郭振宇 廖容升 李正強 陳 輝

(浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院, 浙江 杭州 310023)

0 引言

近年來,我國大規(guī)模地開展了多種單向調(diào)查工作,例如,全國二次國土調(diào)查、森林資源八次普查、水利資源普查以及地理國情普查等[1]。在這些自然資源調(diào)查監(jiān)測過程中,發(fā)現(xiàn)存在如下幾點問題,一是各項自然資源調(diào)查監(jiān)測工作來源于不同部門,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不一致,導(dǎo)致同樣一塊土地,結(jié)果相互矛盾。例如，原國土資源部門認(rèn)為是綠地,林業(yè)部門卻認(rèn)為是林地;二是沒有宏觀地對各項自然資源調(diào)查監(jiān)測工作進行頂層設(shè)計,各個部門各自為政,導(dǎo)致“信息孤島”[2];三是各自建立自己的調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng),應(yīng)用無法共享交換。隨著自然資源部門的成立,自然資源調(diào)查監(jiān)測管理工作已成為業(yè)務(wù)管理的重要工作之一,并趨向科學(xué)化、精細(xì)化、集中化以及統(tǒng)一化管理,因此,在現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,建立統(tǒng)一的自然資源調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。本文利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)、云計算、移動互聯(lián)等先進技術(shù),結(jié)合現(xiàn)流行的微服務(wù)技術(shù)框架,構(gòu)建了自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,搭建了自然資源調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了自然資源展示、調(diào)查、監(jiān)測和巡查等業(yè)務(wù)功能以及對外服務(wù)接口可兼容性、可擴展性和高并發(fā)性,以便更好地為自然資源管理提供服務(wù),有效拓展業(yè)務(wù)需求[3]。

1 需求分析

1.1 系統(tǒng)承載的數(shù)據(jù)多源異構(gòu)程度和數(shù)據(jù)量級別需求更大

根據(jù)自然資源數(shù)據(jù)體系分類,整合了多個部門的基礎(chǔ)地理信息、土地、規(guī)劃、地質(zhì)、礦產(chǎn)、森林等數(shù)據(jù)資源,海量數(shù)據(jù)可達(dá)到千兆兆字節(jié)(petabyte,PB級)。這對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理、入庫、展示、查詢和統(tǒng)計等操作提出了更高的要求。

1.2 系統(tǒng)在功能和性能上需求更高

系統(tǒng)服務(wù)于自然資源調(diào)查監(jiān)測工作,涉及瀏覽器/服務(wù)器模式(browser/server,B/S)端、服務(wù)器/客戶機(client-server, C/S)端和移動互聯(lián)網(wǎng)端,且需要和原有調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)進行集成,承載海量空間數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、調(diào)度、共享服務(wù)以及安全管理。這對系統(tǒng)功能和性能上提出了更高的要求。

1.3 系統(tǒng)在空間資源共享服務(wù)方面需求更高

系統(tǒng)服務(wù)于自然資源內(nèi)部管理部門和其他政府部門,縱向上為省、市、縣以及村鎮(zhèn)4級自然資源部門提供應(yīng)用,橫向上為政府其他部門提供自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)共享和交換。這對系統(tǒng)空間資源共享服務(wù)方面提出了更高的要求[4]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 框架設(shè)計

系統(tǒng)基于微服務(wù)技術(shù)架構(gòu),實現(xiàn)從軟硬件資源、數(shù)據(jù)資源、服務(wù)資源到應(yīng)用層面的一體化設(shè)計,包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、微服務(wù)層以及應(yīng)用層四大核心層,各層按照一定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相結(jié)合,從而為自然資源調(diào)查監(jiān)測提供信息化支持[5]。系統(tǒng)框架設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架設(shè)計示意圖注：圖中，B/S為瀏覽器/ 服務(wù)器模式( browser/server) 端；C/S為服務(wù)器/客戶機( client-server) 端；CPU為中央處理器(central processing unit)。

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層是利用云計算思想,將服務(wù)器、存儲設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等軟硬件資源,進行虛擬化,用云端管理軟件對計算資源池、存儲資源池以及網(wǎng)絡(luò)資源池按需自動分配資源。

(2)數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)支撐,通過服務(wù)調(diào)用、數(shù)據(jù)采集、處理和入庫,構(gòu)建了自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫,包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、自然資源調(diào)查、監(jiān)測和巡查數(shù)據(jù)以及文檔資料數(shù)據(jù)等。

(3)微服務(wù)層是系統(tǒng)提高運行效率的核心,包括數(shù)據(jù)倉儲接口、微服務(wù)應(yīng)用、微服務(wù)管理和注冊中心以及服務(wù)網(wǎng)關(guān)等內(nèi)容。數(shù)據(jù)倉儲接口一方面與自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫對接,完成數(shù)據(jù)讀、寫操作;另一方面向微服務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)操作接口;微服務(wù)應(yīng)用是將自然資源調(diào)查監(jiān)測業(yè)務(wù)劃分為細(xì)粒度的服務(wù),部署在云端服務(wù)器中,從而實現(xiàn)服務(wù)集群;微服務(wù)管理和注冊中心實現(xiàn)對微服務(wù)的發(fā)布、注冊和管理;服務(wù)網(wǎng)關(guān)是將微服務(wù)應(yīng)用對外映射,實現(xiàn)服務(wù)的負(fù)載均衡、訪問控制、服務(wù)降級以及前后端路由請求轉(zhuǎn)發(fā)等。

(4)應(yīng)用層是系統(tǒng)調(diào)查監(jiān)測業(yè)務(wù)窗口,包括C/S端、B/S端以及移動終端應(yīng)用,并通過服務(wù)接口一方面調(diào)用其他業(yè)務(wù)系統(tǒng),另一方面為其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來源。

(5)兩側(cè)是保障系統(tǒng)運行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全運維保障體系。

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫、自然資源監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、自然資源巡查數(shù)據(jù)庫以及文檔資料數(shù)據(jù)庫等,數(shù)據(jù)庫建設(shè)內(nèi)容如圖2所示?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫包括大比例尺地形圖、遙感影像、傾斜模型、地名地址等數(shù)據(jù);自然資源調(diào)查數(shù)據(jù)庫包括調(diào)查圖斑數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、土地整治調(diào)查、違法建設(shè)用地調(diào)查、礦產(chǎn)資源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、森林資源調(diào)查等;自然資源監(jiān)測數(shù)據(jù)庫包括監(jiān)測圖斑數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀監(jiān)測、礦區(qū)開采邊界監(jiān)測、耕地保護監(jiān)測、森林林地破壞監(jiān)測等;自然資源巡查數(shù)據(jù)庫包括巡查人員、巡查路徑、巡查任務(wù)、歷史軌跡等;文檔資源數(shù)據(jù)庫包括自然資源調(diào)查監(jiān)測過程中產(chǎn)生的圖片、文本、視頻等資料。

圖2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)內(nèi)容示意圖

2.3 功能設(shè)計

系統(tǒng)搭建包括B/S端子系統(tǒng)、C/S端子系統(tǒng)和移動終端子系統(tǒng)3部分。B/S端采用Java開發(fā)語言,GIS相關(guān)開發(fā)采用ArcGIS API for Java Script;C/S端采用.Net平臺結(jié)合ArcEngine;移動終端主要基于Android系統(tǒng)進行開發(fā),GIS相關(guān)功能采用ArcGIS for Android API[6]。系統(tǒng)功能包括3部分,基于C/S端的數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)質(zhì)檢和數(shù)據(jù)入庫;基于B/S端的“一張圖”展示、自然資源調(diào)查和監(jiān)測管理、對外服務(wù)集成管理以及運維管理;基于移動終端的數(shù)據(jù)采集、任務(wù)管理以及日常巡查等。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 功能結(jié)構(gòu)示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)

微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)是在面向服務(wù)架構(gòu)(service-oriented architecture,SOA)的基礎(chǔ)上進行升級,可實現(xiàn)系統(tǒng)功能水平、垂直拆分,形成多個微服務(wù)集。微服務(wù)集能夠獨立部署和運行,通過服務(wù)注冊管理中心,實現(xiàn)負(fù)載均衡配置和路由控制[7]。因此,微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)具有部署簡單、可兼容、可擴展、異構(gòu)性強以及彈性大等特點,利用該技術(shù)框架進行自然資源調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)的搭建,可解決海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理、多接口對接以及共享融合多等問題。本系統(tǒng)采用Spring Cloud技術(shù)服務(wù)框架,實現(xiàn)服務(wù)注冊和發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)監(jiān)控、配置中心、日志監(jiān)控以及容錯限流等功能[8]。微服務(wù)服務(wù)響應(yīng)流程示意圖如圖4所示。

圖4 微服務(wù)服務(wù)響應(yīng)流程示意圖

3.2 Redis分布式多級緩存技術(shù)

在微服務(wù)技術(shù)框架下,每個微服務(wù)接口需要與數(shù)據(jù)庫進行交互,都會產(chǎn)生輸入/輸出(input/output,I/O) 操作。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)高并發(fā)時,將容易造成數(shù)據(jù)庫I/O 操作堵塞,導(dǎo)致客戶端請求時間延長或者數(shù)據(jù)庫宕機[9]。因此,為了降低數(shù)據(jù)庫的I/O 操作,系統(tǒng)采用Redis分布式多級緩存技術(shù)來提高數(shù)據(jù)訪問速度,將使用頻繁的自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)作為緩存數(shù)據(jù)藍(lán)本,在此基礎(chǔ)上建立服務(wù)器內(nèi)存緩存,當(dāng)數(shù)據(jù)訪問時,可直接通過服務(wù)接口從內(nèi)存中獲取數(shù)據(jù),從而減少了I/O 操作,提高了系統(tǒng)性能。Redis分布式多級緩存技術(shù)I/O 操作流程示意圖如圖5所示。

圖5 Redis分布式多級緩存技術(shù)I/O 操作流程示意圖

3.3 對外服務(wù)快速對接集成技術(shù)

系統(tǒng)一方面需要集成原有各部門的調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng),從而形成統(tǒng)一的調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng);另一方面需要為政府其他部門或者平臺提供數(shù)據(jù)和功能服務(wù)。原有系統(tǒng)或者其他平臺因技術(shù)限制,無法實現(xiàn)技術(shù)協(xié)同,難以實現(xiàn)集成或者擴展,即便有些系統(tǒng)集成了,使用效率也比較差。因此,本系統(tǒng)采用的Spring Cloud技術(shù)框架,利用網(wǎng)關(guān)服務(wù)實現(xiàn)了不修改外部服務(wù)任何代碼的基礎(chǔ)上進行服務(wù)集成,還可以根據(jù)接入服務(wù)數(shù)量的不同,采用不同的路由規(guī)則。對外服務(wù)配置如表1所示。

表1 對外服務(wù)配置示意表

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.2 C/S端子系統(tǒng)

系統(tǒng)實現(xiàn)了自然資源各類數(shù)據(jù)的編輯、質(zhì)檢和入庫工作,為業(yè)務(wù)辦理提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)編輯包括數(shù)據(jù)新增、修改、刪除等操作[10],例如,對土地利用圖斑數(shù)據(jù)點擊“修改”按鈕,可以修改圖斑數(shù)據(jù)的調(diào)查人員、圖斑面積、調(diào)查時間等屬性信息;數(shù)據(jù)質(zhì)檢是對自然資源數(shù)據(jù)采集編輯完畢后,進行空間拓?fù)錂z查、屬性完整性檢查等,確保數(shù)據(jù)符合入庫要求;數(shù)據(jù)入庫由數(shù)據(jù)質(zhì)檢完成,點擊“一鍵入庫”按鈕,自動進行數(shù)據(jù)入庫操作。

4.1 B/S端子系統(tǒng)

系統(tǒng)實現(xiàn)了自然資源各類數(shù)據(jù)的“一張圖”展示、自然資源調(diào)查管理和監(jiān)測管理、對外服務(wù)集成管理以及運維管理。“一張圖”展示實現(xiàn)了自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的各類數(shù)據(jù)在統(tǒng)一參考坐標(biāo)下疊加展示,還包括圖層控制、多屏對比、卷簾控制、空間查詢等功能;自然資源調(diào)查和監(jiān)測管理實現(xiàn)了調(diào)查任務(wù)從創(chuàng)建調(diào)查和監(jiān)測圖斑、下發(fā)調(diào)查和監(jiān)測圖斑、調(diào)查和監(jiān)測圖斑信息填寫、核實調(diào)查和監(jiān)測圖斑信息到調(diào)查和監(jiān)測圖斑提交全過程管理。對外服務(wù)集成管理是利用微服務(wù)技術(shù)框架,將原有的調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)有效進行了集成,從而實現(xiàn)自然資源調(diào)查監(jiān)測統(tǒng)一管理,即：調(diào)查監(jiān)測任務(wù)統(tǒng)一創(chuàng)建、下發(fā)、調(diào)查和提交。運維管理是系統(tǒng)的后臺維護功能,主要包括人員管理、數(shù)據(jù)管理、服務(wù)管理以及權(quán)限管理等。

4.3 移動終端子系統(tǒng)

移動終端子系統(tǒng)實現(xiàn)了外業(yè)調(diào)查人員接收調(diào)查監(jiān)測任務(wù)、數(shù)據(jù)采集以及日常巡查等功能。移動終端子系統(tǒng)與B/S端子系統(tǒng)相互連通,可以快速接收上級下達(dá)的調(diào)查監(jiān)測任務(wù),并開展調(diào)查監(jiān)測作業(yè);數(shù)據(jù)采集是對調(diào)查監(jiān)測圖斑對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的信息進行采集,包括圖斑名稱、圖斑調(diào)查內(nèi)容、圖斑調(diào)查時間、聯(lián)系人、調(diào)查人等信息,還要對圖斑進行拍照和攝像,以保證獲得現(xiàn)場第一手資料;日常巡查包括巡查任務(wù)和人員安排、巡查路徑設(shè)計、歷史巡查軌跡等功能,輔助調(diào)查人員進行日常巡查工作,確保調(diào)查監(jiān)測區(qū)域全覆蓋、無遺漏。

5 結(jié)束語

為了構(gòu)建自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測體系,實現(xiàn)自然資源集中、精細(xì)和高效管理,搭建了自然資源調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)。本文闡述了系統(tǒng)建設(shè)的框架、數(shù)據(jù)庫、功能以及關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)建成后取得以下幾點效果,一是利用當(dāng)前先進的微服務(wù)技術(shù)框架,實現(xiàn)了部門內(nèi)多套調(diào)查監(jiān)測系統(tǒng)的集成,且運行效果良好;二是統(tǒng)一了自然資源調(diào)查監(jiān)測體系,實現(xiàn)了調(diào)查監(jiān)測任務(wù)統(tǒng)一創(chuàng)建、下發(fā)、處理和上報全過程管理,節(jié)約了時間,節(jié)省了經(jīng)費,提高了效率;三是系統(tǒng)實現(xiàn)了自然資源部門內(nèi)部和政府其他部門的互聯(lián)互通,數(shù)據(jù)可共享和交換,提高了數(shù)據(jù)的利用率。