面向城市环境管理规划的地理知识云的设计开发建议书Word文档下载推荐.docx

1、随着我国环境污染状况日趋严重，而环境分析和管理能力较弱是环保部门在控制污染进一步恶化过程中急需解决问题，把GIS引入环境管理领域能够在复杂环境问题中抽取重要信息以便于做出科学管理决策，有效避免了决策失误引发管理失效和高昂政策成本等问题。基于云计算环境管理规划GIS平台最终目是让用户通过一个网络浏览器就可以获得 GIS所有功能，从而达到方便快捷提高环境管理规划工作集成化、自动化、智能化程度，实现环境保护和综合整治，为城市可持续发展创造良好环境。2.2.项目研究开发内容2.2.1.基础数据库和数据仓库建立我们认为环境管理基础数据库应包括:基础资料库，环境信息库和污染源信息库3类。其中基础资料库包括

2、:城市基础地形图、植被及绿地覆盖、生态敏感区和自然保护区分布，行政区划、主要道路（单线及双线）、水系、土地利用、城市主要建筑分布、主要居民区分布、人口分布等地图图件;环境信息库包括:城市环境功能区划、环境质量监测网络分布;城市环境质量实时监测等;污染源信息库包括: 大气、水、固体废弃物、噪声信息等各类环境污染源空间分布（包括工业点源、交通线源、面源、体源）。将以上基础数据进行整理，确定数据仓库信息需求后，采用SQLServer2000设计，初步建立面向主题、不同时间、集成空间数据仓库。内容包括: （1）环境专题数据，如环境监测、排污管理、污染源治理、环保设施管理等;（2）不同时期历史数据，如工

3、业和交通废气、降水酸度、河流水质、城市地下水、工业废水、生活废水、城市饮用水、土壤、交通噪声、城市区域环境噪声、不同功能区噪声监测数据、污染源排污状况、污染事故记录等;（3）综合数据，如环境资源、灾害污染、能源结构、环境法规、人口经济等生态环境因子以及环境质量评价等。综合数据层：城市环境信息GIS应用管理层:完成对上述六大数据库编辑修改、添加、删除等基本操作，及GIS统计、分析、查询、输出等功能。城市环境管理和开发决策支持层:建立模型库，在城市环境影响评价模型、城市环境质量评价模型、环境开发条件评价模型、环境容量模型、环境需求预测模型、人曰规模计算模型、环境经济效益分析模型、GIS空间分析模型

4、等支持下，辅助城市环境管理部门分析决策。2.2.2.信息系统总体框架本系统根据环境保护具体实际，采用如下设计原则。 先进性:系统组网选用网络技术既具有先进性，又必须是实用、成熟和安全可靠技术，同时又符合现代计算机发展主流。系统在环保信息系统中保持其先进性，其功能在覆盖目前流行环保信息网络系统功能基础上有所发展，同时又能满足环境保护具体实际，能根据环境保护业务发展需要进行扩充、升级及修改。 开放性:选用技术应具有开放性，能适应不同使用环境并具有良好扩展性。 实用性:城市环境地理信息系统应用软件开发应围绕城市环境保护管理需求展开，并服务于城市环境保护管理工作需要。依据自身需要，自主开发实用于本城市

5、环境保护管理工作需求环境地理信息系统。同时能够充分利用现有设备资源及各种已有历史环境数据，并目_在技术上能够满足今后应用发展需要。 安全性:应保证系统安全，具有各种安全防护措施。 可靠性:应保证系统能长期、稳定、健康地运行。 标准化:选用技术应满足国际及国家行业标准，保证系统兼容性、可升级性及拥有长技术寿命周期，保证系统可持续发展，有效地保证系统投资。易操作性及可维护性:系统应具有易操作性，方便工作人员操作。根据现有资料及要求系统功能和设计原则，设计出信息系统总体框架如下图：2.2.3.信息系统网络架构在城市环境信息广域网中，由于环境保护局担负全市环境保护规划、决策、监督实施等职能，是领导全市

6、各环境保护相关部门脚调有机运作、实施城市环境保护工作核心机构，作为局机关局域网核心局信息中心同时也是城市环境信息系统核心。因此，局机关局域网在全网中具有最为重要地位，局机关局域网建设是城市环境信息网建设关键。局机关局域网包括环境信息管理/决策系统，OA系统，公众信息服务系统及对外接口系统组成。 环保监测综合楼是实施城市环境监测、环境监理及环境科研重要场所，环保监测综合楼局域网采用中央服务器方式，应用层配置环境信息管理系统及OA系统，环境信息管理系统通过及下属各监测站监测设备相连，通过监测数据自动及人工采集实现对环境各种指标全方位监测、分析及预测，OA系统支持其相应职能业务，通过数据共享等技术辅

7、助做好环境监测、环境监理及环境科研等工作。下属各环保局工作职能是负责其所管辖区域内环境保护工作，各局域网其软硬件配置基本类同。各局域网都采用中央服务器方式，应用层而配置环境信息管理系统及其本相同OA系统，环境信息管理系统通过及下属各环境监测站监测设备相连，通过监测数据自动及人工采集录入实现对环境各种指标全方位监测、分析及预测。OA系统支持其相应职能业务，通过数据共享等技术辅助做好各项环境保护工作。 以上各环境保护局下属机构局域网通过路由器及帧中继线路及局信息中心主交换机相连，形成城市环境信息广域网。2.2.4.云平台搭建“云 GIS”发展趋势，无非就是公有云、私有云和混合云这三个方向。公有云，

8、是云计算服务提供商为公众提供服务云计算平台，他服务对象是公众，理论上任何人都可以通过授权进入该平台，并得到相应服务。私有云，是云计算服务提供商为企业在其内部搭建专有云计算系统，其服务对象是某个具体企业，私有云系统存在于企业防火墙之内，只为企业内部服务。 私有云是为一个客户单独使用而构建，因而提供对数据、安全性和服务质量最有效控制。混合云,即公有云和私有云混合使用，综合起来搭建云计算平台。就目前中国 GIS 市场而言，基于“公有云” GIS 商业模式可能由于信息保密和商业利益等原因，实现起来会有一定障碍。而基于“私有云” GIS 很有可能成为一个很重要方向，因为它只需考虑一个企业或客户数据和需求

9、，因此“私有云”搭建较之大型“公有云”则更容易实现。 最新调查也显示，多数调查对象企业计划增加使用外部供货商所提供云端服务，在构建内部或仅限企业使用私有云上支出将会增加，比例高于公有云。这在一定程度上表明，在现阶段，企业对于私有云需求更加迫切，尤其是构建属于企业自己私有云。本平台应该归属于混合云基于“私有云” GIS 模式搭建，关键在于，它是一个动态、易扩展虚拟化计算服务。 其体系架构如下：基础设施即服务（Infrastructure as a Service, IaaS）：该服务分为三层，硬件层、虚拟层和应用层。 主要作用是以服务形式提供相应虚拟硬件资源，如硬件设备、网络设备、存储设备和服务

10、器群等资源，包括 GIS 数据备份、灾难修复，通过网络来调整庞大服务器群负载平衡，及多用户数据并发访问。 无需购买这些设备，只需在互联网上租赁即可搭建自己 GIS 应用系统。2）平台即服务（Platform as a Service , PaaS）：提供应用服务引擎，如互联网应用编程接口、运行平台等。 用户基于该应用服务引擎，来构建该类应用。3）软件即服务 （Software as a Ser-vice , SaaS）： 用 户 可 以 通 过 标 准 Web 浏览器来使用“私有云 ”上所有GIS 软件 ；Desktop 客户端软件通过标准 Web 服务使用 “云” 上 GIS 软件；GIS

11、移动终端可以通过 WAP 无线网络使用该企业云上 GIS 软件。 用户不必购买软件，只需按需租用即可。其体系架构图如图：3系统复杂性分析3.1.环境管理系统复杂性城市环境管理和开发是一项复杂系统工程，从城市环境资源调查、评价，到城市环境规划、环境景观设计、环境资源及生态环境保护等，涉及到自然地理地貌、上地利用、交通、经济、社会、生态、环保、政策法规等多个层而，信息量、数据量巨大，给环境管理人员带来许多困难。因而如何合理分析和利用这些数据，为城市环境管理开发人员提供科学、有效决策成为关键问题。地理信息系统，以其强大地理空间数据处理能力和空间分析方法，为城市环境管理和开发提供了有力技术支持。 GI

12、S能够集成化解决问题，由于GIS数据参照同一空间坐标系，这使得不同领域共享数据和结果变得简单高效，各部门数据可集成支持整个项目战略决策。3.1.1.环境管理系统构成 环境管理地理信息系统主要由环境数据信息管理系统和环境管理决策系统两部分组成。环境数据信息管理系统包括环境数据收集系统、数据传输、存贮系统和数据分析系统。环境管理决策系统主要包括环境预测系统、分析系统、决策信息系统、决策系统和决策后评估系统五部分。环境数据信息管理系统在环境监测数据库、环境遥感影像数据库和环境背景地理数据库支持下，通过地理信息系统数据库管理系统功能，满足远程或本地用户对环境地理信息数据输人编辑、查询检索、管理维护、制

13、图输出和分析等需要，其核心部分是数测、评价、决策信息、决策和后评估模块支持下，利用环境数据信息管理系统提供经过初筛选专业信息，提取环境决策信息系统管理方案，经过环境预测分析和环境评价分析，生成有排序环境管理及决策方案，便于管理者进行选择和最终决策。环境管理决策系统还包括一个后评估系统，在管理决策生成和实施以后，通过收集到环境信息，对决策实施效果进行再评估，通过评价结果对现有决策进行改善和修正，或者进行决策再制定。系统相关功能：（1） 实现各类环保数据综合查询, 具有对地理空间分析和数据综合分析能力, 并能提供分析报告和报表, 具备为决策提供支持能力; （2） 具有对信息分析后提供专项预测功能;

14、 （3） 支持通用网络技术, 实现更广范围信息共享, 不仅为环境管理部门提供支持, 同时还对社会提供展示和宣传, 以促进全社会监督体制完善和公众环境意识提高。3.1.2.环境管理地理信息系统特点作为环境保护一个子系统，环境管理GIS也是一个复杂系统，应具有以下几方面特点:1、具有控制多因素综合能力 环境管理内容涉及到污染源识别、生态环境现状、环境功能分区、环境规划、环境管理政策等，而这些内容又及整个社会经济发展交融在一起，这也决定了环境管理GIS必须具有综合能力，要体现和处理这些系统所涉及问题，能够处理以保护环境和控制污染为主体包括技术、经济和社会等多层次结构、多应用目标复杂问题。2、具有对多

15、维空间分析能力 环境问题具有多维空间特性，在水环境污染防治中显得尤为重要，在研究某一河流流域过程中，往往可用一维模型（x）模拟，但是研究该流域在周边区域内污染状况，则必须考虑岸边污染带环境影响，因而需要二维（x,刃甚至三维（x, y, x）模型进行模拟，如果增加研究河流环境容量，还需要考虑时间因素，四维模型就成为必要手段。因此，环境管理GIS必须具有极强空间分析功能，才能满足这种需求。3、具有保持动态、可扩充能力环境状况是不断变化，GIS数据结构和数据库也应具有动态性和适时性，系统只有具有动态和适时特性，才能对环境间题实施及时有效管理。而且随着污染控制技术进步，环境管理水平提高，环境评价标准也

16、会因时因地而不同，在一定时期内达标指标，随着时间推移可能成为超标指标，这也是一种动态变化过程，系统必须及时更新相应数据库。3.1.3.云计算系统体系结构通过对现有云计算系统进行深入剖析，云计算系统内部可以看作是一组服务集合。图1是云计算体系结构：1、基础设施层。主要包括计算资源和存储资源，整个基础设施也可以作为一种服务向用户提供，即IaaS（ infrastructure as service） , IaaS 向用户提供不仅包括虚拟化计算资源、存储，同时还要保证用户访问时网络带宽等、）如Amazon云计算AWS（Amazon Web Services）弹性计算云EC2和简单存储服务S3。在Ia

17、aS环境中，用户相当于在使用裸机，既可以让它运行Windows，也可以让它运行Linux、用户在使用过程中很方便。2、平台层）在基础设施之上平台层可以认为是整个云计算系统核心层，主要包括并行程序设计和开发环境、结构化海量数据分布式存储管理系统、海量数据分布式文件系统以及实现云计算其他系统管理工具，如云计算系统中资源部署、分配、监控管理、安全管理、分布式并发控制等）平台层主要为应用程序开发者设计，开发者小用担心应用运行时所需要资源，平台层提供应用程序运行及维护所需要一切平台资源）平台即服务称之为PaaS（platfonm as a service，平台即服务），人多数提供商限定于某种语言和集成开

18、发环境 （IDE），例如谷歌App Engine支持python以及相应IDE）这有点像在高性能集群计算机里进行MPI编程，只适用于解决某些特定计算问题。3、应用层、它是面向用户提供简单软件应用服务以及用户交互接口等，这一层称为软件即服务，即SaaS （infrastructure as a service，基础设施即服务）、SaaS针对性更强，它将某些特定应用软件功能封装成服务，如Sales for二公司提供在线客户关系管理CRM（C1icnRclationship Management）服务、SaaS既小像PaaS一样提供计算或存储资源类型服务，也小像IaaS一样提供运行用户自定义应用程序

19、环境它只提供某些专门用途服务供应用调用。3.1.4.云计算主要特点云计算主要特点是针对基础设施进行整合，即把原来 PC 机、服务器进行整合，把应用基础操作系统平台进行整合，从而形成一个大服务器和服务器应用平台。 这个和 HPC 不完全相同，传统 HPC 只能整合相同硬件，同时只关注科学计算。云计算应该拥有以下特征：1）能整合不同 PC、服务器、存储、网络等硬件设备；2）能实现各硬件间负载均衡，充分利用计算、存储资源；3）支持快速应用开发。而“私有云” 特点和优势则显得更为突出：第一， 简化了 GIS 系统部署和管理。对于企业应用 GIS 来说， 最复杂不是如何使用功能， 而是怎样搭建和维护 G

20、IS 资源。 关注不仅仅是采集数据、处理数据、构建数据库、制图和发布地图服务等，更重要是，考虑如何部署 GIS 软件和优化软件系统配置以达到最优性能，这几乎占了整个 GIS 系统 80%精力和资源，搭建后，还要考虑系统维护和升级。 而采用云计算，大大简化了 GIS 服务器部署，减少了复杂服务器管理和维护。 因为企业所需资源都是从云服务提供商来，这里复杂过程都是提供商责任，而企业只是进行简单管理和维护。第二，降低了构建 GIS 系统投资和运营成本。GIS 系统构建最大成本在于数据。 采用云计算模式，可以集中地对数据进行维护，通过共享方式为该企业所有职员提供数据和软件服务。 企业不再需要为每个项目

21、、每个下属部门重复购买数据，通过“私有云”，只需要构建一个数据中心，集中统一维护，企业内部共享该私有云服务，硬件、人力和维护资源都可以从成本中大大减少。 据统计，云计算能够带来更低成本，大大提高利用率，比现有系统提高 30 倍价值。第三，缩短了 GIS 系统构建周期。对于一个传统 GIS 系统构建来说，需要一个基本周期：硬件维护、硬件安装、信息系统安装、软件安装、应用和数据装载、测试等。 在企业“私有云”中，前四个过程在云端进行，企业 GIS 系统构建周期大大缩短，既提高了效率，又节省了人力和资源。第四，提高了 GIS 程序和基础设施灵活性。采用云计算模式，可以把更多精力放在 GIS 功能开发

22、上，而不是基础架构上。 并且，在日常访问量达到高峰时，只需弹性地增加硬件设备就可以实现，而无需重新部署基础硬件，使得 GIS 应用更加地灵活。4系统需求分析国家和地方各级环保局都需要大量环境质量资源，如大气质量、噪声、水资源、生物资源、社会经济数据等，并能够有效地组织这类信息来进行环境统计、土地利用规划、总体发展规划等。我国已经建立了各种类型环境管理信息网络。环境保护、治理是城市可持续发展关键，加强环境管理是我国环境保护一项基本政策。城市环境管理工作主要包括环境规划及决策、监测（包括重点污染源管理）、评价、预测及模拟等，是实现城市环境保护、区域可持续发展关键所在。地理信息系（Geographi

23、c Information System; GIS）在环境领域有广泛应用，可对城市多源环境信息进行统一管理、分析，实现空间信息及属性信息集成综合管理，进行定量化研究工作。4.1.业务需求应用系统采用国际及国家规定各种规范及标准，主要包含:环境及空间信息录入及处理系统、空间信息查询管理系统、污染源信息管理系统、环境统计处理系统、环境信息管理系统、环境保护规划管理系统、建设项日管理系统、环境监测信息管理系统、噪声达标区、烟尘控制区系统、生态环境监测管理系统、环境评估、城市定量考核系统、公众信息发布、处理系统、环境预测、预报系统、决策支持系统、各业务职能科室业务支持系统、办公自动化系统。4.2.性能

24、需求先进性:系统在环保信息系统中保持其先进性，其功能在覆盖目前流行环保信息网络系统功能基础上有所发展。 系统应具有易操作性，方便工作人员操作4.3.用户平台要求基于云计算 GIS是指将空间数据存储和处理交给大量分布式计算机 （服务器 ）, 通过基础设施即服务（ Infrastructure as a Service, IaaS）、平台即服务 （ P latform as a Serv ice, PaaS）和软件即服务 （ Softw are as a Service, SaaS）三种形式为用户提供空间信息服务地理信息系统。云时代 GIS用户只需要一个网络浏览器就可以像现在获取导航信息一样方便地

25、获取所有 GIS服务。5技术方案可行性论证5.1.虚拟化技术虚拟化技术是系统可靠性，稳定性重要保证。云计算是一个虚拟资源池，它将底层硬件设备全部虚拟化，并通过互联网使得用户可以使用资源池内计算资源。虚拟化技术提高资源利用率，并能够根据用户业务需求变化，快速、灵活地进行资源部署。实现了动态资源调配，动态负载均衡，保证主机节点失效保护，即当一个主机节点失效后，该功能实体能将其上服务自动转移到其他节点上继续运行。提高了系统可靠性。因此虚拟化技术是实现云计算最重要技术基础。同时面对海量数据存储和管理，高效数据挖掘技术决定有效信息获取。用户使用云计算服务离不开网络，网络带宽和稳定性实现也是云计算面临挑战

26、之一，要在云中完成信息高效处理，必须大力发展接入网络技术，并且保证网络具备高性能通信设施。虚拟化技术使得计算资源高度集中，使它们关联起来，并且有效地使用和分配资源。5.2.3S及M一3S技术3S技术，即GIS, RS （ Remote Sensing）和GPS（ Global Positioning System）集成技术以其在管理空间数据方面强大功能和处理资源及环境可持续发展问题上突出能力，特别是3S系统中矢量栅格一体化数据结构设计及实现，已成为空间信息科学发展重要方向，为地球及环境科学提供了新观测手段、描述语言和分析管理工具。多媒体技术（Mufti一media）是近几年发展起来具有很大发展

27、潜力技术，能有效提高环境保护信息管理现代化及业务化水平。M一3S一体化系统将是“3S集成系统发展趋势。5.3.对象存储技术直接开放文件系统存储方式比较适合私有云构建，对于面向公众服务公有云服务，我们期望能够和WEB 协议（HTTP） 兼容。互联网快速发展对存储系统容量、性能和功能提出了巨大挑战，主要表现为大容量、高性能、可扩展性、可共享性、自适应性、可管理性，以及高可靠性和可用性，目前市场上没有一种解决方案可以满足所有这些要求。对于快速升级存储需求，基于对象存储（OBS） 技术是一种非常有前景解决方法，它融合了高速可直接访问存储网络（SAN） 和安全、良好跨平台共享数据网络附属存储（NAS）

28、优点。通过对象存储可以很好地屏蔽底层协议及网络结构复杂性，对象存储具体特点如图2 所示：下一代互联网和PB 级存储大规模部署迫切地期待基于对象存储技术成熟和大规模应用。对象存储设备（OSD）可以基于独立设备（如OSD 硬盘），也可以在分布式系统上构建。为保证对象唯一性，面向分布式系统时一般会划分对象组，确保在不同对象组内对象具有唯一性。对象包括数据和元数据，有两个重要特点：1.对象设备内部管理元数据（ 空间管理）。2.对象ID 是访问该对象唯一标志（每个OSD 设备唯一）。OSD 安全模型是一个基于证书访问控制系统，由4 个实体组成：应用客户端、安全服务、策略/存储管理者及对象服务。对象存储一般都要包含如下操作：读、写、列表、删除、获取元数据，例如Amazon 简单存储服务（S3） 面向各种应用提供了面向对象S3。对象存储主要是面向应用开放，目前各种系统接口尚未完全统一。提供WebService 或RESTful 接口比较便于应