基于云平臺的自然資源大數據中心的設計與實現

周新求 李萱

通過南昌市自然資源云+大數據中心的建設，將市、縣兩級自然資源部門所有的基礎數據遷移到市級大數據云平臺，形成一個基礎資源豐富、計算能力強大、服務水平超前的大平臺，為市局的各業務科室提供強大的數據基礎、運算保障及業務支撐，服務全局各項自然資源業務。

自然;云;大數據

Zhouxinqiu，Lixuan

（1、Bureau of Nature and Resources in NanChang，NanChang，330030;1、Bureau of Nature and Resources in NanChang，NanChang，330030）

Through the construction of Nanchang Natural Resources Cloud+Big Data Center， all the basic data of the municipal and county natural resources departments are migrated to the city-level big data cloud platform， forming a large platform with rich basic resources， strong????? computing capacity and advanced service level， providing the big data platform， operation support and business support for the business departments of the municipal bureau， and serving all natural resources business.

Nature;Cloud;Big Data

隨著自然資源數據的不斷匯聚，各地對國土空間基礎數據的需求不斷增加，需要借助大數據、云計算等手段，實現自然資源態勢感知和決策支持信息化，形成科學決策的自然資源監管新模式。自1997年美國NASA首次提出大數據概念之后，于2008年在《Nature》谷歌發表從互聯網、數據管理到大數據帶來的相關機遇與挑戰后引起了大數據的蓬勃發展，同時也在國土資源上自1964年加拿大建立第一個地理信息系統后，美國、瑞典、斯德哥爾摩地、日本等地紛紛建立自己的城市規劃信息系統。而中國的國土資源就1999年開始啟動“數字國土”的引入了各項先進的地理信息管理技術，再到2003年國家歷經十五年、幾代國土人的辛苦付出，先后完成了土地利用現狀、基本農田保護、土地利用總體規劃、土地整治、城鎮地籍、第二次土地調查等多種業務類型的信息化系統建設。但隨著自然資源保障建設和保護資源的職責任務不斷加碼，海量自然資源基礎數據類型、數量不斷擴大，監測與監管要求不斷提高，已難以適應和滿足新時期的自然資源保護與開發利用管理服務要求，并且與自然資源部、江西省自然資源廳關于信息化建設的總體要求、信息技術發展新趨勢相比還存在較大差距。為了響應國家建設網絡強國，落實“四個全面”戰略布局的重要舉措，實現“兩個一百年”奮斗目標和中華民族偉大復興中國夢，提升自然資源治理能力和公共服務水平，做好新時期自然資源信息化工作，建設基于云平臺的自然資源大數據中心。

基于云平臺的自然資源大數據中心主要是將市、縣兩級自然資源部門所有的自然資源數據遷移到市級自然資源局大數據云平臺中，為南昌市構建統一的自然資源大數據中心提供計算能力強大、服務水平超前的大平臺，也為市局的各業務科室提供強大的數據基礎、運算保障及業務支撐，服務全局各項自然資源業務及精準服務提供。

1系統需求分析

自然資源是國家的基礎性、戰略性資源，自然資源管理涉及國計民生和社會穩定大局。自然資源信息化以自然資源的有效監管、合理調控和高效服務為目標，通過信息化手段極大促進國民經濟和社會可持續發展，對保障資源安全、增加財政收入、保護國家財產和廣大人民群眾根本利益、繁榮市場經濟、構建和諧社會都具有十分重要的戰略意義。通過項目建設，使得市局了解的更全面、決策分析的更透徹、政策把握的更準確、業務管理的更規范、資源監管的更到位，服務于全市經濟建設大局，促進全市經濟發展方式的轉變，及時調整產業結構，服務于社會、服務于民生，推進智慧南昌建設，能有效覆蓋全市的信息獲取渠道，使得市局可以及時、準確、全面掌握自然資源的總量、結構、分布、時序、趨勢等信息，繼而科學規劃自然資源供應總量、結構、布局、時序等，為有效參與國家宏觀調控、合理科學的配置資源，維持國民經濟平穩運行、防止經濟過熱、盲目投資與低水平重復建設提供支撐，保障南昌市國民經濟和社會發展“十三五”規劃綱要目標的實現。

1.1自然資源云平臺分析

云平臺打破了業務應用對資源的獨占的方式，實現硬件資源和軟件資源的統一管理、統一分配、統一部署、統一監控和統一備份，大量采用服務器虛擬化技術，將服務器物理資源抽象成邏輯資源，讓一臺服務器變成幾臺甚至上百臺相互隔離的虛擬服務器，每臺虛擬服務器代表一個具有處理器、內存、網絡、存儲器和 BIOS 的完整系統，可以在相同硬件上同時運行Windows、Linux等操作系統及軟件應用程序，不再受限于物理上的界限，而是讓處理器、內存、磁盤、I/O等硬件變成可以動態管理的“資源池”，為南昌市自然資源減少物理資源的數量，簡化IT架構的物理分布，從而提高資源的利用率，保證業務系統可持續的提供基于硬件資源和軟件資源的服務，實現計算、網絡共享和存儲能力等資源整合的云平臺，讓計算資源對業務的變化更具適應力。

1.2自然資源大數據分析

1.2.1自然資源大數據資源目錄分析

應用服務資源目錄體系采用元數據對共享應用服務組件資源特征進行描述形成統一規范的目錄內容，通過對目錄內容的有效組織和管理，形成部門間應用服務組件資源物理分散、邏輯集中的信息共享模式，提供應用服務組件資源的發現定位服務，支持全市范圍內跨部門的普遍信息共享，方便用戶發現、定位和共享多種形態的應用服務組件資源，支持政府的經濟調節、市場監管、社會管理和公共服務。

1.2.2自然資源大數據規范化分析

南昌市自然資源數據內容繁多，涵蓋土地利用現狀、土地利用規劃、基本農田、礦產資源、地質等各類專題數據以及在業務辦理過程中產生的業務及管理數據，但在數據的管理、應用和服務方面缺乏統一的標準規范，在一定程度上制約了自然資源數據應用和服務水平的提高。按照自然資源信息化標準建設的總體部署和要求，參照相關標準和規程，制定南昌市自然資源云平臺數據標準，規范南昌市自然資源數據庫標準、數據服務和數據管理工作，進一步豐富和完善了南昌市自然資源標準規范體系，為支撐南昌市自然資源大數據建設和數據共享服務，對推進南昌市自然資源領域的科技進步、提升自然資源管理水平打下堅實基礎。

1.2.3自然資源大數據分析

（1）土地利用現狀數據

包含南昌市所轄縣（區）一調詳查初始庫及變更庫、2009年二調數據庫、2010-2016年土地利用現狀變更庫。其中一調詳查初始庫及變更庫、2009-2013年矢量數據格式為mapgis格式。

（2）土地利用總體規劃數據

市級土地利用總體規劃：2010年南昌市土地利用總體規劃（2006-2020年）（含南昌市中心城區土地利用規劃）、2017年南昌市土地利用總體規劃（2006-2020年）調整完善（含南昌市中心城區土地利用規劃調整完善）;

縣級土地利用總體規劃：2010年灣里區、青山湖區、南昌縣、新建縣、安義縣、進賢縣土地利用總體規劃（2006-2020年）（含中心城鎮土地利用規劃），2013年灣里區、青山湖區、南昌縣、新建縣、安義縣、進賢縣規劃修改，2014年灣里區、南昌縣、新建縣、青山湖區規劃修改，2015年南昌縣、新建區規劃修改成果，2017年灣里區、青山湖區、南昌縣、新建區、安義縣、進賢縣土地利用總體規劃（2006-2020年）調整完善（含中心城鎮土地利用規劃調整完善）;

鄉級土地利用總體規劃：灣里區、青山湖區、南昌縣、新建縣、安義縣、進賢縣鄉級土地利用總體規劃（2006-2020年）、灣里區、青山湖區、南昌縣、新建區、安義縣、進賢縣鄉級土地利用總體規劃（2006-2020年）調整完善。

（3）永久基本農田劃定數據

包含自然資源部批復的南昌市城市周邊永久基本農田劃定成果數據庫;江西自然資源廳批復的灣里區、南昌縣、新建區、安義縣、進賢縣城鎮周邊永久基本農田劃定成果數據庫;江西自然資源廳批復的灣里區、青山湖區、南昌縣、新建區、安義縣、進賢縣全域永久基本農田劃定成果數據庫。

（4）地質類數據

地質類數據主要類型包括地質災害分布、地質災害基礎調查規劃、地質略圖、地貌類型、崩滑流易發性網格、災害地質防治規劃區等相關類型數據。

（5）礦產類數據

礦產類數據主要類型包括礦產資源開發利用與保護規劃、主要礦產資源勘查規劃區塊、礦產資源分布、主要礦產資源開采規劃區塊、礦產資源調查評價和勘查規劃、礦產資源開發利用現狀、礦山環境保護與恢復治理規劃等相關類型數據。

2系統設計

2.1總體框架設計

2.1.1總體架構設計

南昌市自然資源業務網作為主要業務運行網絡環境，互聯網作為面向社會服務的主要網絡環境;設計南昌市自然資源局基于SOA架構的總體架構。系統總體架構如圖1所示：

針對南昌市部分區縣在信息化建設過程中對虛擬資源的需求，在向市自然資源局提出申請后，市自然資源云可酌情向其提供計算、存儲等云服務資源。

基礎層：基礎層為“自然資源”項目提供基礎架構硬件和軟件資源，包括服務器、存儲設備、網絡設備、機房環境、操作系統、軟件平臺、數據庫等，以及基于基礎設施上搭建的計算資源池、存儲資源池、網絡資源池等云基礎設施環境。

數據層：數據層是整體項目的數據資源保障，本項目將建設自然資源大數據中心，包括自然資源“一張圖”核心數據庫、數據采集子系統、數據發布子系統、數據管理子系統、數據交換子系統等。

服務層：服務層采取SOA方式將地理空間信息、業務數據與審批管理應用相關的功能進行封裝，以服務化的方式通過服務總線將系統功能提供給業務平臺和業務系統使用，包括目錄服務、元數據服務、電子地圖服務、遙感影像服務等，各個應用系統的建設可以基于服務層快速搭建相關功能模塊。

應用層：應用層為自然資源電子政務平臺、自然資源綜合監管平臺、國土大數據分析平臺以及國土公共服務平臺，并在上述四個應用平臺的基礎上開展地政、礦政、地政等業務管理、綜合監管、決策支持和社會服務等多樣化應用。

標準規范體系：標準規范體系是制定符合南昌市實際情況的數據生產、更新、維護、管理規范;制定應用系統的設計、搭建、運維等全流程工作規范;制定信息化建設與應用相關機制。

2.1.2云架構設計

云架構設計主要是通過虛擬化設備進行網絡重組，并采用對稱雙活存儲、關鍵備份存儲相結合的架構，通過虛擬化存儲兩個及兩個以上控制節點和一個備份節點來組建存儲區域網。在服務器和存儲磁盤陣列之間構建了一個虛擬邏輯磁盤，并通過光纖網絡映射到前端磁盤陣列。當雙活存儲中任何一個設備發生故障時，存儲路徑將自動切換到其他路徑，保障業務數據存取連續性。關鍵備份存儲實現數據的實時備份，防止突然斷電、誤刪等人為原因造成的數據丟失。如下如圖2所示云架構圖，是云架構展示的后端存儲資源池的構成，存儲SAN網絡是整個資源池的核心，在這上構建存儲虛擬化系統、集中存儲與集中備份等。

2.2自然資源大數據中心的設計

2.2.1自然資源大數據業務流程設計

建立南昌市“自然資源云”大數據中心，按照統一的技術框架和標準規范，構建科學合理的數據框架、服務框架和運行環境。實現數據匯集、數據維護、數據服務的整合集成。實現覆蓋全市、“橫向到邊、縱向到底”、聯動更新的自然資源數據中心數據庫建設;全面、快速和準確地掌握土地、礦產資源的數量、質量、結構、分布、潛力。準確記錄資源開發利用生命周期中各個階段的信息，做到資源狀況“一覽無余”，資源家底“心中有數”;實現“以圖管地和以圖管礦”。滿足自然資源全面、全程的業務支撐、綜合監管、輔助決策、科技防腐和社會化服務等多樣化需求。

自然資源大數據中心建設涉及數據種類多樣、內容豐富，需要在數據資源規劃及數據庫設計成果的指導下，梳理形成數據整合建庫作業流程，然后根據相應的標準規范和設計要求對原始數據進行整理加工，最后對通過質量檢查的數據執行入庫、驗證，并對入庫后的成果進行質量檢查、驗證，正確無誤后形成最終的整合后的數據庫成果。如圖3所示：

2.2.2自然資源大數據中心數據庫概念設計

自然資源數據具有海量、多源、異構、多格式、多級、多時相、多專業類型、多業務類型等特點，建立合理清晰的概念模型是規劃和組織這些數據的關鍵。首先，從數據內容層面對數據中心管理的數據進行科學分類;其次，從數據的專業和業務層面對數據進行邏輯組織;第三，從數據的應用層面對數據進行邏輯分層。自然資源大數據中心劃分為自然資源基礎框架數據、專業數據、業務主題數據、監測監管數據、主數據、共享交換數據和系統支持數據等七大類。如圖4描述了數據資源規劃的主要內容。

3系統實現

3.1自然資源云平臺的實現

云平臺的技術實現主要是基于負載均衡服務的服務器實例水平擴展技術實 現的，即根據期望的硬件配置、操作系統和網絡配置，創建一臺或多臺云主機，幫助用戶快速搭建安全穩定的彈性虛擬計算環境，當監控程序發現資源使用達到過特定的閾值時，將觸發云主機相應的伸縮任務，支持基于云主機規格提升的縱向擴展。例如，當云主機實例服務器的CPU使用率超過80%，將自動創建新的云主機，云主機將與模板保持一致，從而自動分擔其他主機的任務，降低整體負載;當CPU利用率小于30%時，監控將觸發云主機收縮任務，減少正在運行的云主機，從而提高整個虛擬化環境的資源利用率。如圖5描述實現自然資源云平臺拓撲圖所示。

3.2自然資源大數據中心的實現

3.2.1自然資源大數據實現原理

每個大數據，都會涉及到一個數據源的問題，自然資源大數據主要是針對數據來源來自多個業務系統，數據整合難度大，錯誤數據、不完整數據、重復數據等“臟數據”較多，數據量大，轉換任務并發量大等問題。為此數據源的采集就顯得十分重要，首先通過數據采集工具對自然資源局下屬的所有部門進行收集自然資源各種類型數據，然后依次按某種規律把所有采集到的大數據存儲在大數據中心數據庫中，緊接著通過預先配置好的大數據規則對大數據進行清洗、過慮、交換等，對大數據進行有效的處理，最后在自然資源大數據中心平臺通過可視化工具、報表工具和監控程序對大數據進行展示。如圖6自然資源大數據實現原理圖所示：（1）Data source：自然資源數據源;（2）Collect：自然資源數據采集工具;（3）Store：自然資源數據存儲;（4）Process：自然資源大數據處理;（5）Visualize：自然資源大數據可視化;（6）Reporting和Monitoring：自然資源大數據報表和監控。

3.2.2自然資源主界面功能的實現

根據南昌市自然資源的需求分析與系統設計完成規范化、標準化管理云平臺的實現，合理分配和管理各種資源，確保各業務系統安全穩定運行，結合南昌市自然資源局實際情況和業務系統的部署、運行、管理等規范化工作。如圖7自然資源大數據中心云平臺登錄界面和圖8自然資源大數據中心云平臺主界面所示。

4結束語

該研究以南昌市自然資源局信息化工作為背景，以建設云平臺和大數據為內容，針對自然資源數據的“家底”即將變得越來越復雜，面臨易于流失、易遭損毀、不當使用、惡意竊取、數據量超大等風險，從而規范和提高政府執政能力與服務水平，優化自然資源信息共享水平和社會化服務體系，設計實現了一套基于云平臺的自然資源大數據中心平臺。該平臺采用了云計算與大數據技術，統一了業務系統的管理，優化了業務系統的操作，提升了系統的性能與效率，提升“服務型”政府的社會形象，服務于全市經濟建設大局，促進市經濟發展方式的轉變，及時調整產業結構，服務于社會、服務于民生，推進數字南昌、資源南昌、生態南昌和平安南昌的建設。

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作者簡介：周新求（1978.10-），湖北黃岡人，男，碩士研究生，高級工程師，武漢大學，自然資源信息化;

李萱（1991.06-），江西新余人，女，碩士研究生，初級工程師，武漢大學，自然資源信息化。