A3：科技智慧
一、概述
1.1 研究背景
智慧水务通过在线数据采集设备实时监测监控水务系统的运行状态，并利用可视化方式将水务管理部门与水利相关设施进行整合，根据分析结果提出相关决策建议，以“智慧”的方式服务于水务管理的各类工作中。目前，北京、大连等“智慧城市”试点已将“智慧水务”作为重点建设内容。地理信息系统（GIS）作为智慧水务中的关键技术，可以加快智慧水务的建设，促进水务工作的管理智能化和决策智能化。云计算是以用户为主体，虚拟技术为核心，Internet为载体，海量IT资源为支撑，按用户需求提供动态化服务的商业计算模型。
目前GIS已开始与云技术相结合，朝着一体化、普适化的方向发展，为破解水利信息化建设中数据共享困难、资源重复投资等难题提供了新的契机。深入研究GIS关键技术与云计算，搭建一体化的GIS云服务平台，并将其应用到智慧水务中，不仅可以以“智慧”的方式实现水务应用一体化，促进水利信息化建设的加速发展，还可以为水资源的合理利用提供可靠依据。
1.2 国内外研究现状
从2008年IBM提出“智慧地球”以来，美国、英国、瑞典、日本等发达国家首先意识到了“智慧城市”的科学性，并制定了相关的发展策略。与此同时，水利行业、电力行业、交通行业、建筑行业等各行各业都将智能设备运用到生产中，以更加智能的方式管理生产。我国于2013年1月首次进行了智慧城市的试点研究，在“智慧城市”的建设背景下，国内外学者相继对“智慧水务”的建设进行了探讨和研究。
2009年，Wienand I等将GIS作为一种水资源管理工具，利用GIS的可视化和空间分析功能，针对下游饮用水进行了风险识别、风险评估和监测控制。上世纪90年代开始，国内研究人员开始针对GIS在水利行业的应用进行了初步探讨与应用分析。河海大学张行南等研究了GIS技术在水资源综合规划与管理中的应用。北京师范大学徐宗学等研究了水文GIS综合模型在水资源管理中的应用。南京信息工程大学田红等研究了GIS技术在防洪决策中的应用，为水库的合理优化调度提供了理论依据。
传统水利GIS平台大多存在着信息孤岛、重复建设的问题，资源利用率较低；不同领域的信息化系统大多用于孤立地解决各自的业务，缺乏不同领域之间的资源共享和应用协同。因此研究云GIS平台关键技术在智慧水务上的应用模式，能够为水利信息化提供有效的理论支撑。针对上述问题，本文从理论分析与实例研究两方面着手，将GIS云服务平台与智慧水务相结合，进行了智慧水务GIS云服务平台的应用研究。并以某市水务信息化综合管理平台为例，对智慧水务GIS云服务平台的建设内容、平台架构及服务模式进行了具体的分析研究。
二、云GIS平台关键技术
云GIS是基于云计算的理论、方法和技术，将GIS的基本功能进行扩展，从而进一步改进传统GIS的结构体系，以实现海量空间数据的高性能存取与处理，使其更好地提供高效的计算能力和数据处理能力，解决地理信息科学领域中计算密集型和数据密集型的各种问题。云GIS的实质是将GIS的平台、软件和地理空间信息通过更加方便高效的方式部署到以云计算为支撑的“云”基础设施之上，从而能够以弹性的、按需获取的方式提供最广泛的服务。
2.1 关键技术
2.1.1 不同空间数据集成技术
云GIS环境下的空间数据的特点是海量、异构、多源和动态，这些特点决定了云GIS环境下的空间数据通常是无序、杂乱的。对既有空间数据库的集成采用如下技术：建立接入云GIS环境的所有节点上的空间数据库建立全局空间索引。对于新产生的空间数据则采用云GIS空间数据中心进行统一的管理，构建空间数据中心的过程就是将异构的GIS数据、文档数据、影像数据等，经过数据抽取、数据清洗和数据加载等几个环节得到面向主题的、多时相的、集成的空间数据信息。
2.1.2 不同功能模块集成技术
基于GIS系统功能的共性和可变性角度，GIS系统功能可以划分为通用基本功能、领域共性功能、应用专有功能，目前GIS系统的开发主要集中在面向行业领域的专有功能。2009年，中国地质大学吴信才教授提出功能仓库的概念，功能仓库是指在目录系统上实现的对功能的仓库式管理，将功能仓库分为3个层次，分别是功能组件仓库、功能插件仓库、功能流程仓库。
2.1.3 异构功能资源的互操作与搭建式开发技术
云GIS不仅可以实现异构的GIS功能资源的互操作，还能实现GIS功能资源与非空间信息资源的互操作。目前，ISO/TC211和OGC联合制定的空间数据互操作接口规范，已被主流的GIS软件开发商接受和采纳，今后将会有越来越多遵循OGC标准服务接口的空间信息服务被发布和使用。采用可视化的界面、分析和建模方法，应用多种开发方（如：搭建式、配置式、插件式等），不仅能够快速、高效地开发管理异构数据的应用软件，使开发的GIS应用系统具有高度的扩展性和可维护性，还能够根据用户的需求变化快速地对软件系统进行调整，降低GIS应用系统开发和维护的成本和风险。
2.1.4 云GIS部署模式
云GIS的部署模式主要有公有云GIS、私有云GIS、混合云GIS及行业云GIS四种，其中混合云GIS是共有云GIS和私有云GIS融合实现的一种模式。
共有云GIS是由专业的云GIS供应商负责提供各种类型的GIS资源服务，用户只要按需获取并使用即可。私有云GIS是为客户单独使用而构建的，因此可以提供对数据、安全性和服务质量的有效控制。混合云GIS是多种云配置组合，以某种方式融合在一起搭建的云GIS平台。行业云GIS主要是指专门为某个行业的业务设计的云GIS平台，并且开放给多个同属这一行业的企业或用户使用。行业云GIS非常适合业务需求相似，对成本比较关注的行业。
2.1.5 云GIS应用模式
云GIS的应用模式主要有以下四种，分别为地理信息内容即服务、地理信息软件即服务、地理信息平台即服务、地理信息基础设施即服务。地理信息内容即服务，就是把地理信息的内容作为一种服务提供给用户。地理信息内容即服务是云GIS应用中的最低层次，一般通过在线地图网站提供相应的地图信息和简单的查询服务。地理信息软件即服务是指利用互联网提供在线地理信息处理的服务，主要服务内容包含地图发布服务、数据格式转化服务、空间分析服务等。地理信息平台即服务是把地理信息的整个开发环境作为服务向外提供。地理信息基础设施即服务即将地理信息服务构建在其他商业公司构建的云基础设施中。
三、基于云GIS的智慧水务体系架构
基于云GIS的智慧水务平台架构是以智慧水务为建设目标，以云GIS平台为基础设计平台建设而成的城市智慧水务综合管理平台。平台按照智慧水务的建设思路与目标分析，按六层架构设计来满足水务智慧化建设不同层级的需求，主要架构如图1所示。
图1 智慧水务平台架构
（1）感知层：主要是利用各类感测设备，对各类信息数据进行采集和获取。其中，各类传感器等主要用于基础地理数据的获取；摄像头、视频电话等用于音频、视频等多媒体数据的获取；遥测车等用于城市水务绑定部件信息的获取；移动终端用于数据的采集与加工。
（2）传输层：主要利用物联网接入总线，通过电子政务内外网、无线通讯网络、物联网，将不同来源的数据以不同方式传输入库，并按不同类别、不同部门分别存放。
（3）数据层：主要包含地理信息数据、水利工程数据、社会经济数据、雨水情数据、视频数据、遥感影像数据及物联网数据等。数据层的主要任务是将各类数据进行整合、交换和虚拟，从而使智慧水务系统能够有效保存并处理海量图片、音频、视频等非结构化数据，使业务应用的能力得到大幅度提高，有效提升智慧化水平。同时，数据中心层将对各类数据通过数据中心相关接口标准规范，对上提供统一的数据访问服务。
（4）服务层：服务层是基于GIS技术与云计算构建的服务平台，分四层来满足水务信息化“智慧”建设的不同层次需求。四个层次的云服务依次为基础设施服务层（Iaas）、数据服务层（Daas）、平台服务层（Paas）及应用服务层（Saas），包括各种地理空间数据发布、空间统计分析服务、空间数据查询、业务数据操作、空间数据可视化服务、地理信息集成系统及其他数据服务等。
（5）应用层：应用层包括5种不同服务模式，分别为：GIS信息集成服务、智慧水务管理升级服务、视频分析服务、网络监测服务、智能办公服务。
（6）接入层：作为平台应用的最顶端，实现了平台及应用对政府部门、行业部门、企事业单位、科研院所、社会公众的接入管理能力。
四、实例研究
基于某市水务信息综合管理平台的建设，将GIS云服务平台与智慧水务相融合，将私有云GIS部署到平台上，以弹性的、按需获取的方式提供城市防汛的各项业务，对智慧水务GIS云服务平台进行研究与应用分析。
4.1 开发环境
（1）部分硬件环境
部分软件环境
4.2 云GIS平台部署
某市云GIS平台主要采用虚拟化平台+服务器和存储设备，搭建出支持异构的计算和存储环境的虚拟化云平台。从各主流云平台的各项性能，经济合理方面比较，本研究采用目前国内比较成熟的华为云，在此基础上进行云GIS环境的构建。同时，由于ArcGIS Server 采用的Site模型每个GIS Server节点都是平等的，某个GIS Server 节点意外宕掉不会导致服务崩溃，其开放的ArcGIS Server Admin API接口实现对GIS服务智能弹性调整、服务可度量、成本核算、日志描述的支持，同时通过权限、认证等多种控制机制保证服务正常运行。因此，综合研究考虑华为云+ArcGIS Server进行云GIS环境的部署，其部署图及部署过程如图2所示。
图2 基于云GIS的平台部署图
基于华为云的云GIS部署，首先在华为云中部署预先配置好的ArcGIS Server以及Geodatabase镜像，然后按照如下步骤进行部署：
（1）准备部署ArcGIS Server 到华为云上创建华为云账户，并确认包含华为弹性云ECC的访问权限。访问华为云的系统镜像创建ArcGIS Server的安全组，配置至少一个安全组，来允许远程桌面的访问。
（2）激活Arc GIS Server，使用ArcGIS Server华为系统镜像来登录华为ECC进程。使用Windows远程桌面来连接新的进程。
（3）设置存储数据的位置，选择云端存储数据的位置，配置更多的弹性块储存卷来存储本地数据，使用企业级Geodatabase华为云系统镜像来配置Arc SDE。
（4）将数据迁移到华为云，选择数据迁移方法、传输数据，给定SOC（服务器对象容器）账户权限，访问数据。
（5）创建GIS服务和应用使用ArcGIS Server创建服务，来进行制图、地理编码等。迁移应用到华为ECC进程上的服务。
（6）定制华为ECC进程的安全，改变ECC进程管理员密码，配置ArcGIS Server安全，调整华为ECC进程安全，如防火墙设置等。
（7）创建自定义的华为云系统镜像，删除一些敏感信息或特殊用户信息，保存自己自定义的华为云系统镜像。
（8）访问自己账户的一个新的“Production”进程，使用自己定制的账户登录华为ECC进程，对新的“Production”进行部署。设置远程桌面连接到“Production”的ECC进程为不可用，为“Production”华为ECC进程配置一个新的IP地址。
（9）华为ECC Elastic IP地址访问相应的云GIS服务。平台根据实际需要使用一个华为ECC进程，或者多个，并把数据放到持久性的块存储卷上。当用户的访问量比较大时，可以添加更多的进程来进行扩容。当然也可以把企业级的Geodatabase部署到云端，保持与已有的数据同步进行。
在把ArcGIS Server到华为云上后，继续添加包含ArcGIS Server的ECC进程，并使用负载均衡器（Elastic Load Balancer，ELB）来进行连接，负载均衡器可提供通用的Internet连接请求IP地址，通过此种部署方式来实现不同ArcGIS Server ECC进程的分布式工作。同时云GIS用户可将数据存储到企业级的Geodatabase中，并通过ArcSDE连接，并可以访问ArcSDE所提供的所有的时态、版本和复制功能。
4.3 性能测试和结果分析
为了合理有效的对平台云性能进行测试，将智慧水务平台分别部署在配置完全相同的服务器上，一种是传统部署模式，一种是云部署的模式，并对这两种模式进行性能测试。平台性能测试工具选择ApacheBench，ApacheBench是Apache超文本传输协议（HTTP）的性能测试工具，可以同时模拟多个并发请求。其中，请求中的数据均封装成JSON 格式进行传输。测试的请求总数均为1000，并发请求数为10和100两种，并发请求数为10是模拟平台轻载的情况，请求数为100是模拟平台重载的情况。传统部署模式与云部署模式的测试结果如表3 所示。
表3 传统模式测试结果
②云部署模式测试结果
表4 云部署模式测试结果
传统部署模式与云部署模式的性能上也有所区别，本研究针对GIS单一功能模块和多模块分别在云平台上进行对比分析，对比结果如图3、4所示。
图3 GIS 传统部署与云部署性能对比图（单一模块）
图4 GIS传统部署与云部署性能对比图（多个模块）
五、小结
本文在深入分析GIS关键技术与云计算的基础上，研究了GIS云服务平台，并将其与智慧水务的研究相结合，通过应用实例对智慧水务GIS云服务平台的建设内容、平台架构及服务模式进行具体的分析研究。以某智慧水务为例，通过对传统部署模式下和云部署模式下的平台运行性能进行对比试验，发现GIS云服务部署方式在处理并发访问时平均传输速率和响应时间具备一定的优势，并可降低平台建设与维护的投资和运行成本，为云GIS平台在智慧水务的应用提供合理可靠的依据。
（智慧水务）