基于Openstack平臺的智慧林業信息服務系統研究與實現

劉陸

(黑龍江省自然資源權益調查監測院，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著云存儲、大數據、互聯網技術的不斷發展，在過去的十幾年間，林業信息化建設取得了較快發展。加快推進智慧林業建設，有助于林業決策的科學化、規范化、高效化。Openstack是目前相對成熟的開源云平臺項目，已經被廣泛應用于公共及私有云的建設與管理、自然資源信息化建設與保護等領域。Openstack在我國林業信息服務領域的應用將有助于促進林業領域的數據互通共享，實現林業發展提質增效。

1 Openstack及其特征

Openstack由美國NASA與 Rackspace 聯合研究發布并由Apache授權在世界各地進行共享與使用，基于其一定的操作系統可幫助使用者開發和部署可移植、可共享、可伸縮且相對安全的服務器端應用程序，通常被工程人員稱之為工具集。Openstack是簡化云的部署過程，作為一種語言和平臺，可實現程序的開發和裝配，擴展性較好，發展速度較快。目前Openstack社區成員超過上百家，是以往Java、JavaEE平臺的重要補充，HP、IBM 等世界一流公司也有貢獻和支持，大有取代另一云平臺Eucalyptus 的局面。

其兩大模塊包括Nova、Swift，分別由NASA和Rackspace開發，分別代表運算職能和云存儲職能，二者即可同時使用也可以各自使用。可移植性是評價系統質量的重要因素之一，Openstack語言的可移植性較好，Nova、Swift等程序都具備良好的可移植性，可在某些條件下或一定范圍內代替服務器端組件模型體系結構。應用該平臺將使系統開發人員以往關心的操作環境移植問題得到有效解決，而不需要再重新編寫源代碼。此外，一些諸如Quantum、Cinder等輔助系統也都十分易于維護，Keystone提供各個不同組建認證功能，使得整個平臺與項目更加完整。

2 基于Openstack平臺的智慧林業信息服務系統架構

2.1 系統需求分析

目標平臺位于 Openstack 云架構的頂層，平臺將以林業信息服務為中心，結合服務標準規范和服務安全管理，充分考慮林業資源管理者和信息查詢者的需求，設計出方便林業資源規劃決策者、管理者和林業信息查詢者操作的管理系統。整個系統服務將分為4個層次：(1)應用服務層(包括森林資源空間數據、林地面積統計分析、服務管理門戶、其他)；(2)平臺服務層(包括應用基礎服務和平臺服務支撐)；(3)數據資源服務層(包括數據資源處理和數據資源存儲)；(4)基礎設施服務層(包括物力資源和虛擬資源)。

2.2 數據資源服務層分析

數據資源服務層負責林業資源數據的存儲和管理，方便用戶進行高效快捷地享受數據資源服務。依托Openstack的數據分析模塊開發，其開發效率高、可移植性好，通過必要的多維數組和索引，將森林資源數據庫、荒漠資源數據庫、濕地資源數據庫、生物多樣性數據庫、基礎地理數據庫等無縫接入，建立組合數組和分割數組，提供數據分析、數據統計與數據可視化功能，有利于森林資源數據在云存儲部分和虛擬化部分的有效運用。數據資源處理層可以基于林業資源海量數據和智能分析框架提供海量林業數據處理與分析能力。將分布式文件系統用于存儲與林業資源管理相關的數據。數據庫訪問器既可以是基于中間件，使用ADO對象以及ADO的附加組，也可以使用JDBC執行SQL語句的Java API，此外，數據資源處理模塊還能實現空間數據引擎和數據訪問服務功能，體現林業數據的“空間性”和“時間性”。

2.3 林業資源數據并行劃分策略

并行劃分策略是林業資源分布式存儲的前提條件。傳統數據劃分的具體方法有：輪轉法、散列劃分法等，為進一步提升數據的可伸縮性和可用性，系統采用矢量數據分布式存儲方式，在對數據進行測定、采集、表述和數字化的基礎上，基于格網輔助的STR-Tree索引生成劃分算法，采用格網劃分進行預處理，目的是促進各個計算節點最大并行化。劃分、索引和冗余備份是保證虛擬節點中存儲設備負載均衡的關鍵，且要充分考慮數據大小、結構、類型、語義，區分林業數據的水平方向和垂直方向，區分空間要素和屬性要素，既能實現數據量均衡并行化的目的，又保持實體的空間聯系特征，以便于數據的錄入和后期數據的分類調出、量化顯示和智能分析。

3 基于Openstack平臺的智慧林業信息服務系統應用實例

Openstack作為智慧林業信息服務系統平臺的底層框架，云存儲(Swift)和虛擬化(Nova)是其兩個非常重要的核心模塊。云存儲模塊使用普通的服務器來構建可擴展的分布式對象存儲集群，作為 IaaS 的存儲服務。虛擬化模塊將云端資源(大量服務器)以虛擬機的形式進行切割，分配給用戶使用。整個框架中還有一個安全認證系統keystone 模塊，提供對用戶的認證功能。云應用層和應用該服務支撐層均采用主從式，由一個主節點和多個從節點構成。界面展現部分 horizon 可以運行在另一臺服務器上，也可以作為一個單獨的進程運行在某一臺服務器上。為了方便 Openstack的研究和二次開發，Openstack 官方為用戶提供了單機部署方案 ALL-IN-ONE，將管理節點、計算節點、存儲節點配置在一臺服務器上，可以提供多節點集群幾乎完全一樣的功能(核心代碼完全一致，僅在網絡和虛擬機遷移等配置上存在差別)。其一般多節點部署架構如圖2所示：

省級智慧林業信息服務系統與各地市智慧林業信息服務系統可無縫對接，通過省級管理系統可直接進入各地市管理系統，查詢林業資源的面積、蓄積、生物量、生長量、林地權屬、林木權屬、土地利用結構、群落結構、樹種結構、齡組結構、起源構成、自然度、單位面積蓄積、平均生物量、平均生長率、平均郁閉度、平均樹高、平均胸徑、植被蓋度、枯枝落葉厚度、腐殖質厚度等指標，實現集林地、濕地、沙地、生物多樣性資源、碳匯資源、水源涵養、水土保持等資源為一體的“省級林業資源一張圖”。再以二類小班數據的層層瀏覽查詢定位功能，依托資源的原始調查與采集過程，提供地圖導航、遙感影像、數據查詢、基礎地理、用戶權限等服務。例如，從黑龍江省定位到綏化市，再選擇青岡縣，進一步查詢到該縣的民政鎮，然后查詢到有利村，可以獲取更為詳細的森林資源信息，即可獲得小班的詳細信息，有效解決了“林業資源分布在哪里”這一問題，為森林資源、荒漠化/沙化與石漠化土地、濕地資源和生物多樣性資源的有效監管提供支撐。

4 結語

本文基于Openstack平臺架構，設計了智慧林業信息服務系統服務框架，為林業管理者利用互聯網+技術進行林業資源調查、監測、規劃提供平臺支撐。林業規劃與管理部門要積極擁抱林業信息化管理服務平臺類型、模式和管理技術，促進新技術和新應用在林業管理工作中的應用，為林業規劃監測工作的智能化和信息化提供解決方案。