数字城市地理空间框架中市县一体化公共服务云平台的设计与实现

2018-06-04杨利娟

测绘通报 2018年5期

杨利娟

(湖南省第二测绘院，湖南长沙 410119)

数字城市地理空间框架的市、县分建模式在实施过程中往往遇到建设成果应用程度不够、向纵深发展不够、数字县域建设工作进展缓慢等问题。经分析主要存在以下原因：一是各市县独立建设项目需投入资金量大，财政难以负担；二是项目建设技术方案不同，平台兼容和资源共享难以实现；三是各市县项目主管部门人员、技术和支撑环境方面资源不足，系统运行维护难以保障等。

采用市县一体化的模式建设数字城市地理空间框架，即“数据共建、软件共用、平台共享、维护共担”，由市县共同开展地理信息公共服务平台建设，不仅能够有效促进市县两级地理信息资源开发、整合、共享和应用，提高财政资金使用效率，而且能够加快推进项目建设进程。因此，采用这种新的模式开展数字城市地理空间框架，可以有效解决当前数字城市地理空间框架建设工作面临的技术、资金及运维方面的困难，更好地为国民经济和社会发展提供信息化服务保障。

近年来，随着互联网、云计算、移动技术和物联网的迅猛发展，以分布式、并行化为代表的高性能计算技术正逐渐融入地理信息领域，为GIS的发展提供了一种崭新的方式，云GIS技术应运而生。国内外GIS平台厂商纷纷推出了自有的云GIS平台，如Esri推出的ArcGIS 10.4版本采用云+端的方式，国防科技大学研制了具有国际领先水平、自主可控的国产高性能地理计算软件平台HiGIS等。云GIS能够实现跨平台分布的空间数据集成，特别是具有云计算的“按需获取计算资源、灵活扩展基础架构”优势特性，可以实现集中调度，管理大量计算资源，从而改变传统GIS应用方法和建设模式，为数字城市地理空间框架建设提供更优秀的解决方案，使平台能够提供大规模的计算能力、海量数据的存储能力，实现资源集约化管理，大大提升平台的资源共享服务能力及管理效率。据此，本文应用高性能地理计算技术，构建云计算环境，基于HiGIS平台设计实现数字城市地理空间框架中市县一体化公共服务云平台。

1 市县一体化云平台运行模式

市县一体化云平台建设模式采用云集中式，将数据集中在市级管理，平台在云中心部署，为市县统一提供服务。该平台由市级负责顶层设计，依托市级的云计算环境、技术及人才优势，统一管理全市域地理信息数据，统一搭建公共服务平台，统一运维管理系统平台，为全市域地理信息应用和共享交换提供相关标准规范、技术支撑和平台服务。县级仅负责建设本县域的基础地理信息数据，不需单独搭建地理信息公共服务平台，而是将县级数据加载到市县一体化云平台，依托一体化平台实现县级数据管理和共享交换，以满足县域的地理信息应用需求。一体化云平台分基础版、政务版和公众版3个版本，3个版本相互隔离，权限设置分为市级和县级用户，根据区域权限对数据资源进行管理、操作。

(1) 基础版：由市县一体化云平台统一管理，以局域网(或专网)为基础，运行涉密地理信息数据。

(2) 政务版：由市县一体化云平台统一管理，以电子政务专网为基础，向市州、县市区各用户提供地理信息服务。

(3) 公众版(即天地图)：县级不单独建设，依托市级天地图平台扩展形成县级天地图门户网站，并且安装部署在市级，基于互联网向社会公众提供地理信息服务。

在此模式下，数字县域建设充分利用所属市州数字城市建设成果，统一市县数据、服务和接口标准，实现“硬件一体化、数据一体化、平台一体化、管理一体化和标准一体化”，县级只需做好本县域内的基础地理信息数据更新维护，不需要对平台进行运行维护管理，最大限度减轻县级经济、技术与管理负担。

2 市县一体化云平台建设采用的关键技术

2.1 高性能GIS应用

一体化云平台建设依托国防科技大学研制的HiGIS为底层技术核心，研建面向数字城市地理空间框架的高性能地理信息公共服务平台。

HiGIS平台与传统的GIS软件(如ArcGIS)相比较，能够更好地适应大数据条件下的高性能GIS计算需求，同时由于该平台所有代码均未采用商用部件，核心代码与器件为国防科学技术大学科研团队自主研制，并且能运行于全自主知识产权的软硬件环境中，实现了自主可控，能够有效保障地理信息安全。

市县一体化云平台采用HiGIS作为核心技术与支撑平台，基于HiGIS集群、多核、众核的并行化和可扩展技术实现海量空间数据组织与管理、大规模空间分析与处理、大范围空间数据并行可视化与制图等GIS核心功能，不仅能够大幅提升计算效率、地图绘制效率、海量时空模型的求解效率及空间查询检索效率，而且能够实现一体化云平台建设的完全自主可控，能够有效保障系统建设的安全。

2.2 虚拟化技术应用

虚拟化技术是实现云架构平台最重要的技术之一，它通过对基础设施进行虚拟化，形成动态的虚拟资源池，支持基础设施资源的共享和多次利用，从而能够有效支持一体化云平台按需创建、弹性调整、自动管理，以及动态分配存储和计算资源。

虚拟化技术包括服务器虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化。其中服务器虚拟化是指能够在一台物理服务器上运行多台虚拟服务器的技术，用户可以在虚拟服务器上灵活安装任何软件；存储虚拟化是一种将存储系统的内部功能从应用、主机或网络资源中抽象、隐藏或隔离的技术，实现无关网络的存储或数据管理；网络虚拟化是将多个硬件或软件网络资源及相关的网络功能集成到一个软件中统一管理和控制。

2.3 采用高可扩展性系统架构

一体化云平台采用了基于云计算模式的高可扩展信息系统架构，基于服务器集群的高性能计算方式对外提供地理计算服务，可方便通过系统规模的扩展来实现系统服务能力的增强，并且可以根据系统负载变化线性增强系统的性能，相比较于传统系统规模扩展方式，此种系统架构降低了节点间的耦合度，因此平台能够通过增加服务器节点方式实现系统性能的快速提升。

2.4 分布式文件存储技术应用

一体化云平台基于分布式文件系统的存储服务器与存储阵列构建云存储，集中管理所有存储设备，动态分配存储能力，实现海量空间数据存储与管理，并且提高了平台并发高速响应能力。分布式文件系统提供文件的分块、并行存取的文件组织管理功能，通过管理文件系统的元数据信息，在存放海量文件的同时提供高效的文件检索功能，并且管理整个存储系统的命名空间，对外提供单一的系统映像，使平台具有更好的安全性可靠性。

2.5 无插件三维快速可视化技术应用

一体化云平台建设基于HiGIS实现高性能三维时空数据可视化，支持客户端使用标准Web浏览器，无客户端插件的方式打开、浏览和操作地理空间三维数据。云平台集成了全球剖分、快速渲染、多细节层次模型、真实感渲染等基础三维地理空间可视化算法库，融合高性能计算、三维索引与调度、CPU/GPU和内存/外存协同的大场景三维可视化绘制等关键技术，以提供基于高性能服务器集群的三维并行绘制、三维绘制数据调度、三维瓦片等三维时空数据可视化功能服务。

3 市县一体化云平台的设计与实现

3.1 市县一体化云平台的总体架构

数字城市市县一体化云平台是基于云计算的服务全市域地理信息应用和共享交换的综合系统，汇集管理全市域基础地理信息资源，构建地理空间框架，按市县两级进行分类管理和应用，向全市域所有用户提供地理信息服务。一体化云平台总体架构可分为数据资源层、基础设施层、GIS支撑层、业务服务层和应用示范层，具体架构如图1所示。

图1 数字城市地理空间框架中市县一体化云平台总体架构

(1) 数据资源层。数据资源层是市县一体化平台服务的基础，汇总管理市县两级时空数据资源。该层通过对全市域范围的地理空间数据和业务数据进行采集、整合、处理、集成，实现全市域各类时空数据的统一汇聚、存储、融合和服务，为各类时空信息服务提供数据支撑。

(2) 基础设施层。整合市县现有的计算、存储和网络环境，并进行升级改造，构建基础云环境，为市县一体化云平台提供虚拟化的网络资源、存储资源和计算资源。主要包括硬件设施层和软件设施层，其中硬件设施包括服务器、高性能计算机等计算资源，通过交换机、路由器等网络设备搭建的网络资源，以及基于分布式文件系统的存储器与存储阵列构成的存储资源，为平台整体运行提供硬件支撑保障。软件设施包括云操作系统(如VMWare、华为FusionComputer)、服务器操作系统(如Linux)、微机操作系统(如Windows)、分布式文件系统和数据库管理系统(如HiGIS空间数管系统)，为平台整体运行提供基础软件运行环境。

(3) GIS支撑层。地理信息系统支撑层是整个平台的核心，该服务层为用户提供面向海量数据、复杂数据类型的地理信息网络化应用服务引擎。基于HiGIS构建面向大规模矢量、栅格数据一体化共享管理的并行化数据管理引擎，面向在线服务的并行化空间分析计算引擎，面向大规模多尺度地图浏览的并行化制图引擎，面向三维交互应用的三维地理可视化引擎，以及提供系统级管理功能的管理服务系统等。

(4) 业务服务层。业务服务层是公共服务平台对外提供各种服务和应用对接的基础，重点建设相应的数据管理及云服务业务软件，包括时空大数据管理系统和市县一体化云服务系统，实现对地理信息数据资源进行整理、聚合及集中化管理，为各种业务应用提供数据、功能、接口和基础设施等服务。

(5) 应用示范层。面向不同行业应用，构建各类示范应用系统，各系统依据权限分级对市县统一提供业务服务。

3.2 市县一体化云平台建设内容

根据数字城市地理空间框架建设的现状，充分利用已有的建设成果，结合数字城市、智慧城市发展的规划，依据国家、省相关技术标准和规范要求，开展标准规范系统建设，搭建基础云环境，构建高性能地理信息公共服务平台、时空大数据管理系统和市县一体化云服务系统。具体建设内容叙述如下。

3.2.1 标准规范体系建设

云平台建设是一种使用多种技术、多用户参与、应用广泛、数据源复杂的庞大的系统工程，为了保障平台建设和运维管理，必须加强各个环节的标准规范体系建设，重点开展数据标准、服务标准和运维管理等方面的标准体系建设。

3.2.2 基础云环境

基于云架构，利用虚拟化技术，通过配置服务器、交换机、存储器、云操作系统、分布式文件系统等软硬件设施，构建支撑时空信息大数据存储、时空信息服务和应用的可扩展、高安全的基础云环境，为一体化云平台的运行提供相匹配的虚拟化、存储和计算能力的基础设施保障。

针对基础版、政务版和公众版三类平台应用的特点，分别采用高性能和高扩展的模式构建支撑环境。其中基础版和公众版采用高性能模式构建支撑环境，满足多用户并发访问及平台计算能力需求。公众版可配备1套HiGIS服务器集群作为“云”中的计算资源，1台万兆交换机和1套分布式文件系统存储设备组成存储资源；基础版可配备1套HiGIS服务器集群作为“云”中的计算资源，1台磁盘阵列作为存储资源，1台万兆交换机和1台磁带库作为备份资源。政务版采用高扩展模式搭建支撑环境，满足政府部门多应用的需求，提供可高扩展的资源配置能力，采用基于虚拟化的云环境构架构建支撑环境，可配备1套HiGIS服务器集群构建虚拟化平台主机，1套SAN作为虚拟平台的可扩展网络存储。

3.2.3 高性能地理信息系统平台

高性能地理信息系统平台作为市县一体化云平台的核心部分，基于高性能服务器集群实现高性能时空大数据管理、并行化地理计算分析、并行地图实时制图、高性能三维时空数据可视化等GIS核心功能。

该系统通过可灵活组装的网络化GIS软件服务形式，依托高性能GIS引擎软件为客户端GIS应用提供高性能高并发的多元化GIS功能服务，支持构建面向大数据量、复杂数据类型的地理空间数据综合处理分析的网络化应用。高性能GIS引擎软件由数据管理引擎、并行计算引擎、并行绘制引擎、三维地理可视化引擎及系统管理服务5大模块组成，可实现数据存储、更新与维护、访问与服务、备份与恢复、地理计算和空间分析、可视化制图、地名地址检索服务、系统运行监控、系统日志服务与配置管理等功能。

其中数据管理引擎主要提供大数据量、复杂数据类型的地理时空大数据、海量位置数据及其关联数据的存储管理与高性能高并发访问功能；并行计算引擎主要提供多任务、多用户情况下地理计算算法及流程的资源分配、运行调度、状态监控、执行控制等功能；并行绘制引擎主要提供基于高性能服务器集群的地理时空大数据实时制图与可视化功能服务；三维地理可视化引擎主要提供基于高性能服务器集群三维并行绘制、三维绘制数据调度、三维瓦片等功能服务；系统管理服务主要提供整个高性能地理信息系统运行与应用管理功能。

3.2.4 时空信息大数据管理系统

针对当前数字城市地理信息公共服务平台缺乏对时间、动态地理数据的管理能力及对大规模地理数据管理效率较低的不足，构建时空大数据管理系统，重点开发数据处理、数据维护、数据管理、安全管理和空间分析4个子系统，实现各类结构化和非结构化时空数据的统一汇聚、存储、组织、处理、查询和统计等管理功能。

3.2.5 天地图市级节点

基于HiGIS JavaScript API构建市县一体化云服务系统的业务门户软件，实现系统登录、电子地图、示范应用、资源中心、开发中心、信息公告、用户指南等功能。

3.2.6 市县一体化云服务系统

针对高性能地理信息服务和市县一体化数字城市建设的需求，构建市县一体化云服务系统，重点开发研建时空数据服务、GIS功能服务、基础设施服务、二次开发接口、地名地址匹配等功能模块，实现高性能的数据、功能、接口、基础设施等服务，将硬件、数据和软件功能以服务的方式向用户提供。

3.2.7 市县一体化云平台运维系统

运维系统将所有与平台运行维护相关的内容进行统一管理，提供平台设置、用户管理、业务审核、平台监控、资源宿主、资源发布、服务管理等日常维护管理功能，对地理信息公共服务平台的服务、安全、运行等环节进行实时监控，保证一体化云平台的可靠性、稳定性和安全性。

3.2.8 市县一体化云平台应用示范系统

一体化云平台的应用范围包括企业、政务和公众等多个层面，各行业可以基于云平台的数据和功能服务，搭建各行业的应用系统，并可将系统部署在市县一体化云环境中，节约相应的软硬件基础设施建设费用。

4 结语

数字城市地理空间框架市县一体化建设既是顺应数字城市应用与推广工作发展的需要，也是兼顾省域经济社会发展水平实际情况，提升数字城市建设与运维管理水平的需要。数字城市市县一体化地理信息公共服务云平台基于高性能GIS平台集成虚拟化、网络化、智能化等关键技术，可以有效管理、整理盘活全市域的大数据资源，为公众、政府和企业提供了高效、实时、动态的市县一体化地理信息共享交换和应用服务，为数字城市地理空间框架市县一体化建设模式的实现提供了切实可行、高效优势的解决方案。

基于高性能地理计算的市县一体化云平台采用了全新的GIS平台构建方式，该平台的设计实现与推广应用，不仅能有效解决制约数字城市建设、运维管理与应用推广的财政经费短缺、管理体制落后、专业人才缺乏等问题，而且能够促进地理信息在各行各业的深度与广泛应用，为社会经济发展、政府决策、应急管理、城市建设、物联网应用等各方面提供高效的地理信息协调服务，加快了数字城市向智慧城市的发展进程。

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