陳賓賓，李雪松，李子揚，苑馨方

（1. 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院中國科學(xué)院定量遙感信息技術(shù)重點實驗室，北京 100094）

我國草地資源豐富，擁有天然草原4 億hm2，占國土面積的41%，是我國耕地面積的3 倍，森林面積的1.9倍，約占全球草原面積的12%[1]。由于人為和氣候干擾因素，尤其是不合理的畜牧業(yè)發(fā)展方式，我國部分牧區(qū)存在草畜失衡、草地水土流失、生物多樣性下降等現(xiàn)象，進一步加劇了草原生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的敏感性，牧區(qū)草地生態(tài)功能日益衰減，蟲鼠害、沙塵暴等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生[2-3]。然而，牧區(qū)草地過載仍無法解決我國飼草料和畜產(chǎn)品嚴重依賴國際進口的問題，部分牧區(qū)甚至因為草畜失衡導(dǎo)致產(chǎn)能進一步萎縮，嚴重制約了牧區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展以及和諧社會的穩(wěn)步構(gòu)建[4-7]。因此，在牧區(qū)草畜平衡動態(tài)機制制約下，如何準(zhǔn)確分析和預(yù)判放牧管理、草畜調(diào)配、草地管理、旅游規(guī)劃與開發(fā)等人為干擾，以及干旱、霜凍、低溫、沙塵暴等氣候和災(zāi)害事件對牧區(qū)草畜資源分布的干預(yù)與制約作用，揭示草畜動態(tài)平衡和牧區(qū)管理之間的相互作用和反饋模式，是當(dāng)前牧區(qū)草畜資源規(guī)劃亟待解決的重要難題。構(gòu)建基于三維數(shù)字地球的牧區(qū)草畜資源動態(tài)演變可視化系統(tǒng)，有助于實現(xiàn)在氣候變化、社會活動、經(jīng)濟政策等制約下的牧區(qū)草原放牧密度和草地生產(chǎn)力信息的預(yù)報預(yù)測以及4D 動態(tài)展示，為地方草牧業(yè)決策提供支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

牧區(qū)草畜資源動態(tài)演變可視化系統(tǒng)利用星空地一體化多源草畜資源、自然條件和社會經(jīng)濟等多維信息，實現(xiàn)典型干擾情景約束下的草畜動態(tài)平衡模擬的預(yù)測推演，并多維度展示資源動態(tài)演變，在線分析人為干擾、氣候事件與災(zāi)害現(xiàn)象對草原生態(tài)系統(tǒng)和功能變化的影響，為草原管理和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供決策支持。

B/S 架構(gòu)將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集成到服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用。牧區(qū)草畜資源動態(tài)演變可視化系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)設(shè)計（圖1），包括兩個主體功能：草畜平衡預(yù)測預(yù)報，針對示范實驗區(qū)的草畜平衡干預(yù)情景，開展干擾因子對草畜資源影響的預(yù)測推演以及情景應(yīng)對措施的決策輔助，提供在數(shù)據(jù)分析線服務(wù)；草畜資源動態(tài)演變可視化，基于地理空間信息平臺，對示范實驗區(qū)的草畜資源和預(yù)測推演過程進行4D時空數(shù)據(jù)展示。

圖1 平臺軟件體系結(jié)構(gòu)圖

2 Node.js平臺

Node.js 是2009 年5 月發(fā)布的基于Chrome V8 引擎的開源Javascript 運行環(huán)境，打破了過去Javascript 只能在瀏覽器中運行的局面。前后端編程環(huán)境統(tǒng)一，可大大降低開發(fā)成本。Node.js的優(yōu)點為[8-12]：

1）運用事件驅(qū)動模型。Node.js 主要包括應(yīng)用層、V8引擎層、NodeAPI層和Libuv層。Libuv層維護了一個Event Queue的事件隊列，收到請求后，通過應(yīng)用層和NodeAPI 層將請求作為一個事件放到Event Queue 事件隊列中，并設(shè)置回調(diào)事件函數(shù)，再繼續(xù)接收新的請求。在Libuv 層的Event Loop 事件循環(huán)讀取Event Queue中的事件，若遇到非阻塞事件，則自行處理，并在處理完后調(diào)用回調(diào)函數(shù)向上一層返回結(jié)果；若遇到阻塞事件，則委托給后臺線程池來處理，阻塞操作完成后，執(zhí)行結(jié)果與提供的回調(diào)函數(shù)一起再被放入事件隊列中，這樣可通過異步編程實現(xiàn)高吞吐量和高性能。

2）運用異步、非阻塞式I/O 模型。每個I/O 操作均通過高度嵌套的回調(diào)函數(shù)處理，這是Node.js異步交互原則的規(guī)定[13-15]。當(dāng)執(zhí)行過程中遇到I/O阻塞（查詢數(shù)據(jù)庫、訪問遠程服務(wù)等）時，事件循環(huán)線程不會停下等待輸出結(jié)果，而會繼續(xù)執(zhí)行隊列中的下一個任務(wù)。在函數(shù)執(zhí)行時，Node.js在事件隊列中放置回調(diào)函數(shù)，根據(jù)函數(shù)的完成快慢順序調(diào)用。

3）跨平臺支持，非瀏覽器環(huán)境下運行性能好。V8引擎本身使用了一些最新的編譯技術(shù)，可極大提升Javascript腳本語言編寫的代碼的運行速度。Node.js不僅對Chrome V8 引擎進行了封裝，還針對一些特殊用例進行了優(yōu)化，提供了替代的API，使V8引擎在非瀏覽器環(huán)境下運行更好，執(zhí)行Javascript的速度得到了提升、性能更好[16-17]。

4）易于擴展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Node.js是基于Chrome V8引擎構(gòu)建的，因此它的模型與瀏覽器是類似的，運行在單個進程的單個線程上，但其仍可利用CPU的多個核心。Node.js通過child_process.fork()API來生成子進程，以實現(xiàn)多核CPU的利用。另外，建立在同一個接口上的Cluster模塊允許在進程之間共享套接字（sockets），以實現(xiàn)核心的負載均衡。

3 中間件設(shè)計

牧區(qū)草畜資源動態(tài)演變可視化系統(tǒng)的中間件軟件體系結(jié)構(gòu)拓撲圖見圖2。中間件連接草畜平衡預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)、草畜資源動態(tài)演變可視化系統(tǒng)和地圖服務(wù)系統(tǒng)。草畜平衡預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)主要負責(zé)示范實驗區(qū)典型干擾情景設(shè)置（參數(shù)輸入）、草畜平衡預(yù)測推演，界面基于Web開發(fā)；地圖服務(wù)系統(tǒng)主要負責(zé)草畜平衡預(yù)測推演結(jié)果的數(shù)據(jù)發(fā)布，采用GeoServer地圖服務(wù)器進行地圖發(fā)布；草畜資源動態(tài)演變可視化系統(tǒng)主要負責(zé)動態(tài)展示草畜平衡預(yù)測推演全過程，基于Cesium三維開源地圖引擎實現(xiàn)。Cesium是一個用于構(gòu)建三維場景和地圖的開源三維渲染引擎，采用B/S 架構(gòu)且遵循WebGL三維繪圖標(biāo)準(zhǔn)，基于Javascript編寫[18]。草畜平衡預(yù)測與動態(tài)展示數(shù)據(jù)交互中間件采用Node.js，主要負責(zé)用戶操作監(jiān)控、輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)發(fā)、推演結(jié)果發(fā)布、可視化系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)推送；此外，還包含一個全局的進程守護程序，負責(zé)解決Node.js 可能出現(xiàn)的異常，防止崩潰，包括回調(diào)函數(shù)發(fā)生的異常，保證中間件的可靠運行。

圖2 體系結(jié)構(gòu)拓撲圖

3.1 接口設(shè)計

中間件接口采用一種面向資源的設(shè)計，所有操作與URI 綁定，借助http 請求方法獲取服務(wù)需要的資源，暴露在網(wǎng)絡(luò)中的是面向資源的服務(wù)。中間件包括兩個獨立進程：①基于GeoServer 的數(shù)據(jù)存儲發(fā)布服務(wù)，提供中間服務(wù)；②基于Cesiume 的三維展示前端，提供交互服務(wù)。系統(tǒng)基于Ajax函數(shù)庫進行二次封裝，實現(xiàn)了Client 類，包含GET、POST 等6 種請求方法，可方便地使用其處理RESTful請求。REST風(fēng)格的Web 服務(wù)能將網(wǎng)絡(luò)上的事物抽象為資源，并通過URI標(biāo)識。中間件的接口引擎引入該方式，將前端所需數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)操作的組合看作資源。URL的基本格式包括：①協(xié)議，通常為http或https；②服務(wù)器主機地址和端口號，主機地址可以是域名、主機名或IP 地址，默認端口號可省略；③資源相對路徑，通常用“/”隔開；④請求參數(shù)，由問號開始用等號隔開的鍵值對對應(yīng)的參數(shù)組成，多個參數(shù)間用“&”分隔。在符合URI設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的前提下，采用“項目編碼/分類編碼/資源編碼”的格式定義資源相對路徑，各編碼由前端開發(fā)人員通過數(shù)據(jù)接口定制工具自行定制服務(wù)接口地址。中間件主要包括情景監(jiān)聽訂單輸入接口、情景監(jiān)聽輸出接口、情景列表獲取接口、查詢情景數(shù)據(jù)接口、顯示配置文件接口、情景預(yù)測輸出接口、地圖服務(wù)圖層更新接口等。

進程一主業(yè)務(wù)接口通過RESTful 接口監(jiān)聽人為情景草畜平衡預(yù)測結(jié)果，主要包括請求的任務(wù)ID、預(yù)測開始的時間、預(yù)測的年份、牲畜類型以及人為情景草畜平衡時間序列矩陣。成功獲取預(yù)測結(jié)果后動態(tài)更新GeoServer 圖層，為用戶后續(xù)請求提供響應(yīng)。輸入?yún)?shù)、類型屬性、牛和羊?qū)傩浴⑤敵鰠?shù)見表1～4。進程二主業(yè)務(wù)接口通過RESTful 接口提交訂單任務(wù)ID，查詢進程一狀態(tài)，若錄入成功，則通過Cesium 提供基于時間序列的三維交互響應(yīng)；若未成功，由可視化插件顯示未成功響應(yīng)結(jié)果。輸入、輸出參數(shù)見表5、6。

表1 進程一輸入?yún)?shù)

表2 類型屬性

表3 牛和羊?qū)傩?/p>

表4 進程一輸出參數(shù)

表5 進程二輸入?yún)?shù)

表6 進程二輸出參數(shù)

3.2 中間件測試

在Windows 10 平臺，通過Chrome 瀏覽器啟動草畜平衡預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)，輸入草畜平衡模型計算參數(shù)，中間件實時接收輸入?yún)?shù)，啟動數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)；等待模型計算完成，將計算圖像結(jié)果通過GeoServer進行服務(wù)發(fā)布；完成地圖服務(wù)發(fā)布后，進行草畜資源動態(tài)演變可視化系統(tǒng)的參數(shù)配置，并打開可視化系統(tǒng)實現(xiàn)草原NPP、GPP、生物量等情景關(guān)鍵參數(shù)以及草原載畜量變化的時空動態(tài)展示。測試效果見圖3，用戶設(shè)置預(yù)測起始年為2017年、預(yù)測3年的草畜平衡，進程一得到計算結(jié)果后，由進程二提供連續(xù)3 年的預(yù)測結(jié)果，并進行動態(tài)交互展示。

圖3 系統(tǒng)效果圖

4 結(jié) 語

本文基于Node.js設(shè)計了草畜平衡數(shù)據(jù)中間件，并在開源Cesium JS 平臺上進行了驗證。結(jié)果表明，中間件實現(xiàn)了情景驅(qū)動的草畜資源演變過程的動態(tài)展示功能，包括情景關(guān)鍵參數(shù)展示，草原NPP、GPP、生物量等演變過程時空動態(tài)展示，草原載畜量變化過程時空動態(tài)展示等。中間件基于Node.js 開發(fā)，使得前、后端共用一部分代碼和邏輯，有效保證了最高的效率和最低的維護成本，提高了系統(tǒng)的可復(fù)用性。同時，由于Node.js 采用事件驅(qū)動、非堵塞I/O 模型，保證了中間件的輕量化，有利于系統(tǒng)部署與安裝。草畜平衡數(shù)據(jù)中間件下一步的研究方向為提高中間件的并發(fā)處理能力，包括將服務(wù)器改進為多核Node服務(wù)器、引入Redis 高性能緩存、消息隊列機制等，使中間件具有更加優(yōu)異的并發(fā)處理能力。