基于云計算的GIS系統(tǒng)研究

荊志強(qiáng)

【摘 要】本文在簡要介紹云計算與GIS技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了基于云計算的GIS系統(tǒng)的優(yōu)勢及其設(shè)計問題，并設(shè)計了一種基于云計算的GIS系統(tǒng)框架，給出了框架的層次模型和平臺功能。

【關(guān)鍵詞】云計算；GIS；云GIS平臺

0 引言

GIS（Geographic Information System）是以地理科學(xué)為依托，以計算機(jī)科學(xué)技術(shù)為支撐，以遙感技術(shù)（Remote Sensing， RS）和全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）為重要數(shù)據(jù)來源的交叉學(xué)科，范圍介于管理科學(xué)、空間科學(xué)、信息科學(xué)之間。正是由于這種地理事物的多學(xué)科性，最終導(dǎo)致了GIS具有明顯的多學(xué)科交叉特征，它必須同時吸收相關(guān)學(xué)科的特點(diǎn)，并逐步形成自身獨(dú)立的風(fēng)格，同時又要被應(yīng)用于多個學(xué)科，以推動這些學(xué)科的快速發(fā)展。近些年來，由于云計算技術(shù)在IT行業(yè)內(nèi)的迅猛發(fā)展以及所導(dǎo)致的產(chǎn)業(yè)革命，PC時代將逐步被云計算時代所代替。雖然云計算目前還處于起步的發(fā)展階段，但是在大規(guī)模計算、海量數(shù)據(jù)處理、降低系統(tǒng)設(shè)備代價和維護(hù)，以及用戶透明性方面都已經(jīng)展現(xiàn)出無與倫比的優(yōu)勢。

受益于云計算帶來的優(yōu)勢，對廣大用戶而言，云GIS意味著數(shù)據(jù)、軟件、開發(fā)之間的壁壘已被打破，地理信息資源變得唾手可得。用戶可在云中隨時獲取所需的各種GIS資源，并且可以以計量方式擁有并進(jìn)行靈活擴(kuò)展，基于這種環(huán)境，GIS系統(tǒng)的運(yùn)行模式面臨了新的挑戰(zhàn)。而對于GIS領(lǐng)域的研究者和工作者而言，如何利用云計算技術(shù)解決GIS問題，已經(jīng)成為一項更具創(chuàng)新性和前沿性的研究工作。

1 云計算與GIS

1.1 云計算

云計算是繼分布式計算、并行計算和網(wǎng)格計算之后出現(xiàn)的一種新興的計算模式，或者也可稱之為以上三種模式的商業(yè)化實現(xiàn)。其概念目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)定義，大型IT廠商和領(lǐng)域?qū)＜覀兌紡淖陨斫嵌冉o定了其定義。綜合來講，在狹義上，云計算主要是通過Internet以按需和易擴(kuò)展的方式獲得所需資源（包括硬件、軟件及平臺），提供資源的Internet即可被稱為“云”，“云”上的資源對用戶而言是可以無限擴(kuò)展的，并隨時獲取，即付即用；在廣義上，云計算則是指一種服務(wù)的交付與使用模式，這種服務(wù)可以是與IT、軟件、互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域相關(guān)的，也可以是任意其他服務(wù)。

云計算的主要特征可總結(jié)為：1）規(guī)模大。云計算擁有龐大的系統(tǒng)規(guī)模，云數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器可以多至上百萬臺并遍布世界各地。2）虛擬化程度高。云計算利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)功能虛擬化，使得分布于世界各地的用戶都可以通過Internet使用云計算提供的服務(wù)。3）可靠性高。云計算提供了節(jié)點(diǎn)互換、虛擬機(jī)遷移及數(shù)據(jù)副本和容錯等功能，這些技術(shù)可以極大地確保云數(shù)據(jù)中心的信息存儲的穩(wěn)定性和安全性。4）擴(kuò)展性和通用性。云計算可以根據(jù)不同的用戶需求為用戶定制不同的分配資源。5）成本低。云計算以集中化的管理模式和功能強(qiáng)大的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成模式，可以極大地降低云計算的運(yùn)營和管理成本，這樣可將更為便利和廉價的服務(wù)提供給用戶，而用戶不需為獲得更多資源付出過多代價。

1.2 GIS

地理信息系統(tǒng)GIS是利用計算機(jī)的軟硬件系統(tǒng)，對各種形式的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、操作、運(yùn)算、分析、描述并顯示所組成的一種集成系統(tǒng)。GIS的應(yīng)用基礎(chǔ)是需要采集海量的基本地理空間信息，然后對這些信息進(jìn)行存儲、管理、分析。

1.3 云GIS

云GIS，旨在將云計算的各種特征利用于支撐GIS的各種要素（建模、存儲及數(shù)據(jù)處理），從而改變傳統(tǒng)的用戶應(yīng)用GIS的建設(shè)模式，以一種更加高效、低成本與友好的方式使用各種地理信息資源[1]。由此定義可見，云GIS實質(zhì)上是利用云計算技術(shù)擴(kuò)展GIS功能，改進(jìn)GIS的傳統(tǒng)架構(gòu)，以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)空間的高性能可靠性存取及數(shù)據(jù)處理，使GIS能夠更好地提供高效的計算能力和數(shù)據(jù)處理能力，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，以彈性按需方式獲取更加廣泛的Web服務(wù)。

比較傳統(tǒng)GIS，云GIS具有以下特征[2]：1）存儲在云平臺上的空間數(shù)據(jù)具有“云”特征，即虛擬化特征。2）空間數(shù)據(jù)管理與實施過程具有 “云” 特征。3）GIS業(yè)務(wù)的連續(xù)性。云GIS可以為用戶提供彈性的地理信息服務(wù)，并能夠根據(jù)用戶需求的變化，動態(tài)的進(jìn)行資源擴(kuò)展，從而提升其連續(xù)性。4）更好的用戶體驗。云GIS可以降低用戶使用地理信息資源的復(fù)雜度，用戶只需根據(jù)需求選擇適合終端即可訪問GIS服務(wù)。綜合來看，云GIS平臺實質(zhì)上就是在實現(xiàn)已有GIS通用功能（如可視化服務(wù)、緩沖區(qū)分析、疊加分析、統(tǒng)計分析和遙感影像操作）的基礎(chǔ)上，使得用戶在使用云GIS時如同使用個人PC一樣簡單便利；同時， 這些地理信息服務(wù)還提供了服務(wù)接口，供更多更高級的用戶開發(fā)和使用，以產(chǎn)生更豐富的GIS功能。圖1顯示了云GIS的主要應(yīng)用模式[3]。

圖1 云GIS應(yīng)用模型

2 基于云計算的GIS系統(tǒng)框架設(shè)計

基于云計算的相關(guān)技術(shù)，本文設(shè)計了一種基于云計算的GIS通用框架體系，主要利用虛擬化技術(shù)、即付即用的方式將GIS資源封裝為在線服務(wù)，用戶通過Internet進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施和地理空間信息資源的共享，以提高資源利用效率，降低GIS系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)成本?？蚣荏w系如圖2所示。

圖2 基于云計算的GIS框架

該框架體系共分為三層，其中，基礎(chǔ)設(shè)施層由各種硬件資源組成，通過硬件、存儲、網(wǎng)絡(luò)等虛擬化技術(shù)將物理資源轉(zhuǎn)化為虛擬共享資源池；中間層負(fù)責(zé)管理虛擬共享資源池，并提供虛擬資源的調(diào)度部署策略，實現(xiàn)虛擬機(jī)的實時動態(tài)調(diào)度；服務(wù)層主要面向用戶，以按需方式提供虛擬化的GIS環(huán)境。

圖3是根據(jù)圖2的GIS框架設(shè)計的基于云計算的GIS平臺功能。訪問控制功能用于對用戶進(jìn)行分類，并對不同的分類給予其對資源不同的操作權(quán)限，這可以保證GIS數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的安全性，降低系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜度。資源管理功能負(fù)責(zé)管理云數(shù)據(jù)中心的各類基礎(chǔ)設(shè)施，并利用分配與調(diào)度策略提供給不同分類的用戶不同的服務(wù)類型。GIS虛擬機(jī)（VM）主要用于管理與調(diào)度GIS虛擬機(jī)，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)即可訪問GIS VM，并設(shè)置自身的數(shù)據(jù)與應(yīng)用。按需收費(fèi)功能繼承云計算資源的即付即用使用模式，將虛擬機(jī)使用成本細(xì)劃為計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)帶寬等成本，制定GIS資源的收費(fèi)模式，并按需向用戶收費(fèi)。

圖3 功能

3 結(jié)論

基于云計算與GIS的技術(shù)關(guān)聯(lián)性，本文設(shè)計了一種基于云計算的GIS系統(tǒng)框架，該框架可以有效利用云計算在資源提供與數(shù)據(jù)分析上的優(yōu)勢，為GIS用戶提供更高效穩(wěn)定的服務(wù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]彭義春，王云鵬，牛熠.云計算環(huán)境下的GIS研究[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報，2013，20（1）：17-23.

[2]林德根，梁勤歐.云GIS的內(nèi)涵與研究進(jìn)展[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2012，31（11）：1519-1528.

[3]陳維崧，陳慶秋.基于云計算的GIS研究[J].測繪與空間地理信息，2011，34（1）：157-159.

[責(zé)任編輯：湯靜]