云計算技術(shù)下的GIS發(fā)展研究

(天津市測繪院 天津 300381)

引言

隨著信息和通信技術(shù)的快速發(fā)展，計算模式經(jīng)歷了從最初把任務(wù)集中交付給大型處理機模式，到后來發(fā)展為基于網(wǎng)絡(luò)的分布式任務(wù)處理模式，再到最近的按需處理的云計算模式，其計算能力、存儲空間及信息服務(wù)的水平都獲得了長足的進(jìn)步。GIS在過去數(shù)十年的發(fā)展中不斷豐富壯大了自身的功能與服務(wù)內(nèi)涵，但面對海量空間數(shù)據(jù)分析時能力愈發(fā)捉襟見肘，而云計算的出現(xiàn)，為GIS解決這一類難題及進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路。

一、云計算

云計算(cloud computing)，是分布式計算技術(shù)的一種，其最基本的概念是通過網(wǎng)絡(luò)將龐大的計算處理程序自動分拆成無數(shù)個較小的子程序，再交由多部服務(wù)器所組成的龐大系統(tǒng)經(jīng)搜尋、計算分析之后將處理結(jié)果回傳給用戶。通過這項技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者可以在數(shù)秒之內(nèi)，成功處理數(shù)以千萬計甚至億計的信息，達(dá)到和“超級計算機”同樣強大效能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[1]。

相比于傳統(tǒng)的計算模式，云計算具有超大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、通用性和高可伸縮性、按需服務(wù)、極其廉價的特征[2]。對用戶來說，云計算可以依據(jù)用戶的需求，動態(tài)地調(diào)整硬件、帶寬、數(shù)據(jù)存儲等參數(shù)，從而達(dá)到隨用戶需求動態(tài)伸縮、所需服務(wù)隨時隨地可訪問的效果。

二、GIS發(fā)展歷程

地理信息系統(tǒng)(GIS)作為采集、存儲、管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的通用技術(shù)，可以為土地利用、資源管理、環(huán)境監(jiān)測、交通運輸、經(jīng)濟建設(shè)、城市規(guī)劃以及政府各部門行政管理提供新的知識，為工程設(shè)計和規(guī)劃、管理提供決策服務(wù)[3]。同時，GIS作為一種地理信息管理分析的計算機系統(tǒng)，它的發(fā)展與計算機技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。每一次計算模式的變遷，都會給GIS帶來顛覆性的影響，讓GIS在變動革新中不斷發(fā)展壯大自己的領(lǐng)域及內(nèi)涵。

(一)單機式計算GIS。在同一計算機上存儲GIS數(shù)據(jù)并安裝應(yīng)用程序，具有結(jié)構(gòu)高度集中、安全性及運行效率較高的優(yōu)點，但同時其也存在著系統(tǒng)封閉性強，不易共享的困難，而且由于單機運算能力所限，其各項空間處理分析等能力也不夠完善。

(二)分布式計算GIS。分布式計算對單機計算系統(tǒng)中的主機資源緊張及響應(yīng)瓶頸等問題進(jìn)行了優(yōu)化，可將不同數(shù)據(jù)資源及應(yīng)用程序按需分配到不同的計算機上，從而為GIS中存在的空間數(shù)據(jù)異構(gòu)性、數(shù)據(jù)共享困難、運算復(fù)雜緩慢等問題提供了解決方案。其應(yīng)用模式的大致包含基于客戶端/服務(wù)端的C/S模式、基于客戶端/瀏覽器的B/S模式、基于豐富多樣的Web Service構(gòu)建的WebGIS模式等。

(三)并行式計算GIS。為達(dá)到數(shù)據(jù)處理及服務(wù)提供的高效性，具有計算高性能特點的并行計算方式被引入到GIS領(lǐng)域，旨在解決GIS應(yīng)用中的高密集計算量問題。二者結(jié)合引入的并行空間數(shù)據(jù)庫，可以利用常見的以太網(wǎng)把高性價比的服務(wù)器、工作站及普通PC機連接成集群，并利用并行存儲、并行檢索、并行處理等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)兼具較高性能與優(yōu)良伸縮可用性的解決方案，提升了傳統(tǒng)GIS高效處理、管理海量空間數(shù)據(jù)的并行化性能。

(四)網(wǎng)格式計算GIS。網(wǎng)格GIS是GIS在網(wǎng)格環(huán)境下的一種應(yīng)用，它是一種匯集和利用共享空間信息資源、進(jìn)行一體化組織與處理，具有按需服務(wù)能力的地理信息系統(tǒng)。網(wǎng)格GIS將地理上分布的、系統(tǒng)異構(gòu)的各種計算機、空間數(shù)據(jù)、服務(wù)器、大型檢索存儲系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)等，通過高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接并集成起來，形成對用戶透明的虛擬的空間信息資源，在廣域范圍內(nèi)實現(xiàn)空間信息無縫集成和協(xié)同處理。

新時代下信息通信技術(shù)的高速發(fā)展，促使空間數(shù)據(jù)精度的不斷提高和獲取方法的多樣化，但在面臨動輒TB、PB級的數(shù)據(jù)時，現(xiàn)有GIS手段在對其進(jìn)行高速、有效的分析計算時仍面臨著十分巨大的挑戰(zhàn)，所以，結(jié)合云計算的優(yōu)勢，對現(xiàn)有GIS模式進(jìn)行變革，將會極大地推動新時代下GIS的進(jìn)一步發(fā)展。

三、云GIS

基于云計算的GIS(以下簡稱“云GIS”)是基于云計算的理論、方法和技術(shù)，改進(jìn)并擴展傳統(tǒng)GIS結(jié)構(gòu)體系與功能，提升其在海量空間數(shù)據(jù)的高性能存取、處理、分析等領(lǐng)域的能力，解決地理信息科學(xué)領(lǐng)域中計算密集型和數(shù)據(jù)密集型的各種問題而產(chǎn)生的新一代地理信息系統(tǒng)。其實質(zhì)是將GIS的平臺、軟件和地理空間信息能夠方便、高效地部署到以云計算為支撐的“云”基礎(chǔ)設(shè)施之上，能夠以彈性的、按需獲取的方式提供最廣泛的基于Web的各類服務(wù)[4,5]。

相比于傳統(tǒng)GIS，云GIS具有如下的優(yōu)勢:

(一)降低了GIS用戶的使用門檻。一方面，云GIS用戶不需要像WebGIS和網(wǎng)格GIS那樣安裝軟件及購買數(shù)據(jù)，只需一個網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就能以他所需的方式獲取專業(yè)GIS軟件的所有功能;另一方面，云GIS的效用計算特征，可以讓用戶按需支付所需服務(wù)，從而讓用戶以極高的性價比享受到方便快捷的移動GIS服務(wù)。

(二)減少了GIS工作者的工作量。云GIS用戶只需對云平臺提出資源申請就可以獲得超級計算機般的數(shù)據(jù)處理能力，能夠快速完成空間數(shù)據(jù)的分析處理，而無需開發(fā)人員等GIS工作者進(jìn)行算法優(yōu)化及復(fù)雜并行計算、調(diào)度模型的構(gòu)建，減輕了他們的工作量。

(三)具有極高的資源利用效率。云平臺的一個主要特點是超大規(guī)模，大量云服務(wù)器處于運營管理者的管控之下，用戶提交的計算申請后，云平臺就能從整體上進(jìn)行全局的統(tǒng)籌分配(無需利用他人的空閑計算能力)，合理利用資源，有效杜絕資源浪費。由于用戶對GIS計算能力要求千差萬別，簡單的導(dǎo)航、路線規(guī)劃和深入的數(shù)據(jù)挖掘相比計算量差別極其巨大，所以，云GIS用戶按需使用云平臺資源，從而可以提升整體資源的高效利用水平。

(四)降低了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。網(wǎng)格GIS利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的空閑計算機來提供所需的計算能力，在計算過程中勢必涉及空間數(shù)據(jù)的傳出和傳回，增大了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)?；谠朴嬎愕腉IS只需用戶向云計算平臺提出申請，數(shù)據(jù)存儲和處理都在云內(nèi)部完成，在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹皇亲詈蟮奶幚斫Y(jié)果——一個簡單的數(shù)據(jù)集，因此大大減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

四、總結(jié)

云計算作為一種集虛擬化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息安全、效用計算、邏輯推理、軟件工程、商務(wù)智能等技術(shù)為一體的新興計算應(yīng)用模式，對當(dāng)今社會多種領(lǐng)域均產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。云GIS作為傳統(tǒng)地理空間信息管理分析科學(xué)與云計算理論、方法相結(jié)合的新一代GIS手段，將會成為社會信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，提供更多層級、更多模式的共享服務(wù)，云GIS的發(fā)展將是未來GIS發(fā)展變革的主要方向。