基于Cesium的DFS信息管理系统的设计与实现

王言　宗阳　屈小龙　吴学堂　聂文洁　王庆

关键词：分支河流体系；WebGIS；三维可视化；信息管理；形态分析

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）03-0057-06

1 引言

分支河流体系（Distributive Fluvial Systems，简称DFS）是指河流从某一顶点开始进入盆地并呈放射状展布的沉积体系。这一概念最早在2010年，由Weiss?mann 和Hartley 等运用谷歌地球（Google Earth）对全球700 余个现代沉积盆地的河流沉积体系进行统计后提出[1-2]，它的提出使得人们对大陆盆地沉积体系的研究得以细化和深入，不仅有利于更好地推测油气存储的形成条件和发育位置，同时也有助于对沉积盆地内发育的一系列沉积体系进行总体的理解与把握[3-4]。

分支河流体系涉及巨型扇、河流扇和冲积扇的沉积物范畴，属于陆相盆地沉积体系当中的分流体系[5-6]，但相较于前三者，分支河流体系所能表征的沉积模式更为全面、系统[7-8]。在Hartly[2]描述中，大多数分支河流体系具备以下特点：1）活动河道与废弃河道都共有一个沉积物流出的顶点，且从顶点往终端逐渐呈放射状分叉展布；2）顶点构成突出的正地形，从顶点向侧向和下游方向地表坡度不断下降；3）所存在的河道往低地势继续形成分支小河道；4）顶点以下的河道再无其他支流汇入；5）从顶点向外废弃河道呈分支状或者弧形展布。

在DFS的研究中，除去常规的野外勘察外，数据的获取与分析工作相对比较复杂，过程较为繁多。目前DFS整体沉积样式与可视化的研究主要依托于快速发展的地理信息技术[5]，多借助无人机航拍、卫星遥感影像对沉积盆地内发育的地貌单元和沉积体系特征进行整体、全面、系统观察和快速准确测量，并移交专业的数据处理软件得到量化分析成果[9]。鉴于DFS 主要发生在地表，故考虑将GIS技术赋能DFS的研究当中，兼顾良好可视化效果的同时也能简化河流体系地理要素信息获取和处理的步骤。

近年来，随着网络信息技术的高速发展，三维可视化、WebGIS都逐渐演变为GIS当前研究和应用的热点领域。WebGIS是常规GIS技术基于B/S架构下的应用，它支持在Internet环境下实现空间信息的存储、分析以及发布等一系列操作，具有操作简易、数据共享、访问范围广、开发成本低等显著特点[10-13]。三维可视化技术则将空间数据的展示提升到立体层面，给用户带来更为直观、形象的可视化体验。Cesium作为一个基于WebGL协议并可在网页上创建三维地球实景的JavaScript 开源库，同时具备两项前沿技术的特点[14-16]。故本研究将Cesium平台应用于DFS对象的信息管理系统开发之中，在提供良好三维地貌渲染的基础上，还能结合数据库技术来管理DFS的空间与属性信息，使得DFS信息的获取、存储与分析变得更加自由化，更具针对性，方便了地质从业者对大量数据的整理与统计，从而使其将更多精力分配在对数据的分析讨论和沉积模式的评价总结中。

2 分支河流体系参数解读

分支河流体系的发育与沉积体系的形成往往与诸多地理、地质因素相关，通过对它们的综合分析，能够对某一DFS的沉积过程与发育特征作出尽可能全面而客观的解释与总结，从而促进分支河流体系的沉积模式研究。鉴于本研究旨在辅助分支河流体系的特征样式研究，因此对其中部分重要属性数据作为信息系统的可编辑文本进行整理收录与快捷读取分析：

1）河道类型：DFS的分汊河道在地表呈现的总体样式特征，是其他各种影响因素下的发育结果；

2）终端类型：DFS从其发育顶端到沉积末端可划分为不同的分带或区带进行研究；

3）构造背景：DFS发育所在地的主要地壳运动，一般涉及挤压、拉伸、走滑、克拉通较多[8]；

4）所属山系：关于向部分DFS供给大量沉积物的物源区的所在山系；

5）气候类型：影响某一区域DFS整体发育特点的基本气候；

6）母岩性质：母岩是一种或多种矿石的集合体，不同的母岩在性质上各异，此处为DFS物源區沉积物的主要母岩性质。

在分支河流体系的几何形态相关信息中，探讨并研究DFS沉积盆地的物源区面积与自身沉积规模的关系对预测进入盆地的沉积物通量，源汇关系分析以及预测沉积物分布有着决定性的作用[9]。本研究凭借系统自主开发的地理工具，主要对DFS以及物源区的面积、周长，包括扇体的半径、坡度与延伸距离进行测算与统计。DFS及其物源区的周长与面积分别是指平面维度下所占区域发育的周长与覆盖的面积数值；延伸长度是指DFS顶点到末端的非直线距离，它是沿DFS 发育形态中线的曲线长度数值；坡度是指DFS的延伸长度与顶点、末端之间海拔高差的比值[17]；扇体半径则是该DFS汇水盆地内从顶点到发育终端的最远距离。

3 系统设计

3.1 系统技术架构

基于Cesium 的DFS 信息管理系统整体采用B/S 架构模式，以PostgreSQL作为资源层来存储各类业务数据，同时使用了GeoServer发布WMS地图服务，并基于SSM开发框架以及高性能的OpenResty搭建业务逻辑接口。整个项目划分为三层架构。

1）数据层：主要是分支河流体系各种信息的来源和存放点，鉴于现有DFS的地质信息大多由文本、表格资料收录，地质现象又与空间位置相关联，故本系统将相关位置与属性信息都存储在对Windows/Linux 系统兼容性较好且搭载了PostGIS 插件的PostgreSql 数据库中，通过后台服务端的相应接口完成数据的本地存储与分发操作。

2）业务层：业务逻辑层作为桥梁连接起数据层与表示层，负责分支河流体系某一实体空间数据与属性数据的前后端传输以及格式转换处理。Web服务端的发布整体基于Tomcat容器，表示层文件打包后作为静态资源部署到OpenResty进行后续转接，将与数据相关的请求反向代理至SSM框架搭建的接口以及利用GeoServer发布的WMS服务上，最后由两个服务器分别向数据层传达不同的数据操作。

3）表示层：DFS 学者直接接触和操作的基本界面。该层以Cesium三维可视化引擎作为系统主要显示界面，前端逻辑基于Vue框架开发，同时融入了Ele?ment UI组件，并利用Axios完成对业务逻辑接口的访问。表现层与服务层均采用JSON 数据格式进行交流。

3.2 系统数据库设计

本系统所要管理的数据，不仅包括属性数据还包括空间数据，一般的数据库不能满足这一要求，因此采用了搭载Post?GIS 插件的关系型数据库Post?greSQL[18]，在扩充数据类型定义的同时还能够存储和操纵空间数据，方便系统调用。

1）数据分类及管理。数据库的数据主要包括空间数据和属性数据。属性数据包括对DFS 属性的描述和用户信息，如源区类型、岩性和气候等；空间数据主要包括DFS源区、DFS顶点、DFS沉积区和剖面线等空间要素。这些数据主要来源于用户绘制、上传的数据和经过检验的公开数据，数据库E-R图如图3所示。

2）数据库结构及关联。在Post?greSQL中，数据库表设计如图4所示。由于用户在使用过程中，首先会浏览大量的空间数据，然后通过点击空间数据才获得属性数据，所以将属性数据与空间数据放在一起，会导致前后端传输的资源变大，通过属性ID 将空间数据和属性数据分开，能够减少在查询过程中的资源消耗，并具有良好的扩展性。

3）数据库功能。系统数据库利用PostGIS 提供的函数如ST_AREA 和ST_PERIMETER等作为基础，使用触发器在空间数据进行插入、更新和删除时能够自动生成或更改相关属性数据，如面积、周长等。系统还采用了全球岩性数据，以及全球柯本气候类型空间分布数据集（1901—2000年）19]作为气候底图，在DFS 分区数据上传或更新时凭借触发器自动更新气候与岩性数据，利用PostGIS定義的ST_WITHIN函数得到相应位置并获取气候图层的气候类型数据。

3.3 系统功能设计

针对地质学者在研究分支河流体系过程中遇到的问题以及该河流体系现象本身的特点，本系统将功能划分为用户管理、基础工具、DFS信息生成、DFS信息管理、DFS参数分析五大模块。

1）用户管理。用户信息的管理主要分为登录、注册与修改三方面。在系统登录界面中，用户通过输入正确有效、已注册的账号信息获得进入系统主界面的权限。注册功能针对使用该系统的新用户来创建新的个人账号。修改功能允许用户对注册该账号时所填写的信息进行更新。

2）基础地理工具。基础工具从三维地球的展示2 和应用角度出发，分别涉及地理量测、图层切换、三维漫游、三维效果渲染四方面。地理量测根据DFS研究者需要，可量测高程、经纬度、线段实地距离、区域面积这些基本参数。图层切换通过引入基本的、不同主题的地图接口，实现三维地形的来回切换，达到同一地区的不同可视化效果。三维效果渲染可开关类似光影、水波、大气层等要素的渲染。

3）DFS对象生成。DFS信息的生成用于在三维地球上创建和地形上DFS相关联的几何实体。具体涉及分支河流当中顶点、分支河流、源区、沉积区以及其他地质相关实体的创建，创建完成后可根据需要在配置的属性框中填入其他属性数据和实体一并存储。

4）DFS对象信息管理。DFS信息的管理借助树状形式的文件控件对全球范围内以及用户自定义创建的分支河流体系进行分级收纳管理。不同地区的河流体系依据所在山系的不同被划分进不同的一级目录，后续可根据山系大小和DFS 发育丰富程度选择是否创建同一山系不同地区的二级目录，也或者直接存放不同的DFS 实体信息。

5）参数综合分析。DFS 参数分析主要借助图表模块对同一类别DFS 实体的同种参数进行分析。支持常规的高程剖面图生成，坡度频次图统计，周长面积折线图关系体现，方便使用者快速分析分支河流体系部分几何参数延伸出的特性。图表带有导出功能，支持对分析结果进行私人存储管理。

4 功能应用与实现展示

4.1 开发环境

1）操作系统：Windows10；

2）编程语言：JavaScript、SQL、Java、Lua；

3）开发框架：Vue、Cesium、SSM；

4）开发工具：Visual Studio Code、IDEA、Vim、Pg?Admin；

5）数据库系统：PostgreSQL；

6）空间数据库扩展：PostGIS；

7）服务器：OpenResty、Tomcat、GeoServer。

4.2 系统功能实现

4.2.1用户身份认证

用户在浏览器中进入到DFS信息管理系统的地址后，首先要求在登录界面输入用户信息（图7），账号经验证有效，页面则会自动跳转至三维地球主界面，并在后台向用户返回唯一token值，作为用户后续各种数据操作的许可凭证。账号若无效，系统会弹出“登录失败，信息有误”的提示框，并且一直停留在登录界面。

在登录成功后，用户所登录的账号还会进行身份识别，若是普通用户，该账号则仅拥有查看、编辑个人DFS数据的权限；若是超级用户，则可以直接对所有账号的DFS数据进行任意的浏览与更改。

4.2.2基础地理工具

用户在对某一地理区域进行研究时，经常伴随一些地理量测操作，在该系统中，依托目录控件的右键菜单，用户可选择不同的量测类型，借助鼠标交互，即可以完成三维地形上，关于某点经纬度与高程、某线段实地延伸距离以及某区域实际覆盖表面积等数据的量测。除此之外，当用户需要调整三维地球的显示效果时，点击界面左侧“三维显示”功能弹出渲染框，框内的下拉菜单与复选表单允许用户选择不同的地表图层以及开关光照、光晕、光影、水纹、大气层等要素的渲染情况，调整完毕后，点击应用按钮即可生效。

4.2.3综合管理分支河流体系对象

综合管理DFS对象功能通过对用户身份的认证，返回当前权限下可操作的所有DFS数据，展示在界面的树状层级目录里，方便用户进行查阅与编辑。左击界面左侧“个人项目”功能后，页面自动弹出该数据目录，在用户自主管理的研究项目中，通常一级目录是DFS对象所属的体系分区，二级目录是某一分区下所有的DFS对象，三级目录则是某一DFS对象所包含的顶点、剖面线、沉积区以及它的源区这些要素数据。目录结构主要依据用户个人的创建与管理。

对于控件的层级数据项，用户可以点击DFS对象的名称来飞跃到该对象在地形上的实际位置；除此之外，用户还可以借助鼠标右击菜单实现文件目录中实体要素以及研究项目的各种数据操作，系统会自动调用不同接口，完成界面与后台数据的双向动态更新。

4.2.4国内分支河流体系实体加载

初始进入三维地球界面，当需要了解国内已有的、经其他学者整理后的分支河流体系分布时，直接进入DFS项目目录控件，系统会自动加载GeoServer 地图服务。该服务涵盖了分支河流体系按顺序叠置的顶点图层、剖面线图层、沉积区以及它的源区面图层，服务调取基于Cesium加载WMS的接口实现，服务数据通过C++解析KML模块为数据表文件，并导入数据库后获得。该功能方便用户对不同分支河流体系的大小形状、分布情况形成迅速、直观而准确的认知。

4.2.5分支河流體系实体创建

分支河流体系实体对象的创建是用户在该系统上进行DFS数据管理与分析的重要基础，创建后的对象所拥有的空间点位数据以及其他几何参数、属性数据会一并存入数据库中，供其他功能进行调用。

创建功能包含在目录的右键菜单中，选择不同创建类型后，用户可以按照个人意愿与理解，在三维地形表面手动绘制关于分支河流体系的顶点、沉积区以及它的沉积物来源区等实体要素。完成绘制后需要在左侧表单中完善实体的属性信息，如体系分区涉及它的名称、所属山系、雪山/湖泊存在情况的选择与填写（图8），信息完善并点击提交，系统会自动创建该实体的ID，将其分配到父级对象的目录下，从而完成某一实体要素的创建。

4.2.6参数重要特征分析

本研究不仅着眼于在网络三维地球上实现所有DFS对象的信息化集中管理，而且还致力于将这些对象自身所带有的几何或者地理参数进行针对性的统计分析，方便用户从分析结果中总结出其他普适性结论。参数分析的实现依托于Echarts组件的调用，功能的调用方式也集成到了目录控件的右键菜单当中，针对不同层级的目录，用户在右击后会出现不同的分析选项。如剖面线和DFS对象都包含坡度和高程剖面图分析（图9）；体系分区包含DFS面积或周长的散点图汇总分析，多个DFS在不同延伸距离下的坡度折线图汇总分析。

5 结束语

鉴于分支河流体系学说目前正处于快速发展期，并且缺乏专题性的信息操作系统，本研究将现趋势下主流的WebGIS技术应用于DFS信息的数字化管理之中，从三维的角度为DFS的形态可视化、地理地质属性信息收集以及几何参数的统计分析提供了较为便捷实用的解决方案。借助平台组合，系统架构与功能的合理设计，该系统具有以下研究成果：

1）借助PostGIS插件，同时结合陆相盆地沉积学等基础地质理论，本系统从体系分区、DFS对象、对象内实体三个层面设计构建了分支河流体系数据库。数据库不仅有已发布的通用DFS数据，同时还支持用户创建可共享的私有DFS对象，方便小组多人进行科学研究与分工协作。

2）依据DFS研究的基本需求，本系统以DFS对象信息的管理与操作为核心，实现对DFS数据的三维可视化、目录分级管理、几何参数多样化统计分析等功能，简化了研究人员需多个平台配合使用的数据处理工作，为DFS数据处理提供科学的管理与分析平台。

3）系统整体分层独立开发，便于后期维护与扩展，同时应用了开源三维引擎Cesium，轻便地图服务GeoServer，以及性能稳定优越的OpenResty代理，降低了系统的开发与使用成本。凭借WebGIS的独特优势，本系统以本地发布或者服务器挂载即可实现快捷使用，接触门槛低，易操作性强。

分支河流体系的研究在数字化方面，尤为重要的是形态参数的快速分析，以便为预测源区沉积物规模，推算源汇关系以及识别DFS发育特征提供些许定性研究结论。因此，本系统还需加强完善图表分析功能，充分发挥PostGIS插件优势，设计出更优的算法来实现相关性等需求的精确测算与模拟。