自然災(zāi)害與應(yīng)急管理信息平臺(tái)構(gòu)建過程中關(guān)鍵技術(shù)的運(yùn)用

舒 展 陳建偉 王樹春

（1.浙江墨煌信息科技有限公司，浙江 嘉興 314000；2.杭州今奧信息科技股份有限公司，浙江 杭州 310000；3.鄞州浙江清華長(zhǎng)三角研究院寧波創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315000）

0 引言

我國是世界上自然災(zāi)害受損最嚴(yán)重的國家之一，其中我國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，工程活動(dòng)頻繁，尤其是沿海地區(qū)，巖石風(fēng)化、降水量大、臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，地質(zhì)災(zāi)害防治問題需要重點(diǎn)關(guān)注。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害防治工作模式和技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前需要，因此，依托新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行科學(xué)、高效、直觀、智能的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)以及應(yīng)急指揮研究成為當(dāng)務(wù)之急。

該文分析了國內(nèi)外自然地質(zhì)災(zāi)害研究工作發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，研究了涉及互聯(lián)網(wǎng)+自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查與應(yīng)急管理協(xié)同云平臺(tái)構(gòu)建的大量舉證照片視頻數(shù)據(jù)包的快速解析入庫、大量作業(yè)終端及在線用戶的訪問平臺(tái)的可靠性和穩(wěn)定性、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)，從而為相關(guān)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查云平臺(tái)建設(shè)提供一定的指導(dǎo)與借鑒。互聯(lián)網(wǎng)+自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查與應(yīng)急管理協(xié)同云平臺(tái)構(gòu)建可以科學(xué)高效地評(píng)估災(zāi)害、降低防災(zāi)減災(zāi)成本，并為自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查提供快速高效的作業(yè)路線，降低成本提高產(chǎn)出，最大程度地為減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失發(fā)揮重要作用，保障人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全。

1 自然地質(zhì)災(zāi)害研究工作發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外研究概況

在20 世紀(jì)60 年代以前，針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的研究工作主要是重點(diǎn)調(diào)查分析災(zāi)害形成條件與地質(zhì)活動(dòng)過程[1]。到了20 世紀(jì)70 年代，地質(zhì)活動(dòng)加劇，地質(zhì)災(zāi)害損失增加，防災(zāi)減災(zāi)工作受到前所未有的重視，在一些發(fā)達(dá)國家，開始對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行評(píng)估預(yù)判。這期間，以美國為代表的一些國家開展了大量地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃分級(jí)研究工作。到了20 世紀(jì)80 年代，世界各國均意識(shí)到地質(zhì)災(zāi)害研究工作的重要性，紛紛加大對(duì)地質(zhì)災(zāi)害研究工作的投入。1965 年，WI.Garrison 提出了“地理信息系統(tǒng)”（GIS）的概念。從20世紀(jì)80 年代后期到90 年代，GIS 開始大量應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害研究工作。

近年來，基于GIS 系統(tǒng)，世界各國的專家們廣泛開展地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)管理與信息集成、地質(zhì)災(zāi)害分析與評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與防治決策、地質(zhì)災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)通信與成果發(fā)布等工作研究[2]。國外對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的研究工作主要集中在3 個(gè)方面：①使用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，多角度地研究地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理，同時(shí)對(duì)單體地質(zhì)災(zāi)害的特征、分類、成因、預(yù)測(cè)、防治等工作進(jìn)行深入研究；②依托“3S”技術(shù)（即遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)）對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行區(qū)域性監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)，并對(duì)其劃分等級(jí)，展開防治工作和土地利用規(guī)劃工作；③地質(zhì)災(zāi)害管理信息系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)取得了重大進(jìn)展。

1.2 國內(nèi)研究概況

20 世紀(jì)30 年代～20 世紀(jì)70 年代，我國的地質(zhì)災(zāi)害研究工作以地震災(zāi)害研究工作為主。20 世紀(jì)90 年代，我國開始全面開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作，主要圍繞滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、巖溶塌陷、土壤侵蝕、土地荒漠化和礦山災(zāi)害等。后來，我國研究者們對(duì)我國地質(zhì)災(zāi)害的類型、特征、分布、成災(zāi)條件以及發(fā)展規(guī)律展開了全面研究，提出了許多新的方法和理論，特別是定量化方法，如灰色系統(tǒng)模型、遺傳算法、元胞自動(dòng)機(jī)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。隨著對(duì)地質(zhì)災(zāi)害研究的深入，非線性分析模型被引入地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型等。同時(shí)，“3S”技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)采集、更新、查詢、分析和可視化等方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)[2]。

目前我國對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的研究主要體現(xiàn)在4 個(gè)方面：①基于大規(guī)模、全方位的調(diào)查研究，基本查清了我國地質(zhì)災(zāi)害的總體分布和發(fā)展規(guī)律，并對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)條件和演化機(jī)制有了清晰認(rèn)知。②在全國范圍內(nèi)開展“縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查”，逐步查清全國地質(zhì)災(zāi)害情況，并大力建設(shè)相應(yīng)的管理信息系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。③在地質(zhì)災(zāi)害分級(jí)評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)防治方面取得了巨大進(jìn)步，完成了對(duì)地質(zhì)災(zāi)害從定性向定量、從線性向非線性的研究和描述。④新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如大數(shù)據(jù)技術(shù)等在地質(zhì)災(zāi)害研究中得到了廣泛應(yīng)用和深入研究。

2 關(guān)鍵技術(shù)和解決關(guān)鍵技術(shù)的途徑

互聯(lián)網(wǎng)+自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查與應(yīng)急管理協(xié)同云平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱：互聯(lián)網(wǎng)+普查云平臺(tái)），涉及3 個(gè)關(guān)鍵問題：一是大量舉證照片視頻數(shù)據(jù)包的快速解析入庫，二是大量作業(yè)終端及在線用戶的訪問平臺(tái)的可靠性和穩(wěn)定性，三是海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問題。本次運(yùn)用消息隊(duì)列機(jī)制解決大量數(shù)據(jù)包的解析問題，通過對(duì)舉證數(shù)據(jù)的流量削峰，使平臺(tái)可以持續(xù)穩(wěn)定地處理解析任務(wù)；運(yùn)用緩存技術(shù)，解決高并發(fā)下的平臺(tái)響應(yīng)速度和保障服務(wù)的穩(wěn)定性；運(yùn)用分布式數(shù)據(jù)庫解決海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題。

2.1 使用消息隊(duì)列對(duì)提交的普查成果進(jìn)行流量削峰

互聯(lián)網(wǎng)+普查云平臺(tái)在每天 22:00 到 8:00 時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，每秒并發(fā)請(qǐng)求數(shù)量約 50 個(gè)，但是到 8:00～ 22:00 工作時(shí)間的高峰期某時(shí)段每秒并發(fā)請(qǐng)求數(shù)量突然會(huì)暴增到 3000條以上。如果平臺(tái)是直接基于Postgresql 發(fā)送請(qǐng)求，大量的請(qǐng)求涌入Postgresql，每秒鐘Postgresql 執(zhí)行約3 000 條SQL，而一般的 Postgresql 每秒處理約1 000 個(gè)請(qǐng)求，如果每秒請(qǐng)求數(shù)超標(biāo)，可能就直接鎖死Postgresql 導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，用戶無法正常使用系統(tǒng)。

經(jīng)過研究和試驗(yàn)，該平臺(tái)采用MQ 消息隊(duì)列處理機(jī)制可有效緩解本平臺(tái)壓力。消息隊(duì)列是一種異步的服務(wù)間通信方式，采用先進(jìn)先出原理，是分布式系統(tǒng)中重要的組件，主要解決應(yīng)用耦合、異步消息、流量削鋒等問題，實(shí)現(xiàn)高性能，可伸縮和最終一致性架構(gòu)，在一些大型電商平臺(tái)的下單和秒殺活動(dòng)中廣泛應(yīng)用消息隊(duì)列。該平臺(tái)使用消息隊(duì)列的應(yīng)用場(chǎng)景如圖1 所示：在高峰期間大量的用戶提交數(shù)據(jù)，每秒3000 個(gè)請(qǐng)求寫入MQ，而PostgreSql 每秒鐘最多處理1000 個(gè)請(qǐng)求，該平臺(tái)從MQ 中勻速獲取請(qǐng)求數(shù)據(jù)，每秒鐘最多獲取1000 個(gè)請(qǐng)求，不要超過自己每秒能處理的最大請(qǐng)求數(shù)量，這樣即使高峰期的時(shí)候，平臺(tái)也不會(huì)崩潰。

圖1 消息隊(duì)列工作過程

2.2 通過CDN 緩存解決大量靜態(tài)數(shù)據(jù)的訪問，降低主帶寬占用

目前國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)異常復(fù)雜，跨運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)訪問會(huì)很慢，很容易造成用戶體驗(yàn)差而導(dǎo)致客戶流失。為了解決跨運(yùn)營(yíng)商或各地用戶訪問問題，CDN 廠商在重要的城市部署CDN 服務(wù)器，使用戶就近快速獲取所需內(nèi)容，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高用戶訪問響應(yīng)速度和命中率。其工作原理是CDN將數(shù)據(jù)緩存到離用戶最近的位置，緩存靜態(tài)資源文件（頁面，腳本，圖片，視頻，文件等），用戶向源站域名發(fā)起請(qǐng)求時(shí)，請(qǐng)求會(huì)被調(diào)度至最接近用戶的服務(wù)節(jié)點(diǎn)，直接由服務(wù)節(jié)點(diǎn)直接快速響應(yīng)，有效降低用戶訪問延遲，提升可用性。

2.2.1 未部署CDN 應(yīng)用前

此時(shí)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求詳細(xì)路徑如圖2 所示。

圖2 未部署CDN 時(shí)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求路徑

請(qǐng)求：本機(jī)網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)）——》運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)——》應(yīng)用服務(wù)器機(jī)房

響應(yīng)：應(yīng)用服務(wù)器機(jī)房——》運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)——》本機(jī)網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)）

在不考慮復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的情況下，從請(qǐng)求到響應(yīng)需要經(jīng)過3 個(gè)節(jié)點(diǎn)，6 個(gè)步驟完成一次用戶訪問操作。

2.2.2 部署CDN 應(yīng)用后

當(dāng)部署CDN 后，網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求路徑如圖3 所示。

圖3 部署CDN 時(shí)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求路徑

請(qǐng)求：本機(jī)網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)）——》運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)

響應(yīng)：運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)——》本機(jī)網(wǎng)絡(luò)（局域網(wǎng)）

在不考慮復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的情況下，從請(qǐng)求到響應(yīng)需要經(jīng)過2 個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 個(gè)步驟完成一次用戶訪問操作。與不部署CDN服務(wù)相比，減少了1 個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 個(gè)步驟的訪問。極大地提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2.2.3 普查數(shù)據(jù)云+端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

大數(shù)據(jù)壓縮傳輸技術(shù)：該平臺(tái)作業(yè)人員在外業(yè)普查時(shí)，需要參考地圖影像數(shù)據(jù)和采集實(shí)地照片，由于地圖影像數(shù)據(jù)量比較大，一個(gè)縣的影像數(shù)據(jù)高達(dá)幾十G，傳統(tǒng)的模式對(duì)于下載大數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)已經(jīng)不能滿足需求，為此，需要采用大數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)對(duì)影像數(shù)據(jù)和照片進(jìn)行壓縮，影像數(shù)據(jù)壓縮后容量減小10 倍以上，照片由傳統(tǒng)的JPG 格式經(jīng)過壓縮后采用WebP 格式，容積減少40%。數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后用戶在下載地圖影像數(shù)據(jù)時(shí)傳輸速度得到大幅度提高，以及移動(dòng)端采集的照片經(jīng)過壓縮后減少了手機(jī)占用空間和加速了照片成果上傳的速度。

云存儲(chǔ)技術(shù)：由于手機(jī)端采集的照片和視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量巨大，傳統(tǒng)的服務(wù)器存儲(chǔ)已經(jīng)無法滿足需求，存在照片訪問速度慢、存儲(chǔ)成本高的問題。該平臺(tái)采用國內(nèi)主流的華為云或阿里云存儲(chǔ)，將普查的海量照片和視頻上傳至云存儲(chǔ)可解決上述問題，云存儲(chǔ)提供了海量、安全、高可靠、低成本的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，可以通過REST 接口或者Web 管理界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和使用。

端的數(shù)據(jù)處理技術(shù)：在普查數(shù)據(jù)采集過程中，可能會(huì)存在拍攝照片或視頻偽造的情況，為解決普查數(shù)據(jù)真實(shí)性的問題，在移動(dòng)端采集數(shù)據(jù)時(shí)生成綜合加密舉證包，上傳到互聯(lián)網(wǎng)+普查云平臺(tái)管理端，通過解密解包入庫后可在地圖上聯(lián)動(dòng)查看普查照片或視頻的五要素屬性，即照片的經(jīng)緯度、方位角、采集時(shí)間、采集設(shè)備、采集人員，管理員在審核照片時(shí)根據(jù)五要素進(jìn)行綜合評(píng)判確保普查數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2.2.4 海量數(shù)據(jù)管理及多級(jí)數(shù)據(jù)檢索

自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查數(shù)據(jù)量龐大，通過估算，省級(jí)數(shù)據(jù)量靜態(tài)數(shù)據(jù)量達(dá)到TB 級(jí)，地市級(jí)的靜態(tài)數(shù)據(jù)量達(dá)到百GB級(jí)。數(shù)據(jù)的快速檢索調(diào)用技術(shù)成為制約信息的共享和系統(tǒng)集成的主要因素，在基于ArcSDE 的高效空間索引技術(shù)和空間運(yùn)算算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步使用海量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)空間索引技術(shù)和智能化空間檢索技術(shù)。

面對(duì)如此巨大的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作時(shí)不可能將全庫數(shù)據(jù)同時(shí)裝載，而要根據(jù)工作區(qū)的變化進(jìn)行數(shù)據(jù)的裝載與釋放。為此要首先按行政區(qū)劃范圍進(jìn)行分塊，在各分塊里再建立格網(wǎng)索引，記錄各空間實(shí)體在整個(gè)區(qū)域中的位置；在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作時(shí)，根據(jù)空間位置索引與用戶工作區(qū)進(jìn)行匹配，確定裝載與釋放的圖幅。將圖形顯示中最頻繁使用的空間數(shù)據(jù)的索引數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存，可以提高空間數(shù)據(jù)的讀取效率。但一次性將空間索引數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存的方法并不是最佳的方法，它還要受比例尺和內(nèi)存容量的限制。中心點(diǎn)最遠(yuǎn)原則和空間相關(guān)最久未用原則是完成空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)裝載內(nèi)存的兩種策略。

通過海量空間數(shù)據(jù)快速檢索技術(shù)的應(yīng)用，有效地減少海量空間數(shù)據(jù)的調(diào)度次數(shù)，提高空間數(shù)據(jù)的管理效率和處理速度，可以有效解決普查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成應(yīng)用中由于數(shù)據(jù)量龐大造成調(diào)用速度降低的問題，能夠快速顯示感興趣的信息，滿足普查數(shù)據(jù)管理應(yīng)用的需要。

2.2.5 基于“大數(shù)據(jù)”的管理、分析技術(shù)

地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)類型和種類繁多，滿足大數(shù)據(jù)的條件，如果使用原始的方式進(jìn)行管理和分析，就會(huì)帶來很多問題。首先傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)已無法滿足海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，即便現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫有集群的概念，也無法滿足TB 級(jí)別數(shù)據(jù)的處理分析；其次傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)并沒有考慮數(shù)據(jù)的多類別，只能存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，顯然是不滿足當(dāng)前存儲(chǔ)需求的；再次無法高效地進(jìn)行實(shí)時(shí)性的技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害來說，實(shí)時(shí)性就顯得尤為重要，數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的價(jià)值，會(huì)隨著時(shí)間的流逝，價(jià)值會(huì)大大降低，所以當(dāng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生后，要盡可能快地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，充分挖掘數(shù)據(jù)的價(jià)值；最后隨著數(shù)據(jù)量的日益增多，會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)中心、運(yùn)維的挑戰(zhàn)。針對(duì)以上問題，有必要構(gòu)建大數(shù)據(jù)體系。

從數(shù)據(jù)處理分析的角度，采用MapReduce。mapreduce是hadoop 中一個(gè)批量計(jì)算的框架，在整個(gè)mapreduce 作業(yè)的過程中，包括從數(shù)據(jù)的輸入，數(shù)據(jù)的處理，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸入這些部分，而其中數(shù)據(jù)的處理部分就要map，reduce，combiner 等操作組成。

從存儲(chǔ)的角度，采用HDFS。HDFS 具有高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)用來部署在低廉的硬件上。而且它提供高吞吐量來訪問應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，適合具有超大數(shù)據(jù)集的應(yīng)用程序。HDFS 放寬了POSIX 的要求，這樣可以實(shí)現(xiàn)流的形式訪問文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。HDFS 采用了主從（Master/Slave）結(jié)構(gòu)模型，一個(gè)HDFS 集群是由一個(gè)NameNode 和若干個(gè)DataNode 組成的。其中NameNode 作為主服務(wù)器，管理文件系統(tǒng)的命名空間和客戶端對(duì)文件的訪問操作；集群中的DataNode 管理存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

互聯(lián)網(wǎng)+自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查與應(yīng)急管理協(xié)同云平臺(tái)充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，有效組織地質(zhì)災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，突破了時(shí)間、空間的限制，幫助工作人員有效且高效地開展地質(zhì)災(zāi)害防治工作，并為所有注冊(cè)用戶提供站立點(diǎn)一定范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、隱患點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的快速查詢，隨時(shí)隨地掌控地質(zhì)災(zāi)害信息的目標(biāo)。但是在平臺(tái)構(gòu)建過程中存在大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、終端人員同時(shí)在線上傳普查成果，存在大數(shù)據(jù)并發(fā)需求[3]。該文深入研究了涉及互聯(lián)網(wǎng)+自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查與應(yīng)急管理協(xié)同云平臺(tái)構(gòu)建的大量舉證照片視頻數(shù)據(jù)包的快速解析入庫、大量作業(yè)終端及在線用戶的訪問平臺(tái)的可靠性和穩(wěn)定性、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)，從而為相關(guān)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查云平臺(tái)建設(shè)提供一定的指導(dǎo)與借鑒。