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GIS于云计算环境中研究与应用

云计算环境中 GIS 应用的探讨
摘要: 云计算是在网格计算基础上提出的一种新型计算模型, 是下一代网络计算*台的核心 技术之一, 它提供了可靠安全的数据存储、 方便快捷的互联网服务和强大的计算能力。 在GIS 领域, 云计算是未来GIS*台构建的基础之一。 将云计算和GIS结合起来进行空间数据的处理, 已经成为趋势。 关键词:地理信息系统、云计算

1 引言
Web2.0 环境下,互联网所需要处理的业务量快速增长。除了传统的门户网站外,社会 媒体网站提供了越来越多的互联网服务,如视频在线、图像共享、社交网站,在线地图等, 这些服务需要处理大量的数据。 移动宽带网络和移动智能终端的普及也使越来越多的移动设 备接入互联网,给互联网系统带来了更多的负载。同时,数据中心建设和维护的成本在不断 上升,如硬件的购买、管理以及能源的消耗等。如何处理海量的数据与服务,有效地为用户 提供方便、快捷的网络服务,成为互联网当前发展面临的一个问题。网络学*也面临着类似 的问题, 学*者对信息获取和服务的要求在不断增长, 移动学*和泛在学*的发展进一步提 出了更高的数据和服务要求。 同时, 学校和教育机构的网络中心和教育技术中心的软硬件建 设和维护成本在不断上升。 如何在有效的成本投资下最大程度的满足学*对海量数据和服务 的要求,成为网络学*中逐渐引起关注的问题。在这种背景下,基于分布式计算特别是网格 技术的发展,产生了一种新型服务计算模型:云计算。云计算是能够提供动态资源池、虚拟 化和高可用性的下一代计算*台的核心技术。它以用户为中心,提供安全、快速、便捷的数 据存储和网络服务, 使互联网成为每一个用户的数据中心和计算中心, 使用户从以桌面为核 心使用各项应用转移到以 Web 为核心进行各种活动。 在教育领域, 云计算为网络学*提供了 新的思路和解决方案。云计算将是未来网络学*的基本环境与*台,并通过“云服务”支持 并推动网络学*的发展。

2 云计算的含义与特点
2.1 云计算的含义
云计算(cloud computing) ,是分布式计算技术的一种,其最基本的概念,是透过网络 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。透过这项技术,网络服务提供者可 以 在数秒之内, 达成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。 云计算是一种资源交付和使用模式,指通过网络获得应用所需的资源(硬件、*台、软 件)。提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的,并

且可以随时获取。这种特性经常被比喻为像水电一样使用硬件资源,按需购买和使用。最简 单的云计算技术在网络服务中已经随处可见,例如搜寻引擎、网络信箱等,使用者只要输入 简单指令即能得到大量信息。未来如手机、GPS 等行动装置都可以透过云计算技术,发展出 更多的应用服务。进一步的云计算不仅只做资料搜寻、分析的功能,更可计算一些像是分析 DNA 结构、基因图谱定序、解析癌症细胞等。 稍早之前的大规模分布式计算技术即为“云计算”的概念起源 。从外部看,云计算只 是将计算和存储资源从企业迁出,并迁入到云中。用户定义资源需求(例如计算和广域网、 带宽需求),云提供者在它的基础设施中虚拟地装配这些组件,如图 1 所示。

图 1. 云计算在 Internet 中迁移资源 但是, 为什么您会心甘情愿地放弃对自己资源的控制, 而让它们虚拟地存在于云中呢? 原因有很多,但我相信最重要的两个原因是成本和可伸缩性。云计算的目标是使 这些资源 比您自己所能提供和管理的资源更廉价。 云计算除了降低成本外, 还有更大的灵活性和可伸 缩性。云计算提供者可以轻松地扩展虚拟环境,以通过提供者的 虚拟基础设施提供更大的 带宽或计算资源。 云计算在环保方面的优势是,它可以在不同的应用程序之间虚拟化和共 享资源,以提高服务器的利用率。图 2 显示了一个例子。在这个例子中,不同的应用程序 使用了 3 个独立的*台,每个应用程序都在它自己的服务器上运行。在云中,可以在多个 操作系统和应用程序之间共享(虚拟化)服务器,从而减少服务器的数量。更少的服 务器 意味着需要更少的空间 (减少数据中心占用的空间) 和更少用于制冷的电力 (减少碳足迹) 。

图 2. 虚拟化和资源使用 2.2 云计算剖析 当您深入观察云时,您会发现,它实际上并不是一个单独的服务,而是一个服务集合,如图 3 所示。这些层定义了提供的服务的级别。

图 3. 云计算的层次 我们从最低级的服务开始, 即基础设施 Infrastructure-as-a-Service 或 IaaS) IaaS 就 ( 。 是将基础设施(计算资源和存储)作为服务出租。这意味着虚拟计算机不仅具有有保证的处 理能力,而且为存储和 Internet 访问预留了带宽。实际上,IaaS 具有在有特定服务质量 约束的情况下出租计算机或数据中心的能力,使之能执行任意操作系统和软件。 顺着栈往上看,上一级的服务是*台(Platform-as-a-Service 或 PaaS)。PaaS 类似于 IaaS, 但是它包括操作系统和围绕特定应用的必需的服务。 例如, 除了虚拟服务器和存储外, PaaS 还提供一个特定的操作系统和应用程序集(通常是作为一个虚拟机,即 VM,或文件,

例如 VMware 的 .vmdk 格式),以及对必要的服务(例如 MySQL 数据库或其他专用本地资 源)的访问。换句话说,PaaS 就是 IaaS 加上一个用于给定应用的定制软件栈。最后,在 图 3 顶部是可以提供的最简单的服务:应用程序。这一层被称作 Software-as-a-Service (SaaS),它是从一个集中的系统部署软件,使之在一台本地计算机上(或从云中远程地) 运行的一个模型。由于是计量服务,SaaS 允许出租一个应用程序,并计时收费。 这是高度 概括的云计算的视图。这个视图忽略了云的其他一些方面,例如 data-Storage-as-a-Service(dSaaS),后者以计量服务的形式提供存储,消费者按使用的 容量(使用的存储的容量)和利用率(存储的带宽需求)付费。另外还有云服务,它为互操 作性和外部应用编程接口(API),例如 Web 服务,提供了内部机制。 1.3 云计算现状 最*,对云计算和相关基础设施的投资呈爆炸式增长。这样巨大的投资表明,对云中资 源的虚拟化存在着巨大的需求。去年已经有了很多新的服务,图 4 展示了其中一部分。

图 4. 云计算各层及相关产品 这绝不是一份详尽的产品类别,因为变化非常频繁。但是,这的确给出了一些产品的概览, 并展示了它们之间的区别。本文后面的 参考资料 小节包括了其中一些产品的链接。

3 云计算与目前一些技术的关联
云计算正成为行业中的热点概念。它和下面的词汇产生了或多或少的关连:网格计算, 效用计算,虚拟化,服务器集群,主机租用,主机托管。云计算* 台普遍用到了虚拟化技 术,并且基于一个集群来构建,和网格计算和效用计算以及 SaaS 有着天然的联系,而且被 用在 IDC 行业与主机租用和主机托管业务竞 争。 3.1 云计算和效用计算的比较 效用计算是一种提供计算资源的商业模式,用户从计算资源供应商获取和使用计算资 源并基于实际使用的资源付费。简单说,是一种基于资源使用量的付费模式。效用计算主要 给用户带来经济效益。 企业数据中心的资源利用率普遍在 20%左右,这主要是因为超额部 署—购买比*均所需资源更多的硬件一边处理峰值负载, 可预计到的或不可预计的。 效用计 算则 允许用户只为他们所需要用到并且已经用到的那部分资源付费。效用计算是是一种分 发应用所需资源的计费模式。 云计算是一种计算模式, 代表了在某种程度上共享资源进行

设计、开发、部署、运行应用,以及资源的可扩展收缩和对应用连续性的支持。效用计算通 常需要云计算基础设施支持,但并不是 一定需要。同样,在云计算之上可以提供效用计算, 也可以不采用效用计算。 3.2 分布式计算 分布式计算是指在一个松散或严格约束条件下使用一个硬件和软件系统处理任务,这 个系统包含多个处理器单元或存储单元,多个并发的过程,多个程 序。一个程序被分成多 个部分,同时在通过网络连接起来的计算机上运行。分布式计算类似于并行计算,但并行计 算通常用于指一个程序的多个部分同时运行于某台 计算机上的多个处理器上。所以,分布 式计算通常必须处理异构环境、多样化的网络连接、不可预知的网络或计算机错误。 3.3 云计算与网格计算的不同点 网格计算是指分布式计算中两类比较广泛使用的子类型。 一类是, 在分布式的计算资源 支持下作为服务被提供的在线计算或存储。另一类是,一个松散连 接的计算机网络构成的 一个虚拟超级计算机, 可以用来执行大规模任务。 该技术通常被用来通过志愿者计算解决计 算敏感型的科研、数学、学术问题,也被商业公司 用来进行电子商务和网络服务所需的后 台数据处理、经济预测、 地震分析等。 网格计算强调资源共享, 任何人都可以做为请求者使用其它节点的资源, 任何人都需要贡 献一定资源给其他节点。网格计算强调将工作量转移到 远程的可用计算资源上。云计算强 调专有,任何人都可以获取自己的专有资源,并且这些资源是由少数团体提供的,使用者不 需要贡献自己的资源。在云计算中,计 算资源被转换形式去适应工作负载,它支持网格类 型应用,也支持非网格环境,比如运行传统或 Web2.0 应用的三层网络架构。网格计算侧重 并行的计算集中性需求,并且难以自动扩展。云计算侧重事务性应用,大量的单独的请求, 可以实现自动或半自动的扩 展。

3.4 服务器集群
服务器集群是指将一组服务器关联起来, 使它们在外界从很多方面看起来如同一台服务 器。集群内的服务器之间通常通过局域网连接,通常用来改善性能 和可用性,但一般而言 比具有同等性能功能和可用性的单台主机具有更低的成本网格通常更加松散连接、 异构、 地 理位置分散,主机之间信任度更低。

3.5 虚拟化
虚拟化指对计算资源进行抽象的一个广义概念。 虚拟化对上层应用或用户隐藏了计算资 源的底层属性。它既包括使单个的资源(比如一个服务器,一个操 作系统,一个应用程序, 一个存储设备)划分成多个虚拟资源,也包括将多个资源(比如存储设备或服务器)整合成 一个虚拟资源。虚拟化技术是指实现虚拟化的具 体的技术性手段和方法的集合性概念。虚 拟化技术根据对象可以分成存储虚拟化、计算虚拟化、网络虚拟化等。计算虚拟化可以分为

操作系统级虚拟化,应用程序 级,和虚拟机管理器。虚拟机管理器分为宿主虚拟机和客户 虚拟

4 云计算面临的难题
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连续高可用性(Continuous high availability) o 某个集群的失效处理 一致性(Consistency) o 不同集群的同步 互操作性和标准化(Interoperability and standarlization)
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在萌芽和成长期,各厂商都试图建立自己的接口 API

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所有构件的扩展(Scalability of all components) 信息保密(Data secrecy) 跨地区存储和数据传输可能会引发法律和政治问题(Legal and political problem of data store and translation across regions)

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性能问题(Performance issue) 差异化定制问题(Difficulty customizing) 组织*(Organizational obstacle)

5 地理信息系统
地理信息系统(Geographic Information System,GIS)是以地理空间数据为基础,采用地理 模型分析方法,适时地提供多种空间的和动态的地理信息,对各种地理空间信息进行收集、 存储、分析 和可视化表达,是一种为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。 GIS 的基本功能是将表格型数据(无论它来自数据库、电子表格文件或直接在程序中输 入)转换为地理图形显示,然后对显示结果浏览、操作和分析。其显示范围可以从洲际地图 到非常详细的街区地图。显示对象包括人口、销售情况、运输路线以及其他内容。 GIS 技术包括数据库管理、图形图像处理、地理信息处理多方面的基础技术,在计算机 软件和硬件的支持下, 运用系统工程和信息科学的理论, 科学管理和综合分析具有空间内涵 的地理数据,为各行业提供规划、管理、研究、决策等方面的解决方案。GIS 物流分析软件 集成了车辆路线模型、最短路径模型、网络物流模型、分配集合模型和设施定位模型等。 (1)车辆路线模型。用于解决一个起始点、多个终点的货物运输中,如何降低物流作业 费用,并保证服务质量的问题:包括决定使用多少辆车,每辆车的行驶路线等。

(2)网络网络模型。用于解决寻求最有效的分配货物路径问题,也就是物流网点布局问 题。 (3)分配集合模型。可以根据各个要素的相似点把同一层上的所有或部分要素分为几个 组,用以解决确定服务范围和销售市场范围等问题。 (4)设施定位模型。用于确定一个或多个设施的位置。在物流系统中,仓库和运输线共 同组成了物流网络, 仓库处于网络的结点上, 结点决定着线路如何根据供求的实际需要并结 合经济效益等原则,在既定区域内设立多少个仓库,每个仓库的位置,每个仓库的规模,以 及仓库之间的物流关系等,运用此模型均能很容易地得到解决。 2.1 地理信息系统的特征 地理信息系统具有以下三个方面的特征: (1)具有采集、管理、分析和输出多种地理空间信息的能力,具有空间性和动态性; (2)以地理研究和地理决策为目的,以地理模型方法为手段,具有区域空间分析、多 要素综合分析和动态预测能力,产生高层次的地理信息; (3)由计算机系统支持进行空间地理数据管理,并由计算机程序模拟常规的或专门的 地理分析方法,作用于空间数据,产生有用信息,完成人类难以完成的任务。

6 云计算与 GIS




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