微服务架构在国土空间基础信息平台建设中的应用

林晓菲

(南京市国土资源信息中心 江苏南京 210000)

1 引言

根据国家机构改革要求，新组建的自然资源部于2018 年4 月10 日正式挂牌，并被赋予新时代意义的“两统一”职责[1]。“两统一”职责对自然资源事业提出了更高的要求。2017 年，原国土资源部发布了《国土空间基础信息平台建设总体方案》，要求发挥国土空间基础信息平台对现状、规划、管控和社会经济数据等各类国土空间要素的管控与监管作用，2019 年，国家又印发了《中共中央、国务院关于建立国土空间规划体系并监督实施的若干意见》，意见中又明确了要依托国土空间基础信息平台来建立国土空间规划动态监测评估预警和实施监管机制，进一步明确了国土空间基础信息平台在自然资源管理工作中的重要地位。按照《国土空间基础信息平台建设总体方案》要求，国土空间基础信息平台建设的主要任务包括建立技术标准规范体系、建设国土空间基础信息云管理与服务平台系统、建设数据资源体系以及建设相应基础环境[2]。

国土空间基础信息平台建设有以下特点：

（1）平台在功能和性能上要求更高。围绕“两统一”的职责要求，分解落实调查、资产（产权）、规划、管控、利用、修复（保护）、执法等七项核心职能，每项职能的背后是一批支撑业务审批、监管的信息系统和服务于政府和社会的信息平台，系统平台上各类空间数据的有效关联、高效调度、共享服务与安全管理要求都更高。

（2）平台承载的数据异构程度和量级更大。按照国土空间数据资源体系，整合了基础地理、航摄遥感、地政、矿政、规划、不动产、交通、农林以及人口等社会经济数据形成的国土空间各类数据，量级将达到PB 级，且数据越丰富，异构性越高，数据处理、使用、检索和分析的要求更高。

（3）平台在空间资源共享服务方面要求更高。国土空间基础信息平台是面向自然资源管理部门内部的三大应用支撑，即调查监测评价、互联网+自然资源政务服务和监管决策，纵向部、省、市、区四级应用，以及横向各部门提供国土空间数据共享和应用服务，同时，还应与各地已经启动或者即将启动的其他空间数据管理服务平台（如：智慧时空大数据云平台、城市信息模型平台）集成服务、建立应用共享。

因此，地方层面在开展国土空间基础信息平台建设时，大多是基于已有的“一张图”工程建设成果[3-5]，同时以云平台建设为提升，采用微服务、中台架构和大数据分析等先进技术，通过云资源管理、多元数据管理和多样化应用管理来完善国土空间基础信息平台[6-7]。

南京市结合国土资源信息化建设现状，建立了国土空间数据资源体系，同时按照新一代云GIS 理念、微服务架构、大数据技术，对“一张图”服务平台技术架构进行升级，建设横向上基于市政务服务网络的与各市级部门连通，纵向上连接部、省厅、区、国土所四级的数据云管理与服务平台。

2 总体框架

平台采用云计算架构，实现从软硬件资源、数据资源、到服务平台、业务应用层面的一体化。从逻辑架构来看，整个平台可以划分为四个层次：硬件基础设施层、软件支撑层、资源服务层、平台服务层、应用服务层和门户应用层，如图1 所示：

3 关键技术

3.1 微服务架构

微服务作为一种架构风格，是从单体应用演化过来的，并在SOA 基础上做了升华。微服务可将系统功能垂直或水平拆分，每个部分都可以独立部署和运行，并且能单独配置负载均衡，小应用通过微服务API 网关交互和集成，因此微服务具有技术异构性、弹性大、可扩展、部署简单等优点[8-10]，适宜解决国土空间基础信息平台建设过程中的系统庞大、数据异构以及共享融合多的问题。

图1 总体架构图

（1）高性能的微服务开发框架

Sping Cloud 是在Pivotal 公司的Spring Boot 基础上构建的用于快递搭建分布式系统的通用模式的工具集。该框架对分布式系统基础设施的开发进行了简化，如服务注册发现、日志监控、服务网关、集群式状态管理、配置中心、调用链监控、容错限流等，Sping Cloud 都提供了简单的开发方式。该服务框架已被广泛应用于实际[9-10]。

Dubbo 是一款高性能、分布式Java RPC 服务框架。从整体架构上看，Dubbo 按照横向（服务提供者、服务消费者）和纵向（9 层3 大类架构）对框架进行了划分，通过provider（服务提供者）、consumer（服务消费者）、registry（注册中心）和monitor（监控中心）4个服务提供微服务的注册、发现和负载均衡。Dubbo还支持第三方扩展，即Dubbo 内建的功能可以通过扩展机制提供，第三方的扩展与内建的功能也能相互取代[11-12]。

（2）服务拆分

服务拆分是实现微服务的一个关键步骤，过粗的拆分达不到微服务分布式的效果，过细的服务拆分反而会增加服务和服务之间通信的冗余。

拆分的一般分为两步，一是分析业务模型，形成低耦合高内聚的服务；二是确定各个服务的边界。以本项目为例，服务分为下面几个模块：

用户服务：用户登录、角色提供、部门提供、密钥服务。

查询服务：空间查询、图像输出、综合查询、目录菜单。

分析服务：叠加分析、缓冲区分析、专题应用、用户地图。

最后产生的依赖关系是拆分后的查询服务与分析服务依赖于用户管理，用户管理作为底层服务不依赖于其他服务。

图2 分析业务模型图

查询服务和分析服务的共享模型是用户，需要获取用户的基本信息、权限信息等内容，用户管理提供接口给相应服务。

图3 业务边界图

3.2 基于混合数据库的分布存储技术

相比单体系统，微服务架构在各个数据库的表示没有变化的，但是将数据库分成了多个库，结合国土空间数据源多样化（包括数据库、文本、图片、空间数据等各类结构化、非结构化及半结构化数据）、数据量大等多种特性，为提高数据的可靠性、可用性和存取效率，采用了Oracle（结构化属性数据）、mongdb（栅格切片数据和文件）、elasticserach（全文检索数据）、postgis（矢量和属性）和HBASE（空间分析相关数据）、Redis（结构化属性数据），经过大数据清洗、融合、质检、处理等多项流程才能实现空间大数据入库，通过空间大数据引擎实现分布式关系型数据库集群、分布式实时数据库集群、分布式NoSQL 数据集群等统一大数据存储管理。

3.3 云GIS 服务技术架构

云GIS 服务技术架构是以并行计算、智能集群、跨平台、64 位计算为技术基础，将云计算的理念和特征应用到GIS 领域，支撑地理空间要素的建模、存储、处理等，以更加友好的方式，使各级国土部门快速、高效、低成本地使用地理信息资源，且有多种交互方式，满足低响应时间和高并发处理等性能要求。

图4 云服务技术架构

由于微服务具有技术异构性、易扩展、可组合等特点，服务之间可通过轻量级协议通信，事宜部署在云GIS 这类的分布式结构体系中，可以单独进行实例拓展，提高性能。同时也可以根据每个服务的流量来部署相应规模。

图5 系统数据资源目录

图6 土地利用现状分析

图7 储备潜力分析

4 结束语

国土空间基础信息平台建成后，将为业务应用提供规范化的可复用基础服务、数据服务、专题服务和定制服务等服务资源。同时按照南京市规划和自然资源部门的职能定位和管理要求，还将开始智慧时空大数据云平台和城市信息模型平台（CIM）的建设，同为空间数据管理平台，这三个平台在数据内容、平台功能和服务对象上都存在交叉，需要进行重新定位和整合。