HashData助力中科院打造地球大数据

背景

中国科学院“地球大数据科学工程”A类战略性先导科技专项（简称“地球大数据专项”）于2018年1月1日正式立项。该工程以建成具有全球影响力、国际化、开放式的国际地球大数据科学中心为目标，致力于推动并实现地球大数据技术创新、重大科学发现和一站式全方位宏观决策系统。

地球大数据专项一个典型的应用例子是：定量统计分析黄河三角洲过去40年的变化，包括湿地海岸线、河岸生态系统以及土地利用类型等。传统的做法是派遣科研人员到实地考察，这是几乎不能完成的任务。我们希望通过该工程，基于对地检测卫星过去40年拍摄到的黄河三角洲的遥感图片，利用深度学习和海量地理数据处理技术，精确地量化具体变化指标。

产品形态上，地球大数据专项的目标是打造中国版的“谷歌地球”，设置了包括地球大数据卫星、数据一路一带、全景美丽中国和大数据云服务平台等在内的共9个子项目。其中，大数据云服务平台是整个专项的技术基座，通过将资源、环境、生物、人文、生态等领域的数据汇聚起来，构建一个数据存储、分析处理和共享平台，并在此基础上提供数字地球科学服务。

面临挑战

作为一个雄心勃勃的项目技术基座，地球大数据云服务平台自然面临着一系列技术挑战：
数据规模庞大，结构众多：

      •   支持38PB基础存储量，每年新增5PB数据；
      •   对地观测、地面观测、基础地理等多种业务模式；
      •   涵盖结构化、半结构化、非结构化格式；

应用场景广泛：

      •   支持33个院系、129个单位使用；
      •   涵盖资源、环境、生物、生态多个领域，不同学科的融合；

科学计算特性：

      •   满足高性能计算需求及数据格式多样化；

数据存储和访问：

      •   支持100+PB的数据规模及灵活访问方式；

共享与隔离：

      •   方便数据共享及计算性能的隔离；

解决方案

作为地球大数据专项的外协单位，我们与中科院网络中心、中科院计算所一起参与规划建设了大数据云服务平台，利用HashData数据仓库为整个工程提供海量数据的存储和处理分析能力。大数据云平台整体架构图如下：

通过集成到地球大数据云平台的HashData数据仓库服务，科研院所单位用户可以在几分钟内创建启动一个数据仓库，规模从几个到上百个节点，数据加载后立即开始数据分析任务。随着数据量和分析工作负载的变化，还可以动态地对数据仓库集群进行弹性伸缩。同时，由于是完全托管的云服务，HashData管理控制台承担了所有的集群资源配置、数据备份、持续监控、网络迁移、故障恢复、高可用和升级等纷繁复杂、易出错的运维工作，让用户（特别是考虑到地球大数据云平台的主要用户是科研人员，而不是IT人员）专注于科研数据分析上。

其次，对象存储作为整个地球大数据云平台的数据持久层，能够以非常低的成本存储提供海量存储能力，包括结构化、半结构化和非结构化数据，有很高的可用性和持久性，满足专项日益增长的数据量。结合HashData湖仓一体的能力，用户可以通过统一的SQL接口对各种数据进行高性能的融合分析处理。

再次，借助HashData数据仓库元数据、计算和存储三者分离、多集群统一数据存储的架构（参考文章《HashData多集群共享统一存储架构》），每个科研院系单位都可以创建自己的计算集群，确保计算性能隔离的同时，又能够实现数据在不同院系之间的充分共享，加速科研进度。

最后，通过基于HashData的MPP计算引擎实现分布式PostGIS功能，进行矢量和栅格数据处理，架构示意如下：

整体实现了分布式GIS空间数据处理, 支持矢量、栅格数据分布式加载入库，并在库内针对空间数据建立索引, 栅格数据入库可自动切割瓦片，根据瓦片边界建立索引。在内部实现的GIS空间数据高效分布式计算，支持空间范围查询、矢量数据叠加分析。

总结

HashData数据仓库云服务已于2020年12月30号在地球大数据云平台上线，可为130余家科研院所提供大数据分析服务。除了为大数据云平台包括地球共享服务系统、CASEarth Databank系统和数据丝路地球大数据系统等其它系统提供支撑外，同时还为科学院内部院系提供通用的数据仓库服务，用于多种应用场景，包括寒旱所的地表观测数据处理，遥感所的植被分布统计，和地质所的地质勘探数据分析。在地理信息数据处理性能方面，相对于之前的解决方案，HashData数据仓库也有很大的提升，例如数据加载提速近100倍，栅格数据叠加分析提速近70倍。

随着地球大数据云平台的逐步成熟稳定，HashData数据仓库将支撑越来越多的数据存储、分析和共享任务，为中科院数字地球科学研究做出更多贡献。