高性能計算在地理信息公共服務數據更新中的探討

摘要：本文探討了地理信息公共服務平臺數據層更新面臨的問題，介紹了地理空間數據的高性能計算，結合高性能計算在地理信息公共服務平臺數據更新中的應用實例，對今后高性能計算在空間地理信息領域的發展進行了展望。

關鍵詞：高性能計算；地理信息公共服務平臺；地理空間數據更新

地理信息公共服務平臺是針對政府、企事業單位、科研院所、公眾對地理信息資源綜合利用、高效服務的需求，依托測繪地理信息部門現有地理信息生產、更新與服務架構，以及投入運行的涉密與非涉密廣域網物理鏈路，在全國不同地區宏觀、中觀到微觀地理信息資源上開發的分布式地理信息公共服務系統。地理信息公共服務平臺通常包括標準體系、基礎設施、數據層、軟件層、應用層和用戶層等部分。

1 數據層更新面臨的問題

數據層的建設是地理信息公共服務平臺建設的核心任務之一。平臺數據層包括矢量地圖、影像、電子地圖緩存瓦片、三維模型及場景、導航等其他專題數據，數據量龐大。在2011年建成的國家天地圖（國家地理信息公共服務平臺公眾版）中，集成的基礎地理數據資源總數據量約30TB。各級公共服務平臺建成后，地理信息數據的現勢性成為用戶關注的重點。如何有效的持續更新數據層是整個平臺運營的關鍵。

平臺中海量、多元空間數據的更新是以一定的周期進行，數據集成處理工作量、耗費存儲空間巨大。現有的空間數據處理技術大多數還停留在單機處理或者客戶端/服務器計算模式，效率不高。尤其是對超大規模空間數據處理的效率，無法滿足人們的需求。

2 地理空間數據的高性能計算

地理空間數據的高性能計算是GIS、空間分析、高性能計算技術等科學和技術交叉、融合、發展的結果。探索把高性能計算技術應用到地理空間數據處理和更新中，是否可以滿足地理信息公共服務平臺對強大計算能力的迫切需求，在哪些數據技術處理流程上采用高性能計算技術，如何測試和驗證高性能環境下的空間數據高效處理能力，是本文探討的主要內容。

高性能計算（HighPerformanceComputing，簡稱HPC）是指從體系結構、并行算法和軟件開發等方面研究開發高性能計算的技術。高性能計算（HPC） 通常使用很多處理器（作為單個機器的一部分）或者某一集群中組織的多臺計算機（作為單個計算資源操作）的計算系統和環境。

3 高性能計算環境下地理信息公共服務數據更新實驗

3.1 高性能計算環境下影像處理實驗

當前，新的遙感技術在獲取高清晰、大比例尺、高現勢性、短周期等特點的影像數據上取得了突破，是地理信息公共服務平臺重要的更新數據源。新獲取的高清影像數據量大，重疊度高，傳統的單機遙感軟件處理比較困難。以較低成本實現海量遙感影像快速自動化處理成為技術探索的主要方向。

目前影像自動化高效能處理是影像處理研究的熱點，國內外同類軟件有Pixel Factory、CIPS集群式影像處理系統、PixelGrid等。該類系統具有集群計算機系統并行分布式計算的特點，能把網絡互聯的高性能集群通過軟件的方式進行通信和協作，以一定的任務調度策略共同完成影像數據的分布式處理工作。在影像預處理、核線影像生成、影像匹配和影像正射糾正等作業步驟上系統實現了自動化處理，從而減輕人員的工作量，提高影像處理效率。

以湖南某地區無人機數碼航攝數據為例，該地區共有14條航線，868張航片，數據處理總耗時30.9小時。該地區地貌以平原為主，平均高程約為50米。影像分辨率6微米，航高400米，影像行列數3744×5616。實驗的設備包括存儲設備和PC集群，存儲設備為16TB磁盤陣列，緩存8GB，帶寬2Gbps，每臺PC機配置如下： 處理器Intel（R） Core（TM）2 Quad CPU Q9550 2.8 GHZ，內存4G。影像自動化處理軟件PixelGrid。

實驗證明，基于集群進行大規模遙感數據的并行處理，相比其他單機遙感軟件，其生產效率有明顯提高，可以實現1人在短的時間內完成生產，不僅提高工作效率，由于軟件的自動作業模式，可以實現夜間無人作業。該數據生產模式對于應急、救災等突發性事件的處理有著廣泛的應用，可以高效完成地理信息公共服務平臺影像數據更新處理工作。

3.2 高性能計算環境下地圖緩存數據處理實驗

地理信息公共服務平臺一般采用瓦片技術，以迅速響應大數據量、大用戶量的在線地圖并發訪問請求。緩存地圖瓦片一般是由大量的零散圖片構成，2011年，國家天地圖（國家地理信息公共服務平臺公眾版）瓦片數量近30億張，以湖南省為例，省級平臺的瓦片數量近億張。

地圖緩存瓦片的制作、檢查、復制和更新的時間代價巨大。在緩存瓦片的制作工藝流程中，由于涉及大規模矢量、影像等空間數據庫的訪問，地圖顯示效率受到極大的影響，地圖刷新速度慢，延長了電子地圖的制作和修改的時間。創建緩存瓦片需要軟件不間斷運行幾天甚至十幾天。緩存瓦片的檢查工作目前以傳統的人工目視檢查為主，通常會涉及原始數據、電子地圖符號配置的修改。因此，為了縮短地理信息公共服務平臺的緩存瓦片生產周期，加快瓦片更新發布的速度，探索高性能環境下的地圖緩存處理成為了研究方向之一。

以湖南省為例，全省地圖緩存瓦片的生產先后使用了中檔服務器和高性能服務器進行處理，處理軟件為ARCGIS。測試證明，GIS服務器和桌面應用程序能夠利用到多核CPU的優勢。桌面應用程序使用地圖圖層或是加速柵格圖層，會使用到多線程來實現繪制和渲染操作，程序的用戶界面反應比之前的版本更快。服務器能利用到多CPU設置，支持多并發用戶進程。瓦片緩存服務可以配置為多個實例來支持并發處理，高性能服務器在地圖瀏覽顯示和瓦片處理上效率有較大提升。

4 總結與展望

本文探討高性能計算在地理信息公共服務平臺數據更新流程上的應用，以實例驗證了在一定程度上該技術能夠提高數據處理的效率。在經費充足的條件下，如果能增加硬件的投入，數據處理的效率將會得到更大改善。相關的實現技術還有待更深入的研究和探討。

目前，高性能計算在地理空間領域的應用還不是很廣泛。這一方面是因為地理空間算法復雜，需求多樣，高性能計算技術尚難以實現成熟的應用；另一方面由于空間數據處理的高性能計算技術成本較高，阻止了相當的可能應用。我們還需要做更多的工作，提高技術的實用性，促進它在地理空間信息領域的推廣和應用。