基于云技術(shù)的地理信息公共服務(wù)平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李遠(yuǎn)志

（湖南省第一測繪院，湖南 長沙 410114）

0 引言

地理信息是地理數(shù)據(jù)蘊(yùn)含和表達(dá)的地理含義，是一種基礎(chǔ)性、大眾性的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)資源；地理信息能為城市發(fā)展、防災(zāi)減災(zāi)、交通運(yùn)輸、環(huán)境治理等方面的工作提供數(shù)據(jù)基準(zhǔn)與支撐服務(wù)。因此應(yīng)用地理信息實(shí)現(xiàn)公共服務(wù)是基礎(chǔ)測繪成果應(yīng)用的一種重要形式，也是新形勢下測繪地理信息服務(wù)能力轉(zhuǎn)型升級的具體表現(xiàn)。

隨著國家近年來大力推進(jìn)數(shù)字城市、天地圖、智慧城市等項(xiàng)目的建設(shè)，采用“分級建設(shè)、層層聚合”模式的各級地理信息公共服務(wù)平臺已經(jīng)初步建成。其中，縣級平臺作為基礎(chǔ)平臺，對數(shù)據(jù)資源的現(xiàn)勢性、系統(tǒng)建設(shè)和數(shù)據(jù)使用有著較高的要求。但當(dāng)下依舊存在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取困難、專題數(shù)據(jù)共享程度低、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新能力不足、傳統(tǒng)GIS 應(yīng)用方式難于推廣等問題。

針對上述問題，本文在遵循數(shù)字城市地理空間框架相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了地理信息公共服務(wù)平臺，旨在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一生產(chǎn)與管理、各部門開放地理信息專題數(shù)據(jù)的統(tǒng)一生產(chǎn)與管理，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一權(quán)威平臺的構(gòu)建與應(yīng)用等目標(biāo)。建立一個統(tǒng)一開放的時空信息云平臺和地理信息資源共享服務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)向政府、企業(yè)和公眾提供公共地理信息資源的功能，構(gòu)建一個為政府部門和社會公眾提供決策服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、計(jì)算服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)的地理信息服務(wù)平臺。

1 平臺整體設(shè)計(jì)

在落實(shí)國家信息安全等級保護(hù)制度的基礎(chǔ)上，遵循數(shù)字城市地理空間框架相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足智慧城市時空信息云平臺建設(shè)要求，充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)成果和相關(guān)技術(shù)進(jìn)行地理信息公共服務(wù)平臺建設(shè)。平臺總體架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、窗口服務(wù)層組成，旨在實(shí)現(xiàn)時空信息數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)共享，為各智慧應(yīng)用提供地理信息資源接入，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層是以私有云結(jié)合硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，建立處理器、存儲、網(wǎng)絡(luò)多種資源池；用戶可在不增加服務(wù)器、軟件等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的前提下，根據(jù)自身需求調(diào)配相關(guān)的計(jì)算資源；用戶除了不能控制最底層的基礎(chǔ)設(shè)備外，可根據(jù)需要調(diào)控操作系統(tǒng)、儲存裝置、已部署的應(yīng)用系統(tǒng)。此外還可以在云基礎(chǔ)設(shè)施的輔助下實(shí)現(xiàn)資源池的動態(tài)分配，并將應(yīng)用系統(tǒng)部署到云端實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)維。

平臺數(shù)據(jù)服務(wù)層依托云平臺，實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的組織管理、服務(wù)接口管理、二次開發(fā)、資源展示、云端資源池管理、運(yùn)維管理和安全管理。整體上由數(shù)據(jù)層、管理層、服務(wù)接口層構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)層由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、公共地理框架數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)、其他支撐數(shù)據(jù)構(gòu)成；管理層由數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、云服務(wù)管理系統(tǒng)、資源展示系統(tǒng)、自動搭建系統(tǒng)、云支撐管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)等構(gòu)成；服務(wù)接口層由數(shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)、API 二次開發(fā)接口等構(gòu)成。

窗口服務(wù)層是以網(wǎng)絡(luò)提供軟件的模式，將所有服務(wù)都托管在云端。各種智慧應(yīng)用通過云平臺獲取地理信息數(shù)據(jù)，為天地圖、三維招商地理信息系統(tǒng)、一張圖、公共信息平臺、山洪災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)、不動產(chǎn)管理信息系統(tǒng)等智慧應(yīng)用提供地理信息資源服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分布式數(shù)據(jù)引擎技術(shù)

面對海量的地理信息數(shù)據(jù)，若要在高并發(fā)下確保數(shù)據(jù)訪問性能，需要借助分布式數(shù)據(jù)存儲引擎來支撐數(shù)據(jù)的高性能管理與訪問。針對不同數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及平臺對數(shù)據(jù)訪問、管理和服務(wù)的要求，采用不同的分布式數(shù)據(jù)引擎技術(shù)，充分挖掘地理大數(shù)據(jù)存儲與訪問性能優(yōu)勢，滿足地理大數(shù)據(jù)高并發(fā)、大數(shù)據(jù)量下的實(shí)時性要求，輔助實(shí)現(xiàn)地理大數(shù)據(jù)的分析與挖掘。

2.2 微服務(wù)地理信息服務(wù)技術(shù)

傳統(tǒng)的單體應(yīng)用架構(gòu)是將所有功能都部署在同一個進(jìn)程中，將其視為一個部署單元進(jìn)行部署。在數(shù)據(jù)量高爆發(fā)期間，傳統(tǒng)模式便面臨著擴(kuò)展部署的問題。面對海量的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)資源池，單體應(yīng)用架構(gòu)無法滿足應(yīng)用需求，而微服務(wù)架構(gòu)是將應(yīng)用封裝為多個服務(wù)，服務(wù)按進(jìn)程進(jìn)行隔離?；谖⒎?wù)“獨(dú)立部署、橫向伸縮”的特點(diǎn)，將所有服務(wù)封裝為一個微服務(wù)，同時將所需的服務(wù)封裝為單獨(dú)的微服務(wù)，這樣可以方便各服務(wù)的擴(kuò)展，提升服務(wù)性能和響應(yīng)能力。

2.3 GIS 集群服務(wù)動態(tài)調(diào)度技術(shù)

采用彈性資源分配的方式動態(tài)調(diào)度GIS 服務(wù)器集群。用戶發(fā)布需求時，GIS 服務(wù)集群是將多個GIS 服務(wù)器組成群組接收需求指令。為保證群組能夠發(fā)揮高穩(wěn)定、高靈活的服務(wù)器結(jié)構(gòu)性能，需要由集群的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)配。而GIS集群彈性資源分配則是在保障GIS 服務(wù)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的集約化利用。當(dāng)外部用戶并發(fā)訪問數(shù)量增加、GIS服務(wù)能力下降時，系統(tǒng)動態(tài)分配GIS 節(jié)點(diǎn)加入GIS 集群站點(diǎn)；當(dāng)并發(fā)訪問數(shù)量下降時，系統(tǒng)則將閑置的GIS 節(jié)點(diǎn)收回，實(shí)現(xiàn)GIS 節(jié)點(diǎn)的彈性資源分配。通過GIS 集群彈性資源分配提高GIS 服務(wù)整體性能，增強(qiáng)GIS 服務(wù)可靠性，提高GIS服務(wù)可擴(kuò)展性，降低GIS 服務(wù)成本。

2.4 免插件新型三維技術(shù)

基于WebGL 的新型三維技術(shù)打破了三維數(shù)據(jù)的瀏覽和運(yùn)算瓶頸，通過三維數(shù)據(jù)切片，用戶可以在免插件的瀏覽器上流暢地運(yùn)行三維數(shù)據(jù)。同時，該項(xiàng)技術(shù)支持細(xì)粒度的三維模型，支持工業(yè)級別的BIM 模型。

2.5 地理大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

由于地理信息數(shù)據(jù)具有體量大、種類多等特點(diǎn)，是名副其實(shí)的地理大數(shù)據(jù)，這些大數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵著豐富的知識，需要基于地理大數(shù)據(jù)分析的方法模型庫，采用地理大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)地理大數(shù)據(jù)的在線可視化分析挖掘。

3 地理信息公共服務(wù)平臺系統(tǒng)架構(gòu)

地理信息公共服務(wù)平臺將按照《智慧城市時空信息云平臺建設(shè)技術(shù)大綱》的要求建設(shè)，其主要建設(shè)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、云服務(wù)管理系統(tǒng)、資源展示系統(tǒng)、自動搭建系統(tǒng)、云支撐管理系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)的建設(shè)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)平臺時空信息數(shù)據(jù)管理和物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)管理，為平臺時空信息數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)的質(zhì)量提供保證。該系統(tǒng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)地址數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。其中，時空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對時空信息數(shù)據(jù)（包括矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、新型產(chǎn)品數(shù)據(jù)等）全要素全時段全方位的時空管理，如圖3所示；物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)地址數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)時感知數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)元數(shù)據(jù)的管理。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖3 時空數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面

圖4 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)界面

3.2 云服務(wù)管理系統(tǒng)

云服務(wù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對時空信息數(shù)據(jù)服務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)地址數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)布、查詢、申請、獲取、審核、監(jiān)控與二次開發(fā)服務(wù)。云服務(wù)管理系統(tǒng)包括門戶網(wǎng)站、云服務(wù)系統(tǒng)和開放平臺。

門戶網(wǎng)站提供平臺電子地圖的入口、信息動態(tài)、熱點(diǎn)服務(wù)、最新服務(wù)、典型應(yīng)用、用戶指南等常用功能。云服務(wù)系統(tǒng)采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA）設(shè)計(jì)理念，以服務(wù)的方式對外提供地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)以及其他服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用的分離以及云資源池的共享。云服務(wù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時空信息數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)布、審核、分析、監(jiān)控功能。開放平臺為用戶提供時空信息數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)服務(wù)資源、二次開發(fā)接口，以為用戶提供所需的時空信息數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)，并滿足這些服務(wù)二次開發(fā)的需要，具體界面如圖5、圖6所示。

圖5 云服務(wù)系統(tǒng)界面

圖6 資源展示系統(tǒng)界面

3.3 資源展示系統(tǒng)

資源展示系統(tǒng)以直觀的電子地圖形式，實(shí)現(xiàn)平臺時空信息數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)信息數(shù)據(jù)服務(wù)的接入與展示。該系統(tǒng)主要提供時空數(shù)據(jù)瀏覽、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)瀏覽、空間查詢、屬性查詢與空間分析等功能。

3.4 自動搭建系統(tǒng)

通過自動搭建系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)按需自動搭建地理信息應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源池、功能資源池、界面資源池的創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)配置與管理、功能配置與管理、界面配置與管理，從而實(shí)現(xiàn)云端應(yīng)用管理集中化；實(shí)現(xiàn)從服務(wù)對接發(fā)展到知識引擎、按需服務(wù)，具體界面如圖7所示。

圖7 自動搭建系統(tǒng)界面

3.5 云支撐管理系統(tǒng)

云支撐管理系統(tǒng)支撐環(huán)境的創(chuàng)建通過構(gòu)建虛擬云計(jì)算中心的方式來實(shí)現(xiàn)。具體包括硬件資源管理系統(tǒng)和Web 系統(tǒng)管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對平臺物理服務(wù)器、虛擬化服務(wù)器CPU、內(nèi)存、存儲、網(wǎng)格的動態(tài)管理。其中，硬件資源管理系統(tǒng)用于對基礎(chǔ)設(shè)施層進(jìn)行管理，即對構(gòu)建平臺的私有云環(huán)境進(jìn)行管理；Web 系統(tǒng)管理系統(tǒng)用于對構(gòu)建平臺的Web 服務(wù)器、Web 容器進(jìn)行管理，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的在線自動化部署，具體界面如圖8所示。

圖8 服務(wù)器集群管理界面

3.6 安全管理系統(tǒng)

安全管理系統(tǒng)旨在整合實(shí)現(xiàn)平臺統(tǒng)一的安全管理，該系統(tǒng)包括平臺單點(diǎn)登錄子系統(tǒng)、權(quán)限托管子系統(tǒng)、日志管理子系統(tǒng)。

其中單點(diǎn)登錄用戶只需登錄一次，多后臺應(yīng)用系統(tǒng)的訪問可通過單點(diǎn)登錄系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)會記住首次登錄的用戶名和密碼。權(quán)限托管子系統(tǒng)包括部門管理、用戶管理、系統(tǒng)管理、模塊管理、角色權(quán)限管理五大模塊，旨在實(shí)現(xiàn)平臺統(tǒng)一的部門信息管理、用戶信息管理、平臺注冊所有的系統(tǒng)信息管理、各系統(tǒng)模塊信息管理，以及角色權(quán)限信息管理。

日志管理系統(tǒng)包括日志查詢、日志統(tǒng)計(jì)、日志分析三大模塊，旨在實(shí)現(xiàn)平臺統(tǒng)一的日志信息管理，具體界面如圖9所示。

圖9 Web 在線自動化部署界面

4 結(jié)論

本文提出的地理信息公共服務(wù)平臺是地理信息公共服務(wù)中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、數(shù)據(jù)資源整合、服務(wù)交換共享、行業(yè)應(yīng)用推廣等的一個總結(jié)性成果。本系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)揮基礎(chǔ)測繪、地理信息服務(wù)功能，通過平臺對基礎(chǔ)地理信息進(jìn)行權(quán)威、標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的發(fā)布，并允許平臺進(jìn)行專題信息加載和二次功能開發(fā)，避免維護(hù)公共地理框架基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)所需的高昂成本，避免政府各部門各自為政、重復(fù)建設(shè)和財(cái)政資金浪費(fèi)的現(xiàn)象，具有良好的應(yīng)用推廣前景。