一種有關圖像處理的基于網格的數字城市框架

周俊祥，杜 飛

（商丘師范學院，河南 商丘 476000）

一種有關圖像處理的基于網格的數字城市框架

周俊祥1，杜 飛2

（商丘師范學院，河南 商丘 476000）

基于C/S或B/S模式的數字城市系統已經不能滿足時代的要求,網格技術的出現與應用為數字城市的構建帶來了新的解決思路。本文通過分析數字城市的特點和數字城市面臨的問題，結合網格應用開發技術，提出了一種有關圖像處理的數字城市框架。

數字地球；數字城市；網格;圖像

當今中國的大城市病已經相當嚴重，交通擁擠、資源緊缺、城市居民生活質量下降等問題在困擾著城市的進步。近年來我國大城市的建設和改造步伐加快，城市圈開始在我國部分地區出現，而許多特大城市也開始著手興建“衛星城”，希望能解決大城市病的諸多問題。但是，實際運行中，發展“衛星城”很多的時候卻是使城市更加“臃腫”，“城市病”的現象更加突出。城市建設日新月異，資源短缺和環境脆弱約束下的快速城市化進程，對城市規劃、建設、管理與服務，提出前所未有的挑戰。

“數字城市”的核心是最大限度地利用城市資源，在城市管理和輔助政府決策方面，實現工作流程的規范化、標準化、軟件化和網絡化，提高城市管理部門的工作效率和辦事透明度，使政府的管理和為社會服務從定性化走向定量化，并將其建立在先進的技術支撐和可靠的數據基礎上，為城市管理和發展提供及時和充分的科學依據。“數字地球”的概念能夠為日益嚴峻的環境保護、災害治理、自然資源保護、經濟與社會可持續發展以及提高人類生活質量等方面的問題帶來更為全面而有效的思維模式和解決途徑。

數字城市是數字地球的重要組成部分,全球信息化的基本單元,是一個跨越了多學科和領域的復雜系統。它涉及了遙感技術、地理信息系統技術、全球定位系統技術、計算機技術、寬帶網絡技術、元數據技術、數據庫技術、數據挖掘技術、圖形圖像技術和虛擬現實技術等多個領域。

數字城市是信息時代城市建設與管理的數字化、網絡化、可視化和智能化的綜合體。目前數字城市得到了很大的發展,國內外的不少城市已建起自己的“數字城市”。但在數字城市發展的同時,也遇到了一些傳統的數字城市技術不能很好解決的問題。譬如，在數字城市中，虛擬現實城市地理信息系統（VRUGIS）的主要目標是通過采用虛擬現實技術實現城市景觀建模和城市環境變量的可視化來建立人機和諧的虛擬城市。目前制約VRUGIS發展的瓶頸問題之一是實時場景渲染問題。由于用戶與VRUGIS的交互方式是沉浸式的，為了消除場景的閃爍感和交互時場景變化的滯后感，通常要求場景刷新率比較高，即場景渲染實時性強。由于場景渲染涉及大規模的三角形繪制過程，這種圖形繪制過程是非常消耗計算資源的，因此需要配備超級圖形工作站，但這種工作站價格非常高。

本文提出了一種基于網格的高性能數字城市應用系統的體系結構設計技術，為解決數字城市所面臨的難題提供了可能。文中重點針對3個方面進行討論：（1）數字城市相關領域中網格技術的應用；（2）總體框架和圖像處理服務;（3）總結。

一、數字城市相關領域中網格技術的應用

網格被看成是繼傳統互聯網、Web之后的第三大浪潮，可以稱之為第三代互聯網的應用。傳統因特網實現了計算機硬件的聯通，萬維網實現了網頁的聯通，而網格試圖實現互聯網上所有資源的全面聯通，包括計算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源等等，最終實現網絡虛擬環境上的資源共享和協同工作，消除信息孤島和資源孤島。網格計算主要可以分為計算網格、信息網格與知識網格3個層次，網格技術研究工作主要涉及網格計算、信息網格和網格服務等方面。

數字城市是指信息化的城市，是信息時代實體城市向虛擬城市的自然進化。由于數字城市中許多領域都是數據密集、計算密集或訪問密集的，如專業仿真型城市地理信息系統通常是數據密集加計算密集的；城市遙感影像實時（Real-Time）處理也是數據密集加計算密集的；分布式虛擬現實城市地理信息系統和空間信息應用服務則是數據密集加計算密集再加訪問密集，因此網格計算對數字城市諸多領域都將產生非常深遠的影響。

在國外,有一些機構和組織正在研究網格技術在空間數據處理方面的應用,最著名的是Earth System Grid(ESG),由美國能源部發起,使用Globus ToolKit和其他一些網格技術,實現了一個能對遠程氣候數據的交互分析原型系統。研究人員已經在天氣預報、高能物理實驗、航空器研究等領域，開發了一些基于Globus網格計算的應用程序,效果較好。雖然這些應用仍屬試驗性質,但它至少表明,網格計算可以勝任不少用超級計算機難以勝任的大型應用任務。另外，歐空局ESA的對地觀測開發式網格服務研究計劃目標是提供一種環境，使得用戶可以發現和得到他們感興趣區域的空間數據，不論這些數據在全球的任何數據庫中，并且可以實現海量數據的遷移，利用網格上的成千上萬的處理資源進行快速處理。

二、總體框架和圖像處理服務

1.部署在網格環境下的總體框架

該框架主要由數字城市應用可視化、應用構建和計算、作業提交三大模塊組成。數字城市應用可視化模塊讀取多種類型的數據文件并根據需要以不同模式顯示應用；應用構建模塊完成添加新場景數據模塊或歷史數據，修改應用參數信息構建新應用的功能；作業提交模塊通過網格中間件將計算任務分配給遠程高性能計算機，并可隨時查詢作業運行狀態。

系統采用瀏覽器/服務器(B/S)體系結構部署在網格中，用戶通過瀏覽器訪問系統，進行數字城市應用可視化和應用構建，并通過網格中間件提交計算作業到遠程高性能計算機完成計算任務，計算完成后下載計算結果，并對結果進行分析處理。界面是用戶和網格資源間的接口，用戶不關心作業是如何提交到遠程計算機，哪臺計算機進行計算，只需指出計算要求和計算參數即可。

2.基于網格的數字城市應用框架

數字城市的應用,對城市的繁榮穩定及可持續發展起著不可忽視的作用。數字城市應用可視化日漸成為一個越來越重要的研究課題，可視化技術是數字城市中的關鍵技術。

2008年春運期間因暴雪引起了通訊、交通癱瘓，汶川地震中的應急處理上捉襟見肘等這些關系社會經濟和群眾生命安全的問題，如果有數字城市的輔助將會迎刃而解。眼下已經開發出了很多數字城市或數字地球可視化軟件如 Google Earth、World Wind、StreetView、Virtual Earth等，這些軟件具有很好的性能，但還都只是局限于顯示城市的地圖或三維建筑模型，雖然運行在網絡環境中，但在性能和功能方面還有不少待改進之處。

3.框架下的圖像處理計算

基于圖像處理可以完成城市場景的三維模型重構和各種目標物體的識別任務，在數字城市應用中圖像處理任務很重。當氣象部門要求獲得某個時間的城市上空云圖分布數據、交通部門要求獲得某個時間的城市交通流量分布數據、環保部門要求獲得某個時間的城市環境污染情況數據、公安部門要求獲得某個時間的突發事件事態情況數據等這些情況下，都要求對海量城市衛星遙感影像進行實時處理。但是，圖像處理需要大量的CPU資源，所以，我們需要一個高性能的并行圖像處理服務引擎。該引擎主要由命令解析器和并行圖像處理器兩個功能模塊構成。其中，命令解析器負責解析任務所調用圖像處理模塊和相關的調用參數，并組合形成圖像處理作業鏈；并行圖像處理器負責完成各種圖像處理功能，包括邊緣處理、光譜分析、高程處理、灰度處理、向量化處理、頻率分析、過濾處理、融合處理。有了這個引擎，我們就能隨時輸入需要處理的圖像數據，并能及時精確地得到并行計算結果。

建設“數字城市”的嘗試,在國外許多城市都在緊鑼密鼓地進行籌劃。數字城市是21世紀城市發展與建設的新主題，也是提高城市綜合競爭力，促進城市經濟發展、社會進步和人民生活水平提高的新動力，也是信息化社會發展的必然選擇。現在我們有城市668個,相信它們在不久的將來都將建立各自的“數字城市”。而隨著城市化進程的加快,城市還在不斷地增加,所以用于“數字城市”建設的投入將是十分可觀的。就世界范圍來看,“數字城市”的研究目前仍處于探索試驗階段，這就要求我們對“數字城市”要有一個清醒的認識，盡量選用成熟技術，堅決杜絕不必要的在建設“數字城市”上的浪費，做到事半功倍。

［1］曹蕾.數字城市基本框架及關鍵技術［J］.交通科技與經濟，2009，（2）.

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