云计算技术下的GIS发展研究

(天津市测绘院 天津 300381)

引言

随着信息和通信技术的快速发展，计算模式经历了从最初把任务集中交付给大型处理机模式，到后来发展为基于网络的分布式任务处理模式，再到最近的按需处理的云计算模式，其计算能力、存储空间及信息服务的水平都获得了长足的进步。GIS在过去数十年的发展中不断丰富壮大了自身的功能与服务内涵，但面对海量空间数据分析时能力愈发捉襟见肘，而云计算的出现，为GIS解决这一类难题及进一步发展提供了新的思路。

一、云计算

云计算(cloud computing)，是分布式计算技术的一种，其最基本的概念是通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。通过这项技术，网络服务提供者可以在数秒之内，成功处理数以千万计甚至亿计的信息，达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务[1]。

相比于传统的计算模式，云计算具有超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性和高可伸缩性、按需服务、极其廉价的特征[2]。对用户来说，云计算可以依据用户的需求，动态地调整硬件、带宽、数据存储等参数，从而达到随用户需求动态伸缩、所需服务随时随地可访问的效果。

二、GIS发展历程

地理信息系统(GIS)作为采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的通用技术，可以为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府各部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理提供决策服务[3]。同时，GIS作为一种地理信息管理分析的计算机系统，它的发展与计算机技术的发展密切相关。每一次计算模式的变迁，都会给GIS带来颠覆性的影响，让GIS在变动革新中不断发展壮大自己的领域及内涵。

(一)单机式计算GIS。在同一计算机上存储GIS数据并安装应用程序，具有结构高度集中、安全性及运行效率较高的优点，但同时其也存在着系统封闭性强，不易共享的困难，而且由于单机运算能力所限，其各项空间处理分析等能力也不够完善。

(二)分布式计算GIS。分布式计算对单机计算系统中的主机资源紧张及响应瓶颈等问题进行了优化，可将不同数据资源及应用程序按需分配到不同的计算机上，从而为GIS中存在的空间数据异构性、数据共享困难、运算复杂缓慢等问题提供了解决方案。其应用模式的大致包含基于客户端/服务端的C/S模式、基于客户端/浏览器的B/S模式、基于丰富多样的Web Service构建的WebGIS模式等。

(三)并行式计算GIS。为达到数据处理及服务提供的高效性，具有计算高性能特点的并行计算方式被引入到GIS领域，旨在解决GIS应用中的高密集计算量问题。二者结合引入的并行空间数据库，可以利用常见的以太网把高性价比的服务器、工作站及普通PC机连接成集群，并利用并行存储、并行检索、并行处理等关键技术，实现兼具较高性能与优良伸缩可用性的解决方案，提升了传统GIS高效处理、管理海量空间数据的并行化性能。

(四)网格式计算GIS。网格GIS是GIS在网格环境下的一种应用，它是一种汇集和利用共享空间信息资源、进行一体化组织与处理，具有按需服务能力的地理信息系统。网格GIS将地理上分布的、系统异构的各种计算机、空间数据、服务器、大型检索存储系统、虚拟现实系统等，通过高速互联网络连接并集成起来，形成对用户透明的虚拟的空间信息资源，在广域范围内实现空间信息无缝集成和协同处理。

新时代下信息通信技术的高速发展，促使空间数据精度的不断提高和获取方法的多样化，但在面临动辄TB、PB级的数据时，现有GIS手段在对其进行高速、有效的分析计算时仍面临着十分巨大的挑战，所以，结合云计算的优势，对现有GIS模式进行变革，将会极大地推动新时代下GIS的进一步发展。

三、云GIS

基于云计算的GIS(以下简称“云GIS”)是基于云计算的理论、方法和技术，改进并扩展传统GIS结构体系与功能，提升其在海量空间数据的高性能存取、处理、分析等领域的能力，解决地理信息科学领域中计算密集型和数据密集型的各种问题而产生的新一代地理信息系统。其实质是将GIS的平台、软件和地理空间信息能够方便、高效地部署到以云计算为支撑的“云”基础设施之上，能够以弹性的、按需获取的方式提供最广泛的基于Web的各类服务[4,5]。

相比于传统GIS，云GIS具有如下的优势:

(一)降低了GIS用户的使用门槛。一方面，云GIS用户不需要像WebGIS和网格GIS那样安装软件及购买数据，只需一个网络浏览器就能以他所需的方式获取专业GIS软件的所有功能;另一方面，云GIS的效用计算特征，可以让用户按需支付所需服务，从而让用户以极高的性价比享受到方便快捷的移动GIS服务。

(二)减少了GIS工作者的工作量。云GIS用户只需对云平台提出资源申请就可以获得超级计算机般的数据处理能力，能够快速完成空间数据的分析处理，而无需开发人员等GIS工作者进行算法优化及复杂并行计算、调度模型的构建，减轻了他们的工作量。

(三)具有极高的资源利用效率。云平台的一个主要特点是超大规模，大量云服务器处于运营管理者的管控之下，用户提交的计算申请后，云平台就能从整体上进行全局的统筹分配(无需利用他人的空闲计算能力)，合理利用资源，有效杜绝资源浪费。由于用户对GIS计算能力要求千差万别，简单的导航、路线规划和深入的数据挖掘相比计算量差别极其巨大，所以，云GIS用户按需使用云平台资源，从而可以提升整体资源的高效利用水平。

(四)降低了网络的负担。网格GIS利用网络节点上的空闲计算机来提供所需的计算能力，在计算过程中势必涉及空间数据的传出和传回，增大了网络的负担。基于云计算的GIS只需用户向云计算平台提出申请，数据存储和处理都在云内部完成，在网络传输的只是最后的处理结果——一个简单的数据集，因此大大减少了网络传输的数据量。

四、总结

云计算作为一种集虚拟化技术、网络技术、信息安全、效用计算、逻辑推理、软件工程、商务智能等技术为一体的新兴计算应用模式，对当今社会多种领域均产生了深远的影响。云GIS作为传统地理空间信息管理分析科学与云计算理论、方法相结合的新一代GIS手段，将会成为社会信息基础设施的重要组成部分，提供更多层级、更多模式的共享服务，云GIS的发展将是未来GIS发展变革的主要方向。