省级时空地理信息云平台架构设计研究

吴楫捷 谈畅

摘要： 構建省级时空地理信息云平台是统筹协调各方资源，提高政府服务能力的需要。本文以省级应用为基础，探讨时空地理信息云平台技术。通过超融合、海量数据存储、云安全等技术构筑云平台基础，同时引入数据抽取、清洗、挖掘分析、可视化等数据处理技术，以及分布式平行计算、SOA、微服务、容器等云化技术，提升时空大数据云平台的服务能力，为同类平台建设提供借鉴。

关键词：时空大数据分布式并行计算面向服务GIS技术业务云化微服务

随着智慧城市建设、土地确权、地名普查、地理国情监测、土地调查等一系列国家重大工程的陆续开展，我国各行业对遥感测绘地理信息需求旺盛，地理信息云平台是未来地理信息产业发展的基础[1]。

在智慧城市方面，智慧城市建设已经上升为国家级战略规划，成为新型城镇化的必由之路。截止到目前，国家智慧城市试点已达290个，投资过万亿。据工信部预计，中国智慧城市建设市场规模约4万亿。智慧城市建设需要基础地理数据的支撑，同时会极大地促进地下管网、城市空间信息管理、交通、环保、防灾减灾等行业的信息化建设，所有这些行业的信息化都需要基础地理云平台的支持。

构建省级时空地理信息云平台是统筹协调各方资源，提高政府服务能力的需要。平台的建成，将丰富数据服务内容，使得获取渠道和手段多样化，提供高效、便捷的大数据服务。政府通过该服务平台，既能规范、简化和优化办事流程，提高工作效率，又能促进政府决策合理化、管理科学化、服务高效化。

1现状分析

时空大数据来源广泛，数据的丰富性和飞速发展的云计算技术为GIS提供了新的应用模式，在这种形势下，经历了基础设施的梳理到整合，从数据聚合到按业务梳理，不断地探索时空大数据云平台技术实现之路。为适应当前信息化要求，仍有以下任务[2]。

（1）做好总体框架设计，满足未来发展需求。

（2）构建高效基础支撑层，满足计算、存储、I/O吞吐量、系统稳定性等综合要求。

（3）提升时空大数据挖掘分析能力，支撑更大范围数据的快速分析和数据深入挖掘能力。

（4）以应用为导向盘活时空大数据，探索更深入的应用。

2时空大数据云平台总体框架设计

以信息基础设施为支撑，以地理信息资源为基础，综合采用遥感卫星数据组织技术、计算机技术、GIS技术、数据集成技术，采用统一的技术架构，将多源、多尺度、多类型的地理信息资源进行有机组织，实现海量信息的高效管理与持续更新，提供地理信息便捷、高效、安全的在线共享服务。平台设计采用“层服务模型”思想，通过层次划分将其分解为若干个逻辑平台，降低实施的复杂度。项目的总体建设框架由运行支撑层、数据资源层、管理层、服务层和应用层所构成（见图1）[3]。

2.1 运行环境层

支撑层是项目正常运行的基本保障，包括运行环境（基础设施）、组织机构、安全体系、政策法规与标准规范体系。

2.2 数据资源层

数据层由基础地理信息数据库和平台共享服务数据库组成。平台共享服务数据库是在基础地理信息数据库的基础上，经过提取、扩充、重组、保密等处理而形成的。在平台地理空间框架数据的基础上整合各类专题数据，形成可为用户提供服务的共享服务数据。共享服务数据分不同网络部署，在保障数据资源安全的前提下，满足政府、公众用户的不同层面需求[4]。

2.3 管理层

地理信息公共服务平台的管理层通过数据管理子系统和运维管理子系统，实现对平台各类地理空间信息资源、资源目录、运行日志、系统用户等的管理。

2.4 服务层

服务层实现对地理信息公共服务平台各类空间信息资源的对外发布、交换和共享。支持的Web服务与API包括服务注册与检索、共享数据服务、兴趣点服务、地名库服务、空间分析服务、地图API等。这些Web服务和API能够方便地整合到其他系统中，有效减少系统建设难度，降低投入。服务层主要由共享服务子系统、资源展示子系统及一系列地理信息在线服务、二次开发接口组成，通过上述系统为其他用户提供服务[5]。

2.5 应用层

应用层是政府职能部门、企事业单位和公众基于地理信息公共服务平台的数据资源、功能接口及数据接口构建的各类应用系统，以提高辅助决策水平和公共服务能力。

3超融合高效基础支撑环境

省级时空地理信息云平台在原来虚拟化技术的基础之上，按照统一标准构建时空大数据云技术架构，实现裸金属服务器、虚拟机、容器环境、华为基础设施等多套技术体系的融合，最终达到统一化管理[6]。通过隔离驱动层，一方面直接支撑本省时空大数据业务，另一方面通过接口为与“数字政府”之间对接打下基础。详见图2。

4智慧云平台关键技术分析

4.1 互联网地图引擎

基于自主研发的拥有自主知识产权的独立地图引擎。该地图引擎主要用于地理空间数据的整合与管理、互联网地图的配置与发布、数据存取与分析，并提供符合OGC标准的地理信息服务。

4.2 多源异构地理空间数据聚簇索引技术

借鉴数据库中聚簇索引建构技术思路，实现了非结构化的多源异构地理空间数据聚簇索引技术，实现多源异构空间数据的注记、属性、空间位置的统一检索，满足了地理信息公共服务平台“千万图层，一站检索”的应用需求，保障海量空间数据的检索效率。

4.3 地理空间数据前置交换技术

采用“服务器+智能代理”式松散耦合的地理空间数据前置交换架构模式，构建一个由地理空间数据交换管理端和各个应用软件的交换智能终端（前置机）构成的分布式网络环境下的地理空间数据交换系统。支持网络单向连通环境下文件数据和异构数据库的地理空间数据双向交换和断点续传。

4.4 基于“文件-位置”形式的空间索引与查询优化

通过对空间数据文件的空间位置信息创建索引，建立基于内存与文件形式的空间索引，实现了地理空间数据的综合性空间查询，解决了利用数据库空间索引对大量的空间数据进行跨表查询效率不高、对数据库压力大的问题。利用该技术对外提供了空间范围查询地名地址、专题数据等服务，提升了平台服务的能力。如图3所示。

5以应用为导向盘活时空大数据

5.1 业务云化技术

在面向服务GIS架构基础上探索云化实现，从云化模板出发，结合容器技术实现业务微服务，达到云化业务程序的目的。

在微服务架构下应用docker容器技术，通过模板制作、应用类型注册、投递方案配置、投递参数配置、投递订单解析、投递流程实现等环节，初步构建了一套从开发、测试、部署、发布到持续交付的业务云化机制。

5.2 应用服务支撑

一是已实现包括三大阳光工程（阳光用地、阳光用矿、阳光用海）、国土空间规划、城市地质和决策参阅等重点应用支撑。二是政务信息共享方面，拟通过数据交换、服务对接等方式和政务大数据中心等实现联通对接，依照部门的职能按需共享，为其他政府部门共享自然资源专题数据，延伸数据服务范围。三是丰富自然资源时空大数据资源。计划利用政务大数据中心的人口、法人、社会信用等各类数据和服务，丰富数据内容。

6结语

省级时空地理信息云平台自建设以来运行稳定，实践证明取得较好效果：通过应用超融合架构，节省了硬件投资;通过云化业务技术，简化了应用部署;通过分布式高性能计算框架，提升了业务的对外服务能力;依托云平台建成的自然资源时空大数据中心，实现了数据资源的统一管理。随着数字中国的发展，时空大数据云平台将发挥更多作用。

参考文献

[1]徐刚，周必高，马奇蔚，等.顾及时空信息的暴雨精细化大数据平台构建方法[J].地理空间信息，2021，19（3）：28-30，37.

[2]曹春华，张泽烈，程宇翔，等.时空大数据服务平台建设模式及应用研究——以重庆市为例[J].测绘通报，2020（10）：135-138，156.

[3]赵朋.沈阳市时空大数据共享服务平台关键技术研究[J].测绘与空间地理信息，2020，43（7）：172-175.

[4]袁輝.面向时间地理分析的轨迹大数据建模与时空邻近性分析研究[D].武汉：武汉大学，2018.

[5]周洁.面向服务的时空大数据统计分析平台研究及实现[D].北京：北方工业大学，2020.

[6]乔天荣，马培果，许连峰，等.智慧城市时空大数据云平台发展策略的探讨[J].地理空间信息，2021，19（12）：94-96，105.