基于Openstack平臺(tái)的智慧林業(yè)信息服務(wù)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

劉陸

(黑龍江省自然資源權(quán)益調(diào)查監(jiān)測(cè)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，在過去的十幾年間，林業(yè)信息化建設(shè)取得了較快發(fā)展。加快推進(jìn)智慧林業(yè)建設(shè)，有助于林業(yè)決策的科學(xué)化、規(guī)范化、高效化。Openstack是目前相對(duì)成熟的開源云平臺(tái)項(xiàng)目，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于公共及私有云的建設(shè)與管理、自然資源信息化建設(shè)與保護(hù)等領(lǐng)域。Openstack在我國林業(yè)信息服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用將有助于促進(jìn)林業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)互通共享，實(shí)現(xiàn)林業(yè)發(fā)展提質(zhì)增效。

1 Openstack及其特征

Openstack由美國NASA與 Rackspace 聯(lián)合研究發(fā)布并由Apache授權(quán)在世界各地進(jìn)行共享與使用，基于其一定的操作系統(tǒng)可幫助使用者開發(fā)和部署可移植、可共享、可伸縮且相對(duì)安全的服務(wù)器端應(yīng)用程序，通常被工程人員稱之為工具集。Openstack是簡(jiǎn)化云的部署過程，作為一種語言和平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)程序的開發(fā)和裝配，擴(kuò)展性較好，發(fā)展速度較快。目前Openstack社區(qū)成員超過上百家，是以往Java、JavaEE平臺(tái)的重要補(bǔ)充，HP、IBM 等世界一流公司也有貢獻(xiàn)和支持，大有取代另一云平臺(tái)Eucalyptus 的局面。

其兩大模塊包括Nova、Swift，分別由NASA和Rackspace開發(fā)，分別代表運(yùn)算職能和云存儲(chǔ)職能，二者即可同時(shí)使用也可以各自使用。可移植性是評(píng)價(jià)系統(tǒng)質(zhì)量的重要因素之一，Openstack語言的可移植性較好，Nova、Swift等程序都具備良好的可移植性，可在某些條件下或一定范圍內(nèi)代替服務(wù)器端組件模型體系結(jié)構(gòu)。應(yīng)用該平臺(tái)將使系統(tǒng)開發(fā)人員以往關(guān)心的操作環(huán)境移植問題得到有效解決，而不需要再重新編寫源代碼。此外，一些諸如Quantum、Cinder等輔助系統(tǒng)也都十分易于維護(hù)，Keystone提供各個(gè)不同組建認(rèn)證功能，使得整個(gè)平臺(tái)與項(xiàng)目更加完整。

2 基于Openstack平臺(tái)的智慧林業(yè)信息服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)需求分析

目標(biāo)平臺(tái)位于 Openstack 云架構(gòu)的頂層，平臺(tái)將以林業(yè)信息服務(wù)為中心，結(jié)合服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和服務(wù)安全管理，充分考慮林業(yè)資源管理者和信息查詢者的需求，設(shè)計(jì)出方便林業(yè)資源規(guī)劃決策者、管理者和林業(yè)信息查詢者操作的管理系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)將分為4個(gè)層次：(1)應(yīng)用服務(wù)層(包括森林資源空間數(shù)據(jù)、林地面積統(tǒng)計(jì)分析、服務(wù)管理門戶、其他)；(2)平臺(tái)服務(wù)層(包括應(yīng)用基礎(chǔ)服務(wù)和平臺(tái)服務(wù)支撐)；(3)數(shù)據(jù)資源服務(wù)層(包括數(shù)據(jù)資源處理和數(shù)據(jù)資源存儲(chǔ))；(4)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層(包括物力資源和虛擬資源)。

2.2 數(shù)據(jù)資源服務(wù)層分析

數(shù)據(jù)資源服務(wù)層負(fù)責(zé)林業(yè)資源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，方便用戶進(jìn)行高效快捷地享受數(shù)據(jù)資源服務(wù)。依托Openstack的數(shù)據(jù)分析模塊開發(fā)，其開發(fā)效率高、可移植性好，通過必要的多維數(shù)組和索引，將森林資源數(shù)據(jù)庫、荒漠資源數(shù)據(jù)庫、濕地資源數(shù)據(jù)庫、生物多樣性數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫等無縫接入，建立組合數(shù)組和分割數(shù)組，提供數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)可視化功能，有利于森林資源數(shù)據(jù)在云存儲(chǔ)部分和虛擬化部分的有效運(yùn)用。數(shù)據(jù)資源處理層可以基于林業(yè)資源海量數(shù)據(jù)和智能分析框架提供海量林業(yè)數(shù)據(jù)處理與分析能力。將分布式文件系統(tǒng)用于存儲(chǔ)與林業(yè)資源管理相關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫訪問器既可以是基于中間件，使用ADO對(duì)象以及ADO的附加組，也可以使用JDBC執(zhí)行SQL語句的Java API，此外，數(shù)據(jù)資源處理模塊還能實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)引擎和數(shù)據(jù)訪問服務(wù)功能，體現(xiàn)林業(yè)數(shù)據(jù)的“空間性”和“時(shí)間性”。

2.3 林業(yè)資源數(shù)據(jù)并行劃分策略

并行劃分策略是林業(yè)資源分布式存儲(chǔ)的前提條件。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)劃分的具體方法有：輪轉(zhuǎn)法、散列劃分法等，為進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)的可伸縮性和可用性，系統(tǒng)采用矢量數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)方式，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定、采集、表述和數(shù)字化的基礎(chǔ)上，基于格網(wǎng)輔助的STR-Tree索引生成劃分算法，采用格網(wǎng)劃分進(jìn)行預(yù)處理，目的是促進(jìn)各個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)最大并行化。劃分、索引和冗余備份是保證虛擬節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)設(shè)備負(fù)載均衡的關(guān)鍵，且要充分考慮數(shù)據(jù)大小、結(jié)構(gòu)、類型、語義，區(qū)分林業(yè)數(shù)據(jù)的水平方向和垂直方向，區(qū)分空間要素和屬性要素，既能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量均衡并行化的目的，又保持實(shí)體的空間聯(lián)系特征，以便于數(shù)據(jù)的錄入和后期數(shù)據(jù)的分類調(diào)出、量化顯示和智能分析。

3 基于Openstack平臺(tái)的智慧林業(yè)信息服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

Openstack作為智慧林業(yè)信息服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的底層框架，云存儲(chǔ)(Swift)和虛擬化(Nova)是其兩個(gè)非常重要的核心模塊。云存儲(chǔ)模塊使用普通的服務(wù)器來構(gòu)建可擴(kuò)展的分布式對(duì)象存儲(chǔ)集群，作為 IaaS 的存儲(chǔ)服務(wù)。虛擬化模塊將云端資源(大量服務(wù)器)以虛擬機(jī)的形式進(jìn)行切割，分配給用戶使用。整個(gè)框架中還有一個(gè)安全認(rèn)證系統(tǒng)keystone 模塊，提供對(duì)用戶的認(rèn)證功能。云應(yīng)用層和應(yīng)用該服務(wù)支撐層均采用主從式，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。界面展現(xiàn)部分 horizon 可以運(yùn)行在另一臺(tái)服務(wù)器上，也可以作為一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程運(yùn)行在某一臺(tái)服務(wù)器上。為了方便 Openstack的研究和二次開發(fā)，Openstack 官方為用戶提供了單機(jī)部署方案 ALL-IN-ONE，將管理節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)配置在一臺(tái)服務(wù)器上，可以提供多節(jié)點(diǎn)集群幾乎完全一樣的功能(核心代碼完全一致，僅在網(wǎng)絡(luò)和虛擬機(jī)遷移等配置上存在差別)。其一般多節(jié)點(diǎn)部署架構(gòu)如圖2所示：

省級(jí)智慧林業(yè)信息服務(wù)系統(tǒng)與各地市智慧林業(yè)信息服務(wù)系統(tǒng)可無縫對(duì)接，通過省級(jí)管理系統(tǒng)可直接進(jìn)入各地市管理系統(tǒng)，查詢林業(yè)資源的面積、蓄積、生物量、生長量、林地權(quán)屬、林木權(quán)屬、土地利用結(jié)構(gòu)、群落結(jié)構(gòu)、樹種結(jié)構(gòu)、齡組結(jié)構(gòu)、起源構(gòu)成、自然度、單位面積蓄積、平均生物量、平均生長率、平均郁閉度、平均樹高、平均胸徑、植被蓋度、枯枝落葉厚度、腐殖質(zhì)厚度等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)集林地、濕地、沙地、生物多樣性資源、碳匯資源、水源涵養(yǎng)、水土保持等資源為一體的“省級(jí)林業(yè)資源一張圖”。再以二類小班數(shù)據(jù)的層層瀏覽查詢定位功能，依托資源的原始調(diào)查與采集過程，提供地圖導(dǎo)航、遙感影像、數(shù)據(jù)查詢、基礎(chǔ)地理、用戶權(quán)限等服務(wù)。例如，從黑龍江省定位到綏化市，再選擇青岡縣，進(jìn)一步查詢到該縣的民政鎮(zhèn)，然后查詢到有利村，可以獲取更為詳細(xì)的森林資源信息，即可獲得小班的詳細(xì)信息，有效解決了“林業(yè)資源分布在哪里”這一問題，為森林資源、荒漠化/沙化與石漠化土地、濕地資源和生物多樣性資源的有效監(jiān)管提供支撐。

4 結(jié)語

本文基于Openstack平臺(tái)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了智慧林業(yè)信息服務(wù)系統(tǒng)服務(wù)框架，為林業(yè)管理者利用互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)進(jìn)行林業(yè)資源調(diào)查、監(jiān)測(cè)、規(guī)劃提供平臺(tái)支撐。林業(yè)規(guī)劃與管理部門要積極擁抱林業(yè)信息化管理服務(wù)平臺(tái)類型、模式和管理技術(shù)，促進(jìn)新技術(shù)和新應(yīng)用在林業(yè)管理工作中的應(yīng)用，為林業(yè)規(guī)劃監(jiān)測(cè)工作的智能化和信息化提供解決方案。