吳阿丹， 史艷梅， 郭建文， 李建軒， 李 恒

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院黑河遙感試驗研究站甘肅省遙感重點實驗室，甘肅蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.中國人民解放軍 32016部隊，甘肅蘭州 730000）

0 引言

雖然國內(nèi)外對數(shù)字流域的理解存在差異［1-2］，但都一致認(rèn)為數(shù)字流域是流域科學(xué)的重要研究內(nèi)容之一。黑河流域是中國第二大內(nèi)陸河流域，很早就開展了數(shù)字流域研究，并且提出了“數(shù)字黑河”的概念［3］：黑河數(shù)字由基礎(chǔ)觀測網(wǎng)絡(luò)設(shè)施及信息系統(tǒng)組成，前者由星-空-地觀測系統(tǒng)組網(wǎng)構(gòu)建，后者是為黑河流域科學(xué)研究和流域集成管理而搭建的集數(shù)據(jù)、模型和觀測系統(tǒng)于一體的信息化平臺，是黑河流域研究的數(shù)據(jù)中心，又是它的虛擬實驗室，模擬和觀測平臺［4］。

自1990年以來，黑河流域共開展過五次大規(guī)模的綜合觀測試驗：

（1）1990 年6 月—1992 年10 月，在黑河流域中游開展了“黑河地區(qū)地氣相互作用野外觀測實驗研究”（HEIFE）［5］，開創(chuàng)了黑河流域綜合觀測研究的先河，為之后的觀測奠定了基礎(chǔ)，其共享數(shù)據(jù)集至今仍為研究者所廣泛使用。

（2）2004 年6—8 月期間，在黑河流域西部子水系中游金塔綠洲開展了為期兩個多月的“綠洲系統(tǒng)能量與水分循環(huán)過程”觀測試驗，之后的多個夏季中，又在這一地區(qū)開展后續(xù)試驗，這些試驗統(tǒng)稱為“金塔試驗”。

（3）2007—2009 年，中國科學(xué)院西部行動計劃項目“黑河流域遙感－地面觀測同步試驗與綜合模擬平臺建設(shè)”和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目“陸表生態(tài)環(huán)境要素主被動遙感協(xié)同反演理論與方法”共同發(fā)起了“黑河綜合遙感聯(lián)合試驗（以下簡稱WATER 實驗）［6］”。初步實現(xiàn)了建立一個開放的試驗平臺和發(fā)展多尺度、多分辨率、高質(zhì)量并最終完全共享的綜合數(shù)據(jù)集的目標(biāo)，全部數(shù)據(jù)通過黑河綜合遙感聯(lián)合試驗信息系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)布。

（4）2012—2015 年，“黑河流域生態(tài)-水文過程綜合遙感觀測聯(lián)合試驗（以下簡稱HiWATER 實驗）”［7］也在黑河流域進(jìn)行，其目的是目標(biāo)是顯著提升對流域生態(tài)和水文過程的觀測能力，建立國際領(lǐng)先的流域觀測系統(tǒng)，提高遙感在流域生態(tài)-水文集成研究和水資源管理中的應(yīng)用能力。

（5）2016—2020年，生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測設(shè)備研制與生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)示范項目［8］也在黑河流域部署生態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)開展監(jiān)測示范，構(gòu)建了天地一體化的群落-生態(tài)系統(tǒng)-景觀多尺度生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，對推進(jìn)黑河流域生態(tài)文明建設(shè)具有重要支撐作用。

針對這些不同時段、不同規(guī)模的黑河流域觀測實驗，中科院西北生態(tài)環(huán)境資源院（原中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，簡稱西北院）經(jīng)過20 年的時間建立了一系列不同功能的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了實驗介紹、數(shù)據(jù)共享、模型展示等信息服務(wù)，如舊版數(shù)字黑河［9］、西部數(shù)據(jù)中心［10］、黑河流域生態(tài)水文過程綜合遙感觀測聯(lián)合實驗、黑河流域遙感-地面觀測同步實驗與綜合模擬平臺、中國陸面數(shù)據(jù)同化網(wǎng)、黑河流域模型集成、黑河數(shù)據(jù)可視化在線平臺［11］、中科院黑河遙感實驗研究站等信息系統(tǒng)。這八個系統(tǒng)都涉及到了黑河流域相關(guān)的數(shù)據(jù)和模型，從不同角度提升了黑河實驗的數(shù)據(jù)共享效率，實現(xiàn)了數(shù)字黑河信息系統(tǒng)向數(shù)據(jù)中心的過渡，但這些系統(tǒng)尚不能滿足“數(shù)字黑河”的現(xiàn)實要求，存在一些急需問題：①信息平臺門戶較多，不利于平臺的維護(hù)和數(shù)據(jù)的高效共享；②一些平臺樣式陳舊，在不同的終端中會有樣式變形問題，用戶體驗較差；③功能不夠全面，缺少數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)實時監(jiān)測等功能；④這些系統(tǒng)由不同的團(tuán)隊開發(fā)，使用不同的技術(shù)框架，很難進(jìn)行系統(tǒng)間的互操作，隨著數(shù)據(jù)量的不斷增多，系統(tǒng)性能也受到挑戰(zhàn)。

為了進(jìn)一步提高數(shù)字黑河信息服務(wù)，本文在黑河流域空間觀測和地面測量等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，立足中科院西北院信息基礎(chǔ)設(shè)施，借鑒已有系統(tǒng)資源，重構(gòu)新版數(shù)字黑河信息系統(tǒng)（New Digital Heihe River Information System，以下簡稱NDHRIS），期望進(jìn)一步提升黑河流域科學(xué)數(shù)據(jù)的共享效率。本文主要介紹NDHRIS 的設(shè)計和實現(xiàn)，重點在新功能及功能優(yōu)化的考慮和實現(xiàn)上，最后討論了系統(tǒng)仍存在的問題和未來需要改進(jìn)的三個方向。

NDHRIS在信息服務(wù)方面的主要貢獻(xiàn)如下：

（1）將多語言編寫的系統(tǒng)統(tǒng)一集成為基于Python的Web系統(tǒng)，一方面能夠簡化系統(tǒng)的維護(hù)，方便用戶一站式瀏覽。另一方面，支持與大數(shù)據(jù)平臺的對接，為后期方法庫、模型庫的在線運算提供支持。

（2）替換開源元數(shù)據(jù)編輯器Geonetwork，開發(fā)了一套自有知識產(chǎn)權(quán)的元數(shù)據(jù)管理工具，具有較高的可擴展性和穩(wěn)定性；

（3）基于ISO19115 元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)共享和交換的規(guī)則，實現(xiàn)多平臺數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與共享。

（4）進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)匯交流程、數(shù)據(jù)申請流程。在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)管理和使用的效率。

1 整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架

NDHRIS 以滿足數(shù)據(jù)“共享為本，可視化為根”的原則進(jìn)行建設(shè)。針對已有的平臺存在的缺陷，從觀測、數(shù)據(jù)、模型三個角度出發(fā)，構(gòu)建一個風(fēng)格現(xiàn)代化、內(nèi)容多樣化，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化，流程簡單化的信息服務(wù)平臺。系統(tǒng)整體框架包括基礎(chǔ)設(shè)施層、服務(wù)層和應(yīng)用層三個層面，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 Overall framework of the system

基礎(chǔ)設(shè)施層：提供整個系統(tǒng)運行的硬件環(huán)境及軟件環(huán)境。本系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施使用中科院青藏高原研究所提供的云環(huán)境：一個Web 服務(wù)器，一個500 T的磁盤陣列，四個處理服務(wù)結(jié)點，這四個節(jié)點后期可用于基于Spark的分布式計算。

服務(wù)層：由一系列Web服務(wù)組成，包括數(shù)據(jù)共享服務(wù)、可視化服務(wù)、地圖服務(wù)、數(shù)據(jù)實時監(jiān)測服務(wù)等。

應(yīng)用層：即NDHRIS 網(wǎng)站界面，通過調(diào)用服務(wù)層Web 服務(wù)提供的各種方法，實現(xiàn)觀測實驗介紹、數(shù)據(jù)匯交、數(shù)據(jù)瀏覽及下載、數(shù)據(jù)可視化及模型代碼共享等功能。

1.2 功能設(shè)計

NDHRIS是在已有八個舊系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的升級，重點從觀測、數(shù)據(jù)、模型三個方面進(jìn)行功能改進(jìn)（圖2）。

圖2 系統(tǒng)主要功能Fig.2 Main functions of the system

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 開發(fā)技術(shù)和運行環(huán)境

NDHRIS 采用瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S）架構(gòu)。瀏覽器端采用Nodejs 作為開發(fā)語言，服務(wù)器端采用Python 技術(shù)，利用瓦片服務(wù)、Echart 插件實現(xiàn)不同類型、不同體量數(shù)據(jù)的可視化。為了提高用戶體驗同時用到了Jquery、Ajax 等技術(shù)。同時采用分布式數(shù)據(jù)庫GreenPlum［12-13］和分布式文件系統(tǒng)Hadoop［14］對不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)實現(xiàn)差異化的管理策略。Web 系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫均運行在Ubuntu16操作系統(tǒng)環(huán)境中。

2.2 功能實現(xiàn)

2.2.1 觀測數(shù)據(jù)輸入

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，中科院西北院從2012年至2015 年對黑河流域觀測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了數(shù)據(jù)自動采集、遠(yuǎn)程傳輸［15］、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制［16］等方面的信息化改造，部署了多尺度嵌套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［17］，形成“一條樣帶＋多個核心觀測站＋遙感綜合觀測試驗＋各研究項目自主觀測”組成的綜合、立體、多尺度的流域觀測系統(tǒng)。從2012 年至今，在黑河上游、中游及下游建立9個觀測區(qū)域，362個觀測點，包括數(shù)采儀385 個，2 145 個傳感器。目前仍在運行的觀測點有11個（圖3），詳細(xì)信息如表1所示。

表1 觀測站點詳細(xì)信息（阿柔、大滿和四道橋是超級站，其他是普通氣象觀測站）Table 1 Details of observatory stations（Arou，Daman，and Sidaoqiao are superstations；the other stations are ordinary stations）

NDHRIS 重點對WATER、HiWATER 等幾個觀測實驗網(wǎng)站進(jìn)行歸納（圖4），在集成原有網(wǎng)站內(nèi)容的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計“觀測”欄目，從實驗計劃、實驗組織、實驗參與者、合作交流、實驗進(jìn)展、出版物、支持單位等角度詳細(xì)介紹黑河觀測實驗，并將觀測實驗與其觀測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，即用戶在瀏覽實驗內(nèi)容的同時可快速獲取相關(guān)數(shù)據(jù)（圖5）。

圖4 集成已有網(wǎng)站Fig.4 Integration of existing web sites

圖5 觀測實驗與對應(yīng)數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)Fig. 5 Correlation between observation experiment and corresponding data

2.2.2 數(shù)據(jù)管理、分析和共享

“數(shù)字黑河”已階段性地完成了數(shù)據(jù)集成，主要數(shù)據(jù)來源為黑河計劃有關(guān)項目的數(shù)據(jù)成果、黑河生態(tài)水文遙感試驗、以及黑河流域的各種基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量超過5 T，共1 058 條元數(shù)據(jù)。根據(jù)這些流域數(shù)據(jù)特點，我們建立了具有高穩(wěn)定性、高擴展性的分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上是實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享功能：用戶可以按照專題瀏覽、所有數(shù)據(jù)、空間檢索、關(guān)鍵詞瀏覽、縮略圖瀏覽、文獻(xiàn)瀏覽及作者瀏覽等方式查詢及下載數(shù)據(jù)，并提供了數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)實時監(jiān)測等功能。本節(jié)重點闡述數(shù)據(jù)共享功能中的幾個新的進(jìn)展：

（1）細(xì)化數(shù)據(jù)共享流程中用戶角色

NDHRIS 的數(shù)據(jù)共享流程如圖6 所示。各類數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者將數(shù)據(jù)提交到數(shù)據(jù)平臺，數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)評審之后正式發(fā)布，并注冊DOI。各類數(shù)據(jù)用戶可通過數(shù)據(jù)共享門戶以多種方式檢索、查看和按需下載數(shù)據(jù)。在該業(yè)務(wù)流程中，主要包括四種角色，具體如表1所示。

圖6 數(shù)據(jù)共享流程Fig.6 Data sharing process

表1 四種用戶角色Table 1 Four user roles

針對數(shù)據(jù)共享流程中涉及的四類用戶角色，NDHRIS提供了四個對應(yīng)的功能：

1）數(shù)據(jù)提交功能：為三類數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者提交數(shù)據(jù)提供支持。

2）數(shù)據(jù)檢索及下載功能：為兩類數(shù)據(jù)用戶檢索、查看（可視化）和獲取數(shù)據(jù)提供支持。

3）數(shù)據(jù)評審功能：為數(shù)據(jù)編輯和數(shù)據(jù)評審人組織評審或評審數(shù)據(jù)提供支持。

4）數(shù)據(jù)發(fā)布與管理功能：為數(shù)據(jù)管家發(fā)布經(jīng)過評審的科學(xué)數(shù)據(jù)集和注冊DOI提供支持。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)布流程的優(yōu)化

高質(zhì)量數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)，因此在匯交數(shù)據(jù)時必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查。舊的平臺已經(jīng)具備數(shù)據(jù)匯交的功能［18］：數(shù)據(jù)提供者需要首先登陸數(shù)據(jù)中心平臺，然后撰寫元數(shù)據(jù)并通過FTP 將數(shù)據(jù)實體進(jìn)行上傳，經(jīng)過數(shù)據(jù)中心檢查后發(fā)布數(shù)據(jù)。然而該匯交流程還存在一些不足：匯交數(shù)據(jù)編輯功能不夠靈活、數(shù)據(jù)提供者必須安裝FTP 客戶端工具、數(shù)據(jù)評審無法按照不同層級進(jìn)行評審（如項目、課題、子課題等）、匯交環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤后，數(shù)據(jù)中心管理人員只能通過郵件或者電話溝通解決。

新版數(shù)字黑河信息系統(tǒng)，在總結(jié)了大量數(shù)據(jù)作者及用戶的意見后，重新凝練了數(shù)據(jù)評審流程，從以下三個方面進(jìn)行了功能改進(jìn)（圖7）：

圖7 NDHRIS數(shù)據(jù)發(fā)布流程Fig.7 New data publishing process of NDHRIS

1）從數(shù)據(jù)提交者的角度，整個流程都是向?qū)圆僮?，顯著提高數(shù)據(jù)匯交效率，體現(xiàn)在兩個方面：開發(fā)了基于ISO19115標(biāo)準(zhǔn)的元數(shù)據(jù)編輯工具，替換開源元數(shù)據(jù)編輯器Geonetwork，使得元數(shù)據(jù)編輯更加能活，并且支持中文和英文兩種語言的元數(shù)據(jù)編寫；增加了網(wǎng)盤方式的數(shù)據(jù)上傳，提高用戶體驗；

2）從評審專家角度，細(xì)化了角色，可以從項目、課題、子課題等不同角色評審數(shù)據(jù)，實現(xiàn)逐級審核的過程，保證了提交數(shù)據(jù)的質(zhì)量；

3）從數(shù)據(jù)中心管理員的角度，減少了其操作步驟，只需根據(jù)系統(tǒng)提示邀請專家及根據(jù)意見判斷是否發(fā)布即可。

（3）基于元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)檢索

元數(shù)據(jù)互操作技術(shù)的發(fā)展，以及元數(shù)據(jù)互操作實踐成果提供的支撐使得元數(shù)據(jù)互操作具備可行性。因此，新版數(shù)字黑河系統(tǒng)基于ISO19115 標(biāo)準(zhǔn)［10］，對所有元數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，實現(xiàn)元數(shù)據(jù)之間的互操作：當(dāng)用戶在檢索資源時，系統(tǒng)可以在己經(jīng)建立關(guān)系的元數(shù)據(jù)元素字段中搜索（圖8），可以將不同的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)描述的相關(guān)信息資源檢索出來，實現(xiàn)黑河數(shù)據(jù)的一站式獲?。▓D9、圖10）。目前系統(tǒng)包含的數(shù)據(jù)集主要是基于中國寒區(qū)和干旱區(qū)關(guān)鍵變量的數(shù)據(jù)，如冰川、雪、凍土、沙漠、地表大氣強迫、土壤質(zhì)地、植物功能類型圖、生態(tài)水文遙感產(chǎn)品等模型數(shù)據(jù)集。

圖8 基于元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)檢索Fig.8 Data retrieval based on metadata

圖9 數(shù)據(jù)檢索界面Fig.9 Data retrieval interface

圖10 元數(shù)據(jù)瀏覽界面Fig.10 Browsing interface of metadata

此外，NDHRIS 也實現(xiàn)了多平臺數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理與共享：目前新系統(tǒng)與時空三極大數(shù)據(jù)平臺、國家青藏高原數(shù)據(jù)中心、三江源國家公園數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺以不同域名對外發(fā)布，但這些平臺均采用同一套數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，這樣的設(shè)計策列有利于平臺數(shù)據(jù)之間的互操作，如，對于元數(shù)據(jù)的錄入及編輯，這些系統(tǒng)均采用統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，管理員可根據(jù)數(shù)據(jù)的特點選擇不同的數(shù)據(jù)發(fā)布平臺。對于用戶來講，可在國家青藏高原數(shù)據(jù)中心搜索到NDHRIS中的數(shù)據(jù)。

（4）針對不同類型數(shù)據(jù)的可視化分析策略

數(shù)據(jù)可視化使抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易于辨識的圖像，為用戶提供更加直觀的信息和知識，是應(yīng)對數(shù)據(jù)共享平臺“數(shù)據(jù)豐富，信息貧乏”的有效手段［11］。NDHRIS 針對不同體量、不同類型的數(shù)據(jù)使用不同的的可視化策略，本節(jié)重點介紹地圖和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的可視化方法（圖11）。

圖11 系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)的可視化方案Fig.11 Visualization scheme of main data in the system

地圖可視化包括基礎(chǔ)圖層、專題圖層的可視化。

①基礎(chǔ)圖層可視化

使用地形、研究區(qū)域、河流、湖泊等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)繪制的地圖被作為基礎(chǔ)底圖使用，由于這些數(shù)據(jù)普遍數(shù)據(jù)量大，并且具有類型多、屬性多的特點，直接瀏覽如此大量的數(shù)據(jù)往往效率較低，所以需要引入瓦片地圖服務(wù)：預(yù)先將這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在服務(wù)器端生成切片并存儲，利用Geoserver將切片數(shù)據(jù)發(fā)布為WMTS 服務(wù)（Web Map Tile Service），最后在Web 前端使用Openlayer 加載該服務(wù)即可高效顯示基礎(chǔ)圖層。如圖12，該地圖中使用了Mapbox 發(fā)布的瓦片地圖以及經(jīng)過瓦片處理后的黑河流域（粉色區(qū)域），這種方式可以極大的提高了Web 訪問速度和用戶體驗。

圖12 以瓦片服務(wù)發(fā)布的研究區(qū)域Fig.12 Research areas published as tile services

②專題圖層可視化

根據(jù)專題圖數(shù)據(jù)量的大小，采取不同的渲染策略。如果是較小的矢量文件，服務(wù)器直接將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Geojson 格式的數(shù)據(jù)，并且通過Gzip 壓縮后再發(fā)送到客戶端，客戶端瀏覽器中可以自動解壓并利用Openlayer 直接顯示該Geojson 數(shù)據(jù)（圖13）。

圖13 黑河下游飛行區(qū)域在基礎(chǔ)圖層上疊加（綠色部分）Fig.13 Heihe downstream flight area is overlaid on the base layer（green）

如果是較大的矢量數(shù)據(jù)或者是柵格數(shù)據(jù)，需要調(diào)用瓦片服務(wù)（WMTS），該過程和基礎(chǔ)圖層的可視化過程一致。

對于結(jié)構(gòu)化的觀測數(shù)據(jù)，其格式一般為XLS 或CSV，如常規(guī)氣象水文觀測數(shù)據(jù)（降雨量、水位、流量等），該類數(shù)據(jù)我們利用Python 程序?qū)ζ溥M(jìn)行自動解析并保存到分布式數(shù)據(jù)庫中，所有的觀測數(shù)據(jù)都保存在Tb_value 表中，但我們對該表進(jìn)行了分表及索引的優(yōu)化，在這些工作的基礎(chǔ)上利用前后端交互的方式進(jìn)行可視化繪圖；客戶端將目前瀏覽的數(shù)據(jù)時間范圍和空間范圍發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器端則根據(jù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)范圍在存儲數(shù)據(jù)庫中查詢，然后將查詢結(jié)果轉(zhuǎn)換為JSON 格式［19］，并返回給客戶端，客戶端接收J(rèn)SON 數(shù)據(jù)并利用開源腳本Ecahrt 控件繪制圖像（圖14）。

圖14 氣象數(shù)據(jù)可視化效果Fig.14 Visualization of meteorological data

（5）面向生態(tài)監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)流數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測

物聯(lián)網(wǎng)［20-22］的興起為黑河流域生態(tài)觀測監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時獲取提供了重要保障［23］，這些數(shù)據(jù)具有高速、無限、不確定性等特征，我們稱之為流數(shù)據(jù)。面對這些流數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化方法存在挑戰(zhàn)：流數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生，如果將這些流數(shù)據(jù)全部加載到內(nèi)存中進(jìn)行顯示對于普通服務(wù)器無法滿足這樣得性能要求。如果采用客戶端頻繁請求服務(wù)器（如Ajax）的方式更新用戶界面上的可視化圖表，當(dāng)用戶量較多時服務(wù)器負(fù)載會急劇增加。

NDHRIS 基于Websocket 實現(xiàn)了客戶端瀏覽器與服務(wù)器持續(xù)的長連接，降低了服務(wù)器的負(fù)載，并且可以持續(xù)為客戶端提供最新數(shù)據(jù)及其可視化曲線，即只要服務(wù)器端接收到野外新數(shù)據(jù)，客戶端會立刻更新數(shù)據(jù)，如圖15，因黑河流域加密觀測期間數(shù)據(jù)采集周期為1 分鐘，所以整個數(shù)據(jù)監(jiān)測曲線每分鐘自動更新一次。

圖15 黑河上游、中游及下游數(shù)據(jù)實時更新（數(shù)據(jù)每分鐘更新一次）Fig.15 Real-time data in upper，middle and down stream of heihe river is updated every minute

2.2.3 模型共享

對黑河流域以及周邊地區(qū)建立科學(xué)模型是開展流域研究必不可少的一種手段［23］。數(shù)字黑河集成了流域生態(tài)-水文-經(jīng)濟模型，具有對冰凍圈水文過程、地表水與地下水交互、水資源利用、荒漠和綠洲的生態(tài)水文過程、人口經(jīng)濟社會發(fā)展等的綜合模擬能力。

NDHRIS基于開源項目GitLab建立模型代碼共享，提供了模型代碼瀏覽、共享及版本控制等功能，便于黑河模型集成研究的開源及共享（圖16）。

圖16 模型代碼共享界面Fig.16 Sharing interface of model codes

3 結(jié)論及展望

本文在集成已有數(shù)字黑河相關(guān)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用最新的技術(shù)和設(shè)計理念構(gòu)建了一個具有良好穩(wěn)定性和支持大數(shù)據(jù)分析接口的數(shù)字化信息平臺—新版數(shù)字黑信息系統(tǒng)（http：//heihe. westgis. ac.cn/）。該系統(tǒng)將觀測、數(shù)據(jù)、模型集成為一個整體，實現(xiàn)黑河流域科學(xué)數(shù)據(jù)信息服務(wù)，可以為黑河流域研究提供有力的支持。目前新系統(tǒng)已經(jīng)業(yè)務(wù)化運行，有效彌補了八個舊版黑河數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的不足，將進(jìn)一步提高黑河流域相關(guān)科研數(shù)據(jù)的共享效率和服務(wù)能力。

目前NDHRIS 的注冊用戶總數(shù)約為4 314 人，向大約100 個研究所和50 個項目提供了大約8 TB數(shù)據(jù)集和5 000 個數(shù)據(jù)服務(wù)。雖然已階段性地完成了數(shù)據(jù)集成和共享，但還存在一些問題。下一步工作將重點解決以下三個問題：

（1）利用Python 對NDHRIS 框架進(jìn)行了重新改造，具有了與大數(shù)據(jù)平臺（如Spark，Hadoop）對接的能力，但目前還未實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析功能。今后須完善Mapreduce、Spark 等大數(shù)據(jù)庫計算接口，并支持關(guān)鍵遙感數(shù)據(jù)典型反演算法接口的Web 調(diào)用（如植被覆蓋度、植被生產(chǎn)力、積雪覆蓋比例、雪深、凍融狀態(tài)、碳吸收能力等），為實現(xiàn)黑河流域的決策支持提供分析平臺。

（2）本系統(tǒng)只能與元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致的平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)互操作，然而目前已有的國內(nèi)外數(shù)據(jù)共享平臺沒有采用統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)語言各不相同，存儲策略各不相同，這為不同平臺之間的數(shù)據(jù)集成共享帶來挑戰(zhàn)。為了能夠進(jìn)一步增強NDHRIS 系統(tǒng)的使用范圍及影響力，下一步應(yīng)該考慮實現(xiàn)異構(gòu)平臺之間的互操作：對各種元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的元數(shù)據(jù)元素進(jìn)行分類，建立元數(shù)據(jù)元素之間多樣的關(guān)系，實現(xiàn)層級關(guān)系豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)之間的互操作，為異構(gòu)互操作的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)平臺提供支撐。

（3）基于ISO19115 標(biāo)準(zhǔn)，我們對NDHRIS 中所有元數(shù)據(jù)進(jìn)行了重構(gòu)，實現(xiàn)基于多要素的數(shù)據(jù)查詢，提高了數(shù)據(jù)查詢的效率和準(zhǔn)確度，但是，面對時空數(shù)據(jù)的快速增長，NDHRIS仍需面對新的挑戰(zhàn)：由于應(yīng)用任務(wù)和時空數(shù)據(jù)之間缺乏深度語義關(guān)聯(lián)導(dǎo)致信息服務(wù)從海量數(shù)據(jù)中為特定任務(wù)提取精準(zhǔn)信息的能力受到限制，因此筆者期望今后利用本體理論建立任務(wù)、時空數(shù)據(jù)及Web 服務(wù)的統(tǒng)一描述模型，并發(fā)展多級語義約束的“任務(wù)-數(shù)據(jù)”定量關(guān)聯(lián)方法，實現(xiàn)漸進(jìn)求精的數(shù)據(jù)智能聚合，提供更加智能的數(shù)據(jù)共享服務(wù)。