云計算與GIS技術革新

當前云計算概念正如火如荼，云計算技術正方興未艾。本文對云計算概念與應用模式、云計算技術與應用方法進行探討，旨在分析云計算對GIS的影響和GIS面臨的新挑戰，與大家共同分享“云”時代GIS應用模式創新的一些設想。

云計算概念與模式

1.云計算基本概念

對于“云計算”，解釋得最多的是“像用電一樣使用計算能力”，但到底是什么卻有無數種解釋。其實，我們無需去搞清楚云計算到底是什么，只需了解這種新的計算模式能夠為人們帶來哪些好處，我們又如何獲取這些能力來為業務所用就足夠了。

云計算使用模式有三個顯著特點，即集中管理、移動應用和租用模式，這跟現代電網的特征是完全一致的。云計算重點關注的是服務器方的計算能力，跟云計算還有一個對應的概念是“泛在計算”，重點關注的是終端的計算能力。信息網絡具有強大的反饋能力，而電網基本上是單向的電力輸送，這是云計算與電網有很大區別的地方。

云計算要實現這三個特征需要關注以下幾個方面：

①資源集中。存儲、計算能力、數據、軟件等系統資源被放到一起作為資源池統一管理，就可以動態地調度資源的分配，如果是分散的則無法達到調度的效果。集中管理應該是虛擬化的，可以是物理上放在一起，但在大部分時候可能是分布式結構，在邏輯上實現統一管理。

②服務架構。既然資源現在統一存放，原來的直接訪問方式就不再可用了，只能采用服務的方式把它提供出來，就需要有相應的服務基礎設施、新型的服務器和終端軟件、新型的開發支持工具、新型的管理辦法。服務多了，就需要制定相應的接口規范；同時，這種模式也潛藏著可靠性、并發處理能力、安全性的巨大挑戰。

③按需使用。集中管理和采用服務方式以后，用戶具有更大的靈活性，可以隨時調用計算中心的資源，而無需關心其他無關的東西，這會大大提升工作的效率；同時，通過按照用量付費的方法，用戶可以降低個人的費用成本，而服務中心也可以通過將閑置的資源提供給其他用戶來提高系統的整體運營效能。另外，計算中經常會出現 “波峰”和“波谷”，計算中心可以統一來進行任務的調度，從而實現負載均衡。

④移動應用。使用移動終端的用戶經常需要在終端與設備、終端與終端之間交換數據，因此更加愿意使用云計算的“星型”數據服務路徑，而且端上計算能力一般較弱，需要通過云來完成，所以云與端是密不可分的。正是移動終端的大量使用推動了云計算的快速發展，因此，對端的開發也是云計算系統的重頭戲。

⑤用戶體驗。云計算模式帶來用戶使用習慣的變化，也使原來軟件應用的范圍大規模地擴展，用戶體驗也因而變得更加重要。如果通過簡化操作和改進體驗，能夠讓一些原來的“非用戶”變為“用戶”，就會帶來用戶基數的快速增長，其商業價值是不言而喻的。

⑥商業模型。云計算的使用模式和用戶對象將會與傳統模式有比較大的區別，因此會衍生出很多新的商業模式，比如用戶不再需要購買套裝軟件，不再需要繁瑣的安裝過程，不再需要專業的維護知識，也不再需要為了一個簡單的計算擁有一個龐大的數據庫。當然，天下沒有免費的午餐，用戶可能需要在其他方面做出一些付出，比如在通信費用、移動終端購買、租金的支付等方面，這將導致產業形態發生變化，進而可能引起產業格局發生重大調整。

當然，這一切是一個方向和愿景，不可能在一夜之間發生天翻地覆的變化，因為相關的硬件資源、軟件系統、人員的儲備、觀念的轉變、工作模式的變化都需要一個長期的過程。

2.云計算業務優勢

云計算模式有幾個方面的優勢：

（一）更高的信息處理效率，更低的總體擁有成本。

（二）更快的系統構建時間，更好的系統規模伸縮。

由于系統集中構建和統一維護、管理，在基礎設施健全的情況下，新系統上線時間得以大幅度縮短，也可以根據業務需要快速分配資源，滿足特定情況下的需求。當然，這需要前期較大的投入才能實現。

（三）更少的系統停機時間，更強的業務保障能力。集中的服務管理能夠提供很高的容錯能力。但也應看到，云計算集中的優勢同時也會帶來網絡開銷的增大，以及增加網絡失效、安全威脅的風險，需要通過優化的方案設計來加以避免。

（四）更佳的業務部署模式，更久的業務持續能力。云計算模式能夠更好地滿足快速變化的需求，移動終端的使用能夠滿足現代快節奏的生活方式，尤其是降低成長型企業的前期成本，這都能夠提升組織的業務服務能力，提高客戶滿意度，并最終產生更好的社會和經濟效益。

3.云計算軟件特點

云計算軟件是云計算效益得以實現的核心內容，要能適應云計算基礎環境，能夠充分發揮云計算技術模式和商業模式的優勢，同時又能夠有效避免所存在的各種問題，改進其缺陷，才能體現出真正的價值。

云計算軟件首先應該支持虛擬化，有高性能的計算內核，能高效地支持虛擬機運行、支持虛擬化的云存儲、分布式的云數據庫和大規模Web服務陣列；同時，要盡可能減少內存、存儲和CPU、網絡帶寬資源占用，以節省成本。

云計算軟件以在線使用方式提供，主要面向Web和移動應用，桌面軟件以數據獲取和后臺分析計算為主。云計算軟件可以租用方式提供，根據使用情況進行收費。云計算軟件一般需要內置大量的基礎數據，使用戶可以即買即用，實現數據一體化應用，如搜索引擎需要緩存大量的基礎搜索數據，地圖服務需要內置豐富的地圖數據資源等等。

盡管以后云計算在專業和企業市場會有大量的應用，但云計算模式更適合普及性和易用性的應用方向，比如消費型和生活型的購物、娛樂網站，社會型的社交網站，商務型的在線CRM、電子郵件等服務。由于云計算的特殊性，并不是所有的軟件都適合采用云計算方式來運行，要根據技術和應用的特點來決定是否使用云計算模式，以及采用何種云計算模式。

雖然擁有很多的優勢，但云計算面臨的挑戰是相當多的，如安全性、系統的堅固性，系統的異構性。云計算的新模式必然帶來產業的變革，如何突破舊有框架建立一個穩定的新產業體系，必然也需要一個相當長的過程，需要面對許多挑戰、不斷探索、不斷創新。

云計算技術與應用

云計算基礎設施的建設主要用到虛擬化計算、虛擬化存儲、并行化計算三大主要支撐性技術，目前已經有多個廠家提供相應的技術和解決方案，但總體來說仍然處于快速發展的階段，成熟度需要進一步提高。

在應用方面，云計算概念出現以前，Google、Amazon、Yahoo、Salesforce等大型互聯網公司已經開始研究和大量使用云模式的計算技術，形成了比較成熟的架構和技術，并且取得了非常好的收益。云計算概念提出之后，很多傳統IT廠家也都大量投入進行相應的研究，推出相應的產品。如IBM以私有云為主推出了一系列方案；微軟投入重金打造了Azure云服務平臺；Oracle收購Sun后推出了一系列軟硬件一體化方案；Dell、HP也收購了一些公司打造云計算方案；開源廠商如Redhat也緊跟大潮，推出了相應的解決方案。

在云計算基礎設施方面，國外幾個有名的云計算基礎設施包括Amazon、Azure，都提供相當強大的處理能力。國內出現祥云（北京）、國云（中科院計算所）、大云（中國移動）、云海（上海）等多個云計算計劃，一些原來的超算中心和IDC(互聯網數據中心)也加入云計算的陣營，提供虛擬機、虛擬存儲、分布式計算架構等基礎計算服務。建構在云基礎設施之上的云計算應用平臺也有很多，如Google、Yahoo、Salesforce、Facebook等，國內的Alibaba、百度、騰訊也著力進行云應用平臺的研發和使用，并且開始逐步開放其平臺API。

云計算對GIS的影響

云計算對GIS將會帶來非常重要的影響。首先，GIS平臺概念的內涵將發生變化，GIS基礎軟件平臺將進一步發展，通過融合在線服務形成基礎GIS軟件、云計算GIS軟件和在線平臺一體化的綜合服務平臺；其次，GIS技術將與其它IT技術實現更深度的融合，數據將實現空間關聯，業務具有空間智能；第三，GIS技術和空間數據的使用模式會發生變化，更多地使用基于云服務地在線資源；第四，通過云服務模式，GIS的使用范圍將得以大大地擴展，使GIS的用戶對象擴展到更加廣闊的范圍。

總之，云計算模式的發展將推動GIS產業的進一步發展，而GIS和空間信息的深入發展也將同時推動整個IT產業的發展，帶動電子商務、位置服務、定位導航、車聯網、物聯網等新興服務業和交通、運輸等傳統服務業的發展，以及改進應急救災、環境保護、節能減排、能源開發、國土資源等方面的管理措施。

1.GIS非常適合采用云計算模式

由于GIS應用的特點，非常適合采用云計算模式：①空間數據的產生單位相對較少，而數據使用者眾多且多樣化；②基礎數據多，數據量龐大，更新頻度低，適合采用云存儲服務方式共享；③并發用戶數很大，但每次使用量較小，適合云計算的大規模分布式計算；④需要海量數據存儲，進行數據處理和數據挖掘，適合云計算的并行化分布式處理。

2.地理信息業務模式的主要變化

可以設想，未來基于云計算技術的空間信息處理與應用將會發生很多變化，下面從數據采集、處理、應用的流程作簡要分析（見圖表）。

3.GIS基礎平臺內涵的全新擴展

在云計算時代，GIS平臺概念將極大地擴展，將包括GIS基礎軟件、云GIS平臺軟件、GIS云服務平臺三個主要組成部分，應用中既會用到傳統的GIS基礎軟件進行數據處理，也會使用云GIS軟件在私有云上進行工作，同時也會連接GIS云服務上的資源，或者將處理結果動態地發布到云服務平臺之上。

云GIS將實現地理空間信息和非空間信息的全面整合，實現數據的空間關聯，包括內部資源庫、私有云資源、公共云資源和其它的互聯網資源。GIS將真正無處不在，深入到包括桌面、Web、手機、車聯網、物聯網等應用類型。

4.GIS與其它信息技術深度融合

云GIS將通過云計算和物聯網技術實現定位系統、遙感系統、通訊系統、傳感器的全面連接。通過虛擬化、高性能服務技術和移動終端技術實現在線的獲取、處理和應用空間信息及其關聯信息，并實施基于空間智能的業務邏輯。通過三維可視化技術、環境仿真技術、數字化虛擬系統實現地理空間環境的規劃和管理決策。

5.GIS應用模式與使用體驗變化

隨著云計算的發展，GIS的應用模式和使用體驗將會發生很大變化。具體包括：

（1）隨需應變。通過在線的、穩定的虛擬化架構，云GIS系統能夠更好地滿足快速變化的需求，即時提供需要的服務，系統數據和功能提供從內部驅動向外部需求驅動轉變。

（2）按需使用。服務者只提供需要的，可以節省計算資源；使用者只獲取想要的，只需為使用付費，從而降低使用難度和成本，也不再需要維護龐大的地理空間數據庫。

（3）隨時可用。系統是在線運行的，可以可靠地運行、滿足即時提出的需求。

（4）隨地可用。系統是分布式的、虛擬化的網絡部署，任何地方都可以訪問。

（5）任何設備。使用工作站、PC、筆記本、平板、手機、車載設備均可訪問。

總之，云GIS將適應有線網、無線網及其混合網絡環境，擁有與其工作環境相適應的用戶界面，多業務環節實現流程化、并行化處理，從而實現地理空間數據從采集到處理、分析、應用等各階段完全一致的操作體驗；而數據是統一、同步、一致的，可以同步修改，實現高效的協同工作。

6.測繪、地理信息與互聯網融合

測繪、地理信息和互聯網將進一步融合。傳統的測繪成果，如大地測量、基礎地形、基礎地理信息，將與專業地理信息進一步結合，如地質、地貌、山文、土壤、植物、動物，大氣、氣候、氣象、水文、水利，區劃、環境、社會、經濟、人文、人口，災害、地理統計、國情監測、資源調查、規劃等信息將會融合，進行基于空間的統一處理和分析。

互聯網上將產生大量用戶生成數據，也將通過聚合提供政府、行業、部門、企業、個人使用，使GIS出現泛在化趨勢，大量的地理空間信息應用與GIS專業理論方法無關，如Google Earth、百度地圖、物流配送等等業務。

GIS的發展繼續深入到多種系統。地理空間信息真正成為社會信息基礎設施的重要組成部分，能夠提供多層次、多模式的共享使用，地理空間信息與多種信息整合催生出大量的創新應用。這將導致產業環境發生深刻變化，GIS產業的重心也將會逐步發生轉移。

（作者為超圖地理信息技術研究所所長）