云GIS開放性實驗教學方案設計與實現

顧國民 葉陽 陳琦 侯向輝 王小號 張旭東

摘要：針對新興的云計算課程的實驗教學過程中知識理解和綜合運用脫節的問題，提出一種基于GIS的開放性的云計算實驗教學方案。通過提供搭建自主研發的遙感云GIS平臺、基于平臺的應用和算法的二次開發，將集群硬件、分布計算、空間大數據管理等關鍵技術在實驗教學中體現出來，對學生掌握云計算的知識具有很大的幫助。

關鍵詞：云計算;大數據;遙感;GIS;集群

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）44-0227-02

一、前言

社交網絡、視頻監控、智慧地球等應用的逐步普及，預示著真正進入一個大數據的時代，而云計算無疑是解決大數據的好方式。云計算提供可用、便捷、按需的網絡訪問，是傳統分布式計算、并行計算、效用計算、網絡存儲、虛擬化等計算機和網絡技術發展融合的產物。

為了適應發展各大高校計算機專業也逐步開設了云計算的課程，但其教學的方式大多還處于基礎的理論探討和現有國外成熟系統的比較分析，使學生很難對云計算有一個直觀、透徹的認識。急需要一個云計算的實驗教學平臺，從理論教學向實踐教學轉變，才能使學生撥開云計算的“神秘面紗”，走進內部剖析的關鍵技術。

二、選用遙感云GIS平臺作為云計算的實驗教學平臺的優勢

1.遙感云GIS是利用計算機技術對地球表面空間相關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示的技術。其天然的海量數據的管理、計算，是云計算的良好的應用背景。

2.經過幾十年的發展，已經有較為成功的遙感云計算平臺，如google earth為代表的平臺，將全球海量的遙感影像數據放在一個平臺上，通過一個輕量級的客戶端訪問所有數據，能讓學生更容易理解。

針對以上情況，本文設計一種開放性的云計算實驗教學方案，采用以學生開發為主、教師啟發指導為輔的實驗教學模式，拓展學生的理論和實踐能力。

三、遙感云計算平臺系統架構

遙感云計算平臺為了應對遙感海量數據存儲和高吞吐量的計算的需求，采用“存儲—計算”一體化的集群架構，整個集群采用星形拓撲結構，主服務器連接多個節點服務器。主服務器響應外部請求，管理元信息;節點服務器，存儲數據和計算工具，避免計算過程中的大量數據遷移、方便性能和存儲的擴展。

從邏輯結構上，采用自底向上、層層虛擬化的方式，分別構架資源引擎、數據引擎、計算引擎，最上層采用服務總線統一協調引擎工作并對外提供集群服務。

資源引擎：負責底層所有硬件資源的管理和通訊技術，提供集群文件并行讀寫的技術支持，使得硬件環境向上透明，上層引擎模塊只需要關心邏輯節點，而不再關心硬件服務器。

數據引擎：管理集群內部的所有的遙感、GIS數據的元數據信息，并提供集群數據存儲、讀取、查詢的各種接口，負責數據的遷移、備份、導入、導出等功能。

計算引擎：管理所有的計算工具，進行分布式計算任務的分配、管理等功能。

服務總線：響應來自外部的服務請求，將請求分解到資源、數據和計算，并協調運算，最后響應請求。

在這樣的服務體系結構下提供多種遙感云GIS數據服務接口，同時提供二維、三維客戶端、智能終端等多種類型的基礎功能的客戶端。行業應用的開發，只需要根據實際的業務需求在基本客戶端的基礎上調用數據服務接口進行二次開發，從而大大降低了實驗過程中用于基礎平臺和客戶端開發所用的時間。

四、遙感云GIS實驗教學方案設計

遙感云GIS實驗教學內容主要突出對云計算知識的綜合運用能力的培養，通過基于該模擬的云計算平臺的實驗了解云計算的應用模式，并逐步掌握云計算的內部技術架構。實驗包括自主服務搭建、平臺服務接口二次開發、計算工具研發等三個方面的內容，從難度上具有一定的層次性，適合不同程度的學生實驗。

（一）自主搭建服務

可在虛擬機環境下安裝服務器程序，如圖2從下到上逐層實現虛擬化，底層服務器節點是單個服務器主要用于存儲數據及計算工具之上運行節點守護進程;往上通過四大引擎（資源、數據、計算、可視化）對底層節點實現虛擬化;最上層由主服務和可視化服務對四大引擎實現二次虛擬化，實現對外服務的統一接口;各種客戶端通過主服務提供的http接口實現和服務端程序的交互。

學生通過自己動手安裝全套遙感服務程序，了解輕量級遙感云服務工作模式，對云計算入門非常有幫助。

（二）平臺服務二次開發

該平臺的主要功能在于通過網絡服務的方式提供基于遙感GIS的二次開發接口，在具體的應用中利用這些接口快速實現遙感服務應用，同時平臺提供多種類型的客戶端基礎模型。

為學生設計多種遙感應用的案例，通過該云服務平臺快速完成行業應用的解決方案。

1.林業應用。要求實現對林地區域的管理，以遙感影像作為底圖，用矢量數據繪制出林木種類、林區所屬等信息，并且在這個基礎上實現林區屬性數據的查詢等功能。利用平臺的開放遙感GIS服務接口能夠較快速的實現遙感影像及矢量數據的疊加顯示，并進行簡單的矢量交互查詢操作。

2.土地執法應用。通過對某一個區域的不同時間的影像對比，系統自動對變化區域進行提醒報警，方便執法人員主動到現場進行執法調查。該應用利用了調用平臺的影像對比工具對指定的影像進行匹配比較，這就是應用了平臺的計算服務接口。

3.數字校園應用。主要功能是展示校園的三維場景，在實驗中學生自行用3dmax等工具設計學校的建筑物，并導入平臺，設定模型的具體位置。利用平臺提供的三維客戶端展現在影像地圖上的三維場景。該部分的實驗主要通過云平臺的應用，進一步了解云服務的應用模式，并且在實驗開展過程中設計出更多的應用案例，此實驗適合具有一定開發能力的學生。

（三）計算工具研發

平臺本身除了提供豐富的遙感GIS計算工具之外，也對外開放工具開發接口。設計實驗讓學生在符合平臺工具開發標準的基礎上開發自己的處理工具，設計個性化、專業化的數據處理工具，這要求學生具有一定的專業知識，并具有較高的開發能力，對研究生的科研具有幫助。

五、結語

本文提出一種開放性的基于GIS的云計算實驗教學方案，涵蓋了集群硬件、網絡分布計算、遙感GIS大數據存儲等關鍵技術，是對云計算實驗教學的一種探索與嘗試。通過該實驗方案能讓學生直接感受到云計算的實際應用，同時激發學生對云計算的學習興趣。

在近兩年的教學過程中，學生基于該實驗方案進行設計開發，師生普遍反映對學生云計算的入門和提高有很大的幫助。

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