云計(jì)算與GIS技術(shù)革新

當(dāng)前云計(jì)算概念正如火如荼，云計(jì)算技術(shù)正方興未艾。本文對(duì)云計(jì)算概念與應(yīng)用模式、云計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用方法進(jìn)行探討，旨在分析云計(jì)算對(duì)GIS的影響和GIS面臨的新挑戰(zhàn)，與大家共同分享“云”時(shí)代GIS應(yīng)用模式創(chuàng)新的一些設(shè)想。

云計(jì)算概念與模式

1.云計(jì)算基本概念

對(duì)于“云計(jì)算”，解釋得最多的是“像用電一樣使用計(jì)算能力”，但到底是什么卻有無數(shù)種解釋。其實(shí)，我們無需去搞清楚云計(jì)算到底是什么，只需了解這種新的計(jì)算模式能夠?yàn)槿藗儙砟男┖锰帲覀冇秩绾潍@取這些能力來為業(yè)務(wù)所用就足夠了。

云計(jì)算使用模式有三個(gè)顯著特點(diǎn)，即集中管理、移動(dòng)應(yīng)用和租用模式，這跟現(xiàn)代電網(wǎng)的特征是完全一致的。云計(jì)算重點(diǎn)關(guān)注的是服務(wù)器方的計(jì)算能力，跟云計(jì)算還有一個(gè)對(duì)應(yīng)的概念是“泛在計(jì)算”，重點(diǎn)關(guān)注的是終端的計(jì)算能力。信息網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的反饋能力，而電網(wǎng)基本上是單向的電力輸送，這是云計(jì)算與電網(wǎng)有很大區(qū)別的地方。

云計(jì)算要實(shí)現(xiàn)這三個(gè)特征需要關(guān)注以下幾個(gè)方面：

①資源集中。存儲(chǔ)、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)、軟件等系統(tǒng)資源被放到一起作為資源池統(tǒng)一管理，就可以動(dòng)態(tài)地調(diào)度資源的分配，如果是分散的則無法達(dá)到調(diào)度的效果。集中管理應(yīng)該是虛擬化的，可以是物理上放在一起，但在大部分時(shí)候可能是分布式結(jié)構(gòu)，在邏輯上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。

②服務(wù)架構(gòu)。既然資源現(xiàn)在統(tǒng)一存放，原來的直接訪問方式就不再可用了，只能采用服務(wù)的方式把它提供出來，就需要有相應(yīng)的服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施、新型的服務(wù)器和終端軟件、新型的開發(fā)支持工具、新型的管理辦法。服務(wù)多了，就需要制定相應(yīng)的接口規(guī)范；同時(shí)，這種模式也潛藏著可靠性、并發(fā)處理能力、安全性的巨大挑戰(zhàn)。

③按需使用。集中管理和采用服務(wù)方式以后，用戶具有更大的靈活性，可以隨時(shí)調(diào)用計(jì)算中心的資源，而無需關(guān)心其他無關(guān)的東西，這會(huì)大大提升工作的效率；同時(shí)，通過按照用量付費(fèi)的方法，用戶可以降低個(gè)人的費(fèi)用成本，而服務(wù)中心也可以通過將閑置的資源提供給其他用戶來提高系統(tǒng)的整體運(yùn)營(yíng)效能。另外，計(jì)算中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn) “波峰”和“波谷”，計(jì)算中心可以統(tǒng)一來進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。

④移動(dòng)應(yīng)用。使用移動(dòng)終端的用戶經(jīng)常需要在終端與設(shè)備、終端與終端之間交換數(shù)據(jù)，因此更加愿意使用云計(jì)算的“星型”數(shù)據(jù)服務(wù)路徑，而且端上計(jì)算能力一般較弱，需要通過云來完成，所以云與端是密不可分的。正是移動(dòng)終端的大量使用推動(dòng)了云計(jì)算的快速發(fā)展，因此，對(duì)端的開發(fā)也是云計(jì)算系統(tǒng)的重頭戲。

⑤用戶體驗(yàn)。云計(jì)算模式帶來用戶使用習(xí)慣的變化，也使原來軟件應(yīng)用的范圍大規(guī)模地?cái)U(kuò)展，用戶體驗(yàn)也因而變得更加重要。如果通過簡(jiǎn)化操作和改進(jìn)體驗(yàn)，能夠讓一些原來的“非用戶”變?yōu)椤坝脩簟保蜁?huì)帶來用戶基數(shù)的快速增長(zhǎng)，其商業(yè)價(jià)值是不言而喻的。

⑥商業(yè)模型。云計(jì)算的使用模式和用戶對(duì)象將會(huì)與傳統(tǒng)模式有比較大的區(qū)別，因此會(huì)衍生出很多新的商業(yè)模式，比如用戶不再需要購(gòu)買套裝軟件，不再需要繁瑣的安裝過程，不再需要專業(yè)的維護(hù)知識(shí)，也不再需要為了一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算擁有一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)然，天下沒有免費(fèi)的午餐，用戶可能需要在其他方面做出一些付出，比如在通信費(fèi)用、移動(dòng)終端購(gòu)買、租金的支付等方面，這將導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)形態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而可能引起產(chǎn)業(yè)格局發(fā)生重大調(diào)整。

當(dāng)然，這一切是一個(gè)方向和愿景，不可能在一夜之間發(fā)生天翻地覆的變化，因?yàn)橄嚓P(guān)的硬件資源、軟件系統(tǒng)、人員的儲(chǔ)備、觀念的轉(zhuǎn)變、工作模式的變化都需要一個(gè)長(zhǎng)期的過程。

2.云計(jì)算業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)

云計(jì)算模式有幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

（一）更高的信息處理效率，更低的總體擁有成本。

（二）更快的系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)間，更好的系統(tǒng)規(guī)模伸縮。

由于系統(tǒng)集中構(gòu)建和統(tǒng)一維護(hù)、管理，在基礎(chǔ)設(shè)施健全的情況下，新系統(tǒng)上線時(shí)間得以大幅度縮短，也可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要快速分配資源，滿足特定情況下的需求。當(dāng)然，這需要前期較大的投入才能實(shí)現(xiàn)。

（三）更少的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，更強(qiáng)的業(yè)務(wù)保障能力。集中的服務(wù)管理能夠提供很高的容錯(cuò)能力。但也應(yīng)看到，云計(jì)算集中的優(yōu)勢(shì)同時(shí)也會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)開銷的增大，以及增加網(wǎng)絡(luò)失效、安全威脅的風(fēng)險(xiǎn)，需要通過優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)來加以避免。

（四）更佳的業(yè)務(wù)部署模式，更久的業(yè)務(wù)持續(xù)能力。云計(jì)算模式能夠更好地滿足快速變化的需求，移動(dòng)終端的使用能夠滿足現(xiàn)代快節(jié)奏的生活方式，尤其是降低成長(zhǎng)型企業(yè)的前期成本，這都能夠提升組織的業(yè)務(wù)服務(wù)能力，提高客戶滿意度，并最終產(chǎn)生更好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

3.云計(jì)算軟件特點(diǎn)

云計(jì)算軟件是云計(jì)算效益得以實(shí)現(xiàn)的核心內(nèi)容，要能適應(yīng)云計(jì)算基礎(chǔ)環(huán)境，能夠充分發(fā)揮云計(jì)算技術(shù)模式和商業(yè)模式的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又能夠有效避免所存在的各種問題，改進(jìn)其缺陷，才能體現(xiàn)出真正的價(jià)值。

云計(jì)算軟件首先應(yīng)該支持虛擬化，有高性能的計(jì)算內(nèi)核，能高效地支持虛擬機(jī)運(yùn)行、支持虛擬化的云存儲(chǔ)、分布式的云數(shù)據(jù)庫(kù)和大規(guī)模Web服務(wù)陣列；同時(shí)，要盡可能減少內(nèi)存、存儲(chǔ)和CPU、網(wǎng)絡(luò)帶寬資源占用，以節(jié)省成本。

云計(jì)算軟件以在線使用方式提供，主要面向Web和移動(dòng)應(yīng)用，桌面軟件以數(shù)據(jù)獲取和后臺(tái)分析計(jì)算為主。云計(jì)算軟件可以租用方式提供，根據(jù)使用情況進(jìn)行收費(fèi)。云計(jì)算軟件一般需要內(nèi)置大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使用戶可以即買即用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化應(yīng)用，如搜索引擎需要緩存大量的基礎(chǔ)搜索數(shù)據(jù)，地圖服務(wù)需要內(nèi)置豐富的地圖數(shù)據(jù)資源等等。

盡管以后云計(jì)算在專業(yè)和企業(yè)市場(chǎng)會(huì)有大量的應(yīng)用，但云計(jì)算模式更適合普及性和易用性的應(yīng)用方向，比如消費(fèi)型和生活型的購(gòu)物、娛樂網(wǎng)站，社會(huì)型的社交網(wǎng)站，商務(wù)型的在線CRM、電子郵件等服務(wù)。由于云計(jì)算的特殊性，并不是所有的軟件都適合采用云計(jì)算方式來運(yùn)行，要根據(jù)技術(shù)和應(yīng)用的特點(diǎn)來決定是否使用云計(jì)算模式，以及采用何種云計(jì)算模式。

雖然擁有很多的優(yōu)勢(shì)，但云計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)是相當(dāng)多的，如安全性、系統(tǒng)的堅(jiān)固性，系統(tǒng)的異構(gòu)性。云計(jì)算的新模式必然帶來產(chǎn)業(yè)的變革，如何突破舊有框架建立一個(gè)穩(wěn)定的新產(chǎn)業(yè)體系，必然也需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過程，需要面對(duì)許多挑戰(zhàn)、不斷探索、不斷創(chuàng)新。

云計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用

云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)主要用到虛擬化計(jì)算、虛擬化存儲(chǔ)、并行化計(jì)算三大主要支撐性技術(shù)，目前已經(jīng)有多個(gè)廠家提供相應(yīng)的技術(shù)和解決方案，但總體來說仍然處于快速發(fā)展的階段，成熟度需要進(jìn)一步提高。

在應(yīng)用方面，云計(jì)算概念出現(xiàn)以前，Google、Amazon、Yahoo、Salesforce等大型互聯(lián)網(wǎng)公司已經(jīng)開始研究和大量使用云模式的計(jì)算技術(shù)，形成了比較成熟的架構(gòu)和技術(shù)，并且取得了非常好的收益。云計(jì)算概念提出之后，很多傳統(tǒng)IT廠家也都大量投入進(jìn)行相應(yīng)的研究，推出相應(yīng)的產(chǎn)品。如IBM以私有云為主推出了一系列方案；微軟投入重金打造了Azure云服務(wù)平臺(tái)；Oracle收購(gòu)Sun后推出了一系列軟硬件一體化方案；Dell、HP也收購(gòu)了一些公司打造云計(jì)算方案；開源廠商如Redhat也緊跟大潮，推出了相應(yīng)的解決方案。

在云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施方面，國(guó)外幾個(gè)有名的云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施包括Amazon、Azure，都提供相當(dāng)強(qiáng)大的處理能力。國(guó)內(nèi)出現(xiàn)祥云（北京）、國(guó)云（中科院計(jì)算所）、大云（中國(guó)移動(dòng)）、云海（上海）等多個(gè)云計(jì)算計(jì)劃，一些原來的超算中心和IDC(互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)也加入云計(jì)算的陣營(yíng)，提供虛擬機(jī)、虛擬存儲(chǔ)、分布式計(jì)算架構(gòu)等基礎(chǔ)計(jì)算服務(wù)。建構(gòu)在云基礎(chǔ)設(shè)施之上的云計(jì)算應(yīng)用平臺(tái)也有很多，如Google、Yahoo、Salesforce、Facebook等，國(guó)內(nèi)的Alibaba、百度、騰訊也著力進(jìn)行云應(yīng)用平臺(tái)的研發(fā)和使用，并且開始逐步開放其平臺(tái)API。

云計(jì)算對(duì)GIS的影響

云計(jì)算對(duì)GIS將會(huì)帶來非常重要的影響。首先，GIS平臺(tái)概念的內(nèi)涵將發(fā)生變化，GIS基礎(chǔ)軟件平臺(tái)將進(jìn)一步發(fā)展，通過融合在線服務(wù)形成基礎(chǔ)GIS軟件、云計(jì)算GIS軟件和在線平臺(tái)一體化的綜合服務(wù)平臺(tái)；其次，GIS技術(shù)將與其它IT技術(shù)實(shí)現(xiàn)更深度的融合，數(shù)據(jù)將實(shí)現(xiàn)空間關(guān)聯(lián)，業(yè)務(wù)具有空間智能；第三，GIS技術(shù)和空間數(shù)據(jù)的使用模式會(huì)發(fā)生變化，更多地使用基于云服務(wù)地在線資源；第四，通過云服務(wù)模式，GIS的使用范圍將得以大大地?cái)U(kuò)展，使GIS的用戶對(duì)象擴(kuò)展到更加廣闊的范圍。

總之，云計(jì)算模式的發(fā)展將推動(dòng)GIS產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，而GIS和空間信息的深入發(fā)展也將同時(shí)推動(dòng)整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)電子商務(wù)、位置服務(wù)、定位導(dǎo)航、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興服務(wù)業(yè)和交通、運(yùn)輸?shù)葌鹘y(tǒng)服務(wù)業(yè)的發(fā)展，以及改進(jìn)應(yīng)急救災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排、能源開發(fā)、國(guó)土資源等方面的管理措施。

1.GIS非常適合采用云計(jì)算模式

由于GIS應(yīng)用的特點(diǎn)，非常適合采用云計(jì)算模式：①空間數(shù)據(jù)的產(chǎn)生單位相對(duì)較少，而數(shù)據(jù)使用者眾多且多樣化；②基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多，數(shù)據(jù)量龐大，更新頻度低，適合采用云存儲(chǔ)服務(wù)方式共享；③并發(fā)用戶數(shù)很大，但每次使用量較小，適合云計(jì)算的大規(guī)模分布式計(jì)算；④需要海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)挖掘，適合云計(jì)算的并行化分布式處理。

2.地理信息業(yè)務(wù)模式的主要變化

可以設(shè)想，未來基于云計(jì)算技術(shù)的空間信息處理與應(yīng)用將會(huì)發(fā)生很多變化，下面從數(shù)據(jù)采集、處理、應(yīng)用的流程作簡(jiǎn)要分析（見圖表）。

3.GIS基礎(chǔ)平臺(tái)內(nèi)涵的全新擴(kuò)展

在云計(jì)算時(shí)代，GIS平臺(tái)概念將極大地?cái)U(kuò)展，將包括GIS基礎(chǔ)軟件、云GIS平臺(tái)軟件、GIS云服務(wù)平臺(tái)三個(gè)主要組成部分，應(yīng)用中既會(huì)用到傳統(tǒng)的GIS基礎(chǔ)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，也會(huì)使用云GIS軟件在私有云上進(jìn)行工作，同時(shí)也會(huì)連接GIS云服務(wù)上的資源，或者將處理結(jié)果動(dòng)態(tài)地發(fā)布到云服務(wù)平臺(tái)之上。

云GIS將實(shí)現(xiàn)地理空間信息和非空間信息的全面整合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間關(guān)聯(lián)，包括內(nèi)部資源庫(kù)、私有云資源、公共云資源和其它的互聯(lián)網(wǎng)資源。GIS將真正無處不在，深入到包括桌面、Web、手機(jī)、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用類型。

4.GIS與其它信息技術(shù)深度融合

云GIS將通過云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、傳感器的全面連接。通過虛擬化、高性能服務(wù)技術(shù)和移動(dòng)終端技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線的獲取、處理和應(yīng)用空間信息及其關(guān)聯(lián)信息，并實(shí)施基于空間智能的業(yè)務(wù)邏輯。通過三維可視化技術(shù)、環(huán)境仿真技術(shù)、數(shù)字化虛擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地理空間環(huán)境的規(guī)劃和管理決策。

5.GIS應(yīng)用模式與使用體驗(yàn)變化

隨著云計(jì)算的發(fā)展，GIS的應(yīng)用模式和使用體驗(yàn)將會(huì)發(fā)生很大變化。具體包括：

（1）隨需應(yīng)變。通過在線的、穩(wěn)定的虛擬化架構(gòu)，云GIS系統(tǒng)能夠更好地滿足快速變化的需求，即時(shí)提供需要的服務(wù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)和功能提供從內(nèi)部驅(qū)動(dòng)向外部需求驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。

（2）按需使用。服務(wù)者只提供需要的，可以節(jié)省計(jì)算資源；使用者只獲取想要的，只需為使用付費(fèi)，從而降低使用難度和成本，也不再需要維護(hù)龐大的地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）隨時(shí)可用。系統(tǒng)是在線運(yùn)行的，可以可靠地運(yùn)行、滿足即時(shí)提出的需求。

（4）隨地可用。系統(tǒng)是分布式的、虛擬化的網(wǎng)絡(luò)部署，任何地方都可以訪問。

（5）任何設(shè)備。使用工作站、PC、筆記本、平板、手機(jī)、車載設(shè)備均可訪問。

總之，云GIS將適應(yīng)有線網(wǎng)、無線網(wǎng)及其混合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，擁有與其工作環(huán)境相適應(yīng)的用戶界面，多業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)流程化、并行化處理，從而實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)從采集到處理、分析、應(yīng)用等各階段完全一致的操作體驗(yàn)；而數(shù)據(jù)是統(tǒng)一、同步、一致的，可以同步修改，實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)同工作。

6.測(cè)繪、地理信息與互聯(lián)網(wǎng)融合

測(cè)繪、地理信息和互聯(lián)網(wǎng)將進(jìn)一步融合。傳統(tǒng)的測(cè)繪成果，如大地測(cè)量、基礎(chǔ)地形、基礎(chǔ)地理信息，將與專業(yè)地理信息進(jìn)一步結(jié)合，如地質(zhì)、地貌、山文、土壤、植物、動(dòng)物，大氣、氣候、氣象、水文、水利，區(qū)劃、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人文、人口，災(zāi)害、地理統(tǒng)計(jì)、國(guó)情監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查、規(guī)劃等信息將會(huì)融合，進(jìn)行基于空間的統(tǒng)一處理和分析。

互聯(lián)網(wǎng)上將產(chǎn)生大量用戶生成數(shù)據(jù)，也將通過聚合提供政府、行業(yè)、部門、企業(yè)、個(gè)人使用，使GIS出現(xiàn)泛在化趨勢(shì)，大量的地理空間信息應(yīng)用與GIS專業(yè)理論方法無關(guān)，如Google Earth、百度地圖、物流配送等等業(yè)務(wù)。

GIS的發(fā)展繼續(xù)深入到多種系統(tǒng)。地理空間信息真正成為社會(huì)信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，能夠提供多層次、多模式的共享使用，地理空間信息與多種信息整合催生出大量的創(chuàng)新應(yīng)用。這將導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)環(huán)境發(fā)生深刻變化，GIS產(chǎn)業(yè)的重心也將會(huì)逐步發(fā)生轉(zhuǎn)移。

（作者為超圖地理信息技術(shù)研究所所長(zhǎng)）