云計算技術下的GIS發展研究

(天津市測繪院 天津 300381)

引言

隨著信息和通信技術的快速發展，計算模式經歷了從最初把任務集中交付給大型處理機模式，到后來發展為基于網絡的分布式任務處理模式，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的水平都獲得了長足的進步。GIS在過去數十年的發展中不斷豐富壯大了自身的功能與服務內涵，但面對海量空間數據分析時能力愈發捉襟見肘，而云計算的出現，為GIS解決這一類難題及進一步發展提供了新的思路。

一、云計算

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

相比于傳統的計算模式，云計算具有超大規模、虛擬化、高可靠性、通用性和高可伸縮性、按需服務、極其廉價的特征[2]。對用戶來說，云計算可以依據用戶的需求，動態地調整硬件、帶寬、數據存儲等參數，從而達到隨用戶需求動態伸縮、所需服務隨時隨地可訪問的效果。

二、GIS發展歷程

地理信息系統(GIS)作為采集、存儲、管理、分析、顯示與應用地理信息的通用技術，可以為土地利用、資源管理、環境監測、交通運輸、經濟建設、城市規劃以及政府各部門行政管理提供新的知識，為工程設計和規劃、管理提供決策服務[3]。同時，GIS作為一種地理信息管理分析的計算機系統，它的發展與計算機技術的發展密切相關。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展壯大自己的領域及內涵。

(一)單機式計算GIS。在同一計算機上存儲GIS數據并安裝應用程序，具有結構高度集中、安全性及運行效率較高的優點，但同時其也存在著系統封閉性強，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中的主機資源緊張及響應瓶頸等問題進行了優化，可將不同數據資源及應用程序按需分配到不同的計算機上，從而為GIS中存在的空間數據異構性、數據共享困難、運算復雜緩慢等問題提供了解決方案。其應用模式的大致包含基于客戶端/服務端的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構建的WebGIS模式等。

(三)并行式計算GIS。為達到數據處理及服務提供的高效性，具有計算高性能特點的并行計算方式被引入到GIS領域，旨在解決GIS應用中的高密集計算量問題。二者結合引入的并行空間數據庫，可以利用常見的以太網把高性價比的服務器、工作站及普通PC機連接成集群，并利用并行存儲、并行檢索、并行處理等關鍵技術，實現兼具較高性能與優良伸縮可用性的解決方案，提升了傳統GIS高效處理、管理海量空間數據的并行化性能。

(四)網格式計算GIS。網格GIS是GIS在網格環境下的一種應用，它是一種匯集和利用共享空間信息資源、進行一體化組織與處理，具有按需服務能力的地理信息系統。網格GIS將地理上分布的、系統異構的各種計算機、空間數據、服務器、大型檢索存儲系統、虛擬現實系統等，通過高速互聯網絡連接并集成起來，形成對用戶透明的虛擬的空間信息資源，在廣域范圍內實現空間信息無縫集成和協同處理。

新時代下信息通信技術的高速發展，促使空間數據精度的不斷提高和獲取方法的多樣化，但在面臨動輒TB、PB級的數據時，現有GIS手段在對其進行高速、有效的分析計算時仍面臨著十分巨大的挑戰，所以，結合云計算的優勢，對現有GIS模式進行變革，將會極大地推動新時代下GIS的進一步發展。

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，改進并擴展傳統GIS結構體系與功能，提升其在海量空間數據的高性能存取、處理、分析等領域的能力，解決地理信息科學領域中計算密集型和數據密集型的各種問題而產生的新一代地理信息系統。其實質是將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”基礎設施之上，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[4,5]。

相比于傳統GIS，云GIS具有如下的優勢:

(一)降低了GIS用戶的使用門檻。一方面，云GIS用戶不需要像WebGIS和網格GIS那樣安裝軟件及購買數據，只需一個網絡瀏覽器就能以他所需的方式獲取專業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，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。

(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據處理能力，能夠快速完成空間數據的分析處理，而無需開發人員等GIS工作者進行算法優化及復雜并行計算、調度模型的構建，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模，大量云服務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行全局的統籌分配(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，簡單的導航、路線規劃和深入的數據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)降低了網絡的負擔。網格GIS利用網絡節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據的傳出和傳回，增大了網絡的負擔?；谠朴嬎愕腉IS只需用戶向云計算平臺提出申請，數據存儲和處理都在云內部完成，在網絡傳輸的只是最后的處理結果——一個簡單的數據集，因此大大減少了網絡傳輸的數據量。

四、總結

云計算作為一種集虛擬化技術、網絡技術、信息安全、效用計算、邏輯推理、軟件工程、商務智能等技術為一體的新興計算應用模式，對當今社會多種領域均產生了深遠的影響。云GIS作為傳統地理空間信息管理分析科學與云計算理論、方法相結合的新一代GIS手段，將會成為社會信息基礎設施的重要組成部分，提供更多層級、更多模式的共享服務，云GIS的發展將是未來GIS發展變革的主要方向。