山西森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺建設(shè)研究

劉菊

摘 要：山西森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺，主要以全省范圍內(nèi)10個森林生態(tài)定位研究站監(jiān)測數(shù)據(jù)為對象，通過資源整合，實現(xiàn)山西省森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)的規(guī)范化加工處理、分類存儲與管理及在線服務(wù)。在介紹平臺建設(shè)目標以及平臺系統(tǒng)內(nèi)容的基礎(chǔ)上， 結(jié)合森林生態(tài)信息采集和利用需求以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展， 對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建進行了研究。并提出了建立山西森林生態(tài)科技數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺下一步工作重點構(gòu)想。

關(guān)鍵詞：森林生態(tài)；數(shù)據(jù)；服務(wù)平臺；山西省

中圖分類號：S575 文獻標志碼：A

森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)是林業(yè)科技創(chuàng)新的重要基礎(chǔ)資源，也是政府部門制定政策、科技管理決策的支撐和保障。實施生態(tài)戰(zhàn)略以來，林業(yè)生態(tài)建設(shè)迅速發(fā)展，森林資源數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、科研數(shù)據(jù)逐級遞增。但是由于監(jiān)測目標、內(nèi)容、技術(shù)和方法的不同，數(shù)據(jù)多樣、異構(gòu)、多源，不能共享和貫通，形成“山藥蛋”式信息孤島，信息共享和綜合分析能力仍然很弱。為了有效地存儲、組織、應(yīng)用、處理、查詢、分析、管理、輸出、遠程發(fā)布與共享這些海量數(shù)據(jù)，需要建立森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺。

科學(xué)數(shù)據(jù)共享工程是山西省科技創(chuàng)新體系建設(shè)的重要內(nèi)容之一。山西省森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺不僅是山西省大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的組成部分，更是山西森林生態(tài)體系建設(shè)的重要基礎(chǔ)，其對于提高科學(xué)數(shù)據(jù)資源的共享率和利用率，促進社會和經(jīng)濟發(fā)展都有重要作用。

1 平臺建設(shè)概況

1.1 基本原則

平臺建設(shè)的基本原則是“協(xié)作共享，創(chuàng)新機制；強化服務(wù)，推動發(fā)展；整體規(guī)劃，分步實施；政府引導(dǎo)，社會參與”。堅持多方共建，利益共享。立足于全社會的科技創(chuàng)新意識和需求，立足于為創(chuàng)新人才服務(wù)，運用高效、便捷、經(jīng)濟的多種服務(wù)方式和手段，讓社會公眾都能分享科技進步的成果，為所有從事科技創(chuàng)新活動的人員提供開放和公平的環(huán)境。

1.2 建設(shè)目標

山西省森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺建設(shè)的主要目標是：通過專項的穩(wěn)定投入和支持，使山西省森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)共享率和利用率顯著提高，推動科技發(fā)展，使經(jīng)濟持續(xù)增長。解決森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)資源的廣泛社會共享問題，建設(shè)從事平臺建設(shè)、管理和技術(shù)服務(wù)的專業(yè)化人才團隊，構(gòu)筑促進山西省自主創(chuàng)新的公共研發(fā)支撐體系。

2 平臺系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)運用面向?qū)ο筌浖幊碳夹g(shù)、信息安全與加密技術(shù)；系統(tǒng)平臺采用B/S構(gòu)架模式、基于瀏覽器端的操作方式，實現(xiàn)面向公共數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)作與信息實時共享；實現(xiàn)電子信息化辦公、包括實時發(fā)布最新數(shù)據(jù)信息、推廣介紹新技術(shù)、智能查詢等功能。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.1.2 系統(tǒng)分層體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體框架設(shè)計自底向上劃分為5層，分別為物理層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、邏輯層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

第一層物理層是整個開放系統(tǒng)的基礎(chǔ)。主要是由傳感器、移動設(shè)備等智能終端支撐的，并采集數(shù)據(jù)。物理層為數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及設(shè)備，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。

第二層網(wǎng)絡(luò)層負責為分組交換網(wǎng)上的不同主機提供通信。主要是由硬件設(shè)備、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、系統(tǒng)軟件和平臺軟件等基礎(chǔ)設(shè)施支撐的。

第三層數(shù)據(jù)層用于后端數(shù)據(jù)層的集成。主要包括森林生態(tài)數(shù)據(jù)庫（山西省森林生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和森林資源數(shù)據(jù)庫）、其他文獻資料數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)。海量數(shù)據(jù)存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)安全性和用戶權(quán)限控制等功能都憑借其所具備的安全保護機制實現(xiàn)，通過標準SQL語句實現(xiàn)查詢。

第四層邏輯層主要包括數(shù)據(jù)應(yīng)用引擎、多媒體文件服務(wù)引擎等技術(shù)支撐環(huán)境。該層實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與用戶UI界面的連接交互工作。

第五層業(yè)務(wù)應(yīng)用層適用于前端用戶界面的集成，直接為用戶的應(yīng)用進程提供服務(wù)，是體系結(jié)構(gòu)中的最高層。系統(tǒng)采用Web交互模式，主要包括以各種數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)平臺各個模塊功能業(yè)務(wù)應(yīng)用實現(xiàn)。組件式結(jié)構(gòu)，互不影響，可插拔。

2.1.3 系統(tǒng)技術(shù)及路線

系統(tǒng)采用B/S構(gòu)架，Web Server采用IIS7.0，中間層采用ASP.NET、分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、分布式文件存儲等技術(shù)，數(shù)據(jù)庫平臺采用Microsoft SQL Server 2014。

引進了基于云計算的操作系統(tǒng)，極大地改善了應(yīng)用程序的可靠性和可擴展性，性價比高，開發(fā)難度低，對大型Web應(yīng)用有很好的支持。

2.1.4 云計算

系統(tǒng)服務(wù)器采用云服務(wù)器Elastic Compute Service（ECS）。云服務(wù)器是一種基礎(chǔ)云計算服務(wù)。使用云服務(wù)器ECS便捷、高效。既可以隨時擴容磁盤、增加帶寬，也能隨時釋放資源，節(jié)省費用。與普通IDC機房相比，其具有以下優(yōu)勢：①可用性。由于其使用的IDC標準、服務(wù)器準入標準以及運維標準更加嚴格，所以可用性很高。②安全性。選擇云計算，最關(guān)心的問題就是云計算的安全與穩(wěn)定。云服務(wù)器對于用戶數(shù)據(jù)的私密性、用戶信息的私密性以及用戶隱私的保護有著非常嚴格的要求。對于原有自建的IDC機房，云服務(wù)器專有網(wǎng)絡(luò)可以拉專線與其連接，形成混合云的架構(gòu)。③彈性。這是云計算最大的優(yōu)勢。包括計算的彈性、存儲的彈性、網(wǎng)絡(luò)的彈性以及對于業(yè)務(wù)架構(gòu)重新規(guī)劃的彈性，可以使用任意方式去組合自己的業(yè)務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.2.1 數(shù)據(jù)來源

該研究數(shù)據(jù)資源來源途徑主要包括以下3個方面：①已有或調(diào)查、監(jiān)測和實驗。象森林生態(tài)服務(wù)定位站監(jiān)測數(shù)據(jù)，生態(tài)公益林監(jiān)測數(shù)據(jù)，集體林地改革數(shù)據(jù)。②直接來源于文獻資料和國家政府網(wǎng)站。文獻資料，指的是象中國（山西）林業(yè)統(tǒng)計年鑒、人口統(tǒng)計年鑒等國家機構(gòu)出版發(fā)行的權(quán)威文件。國家政府網(wǎng)站，有國家統(tǒng)計局、國家林業(yè)局、中國林業(yè)信息網(wǎng)等。③專業(yè)團隊評估、模型預(yù)測生成。

將獲取數(shù)據(jù)進行整合、處理和分析，得到3種類型數(shù)據(jù)：①直接數(shù)據(jù)。其是指直接可以反應(yīng)森林生態(tài)系統(tǒng)及其服務(wù)功能和森林資源狀況的數(shù)據(jù)。包括森林生態(tài)系統(tǒng)中水、土、氣、生等各類因子的調(diào)查、監(jiān)測和實驗數(shù)據(jù)以及森林資源數(shù)據(jù)。②間接數(shù)據(jù)。其是指沒有直接體現(xiàn)森林狀況，但是與森林有關(guān)的數(shù)據(jù)。人口、社會、經(jīng)濟條件、文化環(huán)境（風俗習(xí)慣）、政策等都會影響森林發(fā)展的方向、規(guī)模和質(zhì)量。這些都屬于間接數(shù)據(jù)。③生成數(shù)據(jù)。其是指基于直接數(shù)據(jù)和間接數(shù)據(jù)，根據(jù)國家標準和規(guī)范評估生成的數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)，根據(jù)功能不同可分為2類：預(yù)測數(shù)據(jù)和建議數(shù)據(jù)。預(yù)測數(shù)據(jù)，主要是對森林資源增長的預(yù)測、功能、質(zhì)量的預(yù)測等。建議數(shù)據(jù)，主要是根據(jù)評估結(jié)果，為政府決策提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2.2 數(shù)據(jù)特點

①從生態(tài)服務(wù)功能類型上看。標準數(shù)據(jù)庫除了有涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、營養(yǎng)物質(zhì)積累和凈化大氣環(huán)境等多種功能數(shù)據(jù)，還將有生物多樣性保護等相關(guān)數(shù)據(jù)。

②從生態(tài)服務(wù)功能測算單元看。標準數(shù)據(jù)庫不僅有省級分區(qū)數(shù)據(jù)，還有林分類型數(shù)據(jù)、林齡組數(shù)據(jù)、單木數(shù)據(jù)。

③從尺度上看。現(xiàn)有森林生態(tài)服務(wù)功能不同時間尺度（按時按日、按周、按月、按年）、不同空間尺度（全省、市、部分縣區(qū)）的數(shù)據(jù)，具備了時間和地域的完整性。

④從涉及范圍上看。標準數(shù)據(jù)庫不但包括實際數(shù)據(jù)，還包括生成數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)種類，不但包括森林、人口數(shù)據(jù)，還包括經(jīng)濟、環(huán)境、文化數(shù)據(jù)。不但涉及群體數(shù)據(jù)，還涉及個體數(shù)據(jù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

數(shù)據(jù)庫構(gòu)建是該平臺運行的基礎(chǔ)。平臺系統(tǒng)采用分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)（Distributed Relational Database Service，簡稱 DRDS）。支持分庫分表、平滑擴容、服務(wù)升降配、透明讀寫分離和分布式事務(wù)等特性，具備分布式數(shù)據(jù)庫全生命周期的運維管控能力。DRDS的功能概要如下：①分庫分表。支持分庫分表，在創(chuàng)建分布式數(shù)據(jù)庫后，只需選擇拆分鍵，DRDS就可以按照拆分鍵生成拆分規(guī)則，實現(xiàn)數(shù)據(jù)水平拆分。②透明讀寫分離。通過使用 RDS只讀實例或者備機實現(xiàn)讀寫分離，幫助應(yīng)用解決事務(wù)、只讀實例或者備機掛掉、指定主備訪問等細節(jié)問題，對應(yīng)用無侵入，在 DRDS控制臺即可完成讀寫分離相關(guān)操作。③數(shù)據(jù)存儲平滑擴容。當出現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲容量和訪問量瓶頸時，DRDS支持在線存儲容量擴展，擴容無需應(yīng)用改造，擴容進度支持可視化跟蹤。④數(shù)據(jù)庫賬號權(quán)限體系。DRDS支持類單機賬號和權(quán)限體系，確保不同角色使用的賬號操作安全。⑤分布式事務(wù)。DRDS結(jié)合分布式事務(wù)套件GTS，可以支持分布式事務(wù)，保證分布式數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的一致性。⑥監(jiān)控報警。DRDS支持對核心資源指標和數(shù)據(jù)庫實例指標的實時監(jiān)控和報警，象實例 CPU、網(wǎng)絡(luò) IO、活躍線程等，及時發(fā)現(xiàn)資源及其性能的瓶頸。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

根據(jù)需求分析進行系統(tǒng)功能設(shè)計，分為前臺在線服務(wù)平臺門戶網(wǎng)站功能設(shè)計和后臺數(shù)據(jù)處理功能設(shè)計。門戶網(wǎng)站的功能設(shè)計是面向平臺使用或網(wǎng)頁瀏覽者，是用戶與平臺網(wǎng)站的交互。后臺數(shù)據(jù)處理功能設(shè)計的使用者則是平臺工作、維護人員，包括數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫的操作和管理、用戶管理和數(shù)據(jù)展示等。

3.1 數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫管理

3.1.1 數(shù)據(jù)安全管理

數(shù)據(jù)安全管理主要包括數(shù)據(jù)共享安全管理、用戶安全管理、權(quán)限管理和配置管理。

數(shù)據(jù)共享安全管理，主要是指對數(shù)據(jù)的保密程度和共享級別進行設(shè)置以及對用戶的保密協(xié)議的制訂。

戶用安全管理，指對所有用戶的分類管理，包括一般用戶、注冊用戶和協(xié)議用戶，需要強調(diào)的是所有用戶均需要進行網(wǎng)站注冊。統(tǒng)計、分析用戶數(shù)據(jù)資源下載量；對定制定單服務(wù)進行統(tǒng)計和管理，對用戶進行訪問、用戶行為進行跟蹤和分析。

權(quán)限管理的對象是平臺管理人員。配置管理主要是指對系統(tǒng)初始值進行設(shè)置。

3.1.2 數(shù)據(jù)（庫）管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要是對數(shù)據(jù)進行編輯，包括對數(shù)據(jù)的添加、修改和刪除管理。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)和更新管理、日志管理、數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)等。數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)管理指對數(shù)據(jù)庫文件（組）的管理。數(shù)據(jù)庫更新管理主要包括數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、修改和刪除。數(shù)據(jù)的編輯和更改保留于日志里。數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)，包括設(shè)計備份和還原策略、管理備份及執(zhí)行恢復(fù)操作。

3.1.3 數(shù)據(jù)檢索查詢系統(tǒng)

根據(jù)數(shù)據(jù)信息的檢索特點和用戶使用習(xí)慣，在遵循有關(guān)國家標準的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進行分類。該研究可實現(xiàn)以下查詢功能：一是森林資源數(shù)據(jù)查詢。提供森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能數(shù)據(jù)、森林生物量和生產(chǎn)力數(shù)據(jù)、森林資源及其空間分布、森林立地條件及其空間分布數(shù)據(jù)，能夠直觀地確定森林分布及林分狀況。二是生成數(shù)據(jù)查詢：提供森林生態(tài)服務(wù)功能量化模型庫及參數(shù)庫，選定合適參數(shù)通過數(shù)值模擬給出模型生成數(shù)據(jù)，即森林生態(tài)數(shù)據(jù)的擬合或預(yù)測、評估數(shù)據(jù)。根據(jù)生成數(shù)據(jù)，定量評估山西省森林生態(tài)服務(wù)功能，提供森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯、森林生物量及生產(chǎn)力數(shù)據(jù)，為山西林業(yè)實現(xiàn)生態(tài)效益向經(jīng)濟效益轉(zhuǎn)變提供數(shù)據(jù)支撐。三是人口、經(jīng)濟、林業(yè)政策等數(shù)據(jù)查詢：提供國家林業(yè)政策、山西省林業(yè)政策信息查詢；提供有關(guān)于林業(yè)發(fā)展的人口、經(jīng)濟、環(huán)境等數(shù)據(jù)查詢。

3.1.4 平臺展示系統(tǒng)

平臺展示系統(tǒng)主要包括森林生態(tài)數(shù)據(jù)在門戶網(wǎng)站瀏覽器的分類、分級顯示，用戶信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)的顯示等。

3.1.5 擴展接口系統(tǒng)

擴展接口系統(tǒng)主要為系統(tǒng)擴展或者在接入山西省科技基礎(chǔ)平臺網(wǎng)站時使用。

3.2 平臺功能模塊的展現(xiàn)

綜合考慮山西省科技數(shù)據(jù)共享工程的總體要求和山西省森林生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)共享的特點，該研究平臺的基本功能包括4個方面，即數(shù)據(jù)的瀏覽，數(shù)據(jù)的檢索和查詢，數(shù)據(jù)的發(fā)布和數(shù)據(jù)訪問。這些功能主要由前臺在線服務(wù)平臺門戶網(wǎng)站和后臺功能模塊來共同體現(xiàn)，見表1。

4 工作構(gòu)想與計劃

在平臺建設(shè)過程中，要始終加強網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建設(shè)。平臺研究下一階段工作重點構(gòu)想：①對森林生態(tài)資源進行資源調(diào)查、分析和規(guī)劃。②組織平臺優(yōu)化設(shè)計、建設(shè)和運行維護管理所需政策、標準和辦法的制定與實施。③對關(guān)鍵技術(shù)的研究與開發(fā)，相關(guān)軟件系統(tǒng)或?qū)＠纳暾垺?/p>

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