面向城市环境管理规划的地理知识云的设计开发建议书.docx

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面向城市环境管理规划的地理知识云的设计开发建议书

目录

1项目背景与意义2

1.1.项目背景2

1.2.项目意义2

2项目建设目标与内容2

2.1.项目建设目标2

2.2.项目研究开发内容3

2.2.1.基础数据库和数据仓库的建立3

2.2.2.信息系统总体框架3

2.2.3.信息系统网络架构4

2.2.4.云平台的搭建5

3系统复杂性分析7

3.1.环境管理系统的复杂性7

3.1.1.环境管理系统构成7

3.1.2.环境管理地理信息系统的特点7

3.1.3.云计算系统的体系结构8

3.1.4.云计算主要特点9

4系统需求分析10

4.1.业务需求10

4.2.性能需求10

4.3.用户平台要求10

5技术方案的可行性论证11

5.1.虚拟化技术11

5.2."3S及M一3S"技术11

5.3.对象存储技术11

5.4.云计算相关技术12

6系统组成结构与功能14

6.1.系统组成结构14

6.2.系统功能14

7实施方案15

7.1.人员安排15

7.1.1.系统开发项目组织结构15

7.1.2.环保局项目组织成员15

福建省空间信息工程中心项目实施方成员15

表：

项目实施方成员15

7.1.3.组织间的协调16

7.1.4.项目成员角色和职责16

一、环保局项目组16

二、福建省空间信息工程研究中心项目组18

7.2.时间进度19

7.2.1.项目实施主计划19

7.3.分段成果20

8总结21

9参考文献21

面向城市环境管理规划的地理知识云的设计开发建议书

1项目背景与意义

1.1.项目背景

众所周知，我国目前的城市环境管理还很落后，由于管理技术水平较低，管理人员配备不足，致使管理不善，滥开滥建严重，成为环境管理和开发的障碍。

因此结合当今GIS以及计算科学中的先进技术，发挥GIS及云计算在环境管理和开发中的作用，建立基于GIS的环境管理规划云服务平台是十分必要的。

通过建立环境管理云服务平台，有利于提高环境管理和开发的现代化管理水平;为环境管理部门提供高效、高质量的图文信息服务和辅助决策支持，提高决策的科学性和准确性;加入全国环境管理信息网和国际联网，让环境资源走向世界，实现资源共享，促进环境可持续发展。

在技术方而，GIS已经日益成熟，可以根据具体要求采用VC++,VB等开发语言自行设计，也可以使用目前国际上广泛流行的成熟的GIS软件如Arc/Info,Mapinf，等作为开发平台进行二次开发。

云计算技术目前在国外，基于大型云计算平台提供的空间信息数据和服务，在产品架构和商业模式上都已有了较好的实践。

ESRI公司是全球第一家真正支持云架构GIS平台产品的厂商。

在亚马逊（Amazon）弹性云的平台上搭建了“云GIS”系统，它实现了GIS平台在云中的部署和服务模式。

因此基于GIS和云计算技术的特点，将其应用在城市环境管理和规划中将大大提高管理水平和工作效率。

1.2.项目意义

城市环境管理信息系统的建立，有助于环保及科研部门清晰、直观地看到环境污染现状及影响，便于及时、准确地决策与管理。

地理知识云应用于环境管理规划中能进一步加快决策速度，提高决策水平。

在云平台基础上进行操作，可帮助高层决策者针对整个环境的现状和未来发展作出较完整、合理、准确的分析和预测。

2项目建设目标与内容

2.1.项目建设目标

基于地理知识云服务的环境管理系统总目标是建立一个基于网络的开放式系统，使环境信息能够跨地区、跨行业的自由流通的空间信息系统，形成一个技术先进、性能完善、安全可靠、运行高效的网络化环境管理地理信息系统应用体系，实现环境统计、环境监测、生态遥感动态监测等数据收集、处理、加工、传输的计算机网络化系统，最终为环境管理提供辅助决策支持。

随着我国环境污染状况的日趋严重，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的问题，把GIS引入环境管理领域能够在复杂的环境问题中抽取重要的信息以便于做出科学的管理决策，有效的避免了决策失误引发的管理失效和高昂的政策成本等问题。

基于云计算的环境管理规划GIS平台的最终目的是让用户通过一个网络浏览器就可以获得GIS的所有功能，从而达到方便快捷的提高环境管理规划工作的集成化、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的环境。

2.2.项目研究开发内容

2.2.1.基础数据库和数据仓库的建立

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:

城市的基础地形图、植被与绿地覆盖、生态敏感区和自然保护区的分布，行政区划、主要道路（单线与双线）、水系、土地利用、城市的主要建筑分布、主要居民区的分布、人口分布等地图图件;环境信息库包括:

城市环境功能区划、环境质量监测网络的分布;城市环境质量的实时监测等;污染源信息库包括:

大气、水、固体废弃物、噪声的信息等各类环境污染源的空间分布（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，初步建立面向主题的、不同时间的、集成的空间数据仓库。

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）不同时期的历史数据，如工业和交通废气、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、不同功能区噪声的监测数据、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的编辑修改、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空间分析模型等的支持下，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的具体实际，采用如下设计原则。

先进性:

系统组网选用的网络技术既具有先进性，又必须是实用、成熟和安全可靠的技术，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的环保信息网络系统功能的基础上有所发展，同时又能满足环境保护的具体实际，能根据环境保护的业务发展需要进行扩充、升级及修改。

开放性:

选用的技术应具有开放性，能适应不同的使用环境并具有良好的扩展性。

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的需要。

依据自身的需要，自主开发实用于本城市环境保护管理工作需求的环境地理信息系统。

同时能够充分利用现有的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的应用发展需要。

安全性:

应保证系统的安全，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:

选用的技术应满足国际及国家行业标准，保证系统兼容性、可升级性及拥有长的技术寿命周期，保证系统的可持续发展，有效地保证系统的投资。

易操作性及可维护性:

系统应具有易操作性，方便工作人员的操作。

根据现有资料及要求的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的核心机构，作为局机关局域网核心的局信息中心同时也是城市环境信息系统的核心。

因此，局机关局域网在全网中具有最为重要的地位，局机关局域网建设是城市环境信息网建设的关键。

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的重要场所，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与下属各监测站监测设备相连，通过监测数据的自动及人工采集实现对环境各种指标的全方位监测、分析及预测，OA系统支持其相应的职能业务，通过数据共享等技术辅助做好环境监测、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的环境保护工作，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的OA系统，环境信息管理系统通过与下属各环境监测站监测设备相连，通过监测数据的自动及人工采集录入实现对环境各种指标的全方位监测、分析及预测。

OA系统支持其相应的职能业务，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的局域网通过路由器及帧中继线路与局信息中心的主交换机相连，形成城市环境信息广域网。

2.2.4.云平台的搭建

“云GIS”的发展趋势，无非就是公有云、私有云和混合云这三个方向。

公有云，是云计算服务提供商为公众提供服务的云计算平台，他的服务对象是公众，理论上任何人都可以通过授权进入该平台，并得到相应的服务。

私有云，是云计算服务提供商为企业在其内部搭建的专有云计算系统，其服务对象是某个具体的企业，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的，因而提供对数据、安全性和服务质量的最有效的控制。

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。

就目前中国的GIS市场而言，基于“公有云”的GIS商业模式可能由于信息保密和商业利益等原因，实现起来会有一定的障碍。

而基于“私有云”的GIS很有可能成为一个很重要的方向，因为它只需考虑一个企业或客户的数据和需求，因此“私有云”的搭建较之大型的“公有云”则更容易实现。

最新调查也显示，多数调查对象的企业计划增加使用外部供货商所提供的云端服务，在构建内部或仅限企业使用的私有云上的支出将会增加，比例高于公有云。

这在一定程度上表明，在现阶段，企业对于私有云的需求更加迫切，尤其是构建属于企业自己的私有云。

本平台应该归属于混合云

基于“私有云”的GIS模式的搭建，关键在于，它是一个动态的、易扩展的虚拟化计算服务。

其体系架构如下：

基础设施即服务（InfrastructureasaService,IaaS）：

该服务分为三层，硬件层、虚拟层和应用层。

主要作用是以服务的形式提供相应的虚拟硬件资源，如硬件设备、网络设备、存储设备和服务器群等资源，包括GIS数据的备份、灾难修复，通过网络来调整庞大的服务器群的负载平衡，及多用户的数据并发访问。

无需购买这些设备，只需在互联网上租赁即可搭建自己的GIS应用系统。

2）平台即服务（PlatformasaService,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（SoftwareasaSer-vice,SaaS）：

用户可以通过标准的Web浏览器来使用“私有云”上的所有GIS软件；Desktop客户端软件通过标准的Web服务使用“云”上的GIS软件；GIS移动终端可以通过WAP无线网络使用该企业云上的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.环境管理系统的复杂性

城市环境管理和开发是一项复杂的系统工程，从城市环境资源的调查、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、有效的决策成为关键问题。

地理信息系统，以其强大的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的技术支持。

GIS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的战略决策。

3.1.1.环境管理系统构成

环境管理的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、决策系统和决策的后评估系统五部分。

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的支持下，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的数据的输人编辑、查询检索、管理维护、制图输出和分析等需要，其核心部分是数测、评价、决策信息、决策和后评估模块的支持下，利用环境数据信息管理系统提供的经过初筛选的专业信息，提取环境决策信息系统的管理方案，经过环境预测分析和环境评价分析，生成有排序的环境管理与决策方案，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，通过收集到的环境信息，对决策实施效果进行再评估，通过评价结果对现有的决策进行改善和修正，或者进行决策的再制定。

系统相关的功能：

（1）实现各类环保数据的综合查询,具有对地理空间分析和数据综合分析的能力,并能提供分析报告和报表,具备为决策提供支持的能力;

（2）具有对信息分析后提供专项预测的功能;（3）支持通用网络技术,实现更广范围的信息共享,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的完善和公众环境意识的提高。

3.1.2.环境管理地理信息系统的特点

作为环境保护的一个子系统，环境管理GIS也是一个复杂的系统，应具有以下几方面的特点:

1、具有控制多因素的综合能力

环境管理的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，而这些内容又与整个社会经济的发展交融在一起，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的问题，能够处理以保护环境和控制污染为主体的包括技术、经济和社会等多层次结构、多应用目标的复杂问题。

2、具有对多维空间的分析能力

环境问题具有多维的空间特性，在水环境污染防治中显得尤为重要，在研究某一河流流域的过程中，往往可用一维模型（x）模拟，但是研究该流域在周边区域内的污染状况，则必须考虑岸边污染带的环境影响，因而需要二维（x,刃甚至三维（x,y,x）模型进行模拟，如果增加研究河流的环境容量，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必须具有极强的空间分析功能，才能满足这种需求。

3、具有保持动态、可扩充的能力

环境状况是不断变化的，GIS的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的管理。

而且随着污染控制技术的进步，环境管理水平的提高，环境评价标准也会因时因地而不同，在一定时期内达标的指标，随着时间的推移可能成为超标的指标，这也是一种动态变化过程，系统必须及时更新相应的数据库。

3.1.3.云计算系统的体系结构

通过对现有的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的集合。

图1是云计算的体系结构：

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（infrastructureasservice）},IaaS向用户提供的不仅包括虚拟化的计算资源、存储，同时还要保证用户访问时的网络带宽等、）如Amazon云计算AWS（AmazonWebServices）的弹性计算云EC2和简单存储服务S3。

在IaaS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）在基础设施之上的平台层可以认为是整个云计算系统的核心层，主要包括并行程序设计和开发环境、结构化海量数据的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的其他系统管理工具，如云计算的系统中资源的部署、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的资源，平台层提供应用程序运行及维护所需要的一切平台资源）平台即服务称之为PaaS（platfonmasaservice，平台即服务），人多数提供商限定于某种语言和集成开发环境（IDE），例如谷歌的AppEngine支持python以及相应的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的计算问题。

3、应用层、它是面向用户提供简单的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（infrastructureasaservice，基础设施即服务）、SaaS的针对性更强，它将某些特定应用软件功能封装成服务，如Salesfor二公司提供的在线客户关系管理CRM（C1icnRclationshipManagement）服务、SaaS既小像PaaS一样提供计算或存储资源类型的服务，也小像IaaS一样提供运行用户自定义应用程序的环境它只提供某些专门用途的服务供应用调用。

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，即把原来的PC机、服务器进行整合，把应用的基础操作系统平台进行整合，从而形成一个大的服务器和服务器应用平台。

这个和HPC不完全相同，传统的HPC只能整合相同的硬件，同时只关注科学计算。

云计算应该拥有以下特征：

1）能整合不同的PC、服务器、存储、网络等硬件设备；

2）能实现各硬件间的负载均衡，充分利用计算、存储资源；

3）支持快速的应用开发。

而“私有云”的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，最复杂的不是如何使用功能，而是怎样搭建和维护GIS的资源。

关注的不仅仅是采集数据、处理数据、构建数据库、制图和发布地图服务等，更重要的是，考虑如何部署GIS软件和优化软件系统配置以达到最优的性能，这几乎占了整个GIS系统的80%的精力和资源，搭建后，还要考虑系统的维护和升级。

而采用云计算，大大简化了GIS服务器的部署，减少了复杂的服务器管理和维护。

因为企业所需的资源都是从云服务提供商来的，这里的复杂的过程都是提供商的责任，而企业只是进行简单的管理和维护。

第二，降低了构建GIS系统的投资和运营成本。

GIS系统构建的最大成本在于数据。

采用云计算模式，可以集中地对数据进行维护，通过共享的方式为该企业所有的职员提供数据和软件的服务。

企业不再需要为每个项目、每个下属部门重复的购买数据，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的服务，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的成本，大大提高利用率，比现有系统提高30倍的价值。

第三，缩短了GIS系统的构建周期。

对于一个传统的GIS系统构建来说，需要一个基本的周期：

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。

在企业的“私有云”中，前四个过程在云端进行，企业的GIS系统构建的周期大大缩短，既提高了效率，又节省了人力和资源。

第四，提高了GIS程序和基础设施的灵活性。

采用云计算模式，可以把更多的精力放在GIS功能的开发上，而不是基础架构上。

并且，在日常的访问量达到高峰时，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的环境管理信息网络。

环境保护、治理是城市可持续发展的关键，加强环境管理是我国环境保护的一项基本政策。

城市环境管理工作主要包括环境规划与决策、监测（包括重点污染源管理）、评价、预测与模拟等，是实现城市环境保护、区域可持续发展的关键所在。

地理信息系（GeographicInformationSystem;GIS）在环境领域有广泛的应用，可对城市多源环境信息进行统一管理、分析，实现空间信息与属性信息的集成综合管理，进行定量化的研究工作。

4.1.业务需求

应用系统采用国际与国家规定的各种规范及标准，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、各业务职能科室的业务支持系统、办公自动化系统。

4.2.性能需求

先进性:

系统组网选用的网络技术既具有先进性，又必须是实用、成熟和安全可靠的技术，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的环保信息网络系统功能的基础上有所发展。

开放性:

选用的技术应具有开放性，能适应不同的使用环境并具有良好的扩展性。

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的需要。

依据自身的需要，自主开发实用于本城市环境保护管理工作需求的环境地理信息系统。

同时能够充分利用现有的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的应用发展需要。

安全性:

应保证系统的安全，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:

选用的技术应满足国际及国家行业标准，保证系统兼容性、可升级性及拥有长的技术寿命周期，保证系统的可持续发展，有效地保证系统的投资。

易操作性及可维护性:

系统应具有易操作性，方便工作人员的操作

4.3.用户平台要求

基于云计算的GIS是指将空间数据的存储和处理交给大量的分布式计算机（服务器）,通过基础设施即服务（InfrastructureasaService,IaaS）、平台即服务（PlatformasaService,PaaS）和软件即服务（SoftwareasaService,SaaS）三种形式为用户提供空间信息服务的地理信息系统。

云时代的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获取所有的GIS服务。

5技术方案的可行性论证

5.1.虚拟化技术

虚拟化技术是系统可靠性，稳定性的重要保证。

云计算是一个虚拟的资源池，它将底层的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的计算资源。

虚拟化技术提高资源的利用率，并能够根据用户业务需求的变化，快速、灵活地进行资源部署。

实现了动态资源的调配，动态负载均衡，保证主机节点的失效保护，即当一个主机节点失效后，该功能实体能将其上的服务自动转移到其他节点上继续运行。

提高了系统的可靠性。

因此虚拟化技术是实现云计算的最重要的技术基础。

同时面对海量数据的存储和管理，高效的数据挖掘技术决定有效信息的获取。

用户使用云计算服务离不开网络，网络的带宽和稳定性的实现也