云GIS開放性實驗教學方案設計與實現(xiàn)

顧國民 葉陽 陳琦 侯向輝 王小號 張旭東

摘要：針對新興的云計算課程的實驗教學過程中知識理解和綜合運用脫節(jié)的問題，提出一種基于GIS的開放性的云計算實驗教學方案。通過提供搭建自主研發(fā)的遙感云GIS平臺、基于平臺的應用和算法的二次開發(fā)，將集群硬件、分布計算、空間大數(shù)據(jù)管理等關鍵技術在實驗教學中體現(xiàn)出來，對學生掌握云計算的知識具有很大的幫助。

關鍵詞：云計算;大數(shù)據(jù);遙感;GIS;集群

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）44-0227-02

一、前言

社交網(wǎng)絡、視頻監(jiān)控、智慧地球等應用的逐步普及，預示著真正進入一個大數(shù)據(jù)的時代，而云計算無疑是解決大數(shù)據(jù)的好方式。云計算提供可用、便捷、按需的網(wǎng)絡訪問，是傳統(tǒng)分布式計算、并行計算、效用計算、網(wǎng)絡存儲、虛擬化等計算機和網(wǎng)絡技術發(fā)展融合的產(chǎn)物。

為了適應發(fā)展各大高校計算機專業(yè)也逐步開設了云計算的課程，但其教學的方式大多還處于基礎的理論探討和現(xiàn)有國外成熟系統(tǒng)的比較分析，使學生很難對云計算有一個直觀、透徹的認識。急需要一個云計算的實驗教學平臺，從理論教學向實踐教學轉變，才能使學生撥開云計算的“神秘面紗”，走進內部剖析的關鍵技術。

二、選用遙感云GIS平臺作為云計算的實驗教學平臺的優(yōu)勢

1.遙感云GIS是利用計算機技術對地球表面空間相關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示的技術。其天然的海量數(shù)據(jù)的管理、計算，是云計算的良好的應用背景。

2.經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)有較為成功的遙感云計算平臺，如google earth為代表的平臺，將全球海量的遙感影像數(shù)據(jù)放在一個平臺上，通過一個輕量級的客戶端訪問所有數(shù)據(jù)，能讓學生更容易理解。

針對以上情況，本文設計一種開放性的云計算實驗教學方案，采用以學生開發(fā)為主、教師啟發(fā)指導為輔的實驗教學模式，拓展學生的理論和實踐能力。

三、遙感云計算平臺系統(tǒng)架構

遙感云計算平臺為了應對遙感海量數(shù)據(jù)存儲和高吞吐量的計算的需求，采用“存儲—計算”一體化的集群架構，整個集群采用星形拓撲結構，主服務器連接多個節(jié)點服務器。主服務器響應外部請求，管理元信息;節(jié)點服務器，存儲數(shù)據(jù)和計算工具，避免計算過程中的大量數(shù)據(jù)遷移、方便性能和存儲的擴展。

從邏輯結構上，采用自底向上、層層虛擬化的方式，分別構架資源引擎、數(shù)據(jù)引擎、計算引擎，最上層采用服務總線統(tǒng)一協(xié)調引擎工作并對外提供集群服務。

資源引擎：負責底層所有硬件資源的管理和通訊技術，提供集群文件并行讀寫的技術支持，使得硬件環(huán)境向上透明，上層引擎模塊只需要關心邏輯節(jié)點，而不再關心硬件服務器。

數(shù)據(jù)引擎：管理集群內部的所有的遙感、GIS數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)信息，并提供集群數(shù)據(jù)存儲、讀取、查詢的各種接口，負責數(shù)據(jù)的遷移、備份、導入、導出等功能。

計算引擎：管理所有的計算工具，進行分布式計算任務的分配、管理等功能。

服務總線：響應來自外部的服務請求，將請求分解到資源、數(shù)據(jù)和計算，并協(xié)調運算，最后響應請求。

在這樣的服務體系結構下提供多種遙感云GIS數(shù)據(jù)服務接口，同時提供二維、三維客戶端、智能終端等多種類型的基礎功能的客戶端。行業(yè)應用的開發(fā)，只需要根據(jù)實際的業(yè)務需求在基本客戶端的基礎上調用數(shù)據(jù)服務接口進行二次開發(fā)，從而大大降低了實驗過程中用于基礎平臺和客戶端開發(fā)所用的時間。

四、遙感云GIS實驗教學方案設計

遙感云GIS實驗教學內容主要突出對云計算知識的綜合運用能力的培養(yǎng)，通過基于該模擬的云計算平臺的實驗了解云計算的應用模式，并逐步掌握云計算的內部技術架構。實驗包括自主服務搭建、平臺服務接口二次開發(fā)、計算工具研發(fā)等三個方面的內容，從難度上具有一定的層次性，適合不同程度的學生實驗。

（一）自主搭建服務

可在虛擬機環(huán)境下安裝服務器程序，如圖2從下到上逐層實現(xiàn)虛擬化，底層服務器節(jié)點是單個服務器主要用于存儲數(shù)據(jù)及計算工具之上運行節(jié)點守護進程;往上通過四大引擎（資源、數(shù)據(jù)、計算、可視化）對底層節(jié)點實現(xiàn)虛擬化;最上層由主服務和可視化服務對四大引擎實現(xiàn)二次虛擬化，實現(xiàn)對外服務的統(tǒng)一接口;各種客戶端通過主服務提供的http接口實現(xiàn)和服務端程序的交互。

學生通過自己動手安裝全套遙感服務程序，了解輕量級遙感云服務工作模式，對云計算入門非常有幫助。

（二）平臺服務二次開發(fā)

該平臺的主要功能在于通過網(wǎng)絡服務的方式提供基于遙感GIS的二次開發(fā)接口，在具體的應用中利用這些接口快速實現(xiàn)遙感服務應用，同時平臺提供多種類型的客戶端基礎模型。

為學生設計多種遙感應用的案例，通過該云服務平臺快速完成行業(yè)應用的解決方案。

1.林業(yè)應用。要求實現(xiàn)對林地區(qū)域的管理，以遙感影像作為底圖，用矢量數(shù)據(jù)繪制出林木種類、林區(qū)所屬等信息，并且在這個基礎上實現(xiàn)林區(qū)屬性數(shù)據(jù)的查詢等功能。利用平臺的開放遙感GIS服務接口能夠較快速的實現(xiàn)遙感影像及矢量數(shù)據(jù)的疊加顯示，并進行簡單的矢量交互查詢操作。

2.土地執(zhí)法應用。通過對某一個區(qū)域的不同時間的影像對比，系統(tǒng)自動對變化區(qū)域進行提醒報警，方便執(zhí)法人員主動到現(xiàn)場進行執(zhí)法調查。該應用利用了調用平臺的影像對比工具對指定的影像進行匹配比較，這就是應用了平臺的計算服務接口。

3.數(shù)字校園應用。主要功能是展示校園的三維場景，在實驗中學生自行用3dmax等工具設計學校的建筑物，并導入平臺，設定模型的具體位置。利用平臺提供的三維客戶端展現(xiàn)在影像地圖上的三維場景。該部分的實驗主要通過云平臺的應用，進一步了解云服務的應用模式，并且在實驗開展過程中設計出更多的應用案例，此實驗適合具有一定開發(fā)能力的學生。

（三）計算工具研發(fā)

平臺本身除了提供豐富的遙感GIS計算工具之外，也對外開放工具開發(fā)接口。設計實驗讓學生在符合平臺工具開發(fā)標準的基礎上開發(fā)自己的處理工具，設計個性化、專業(yè)化的數(shù)據(jù)處理工具，這要求學生具有一定的專業(yè)知識，并具有較高的開發(fā)能力，對研究生的科研具有幫助。

五、結語

本文提出一種開放性的基于GIS的云計算實驗教學方案，涵蓋了集群硬件、網(wǎng)絡分布計算、遙感GIS大數(shù)據(jù)存儲等關鍵技術，是對云計算實驗教學的一種探索與嘗試。通過該實驗方案能讓學生直接感受到云計算的實際應用，同時激發(fā)學生對云計算的學習興趣。

在近兩年的教學過程中，學生基于該實驗方案進行設計開發(fā)，師生普遍反映對學生云計算的入門和提高有很大的幫助。

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