以我国国产卫星数据为主要数据源, 开展面向重点部门、重点灾害频发区域的卫星遥感减灾应用示范, 初步形成“ 天地一体化、信息共享、上下贯通、规范标准” 的应用示范网络, 为空间技术减灾应用提供可推广的业务支撑平台、应用支撑平台。

1)严格遵循有关标准与规范。系统应符合现有的国家标准和行业规范。基础空间数据库建设应遵循和执行国家的统一标准和规范, 数据分层、分类与编码、精度、符号等标准尽可能参照已有的标准。

2)科学性、适度超前性与可操作性相结合。系统建设应采用国内外先进的、稳定的软硬件技术和产品, 包括先进的、开放的体系结构、计算机网络技术和设备以及系统管理技术等, 在可操作性的前提下, 要尽可能采用目前最为先进的技术, 并在设施建设、设备配备方面适度超前, 保持技术先进性。

3)开放性、可扩展性与安全性相结合。系统建设应采用标准的、可扩展的、模块化的软硬件体系结构, 保证数据具有良好的安全性, 保证网络系统和数据的安全运行, 并留足接口, 方便跨部门、跨行业、跨数据共享和信息交换, 形成易于移植的开放性系统, 同时, 可根据需要进行扩展。

4)整合资源、节约资金与提高效率相结合。作为业务化运行系统, 应具备较高的自动化程度, 资源调配、系统部署方便灵活。要充分利用现有的监测技术和基础设施, 统一标准、建立规范、统筹规划、协调安排, 使各部门、各地方在系统建设过程中有章可循、有据可依, 避免不必要的重复建设, 充分利用现有的软件系统、硬件设备、数据和网络等资源, 节约资金, 提高建设效率。

5)长远规划与循序渐进相结合。系统建设应坚持“ 长远规划, 分布实施, 循序渐进” 的原则, 根据各省减灾救灾相关部门各单位工作实际、业务需求、人员情况、信息化程度分阶段推进, 选择技术基础相对较好、应用需求迫切的地区和单位进行试点。

6)优先使用国产品牌。系统建设应广泛采用国内品牌的产品和技术, 在保证性能和质量的前提下, 降低建设成本, 逐步提高系统的整体国产化率, 支持民族产业的发展。

系统应建立国家自然灾害监测与评估业务标准、规范, 在信息安全管理制度环境下, 充分利用现有的减灾卫星应用系统工程基础设施、空间信息资源基础设施, 遵循统一的技术标准和业务规范体系, 建立结构合理、功能完善、管理规范、灵活实用的基础支撑体系。

针对国产卫星数据, 根据示范系统业务应用的需要, 将整个系统划分为数据库分系统, 数据处理与交换共享服务平台、计算机业务支撑平台等2个平台, 以及遥感减灾应用产品服务能力示范分系统、遥感灾害监测应用示范分系统、风险评估预警应用示范分系统、遥感灾情评估应用示范分系统、灾害应急保障应用示范分系统、天地一体化信息采集应用示范分系统等6个示范分系统, 如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 应用示范系统整体组成Fig.1 Composition of application demonstration system

本系统采用国家、省两级部署, 以面向灾害应用的数据处理与交换共享服务平台建设为基础, 搭建横向覆盖行业、部门, 纵向贯通地方、现场, 横纵结合的示范网络。该平台一方面实现国家级、省级的数据交换, 另一方面实现不同类型的减灾应用产品的共享与发布。同时, 通过关键技术的集成应用和6个典型应用示范的开发为行业部门、地方的卫星遥感应用提供高效、稳定、可靠的数据产品服务和技术支持。总体建设框架如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 应用示范系统总体架构Fig.2 Architecture diagram of application demonstration system

作为一个大型的信息技术系统, 本系统的1个数据处理与交换共享服务平台、6个示范分系统以及数据库分系统之间、各示范分系统内部的子系统之间都存在复杂的信息交换。同时, 不同示范分系统可能是运行于不同的开发平台(如JavaEE, .NET)和不同的软件技术架构(B/S, C/S)的异构系统。

为了使各示范分系统组成一个统一的整体, 形成风格一致、上下贯通、左右衔接、数据可共享、结构可扩展的有机整体, 对整个系统的界面设计、数据流转、系统整合实现统一设计与规划。

本系统通过跟踪灾害的全过程, 为防灾、备灾、救灾提供一系列决策支持。天地一体化信息采集应用示范分系统获取灾害现场实时信息, 经过处理后为遥感灾害监测应用示范分系统和灾害应急保障应用示范分系统提供数据支持; 遥感灾害监测应用示范分系统从数据库分系统和数据处理与交换共享服务平台获取数据及产品, 提供灾害发生前后的连续动态监测, 为风险评估预警应用示范分系统和灾情评估应用示范分系统提供数据产品支持; 风险评估预警应用示范分系统将评估预警结果提供给灾情评估应用示范分系统, 灾害形势稳定后为全面制定灾害救助方案提供科学依据; 最后, 通过遥感减灾应用产品服务能力示范分系统提供的产品服务体系, 完成最终产品的制作。具体业务流程如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 应用示范系统业务流程Fig.3 Operating workflow of application demonstration system

参照减灾卫星应用系统架构设计^[8], 本系统采用层次化结构进行设计, 实现数据、业务、应用及服务间的松散耦合, 采用浏览器端/服务器应用的结构, 严格遵循支撑层、数据层、应用层和交互层的4层体系结构, 灵活运行服务器/客户机/浏览器的工作模式, 提供了在浏览器和客户端软件上实现数据统一管理、服务集成等应用。技术架构如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 应用示范系统技术总体架构Fig.4 Technical framework of application demonstration system

1)支撑层。提供对应用示范系统的软硬件支撑, 由计算机业务支撑平台构成, 为系统提供网络传输、安全防护、海量存储、桌面计算、输入输出以及操作系统、应用支撑软件等基础平台服务功能。

2)数据层。由数据库分系统组成, 负责对示范分系统所有的数据资源进行统一的管理。

3)应用层。负责系统的产品生产和服务, 由6个示范分系统组成。

4)交互层。提供遥感数据处理服务和系统与外部系统和用户之间实现信息交互与服务, 由数据处理与交换共享服务平台构成。

1)遥感灾害监测应用示范分系统。基于环境减灾卫星等国产民用卫星遥感数据以及天地一体化采集数据, 利用多种信息提取算法, 快速获取各种孕灾环境特征参数, 实现承灾体目标特征信息提取和灾害影响范围的快速提取。同时, 综合灾害特征参数、灾情信息和基础地理等多种辅助信息, 实现对灾害现场信息的及时监测、提取、分析, 对各灾种采用不同的分析方法开展进一步的信息处理, 得到灾害影响范围及其统计产品等, 为灾害风险评估预警应用示范、遥感灾情评估应用示范和灾害应急保障应用示范提供基础信息。本系统由灾害特征信息识别子系统、灾害影响范围监测子系统和受灾范围统计子系统组成。

2)风险评估预警应用示范分系统。根据灾害案例数据、基础地理信息数据库、社会经济数据、遥感等数据, 对灾害风险进行分析评估, 生成灾害风险评估图, 并依托数据处理与交换共享服务平台进行灾情预警信息的发布。本系统由灾害风险分析子系统和灾情预警子系统组成。

3)遥感灾情评估应用示范分系统。利用减灾卫星及其他相关观测数据, 实现对人口、农作物、交通线、房屋受灾情况的评估, 完成各种灾害损失统计的功能, 最终形成支撑灾情影响评估应用的各类灾害信息产品, 为减灾应用产品服务提供产品支持。本系统由人口受灾统计子系统、农作物受灾统计子系统、房屋倒损统计子系统、交通线损毁统计子系统组成。

4)天地一体化信息采集应用示范分系统。采用分布式设计架构, 分为国家级应用示范系统和省级示范区应用示范系统。前者主要面向国家级需求, 面向重大自然灾害应急监测与评估示范系统体系内的海量数据、信息开展协调、调度, 进行天地一体化信息采集应用示范; 后者重点解决省级应用示范区内应急情况的天地一体化信息采集应用示范。本系统包括现场信息获取与处理子系统和现场信息综合管理子系统。

5)灾害应急保障应用示范分系统。通过集成实时的遥感资料、卫星导航系统, 建设一整套为灾害应急救灾抢险提供保障功能的适应化系统, 对灾区应急保障进行分析评估, 结合交通应急数据以及空间信息产品, 为灾害管理过程提供初步的决策支持服务, 并根据动态实时信息, 为减灾救灾业务指挥调度的空间化、知识化、智能化奠定基础, 实现保障灾害应急救灾道路的可达性、灵活性和可控性的目的, 为救灾线路的选择、救灾物资调度方案的确定提供支持, 保障灾害应急管理和救助能够顺利实施。本系统由应急保障信息管理子系统、物资调配方案制作子系统和灾民疏散方案制作子系统组成。

6)遥感减灾应用产品服务能力示范分系统。针对国家、省级数据共享和产品服务需求, 为不同级别、不同需求用户提供减灾应用数据产品与信息的编辑与制作、产品集成整理加工等功能, 并实现产品模板制作与管理、产品制作与管理以及产品的输出打印等功能。通过统一的制作模板和业务流程, 将产品以图形、图像、专题图件、表格、文字报告、多媒体等多种形式表示, 实现信息产品以在线、邮件等多种方式提供给最终用户。本系统由遥感减灾应用产品服务子系统组成。

7)数据库分系统。完成对系统相关数据资源进行统一存储和管理、检索与提取、统计分析以及数据库分系统配置与维护管理等。本系统包括数据管理子系统、数据查询检索子系统和数据库维护子系统。

8)数据处理与交换共享服务平台。分为国家级、省级两级部署, 实现多源、多级光学、雷达数据的专用处理, 多源海量数据的共性处理, 多源异构信息的综合集成、显示和分析, 保证应急时灾害数据交换的透明、便捷和安全。同时, 提供遥感数据标准化生产的能力, 重点针对国产卫星数据产品的批量化、标准化生产加工。平台由门户子系统、数据共享交换子系统、灾情信息综合分析子系统、灾害信息标绘子系统、遥感数据处理子系统组成。系统实现界面见图5。

图5

Fig.5

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	图5 系统实现界面Fig.5 System interfaces

3.2.1 数据交换关键技术与解决方案

交换共享服务平台在与其他系统的接口设计上实现了“ 高内聚、低耦合” 的设计思想, 数据库管理系统同其他系统的数据接口主要采用消息及WebService服务的方式实现, 具体交互采用xml文件及数据文件。

在数据库系统的设计上采用先进、成熟可靠的开发技术与产品, 以有效保障业务系统运行的稳定、可靠性, 针对不同的数据类型和数据应用特点, 数据库系统以关系数据库分系统Postgres作为支撑数据库, 在空间数据管理上采用文件系统进行存储管理; 对环境减灾卫星数据、各级图像产品、减灾应用产品及其他相关数据进行统一的访问管理。数据库服务器与文件存储区通过SAN交互机联通, 其他客户端分别采用SAN连接、LAN连接或者FTP的方式获取文件数据。

在国家级、省级示范区形成独立自主的数据管理格局, 实现包括遥感数据、基础地理数据、灾情数据以及收集的灾害现场数据在内的多源异构海量数据的标准化、规范化存储管理, 并提供满足应用服务需求的高效、规范的检索接口, 实现灵活高效并发的多源异构海量数据存储管理策略。

3.2.2 软硬件集成关键技术与解决方案

系统的总体集成在性能优化方面采取了主流的分层解耦和思想, 整个系统分为4层: 应用层、业务逻辑层、数据管理层和拓展层, 增加了系统的灵活性和可拓展性。

数据库与交换共享服务平台在技术实现上使用了服务器FTP的方式进行数据存储和读取, 经过对比测试, 数据的读取效率提高近30%; 同时, FTP的数据存储增加了用户对数据的可操作性。在数据访问上, 使用了主流的WebServie服务进行数据交互, WebService跨平台、跨语言的技术理念, 在数据安全传输的基础上, 最大化地放开了开发人员的限制, 使其易用性有很大的提高。

3.2.3 性能优化关键技术与解决方案

1)高度灵活可扩展的插件框架设计技术。遥感灾害监测与风险评估预警应用示范分系统是一个在网络环境下运行、软硬件集成、众多不同功能集成、人机协同的业务化平台, 具有功能多、流程多、涉及数据类型多、开发人员多等特点。因此, 在设计和实现系统软件框架时, 要求数据接口遵循整体系统软件架构要求的服务规范, 软件功能具有高可伸缩、可热插拔、开放的特性。

该系统的体系架构设计是以插件技术为核心的分层体系架构, 主要工作模块都以插件的形式开发设计, 运行时动态加载组合; 同时系统是一种分层的结构。常规的软件体系架构由于其集中式的局限性, 无法满足现有系统并行、协同开发的要求, 而基于插件技术的体系架构使得开发人员可选用熟悉的开发语言, 独立开发插件, 最后以插件的形式提供给系统, 完成功能的最终集成^[9]。

2)多尺度灾害风险评估分析技术。本系统所设计模型分为全国和区域两个空间尺度, 在具体评估业务工作的应用中具有一定的顺序性。以洪涝灾害为例, 按国家减灾工作要求, 在洪涝灾害高发季节, 定期对全国尺度进行洪涝灾害常规业务评估; 当评估结果中有洪涝灾害高风险区时, 则选择高风险区所在的流域、省等区域级别的范围进行区域尺度的风险评估。可分别按照全国尺度、区域尺度和局地尺度建立洪涝风险评估模型, 依据不同尺度下的灾情与社会经济数据来综合评估其风险等级。

3.2.4 内外网安全关键技术与解决方案

在解决内外网安全方面, 主要从系统架构、用户权限、数据存储3个方面来保证系统的内外网安全问题。

1)系统架构上, 使用4层架构的方式来保证系统每个模块的相对独立和各个层次的独立, 系统请求在任何一环出现异常, 都会立即终止该次请求。

2)在用户权限方面, 使用单点登录的方式来整合各系统程序, 并通过用户权限予以控制。

3)在数据存储方面, 采用安全性非常高的Postgres数据库, 此数据库在数据库的连接和数据存储的安全性上有很大的成就, 且在数据库设计上, 通过主外键的方式来保证数据的完整性。