面向時(shí)空信息云平臺(tái)的云GIS共享服務(wù)體系

郭云嫣，劉全海，冉慧敏

(1.常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213003)

面向時(shí)空信息云平臺(tái)的云GIS共享服務(wù)體系

郭云嫣1，2*，劉全海1，2，冉慧敏1，2

(1.常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213003)

針對(duì)傳統(tǒng)GIS共享的局限性和高門(mén)檻問(wèn)題，基于云架構(gòu)提出了一種新型的云GIS共享服務(wù)體系。通過(guò)分析智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)用戶的使用需求，設(shè)計(jì)了若干個(gè)關(guān)鍵共享技術(shù)流程，針對(duì)不同專業(yè)級(jí)別的部門(mén)和用戶，提供數(shù)據(jù)生產(chǎn)、服務(wù)管理和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的立體化共享服務(wù)。提出的一體化云GIS共享服務(wù)體系將共享服務(wù)內(nèi)容劃分為云數(shù)據(jù)采集與托管、云服務(wù)發(fā)布與管理、云應(yīng)用定制與維護(hù)三部分，實(shí)現(xiàn)了GIS服務(wù)的按需提供、在線服務(wù)。最后，通過(guò)智慧常州時(shí)空信息云平臺(tái)項(xiàng)目對(duì)這一云GIS共享服務(wù)體系進(jìn)行了實(shí)踐和驗(yàn)證，證明該方式的有效性、先進(jìn)性。

地理信息共享；云GIS；時(shí)空信息云平臺(tái)；應(yīng)用定制

1 引 言

在數(shù)字城市階段，地理信息公共服務(wù)平臺(tái)是城市法定的、統(tǒng)一的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、工業(yè)與信息化進(jìn)程中發(fā)揮了重要作用[1]。而隨著科技不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求快速變化，特別是云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)地理信息公共服務(wù)平臺(tái)提出了體驗(yàn)性要好、實(shí)時(shí)性要強(qiáng)、移動(dòng)性要大、可控性要高和自主性要多的新要求。因此，在新形勢(shì)下，國(guó)家測(cè)繪地理信息局提出了將地理信息公共平臺(tái)上升為時(shí)空信息云平臺(tái)，以適應(yīng)智慧城市建設(shè)的需求，構(gòu)建智慧城市統(tǒng)一的時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施。

智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)是通過(guò)泛在網(wǎng)絡(luò)、傳感設(shè)備、智能計(jì)算等新型高科技手段，實(shí)時(shí)匯集城市各種時(shí)空信息，而形成的更透徹感知、更廣泛互聯(lián)、更智能決策、更靈性服務(wù)和更安全可靠的地理信息服務(wù)平臺(tái)，是智慧城市建設(shè)的重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施[2]。

與地理信息公共服務(wù)平臺(tái)相比，時(shí)空信息云平臺(tái)的本質(zhì)屬性仍然是提供地理信息共享服務(wù)，不同的是：①其數(shù)據(jù)內(nèi)容和范圍除了全覆蓋、精細(xì)化的現(xiàn)勢(shì)數(shù)據(jù)，還擴(kuò)展了豐富的歷史地理信息，實(shí)時(shí)位置信息，精細(xì)三維、全景影像、視角三維、立體街景等多維度可視化地理信息以及智能感知設(shè)備獲取的視頻、RFID、ASCII碼、二進(jìn)制等實(shí)時(shí)信息[3]；②采用云GIS技術(shù)架構(gòu)[4]，實(shí)現(xiàn)將GIS平臺(tái)、軟件和地理空間信息方便、高效地部署到以云計(jì)算為支撐的“云”基礎(chǔ)設(shè)施上，以彈性的、按需獲取的方式提供基于Web的服務(wù)。

本文認(rèn)為，無(wú)論是公共平臺(tái)還是時(shí)空信息云平臺(tái)，無(wú)論有多豐富的數(shù)據(jù)、采用何種先進(jìn)的技術(shù)手段，若不從共享部門(mén)用戶的實(shí)際需求角度出發(fā)，設(shè)計(jì)平臺(tái)的共享服務(wù)流程，則難以降低GIS的高技術(shù)門(mén)檻，無(wú)法使廣大共享部門(mén)平滑便捷地享受到地理信息數(shù)據(jù)紅利，無(wú)法最大化創(chuàng)造和發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值。

2 時(shí)空信息共享需求分析

隨著科技發(fā)展，所有高技術(shù)含量產(chǎn)品的使用都將越來(lái)越親民化、傻瓜式，讓科技產(chǎn)品就像空氣和水一樣圍繞人們身邊，取用自如。而一直以來(lái)，地理信息共享服務(wù)主要都是面向GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)人員，非GIS的其他開(kāi)發(fā)人員需要學(xué)習(xí)一定的專業(yè)知識(shí)才能理解和使用，這使得地理信息的價(jià)值發(fā)揮空間大大縮小。究其原因，主要是此類共享服務(wù)平臺(tái)的功能體系是從測(cè)繪地理信息提供者角度設(shè)計(jì)的，而不是從共享受眾的實(shí)際需求角度設(shè)計(jì)。

時(shí)空信息云平臺(tái)的使用部門(mén)主要分為平臺(tái)運(yùn)維管理部門(mén)、強(qiáng)GIS應(yīng)用部門(mén)、弱GIS應(yīng)用部門(mén)三類，本文通過(guò)分部門(mén)、分用戶類分析了時(shí)空信息云平臺(tái)的共享需求，設(shè)計(jì)了不同應(yīng)用場(chǎng)景下的共享技術(shù)流程，以此確定時(shí)空信息云平臺(tái)的功能框架。

2.1 運(yùn)維管理部門(mén)

在數(shù)字城市階段，地理空間框架是測(cè)繪地理信息部門(mén)的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)，而進(jìn)入智慧城市階段，地理空間框架具有時(shí)空特點(diǎn)，發(fā)展為時(shí)空信息框架，時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫(kù)和時(shí)空信息云平臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)維也由測(cè)繪地理信息部門(mén)負(fù)責(zé)。①具有數(shù)據(jù)運(yùn)維的需求。將野外測(cè)繪、數(shù)字化采集、網(wǎng)絡(luò)抓取等手段獲取的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理、入庫(kù)及更新過(guò)程管理，開(kāi)展數(shù)據(jù)集中管理及聯(lián)動(dòng)更新，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)布為地圖服務(wù)，從而接入平臺(tái)提供共享。②具有平臺(tái)運(yùn)維需求。負(fù)責(zé)平臺(tái)的日常運(yùn)行維護(hù)管理，包括用戶管理、功能使用權(quán)限管理、各類共享事宜審批、系統(tǒng)安全管理、示范應(yīng)用推廣等。

2.2 強(qiáng)GIS部門(mén)

指信息或數(shù)據(jù)與地理空間信息相關(guān)性較強(qiáng)的部門(mén)，例如國(guó)土、規(guī)劃、公安、水利等管理部門(mén)，該類部門(mén)不僅需要基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)，還需要豐富的本行業(yè)專題時(shí)空數(shù)據(jù)和來(lái)自于其他部門(mén)的共享數(shù)據(jù)，不僅需要對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽、查詢，還需具備歷史數(shù)據(jù)回溯和時(shí)空數(shù)據(jù)分析等需求。①具有時(shí)空信息共享需求。一方面可將本部門(mén)的資源、服務(wù)或應(yīng)用接入平臺(tái)提供對(duì)外共享，一方面是獲取平臺(tái)基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)和他部門(mén)共享的行業(yè)專題時(shí)空數(shù)據(jù)。②具有二次開(kāi)發(fā)需求。該類部門(mén)具備特定的與其業(yè)務(wù)特征緊密結(jié)合的應(yīng)用需求，具備一定的GIS研發(fā)實(shí)力，需要基于平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)接口進(jìn)行針對(duì)性的GIS應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

2.3 弱GIS部門(mén)

指其信息或數(shù)據(jù)與地理空間信息相關(guān)性較弱的部門(mén)，例如教育、體育、糧食等管理部門(mén)，該類部門(mén)僅需要基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)和少量行業(yè)專題時(shí)空數(shù)據(jù)，僅需實(shí)現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢和簡(jiǎn)單分析。①具備數(shù)據(jù)生產(chǎn)需求。該類部門(mén)缺乏專業(yè)GIS技術(shù)和人才，更缺乏GIS數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)，需要在不購(gòu)買(mǎi)GIS軟件平臺(tái)、無(wú)GIS技術(shù)人才的前提下，簡(jiǎn)易、快速地采集GIS數(shù)據(jù)。②具備應(yīng)用快速開(kāi)發(fā)需求。由于其系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力較弱，為了建立GIS應(yīng)用系統(tǒng)，需要依托平臺(tái)快速定制功能相對(duì)簡(jiǎn)單的專題應(yīng)用系統(tǒng)。

各類部門(mén)下可劃分多個(gè)用戶類，包括管理員、開(kāi)發(fā)技術(shù)員、普通用戶等，其詳細(xì)功能需求如表1所示。

共享需求分析 表1

3 關(guān)鍵技術(shù)流程

3.1 弱GIS部門(mén)共享技術(shù)流程

對(duì)于弱GIS部門(mén)而言，無(wú)論是進(jìn)行專題制圖還是專題系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，均面臨缺乏專業(yè)GIS平臺(tái)及技術(shù)人員的問(wèn)題，因而無(wú)法生產(chǎn)空間數(shù)據(jù)。因而需提供兩種解決方案，一種是可直接接受各部門(mén)常見(jiàn)的、已有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(如xls文件)，另一種是可在平臺(tái)地圖展示界面中提供操作便捷的GIS數(shù)據(jù)生產(chǎn)功能，可將此兩種方式形成的數(shù)據(jù)無(wú)縫對(duì)接專題制圖及系統(tǒng)定制模塊，實(shí)現(xiàn)一體化流程。弱GIS部門(mén)數(shù)據(jù)生產(chǎn)制圖流程如圖1所示：

圖1 弱GIS部門(mén)數(shù)據(jù)生產(chǎn)制圖流程

弱GIS部門(mén)專題應(yīng)用定制流程如圖2所示：

圖2 弱GIS部門(mén)專題應(yīng)用定制流程

3.2 強(qiáng)GIS部門(mén)共享技術(shù)流程

對(duì)于強(qiáng)GIS部門(mén)的共享應(yīng)用而言，主要包括數(shù)據(jù)資源的上傳/下載共享、數(shù)據(jù)服務(wù)的注冊(cè)/申請(qǐng)共享、應(yīng)用開(kāi)發(fā)共享等三方面，其中前二者應(yīng)用場(chǎng)景是較為通用的，此處不多贅述，僅介紹應(yīng)用開(kāi)發(fā)共享這一應(yīng)用場(chǎng)景。

強(qiáng)GIS部門(mén)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)按照需求復(fù)雜程度分為兩種情形：一種是基于相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)進(jìn)行通用查詢?yōu)g覽功能的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，則可采用平臺(tái)的應(yīng)用定制模塊實(shí)現(xiàn)快速定制，該方式下的應(yīng)用開(kāi)發(fā)流程如圖3所示；另一種是面向較復(fù)雜、較特殊的數(shù)據(jù)或進(jìn)行較復(fù)雜功能的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，則基于平臺(tái)提供的二次開(kāi)發(fā)接口，由相應(yīng)開(kāi)發(fā)技術(shù)人員進(jìn)行自主系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，其具體應(yīng)用開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

圖3 強(qiáng)GIS部門(mén)二次開(kāi)發(fā)流程

圖4 強(qiáng)GIS部門(mén)專題應(yīng)用定制流程

4 云GIS共享服務(wù)體系

在互聯(lián)網(wǎng)+和大數(shù)據(jù)行動(dòng)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，地理信息共享服務(wù)同樣應(yīng)開(kāi)展新的探索。從軟件技術(shù)手段角度看，地理信息服務(wù)方式經(jīng)歷了面向文件的第一代共享服務(wù)方式和面向空間數(shù)據(jù)庫(kù)的第二代共享服務(wù)兩個(gè)階段的發(fā)展，當(dāng)前正處于面向服務(wù)的地理信息共享方式的高峰期。

Goodchild等強(qiáng)調(diào)了地理信息共享中的兩個(gè)重要問(wèn)題[5]：一是地理信息共享問(wèn)題；二是GIS服務(wù)共享問(wèn)題。從共享方式來(lái)看共享技術(shù)研究的發(fā)展，地理信息共享大致經(jīng)過(guò)了“空間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換―空間數(shù)據(jù)共享平臺(tái)―地理信息系統(tǒng)互操作-地理信息服務(wù)”幾個(gè)發(fā)展階段[6]。地理信息服務(wù)要求地理信息系統(tǒng)由面向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚍?wù)，將地理信息系統(tǒng)劃分為若干個(gè)完成特定功能的服務(wù)，這些服務(wù)可以獨(dú)立存在，需要時(shí)可以任意組合，以適應(yīng)地理信息系統(tǒng)集成的要求。

然而在智慧城市建設(shè)的背景下，基于地理信息服務(wù)的單一共享方式已逐漸暴露出其局限性，需要進(jìn)一步探討基于云計(jì)算技術(shù)的時(shí)空信息云服務(wù)模式。云計(jì)算具有超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、通用性和高可伸縮性、按需服務(wù)、極其廉價(jià)的特征[7]。借助最新的云GIS技術(shù)構(gòu)建云GIS地理信息服務(wù)平臺(tái)，可為各級(jí)政府部門(mén)企事業(yè)單位和廣大民眾提供豐富的云GIS服務(wù)[8，9，4]。

本文充分調(diào)研用戶在云環(huán)境中托管數(shù)據(jù)與應(yīng)用的普遍意圖與需求，以應(yīng)用為邊界，作為邏輯上的容器，托管的數(shù)據(jù)則存在于容器中，不同容器中的數(shù)據(jù)是隔離不可見(jiàn)的，保證應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)純潔度，充分尊重用戶對(duì)自身數(shù)據(jù)和應(yīng)用的管理習(xí)慣，提出了一套新型的GIS云服務(wù)模式，如圖5所示。

圖5 GIS云服務(wù)體系

(1)云數(shù)據(jù)采集與托管

時(shí)空信息云平臺(tái)的“數(shù)據(jù)云”，支持選擇特定的時(shí)空數(shù)據(jù)作為采集依據(jù)，設(shè)定幾何類型及屬性結(jié)構(gòu)、在線繪制采集、進(jìn)行屬性編輯、在線提交托管或下載至本地，滿足個(gè)性化數(shù)據(jù)采集需求，使用戶擺脫傳統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)處理軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的購(gòu)買(mǎi)需求，消除GIS專業(yè)技術(shù)門(mén)檻的阻礙?！皵?shù)據(jù)云”形成了一個(gè)閉合環(huán)的結(jié)構(gòu)，其時(shí)空數(shù)據(jù)內(nèi)容既是平臺(tái)數(shù)據(jù)采集的依據(jù)，采集完成的數(shù)據(jù)又進(jìn)而豐富和擴(kuò)充其數(shù)據(jù)內(nèi)容。

(2)云服務(wù)發(fā)布與管理

時(shí)空信息云平臺(tái)的“服務(wù)云”，實(shí)現(xiàn)托管數(shù)據(jù)基于開(kāi)源云GIS平臺(tái)的服務(wù)發(fā)布，并可對(duì)已發(fā)布的服務(wù)實(shí)現(xiàn)靈活的服務(wù)拆分、服務(wù)聚合，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化地圖服務(wù)的快速生成，使用戶擺脫傳統(tǒng)GIS Server服務(wù)器的購(gòu)買(mǎi)需求和使用屏障。“服務(wù)云”實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)地理信息公共服務(wù)平臺(tái)的地理信息服務(wù)共享，支持OGC和ISO共同推出的基于Web服務(wù)(XML)的空間數(shù)據(jù)互操作實(shí)現(xiàn)規(guī)范。

(3)云應(yīng)用定制與維護(hù)

時(shí)空信息云平臺(tái)的“應(yīng)用云”，是指在完成數(shù)據(jù)托管或服務(wù)發(fā)布之后，平臺(tái)提供系列功能，便于用戶對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化管理和應(yīng)用，包括時(shí)空數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合展示與查詢、時(shí)空數(shù)據(jù)操作與功能的定制、應(yīng)用界面的定制等，定制完成的系統(tǒng)提供在線托管發(fā)布，并可實(shí)現(xiàn)后續(xù)數(shù)據(jù)更新等應(yīng)用維護(hù)管理。其中，應(yīng)用定制本質(zhì)上是一種搭建式軟件開(kāi)發(fā)[10]，采用了一套GIS構(gòu)建倉(cāng)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能驅(qū)動(dòng)構(gòu)建倉(cāng)庫(kù)運(yùn)行的工作流引擎，利用改進(jìn)了的工作流可視化編輯器進(jìn)行可視化搭建。由工作流引擎驅(qū)動(dòng)GIS構(gòu)建倉(cāng)庫(kù)中的構(gòu)建運(yùn)行，利用工作流的可視化建模實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的可視化復(fù)合，從而做到軟件系統(tǒng)的積木式搭建。通過(guò)“應(yīng)用云”，可無(wú)縫集成數(shù)據(jù)托管與應(yīng)用定制，將上述步驟打包成一站式服務(wù)，從而避免了對(duì)專業(yè)GIS開(kāi)發(fā)技術(shù)、軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施部署等的高難度需求。

筆者在智慧常州時(shí)空信息云平臺(tái)項(xiàng)目中對(duì)上述GIS云服務(wù)模式進(jìn)行了實(shí)踐和檢驗(yàn)，搭建了一套一體化云服務(wù)流程：基礎(chǔ)設(shè)施層(IaaS層)采用VMware虛擬化、負(fù)載均衡、服務(wù)器集群等技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)資源彈性伸縮；平臺(tái)服務(wù)層(PaaS層)除了操作系統(tǒng)、中間件等平臺(tái)軟件外，還采用開(kāi)源WebGIS服務(wù)器軟件GeoServer、開(kāi)源空間數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL和PostGIS等構(gòu)建ESB服務(wù)總線；軟件服務(wù)層(SaaS層)提供API、控件、模版等不同級(jí)別的服務(wù)接口，即智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)軟件。

實(shí)踐證明，這一基于按需服務(wù)、在線提供的云服務(wù)模式，采用輕盈的全過(guò)程在線交互方式，充分實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)層次用戶的易操作性，滿足了時(shí)空數(shù)據(jù)共享的“去平臺(tái)化”、“去專業(yè)化”需求，可為相關(guān)共享部門(mén)提供較為理想的時(shí)空數(shù)據(jù)共享解決方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

城市級(jí)時(shí)空數(shù)據(jù)共享部門(mén)大多為缺乏專業(yè)GIS軟件平臺(tái)及技術(shù)人才的弱GIS部門(mén)，而傳統(tǒng)的地理信息公共服務(wù)平臺(tái)并未顧及這一需求背景，僅提供地圖服務(wù)、功能服務(wù)、二次開(kāi)發(fā)接口等專業(yè)共享資源，令非專業(yè)共享部門(mén)望而卻步。本文所提出這一新型共享服務(wù)模式，將傳統(tǒng)的服務(wù)提供、接口提供的共享方式提升為GIS服務(wù)及軟硬件資源的動(dòng)態(tài)提供，既可滿足非專業(yè)部門(mén)的無(wú)門(mén)檻使用需求，又可滿足專業(yè)部門(mén)的時(shí)空數(shù)據(jù)深層共享需求，符合智慧城市背景下的時(shí)空數(shù)據(jù)共享發(fā)展趨勢(shì)。

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Cloud GIS Sharing and Service System of Spatialtemporal Information Cloud Platform

Guo Yunyan1，2，Liu Quanhai1，2，Ran Huimin1，2

(1.Changzhou Surveying and Mapping Institute，Changzhou 213003，China；2.Changzhou Geospatial Information Intelligence Technology Center，Changzhou 213003，China)

Considering the boundedness and barriers of traditional way of GIS sharing，the paper proposed a sharing and service system based on cloud GIS. Several key sharing technique process have been put forward to satisfied use requirements of deferent professional levels，which can provide GIS sharing services including data production，services management and application development. The contents of sharing services have been divided into three parts： cloud data acquisition and hosting，cloud service publishing and management，cloud application customization and maintenance. Finally，the sharing and service system based on cloud GIS has been applied to a project called “Spatialtemporal Information Cloud Platform of Smart Changzhou”，which proved the methods effective and progressive.

geographic information sharing；cloud GIS；spatialtemporal information cloud platform；application customization

1672-8262(2016)06-5-05

P208.2

A

2016—05—30

郭云嫣(1987—)，女，碩士，現(xiàn)從事空間信息共享時(shí)空數(shù)據(jù)可視化分析研究。

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技示范項(xiàng)目(S5201328)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技示范項(xiàng)目(S5201329)； 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部軟科學(xué)研究項(xiàng)目(R22015171)