馬紅旺，高振記 ，方利，陳運帷，韓興剛

1.湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南 湘潭 411201

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境信息研究所，北京 100012

3.ESRI中國(北京)有限公司，北京 100027

自20世紀(jì)80年代開始，我國的環(huán)境信息化建設(shè)以環(huán)境監(jiān)測和環(huán)境統(tǒng)計為主要信息源，相繼建立起“環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫”、“環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)庫”、“全國鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)污染源數(shù)據(jù)庫”等一批重點環(huán)境數(shù)據(jù)庫［1］。從“十五”開始，由水利部國際合作與科技司組織的中國可持續(xù)發(fā)展水資源與水環(huán)境信息共享技術(shù)研究項目，開啟了我國對水環(huán)境信息共享的研究和探索［2］。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及對水環(huán)境管理工作的日趨重視，我國的流域水環(huán)境信息建設(shè)取得了積極進(jìn)展，各地相繼建立起地方性的水環(huán)境信息共享平臺，如黃河水利委員會主持建立的“黃河水環(huán)境信息管理系統(tǒng)”，江蘇省建立的“太湖流域水環(huán)境信息共享平臺”等，通過平臺加強(qiáng)對流域范圍內(nèi)水環(huán)境的科學(xué)管理，并利用平臺對水環(huán)境進(jìn)行分析、評價和預(yù)測，為管理部門提供輔助決策支持。但這些平臺的定制化嚴(yán)重、架構(gòu)耦合度較高，擴(kuò)展性低，信息同步較困難，無法及時有效地獲取流域各部門最新的水環(huán)境信息［3-4］。為此，筆者針對當(dāng)前流域水環(huán)境風(fēng)險管理對數(shù)據(jù)的共享要求，結(jié)合各級環(huán)境保護(hù)部門環(huán)境信息存儲、管理、使用的現(xiàn)狀，提出了基于Geoportal的流域水環(huán)境信息共享平臺構(gòu)建技術(shù)方法，以期為流域水環(huán)境信息共享提供適宜的解決方案［5-6］。

1 流域水環(huán)境信息共享平臺設(shè)計

1.1 需求分析

流域水環(huán)境信息由環(huán)境背景數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及圖像、音頻等多媒體數(shù)據(jù)組成［7］。環(huán)境背景數(shù)據(jù)包含流域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、環(huán)境專題數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。這些不同格式的數(shù)據(jù)分布在不同的管理部門，且由于環(huán)境信息的時效性需求，水環(huán)境信息整體呈現(xiàn)出多源、異構(gòu)、分布式和時效性等特征。

流域水環(huán)境信息共享平臺旨在為水環(huán)境風(fēng)險評估與預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。針對水環(huán)境信息的特點，需要建立能跨地域、跨部門、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)有效集成的共享機(jī)制，且要保證環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的時效性、準(zhǔn)確性，同時又需要支持地圖服務(wù)、影像服務(wù)和空間分析服務(wù)等來實現(xiàn)水環(huán)境風(fēng)險的預(yù)測、模擬和顯示。

針對上述需求，對共享平臺的總體架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，要求共享平臺具有可擴(kuò)展及可伸縮性，在此基礎(chǔ)上，對水環(huán)境信息的數(shù)據(jù)集成方案、分布式共享策略和數(shù)據(jù)同步更新等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，形成一套科學(xué)、合理且可推廣的水環(huán)境信息共享平臺構(gòu)建技術(shù)體系。

1.2 總體架構(gòu)設(shè)計

流域水環(huán)境管理不同部門業(yè)務(wù)側(cè)重點存在差異，且對信息共享的需求也不盡相同，需能對不同服務(wù)功能進(jìn)行靈活地重組和拓展，以滿足不同層次的需求，因此采用基于面向服務(wù)架構(gòu)(service-oriented architecture，SOA)的設(shè)計思路。

SOA是一種粗粒度、松耦合服務(wù)架構(gòu)，是在傳統(tǒng)的面向?qū)ο竽Ｐ偷幕A(chǔ)上引入抽象的服務(wù)層，進(jìn)一步對業(yè)務(wù)對象進(jìn)行封裝，其能針對不同的業(yè)務(wù)對象和業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行組合實現(xiàn)特定的服務(wù)功能，具有高度的可拓展性和適應(yīng)性，可以靈活適應(yīng)業(yè)務(wù)需求的變化［8-9］。在SOA基礎(chǔ)上，將流域水環(huán)境信息共享平臺設(shè)計為三層一門戶的總體結(jié)構(gòu)［10-15］，即服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、支持層和流域水環(huán)境信息共享平臺門戶網(wǎng)站(圖1)。

支持層作為平臺運行的基礎(chǔ)，提供平臺運行的軟硬件環(huán)境，主要包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)房環(huán)境等硬件和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理辦法等軟件;數(shù)據(jù)層的核心是元數(shù)據(jù)庫［11］，共享平臺的數(shù)據(jù)組織方式采用基于元數(shù)據(jù)的存儲和管理，數(shù)據(jù)來源可以是本地數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)源也可以是外部數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源可以在存儲結(jié)構(gòu)、邏輯規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)上不同，通過統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)描述規(guī)范和數(shù)據(jù)訪問協(xié)議將元數(shù)據(jù)信息注冊到平臺的元數(shù)據(jù)庫中［16-17］;服務(wù)層通過目錄、空間、數(shù)據(jù)存取和數(shù)據(jù)分析處理服務(wù)，提供跨區(qū)域的數(shù)據(jù)搜索、訪問、下載及元數(shù)據(jù)發(fā)布功能，并提供空間數(shù)據(jù)定位、空間搜索、地圖訪問和空間數(shù)據(jù)抽取等服務(wù)［18］，同時服務(wù)層還提供資源的自動收割機(jī)制來及時更新數(shù)據(jù)資源，服務(wù)層具可拓展性，可根據(jù)服務(wù)接口進(jìn)行拓展，也可以通過用戶提交的模型服務(wù)進(jìn)行外部關(guān)聯(lián)［19-20］。

1.3 基于Geoportal的流域水環(huán)境信息共享平臺構(gòu)建技術(shù)

Geoportal是近年發(fā)展起來的針對空間信息資源共享的技術(shù)，其提供了一整套地理空間資源的框架、協(xié)議和組件模塊來構(gòu)建空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(SDI)，實現(xiàn)資源的注冊、發(fā)布、共享、訪問和實時收割的功能。該平臺采用ESRI公司推出的ArcGIS Server的Geoportal組件，可實現(xiàn)多格式數(shù)據(jù)類型協(xié)議的封裝，并提供多站點注冊、聯(lián)邦式查詢和元數(shù)據(jù)自動收割機(jī)制，有效地實現(xiàn)資源的共享，極大地提高了共享平臺的擴(kuò)展性、靈活性。同時良好的互操作性也為其廣泛的行業(yè)應(yīng)用提供了保證，如美國國家環(huán)境保護(hù)局環(huán)境數(shù)據(jù)集門戶網(wǎng)、The Geospatial One-Stop(GOS)、美國國家海洋和大氣局的國家氣候數(shù)據(jù)中心、波蘭研究院地理門戶網(wǎng)等平臺都是基于Geoportal實現(xiàn)的［21］。

1.3.1 Geoportal資源共享機(jī)制

圖1 流域水環(huán)境信息共享平臺總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structural design for regional water information sharing platform

Geoportal的核心概念是資源，其將元數(shù)據(jù)記錄、Web服務(wù)、文檔、視頻、REST URLS等幾乎所有的事物都抽象成資源，在Geoportal中用戶可以進(jìn)行資源的制作、發(fā)現(xiàn)、使用和資源服務(wù)［22］，Geoportal資源共享機(jī)制如圖2所示。

圖2 Geoportal資源共享機(jī)制Fig.2 Mechanism of Geoportal data sharing

1.3.2 資源服務(wù)共享策略

流域水環(huán)境信息共享是基于元數(shù)據(jù)的共享，所有水環(huán)境信息包括環(huán)境背景數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)以及地處理(GP)服務(wù)、流域水環(huán)境分析模型等都抽象成資源，根據(jù)流域水環(huán)境數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研究成果對這些資源分類注冊其元數(shù)據(jù)［23］，在Geoportal中構(gòu)建平臺服務(wù)功能對外提供檢索、預(yù)覽、分析和下載等。

元數(shù)據(jù)的共享策略采取中心平臺、分布式站點和注冊用戶自助發(fā)布相結(jié)合的共享策略(圖3)。中心平臺負(fù)責(zé)搭建信息共享的總體框架，為分布式站點和注冊用戶自助發(fā)布提供接口支持和操作界面，同時中心平臺發(fā)布大量水環(huán)境監(jiān)測的專題數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)服務(wù)等，分布式站點根據(jù)自身的業(yè)務(wù)方向和數(shù)據(jù)特征選擇特定的協(xié)議類型進(jìn)行站點定制，從而實時地共享其數(shù)據(jù)資源，而用戶自助發(fā)布只需登錄平臺門戶進(jìn)行注冊即可完成。

圖3 流域水環(huán)境信息共享平臺共享數(shù)據(jù)內(nèi)容Fig.3 Sharing data of regional water information sharing platform

1.3.3 分布式站點的資源共享

流域水環(huán)境信息共享采取分布式站點的資源共享，相對于傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫共享模式，該共享方式更簡潔、靈活，能根據(jù)不同管理部門的業(yè)務(wù)特征進(jìn)行更有效的資源共享，避免高成本、多重復(fù)的安裝部署和繁重的數(shù)據(jù)庫維護(hù)工作［24］，下級部門只需要根據(jù)本身業(yè)務(wù)進(jìn)行分布式站點定制并注冊到中心平臺中即可實現(xiàn)該站點的資源共享。

在分布式站點資源共享框架設(shè)計中，中心站點提供注冊的類型，各分布式站點根據(jù)其自身的業(yè)務(wù)類型和數(shù)據(jù)特征選擇相應(yīng)的注冊類型進(jìn)行定制。流域水環(huán)境信息共享平臺提供了通用URL資源、空間信息服務(wù)、FTP資源以及網(wǎng)頁目錄服務(wù)，每種類型封裝了對相應(yīng)的數(shù)據(jù)規(guī)范和類型的支持(圖4)。

通用URL資源封裝了對大部分?jǐn)?shù)據(jù)規(guī)范和協(xié)議的支持，側(cè)重于日常的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖片、文檔數(shù)據(jù)較多的站點，也支持一定的空間信息服務(wù);空間信息服務(wù)主要是針對地圖服務(wù)、影像服務(wù)、水環(huán)境專題服務(wù)以及地理處理模型的GP服務(wù)等;FTP資源則是對網(wǎng)絡(luò)上FTP服務(wù)器資源進(jìn)行注冊的一種類型;網(wǎng)頁目錄服務(wù)是對共享平臺的一種延伸，既可以是對流域水環(huán)境管理部門內(nèi)數(shù)據(jù)資源的目錄服務(wù)共享，也可以是針對社會上科研機(jī)構(gòu)、公司企業(yè)等任何支持OGC(open geospatial consortium)網(wǎng)頁目錄服務(wù)(catalog service for the web，CSW)規(guī)范的站點進(jìn)行注冊［25-27］，最大程度上實現(xiàn)流域內(nèi)水環(huán)境信息的共享。

圖4 Geoportal分布式站點注冊Fig.4 Registration for Geoportal distributed site

1.3.4 網(wǎng)頁收割器(Web Harvester)的設(shè)計和實現(xiàn)平臺采取基于站點的共享策略，因此中心站點的元數(shù)據(jù)及資源與分布式站點資源的同步至關(guān)重要。流域水環(huán)境信息共享平臺通過構(gòu)建Web Harvester對分布式站點資源自動收割，生成最新的元數(shù)據(jù)和索引，Web Harvester的設(shè)計如圖5所示。

圖5 流域水環(huán)境信息共享平臺Web Harvester模型Fig.5 Web Harvester Model of regional water information sharing platform

Web Harvester采取多線程的處理設(shè)計，從平臺配置文件讀取注冊的分布站點后，在收割池中分配對應(yīng)的線程進(jìn)行站點資源的同步，根據(jù)不同站點類型對應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行元數(shù)據(jù)的同步，最后更新本地的元數(shù)據(jù)記錄和資源索引，在該過程中Watch Dog負(fù)責(zé)監(jiān)視分布式站點連接狀態(tài)以及用戶的操作。

2 流域水環(huán)境信息共享平臺的實現(xiàn)

為驗證該共享技術(shù)的可用性，筆者將該框架技術(shù)應(yīng)用于流域水環(huán)境信息共享平臺的開發(fā)。平臺由用戶管理、空間信息服務(wù)、資源注冊、資源發(fā)布、資源搜索、數(shù)據(jù)下載等基本功能模塊組成。平臺中注冊了本身站點并實現(xiàn)了OGC CSW規(guī)范的ArcGIS.com，在平臺中通過空間地理服務(wù)搜索平臺數(shù)據(jù)資源，如定位到沈陽(圖6)即可檢索到平臺內(nèi)包含有關(guān)沈陽的資源，并提供資源的詳細(xì)信息，元數(shù)據(jù)信息和地圖服務(wù)的鏈接，還可從關(guān)聯(lián)的分布式站點中進(jìn)行資源搜索，如對ArcGIS.com(圖7)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索。

3 討論與結(jié)論

基于Geoportal的水環(huán)境信息共享平臺有效地實現(xiàn)了流域水環(huán)境信息的高效共享，以服務(wù)的方式進(jìn)行共享可以消除數(shù)據(jù)的平臺差異、結(jié)構(gòu)差異和存儲差異，能實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效集成，基于WEB站點分布式數(shù)據(jù)共享機(jī)制能最大程度地實現(xiàn)流域水環(huán)境信息的共享?；贕eoportal的流域水環(huán)境共享平臺是對信息共享平臺構(gòu)建的一次新嘗試，平臺運行安全、可靠和穩(wěn)定，系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該技術(shù)框架是科學(xué)、合理和可行的。

由于平臺基于B/S架構(gòu)，其數(shù)據(jù)信息的共享依賴網(wǎng)絡(luò)性能，硬件設(shè)施的好壞對平臺性能會產(chǎn)生較大的影響，分布式搜索依賴于遠(yuǎn)程站點的穩(wěn)定和協(xié)議支持，服務(wù)響應(yīng)的快慢和資源的可獲得性受帶寬影響較大。平臺的局限在于用戶訪問量與服務(wù)器負(fù)載均衡的限制，以及提供數(shù)據(jù)服務(wù)的分布式站點可能因客觀原因?qū)е掠脩魺o法訪問其所提供數(shù)據(jù)服務(wù)，因此要保障共享平臺的穩(wěn)定運行，必須保障各注冊站點的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)的暢通性。

總體而言，Geoportal作為空間資源信息共享和跨站點的資源繼承共享的新方式，方便用戶構(gòu)建與自身領(lǐng)域相關(guān)的空間信息服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，為多源異購數(shù)據(jù)信息的集成、共享和高效管理提供了新的解決方案。

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