基于云原生技術(shù)的多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺構(gòu)建

文｜北京超圖軟件股份有限公司，自然資源部國土空間大數(shù)據(jù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心平臺軟件研發(fā)分中心 屈曉波 李海瑞 謝明輝

自然資源部的組建整合了原來分散在八個部級單位的規(guī)劃職責，形成了統(tǒng)一的國土空間規(guī)劃體系，統(tǒng)一行使所有國土空間用途管制和生態(tài)保護修復職責，這意味著以國土空間用途管制為主要內(nèi)容的國

土空間規(guī)劃將成為新時代空間規(guī)劃體系的核心，多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺是支撐國土空間規(guī)劃體系構(gòu)建、“多規(guī)合一”工作推進、城市發(fā)展狀態(tài)動態(tài)認知的基礎(chǔ)信息平臺。

目前各地方已經(jīng)積累了一定的國土空間規(guī)劃信息化平臺建設(shè)經(jīng)驗，已基本建成了國土空間基礎(chǔ)信息平臺、城市規(guī)劃平臺、土地利用規(guī)劃平臺，正在開展國土空間規(guī)劃“一張圖”實施監(jiān)督信息系統(tǒng)開發(fā)工作，如何利用各地方已有建設(shè)基礎(chǔ)，更高效的搭建多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺，是當前值得思考的問題。

近年來云計算技術(shù)不斷的發(fā)展，經(jīng)歷了云使能、云就緒、云原生三個階段。云計算是一種基于信息網(wǎng)絡(luò)，將信息技術(shù)資源以服務方式動態(tài)、彈性提供，用戶可以按需使用的計算模式和服務模式，云原生技術(shù)能夠解決因應用系統(tǒng)復雜龐大引起的bug 修復困難、功能更新困難、因技術(shù)架構(gòu)多樣增加運維復雜度等問題，多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺規(guī)模龐大、功能復雜，云原生技術(shù)為搭建規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺提供了新的思路。

1 云原生關(guān)鍵技術(shù)介紹

為了解決傳統(tǒng)應用升級緩慢、架構(gòu)臃腫、不能快速迭代、故障不能快速定位、問題無法快速解決等問題，云原生這一概念橫空出世。云原生（Cloud-Native）概念最早是2015年P(guān)ivotal 的Matt Stine 首次提出，但很長一段時間業(yè)界對其定義都很模糊。2018年，CNCF 云原生基金會對云原生給出了具體定義：云原生技術(shù)有利于各組織在公有云、私有云和混合云等新型動態(tài)環(huán)境中，構(gòu)建和運行可彈性擴展的應用。云原生的代表技術(shù)包括容器、服務網(wǎng)格、微服務、不可變基礎(chǔ)設(shè)施和聲明式API。這些技術(shù)能夠構(gòu)建容錯性好、易于管理和便于觀察的松耦合系統(tǒng)。結(jié)合可靠的自動化手段，云原生技術(shù)使工程師能夠輕松地對系統(tǒng)作出頻繁和可預測的重大變更。

云原生區(qū)別于傳統(tǒng)云應用，具有敏捷、可靠、高彈性、易擴展、故障隔離保護、不中斷業(yè)務持續(xù)更新等優(yōu)勢特點。從宏觀概念上講，云原生是不同思想的集合，集目前各種熱門技術(shù)之大成，具體包括如下圖所示的幾個部分：

1.1 微服務

應用間通過RESTful API 進行通信，可以被獨立的部署、更新、scale 和重啟。并不是所有的應用都適合微服務化，也不是說將一個單體應用拆分的越細越好。談到微服務就不得不提到“十二因素法則”，如下圖所示：

1.2 DevOps

開發(fā)和運維之間保持流程連續(xù)的協(xié)作方法，目標是快速、頻繁且更可靠地構(gòu)建、測試和發(fā)布軟件。

1.3 持續(xù)交付

頻繁發(fā)布、快速交付、快速反饋、降低發(fā)布風險。

1.4 容器化

圖1 云原生組成部門

圖2 十二因素法則

微服務的最佳載體。容器化最大的好處是保持運行環(huán)境的一致性，只要應用可以打包成容器鏡像（我們通常使用Docker 容器），就可以一次編譯，到處運行。同時，容器也可以作為應用運行的最小組件來部署，且更適合作為無狀態(tài)應用的運行。結(jié)合容器編排工具（如Kubernetes）將大大增強系統(tǒng)的擴展性和自愈能力，輕松應對大流量下的高并發(fā)場景，加快業(yè)務的迭代速度，Kubernetes作為CNCF 成員的核心，本身就是與云原生應用的理念緊密結(jié)合的產(chǎn)物。

圖3 微服務部署到容器

圖4 容器化示意圖

2 云原生技術(shù)賦能平臺構(gòu)建

2.1 微服務架構(gòu)整合已有平臺成果

基于微服務的基本思想，整合國土空間基礎(chǔ)信息平臺、城市規(guī)劃平臺、土地利用規(guī)劃平臺、國土空間規(guī)劃“一張圖”實施監(jiān)督信息系統(tǒng)中相關(guān)業(yè)務應用組件創(chuàng)建多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺，平臺中超大規(guī)模數(shù)據(jù)融合管理、大場景三維可視化展示、規(guī)劃審查、規(guī)劃管控、城市發(fā)展動態(tài)認知這些應用可獨立地進行開發(fā)、管理和加速，使部署、管理和服務功能交付變得更加簡單。

2.2 可持續(xù)交付體系保障平臺持續(xù)升級

多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺要支撐多規(guī)數(shù)據(jù)融合、規(guī)劃編制、規(guī)劃監(jiān)督實施規(guī)劃業(yè)務全流程的業(yè)務應用體系，平臺應用面向用戶群體較大，支撐的業(yè)務范圍較廣，這就要求平臺具備持續(xù)在線提供服務的能力。可持續(xù)交付體系以持續(xù)交付的方式進行平臺版本的敏捷開發(fā)和不停服狀態(tài)下的更新，減少服務停止對用戶造成的困擾，迭代開發(fā)快速應對用戶的需求變化。

2.3 容器引擎技術(shù)提升平臺部署運維效率

多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺需在江蘇省、河南省、甘肅省、深圳、武漢等3省11 市部署并開展應用示范，各示范區(qū)的軟硬件環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、已建平臺情況、應用示范需求等部署條件需求差異很大，平臺的部署工作應針對每個示范單位提出個性化的部署方案，部署工作復雜多樣，Docker（容器引擎技術(shù)）給我們帶來新的思路，與傳統(tǒng)虛擬化不同的是，傳統(tǒng)虛擬化的虛擬機會完全與主機分離，而容器化與主機共享操作內(nèi)核，只會在操作系統(tǒng)層創(chuàng)建一個個容器。

平臺以容器的形式進行部署，無論是在Windows 還是Linux 系統(tǒng)中，不管什么樣的基礎(chǔ)設(shè)施，成為容器的軟件都可以正常運行，有效解決適應復雜多樣部署環(huán)境的問題，提升平臺部署效率。

3 多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺

3.1 平臺建設(shè)背景

為解決國土空間規(guī)劃體系中“多規(guī)合一”仍存在的突出問題，國家重點研發(fā)計劃設(shè)立了“城市多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項目，擬解決新型空間規(guī)劃體系建立的理論框架，多源(元)多模態(tài)數(shù)據(jù)精準獲取、智能處理與高精度融合，城鎮(zhèn)開發(fā)邊界和生態(tài)控制線的精細劃定，大數(shù)據(jù)支撐的城市發(fā)展狀態(tài)動態(tài)認知和綜合評估的方法等理論和技術(shù)難題。

圖5 多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺微服務架構(gòu)

多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺是“城市多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項目課題五“多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺研發(fā)與應用示范”的第四子課題的研究內(nèi)容。

3.2 平臺建設(shè)需求

平臺需要集成課題一至四的研究成果，基于自主可控的國產(chǎn) GIS 平臺和云原生技術(shù)，形成軟件研發(fā)成果，并對接國土空間基礎(chǔ)信息平臺，實現(xiàn)多規(guī)數(shù)據(jù)的融合管理、服務、動態(tài)挖掘與分析，支撐多層級國土空間規(guī)劃編制、實施、評估等業(yè)務應用，在江蘇省、河南省、甘肅省、深圳市、武漢市等3 省11 市開展多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺應用示范。

3.3 平臺技術(shù)框架

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是將計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源等物理資源進行整合，構(gòu)建超大規(guī)模數(shù)據(jù)管理與服務云基礎(chǔ)環(huán)境，形成可按需動態(tài)擴展的高性能計算環(huán)境、大容量存儲環(huán)境。

（2）技術(shù)中臺

技術(shù)中臺為國土空間規(guī)劃挖掘分析模型算法構(gòu)建和多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺構(gòu)建提供技術(shù)支撐。

（3）數(shù)據(jù)中臺

數(shù)據(jù)中臺主要為多源異構(gòu)國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)庫提供存儲建設(shè)以及數(shù)據(jù)處理管理提供支持。國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)庫分實體庫、指標庫和模型庫，其中實體庫包括現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)等。

（4）業(yè)務中臺

業(yè)務中臺通過與國土空間基礎(chǔ)信息平臺進行對接，提供基礎(chǔ)服務、專題服務、大數(shù)據(jù)服務、應用支撐等基礎(chǔ)支撐功能，支撐多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺提供規(guī)劃審查、三線劃定、雙評價、城市發(fā)展狀態(tài)動態(tài)認知等業(yè)務功能構(gòu)建。

（5）應用層

應用層通過多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺提供的規(guī)劃審查、三線劃定、雙評價、城市發(fā)展狀態(tài)動態(tài)認知等業(yè)務功能，實現(xiàn)高精度全域數(shù)字化規(guī)劃庫應用、城市發(fā)展狀態(tài)的大場景集成展示應用、生態(tài)控制紅線/基本農(nóng)田保護紅線/城市開發(fā)邊界精準管控及城市發(fā)展狀態(tài)動態(tài)認知應用。

圖6 多規(guī)空間數(shù)據(jù)融合管理界面

圖7 大場景三維可視化展示界面

圖8 規(guī)劃管控界面

圖9 城市動態(tài)認知界面

（6）平臺接入層

平臺接入層是圍繞自然資源領(lǐng)域不同角色的應用需求，基于多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺，展開不同的應用。

3.4 多規(guī)空間數(shù)據(jù)融合管理

多規(guī)數(shù)據(jù)包括土地利用規(guī)劃、城市規(guī)劃等各種規(guī)劃數(shù)據(jù)，涵蓋文件型數(shù)據(jù)、關(guān)系型數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、服務型數(shù)據(jù)以及城市動態(tài)感知等多種類型的數(shù)據(jù)，在平臺中，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行匯聚、清洗、轉(zhuǎn)換、入庫與融合，從而滿足對多源空間規(guī)劃異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合管理需求。

3.5 大場景三維可視化展示

平臺基于大數(shù)據(jù)GIS 技術(shù)、新一代三維GIS 技術(shù)實現(xiàn)對大規(guī)模的國土空間規(guī)劃業(yè)務應用場景數(shù)據(jù)的二三維一體化展示，實現(xiàn)二維與三維多規(guī)數(shù)據(jù)的無縫融合、高性能加載與顯示。

3.6 規(guī)劃管控

平臺提供輔助三條紅線管控（生態(tài)保護紅線、永久基本農(nóng)田和城市開發(fā)邊界）及雙評價的功能，為國土空間規(guī)劃的編制、劃定以及提供參考。

3.7 城市動態(tài)認知

平臺基于可獲取的物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，評估城市發(fā)展狀態(tài)，對城市發(fā)展趨勢進行評估預警，為國土空間規(guī)劃的編制提供參考。

4 平臺應用示范

充分利用江蘇省、河南省、甘肅省、深圳、武漢等3 省11 市現(xiàn)有的部署環(huán)境，將平臺部署在3 省11 市應用示范區(qū)并開展應用示范，利用示范區(qū)已有的傾斜攝影模型數(shù)據(jù)、BIM 數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)開展多規(guī)數(shù)據(jù)融合、大場景三維?？梢暬?、規(guī)劃管控及城市動態(tài)感知應示范，經(jīng)用戶反饋示范效果良好。

云原生技術(shù)憑借其“彈性+分布式“的優(yōu)勢，構(gòu)建的多規(guī)數(shù)據(jù)融合與動態(tài)認知平臺原生具有云的彈性和靈活性，實現(xiàn)了各示范區(qū)原有平臺功能的平滑遷移，提高了平臺重復迭代的效率，降低了平臺部署的難度，滿足了各示范區(qū)應用示范的需求。