市,2021,7(14):103-104.

[10] 李明譞.基于二、三维地理信息系统的土地收储全周期管理系统设计与实现 [J].北京测绘,2021,35(9):1151-1156.

[11] 于飞.基于BIM+GIS技术的公路工程可视化管理平台 [J].中国交通信息化,2021(9):30-34.

作者简介:黄碧辉(1991—),男,汉族,福建泉州人,工程师,硕士,研究方向:数据可视化。

收稿日期:2022-09-19

基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(JAT210812)

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