基于Geoportal的流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬紅旺，高振記 ，方利，陳運(yùn)帷，韓興剛

1.湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，湖南 湘潭 411201

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境信息研究所，北京 100012

3.ESRI中國(guó)(北京)有限公司，北京 100027

自20世紀(jì)80年代開始，我國(guó)的環(huán)境信息化建設(shè)以環(huán)境監(jiān)測(cè)和環(huán)境統(tǒng)計(jì)為主要信息源，相繼建立起“環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)”、“環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)”、“全國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)污染源數(shù)據(jù)庫(kù)”等一批重點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)［1］。從“十五”開始，由水利部國(guó)際合作與科技司組織的中國(guó)可持續(xù)發(fā)展水資源與水環(huán)境信息共享技術(shù)研究項(xiàng)目，開啟了我國(guó)對(duì)水環(huán)境信息共享的研究和探索［2］。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展以及對(duì)水環(huán)境管理工作的日趨重視，我國(guó)的流域水環(huán)境信息建設(shè)取得了積極進(jìn)展，各地相繼建立起地方性的水環(huán)境信息共享平臺(tái)，如黃河水利委員會(huì)主持建立的“黃河水環(huán)境信息管理系統(tǒng)”，江蘇省建立的“太湖流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)”等，通過(guò)平臺(tái)加強(qiáng)對(duì)流域范圍內(nèi)水環(huán)境的科學(xué)管理，并利用平臺(tái)對(duì)水環(huán)境進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，為管理部門提供輔助決策支持。但這些平臺(tái)的定制化嚴(yán)重、架構(gòu)耦合度較高，擴(kuò)展性低，信息同步較困難，無(wú)法及時(shí)有效地獲取流域各部門最新的水環(huán)境信息［3-4］。為此，筆者針對(duì)當(dāng)前流域水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理對(duì)數(shù)據(jù)的共享要求，結(jié)合各級(jí)環(huán)境保護(hù)部門環(huán)境信息存儲(chǔ)、管理、使用的現(xiàn)狀，提出了基于Geoportal的流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)方法，以期為流域水環(huán)境信息共享提供適宜的解決方案［5-6］。

1 流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

流域水環(huán)境信息由環(huán)境背景數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及圖像、音頻等多媒體數(shù)據(jù)組成［7］。環(huán)境背景數(shù)據(jù)包含流域的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、環(huán)境專題數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。這些不同格式的數(shù)據(jù)分布在不同的管理部門，且由于環(huán)境信息的時(shí)效性需求，水環(huán)境信息整體呈現(xiàn)出多源、異構(gòu)、分布式和時(shí)效性等特征。

流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)旨在為水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。針對(duì)水環(huán)境信息的特點(diǎn)，需要建立能跨地域、跨部門、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)有效集成的共享機(jī)制，且要保證環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性，同時(shí)又需要支持地圖服務(wù)、影像服務(wù)和空間分析服務(wù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)、模擬和顯示。

針對(duì)上述需求，對(duì)共享平臺(tái)的總體架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，要求共享平臺(tái)具有可擴(kuò)展及可伸縮性，在此基礎(chǔ)上，對(duì)水環(huán)境信息的數(shù)據(jù)集成方案、分布式共享策略和數(shù)據(jù)同步更新等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，形成一套科學(xué)、合理且可推廣的水環(huán)境信息共享平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)體系。

1.2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

流域水環(huán)境管理不同部門業(yè)務(wù)側(cè)重點(diǎn)存在差異，且對(duì)信息共享的需求也不盡相同，需能對(duì)不同服務(wù)功能進(jìn)行靈活地重組和拓展，以滿足不同層次的需求，因此采用基于面向服務(wù)架構(gòu)(service-oriented architecture，SOA)的設(shè)計(jì)思路。

SOA是一種粗粒度、松耦合服務(wù)架構(gòu)，是在傳統(tǒng)的面向?qū)ο竽Ｐ偷幕A(chǔ)上引入抽象的服務(wù)層，進(jìn)一步對(duì)業(yè)務(wù)對(duì)象進(jìn)行封裝，其能針對(duì)不同的業(yè)務(wù)對(duì)象和業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)特定的服務(wù)功能，具有高度的可拓展性和適應(yīng)性，可以靈活適應(yīng)業(yè)務(wù)需求的變化［8-9］。在SOA基礎(chǔ)上，將流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)設(shè)計(jì)為三層一門戶的總體結(jié)構(gòu)［10-15］，即服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、支持層和流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)門戶網(wǎng)站(圖1)。

支持層作為平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)，提供平臺(tái)運(yùn)行的軟硬件環(huán)境，主要包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)房環(huán)境等硬件和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理辦法等軟件;數(shù)據(jù)層的核心是元數(shù)據(jù)庫(kù)［11］，共享平臺(tái)的數(shù)據(jù)組織方式采用基于元數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，數(shù)據(jù)來(lái)源可以是本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)源也可以是外部數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源可以在存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、邏輯規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)上不同，通過(guò)統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)描述規(guī)范和數(shù)據(jù)訪問(wèn)協(xié)議將元數(shù)據(jù)信息注冊(cè)到平臺(tái)的元數(shù)據(jù)庫(kù)中［16-17］;服務(wù)層通過(guò)目錄、空間、數(shù)據(jù)存取和數(shù)據(jù)分析處理服務(wù)，提供跨區(qū)域的數(shù)據(jù)搜索、訪問(wèn)、下載及元數(shù)據(jù)發(fā)布功能，并提供空間數(shù)據(jù)定位、空間搜索、地圖訪問(wèn)和空間數(shù)據(jù)抽取等服務(wù)［18］，同時(shí)服務(wù)層還提供資源的自動(dòng)收割機(jī)制來(lái)及時(shí)更新數(shù)據(jù)資源，服務(wù)層具可拓展性，可根據(jù)服務(wù)接口進(jìn)行拓展，也可以通過(guò)用戶提交的模型服務(wù)進(jìn)行外部關(guān)聯(lián)［19-20］。

1.3 基于Geoportal的流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)

Geoportal是近年發(fā)展起來(lái)的針對(duì)空間信息資源共享的技術(shù)，其提供了一整套地理空間資源的框架、協(xié)議和組件模塊來(lái)構(gòu)建空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(SDI)，實(shí)現(xiàn)資源的注冊(cè)、發(fā)布、共享、訪問(wèn)和實(shí)時(shí)收割的功能。該平臺(tái)采用ESRI公司推出的ArcGIS Server的Geoportal組件，可實(shí)現(xiàn)多格式數(shù)據(jù)類型協(xié)議的封裝，并提供多站點(diǎn)注冊(cè)、聯(lián)邦式查詢和元數(shù)據(jù)自動(dòng)收割機(jī)制，有效地實(shí)現(xiàn)資源的共享，極大地提高了共享平臺(tái)的擴(kuò)展性、靈活性。同時(shí)良好的互操作性也為其廣泛的行業(yè)應(yīng)用提供了保證，如美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局環(huán)境數(shù)據(jù)集門戶網(wǎng)、The Geospatial One-Stop(GOS)、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局的國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心、波蘭研究院地理門戶網(wǎng)等平臺(tái)都是基于Geoportal實(shí)現(xiàn)的［21］。

1.3.1 Geoportal資源共享機(jī)制

圖1 流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 General structural design for regional water information sharing platform

Geoportal的核心概念是資源，其將元數(shù)據(jù)記錄、Web服務(wù)、文檔、視頻、REST URLS等幾乎所有的事物都抽象成資源，在Geoportal中用戶可以進(jìn)行資源的制作、發(fā)現(xiàn)、使用和資源服務(wù)［22］，Geoportal資源共享機(jī)制如圖2所示。

圖2 Geoportal資源共享機(jī)制Fig.2 Mechanism of Geoportal data sharing

1.3.2 資源服務(wù)共享策略

流域水環(huán)境信息共享是基于元數(shù)據(jù)的共享，所有水環(huán)境信息包括環(huán)境背景數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)以及地處理(GP)服務(wù)、流域水環(huán)境分析模型等都抽象成資源，根據(jù)流域水環(huán)境數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)研究成果對(duì)這些資源分類注冊(cè)其元數(shù)據(jù)［23］，在Geoportal中構(gòu)建平臺(tái)服務(wù)功能對(duì)外提供檢索、預(yù)覽、分析和下載等。

元數(shù)據(jù)的共享策略采取中心平臺(tái)、分布式站點(diǎn)和注冊(cè)用戶自助發(fā)布相結(jié)合的共享策略(圖3)。中心平臺(tái)負(fù)責(zé)搭建信息共享的總體框架，為分布式站點(diǎn)和注冊(cè)用戶自助發(fā)布提供接口支持和操作界面，同時(shí)中心平臺(tái)發(fā)布大量水環(huán)境監(jiān)測(cè)的專題數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)服務(wù)等，分布式站點(diǎn)根據(jù)自身的業(yè)務(wù)方向和數(shù)據(jù)特征選擇特定的協(xié)議類型進(jìn)行站點(diǎn)定制，從而實(shí)時(shí)地共享其數(shù)據(jù)資源，而用戶自助發(fā)布只需登錄平臺(tái)門戶進(jìn)行注冊(cè)即可完成。

圖3 流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)共享數(shù)據(jù)內(nèi)容Fig.3 Sharing data of regional water information sharing platform

1.3.3 分布式站點(diǎn)的資源共享

流域水環(huán)境信息共享采取分布式站點(diǎn)的資源共享，相對(duì)于傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)共享模式，該共享方式更簡(jiǎn)潔、靈活，能根據(jù)不同管理部門的業(yè)務(wù)特征進(jìn)行更有效的資源共享，避免高成本、多重復(fù)的安裝部署和繁重的數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)工作［24］，下級(jí)部門只需要根據(jù)本身業(yè)務(wù)進(jìn)行分布式站點(diǎn)定制并注冊(cè)到中心平臺(tái)中即可實(shí)現(xiàn)該站點(diǎn)的資源共享。

在分布式站點(diǎn)資源共享框架設(shè)計(jì)中，中心站點(diǎn)提供注冊(cè)的類型，各分布式站點(diǎn)根據(jù)其自身的業(yè)務(wù)類型和數(shù)據(jù)特征選擇相應(yīng)的注冊(cè)類型進(jìn)行定制。流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)提供了通用URL資源、空間信息服務(wù)、FTP資源以及網(wǎng)頁(yè)目錄服務(wù)，每種類型封裝了對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)規(guī)范和類型的支持(圖4)。

通用URL資源封裝了對(duì)大部分?jǐn)?shù)據(jù)規(guī)范和協(xié)議的支持，側(cè)重于日常的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖片、文檔數(shù)據(jù)較多的站點(diǎn)，也支持一定的空間信息服務(wù);空間信息服務(wù)主要是針對(duì)地圖服務(wù)、影像服務(wù)、水環(huán)境專題服務(wù)以及地理處理模型的GP服務(wù)等;FTP資源則是對(duì)網(wǎng)絡(luò)上FTP服務(wù)器資源進(jìn)行注冊(cè)的一種類型;網(wǎng)頁(yè)目錄服務(wù)是對(duì)共享平臺(tái)的一種延伸，既可以是對(duì)流域水環(huán)境管理部門內(nèi)數(shù)據(jù)資源的目錄服務(wù)共享，也可以是針對(duì)社會(huì)上科研機(jī)構(gòu)、公司企業(yè)等任何支持OGC(open geospatial consortium)網(wǎng)頁(yè)目錄服務(wù)(catalog service for the web，CSW)規(guī)范的站點(diǎn)進(jìn)行注冊(cè)［25-27］，最大程度上實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)水環(huán)境信息的共享。

圖4 Geoportal分布式站點(diǎn)注冊(cè)Fig.4 Registration for Geoportal distributed site

1.3.4 網(wǎng)頁(yè)收割器(Web Harvester)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)平臺(tái)采取基于站點(diǎn)的共享策略，因此中心站點(diǎn)的元數(shù)據(jù)及資源與分布式站點(diǎn)資源的同步至關(guān)重要。流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)通過(guò)構(gòu)建Web Harvester對(duì)分布式站點(diǎn)資源自動(dòng)收割，生成最新的元數(shù)據(jù)和索引，Web Harvester的設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)Web Harvester模型Fig.5 Web Harvester Model of regional water information sharing platform

Web Harvester采取多線程的處理設(shè)計(jì)，從平臺(tái)配置文件讀取注冊(cè)的分布站點(diǎn)后，在收割池中分配對(duì)應(yīng)的線程進(jìn)行站點(diǎn)資源的同步，根據(jù)不同站點(diǎn)類型對(duì)應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行元數(shù)據(jù)的同步，最后更新本地的元數(shù)據(jù)記錄和資源索引，在該過(guò)程中Watch Dog負(fù)責(zé)監(jiān)視分布式站點(diǎn)連接狀態(tài)以及用戶的操作。

2 流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

為驗(yàn)證該共享技術(shù)的可用性，筆者將該框架技術(shù)應(yīng)用于流域水環(huán)境信息共享平臺(tái)的開發(fā)。平臺(tái)由用戶管理、空間信息服務(wù)、資源注冊(cè)、資源發(fā)布、資源搜索、數(shù)據(jù)下載等基本功能模塊組成。平臺(tái)中注冊(cè)了本身站點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)了OGC CSW規(guī)范的ArcGIS.com，在平臺(tái)中通過(guò)空間地理服務(wù)搜索平臺(tái)數(shù)據(jù)資源，如定位到沈陽(yáng)(圖6)即可檢索到平臺(tái)內(nèi)包含有關(guān)沈陽(yáng)的資源，并提供資源的詳細(xì)信息，元數(shù)據(jù)信息和地圖服務(wù)的鏈接，還可從關(guān)聯(lián)的分布式站點(diǎn)中進(jìn)行資源搜索，如對(duì)ArcGIS.com(圖7)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索。

3 討論與結(jié)論

基于Geoportal的水環(huán)境信息共享平臺(tái)有效地實(shí)現(xiàn)了流域水環(huán)境信息的高效共享，以服務(wù)的方式進(jìn)行共享可以消除數(shù)據(jù)的平臺(tái)差異、結(jié)構(gòu)差異和存儲(chǔ)差異，能實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效集成，基于WEB站點(diǎn)分布式數(shù)據(jù)共享機(jī)制能最大程度地實(shí)現(xiàn)流域水環(huán)境信息的共享。基于Geoportal的流域水環(huán)境共享平臺(tái)是對(duì)信息共享平臺(tái)構(gòu)建的一次新嘗試，平臺(tái)運(yùn)行安全、可靠和穩(wěn)定，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該技術(shù)框架是科學(xué)、合理和可行的。

由于平臺(tái)基于B/S架構(gòu)，其數(shù)據(jù)信息的共享依賴網(wǎng)絡(luò)性能，硬件設(shè)施的好壞對(duì)平臺(tái)性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響，分布式搜索依賴于遠(yuǎn)程站點(diǎn)的穩(wěn)定和協(xié)議支持，服務(wù)響應(yīng)的快慢和資源的可獲得性受帶寬影響較大。平臺(tái)的局限在于用戶訪問(wèn)量與服務(wù)器負(fù)載均衡的限制，以及提供數(shù)據(jù)服務(wù)的分布式站點(diǎn)可能因客觀原因?qū)е掠脩魺o(wú)法訪問(wèn)其所提供數(shù)據(jù)服務(wù)，因此要保障共享平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須保障各注冊(cè)站點(diǎn)的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)的暢通性。

總體而言，Geoportal作為空間資源信息共享和跨站點(diǎn)的資源繼承共享的新方式，方便用戶構(gòu)建與自身領(lǐng)域相關(guān)的空間信息服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施，為多源異購(gòu)數(shù)據(jù)信息的集成、共享和高效管理提供了新的解決方案。

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