多源异构数据融合的水利数字地球研究

郝 斌，李 琦，朱沁玲

(山西省水利发展中心，山西 太原 030002)

智慧水利建设是新阶段水利高质量发展的显著标志和实施路径之一[1]。随着大数据、云计算、物联网、人工智能、虚拟现实等新一代信息技术应用的不断深入和日益增长的业务需求，智慧水利建设目前主要面临两方面挑战：一是数据融合不够畅通，各部门数据来源多样、格式标准不一致、结构类型各异、更新时效性不强，导致信息资源共享和开发利用程度低；二是维度信息缺乏，传统二维地图未融入高程信息，限制了更加丰富、精细的数据表达，使得水利要素无法进行立体、真实情况还原，用户空间感知分析能力不足。

数据是决策的基石，加强数据资源整合对提升水利信息系统应用价值至关重要。水利信息系统涵盖结构化、半结构化和非结构化数据[2]，既有水利业务数据，又有地理信息数据。这些多源数据由于异构性难以直接融合，易导致信息壁垒，需采用多种技术手段解决数据异构性问题。唐锚等[3]利用大数据和分布式云计算存储技术提高北京水务数据资源的融合效率；梁志开等[4]构建异构数据库实现水利工程信息的汇聚整合，确保数据的完整性和一致性；张建英等[5]建立唯一标识体系的空间地理信息库，实现政务专题数据和地理实体的快速关联融合。以上方法均为多源异构数据融合提供了一些研究思路。

数字地球是综合运用计算机互联网、虚拟现实、3S等技术构建的数字化地球，能够立体、真实地模拟地理空间对象[6]。基于WebGL的Cesium虚拟地球引擎，数据支持广、可扩展性强、开发成本低、功能强大、显示性能好[7]，成为当前三维可视化研究的热点。王岩[8]构建了基于Cesium的流域水资源模拟仿真平台，高效支持流域水资源动态管理；徐锐等[9]以Cesium为底层开发了水电工程三维GIS平台，实现了BIM管理等功能的水利水电三维可视化；史金昊等[10]集成Cesium和物联网技术设计研发了三维水库管理系统，有力支撑了洪涝预警决策；周信文等[11]利用Cesium构建了水文站点WebGIS系统，能够快速获取水文站空间分布信息。可见，Cesium在水资源、水利水电工程、防洪、水文等不同水利业务领域三维可视化应用上都有广泛的研究价值。

综上，本文以山西省地理信息数据和水利专题数据为研究对象，基于Cesium数字地球引擎并结合多源异构数据融合方法，通过构建数据服务统一管理平台，实现水利数字地球三维可视化表达和分析。

1 系统架构

系统采用B/S模式四层架构，遵循整体性、实用性、安全性、完备性、扩展性、便捷性等原则进行设计[12]。四层架构从下到上分别是支撑层、数据层、服务层和应用层，在软件平台、硬件设备和网络设施等运行环境基础上，整合二、三维地理信息和水利专题数据，构建面向服务架构的数据服务管理平台，在数字地球上实现水利三维浏览查询、模拟分析等业务功能应用。平台总体架构如图1所示。

图1 平台总体架构

1.1 支撑层

支撑层是保障系统正常运行的基础环境，由软件平台、硬件设施、网络环境、安全保障和标准规范构成。软件平台中的开发框架、数据库、GIS平台等选用目前较为成熟的开源软件。硬件设施为高性能服务器和图形工作站各一台，分别用于部署和展示系统。网络环境部分由于平台涉及高精度影像地形、水利工程设施和监测站点等大量数据，需要百兆以上带宽并采用政务专网模式传输。安全保障从物理环境、数据网络、系统应用等层面进行考虑。标准规范则包括必要的政策法规以及地理信息和水利对象的数据、模型、服务、应用标准及接口规范。

1.2 数据层

数据层负责存储平台所需的各类数据资源，依据通用的技术标准和规范构建统一数据信息资源体系。平台数据包括地理信息数据和水利专题数据，地理信息数据包括遥感影像、地形地貌、行政区划、地名地址等，水利专题数据包括河流湖泊、水利工程设施和水利监测站点以及倾斜摄影测量、激光点云等三维模型。数据存储管理为Postgresql关系型数据库与Redis文件型数据库相结合，空间参考为CGCS2000国家大地坐标系，高程基准为1985国家高程基准。平台所用到的数据均以服务的形式通过专网进行发布管理。

1.3 服务层

服务层实现平台数据层与应用层的交互。系统基于Spring Boot框架、采用Java语言来实现数据服务管理后台，并部署在Tomcat应用服务器上，以Web Service方式提供多种数据源的访问支持。依据符合OGC标准的空间地理信息数据服务接口，将从数据层接收的各类数据资源进行封装、发布并向应用层提供所需的各种数据和应用服务，包括影像瓦片、地图要素、矢量切片、地形高程以及三维模型等服务。平台统一以服务方式对外共享数据信息，所有服务都有明确的可调用接口，具有通用、可重用等特性，能够屏蔽多源数据异构的影响。

1.4 应用层

应用层依赖于支撑层、数据层和服务层，面向水利行业主管部门，满足水利业务信息的三维可视化场景需求。系统设计遵循低耦合、高内聚的原则，功能模块屏蔽技术细节。系统基于Cesium数字地球引擎实现三维地图展示分析等功能，Web前端采用JavaScript并结合Bootstrap框架实现网格响应式页面布局显示。通过对这些选型技术的组合，形成系统特定的业务流程，从而构造了水利三维地图浏览、信息查询、空间统计分析、标注量算、动态模拟等功能模块应用。

2 多源异构数据融合

2.1 数据来源

平台所用数据包括山西省内的地理信息数据和水利专题数据，覆盖栅格、矢量、表格、文本、照片及模型等各种类型。地理信息数据来源于山西省地理信息公共服务平台。水利专题数据来源山西省水利一张图平台并结合无人机、奥维互动地图等实地采集获取。数据类型及来源见表1。

表1 数据类型及来源

2.2 数据融合处理

相比二维平面数据融合主要考虑属性特征、格式类型、组织结构等内容，三维空间数据还需要从位置信息和空间要素关系方面来探讨数据融合问题。平台中汇集的数据来源于多种系统和采集途径，涵盖地理信息和水利等不同行业，造成数据结构类型、属性特征、投影坐标、要素关系等不一致，还存在多尺度差异性。为此，本研究将收集的各类数据进行一致性处理、三维空间化、分类入库等异构融合，为其注入空间、属性和时间3个维度标识。数据融合处理流程如图2所示。

图2 数据融合处理流程

2.2.1一致性处理

对投影坐标不一致的数据，利用ArcGIS投影和变换工具进行CGCS2000空间参考下基准变化和几何位置纠偏。对空间要素关系不一致的数据，通过拓扑分析进行位移、合并、分列、删除等操作达到数据准确性。对属性特征不一致的数据，根据各行业数据分类分级内容化繁为简再进行信息清洗和筛选。对格式不一致的数据，通过软件将各类矢量、栅格、模型等数据均转成Cesium平台通用的加载格式。对水利业务和影像等实时更新数据，将新获取数据与地图综合结果进行联动，自动变更相应范围数据。

2.2.2三维空间化

除三维模型外，矢量、影像、表格等二维数据通常仅含有坐标位置信息，不具备三维空间属性，对这类数据以DEM地形数据为基准，利用ArcGIS软件的三维分析模块提取高程值，实现数据的三维空间表达。对仅含有区域地名信息、不具有坐标位置信息的文本、照片等数据，将这类数据的地址信息进行标准化，再与现有地名地址数据进行空间定位，完成地址信息与地名数据的匹配，最后根据地理实体数据的唯一编码进行空间映射挂载，从而实现不同类型数据空间融合。

2.2.3分类入库

根据数据结构特征采用不同数据库进行存储和管理。通过分析，本研究中结构化数据包括影像、DEM地形、矢量及表格等，半结构化数据包括配置文件、三维模型等，非结构化数据则是照片、文字、视频等。对于结构化数据，通过支持空间数据引擎的Postgresql关系型数据库来存储，可增强服务器的响应效率及提高数据管理灵活性；对于半结构化和非结构化数据，使用Redis远程字典服务管理以提高并发性能。

通过以上数据融合处理操作，形成统一坐标系和格式、属性完好、现势性强、结构明晰、满足空间特性的三维地理信息和水利专题信息数据库。

2.3 数据服务管理

将各类空间和非空间数据资源封装成服务并以接口形式对外发布，能够有效屏蔽多源数据的异构性，更好适应平台业务需求及功能应用的多样化。服务发布管理后台基于Spring Boot框架搭建，采用适于Web应用和具有面向对象、分布式与多线程、安全性、跨平台等特点的Java语言开发。本研究所有发布服务类型均遵循OGC标准规范，包括网络地图服务、网络地图瓦片服务、网络要素服务、三维地形服务、矢量切片服务、数据文件服务等[13]。通过分析平台中数据资源的类型特性，采用相应的服务类型进行发布，分类情况见表2。

表2 数据服务发布分类

根据前文，平台数据库采用Postgresql和Redis相结合方式存储管理，服务调用流程如下：

(1)通过前端Web页面向后台系统发送请求，调用所需的数据资源。

(2)后台系统接口判断调用请求是否合法，查看数据格式是否正确。若请求合法、格式正确，则向Redis里查询对应数据；否则返回错误。

(3)若Redis数据库里有对应数据，返回对应数据；若Redis数据库无对应数据，则查询Postgresql数据库相应内容。

(4)若Postgresql数据库中有对应数据，返回对应数据，并向Redis里写入该条对应数据；若无对应数据，则返回空白数据。

3 数字地球平台实现

三维水利数字地球平台基于Cesium三维GIS引擎，采用JavaScript、HTML5、CSS的Bootstrap框架开发实现。平台界面简洁直观，布局样式清晰分明，色彩搭配以蓝、黑深色系平衡过渡，操作支持大屏交互联动，为用户提供了良好的视觉使用体验。针对水利行业部门需求，采用多视图整合、多维度可视化的方式，以地形和影像为基础载体，汇聚模型、失量、图片、文本、统计图表等多元化内容，将有价值的水利数据信息直观、立体地呈现给用户。平台包括三维地图、场景特效、查询定位、空间分析、标注量算、江河湖泊、水利工程设施、水利监测设施等功能模块，各模块之间相互独立开发。后台可根据不同行业快速定制特定的专业可视化应用，以增强系统的可重用性和移植性。

3.1 三维地图

将影像、矢量、图表、模型等不同数据叠加到三维地形上，实现水利数字地球一张图三维可视化表达。通过鼠标、键盘、按钮操作，能够流畅地放大、缩小或者漫游地图，无缝切换平面和立体视图，完成各类图层的显隐切换、透明度调节，实现地图对比和图片输出等功能。

3.2 场景特效

平台可模拟任意方位、角度的三维场景飞行动态效果，支持绕点飞行、空中漫游、贴地表面漫游等三维视觉设置，并通过飞行速度、视觉距离等参数可调节飞行体验并保存飞行路线，如图3所示。另外平台还能模拟日照阴影、大气渲染、泛光亮度、夜视等场景特效。

图3 三维飞行界面

3.3 查询定位

平台能够通过输入关键字或经纬度坐标来查询定位水利对象所属区域范围，并在数字地球上放大高亮显示和以列表形式简要显示属性信息。同时支持用户收藏和管理视角书签，便于用户对自己关注区域进行快速定位。

3.4 空间分析

包括可视域、方量、淹没等三维空间分析。视域分析针对某个位置的可视范围，通过设置水平张角、垂直张角、视觉距离来分析多种情况下的可视域。通过分析绘制区域内的挖方体积和投影面积以及每个顶点的海拔高度，可实现方量计算。淹没分析根据地形特征以一定速度动态模拟水利对象区域被淹没过程并绘制范围，如图4所示。

图4 淹没模拟界面

3.5 标注量算

用户在数字地球上可进行点、线、面等要素及立体模型的标记。将三维地名进行矢量化处理，可实现分块、分级标注。标注要素支持导入数据库统一管理。空间量算实现了地图上任意两点之间的空间距离、贴地距离、水平面积、贴地面积、剖面、高度、角度等的测量计算。

3.6 江河湖泊

将山西省境内的主要河流、湖泊、水系流域以空间要素、列表和图形统计、高亮注记的形式在数字地球上进行可视化表达。点选每条河流可查看其长度、流经地区等信息。点选单个湖泊可查看其水深、容积等信息。通过图层透明度设置可查看流域面与实际地表的关系。

3.7 水利工程设施

在数字地球上以空间可视化方式展现山西省境内水库、大型灌区、水闸、淤地坝等水利工程的分布，并结合统计图表、高亮注记的形式进行辅助表达。点击每个水利工程对象可查看如水库库容、灌区灌溉面积、水闸闸孔数量、淤地坝坝高等信息。另外可高亮显示水利工程模型的单体部分，如图5所示。

图5 模型单体化界面

3.8 水利监测设施

将山西省境内水文站、取用水站等以空间要素、高亮注记的形式在数字地球上进行可视化表达。点击每个水文站可查看站点实时水位和流量信息。每个取用水站可显示水源类型、取水量等信息，以柱状图、表格等方式显示各市测站数量及年、月、日取水量统计信息，如图6所示。

图6 取用水站统计界面

4 结语

本文提出的融合多源异构数据的水利数字地球研究方法旨在实现水利与测绘行业的三维场景数据整合，水利信息的三维空间展示和分析。数据融合处理后搭建的数据服务平台可统一管理各类数据的调用，解决不同数据的异构性问题，能有效应用到多部门数据资源的集成整合中。基于Cesium数字地球技术构建的三维水利平台，对于实际业务可满足水利信息感知分析需求，提升水利工程精细化管理能力，具备一定的可视化应用效果。但本文未考虑时空大数据汇聚特性，需进一步探讨时序性数据融合问题，结合数字孪生等新兴技术进行水利业务的动态模拟研究，探索实现更高层次的智慧水利应用。