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      貴州省生態(tài)保護紅線云GIS監(jiān)管平臺研究與實現(xiàn)

      2018-04-13 06:36:32黃登紅周忠發(fā)王歷張紹云
      現(xiàn)代電子技術(shù) 2018年8期
      關(guān)鍵詞:空間數(shù)據(jù)

      黃登紅 周忠發(fā) 王歷 張紹云

      摘 要: 為了推進管控貴州省生態(tài)保護紅線的信息化,采用VMware部署私有云環(huán)境,以O(shè)racle和ArcSDE建立生態(tài)保護紅線空間數(shù)據(jù)庫,基于REST服務(wù),B/S與C/S混合開發(fā)構(gòu)建表現(xiàn)層,支持?jǐn)?shù)據(jù)二維和三維顯示、查詢、在線編輯、地理處理、打印等功能,解決省級生態(tài)保護紅線空間數(shù)據(jù)的分布式存儲、規(guī)范化管理、快速發(fā)布及拓展應(yīng)用等問題。設(shè)計方案適合開發(fā)周期短、低硬件配置的私有云環(huán)境,有效降低建設(shè)生態(tài)保護紅線空間數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺的開發(fā)和維護成本。建立生態(tài)保護紅線云GIS監(jiān)管平臺,將資源開發(fā)利用、生態(tài)保護等領(lǐng)域信息數(shù)據(jù)進行高效整合和服務(wù)共享,為優(yōu)化國土空間開發(fā)格局、推動生態(tài)文明建設(shè)提供技術(shù)支持。

      關(guān)鍵詞: 喀斯特地區(qū); 生態(tài)保護紅線; 空間數(shù)據(jù); 云GIS; VMware; Oracle; ArcSDE

      中圖分類號: TN911?34; K903 文獻標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2018)08?0087?05

      Abstract: To promote the informatization of the ecological protection redline management and control in Guizhou province, the VMware is used to deploy the private cloud environment, the Oracle and ArcSDE are used to build the ecological protection redline spatial database, and the mixed development of B/S and C/S is conducted to construct the presentation layer on the basis of REST service, so as to support 2D and 3D data display, query, online editing, geographic processing, printing and other functions, and solve the problems like distributed storage, standard management, quick release and application extending of provincial ecological protection redline spatial data. The design scheme is suitable for the private cloud environment with short development period and low hardware configuration, which can effectively reduce the development and maintenance cost of building the ecological protection redline spatial data monitoring platform. The ecological protection redline cloud GIS monitoring platform is established to make efficient integration and service sharing of information data in fields like resource development utilization and ecological protection, providing technical support for optimizing the pattern of land spatial development and promoting the construction of ecological civilization.

      Keywords: Karst area; ecological protection redline; spatial data; cloud GIS; VMware; Oracle; ArcSDE

      0 引 言

      隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展,保護生態(tài)環(huán)境與加快發(fā)展的雙重壓力日趨加劇,資源枯竭和生態(tài)危機,已然成為發(fā)展的瓶頸[1],國土空間開發(fā)格局與資源環(huán)境承載能力不相匹配問題日益凸顯?!笆藢谩比腥珪ㄟ^的《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問題的決定》第一次提出劃定生態(tài)保護紅線,劃定生態(tài)保護紅線的部署是科學(xué)整合各類保護區(qū)域、強化各類保護和管理手段,是扭轉(zhuǎn)生態(tài)環(huán)境惡化趨勢,促進經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展的必然選擇[2?3]。內(nèi)蒙古、蘇、贛、湘、桂、川等省相繼初步完成了試點省域生態(tài)保護紅線劃定,滇、閩、滬等省相繼建立生態(tài)保護紅線數(shù)據(jù)庫,為省域生態(tài)保護紅線劃定做了有益探索和實踐。

      貴州省是中國石漠化面積最大、等級最齊、程度最深、危害最重的省份,石漠化問題是喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點和難點[4?6],引起了國家和地方的高度重視。隨著GIS的廣泛應(yīng)用與不斷深入發(fā)展,其處理和分析復(fù)雜空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢日益凸顯[7],當(dāng)前云計算技術(shù)和大數(shù)據(jù)快速發(fā)展,云GIS將云計算的建模、存儲、處理等特征用于支撐地理空間信息的各要素,以高效率、低成本的使用地理信息資源分布共享[8?12],云GIS技術(shù)正應(yīng)用到各個行業(yè)領(lǐng)域[13?14]。不同GIS業(yè)務(wù)系統(tǒng)類型存在建設(shè)周期長、開發(fā)成本高、維護困難等問題,通過分析劃定生態(tài)紅線業(yè)務(wù)部門的建設(shè)需要,以云計算、大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合智能云架構(gòu)下的ArcGIS Server開發(fā)技術(shù),建立貴州省生態(tài)保護紅線云GIS監(jiān)管平臺,實現(xiàn)生態(tài)保護紅線數(shù)據(jù)處理、查詢統(tǒng)計、空間分析、安全管理等功能,探討生態(tài)環(huán)境保護決策及管理的技術(shù)研究。

      1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

      生態(tài)保護紅線數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、生態(tài)紅線專題數(shù)據(jù)等矢量數(shù)據(jù);柵格影像數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)的Landsat TM/ETM/OLI和SRTM DEM(90 m)、ASTER GDEM V2(30 m)數(shù)據(jù),購買后經(jīng)過遙感預(yù)處理的ALOS(2.5 m)融合影像,其他區(qū)域如石漠化綜合治理示范區(qū)采用Pleiades影像(0.5 m)、SPOT6影像(1.5 m),地圖底圖采用天地圖影像地圖、矢量地圖。生態(tài)保護紅線按省級尺度1∶25萬空間比例尺,為縣(市、區(qū))一級生態(tài)紅線劃定明確方向,數(shù)據(jù)類別包括名錄、面積、位置、各級保護區(qū)邊界及相關(guān)規(guī)劃的研究成果。劃定生態(tài)保護紅線由禁止開發(fā)區(qū)域、5 000畝以上耕地大壩、重要生態(tài)公益林和石漠化敏感區(qū)四部分組成,數(shù)據(jù)涵蓋林公園類、國家重要濕地類、國家濕地公園類、千人以上集中式飲用水源保護區(qū)類、水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)類、五千畝以上耕地大壩永久基本農(nóng)田類、重要生態(tài)公益林類、石漠化敏感區(qū)類等12類保護區(qū)域,25類子保護區(qū)域。

      生態(tài)保護紅線云GIS監(jiān)管平臺的主要目標(biāo)是建立統(tǒng)一、穩(wěn)定可靠、可擴展、兼容性強的云GIS平臺,基于云計算和面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu),綜合應(yīng)用“3S”技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等,設(shè)計使數(shù)據(jù)庫能夠適應(yīng) C/S 和 B/S 混合應(yīng)用模式的應(yīng)用系統(tǒng)使用,實現(xiàn)生態(tài)保護紅線的信息化管理、共享和應(yīng)用。

      生態(tài)保護紅線云GIS平臺采用 SOA 多層架構(gòu)設(shè)計,整個平臺包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)平臺層、應(yīng)用層四個層次。

      基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、大容量磁盤陣列存儲、主機、Linux操作系統(tǒng)、GIS功能支持軟件ArcGIS、虛擬平臺軟件VMware vSphere、Oracle數(shù)據(jù)庫等硬件、軟件環(huán)境;數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、生態(tài)保護紅線專題數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資源,用戶通過注冊服務(wù)后可使用云GIS監(jiān)管平臺內(nèi)的遙感影像、矢量數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等服務(wù),進行地理處理、空間分析等操作就可得到需要的結(jié)果;服務(wù)層支撐著應(yīng)用層地理信息應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)接口服務(wù)、定制服務(wù)等功能,包括地理空間數(shù)據(jù)集成發(fā)布的空間數(shù)據(jù)服務(wù)及功能擴展服務(wù)等;服務(wù)層發(fā)布矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、空間分析等服務(wù)。應(yīng)用層包括個性化地理信息定制服務(wù)應(yīng)用、生態(tài)保護紅線管控、公眾服務(wù)、提取地圖資源等功能。

      2 云GIS監(jiān)管平臺實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

      2.1 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

      在云GIS監(jiān)管平臺中,虛擬化是云GIS監(jiān)管平臺的基礎(chǔ),實驗采用VMware Workstation11構(gòu)建基礎(chǔ)云平臺管理,VMware vSphere通過虛擬化橫向擴展和縱向擴展應(yīng)用,vCenter Server充當(dāng)連接到網(wǎng)絡(luò)的ESXi主機的中心管理員,vCenter Server將多個ESXi主機加入池中并管理這些資源。存儲采用大規(guī)模分布式存儲系統(tǒng),在VMware虛擬化平臺克隆一個完整配置作為namenode,然后克隆至少三臺機器作為datanode,設(shè)置好各臺機器IP,通過VMware做一個外網(wǎng)映射,局域內(nèi)的其他機器也可以訪問。安裝Hadoop?Eclipse?plugin,將整個集群中的存儲資源虛擬化,完成基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)層的監(jiān)控和管理。然后需要安裝配置GIS Tools for Hadoop工具,實現(xiàn)向HDFS存儲和讀取數(shù)據(jù)。配置GIS操作系統(tǒng)使用Linux操作系統(tǒng)的CentOS 6.5版本,均部署在虛擬主機云平臺中。在此基礎(chǔ)上成功搭建基于VMware vSphere虛擬平臺和Hadoop架構(gòu)的云GIS平臺基礎(chǔ)環(huán)境。

      2.2 彈性GIS服務(wù)

      省域尺度的地理空間信息數(shù)據(jù)量和統(tǒng)計分析運算量巨大,傳統(tǒng)模式難以滿足統(tǒng)計分析和快速應(yīng)用服務(wù)要求,將多臺服務(wù)器實體虛擬化后,構(gòu)成一個GIS資源池,專門為云GIS站點的創(chuàng)建、運行提供基礎(chǔ)設(shè)施資源,實現(xiàn)共同計算、共享資源。ArcGIS Server支持原生的REST服務(wù),生態(tài)保護紅線云GIS監(jiān)管平臺以HTTP向ArcGIS Server觸發(fā)請求,ArcGIS Server處理請求并返回響應(yīng)到客戶端,平臺的集群部署方式使GIS Server節(jié)點相互平等,云GIS管理套件自動檢測云GIS主機使用載荷,當(dāng)某臺云GIS主機的使用率過高,系統(tǒng)會快速啟動備用云GIS主機,某個GIS Server節(jié)點意外宕機不會導(dǎo)致服務(wù)崩潰。這種彈性 GIS 資源動態(tài)調(diào)整模式實時監(jiān)控當(dāng)前地圖服務(wù)所在集群中關(guān)聯(lián)的虛擬機節(jié)點運行負荷,自動添加或刪除該集群中CPU超載或CPU閑置的虛擬機節(jié)點,通過GIS資源池組來實現(xiàn)云GIS環(huán)境中的多租戶隔離,降低了云GIS平臺的運行風(fēng)險。

      2.3 多源空間數(shù)據(jù)服務(wù)

      生態(tài)保護紅線須落實到具體的國土空間上,數(shù)據(jù)存在空間交叉重疊、布局不夠合理、缺乏明確細化的紅線范圍等特征直接影響到應(yīng)用分析和決策的準(zhǔn)確性,導(dǎo)致難以實施生態(tài)保護的嚴(yán)格管控。貴州省生態(tài)保護紅線數(shù)據(jù)具有多源性、多尺度、多平臺和多格式等特點,在數(shù)據(jù)庫整合中存在數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)投影轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)等問題?;诜旨壻|(zhì)量管理、統(tǒng)一規(guī)范、全過程質(zhì)量控制等原則,進行數(shù)據(jù)入庫前整理、數(shù)據(jù)派生提取、屬性結(jié)構(gòu)調(diào)整、地理要素對象化處理、元數(shù)據(jù)處理、規(guī)則格網(wǎng)生成等措施和方法以確保數(shù)據(jù)成果的完整性、正確性和權(quán)威性。

      省域尺度生態(tài)保護紅線大規(guī)模數(shù)據(jù)類型復(fù)雜且數(shù)據(jù)量大,云存儲架構(gòu)是現(xiàn)在主流的性價比較好的存儲模式,可滿足高性能計算和數(shù)據(jù)處理,空間分析服務(wù)、圖形顯示輔助服務(wù)、空間數(shù)據(jù)服務(wù)以及多種綜合應(yīng)用平臺的存儲需求?;谠拼鎯軜?gòu),將省域地形地貌、遙感影像、地表三維模型、植被指數(shù)、生態(tài)保護紅線要素、專題應(yīng)用數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等都集中存儲于空間數(shù)據(jù)庫中,實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的完全整合與一體化管理,并有利于數(shù)據(jù)共享、方便數(shù)據(jù)的維護,確保數(shù)據(jù)的安全和統(tǒng)一管理??臻g數(shù)據(jù)存儲于Oracle Spatial,根據(jù)各類數(shù)據(jù)的分層、相關(guān)屬性結(jié)構(gòu)、分析應(yīng)用需要等確定邏輯數(shù)據(jù)組織與表達模型,數(shù)據(jù)操作針對邏輯數(shù)據(jù)組織模型來進行,而不是直接操作物理對象,使得生態(tài)保護紅線云GIS監(jiān)管平臺訪問數(shù)據(jù)的交互性方面提供了高度的靈活性,具有開放性強、易維護等優(yōu)點。

      3 云GIS監(jiān)管平臺實現(xiàn)

      C/S與B/S各存在技術(shù)缺點,C/S架構(gòu)開發(fā)成本高、客戶端程序設(shè)計復(fù)雜、移植困難、軟件維護升級困難,B/S架構(gòu)系統(tǒng)擴展能力差、安全性難以控制、系統(tǒng)響應(yīng)速度低于C/S架構(gòu)。貴州省生態(tài)保護紅線云GIS監(jiān)管平臺面向服務(wù)架構(gòu),以WebService技術(shù)封裝各類信息及功能的服務(wù)接口進行通信,采用靈活的B/S與C/S混合開發(fā)模式。如圖2所示,平臺包括電子地圖、專題應(yīng)用、地圖資源、定制服務(wù)、數(shù)據(jù)維護等功能,用戶可對生態(tài)保護紅線數(shù)據(jù)進行基本查詢、空間分析等功能,同時根據(jù)平臺提供的服務(wù)和接口定制專業(yè)的復(fù)雜的GIS應(yīng)用軟件,可使用Flex,ArcGIS API for JavaScript快速搭建模板方便快速地搭建小型GIS系統(tǒng)。移動GIS是繼桌面GIS,WebGIS之后又一新的技術(shù)熱點,平臺將設(shè)計快速搭建功能模塊,可以通過向?qū)降姆绞?,基于GIS資源池的REST數(shù)據(jù)服務(wù)進行系統(tǒng)定制與服務(wù)的靈活調(diào)用,搭建的小型GIS應(yīng)用,包含地圖搜索、查詢、繪制量測、書簽等基本功能。

      3.1 B/S架構(gòu)表現(xiàn)層

      B/S采用基于FlexViewer框架的開發(fā)方式,F(xiàn)lexViewer框架為Esri提供可以高效開發(fā)基于WebGIS的應(yīng)用程序框架,云監(jiān)管平臺業(yè)務(wù)邏輯完全在服務(wù)器端實現(xiàn),采用Adobe Flash Builder 4.7與FlexViewer進行開發(fā),見圖3?;赬ML的MXML來定義豐富的用戶界面,界面美觀,用戶體驗強,大大縮短開發(fā)周期。B/S表現(xiàn)層基于ArcGIS Server REST服務(wù),依托瀏覽器FLASH插件運行,通過放大、縮小、鷹眼、漫游等功能按鈕對地圖數(shù)據(jù)發(fā)送命令,使用Identify可任意查詢地圖要素的屬性信息,支持關(guān)聯(lián)查詢,對查詢結(jié)果的排序、分組以及對屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,通過Web共享分析應(yīng)用和服務(wù),實現(xiàn)對現(xiàn)勢數(shù)據(jù)的高效管理和應(yīng)用。

      3.2 二三維一體化客戶端

      C/S端采用ArcEngine與Microsoft Visual Studio開發(fā)模式,以DotNetBar組件集構(gòu)建二三維一體化應(yīng)用程序,見圖4。將二維GIS與三維GIS進行集成并實現(xiàn)聯(lián)動,從而實現(xiàn)在同一框架體系下使兩者優(yōu)勢互補,最大程度地發(fā)揮生態(tài)保護紅線云GIS監(jiān)管平臺的功能。二三維GIS系統(tǒng)聯(lián)動的基本原理之一是基于二維GIS和三維GIS所具有的統(tǒng)一坐標(biāo)系,通過彼此之間坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系來實現(xiàn)二三維的聯(lián)動[15],當(dāng)二三維聯(lián)動時,保持屬性查詢、選擇數(shù)據(jù)、分析的一致性。C/S端通過IMapServerRESTLayer接口訪問REST獲取服務(wù)和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通道形式,有效降低生態(tài)保護紅線空間數(shù)據(jù)庫集群服務(wù)器運算量和降低網(wǎng)絡(luò)通信壓力。C/S端中二維模塊主要采用MapControl與PageLayoutControl控件操作空間數(shù)據(jù),三維場景模塊中以GlobeControl構(gòu)建貴州省生態(tài)保護紅線大數(shù)據(jù)量的三維場景,其動態(tài)數(shù)據(jù)存取和分塊技術(shù)處理提高ALOS,Landsat TM/ETM/OLI等海量地圖數(shù)據(jù)的顯示效率和高速漫游效果,滿足業(yè)務(wù)部門實時性的數(shù)據(jù)調(diào)度要求。

      4 結(jié) 論

      本文利用虛擬資源管理和分布式存儲計算等技術(shù),將分散的地理數(shù)據(jù)資源集中起來,形成GIS共享資源池,以動態(tài)按需和可度量的方式向業(yè)務(wù)部門提供權(quán)威、高效、便捷的GIS服務(wù),滿足空間分析服務(wù)、空間數(shù)據(jù)服務(wù)以及多種綜合應(yīng)用平臺的存儲需求,提升生態(tài)保護紅線信息資源的使用價值,實現(xiàn)省域多源、多類型的海量數(shù)據(jù)存儲、管理和共享,有助于嚴(yán)格管控生態(tài)保護紅線。使用C/S與B/S混合架構(gòu)開發(fā)表現(xiàn)層實現(xiàn)生態(tài)保護紅線數(shù)據(jù)集成管理、二三維信息查詢分析、成果應(yīng)用服務(wù)、數(shù)據(jù)更新維護、系統(tǒng)安全管理等方面的功能,有效降低信息資源管理的技術(shù)復(fù)雜度和管理成本,可為快速、低成本的云GIS平臺建設(shè)提供參考。生態(tài)保護紅線云GIS監(jiān)管平臺的應(yīng)用功能需進一步豐富,尤其是空間分析和業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域的有待深度挖掘和拓寬,以提升服務(wù)的多樣化。

      注:本文通訊作者為周忠發(fā)。

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