基于Openstack平台的智慧林业信息服务系统研究与实现

刘陆

(黑龙江省自然资源权益调查监测院，黑龙江 哈尔滨 150001)

随着云存储、大数据、互联网技术的不断发展，在过去的十几年间，林业信息化建设取得了较快发展。加快推进智慧林业建设，有助于林业决策的科学化、规范化、高效化。Openstack是目前相对成熟的开源云平台项目，已经被广泛应用于公共及私有云的建设与管理、自然资源信息化建设与保护等领域。Openstack在我国林业信息服务领域的应用将有助于促进林业领域的数据互通共享，实现林业发展提质增效。

1 Openstack及其特征

Openstack由美国NASA与 Rackspace 联合研究发布并由Apache授权在世界各地进行共享与使用，基于其一定的操作系统可帮助使用者开发和部署可移植、可共享、可伸缩且相对安全的服务器端应用程序，通常被工程人员称之为工具集。Openstack是简化云的部署过程，作为一种语言和平台，可实现程序的开发和装配，扩展性较好，发展速度较快。目前Openstack社区成员超过上百家，是以往Java、JavaEE平台的重要补充，HP、IBM 等世界一流公司也有贡献和支持，大有取代另一云平台Eucalyptus 的局面。

其两大模块包括Nova、Swift，分别由NASA和Rackspace开发，分别代表运算职能和云存储职能，二者即可同时使用也可以各自使用。可移植性是评价系统质量的重要因素之一，Openstack语言的可移植性较好，Nova、Swift等程序都具备良好的可移植性，可在某些条件下或一定范围内代替服务器端组件模型体系结构。应用该平台将使系统开发人员以往关心的操作环境移植问题得到有效解决，而不需要再重新编写源代码。此外，一些诸如Quantum、Cinder等辅助系统也都十分易于维护，Keystone提供各个不同组建认证功能，使得整个平台与项目更加完整。

2 基于Openstack平台的智慧林业信息服务系统架构

2.1 系统需求分析

目标平台位于 Openstack 云架构的顶层，平台将以林业信息服务为中心，结合服务标准规范和服务安全管理，充分考虑林业资源管理者和信息查询者的需求，设计出方便林业资源规划决策者、管理者和林业信息查询者操作的管理系统。整个系统服务将分为4个层次：(1)应用服务层(包括森林资源空间数据、林地面积统计分析、服务管理门户、其他)；(2)平台服务层(包括应用基础服务和平台服务支撑)；(3)数据资源服务层(包括数据资源处理和数据资源存储)；(4)基础设施服务层(包括物力资源和虚拟资源)。

2.2 数据资源服务层分析

数据资源服务层负责林业资源数据的存储和管理，方便用户进行高效快捷地享受数据资源服务。依托Openstack的数据分析模块开发，其开发效率高、可移植性好，通过必要的多维数组和索引，将森林资源数据库、荒漠资源数据库、湿地资源数据库、生物多样性数据库、基础地理数据库等无缝接入，建立组合数组和分割数组，提供数据分析、数据统计与数据可视化功能，有利于森林资源数据在云存储部分和虚拟化部分的有效运用。数据资源处理层可以基于林业资源海量数据和智能分析框架提供海量林业数据处理与分析能力。将分布式文件系统用于存储与林业资源管理相关的数据。数据库访问器既可以是基于中间件，使用ADO对象以及ADO的附加组，也可以使用JDBC执行SQL语句的Java API，此外，数据资源处理模块还能实现空间数据引擎和数据访问服务功能，体现林业数据的“空间性”和“时间性”。

2.3 林业资源数据并行划分策略

并行划分策略是林业资源分布式存储的前提条件。传统数据划分的具体方法有：轮转法、散列划分法等，为进一步提升数据的可伸缩性和可用性，系统采用矢量数据分布式存储方式，在对数据进行测定、采集、表述和数字化的基础上，基于格网辅助的STR-Tree索引生成划分算法，采用格网划分进行预处理，目的是促进各个计算节点最大并行化。划分、索引和冗余备份是保证虚拟节点中存储设备负载均衡的关键，且要充分考虑数据大小、结构、类型、语义，区分林业数据的水平方向和垂直方向，区分空间要素和属性要素，既能实现数据量均衡并行化的目的，又保持实体的空间联系特征，以便于数据的录入和后期数据的分类调出、量化显示和智能分析。

3 基于Openstack平台的智慧林业信息服务系统应用实例

Openstack作为智慧林业信息服务系统平台的底层框架，云存储(Swift)和虚拟化(Nova)是其两个非常重要的核心模块。云存储模块使用普通的服务器来构建可扩展的分布式对象存储集群，作为 IaaS 的存储服务。虚拟化模块将云端资源(大量服务器)以虚拟机的形式进行切割，分配给用户使用。整个框架中还有一个安全认证系统keystone 模块，提供对用户的认证功能。云应用层和应用该服务支撑层均采用主从式，由一个主节点和多个从节点构成。界面展现部分 horizon 可以运行在另一台服务器上，也可以作为一个单独的进程运行在某一台服务器上。为了方便 Openstack的研究和二次开发，Openstack 官方为用户提供了单机部署方案 ALL-IN-ONE，将管理节点、计算节点、存储节点配置在一台服务器上，可以提供多节点集群几乎完全一样的功能(核心代码完全一致，仅在网络和虚拟机迁移等配置上存在差别)。其一般多节点部署架构如图2所示：

省级智慧林业信息服务系统与各地市智慧林业信息服务系统可无缝对接，通过省级管理系统可直接进入各地市管理系统，查询林业资源的面积、蓄积、生物量、生长量、林地权属、林木权属、土地利用结构、群落结构、树种结构、龄组结构、起源构成、自然度、单位面积蓄积、平均生物量、平均生长率、平均郁闭度、平均树高、平均胸径、植被盖度、枯枝落叶厚度、腐殖质厚度等指标，实现集林地、湿地、沙地、生物多样性资源、碳汇资源、水源涵养、水土保持等资源为一体的“省级林业资源一张图”。再以二类小班数据的层层浏览查询定位功能，依托资源的原始调查与采集过程，提供地图导航、遥感影像、数据查询、基础地理、用户权限等服务。例如，从黑龙江省定位到绥化市，再选择青冈县，进一步查询到该县的民政镇，然后查询到有利村，可以获取更为详细的森林资源信息，即可获得小班的详细信息，有效解决了“林业资源分布在哪里”这一问题，为森林资源、荒漠化/沙化与石漠化土地、湿地资源和生物多样性资源的有效监管提供支撑。

4 结语

本文基于Openstack平台架构，设计了智慧林业信息服务系统服务框架，为林业管理者利用互联网+技术进行林业资源调查、监测、规划提供平台支撑。林业规划与管理部门要积极拥抱林业信息化管理服务平台类型、模式和管理技术，促进新技术和新应用在林业管理工作中的应用，为林业规划监测工作的智能化和信息化提供解决方案。