基于云架構(gòu)的“天地圖·常州”設(shè)計與實現(xiàn)

劉 波，蔡 勇，宋法奇

(江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇南京210013)

一、引 言

地理信息是國家重要戰(zhàn)略信息資源，在政府管理決策、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人民生活改善等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著政府管理決策科學(xué)化、經(jīng)濟與社會發(fā)展信息化及和諧社會建設(shè)的不斷推進(jìn)，各級政府部門和社會公眾對權(quán)威、可靠的地理信息服務(wù)的需求與日俱增，迫切要求實現(xiàn)多尺度、多類型地理信息資源的綜合利用與在線服務(wù)?！疤斓貓D”是由國家測繪地理信息局主導(dǎo)的，由國家、省、市、縣分級建設(shè)，共建共享，互聯(lián)互通，旨在提供權(quán)威、統(tǒng)一地理信息服務(wù)的大型互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)網(wǎng)站，是數(shù)字城市建設(shè)的重要組成部分，是各省、市縣級地理信息公共服務(wù)平臺的公眾版，也是中國區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)資源最全的互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)網(wǎng)站。

本文從“天地圖·常州”建設(shè)的技術(shù)架構(gòu)建設(shè)、軟件平臺建設(shè)、服務(wù)體系建設(shè)等幾個方面探討“天地圖”市級節(jié)點建設(shè)的主要思路。

二、云上的“天地圖·常州”

1.“天地圖·常州”的建設(shè)要求

“天地圖”是面向政府部門、專業(yè)機構(gòu)和社會公眾服務(wù)的大型地理信息服務(wù)網(wǎng)站，其在線地理信息服務(wù)具有數(shù)據(jù)量大、現(xiàn)勢性強、數(shù)據(jù)格式與服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)性較強、空間數(shù)據(jù)處理較復(fù)雜等特點。國家“天地圖”主節(jié)點要求各個分建節(jié)點網(wǎng)站須具備7×24 h不間斷服務(wù)的能力，具有高服務(wù)質(zhì)量，市級節(jié)點支持峰值并發(fā)用戶數(shù)為500;遠(yuǎn)距離訪問服務(wù)等待時間不超過1 s;互操作和信息加載服務(wù)等待時間不能超過5 s，平均每個用戶每分鐘顯示8次地理信息圖像。這些具體的高技術(shù)要求，對于“天地圖·常州”節(jié)點的建設(shè)者是一個不小的挑戰(zhàn)。因此，基于云計算構(gòu)建具備高可用性和負(fù)載均衡等能力的運行支持環(huán)境對于“天地圖·常州”的建設(shè)尤為重要。

2.基于XEN虛擬化技術(shù)的彈性云計算應(yīng)用服務(wù)中心

“常州云計算應(yīng)用服務(wù)中心”(以下簡稱云中心)為常州市管轄范圍內(nèi)的面對政務(wù)協(xié)同、社會管理、公共服務(wù)等應(yīng)用的唯一云計算應(yīng)用服務(wù)中心，于2012年5月建成開通。

虛擬化技術(shù)是云平臺管理計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源的關(guān)鍵。虛擬化技術(shù)能夠?qū)⒉煌Y(jié)構(gòu)的物理資源整合為邏輯資源池來供整個云平臺使用。云中心采用XEN虛擬化技術(shù)，而XEN是目前主流的開源虛擬化技術(shù)，可以工作在半虛擬化(paravirtualization)和完全虛擬化兩種模式之下。半虛擬化又叫做超虛擬化技術(shù)，該技術(shù)通過對客戶操作系統(tǒng)做一些修改便可以在不支持虛擬化的硬件之上運行，而其無硬件依賴的特性使得XEN的應(yīng)用范圍更加廣泛。同時，由于直接運行在硬件之上，虛擬機的性能更接近真實硬件環(huán)境，因此XEN更容易達(dá)到高性能。Amazon EC2、GoGridXen和Citrix的云平臺都采用XEN虛擬化技術(shù)。

2012年6月18日，“天地圖·常州”V2.0版成功部署到常云中心，成為常州市首個入駐云中心的大型應(yīng)用，也是全國少數(shù)幾個部署在云計算環(huán)境中的“天地圖”節(jié)點之一。云中心將為“天地圖·常州”提供虛擬化的硬件環(huán)境、高可用性的硬件資源，確?！疤斓貓D·常州”的高并發(fā)性和可靠性。

3.“天地圖·常州”部署方案

“天地圖·常州”部署方案需要滿足4點要求：①高效的運行效率，提供高速的I/O讀取和足夠的系統(tǒng)資源;②保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性即系統(tǒng)始終基于一套數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，避免多套數(shù)據(jù)多臺服務(wù)器來回復(fù)制;③部署方案可靠易行，即通過虛擬化的方式簡化了管理的難度;④可擴展性，由于系統(tǒng)建設(shè)初期的硬件資源配置僅考慮近期的并發(fā)用戶量，因此系統(tǒng)的架構(gòu)必須考慮今后的擴容性，方法就是盡可能保持各系統(tǒng)的獨立性。

經(jīng)相關(guān)單位協(xié)調(diào)，初步達(dá)成基于云計算構(gòu)架的部署方案，前期決定準(zhǔn)備5臺虛擬機用來部署數(shù)字常州地理信息公共平臺。其中1臺代理服務(wù)器，用nginx軟件做后臺服務(wù)的負(fù)載均衡和網(wǎng)站的代理;2臺應(yīng)用服務(wù)器，放置平臺程序，部署網(wǎng)站;2臺地圖服務(wù)器，安裝地圖服務(wù)軟件。后期還將分配若干臺服務(wù)器，做服務(wù)器集群。其構(gòu)架如圖1所示。

圖1 “天地圖·常州”部署示意圖

(1)nginx代理服務(wù)器

nginx(“engine x”)是一個高性能的 HTTP和反向代理服務(wù)器，也是一個IMAP/POP3/SMTP代理服務(wù)器，因它的穩(wěn)定性、豐富的功能集、示例配置文件和低系統(tǒng)資源的消耗而聞名。

(2)PostGIS數(shù)據(jù)庫集群

PostGIS數(shù)據(jù)庫集群可解決多個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器協(xié)同工作的問題，如在主服務(wù)器失效的時候備份服務(wù)器立即取代它的位置(高可用性)，或者幾臺機器同時服務(wù)于同一個數(shù)據(jù)庫(負(fù)載均衡)。

“天地圖·常州”采用運行于Linux系統(tǒng)的pgpool-II集群軟件來構(gòu)建基于Linux系統(tǒng)的PostGIS數(shù)據(jù)庫集群，從而提高了數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性與可靠性。

(3)開源地圖服務(wù)器GeoServer

開源GIS服務(wù)器GeoServer是OpenGIS Web服務(wù)器規(guī)范的J2EE實現(xiàn)。它的主要特點就在于輕便高效，尤其是信息搜索功能是ArcGIS Server速度的數(shù)十倍。利用GeoServer可以方便地發(fā)布地圖數(shù)據(jù)，并允許用戶對特征數(shù)據(jù)進(jìn)行更新、刪除、插入操作。它兼容 WMS和 WFS特性;支持PostGIS、Shapefile、ArcSDE、Oracle、VPF、MySQL、MapInfo;支持上百種投影;能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)地圖輸出為JPEG、GIF、PNG、SVG、KML等格式;能夠運行在任何基于 J2EE/Servlet容器之上，是較為理想的輕量級GIS服務(wù)器選擇。

三、基于QucikMap平臺的“天地圖·常州”

“天地圖·常州”是基于江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心具有自主知識產(chǎn)權(quán)的網(wǎng)絡(luò)地圖發(fā)布平臺(QuickMap2.0版)搭建的。QuickMap2.0 是一整套完整、開放，并可落地的云GIS解決方案，它提供了簡便易用的部署方式，便捷靈活的開發(fā)手段，是QucikMap1.0的升級版本。

QuickMap2.0由多源地圖服務(wù)聚合平臺、分布式模塊化客戶端平臺、網(wǎng)絡(luò)信息整合平臺、移動端天地圖、開發(fā)接口5大部分組成。基于開源GIS服務(wù)器，具有輕量、高效、價廉的特點，兼具云端化、移動化、智能化、個性化和簡捷化5大特征，能夠與國家天地圖等多源數(shù)據(jù)實現(xiàn)無縫對接，對于“天地圖”工程在全省范圍內(nèi)的推廣具有重要的意義。

1.多源地圖服務(wù)聚合平臺

QuickMap不但是多源空間數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布平臺和空間數(shù)據(jù)的可視化、入庫、格式轉(zhuǎn)換、符號配置及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布配置的工具，而且兼容了ArcGISServer、Google map及天地圖等多種空間信息服務(wù)的瓦片方案，實現(xiàn)了開源GIS服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)地圖服務(wù)的聚合。

2.分布式模塊化客戶端平臺

QuickMap是“天地圖”網(wǎng)站和電子地圖運行的平臺，采用分布式模塊化客戶端加載方式，與云平臺結(jié)構(gòu)充分契合，保證了軟件的實時高效。

“天地圖·常州”在研制過程中充分利用了Flex RIA開發(fā)中的模塊和運行時共享庫機制。這些機制確保模塊和庫可以方便系統(tǒng)不同部分的并行開發(fā)及客戶端上高效的內(nèi)存管理，簡化了后臺不同技術(shù)服務(wù)器端的開發(fā)和集成。通過將應(yīng)用程序劃分成模塊，包括創(chuàng)建庫及主應(yīng)用程序的子模塊，將項目設(shè)計成層次化的形式，開發(fā)和編譯都可以在單個的分支中進(jìn)行，主要優(yōu)勢在于優(yōu)化客戶端上下載和啟動的時間。應(yīng)用程序的一小部分可以預(yù)先下載到客戶端，而剩下的部分可以在后端按需進(jìn)行加載。此外，模塊還可以被加載和卸載，以減少客戶端上的內(nèi)存占用量;模塊化分布式項目的另一個主要優(yōu)勢在于它可以讓開發(fā)過程更容易模塊化，它允許開發(fā)人員在不同的模塊和庫上進(jìn)行工作以避免開發(fā)團隊的死鎖發(fā)生。

3.網(wǎng)絡(luò)信息整合平臺

QuickMap通過服務(wù)代理的方式實時獲取網(wǎng)絡(luò)多源異構(gòu)的各種海量數(shù)據(jù)，并在后臺進(jìn)行處理整合和位置空間化，是應(yīng)用專題(如團購、房產(chǎn)、公交等)的實時搜索平臺。

出于對自身網(wǎng)站保護(hù)的目的，網(wǎng)站對網(wǎng)絡(luò)上的鏈接會有一些限制，這些限制包括對XMLHttpRequest的限制。網(wǎng)絡(luò)瀏覽器不會允許腳本對它本身所在的Server以外的服務(wù)器進(jìn)行鏈接。如來自服務(wù)器的腳本在客戶端的瀏覽器中需要對它以外域下的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行請求，那么就構(gòu)成了跨域訪問，瀏覽器會拒絕這樣的服務(wù)訪問請求。通常解決跨域問題有兩種方法：一是采用代理的方式;一類是采用動態(tài)script標(biāo)簽的方式。本平臺軟件采用的是第1種方法。代理的方法是在服務(wù)器上安裝配置一個代理，不用XmlHttpRequest去直接請求需要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，而讓其先請求代理，由代理去請求網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，然后將結(jié)果返回客戶端進(jìn)行處理，這樣就保證了XmlHttpRequest請求是腳本所在的服務(wù)器，數(shù)據(jù)也是從腳本所在的服務(wù)器中獲取的。其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)

4.移動端天地圖

移動端天地圖是云架構(gòu)天地圖的具體體現(xiàn)，支持各類主流移動平臺。部署在如iPad、iPhone或安卓手機上的移動版天地圖，不但可以實時獲取云上的各種資源，隨時隨地地在線和離線應(yīng)用，同時實現(xiàn)了本地化、分離式的處理方式，提高了移動端客戶感受。

5.開發(fā)接口

提供豐富的開發(fā)接口和快速靈活的開發(fā)方式，滿足用戶按需定制的個性化需求，并提供更加簡捷化的開發(fā)方式，更簡單的操作、更便捷的開發(fā)和更容易的部署，為GIS應(yīng)用和開發(fā)帶來前所未有的樂趣及更專業(yè)的效果。

四、服務(wù)公眾的“天地圖·常州”

1.框架與模塊

“天地圖·常州”采用B/S開發(fā)方式，提供基于互聯(lián)網(wǎng)的公眾版地理信息的查詢、檢索、地圖瀏覽，及對電子地圖的管理、維護(hù)，實現(xiàn)面向公眾的地理信息服務(wù)。

門戶網(wǎng)站采用 JavaScript語言 JQuery框架開發(fā)，部署在IIS服務(wù)器上，通過 AJAX技術(shù)與后臺PostGIS服務(wù)器進(jìn)行交互;電子地圖基于Flex4.5平臺進(jìn)行開發(fā)，調(diào)取后臺基于WCF框架的REST服務(wù)。功能模塊框架如圖3所示。

圖3 “天地圖·常州”功能模塊框架

2.功能描述

(1)門戶網(wǎng)站

門戶網(wǎng)站用于向用戶介紹“天地圖·常州”的概要信息，便于用戶快速了解平臺的地圖和服務(wù)資源、示范應(yīng)用、開發(fā)接口和新聞公告等信息，是“天地圖·常州”全景展示的門戶。

(2)地圖瀏覽

提供電子地圖的瀏覽功能，可以在矢量/影像地圖之間進(jìn)行切換，支持對POI信息的屬性查詢、空間查詢和空間分析等服務(wù)，支持在線標(biāo)注等個性化的服務(wù)。

(3)出行服務(wù)

提供熱點地區(qū)、熱門景點的快速搜索功能，以及駕車路線查詢、公交路線與轉(zhuǎn)乘查詢、周邊餐飲住宿搜索等功能，為百姓出行提供全方位服務(wù)。

(4)云共享

“天地圖·常州”包含桌面版、IOS版和安卓版，Windows Phone版正在開發(fā)之中。無論在哪個版本的客戶端應(yīng)用中用戶存儲的圖片、標(biāo)注、圖形等內(nèi)容都將放到云上，并且在任何版本的“天地圖·常州”客戶端中都可以看到完整的用戶操作信息，并可以選擇和其他網(wǎng)友進(jìn)行共享，增加了用戶操作樂趣與感受，豐富了“天地圖·常州”的內(nèi)容。

(5)生活信息專題

“天地圖·常州”實時獲取各大團購、房產(chǎn)等商業(yè)網(wǎng)站的信息，在后臺進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、整理與空間數(shù)字化，是各種類型生活信息的搜索平臺，同時提供周邊查詢、最優(yōu)路徑查詢、公交路線查詢等輔助信息，為用戶提供一站式的生活信息服務(wù)。

五、結(jié)束語

“天地圖·常州”是數(shù)字常州的公眾版地理信息服務(wù)平臺，對于提供測繪地理信息公共服務(wù)、推動城市信息化進(jìn)程、繁榮地理信息產(chǎn)業(yè)、維護(hù)國家安全意義重大。本文對“天地圖·常州”節(jié)點建設(shè)的技術(shù)架構(gòu)建設(shè)、軟件平臺建設(shè)進(jìn)行了簡要闡述，希望對其他“天地圖”市級節(jié)點的建設(shè)提供一定的借鑒和促進(jìn)作用。

［1］李思諭.“天地圖·新疆”自治區(qū)級節(jié)點建設(shè)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.科技信息，2012(19)：50-51.

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