藺旭東+張孟強(qiáng)+陳婧+劉佳

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國的生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題變得越發(fā)復(fù)雜。大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)，正好適應(yīng)了生態(tài)環(huán)境保護(hù)問題的發(fā)展現(xiàn)狀。本文從分析生態(tài)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)入手，對大數(shù)據(jù)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)展開論述。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù) Hadoop；生態(tài)系統(tǒng)；生態(tài)環(huán)境保護(hù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.202

1 引言

生態(tài)環(huán)境的保護(hù)問題，具有復(fù)雜性和時變性，涉及多部門、多地區(qū)和多領(lǐng)域，需要處理海量的各類數(shù)據(jù)，這為問題的解決增加了不小的難度[1]。本文從分析生態(tài)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)入手，對利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，整合各類生態(tài)環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)資源，建立生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺的架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)展開論述。

2 生態(tài)環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析

目前，應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)資源主要包括三類：

地面監(jiān)測數(shù)據(jù)：此類數(shù)據(jù)主要來源于各地的生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)。由于各系統(tǒng)開發(fā)時期不同，技術(shù)手段各異，數(shù)據(jù)格式多樣，各系統(tǒng)之間很難形成信息共享。

遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)：此類數(shù)據(jù)主要來源于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和航空遙感數(shù)據(jù)。

地理信息數(shù)據(jù)：此類數(shù)據(jù)的來源主要有野外采集、地圖數(shù)字化和航天遙感采集、攝影測量等。

目前，傳統(tǒng)的信息化技術(shù)在環(huán)境數(shù)據(jù)整合工作中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，而利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上述三類數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、協(xié)調(diào)工作，真正建立起實(shí)用價值大，適用性廣泛的生態(tài)環(huán)境大數(shù)據(jù)平臺，還沒有相關(guān)的工作開展。

3 大數(shù)據(jù)技術(shù)概述

大數(shù)據(jù)技術(shù)是近年來興起的一種綜合性信息技術(shù)[2]，對于處理超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲、管理和分析處理能力的多來源的、海量的數(shù)據(jù)集群，具備天然的技術(shù)優(yōu)勢。大數(shù)據(jù)技術(shù)的主流應(yīng)用框架是Hadoop生態(tài)系統(tǒng)。它以HDFS分布式文件系統(tǒng)和MapReduce分布式計算框架為核心，可以對大數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的分布式處理。

4 大數(shù)據(jù)平臺的構(gòu)建

生態(tài)環(huán)境問題涉及大氣、土壤、水、生物圈、氣候等方方面面。為此，我們在推進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作相互結(jié)合的過程中，采取了以點(diǎn)帶面，逐步推進(jìn)的策略。

在本文中，我們選取對環(huán)境影響比較突出的大氣污染問題作為研究的切入點(diǎn)，利用Hadoop生態(tài)系統(tǒng)中的HDFS技術(shù)，建立起秦皇島地區(qū)的大氣污染防治大數(shù)據(jù)平臺。未來，通過建立基于此平臺的大氣業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，我們可以對秦皇島地區(qū)的大氣污染物來源情況進(jìn)行準(zhǔn)確有效的分析。這一應(yīng)用模式的探索，也將為未來更廣泛生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的綜合性分析與應(yīng)用，打下良好的基礎(chǔ)。

平臺所采用的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)包括：工業(yè)企業(yè)污染排放情況、火電企業(yè)污染排放情況、鋼鐵冶煉企業(yè)污染排放情況、水泥企業(yè)污染排放情況等。

平臺所采用的遙感氣象數(shù)據(jù)主要是用美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）發(fā)布的Final Operational Global Analysis（FNL）資料[3]。我們不直接使用FNL的原始數(shù)據(jù)，而是采用經(jīng)過NOAA-Air Resources Laboratory（ARL）預(yù)處理模塊轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)?；贔NL資料，可以計算在某一時段內(nèi)抵達(dá)秦皇島地區(qū)的后向氣流軌跡，從而有助于配合地面監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示秦皇島地區(qū)大氣污染的可能來源。

納入平臺的地理信息數(shù)據(jù)主要有兩類：（1）圖形數(shù)據(jù)：此部分?jǐn)?shù)據(jù)以矢量圖形的形式存儲于HDFS系統(tǒng)中。它們的來源主要是利用搜狗地圖所提供的靜態(tài)地圖API。（2）文本數(shù)據(jù)：此部分?jǐn)?shù)據(jù)包括：a）監(jiān)測污染源的位置數(shù)據(jù)；b）交通擁堵情況；c）氣流軌跡數(shù)據(jù)：此類數(shù)據(jù)由FNL資料計算而得。各類文本數(shù)據(jù)都將構(gòu)成獨(dú)立的圖層，利用搜狗地圖提供的API，標(biāo)注于圖形數(shù)據(jù)之上。

5 關(guān)鍵技術(shù)研究

各類數(shù)據(jù)會被存入統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)平臺。我們采用Hadoop分布式集群結(jié)構(gòu)作為大數(shù)據(jù)平臺的存儲結(jié)構(gòu)。我們使用100臺PC級電腦構(gòu)建起分布式數(shù)據(jù)存儲集群，每個節(jié)點(diǎn)同時承擔(dān)計算和存儲的角色。各個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中存放大氣污染相關(guān)的大數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)主節(jié)點(diǎn)則存放各類大數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)中的副本分布位置。元數(shù)據(jù)輔助節(jié)點(diǎn)承擔(dān)與元數(shù)據(jù)主節(jié)點(diǎn)類似的任務(wù)，當(dāng)元數(shù)據(jù)主節(jié)點(diǎn)宕機(jī)時，可以重新啟動元數(shù)據(jù)主節(jié)點(diǎn)。元數(shù)據(jù)主節(jié)點(diǎn)上保存著訪問HDFS文件系統(tǒng)的索引信息，它們主要來源于數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中提取的元數(shù)據(jù)。對于修改元數(shù)據(jù)主節(jié)點(diǎn)信息的操作，事務(wù)日志中都會插入相應(yīng)的記錄。而數(shù)據(jù)索引到數(shù)據(jù)存儲的映射，副本的位置及編號等信息，都存儲在元數(shù)據(jù)主節(jié)點(diǎn)所在的本地文件系統(tǒng)中的一個映射文件中。

對于大數(shù)據(jù)而言，要想實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效穩(wěn)定的訪問機(jī)制，需要做好兩方面的工作：（1）對數(shù)據(jù)分塊存儲并建立適宜的物理數(shù)據(jù)副本規(guī)模；（2）采用適宜的副本存放策略和數(shù)據(jù)讀寫策略[4]。我們采取了搜集數(shù)據(jù)訪問反饋信息的策略，利用統(tǒng)計學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了副本規(guī)模的動態(tài)調(diào)整。而對于副本的存放策略，我們考慮將不同副本存放于不同機(jī)架的電腦上，以保證一個機(jī)架出現(xiàn)故障時不致丟失數(shù)據(jù)，并且還能在讀數(shù)據(jù)時充分利用不同機(jī)架的帶寬。數(shù)據(jù)的讀取策略則采用從距離讀請求節(jié)點(diǎn)最近的存儲節(jié)點(diǎn)上讀取數(shù)據(jù)。同時，我們將對數(shù)據(jù)加工的相關(guān)業(yè)務(wù)代碼從加工請求所在的電腦發(fā)送至數(shù)據(jù)副本所在的電腦執(zhí)行，盡可能不在電腦之間進(jìn)行數(shù)據(jù)副本的傳遞，以提高寫數(shù)據(jù)的效率。

6 結(jié)論

本文將大數(shù)據(jù)技術(shù)引入生態(tài)環(huán)境保護(hù)的工作之中，將秦皇島地區(qū)的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)整合在一起，建立起秦皇島地區(qū)大氣污染防治大數(shù)據(jù)平臺，使相關(guān)的業(yè)務(wù)應(yīng)用有了一個統(tǒng)一的底層數(shù)據(jù)支持。未來，我們可以基于此平臺建立大氣污染數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，對秦皇島地區(qū)的大氣污染物來源情況進(jìn)行準(zhǔn)確有效的分析。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：河北省社會科學(xué)基金項目（HB14LJ001）；河北省軟科學(xué)研究計劃項目（15450317D）

作者簡介：藺旭東（1974-），男，河北秦皇島人，博士，副教授，研究方向：信息檢索、環(huán)境信息化。endprint