云計(jì)算與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用

摘要：云計(jì)算作為一種新興的技術(shù)，它向中小規(guī)模的企業(yè)用戶和個(gè)人用戶提供了一種可以在幾乎不需要任何初始投入的同時(shí)，可以動態(tài)組合或擴(kuò)展IT資源。在地理信息系統(tǒng)領(lǐng)域，云計(jì)算可以幫助處理大量的可以進(jìn)行分布式運(yùn)算的數(shù)據(jù)，和不同物理位置的用戶存儲和共享應(yīng)用成果。在這里，我們要建立一個(gè)可使用云來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的GIS系統(tǒng)架構(gòu)。
關(guān)鍵詞：云計(jì)算；分布式系統(tǒng)；GIS；系統(tǒng)架構(gòu)

0 引言
    GIS應(yīng)用程序所處理的問題，大多涉及到高密度的數(shù)據(jù)的計(jì)算。GIS技術(shù)的出現(xiàn)已有幾十年了，隨著技術(shù)成熟度的提高，越來越多的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)被應(yīng)用其中。日益進(jìn)步的數(shù)據(jù)采集技術(shù)也使得我們可以從各種不同的數(shù)據(jù)源得到各種豐富的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，這一趨勢帶來的問題是如此海量的數(shù)據(jù)使得任何單一的機(jī)構(gòu)都很難保存或處理。此外，GIS系統(tǒng)主要處理的位置、邏輯或物理數(shù)據(jù)大都是來自于不同的運(yùn)算機(jī)構(gòu)。GIS系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行的空間分析不但過程復(fù)雜而且對運(yùn)算能力的要求也是很高的。
    為了和那些在不同物理位置的分散用戶分享GIS數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果，一個(gè)像云計(jì)算這樣可擴(kuò)展、低成本的計(jì)算平臺對GIS來說是至關(guān)重要的。
    一個(gè)普遍的理解是，云計(jì)算是一個(gè)支持“即用即付”模式的可以動態(tài)縮放的計(jì)算平臺。云計(jì)算是“由相互聯(lián)接的和虛擬化的計(jì)算機(jī)組成的一個(gè)并行的、分布式的系統(tǒng)，其中的計(jì)算機(jī)在定義好的服務(wù)協(xié)議下被動態(tài)的分配任務(wù)。通過這一定義可以知道像云計(jì)算這樣高數(shù)據(jù)密度、高運(yùn)算強(qiáng)度的運(yùn)算是很適合移植到云計(jì)算平臺上的。
    本文提出了一個(gè)基于云計(jì)算平臺的GIS系統(tǒng)應(yīng)用的架構(gòu)概述。首先，我們提出一個(gè)集成了GIS應(yīng)用的云計(jì)算的架構(gòu)模型；接下來給出一個(gè)應(yīng)用云計(jì)算的GIS應(yīng)用系統(tǒng)的典型范例。

1 云計(jì)算架構(gòu)
    在這一節(jié)中，我們提出了一個(gè)通用的云計(jì)算架構(gòu)，圖1描述了通用的云計(jì)算結(jié)構(gòu)和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的示意架構(gòu)。

    本文中選擇應(yīng)用廣泛的Amazon彈性云(EC2)平臺。通過EC2提供的Web界面，終端用戶可以很方便地訪問到云平臺提供的虛擬高性能計(jì)算節(jié)點(diǎn)和大容量存儲空間。當(dāng)用戶使用這些服務(wù)時(shí)，采用“即用即付”原則按小時(shí)支付很少的費(fèi)用即可。在圖1描述的系統(tǒng)中，分別使用了Amazon的EC2和簡單存儲(S3)功能來處理和存儲GIS應(yīng)用系統(tǒng)。
    GIS應(yīng)用系統(tǒng)在用戶的終端將任務(wù)分解后把程序和數(shù)據(jù)提交給系統(tǒng)前端的Web服務(wù)。Web服務(wù)在接受到任務(wù)后使用一個(gè)合適的中間件分解這個(gè)應(yīng)用給“云”中虛擬的節(jié)點(diǎn)。通過這一任務(wù)分解過程用戶的任務(wù)將變得可以被并行處理。與上述過程相類似，前端的Web服務(wù)可以直接使用Amazon的S3 API接口將海量數(shù)據(jù)存儲到S3上。當(dāng)這一過程在Amazon的EC2上執(zhí)行時(shí)，在S3中存儲的數(shù)據(jù)可以被實(shí)時(shí)檢索或處理。通過在云計(jì)算上的分析和計(jì)算所得到的結(jié)果也可以存儲到S3中做進(jìn)一步的處理。用戶可以在需要時(shí)隨時(shí)使用這些數(shù)據(jù)。
    在圖1所描述的架構(gòu)中，對于應(yīng)用系統(tǒng)的使用者來說最重要的是可以靈活地獲得GIS系統(tǒng)提供的服務(wù)。用戶可以在世界的不同地方方便地獲得服務(wù)；他所需要的只是接入Internet并擁有一個(gè)GIS應(yīng)用系統(tǒng)的服務(wù)賬戶。
    系統(tǒng)依靠一個(gè)GIS中間件向用戶提供計(jì)算和分析服務(wù)。這個(gè)程序被放置于Amazon的虛擬節(jié)點(diǎn)中，并能實(shí)時(shí)的將用戶的請求分解到各個(gè)工作節(jié)點(diǎn)中。其他的一些中間件，類似于Aneka、Condor、SGE等也是用來完成類似的工作的。
    傳統(tǒng)的GIS應(yīng)用程序需要大量的計(jì)算集群和數(shù)據(jù)空間來計(jì)算和分析海量的數(shù)據(jù)。如果引入了云計(jì)算，這一過程就可以交由云計(jì)算平臺來完成了。用戶所需要做的就只是通過一個(gè)Web界面來執(zhí)行程序和管理數(shù)據(jù)了，而最終的結(jié)果幾乎可以實(shí)時(shí)得到并且不需要用戶的過多參與。一個(gè)基于云的GIS應(yīng)用系統(tǒng)的執(zhí)行和分析過程和傳統(tǒng)方式相比其優(yōu)勢見表1。

2 結(jié)論
    對于GIS應(yīng)用系統(tǒng)來說，云計(jì)算提供了很多相對于傳統(tǒng)方式的優(yōu)勢；通過云，GIS系統(tǒng)可以方便地應(yīng)用集群和網(wǎng)格等技術(shù)。文章中設(shè)計(jì)了把GIS應(yīng)用程序接入云系統(tǒng)的一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)，并使用Amazon EC2作為應(yīng)用的云平臺。