“地質云1.0”地質環境分節點技術實現

任曉霞，楊 飛，楊淑云，殷 銘，喻孟良

(中國地質環境監測院，北京 100081)

0 引言

近年來，隨著國土資源大調查和地質調查信息化的深入開展，中國地質調查局在地質調查領域逐步建立了全國地質圖空間數據庫、全國礦產地數據庫等一系列數據庫[1]和野外采集系統、智能地質調查、國家地質信息服務平臺、門戶網站等一系列信息系統平臺[2-3]。這些工作成果為后續工作的開展提供了寶貴資源。

云計算是近年來繼分布式計算、網格計算之后新一代網絡化商業計算模式[4-6]，在開放的網絡環境下以服務方式動態、彈性地為云計算用戶提供計算和存儲等資源，現已在多個產業界得到了廣泛應用[7-10]。2017年11月，中國地質調查局正式發布“地質云1.0”。這是我國地質調查領域第一個云端的綜合性集成應用平臺，旨在解決上述工作成果中的“數據孤島”與“信息煙囪”等問題。“地質云1.0”為分布式云計算架構，由主中心節點、分中心節點和備份節點組成。分布式架構在不改變數據、用戶、基礎設施資源的所有權或管理權情況下，通過“地質云1.0”統一展現地質調查數據、運用數據和服務能力。為此，需解決如下幾個主要問題。

1)各分布式節點間網絡互聯互通和云計算資源的動態擴展。分布式云計算架構首先要保證各分布式節點間是互聯互通的，其次要保證各節點的資源是可統一調度的動態擴展。各分布式節點的互聯互通可通過基礎網絡設施建設，使其各分布式節點均在同一個專業網絡內即可。而云計算資源的動態擴展可由各節點購置同構云設備，使用統一云管平臺來管理分布式云資源，從而達到云計算資源的彈性伸縮和動態擴展。

2)分布式節點的數據如何進行共享服務。前文1)中解決了底層基礎資源的互聯互通互訪問，為上層云服務提供支撐。各分布式節點在物理上是分布式，在邏輯上是一個整體，均通過地質云進行統一的數據共享服務。為此，“地質云1.0”需定義統一的數據共享服務接口，各分布式節點實現數據共享接口來完成數據共享。

3)分布式節點的產品如何提供社會化服務。與前文2)中描述的數據共享服務相同，產品的社會化服務同樣需“地質云1.0”定義統一的產品服務接口，各分布式節點實現產品服務接口來完成產品的社會化服務。

4)分布式節點基于“地質云1.0”架構如何提供專業服務。“地質云1.0”為分布式架構，邏輯上為一整體，通過統一的服務門戶提供服務。各分布式節點作為“地質云1.0”的一部分，在“地質云1.0”架構下，需通過節點自己的服務門戶提供本節點的專業服務，并完成與地質云服務門戶的對接。

針對以上問題，本文以“地質云1.0”地質環境分節點為例，從基礎設施建設、數據共享服務、地質信息產品服務、服務門戶建設4個方面來解決上述4個問題，以完成地質環境分節點建設，與“地質云”其他分布式節點統一形成“地質云1.0”，為地質調查提供服務。

1 地質環境分節點具體實現

地質環境分節點作為“地質云1.0”的分節點之一，其目標是實現與“地質云1.0”互聯互通，提供本節點的數據、產品和專題服務。總體架構如圖1所示。

圖1 “地質云1.0”地質環境分節點總體架構Fig.1 Architecture for geological environment sub-node of Geological Cloud 1.0

1)通過基礎設施建設，形成“地質云1.0”分節點。地質環境分節點基礎設施作為“地質云1.0”的一部分，通過中國地質調查局業務網完成各分節點間的互聯互通、資源統一調度和動態擴展，形成“地質云1.0”基礎設施。

2)實現數據共享服務，提供分節點的數據共享。水工環地質信息服務平臺通過數據共享服務與“地質云1.0”的地質調查數據匯聚系統對接，完成本節點的數據共享服務。

3)完成地質信息產品服務，提供分節點產品的社會化服務。通過產品服務接入與“地質云1.0”的國家地質信息服務平臺對接完成本節點的產品社會化服務。

4)完成節點服務門戶建設，提供地質環境分節點專業服務。水工環地質信息服務平臺作為節點服務門戶，與其他專題系統、地質環境信息系統等形成“地質云1.0”的地質環境分節點服務內容，提供地質環境專業服務。

根據“地質云1.0”地質環境分節點總體架構，分節點主要從基礎設施建設、數據共享服務、地質信息產品服務、服務門戶建設4個方面來完成本節點的建設及與“地質云1.0”對接。

1.1 開展基礎設施建設，形成分節點提供云服務

開展基礎設施建設解決節點間網絡互聯互通和云計算資源的動態擴展，主要通過全員接入中國地質調查局業務網和云設備購置與部署來完成，從而最終形成“地質云1.0”的地質環境分節點，作為“地質云1.0”基礎設施的一部分底層資源提供云服務。

1)全員接入中國地質調查局業務網。地質環境分節點網絡屬于局業務網，為保證能聯通，只需要通過在核心路由器上設置局業務IP路由信息，通過本節點的有線網絡訪問到局業務網。

2)云設備購置與部署。按照地質云主中心節點推薦配置進行云設備選購(表1)和部署實施。部署完畢的云設備形成“地質云1.0”的一部分基礎設施資源。

表1 分節點設備推薦配置表Tab.1 Distributed node device recommendation configuration table

(續表)

為保障節點現有架構穩定，需購置完畢的設備，建立單獨邏輯區域，以旁掛的形式接入現有基礎架構中，并能夠通過局業務網進行訪問。可用的虛擬網絡IP地址段為：10.21.81.1～10.21.83.200，云計算資源可通過統一云管平臺進行訪問。租戶可通過http://10.90.158.132進行創建云主機和云硬盤等申請云上資源。圖2所示為登錄成功后的界面。

圖2 “地質云1.0”地質環境分節點用戶主界面Fig.2 User main interface for geological environment sub-node of Geological Cloud 1.0

1.2 開發數據共享接口，提供數據共享服務

數據共享服務解決節點的數據如何進行共享服務，主要通過數據整理、數據共享接口開發、數據訪問對接3個方面來完成，最終形成數據共享所需要的數據縮略圖、數據元數據信息、數據下載、數據查詢等方法，完成分節點的數據共享服務。

1.2.1 數據整理

梳理單位存量數據，并按照地質調查數據庫目錄體系組織實體數據包。地質調查數據庫目錄體系分為一級目錄、二級目錄、三級目錄、四級目錄等多級目錄。一級目錄為地質調查數據；二級目錄劃分為區域地質、基礎地質、能源地質等；三級目錄細分區域地質調查、基礎地質編圖、巖石地層等；四級目錄為具體數據庫名稱；最后一級目錄即為實體數據包存放位置，包括實體數據(.zip等格式)、縮略圖(.png格式，低空間分辨率和高空間分辨率2類)和元數據(.xml格式，元數據標準按照《地質信息元數據標準DD2006-05》)3種電子文檔。

地質環境分節點數據整理后提供8個數據庫，數據庫情況如表2所示。

表2 “地質云”1.0地質環境分節點數據庫情況Tab.2 Databases cases for geological environment sub-node of Geological Cloud 1.0

1.2.2 數據共享接口開發

“地質云1.0”在局業務網通過地質調查數據匯聚系統完成各節點間的數據共享。為此，地質環境分節點提供的共享數據庫需部署在局業務網，按照地質調查數據匯聚系統定義的數據共享接口開發數據共享接口，完成與該系統的數據共享對接，實現地質環境分節點的空間數據地圖服務、數據瀏覽查詢服務、數據下載等服務。

地質調查數據匯聚系統定義的數據共享接口(基于開放地理空間信息聯盟(Open Geospatial Consortium,OGC)標準[11-12])包括3類接口：

1)空間數據地圖服務接口，遵循OGC的網絡地圖服務(web map service,WMS)和網絡地圖瓦片服務(web map tile service,WMTS)標準。支持Get，Post請求方式，請求參數支持OGC WMTS的請求參數，返回結果為.png格式瓦片。

2)空間數據查詢接口，支持Get，Post請求方式，請求參數包括請求當前頁、請求數量、請求地理范圍，接口返回結果格式為JSON，包括橫坐標、縱坐標、名稱、提供者、縮略圖、下載地址、詳情地址等內容。

3)空間數據下載接口，支持Get，Post請求方式，請求參數為請求的地理范圍，返回結果格式為JSON，包括橫坐標、縱坐標、名稱、提供者、縮略圖、下載地址、詳情地址等內容。

根據表2數據庫情況，1∶20萬水文地質空間數據庫和全國分省1∶50萬環境地質空間數據庫為空間數據圖件，需提供空間數據地圖服務(如WMS或者WMTS地圖服務)和空間數據下載服務；其余數據庫屬于屬性數據，需要提供空間數據瀏覽查詢服務和數據下載服務。同時，屬性數據為便于地質調查數據匯聚系統管理以地圖形式查看，需要轉換為空間數據，提供WMS或者WMTS地圖服務。

1.2.3 數據訪問對接

數據訪問對接包括2部分工作：①按照1.2.2定義的數據共享接口開發實現接口并發布部署在局業務網；②發布后的接口通過地質調查數據匯聚系統提供的服務注冊中心進行接口服務注冊，一旦服務注冊后地質調查數據匯聚系統就能感知新注冊后的接口，該系統再通過調用注冊后的接口完成地質環境分節點的數據查詢、圖件框選瀏覽、圖件點查詢、數據查看詳情、數據下載等數據共享服務。

開發完成后的數據共享接口部署在地質環境分節點的局業務網中，其中空間數據查詢下載接口通過互聯網信息服務發布，圖件地圖服務通過ArcGIS Server進行發布。

以1∶20萬區域水文地質空間數據庫為例，該數據庫實現WMTS地圖服務，通過ArcGIS Server進行發布，然后通過地質調查匯聚系統的服務注冊中心進行注冊服務接口，具體如圖3所示。

1.3 完成產品信息推送，實現地質信息產品服務

地質信息產品服務解決分節點的產品社會化服務，主要通過產品梳理與設計、產品開發與服務、產品信息推送至國家地質信息服務平臺3個方面來完成，最終形成產品社會化服務所需要的產品縮略圖、產品元數據信息，完成分節點的產品社會化服務。

1)產品梳理與設計。梳理地質環境分節點能提供的產品清單，形成產品服務計劃，匯總形成中國地質調查局地質信息產品目錄，服務于“地質云1.0”建設。地質環境分節點產品梳理整理后提供75項地質信息服務產品，產品種類涉及地質圖件、地學科普、技術方法與標準等類別。

2)產品開發與服務。按照梳理后的產品服務計劃，開發處理產品，提供產品元數據信息、產品大圖(分辨率不小于300 dpi)和小圖(像素在128～1 024之間)和產品實體。產品元數據信息按照地質云地質信息產品元數據采集辦法要求提供核心元數據，包括數據、地質圖、地學科普、軟件、儀器設備、出版物、技術方法與標準等7大類產品。核心元數據包括產品名稱、產品一級類別、產品二級類別、產品描述、關鍵詞、產品格式、生產日期、開發單位、產品密級、服務對象、備注等信息。

3)產品信息推送至國家地質信息服務平臺。“地質云1.0”地質環境分節點有自己的對外服務門戶，即水工環地質信息服務平臺，因此只需要按照地質信息服務節點系統接入技術要求確認接入方式，即可完成產品信息推送至國家地質信息服務平臺。地質信息服務節點系統接入技術要求定義的接入方式包括數據推送接入、數據收割接入、前置庫交換接入、部署分布式節點系統接入、定制接入等5種接入模式。從接入實現程度、對接雙方工作量等方面考慮，最后確定以前置庫交換接入方式完成與國家地質信息服務平臺對接。地質環境分節點在互聯網區建立一臺前置機，使用MySQL數據庫作為前置庫，定義推送的內容項然后推送至前置庫。國家地質信息服務平臺作為接收方，獲取前置庫數據庫操作權限，直接讀取前置庫的內容供國家地質信息服務平臺調用。推送至國家地質信息服務平臺的內容包括數據庫屬性數據的綜合信息和產品統一資源定位符(uniform resource locator,URL)信息等(表3)。

表3 地質信息推送內容登記表Tab.3 Geological information push contents registration form

地質環境分節點推送至國家地質信息服務平臺后的產品瀏覽界面如圖4所示。

圖4 與國家地質信息服務平臺對接后的產品瀏覽界面Fig.4 Products browsing interface by national geological information service platform

1.4 建設服務門戶，提供專業云服務

通過對節點服務門戶即水工環地質信息服務平臺的建設，不僅發布該節點的產品、更新數據庫，而且完成與“地質云1.0”門戶及各系統的對接。所有通過“地質云1.0”門戶訪問到地質環境分節點詳細內容，均通過該服務門戶完成。

服務門戶建設主要任務包括水工環地質信息服務平臺及其他系統建設和數據與產品上線運維2部分工作。

1)水工環地質信息服務平臺及其他系統建設。水工環地質信息服務平臺及其他系統作為“地質云1.0”的一部分，需完成與“地質云1.0”門戶系統集成。按照地質云第三方系統接入規范改造水工環地質信息服務平臺及其他系統，包括界面接入與監控地址預留2部分工作。界面接入按照“地質云1.0”提供的徽標或者層疊樣式表(cascading style sheets,CSS)或者網站模板方式，改造服務門戶頭部和尾部。改造之后的水工環地質信息服務平臺效果如圖5所示。完成與“地質云1.0”門戶及各系統的對接，主要包括數據共享接口開發與產品推送至國家地質信息服務平臺，此部分工作在1.2和1.3章節中已經介紹，不再贅述。

圖5 服務門戶界面集成示意圖Fig.5 Service portal interface integration diagram

2)數據與產品上線運維。地質環境分節點提供共享的數據庫以及產品，除按照要求完成與地質調查數據匯聚系統、國家地質信息服務平臺的對接外，全部發布在服務門戶上線提供服務。根據表2中數據庫情況，數據如果是矢量圖件(格式為MapGIS或ArcGIS)需通過切片分層處理再發布到系統上，如果是屬性數據需數據轉換存儲到Oracle數據庫中。上線的服務產品如果是矢量格式，需切片分層處理再發布，其他文檔、視頻類產品之間以附件形式上線或者在線瀏覽方式。

2 建設效果

2017年“地質云1.0”發布上線，地質環境分節點提供的數據庫有8大數據庫與75項地質信息服務產品。其中8大數據庫包括全國1∶20萬區域水文地質空間數據庫、全國1∶50萬分省環境地質數據庫、國家級地下水動態監測數據庫、全國地質災害調查數據庫、礦山地質環境監測數據庫、中國地質遺跡與地質公園數據庫、特大型地質災害數據庫、水土地質環境監測數據庫等。75項地質信息服務產品包括地質災害、地下水、礦山地質環境、地質遺跡、地面沉降等地質圖件、科普、技術方法與標準等類型的產品。可通過地質云局業務網入口、互聯網入口以及水工環地質信息服務平臺進行訪問。圖6為地質環境分節點建設效果示意圖。

圖6 地質環境分節點建設效果示意圖

Fig.6Constructionresultsofgeologicalenvironmentsub-node

3 結語

本文針對地質云建設中面臨的問題，從基礎設施建設、數據共享服務、地質信息產品服務和服務門戶建設4個方面介紹了“地質云1.0”地質環境分節點具體技術實現，取得了一定的成果。

“地質云1.0”地質環境節點的數據與產品建設成果，體現了近幾年地質環境領域最新權威存量數據，作為“地質云1.0”分布式節點的數據與共享建設成果，支撐“地質云1.0”的“一站式”數據共享與產品社會化服務，為提升地質云應急服務能力、分布式數據存取能力和成果服務能力打下了堅實的數據資源基礎。