黃登紅 周忠發(fā) 王歷 張紹云

摘 要： 為了推進(jìn)管控貴州省生態(tài)保護(hù)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(hù)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(jí)生態(tài)保護(hù)紅線空間數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)、規(guī)范化管理、快速發(fā)布及拓展應(yīng)用等問題。設(shè)計(jì)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(hù)紅線空間數(shù)據(jù)監(jiān)管平臺(tái)的開發(fā)和維護(hù)成本。建立生態(tài)保護(hù)紅線云GIS監(jiān)管平臺(tái)，將資源開發(fā)利用、生態(tài)保護(hù)等領(lǐng)域信息數(shù)據(jù)進(jìn)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(dòng)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(hù)紅線； 空間數(shù)據(jù)； 云GIS； VMware； Oracle； ArcSDE

中圖分類號(hào)： TN911?34； K903 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(hù)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(jī)，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。“十八屆”三中全會(huì)通過的《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(hù)紅線，劃定生態(tài)保護(hù)紅線的部署是科學(xué)整合各類保護(hù)區(qū)域、強(qiáng)化各類保護(hù)和管理手段，是扭轉(zhuǎn)生態(tài)環(huán)境惡化趨勢(shì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(diǎn)省域生態(tài)保護(hù)紅線劃定，滇、閩、滬等省相繼建立生態(tài)保護(hù)紅線數(shù)據(jù)庫，為省域生態(tài)保護(hù)紅線劃定做了有益探索和實(shí)踐。

貴州省是中國石漠化面積最大、等級(jí)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(diǎn)和難點(diǎn)[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(shì)日益凸顯[7]，當(dāng)前云計(jì)算技術(shù)和大數(shù)據(jù)快速發(fā)展，云GIS將云計(jì)算的建模、存儲(chǔ)、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(gè)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(hù)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(jì)算、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hù)紅線云GIS監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)紅線數(shù)據(jù)處理、查詢統(tǒng)計(jì)、空間分析、安全管理等功能，探討生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(hù)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（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(hù)紅線按省級(jí)尺度1∶25萬空間比例尺，為縣（市、區(qū)）一級(jí)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(jí)保護(hù)區(qū)邊界及相關(guān)規(guī)劃的研究成果。劃定生態(tài)保護(hù)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(hù)區(qū)類、水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)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(hù)區(qū)域，25類子保護(hù)區(qū)域。

生態(tài)保護(hù)紅線云GIS監(jiān)管平臺(tái)的主要目標(biāo)是建立統(tǒng)一、穩(wěn)定可靠、可擴(kuò)展、兼容性強(qiáng)的云GIS平臺(tái)，基于云計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)紅線的信息化管理、共享和應(yīng)用。

生態(tài)保護(hù)紅線云GIS平臺(tái)采用 SOA 多層架構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)平臺(tái)包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)平臺(tái)層、應(yīng)用層四個(gè)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(chǔ)、主機(jī)、Linux操作系統(tǒng)、GIS功能支持軟件ArcGIS、虛擬平臺(tái)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(hù)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(cè)服務(wù)后可使用云GIS監(jiān)管平臺(tái)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(jìn)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(kuò)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(gè)性化地理信息定制服務(wù)應(yīng)用、生態(tài)保護(hù)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(tái)實(shí)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(tái)中，虛擬化是云GIS監(jiān)管平臺(tái)的基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)采用VMware Workstation11構(gòu)建基礎(chǔ)云平臺(tái)管理，VMware vSphere通過虛擬化橫向擴(kuò)展和縱向擴(kuò)展應(yīng)用，vCenter Server充當(dāng)連接到網(wǎng)絡(luò)的ESXi主機(jī)的中心管理員，vCenter Server將多個(gè)ESXi主機(jī)加入池中并管理這些資源。存儲(chǔ)采用大規(guī)模分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，在VMware虛擬化平臺(tái)克隆一個(gè)完整配置作為namenode，然后克隆至少三臺(tái)機(jī)器作為datanode，設(shè)置好各臺(tái)機(jī)器IP，通過VMware做一個(gè)外網(wǎng)映射，局域內(nèi)的其他機(jī)器也可以訪問。安裝Hadoop?Eclipse?plugin，將整個(gè)集群中的存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)向HDFS存儲(chǔ)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(jī)云平臺(tái)中。在此基礎(chǔ)上成功搭建基于VMware vSphere虛擬平臺(tái)和Hadoop架構(gòu)的云GIS平臺(tái)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(jì)分析運(yùn)算量巨大，傳統(tǒng)模式難以滿足統(tǒng)計(jì)分析和快速應(yīng)用服務(wù)要求，將多臺(tái)服務(wù)器實(shí)體虛擬化后，構(gòu)成一個(gè)GIS資源池，專門為云GIS站點(diǎn)的創(chuàng)建、運(yùn)行提供基礎(chǔ)設(shè)施資源，實(shí)現(xiàn)共同計(jì)算、共享資源。ArcGIS Server支持原生的REST服務(wù)，生態(tài)保護(hù)紅線云GIS監(jiān)管平臺(tái)以HTTP向ArcGIS Server觸發(fā)請(qǐng)求，ArcGIS Server處理請(qǐng)求并返回響應(yīng)到客戶端，平臺(tái)的集群部署方式使GIS Server節(jié)點(diǎn)相互平等，云GIS管理套件自動(dòng)檢測(cè)云GIS主機(jī)使用載荷，當(dāng)某臺(tái)云GIS主機(jī)的使用率過高，系統(tǒng)會(huì)快速啟動(dòng)備用云GIS主機(jī)，某個(gè)GIS Server節(jié)點(diǎn)意外宕機(jī)不會(huì)導(dǎo)致服務(wù)崩潰。這種彈性 GIS 資源動(dòng)態(tài)調(diào)整模式實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前地圖服務(wù)所在集群中關(guān)聯(lián)的虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行負(fù)荷，自動(dòng)添加或刪除該集群中CPU超載或CPU閑置的虛擬機(jī)節(jié)點(diǎn)，通過GIS資源池組來實(shí)現(xiàn)云GIS環(huán)境中的多租戶隔離，降低了云GIS平臺(tái)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 多源空間數(shù)據(jù)服務(wù)

生態(tài)保護(hù)紅線須落實(shí)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(xì)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(shí)施生態(tài)保護(hù)的嚴(yán)格管控。貴州省生態(tài)保護(hù)紅線數(shù)據(jù)具有多源性、多尺度、多平臺(tái)和多格式等特點(diǎn)，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?jí)質(zhì)量管理、統(tǒng)一規(guī)范、全過程質(zhì)量控制等原則，進(jìn)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(duì)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(hù)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(chǔ)架構(gòu)是現(xiàn)在主流的性價(jià)比較好的存儲(chǔ)模式，可滿足高性能計(jì)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(tái)的存儲(chǔ)需求?；谠拼鎯?chǔ)架構(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(hù)紅線要素、專題應(yīng)用數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等都集中存儲(chǔ)于空間數(shù)據(jù)庫中，實(shí)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(hù)，確保數(shù)據(jù)的安全和統(tǒng)一管理?？臻g數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(dá)模型，數(shù)據(jù)操作針對(duì)邏輯數(shù)據(jù)組織模型來進(jìn)行，而不是直接操作物理對(duì)象，使得生態(tài)保護(hù)紅線云GIS監(jiān)管平臺(tái)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(qiáng)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

3 云GIS監(jiān)管平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

C/S與B/S各存在技術(shù)缺點(diǎn)，C/S架構(gòu)開發(fā)成本高、客戶端程序設(shè)計(jì)復(fù)雜、移植困難、軟件維護(hù)升級(jí)困難，B/S架構(gòu)系統(tǒng)擴(kuò)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(hù)紅線云GIS監(jiān)管平臺(tái)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(jìn)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(tái)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(hù)等功能，用戶可對(duì)生態(tài)保護(hù)紅線數(shù)據(jù)進(jìn)行基本查詢、空間分析等功能，同時(shí)根據(jù)平臺(tái)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(dòng)GIS是繼桌面GIS，WebGIS之后又一新的技術(shù)熱點(diǎn)，平臺(tái)將設(shè)計(jì)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(jìn)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(cè)、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(tái)業(yè)務(wù)邏輯完全在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)，采用Adobe Flash Builder 4.7與FlexViewer進(jìn)行開發(fā)，見圖3。基于XML的MXML來定義豐富的用戶界面，界面美觀，用戶體驗(yàn)強(qiáng)，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(yùn)行，通過放大、縮小、鷹眼、漫游等功能按鈕對(duì)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(duì)查詢結(jié)果的排序、分組以及對(duì)屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，通過Web共享分析應(yīng)用和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)勢(shì)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(jìn)行集成并實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)在同一框架體系下使兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，最大程度地發(fā)揮生態(tài)保護(hù)紅線云GIS監(jiān)管平臺(tái)的功能。二三維GIS系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)二三維的聯(lián)動(dòng)[15]，當(dāng)二三維聯(lián)動(dòng)時(shí)，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(hù)紅線空間數(shù)據(jù)庫集群服務(wù)器運(yùn)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(chǎng)景模塊中以GlobeControl構(gòu)建貴州省生態(tài)保護(hù)紅線大數(shù)據(jù)量的三維場(chǎng)景，其動(dòng)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(shí)時(shí)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(chǔ)計(jì)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(dòng)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(tái)的存儲(chǔ)需求，提升生態(tài)保護(hù)紅線信息資源的使用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)省域多源、多類型的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理和共享，有助于嚴(yán)格管控生態(tài)保護(hù)紅線。使用C/S與B/S混合架構(gòu)開發(fā)表現(xiàn)層實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)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(hù)、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(tái)建設(shè)提供參考。生態(tài)保護(hù)紅線云GIS監(jiān)管平臺(tái)的應(yīng)用功能需進(jìn)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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