杨兴科;苗霖田;段中会;李梅;崔浩源;吕婷婷;张建军
【摘 要】利用Openstack Cinder组件块存储实现地图文件弹性存储.详细论述了在线地图服务的关键技术,搭建了基于WEB服务层、GIS服务层、数据服务层的面向服务的三层架构.结果显示:该系统支持用户在线查询煤炭地质信息和自主建设属于用户自身的\"我的地图\"专题地图,实现了用户通过任意终端对\"我的地图\"调用、修改、添加与删除,为煤炭管理和生产提供数据的WEB发布和地图服务. 【期刊名称】《中国煤炭地质》
【年(卷),期】2019(031)008
【总页数】6页(P17-21,39)
【关键词】电网技术煤炭地质云;地图服务;煤矿GIS;互联网+煤炭地质
【作 者】杨兴科;苗霖田;段中会;李梅;崔浩源;吕婷婷;张建军
【作者单位】数字信号发生器国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,西安 710021;国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,西安 710021;西安科技大学 地质与环境学院,西安 710054;国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,西安 710021;北京大学遥感与地理信息系统研究所,北京 100871;北京龙软科技股份有限公司,北京 100190;国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,西安 710021;国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,西安 710021
【正文语种】中 文
【中图分类】P62
0 引言
随着“互联网+”时代的信息与数据快速增长，云计算、大数据等现代IT技术突飞猛进的发展，各行业迎来了前所未有的发展机遇与挑战，地质行业也不例外。地质科研机构和诸多学者从不同角度不同目标开展了大量研究与实践工作。中国地质调查局建成地质云[1-2]，系统研究了地质数据的特征与存储管理关键技术[3-4]，深入探索了大数据支撑下的地质云
框架构建以及我国地质调查工作中的物联网、云计算的应用，提出未来地质调查工作中数据采集、地质大数据分析、地质云计算服务设想与发展愿景[5-6]。关于煤矿工作中物联网、大数据、云计算、人工智能等高新技术的应用方面，卢新民[7]研究了矿山物联网中云计算平台建设架构与关键技术、服务方式及其地位作用；武强[8]院士团队采用混合云架构方式建设了矿井水害智慧应急救援服务体系；袁亮[9-10]院士结合煤炭精准开采科学构想详细论述了物联网的内涵及关键技术架构，并指出要实现人工智能开采与灾害防控一体化的采矿新模式需要攻克的七项技术难题；毛善君[11]设计了基于云平台的煤矿监测数据可视化计算系统；李树刚[12]等针对煤矿应急管理海量多源多元异构动态数据的存储管理，设计了基于非关系型数据库-NoSQL，以满足煤矿应急云计算的运行需求。上述研究成果无疑提高了我国地质工作与煤矿安全生产水平，促进了现代IT技术在地质采矿业的应用发展。可见，在煤炭地质行业云计算、物联网、大数据等技术的研究与应用越来越受到学者的关注与重视。然而，各行业对云计算大数据技术广泛应用的背景下，专门针对煤炭地质与煤矿地质保障工作的云服务平台与在线地图服务方面鲜见报道，目前煤炭地质“信息孤岛”问题依旧没有解决。基于此，国土资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室设计并建成煤炭地质云(Coal Geology Cloud-CGC),其中应用了在线地图服务技术，满足用户在任意互联
网终端通过煤炭地质云(CGC)服务平台的地图服务功能查阅各煤田、矿区、井田(勘查区)、煤矿的边界划分和行政隶属等基础信息，且可根据用户需求自主建设属于用户本身的私密专题地图。
1 煤炭地质云(CGC)系统架构及功能特点
1.1 系统架构
煤炭地质云(CGC)是以“互联网+”理念为指导，采用Openstack云计算框架和开放地理空间信息联盟(Open Geospatial Consortium-OGC)标准、煤炭地质大数据分析等关键技术的“互联网+煤炭地质”云服务平台。系统架构遵循云平台的技术体系，采用虚拟化、弹性化、服务化的设计思想，基于时空信息数据库的数据模型，按照“3+1”模式架构体系进行设计，包括“基础设施即服务”(Infrastructure as a Service - IaaS)，“平台即服务”( Platform as a Service - PaaS)和“软件即服务”(Software as a Service-SaaS)3个层次和客户端(Client)1个客户端层，如图1。并通过贯穿多个层次的管理与调度系统实现各层之间的协同工作。实现平台的应用集成，为各类业务应用提供数据资源服务和功能服务。在线地图服务处在整个系统架构的软件及服务(SaaS)层。
图1 煤炭地质云系统架构Figure 1 CGC system framework
1.2 系统功能与特点
①基于“一张图”管理思路[13]，实现煤炭地质信息云服务技术，包括基于天地影像图的CGC导航、煤炭地质服务、煤炭软件服务、设备仪器服务、资讯发布服务、煤炭地质资料共享等，并在云平台上集成煤矿安全、生产、管理有关数据。
②利用云服务强大的数据库和多数据源发布的特点，借助于数据分层管理和各级空间查询及条件组合查询，实现对各煤田、矿区、各井田(勘查区)及各级行政区内煤矿的地质信息等多源异构数据的静态与动态的存储、识别、查询、分析、处理，为煤田储量管理、煤炭资源勘查开发程度管理、煤炭资源开发利用合理规划、矿井地质灾害预测预警、煤矿地质保障、煤质管理、管理等提供在线服务。为煤炭管理和生产提供数据的Web发布和地图服务功能，面向煤炭管理部门和煤炭企业提供煤炭地质综合信息服务。管理部门即可通过煤炭地质云，方便快捷地获取各类煤田和煤矿地质信息，享受更为方便快捷的地质信息服务。
③CGC导航是煤炭地质云服务平台上基于天地图的一个支持无门槛查询与权限建立“我的地图”的在线地图服务模块。用户在此模块上查与煤炭地质相关的高校、科研院所、管理部门、技术支持、工程实施等单位的基本信息，注册用户也可在此页面自助建立“我的地图”，无需后台操作和后台审批。“我的地图”上可以自由不限量加载个体信息。加载信息量大时，可邀请其他注册用户作为好友组建“我的组”，组内好友在不同终端协同完成，加载内容自动保存在云数据库中，供该用户随时随地调用、修改、添加与删除，协同工作不受时空限制。
2 数据采集存储与管理
煤炭地质数据从形态上可分为静态数据和动态数据。静态数据就是煤田地质勘查阶段获取的钻孔、测井、地震勘探信息及地层、煤层、构造、矿权范围等数据；动态数据就是煤矿生产阶段不断采集到的各种随着时间变化与采矿活动的推进而变化的煤炭地质数据，如瓦斯含量、矿压、储量、涌水量、冒裂带高度、采空区面积、音频、视频、图像等数据，而且这些数据随生产会不断变化与新增。这些海量多源异构动态的煤炭地质数据的采集、存储与分析处理客观上需要有弹性化和虚拟化相结合来满足。
教心学
2.1 数据采集
对于静态数据而言大多为结构化数据，而且是已有数据。这类数据本身经过工程质量验收，其可靠性毋庸置疑。在采集时可以直接导入数据库。
加强筋对于动态数据而言有结构化数据、半结构化数据和非结构化数据。在推行“智能+”的今天，煤矿建设和生产离不开各种智能传感器和整个煤矿物联网系统。部分动态数据依赖于各种智能传感器直接采集，例如瓦斯含量、矿压、涌水量、音频、视频、图像等数据，其它数据还需要相关功能模块利用已有数据分析计算后得出并存入数据库中，例如储量、冒裂带高度、采空区面积等。直接采集的数据都要经过煤矿物联网系统的感知、识别、过滤、传输、存储、计算、分析等步骤来保障数据的可靠性。为了避免重复数据采集，在数据的存储管理方面采用支持“多源”数据集成空间大数据引擎。
2.2 数据存储
煤炭地质云平台建设采用Openstack块存储和SQLServer数据库分布式存储，并通过空间数据引擎(Spatial Database Engine-SDE)提供接口访问，即可实现存储空间的扩容。
①Cinder块存储。Cinder是Openstak对块存储的实现，块存储服务主要是为虚拟机提供弹性存储服务，是存储虚拟机镜像文件及虚拟机使用的数据的基础[14]。Cinder接口提供了标准功能，允许用户创建和附加块设备到虚拟机，如“创建卷”，“删除卷”和“附加卷”。支持扩容，快照和创建虚拟机镜像克隆。地图文件利用OpenStack Cinder组件块存储，实现弹性存储。当前资源不够时，SDE底层调用动态创建Cinder并链接到资源空闲云主机。
现象学的创始人②主数据。在GIS中用来定义几何对象、图层信息、属性信息等，具有持续性、非易变类型的数据。相对于操作类型数据，主数据是相对稳定的数据。地图数据索引被存放在主数据中，如：几何实体ID索引、属性ID索引、地图索引、拓扑关系等。
③元数据。元数据又称中介数据、中继数据，为描述数据的数据，主要是描述数据属性的信息，用来支持如指示存储位置、历史数据、资源查、文件记录等功能。元数据主要用来存放地图增长较大的数据[15]，比如几何数据，变更数据，属性数据，资源紧张时，SDE调用创建云主机接口，创建载有SQLServer云主机存放未来需要入库的数据[16]。
3 地图服务技术
近年来，随着面向服务软件架构(Service-Oriented Architecture-SOA)的盛行，GIS软件的部署也逐步从桌面客户端向服务端迁移，促使原本用于地图发布的WebGIS网络平台向更高级的应用升级，从而形成目前的Service GIS软件平台。
ServiceGIS平台将GIS功能的实现由客户端转移到了服务器端，以Web接口的形式提供GIS功能，使基于各种平台发布出来的GIS功能提供形式无差别，便于客户端开发使用。Service GIS平台是在线地图服务的核心技术，也是煤炭地质云(CGC)的特殊模块组件。将服务式GIS技术引入到煤炭地质行业，在桌面GIS产品的基础上，积极开展煤炭地质服务式GIS研究，不断将桌面煤矿GIS数据管理、空间分析、专业计算等功能，应用到计算能力更强大的服务器、计算云等设施上，将煤矿GIS产品的优势不断放大，从而形成煤炭地质云(CGC)的特功能。
3.1 服务GIS架构
服务GIS平台一般包括：Web服务层、GIS服务层、数据服务层三层架构[17]。如图2所示。
赛博
图2 煤炭地质服务GIS平台体系架构Figure 2 Coal geological service GIS platform system framework
这种三层架构首先实现具体的GIS功能实体，再次通过第二层次的模块将GIS功能实体封装为粗粒度的组件，在功能实体与第二层的GIS服务组件以及iServer服务与客户端之间都是通过接口层规定的标准接口进行交互。在每层中都相应提供一系列的模块，他们之间具有松耦合关系。在服务框架中通过服务管理模块将三个层次中具有对应关系的模块进行集成，构建一系列的GIS 服务。
3.2 服务GIS的开发
3.2.1 GIS内核开发及平台封装
同时面向桌面平台、服务平台、移动平台的GIS内核相比纯粹的桌面产品开发具有更高的要求。一方面，由于服务平台的应用环境Linux/Unix占了很大比重，同时还要考虑移动版的Android、IOS等操作系统，因此内核层就面向“跨平台”的需求；另一方面，服务器环境下为了提高性能，原生“支持64位”已成主流；再一方面，云计算环境下，支持“虚拟化”也是必然的需求，故GIS内核开发已成为必然。
3.2.2 GIS服务器开发
GIS服务器是在服务端完成各种应用服务请求的具体执行者，例如地图可视化绘制、数据查询、执行操作命令以及其他所有开放的服务接口类型。GIS服务器可以是一台物理的服务器，也可以是许许多多共同工作的、物理上分布式部署的服务器。这些服务器访问相同的数据和应用处理配置，可以根据服务器的访问压力、动态，自由的调整服务器端的部署。
通常，在云计算环境下，GIS服务器都是以集的形式存在和部署，从而真正做到“按需使用、按需分配”，并通过冗余保证运行的安全性、稳定性。
3.2.3 Web服务器开发
Web服务器部署在GIS服务器的前端，一方面负责将GIS服务器调配、集成到现有的服务器环境下；另一方面负责提供负载均衡、额外的安全控制等机制，在用户和GIS服务器之间搭起交互的渠道，并提高GIS服务器的适应性，不需要考虑部署环境是IIS、Apache、WebSphere、WebLogic等类型。
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