貴州省生態保護紅線云GIS監管平臺研究與實現

黃登紅 周忠發 王歷 張紹云

摘 要： 為了推進管控貴州省生態保護紅線的信息化，采用VMware部署私有云環境，以Oracle和ArcSDE建立生態保護紅線空間數據庫，基于REST服務，B/S與C/S混合開發構建表現層，支持數據二維和三維顯示、查詢、在線編輯、地理處理、打印等功能，解決省級生態保護紅線空間數據的分布式存儲、規范化管理、快速發布及拓展應用等問題。設計方案適合開發周期短、低硬件配置的私有云環境，有效降低建設生態保護紅線空間數據監管平臺的開發和維護成本。建立生態保護紅線云GIS監管平臺，將資源開發利用、生態保護等領域信息數據進行高效整合和服務共享，為優化國土空間開發格局、推動生態文明建設提供技術支持。

關鍵詞： 喀斯特地區； 生態保護紅線； 空間數據； 云GIS； VMware； Oracle； ArcSDE

中圖分類號： TN911?34； K903 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0087?05

Abstract： To promote the informatization of the ecological protection redline management and control in Guizhou province， the VMware is used to deploy the private cloud environment， the Oracle and ArcSDE are used to build the ecological protection redline spatial database， and the mixed development of B/S and C/S is conducted to construct the presentation layer on the basis of REST service， so as to support 2D and 3D data display， query， online editing， geographic processing， printing and other functions， and solve the problems like distributed storage， standard management， quick release and application extending of provincial ecological protection redline spatial data. The design scheme is suitable for the private cloud environment with short development period and low hardware configuration， which can effectively reduce the development and maintenance cost of building the ecological protection redline spatial data monitoring platform. The ecological protection redline cloud GIS monitoring platform is established to make efficient integration and service sharing of information data in fields like resource development utilization and ecological protection， providing technical support for optimizing the pattern of land spatial development and promoting the construction of ecological civilization.

Keywords： Karst area； ecological protection redline； spatial data； cloud GIS； VMware； Oracle； ArcSDE

0 引 言

隨著工業化和城鎮化快速發展，保護生態環境與加快發展的雙重壓力日趨加劇，資源枯竭和生態危機，已然成為發展的瓶頸[1]，國土空間開發格局與資源環境承載能力不相匹配問題日益凸顯。“十八屆”三中全會通過的《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》第一次提出劃定生態保護紅線，劃定生態保護紅線的部署是科學整合各類保護區域、強化各類保護和管理手段，是扭轉生態環境惡化趨勢，促進經濟社會協調發展的必然選擇[2?3]。內蒙古、蘇、贛、湘、桂、川等省相繼初步完成了試點省域生態保護紅線劃定，滇、閩、滬等省相繼建立生態保護紅線數據庫，為省域生態保護紅線劃定做了有益探索和實踐。

貴州省是中國石漠化面積最大、等級最齊、程度最深、危害最重的省份，石漠化問題是喀斯特地區生態環境建設的重點和難點[4?6]，引起了國家和地方的高度重視。隨著GIS的廣泛應用與不斷深入發展，其處理和分析復雜空間數據的優勢日益凸顯[7]，當前云計算技術和大數據快速發展，云GIS將云計算的建模、存儲、處理等特征用于支撐地理空間信息的各要素，以高效率、低成本的使用地理信息資源分布共享[8?12]，云GIS技術正應用到各個行業領域[13?14]。不同GIS業務系統類型存在建設周期長、開發成本高、維護困難等問題，通過分析劃定生態紅線業務部門的建設需要，以云計算、大數據存儲技術為基礎，結合智能云架構下的ArcGIS Server開發技術，建立貴州省生態保護紅線云GIS監管平臺，實現生態保護紅線數據處理、查詢統計、空間分析、安全管理等功能，探討生態環境保護決策及管理的技術研究。

1 數據來源與研究方法

生態保護紅線數據主要包括基礎地理信息數據、生態紅線專題數據等矢量數據；柵格影像數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn）的Landsat TM/ETM/OLI和SRTM DEM（90 m）、ASTER GDEM V2（30 m）數據，購買后經過遙感預處理的ALOS（2.5 m）融合影像，其他區域如石漠化綜合治理示范區采用Pleiades影像（0.5 m）、SPOT6影像（1.5 m），地圖底圖采用天地圖影像地圖、矢量地圖。生態保護紅線按省級尺度1∶25萬空間比例尺，為縣（市、區）一級生態紅線劃定明確方向，數據類別包括名錄、面積、位置、各級保護區邊界及相關規劃的研究成果。劃定生態保護紅線由禁止開發區域、5 000畝以上耕地大壩、重要生態公益林和石漠化敏感區四部分組成，數據涵蓋林公園類、國家重要濕地類、國家濕地公園類、千人以上集中式飲用水源保護區類、水產種質資源保護區類、五千畝以上耕地大壩永久基本農田類、重要生態公益林類、石漠化敏感區類等12類保護區域，25類子保護區域。

生態保護紅線云GIS監管平臺的主要目標是建立統一、穩定可靠、可擴展、兼容性強的云GIS平臺，基于云計算和面向服務的系統架構，綜合應用“3S”技術、網絡技術、數據庫技術等，設計使數據庫能夠適應 C/S 和 B/S 混合應用模式的應用系統使用，實現生態保護紅線的信息化管理、共享和應用。

生態保護紅線云GIS平臺采用 SOA 多層架構設計，整個平臺包括基礎設施層、數據資源層、服務平臺層、應用層四個層次。

基礎設施層主要包括網絡設備、大容量磁盤陣列存儲、主機、Linux操作系統、GIS功能支持軟件ArcGIS、虛擬平臺軟件VMware vSphere、Oracle數據庫等硬件、軟件環境；數據層包括基礎地理信息數據、生態保護紅線專題數據、業務數據等數據資源，用戶通過注冊服務后可使用云GIS監管平臺內的遙感影像、矢量數據、三維數據、業務數據等服務，進行地理處理、空間分析等操作就可得到需要的結果；服務層支撐著應用層地理信息應用服務、數據接口服務、定制服務等功能，包括地理空間數據集成發布的空間數據服務及功能擴展服務等；服務層發布矢量數據、影像數據、空間分析等服務。應用層包括個性化地理信息定制服務應用、生態保護紅線管控、公眾服務、提取地圖資源等功能。

2 云GIS監管平臺實現關鍵技術

2.1 基礎設施建設

在云GIS監管平臺中，虛擬化是云GIS監管平臺的基礎，實驗采用VMware Workstation11構建基礎云平臺管理，VMware vSphere通過虛擬化橫向擴展和縱向擴展應用，vCenter Server充當連接到網絡的ESXi主機的中心管理員，vCenter Server將多個ESXi主機加入池中并管理這些資源。存儲采用大規模分布式存儲系統，在VMware虛擬化平臺克隆一個完整配置作為namenode，然后克隆至少三臺機器作為datanode，設置好各臺機器IP，通過VMware做一個外網映射，局域內的其他機器也可以訪問。安裝Hadoop?Eclipse?plugin，將整個集群中的存儲資源虛擬化，完成基礎設施即服務層的監控和管理。然后需要安裝配置GIS Tools for Hadoop工具，實現向HDFS存儲和讀取數據。配置GIS操作系統使用Linux操作系統的CentOS 6.5版本，均部署在虛擬主機云平臺中。在此基礎上成功搭建基于VMware vSphere虛擬平臺和Hadoop架構的云GIS平臺基礎環境。

2.2 彈性GIS服務

省域尺度的地理空間信息數據量和統計分析運算量巨大，傳統模式難以滿足統計分析和快速應用服務要求，將多臺服務器實體虛擬化后，構成一個GIS資源池，專門為云GIS站點的創建、運行提供基礎設施資源，實現共同計算、共享資源。ArcGIS Server支持原生的REST服務，生態保護紅線云GIS監管平臺以HTTP向ArcGIS Server觸發請求，ArcGIS Server處理請求并返回響應到客戶端，平臺的集群部署方式使GIS Server節點相互平等，云GIS管理套件自動檢測云GIS主機使用載荷，當某臺云GIS主機的使用率過高，系統會快速啟動備用云GIS主機，某個GIS Server節點意外宕機不會導致服務崩潰。這種彈性 GIS 資源動態調整模式實時監控當前地圖服務所在集群中關聯的虛擬機節點運行負荷，自動添加或刪除該集群中CPU超載或CPU閑置的虛擬機節點，通過GIS資源池組來實現云GIS環境中的多租戶隔離，降低了云GIS平臺的運行風險。

2.3 多源空間數據服務

生態保護紅線須落實到具體的國土空間上，數據存在空間交叉重疊、布局不夠合理、缺乏明確細化的紅線范圍等特征直接影響到應用分析和決策的準確性，導致難以實施生態保護的嚴格管控。貴州省生態保護紅線數據具有多源性、多尺度、多平臺和多格式等特點，在數據庫整合中存在數據格式轉換、數據投影轉換、數據庫標準結構等問題。基于分級質量管理、統一規范、全過程質量控制等原則，進行數據入庫前整理、數據派生提取、屬性結構調整、地理要素對象化處理、元數據處理、規則格網生成等措施和方法以確保數據成果的完整性、正確性和權威性。

省域尺度生態保護紅線大規模數據類型復雜且數據量大，云存儲架構是現在主流的性價比較好的存儲模式，可滿足高性能計算和數據處理，空間分析服務、圖形顯示輔助服務、空間數據服務以及多種綜合應用平臺的存儲需求。基于云存儲架構，將省域地形地貌、遙感影像、地表三維模型、植被指數、生態保護紅線要素、專題應用數據、元數據等都集中存儲于空間數據庫中，實現各種數據的完全整合與一體化管理，并有利于數據共享、方便數據的維護，確保數據的安全和統一管理。空間數據存儲于Oracle Spatial，根據各類數據的分層、相關屬性結構、分析應用需要等確定邏輯數據組織與表達模型，數據操作針對邏輯數據組織模型來進行，而不是直接操作物理對象，使得生態保護紅線云GIS監管平臺訪問數據的交互性方面提供了高度的靈活性，具有開放性強、易維護等優點。

3 云GIS監管平臺實現

C/S與B/S各存在技術缺點，C/S架構開發成本高、客戶端程序設計復雜、移植困難、軟件維護升級困難，B/S架構系統擴展能力差、安全性難以控制、系統響應速度低于C/S架構。貴州省生態保護紅線云GIS監管平臺面向服務架構，以WebService技術封裝各類信息及功能的服務接口進行通信，采用靈活的B/S與C/S混合開發模式。如圖2所示，平臺包括電子地圖、專題應用、地圖資源、定制服務、數據維護等功能，用戶可對生態保護紅線數據進行基本查詢、空間分析等功能，同時根據平臺提供的服務和接口定制專業的復雜的GIS應用軟件，可使用Flex，ArcGIS API for JavaScript快速搭建模板方便快速地搭建小型GIS系統。移動GIS是繼桌面GIS，WebGIS之后又一新的技術熱點，平臺將設計快速搭建功能模塊，可以通過向導式的方式，基于GIS資源池的REST數據服務進行系統定制與服務的靈活調用，搭建的小型GIS應用，包含地圖搜索、查詢、繪制量測、書簽等基本功能。

3.1 B/S架構表現層

B/S采用基于FlexViewer框架的開發方式，FlexViewer框架為Esri提供可以高效開發基于WebGIS的應用程序框架，云監管平臺業務邏輯完全在服務器端實現，采用Adobe Flash Builder 4.7與FlexViewer進行開發，見圖3。基于XML的MXML來定義豐富的用戶界面，界面美觀，用戶體驗強，大大縮短開發周期。B/S表現層基于ArcGIS Server REST服務，依托瀏覽器FLASH插件運行，通過放大、縮小、鷹眼、漫游等功能按鈕對地圖數據發送命令，使用Identify可任意查詢地圖要素的屬性信息，支持關聯查詢，對查詢結果的排序、分組以及對屬性數據的統計，通過Web共享分析應用和服務，實現對現勢數據的高效管理和應用。

3.2 二三維一體化客戶端

C/S端采用ArcEngine與Microsoft Visual Studio開發模式，以DotNetBar組件集構建二三維一體化應用程序，見圖4。將二維GIS與三維GIS進行集成并實現聯動，從而實現在同一框架體系下使兩者優勢互補，最大程度地發揮生態保護紅線云GIS監管平臺的功能。二三維GIS系統聯動的基本原理之一是基于二維GIS和三維GIS所具有的統一坐標系，通過彼此之間坐標的對應關系來實現二三維的聯動[15]，當二三維聯動時，保持屬性查詢、選擇數據、分析的一致性。C/S端通過IMapServerRESTLayer接口訪問REST獲取服務和數據的數據通道形式，有效降低生態保護紅線空間數據庫集群服務器運算量和降低網絡通信壓力。C/S端中二維模塊主要采用MapControl與PageLayoutControl控件操作空間數據，三維場景模塊中以GlobeControl構建貴州省生態保護紅線大數據量的三維場景，其動態數據存取和分塊技術處理提高ALOS，Landsat TM/ETM/OLI等海量地圖數據的顯示效率和高速漫游效果，滿足業務部門實時性的數據調度要求。

4 結 論

本文利用虛擬資源管理和分布式存儲計算等技術，將分散的地理數據資源集中起來，形成GIS共享資源池，以動態按需和可度量的方式向業務部門提供權威、高效、便捷的GIS服務，滿足空間分析服務、空間數據服務以及多種綜合應用平臺的存儲需求，提升生態保護紅線信息資源的使用價值，實現省域多源、多類型的海量數據存儲、管理和共享，有助于嚴格管控生態保護紅線。使用C/S與B/S混合架構開發表現層實現生態保護紅線數據集成管理、二三維信息查詢分析、成果應用服務、數據更新維護、系統安全管理等方面的功能，有效降低信息資源管理的技術復雜度和管理成本，可為快速、低成本的云GIS平臺建設提供參考。生態保護紅線云GIS監管平臺的應用功能需進一步豐富，尤其是空間分析和業務應用領域的有待深度挖掘和拓寬，以提升服務的多樣化。

注：本文通訊作者為周忠發。

參考文獻

[1] SUN Dongqi， ZHANG Jingxiang， HU Yi， et al. Spatial analysis of China′s eco?environmental quality： 1990?2010 [J]. Journal of geographical sciences， 2013， 23（4）： 695?709.

[2] 楊邦杰，高吉喜，鄒長新.劃定生態保護紅線的戰略意義[J].中國發展，2014，14（1）：1?4.

YANG Bangjie， GAO Jixi， ZOU Changxin. The strategic significance of drawing the ecological protection redline [J]. China development， 2014， 14（1）： 1?4.

[3] 高吉喜.國家生態保護紅線體系建設構想[J].環境保護，2014，42（z1）：17?21.

GAO Jixi. Construction of national ecological protection redline system [J]. Environmental protection， 2014， 42（S1）： 17?21.

[4] LI Yangbing， LI Qiongyao， LUO Guangjie， et al. Discussing the genesis of Karst rocky desertification?research based on the correlations between cropland and settlement in typical peak?cluster depressions [J]. Solid earth discussions， 2016（7）： 1?17.

[5] 劉發勇，熊康寧，蘭安軍，等.貴州省喀斯特石漠化與水土流失空間相關分析[J].水土保持研究，2015，22（6）：60?64.

LIU Fayong， XIONG Kangning， LAN Anjun， et al. Correlation between rocky desertification and water and soil loss in the Karst area of Guizhou [J]. Research of soil and water conservation， 2015， 22（6）： 60?64.

[6] 姚永慧.中國西南喀斯特石漠化研究進展與展望[J].地理科學進展，2014，33（1）：76?84.

YAO Yonghui. Progress and prospect of Karst rocky desertification research in Southwest China [J]. Progress in geography， 2014， 33（1）： 76?84.

[7] 周成虎.全空間地理信息系統展望[J].地理科學進展，2015，34（2）：129?131.

ZHOU Chenghu. Prospects on pan?spatial information system [J]. Progress in geography， 2015， 34（2）： 129?131.

[8] WANG Xichun， SUN Zhiyu. The design of water resources and hydropower cloud GIS platform based on big data [C]// Proceedings of Geo?Informatics in Resource Management and Sustainable Ecosystem. Berlin： Springer?Verlag， 2013： 313?322.

[9] SHI Yongge， Bian Fuling. The design and application of the cloud GIS [C]// Proceedings of Geo?Informatics in Resource Management and Sustainable Ecosystem. Berlin： Springer?Verlag， 2015： 56?67.

[10] 范建永，龍明，熊偉.基于Hadoop的云GIS體系結構研究[J].測繪通報，2013（11）：93?97.

FAN Jianyong， LONG Ming， XIONG Wei. Research on architecture of cloud GIS based on Hadoop [J]. Bulletin of surveying and mapping， 2013（11）： 93?97.

[11] 王茂洋. 基于云GIS平臺的貴州省生態環境監測與評價系統研究與實現[D].貴陽：貴州師范大學，2016.

WANG Maoyang. Based on the cloud platform of GIS of ecological environment in Guizhou monitoring and evaluation system research [D]. Guiyang： Guizhou Normal University， 2016.

[12] BELLMAN C J， PUPEDIS G. Lost in the cloud?new challenges for teaching GIS [C]// Proceedings of International Archives of the Photogrammetry， Remote Sensing And Spatial Information Sciences. Prague： [s.n.]， 2016： 25?29.

[13] 倪永，陳榮國.主流云GIS平臺軟件應用分析[J].測繪科學技術學報，2013，30（2）：177?181.

NI Yong， CHEN Rongguo. An overview of mainstream cloud GIS platform software application [J]. Journal of geomatics science and technology， 2013， 30（2）： 177?181.

[14] ABLIMIT A， WANG Fusheng， HOANG V， et al. Hadoop?GIS： a high performance spatial data warehousing system over MapReduce [J]. Proceedings of the VLDB endowment， 2013， 6（11）： 1009?1020.

[15] 魏金明，杜洪濤，仲偉政.基于AE的二三維一體化GIS技術研究[J].城市勘測，2016（1）：89?92.

WEI Jinming， DU Hongtao， ZHONG Weizheng. Research of two and three dimensional integrated GIS technology based on AE [J]. Urban geotechnical investigation &； surveying， 2016（1）： 89?92.