基于云原生技術的多規數據融合與動態認知平臺構建

文｜北京超圖軟件股份有限公司，自然資源部國土空間大數據工程技術創新中心平臺軟件研發分中心 屈曉波 李海瑞 謝明輝

自然資源部的組建整合了原來分散在八個部級單位的規劃職責，形成了統一的國土空間規劃體系，統一行使所有國土空間用途管制和生態保護修復職責，這意味著以國土空間用途管制為主要內容的國

土空間規劃將成為新時代空間規劃體系的核心，多規數據融合與動態認知平臺是支撐國土空間規劃體系構建、“多規合一”工作推進、城市發展狀態動態認知的基礎信息平臺。

目前各地方已經積累了一定的國土空間規劃信息化平臺建設經驗，已基本建成了國土空間基礎信息平臺、城市規劃平臺、土地利用規劃平臺，正在開展國土空間規劃“一張圖”實施監督信息系統開發工作，如何利用各地方已有建設基礎，更高效的搭建多規數據融合與動態認知平臺，是當前值得思考的問題。

近年來云計算技術不斷的發展，經歷了云使能、云就緒、云原生三個階段。云計算是一種基于信息網絡，將信息技術資源以服務方式動態、彈性提供，用戶可以按需使用的計算模式和服務模式，云原生技術能夠解決因應用系統復雜龐大引起的bug 修復困難、功能更新困難、因技術架構多樣增加運維復雜度等問題，多規數據融合與動態認知平臺規模龐大、功能復雜，云原生技術為搭建規數據融合與動態認知平臺提供了新的思路。

1 云原生關鍵技術介紹

為了解決傳統應用升級緩慢、架構臃腫、不能快速迭代、故障不能快速定位、問題無法快速解決等問題，云原生這一概念橫空出世。云原生（Cloud-Native）概念最早是2015年Pivotal 的Matt Stine 首次提出，但很長一段時間業界對其定義都很模糊。2018年，CNCF 云原生基金會對云原生給出了具體定義：云原生技術有利于各組織在公有云、私有云和混合云等新型動態環境中，構建和運行可彈性擴展的應用。云原生的代表技術包括容器、服務網格、微服務、不可變基礎設施和聲明式API。這些技術能夠構建容錯性好、易于管理和便于觀察的松耦合系統。結合可靠的自動化手段，云原生技術使工程師能夠輕松地對系統作出頻繁和可預測的重大變更。

云原生區別于傳統云應用，具有敏捷、可靠、高彈性、易擴展、故障隔離保護、不中斷業務持續更新等優勢特點。從宏觀概念上講，云原生是不同思想的集合，集目前各種熱門技術之大成，具體包括如下圖所示的幾個部分：

1.1 微服務

應用間通過RESTful API 進行通信，可以被獨立的部署、更新、scale 和重啟。并不是所有的應用都適合微服務化，也不是說將一個單體應用拆分的越細越好。談到微服務就不得不提到“十二因素法則”，如下圖所示：

1.2 DevOps

開發和運維之間保持流程連續的協作方法，目標是快速、頻繁且更可靠地構建、測試和發布軟件。

1.3 持續交付

頻繁發布、快速交付、快速反饋、降低發布風險。

1.4 容器化

圖1 云原生組成部門

圖2 十二因素法則

微服務的最佳載體。容器化最大的好處是保持運行環境的一致性，只要應用可以打包成容器鏡像（我們通常使用Docker 容器），就可以一次編譯，到處運行。同時，容器也可以作為應用運行的最小組件來部署，且更適合作為無狀態應用的運行。結合容器編排工具（如Kubernetes）將大大增強系統的擴展性和自愈能力，輕松應對大流量下的高并發場景，加快業務的迭代速度，Kubernetes作為CNCF 成員的核心，本身就是與云原生應用的理念緊密結合的產物。

圖3 微服務部署到容器

圖4 容器化示意圖

2 云原生技術賦能平臺構建

2.1 微服務架構整合已有平臺成果

基于微服務的基本思想，整合國土空間基礎信息平臺、城市規劃平臺、土地利用規劃平臺、國土空間規劃“一張圖”實施監督信息系統中相關業務應用組件創建多規數據融合與動態認知平臺，平臺中超大規模數據融合管理、大場景三維可視化展示、規劃審查、規劃管控、城市發展動態認知這些應用可獨立地進行開發、管理和加速，使部署、管理和服務功能交付變得更加簡單。

2.2 可持續交付體系保障平臺持續升級

多規數據融合與動態認知平臺要支撐多規數據融合、規劃編制、規劃監督實施規劃業務全流程的業務應用體系，平臺應用面向用戶群體較大，支撐的業務范圍較廣，這就要求平臺具備持續在線提供服務的能力。可持續交付體系以持續交付的方式進行平臺版本的敏捷開發和不停服狀態下的更新，減少服務停止對用戶造成的困擾，迭代開發快速應對用戶的需求變化。

2.3 容器引擎技術提升平臺部署運維效率

多規數據融合與動態認知平臺需在江蘇省、河南省、甘肅省、深圳、武漢等3省11 市部署并開展應用示范，各示范區的軟硬件環境、網絡環境、已建平臺情況、應用示范需求等部署條件需求差異很大，平臺的部署工作應針對每個示范單位提出個性化的部署方案，部署工作復雜多樣，Docker（容器引擎技術）給我們帶來新的思路，與傳統虛擬化不同的是，傳統虛擬化的虛擬機會完全與主機分離，而容器化與主機共享操作內核，只會在操作系統層創建一個個容器。

平臺以容器的形式進行部署，無論是在Windows 還是Linux 系統中，不管什么樣的基礎設施，成為容器的軟件都可以正常運行，有效解決適應復雜多樣部署環境的問題，提升平臺部署效率。

3 多規數據融合與動態認知平臺

3.1 平臺建設背景

為解決國土空間規劃體系中“多規合一”仍存在的突出問題，國家重點研發計劃設立了“城市多規數據融合與動態認知平臺關鍵技術研究與示范”項目，擬解決新型空間規劃體系建立的理論框架，多源(元)多模態數據精準獲取、智能處理與高精度融合，城鎮開發邊界和生態控制線的精細劃定，大數據支撐的城市發展狀態動態認知和綜合評估的方法等理論和技術難題。

圖5 多規數據融合與動態認知平臺微服務架構

多規數據融合與動態認知平臺是“城市多規數據融合與動態認知平臺關鍵技術研究與示范”項目課題五“多規數據融合與動態認知平臺研發與應用示范”的第四子課題的研究內容。

3.2 平臺建設需求

平臺需要集成課題一至四的研究成果，基于自主可控的國產 GIS 平臺和云原生技術，形成軟件研發成果，并對接國土空間基礎信息平臺，實現多規數據的融合管理、服務、動態挖掘與分析，支撐多層級國土空間規劃編制、實施、評估等業務應用，在江蘇省、河南省、甘肅省、深圳市、武漢市等3 省11 市開展多規數據融合與動態認知平臺應用示范。

3.3 平臺技術框架

（1）基礎設施層

基礎設施層是將計算資源、存儲資源、網絡資源等物理資源進行整合，構建超大規模數據管理與服務云基礎環境，形成可按需動態擴展的高性能計算環境、大容量存儲環境。

（2）技術中臺

技術中臺為國土空間規劃挖掘分析模型算法構建和多規數據融合與動態認知平臺構建提供技術支撐。

（3）數據中臺

數據中臺主要為多源異構國土空間規劃數據庫提供存儲建設以及數據處理管理提供支持。國土空間規劃數據庫分實體庫、指標庫和模型庫，其中實體庫包括現狀數據、規劃數據、管理數據、社會經濟數據等。

（4）業務中臺

業務中臺通過與國土空間基礎信息平臺進行對接，提供基礎服務、專題服務、大數據服務、應用支撐等基礎支撐功能，支撐多規數據融合與動態認知平臺提供規劃審查、三線劃定、雙評價、城市發展狀態動態認知等業務功能構建。

（5）應用層

應用層通過多規數據融合與動態認知平臺提供的規劃審查、三線劃定、雙評價、城市發展狀態動態認知等業務功能，實現高精度全域數字化規劃庫應用、城市發展狀態的大場景集成展示應用、生態控制紅線/基本農田保護紅線/城市開發邊界精準管控及城市發展狀態動態認知應用。

圖6 多規空間數據融合管理界面

圖7 大場景三維可視化展示界面

圖8 規劃管控界面

圖9 城市動態認知界面

（6）平臺接入層

平臺接入層是圍繞自然資源領域不同角色的應用需求，基于多規數據融合與動態認知平臺，展開不同的應用。

3.4 多規空間數據融合管理

多規數據包括土地利用規劃、城市規劃等各種規劃數據，涵蓋文件型數據、關系型數據、非結構化數據、服務型數據以及城市動態感知等多種類型的數據，在平臺中，將多源異構數據進行匯聚、清洗、轉換、入庫與融合，從而滿足對多源空間規劃異構數據的融合管理需求。

3.5 大場景三維可視化展示

平臺基于大數據GIS 技術、新一代三維GIS 技術實現對大規模的國土空間規劃業務應用場景數據的二三維一體化展示，實現二維與三維多規數據的無縫融合、高性能加載與顯示。

3.6 規劃管控

平臺提供輔助三條紅線管控（生態保護紅線、永久基本農田和城市開發邊界）及雙評價的功能，為國土空間規劃的編制、劃定以及提供參考。

3.7 城市動態認知

平臺基于可獲取的物聯網和互聯網數據，評估城市發展狀態，對城市發展趨勢進行評估預警，為國土空間規劃的編制提供參考。

4 平臺應用示范

充分利用江蘇省、河南省、甘肅省、深圳、武漢等3 省11 市現有的部署環境，將平臺部署在3 省11 市應用示范區并開展應用示范，利用示范區已有的傾斜攝影模型數據、BIM 數據、基礎地理信息數據、遙感影像數據、規劃基礎數據開展多規數據融合、大場景三維模可視化、規劃管控及城市動態感知應示范，經用戶反饋示范效果良好。

云原生技術憑借其“彈性+分布式“的優勢，構建的多規數據融合與動態認知平臺原生具有云的彈性和靈活性，實現了各示范區原有平臺功能的平滑遷移，提高了平臺重復迭代的效率，降低了平臺部署的難度，滿足了各示范區應用示范的需求。