基于云計算的GIS系統研究

荊志強

【摘 要】本文在簡要介紹云計算與GIS技術的基礎上，重點分析了基于云計算的GIS系統的優勢及其設計問題，并設計了一種基于云計算的GIS系統框架，給出了框架的層次模型和平臺功能。

【關鍵詞】云計算；GIS；云GIS平臺

0 引言

GIS（Geographic Information System）是以地理科學為依托，以計算機科學技術為支撐，以遙感技術（Remote Sensing， RS）和全球定位系統（Global Position System，GPS）為重要數據來源的交叉學科，范圍介于管理科學、空間科學、信息科學之間。正是由于這種地理事物的多學科性，最終導致了GIS具有明顯的多學科交叉特征，它必須同時吸收相關學科的特點，并逐步形成自身獨立的風格，同時又要被應用于多個學科，以推動這些學科的快速發展。近些年來，由于云計算技術在IT行業內的迅猛發展以及所導致的產業革命，PC時代將逐步被云計算時代所代替。雖然云計算目前還處于起步的發展階段，但是在大規模計算、海量數據處理、降低系統設備代價和維護，以及用戶透明性方面都已經展現出無與倫比的優勢。

受益于云計算帶來的優勢，對廣大用戶而言，云GIS意味著數據、軟件、開發之間的壁壘已被打破，地理信息資源變得唾手可得。用戶可在云中隨時獲取所需的各種GIS資源，并且可以以計量方式擁有并進行靈活擴展，基于這種環境，GIS系統的運行模式面臨了新的挑戰。而對于GIS領域的研究者和工作者而言，如何利用云計算技術解決GIS問題，已經成為一項更具創新性和前沿性的研究工作。

1 云計算與GIS

1.1 云計算

云計算是繼分布式計算、并行計算和網格計算之后出現的一種新興的計算模式，或者也可稱之為以上三種模式的商業化實現。其概念目前并沒有統一的標準定義，大型IT廠商和領域專家們都從自身角度給定了其定義。綜合來講，在狹義上，云計算主要是通過Internet以按需和易擴展的方式獲得所需資源（包括硬件、軟件及平臺），提供資源的Internet即可被稱為“云”，“云”上的資源對用戶而言是可以無限擴展的，并隨時獲取，即付即用；在廣義上，云計算則是指一種服務的交付與使用模式，這種服務可以是與IT、軟件、互聯網等領域相關的，也可以是任意其他服務。

云計算的主要特征可總結為：1）規模大。云計算擁有龐大的系統規模，云數據中心的服務器可以多至上百萬臺并遍布世界各地。2）虛擬化程度高。云計算利用互聯網實現功能虛擬化，使得分布于世界各地的用戶都可以通過Internet使用云計算提供的服務。3）可靠性高。云計算提供了節點互換、虛擬機遷移及數據副本和容錯等功能，這些技術可以極大地確保云數據中心的信息存儲的穩定性和安全性。4）擴展性和通用性。云計算可以根據不同的用戶需求為用戶定制不同的分配資源。5）成本低。云計算以集中化的管理模式和功能強大的節點構成模式，可以極大地降低云計算的運營和管理成本，這樣可將更為便利和廉價的服務提供給用戶，而用戶不需為獲得更多資源付出過多代價。

1.2 GIS

地理信息系統GIS是利用計算機的軟硬件系統，對各種形式的地理數據進行采集、存儲、操作、運算、分析、描述并顯示所組成的一種集成系統。GIS的應用基礎是需要采集海量的基本地理空間信息，然后對這些信息進行存儲、管理、分析。

1.3 云GIS

云GIS，旨在將云計算的各種特征利用于支撐GIS的各種要素（建模、存儲及數據處理），從而改變傳統的用戶應用GIS的建設模式，以一種更加高效、低成本與友好的方式使用各種地理信息資源[1]。由此定義可見，云GIS實質上是利用云計算技術擴展GIS功能，改進GIS的傳統架構，以實現海量數據空間的高性能可靠性存取及數據處理，使GIS能夠更好地提供高效的計算能力和數據處理能力，解決地理信息科學領域中計算密集型和數據密集型的各種問題，以彈性按需方式獲取更加廣泛的Web服務。

比較傳統GIS，云GIS具有以下特征[2]：1）存儲在云平臺上的空間數據具有“云”特征，即虛擬化特征。2）空間數據管理與實施過程具有 “云” 特征。3）GIS業務的連續性。云GIS可以為用戶提供彈性的地理信息服務，并能夠根據用戶需求的變化，動態的進行資源擴展，從而提升其連續性。4）更好的用戶體驗。云GIS可以降低用戶使用地理信息資源的復雜度，用戶只需根據需求選擇適合終端即可訪問GIS服務。綜合來看，云GIS平臺實質上就是在實現已有GIS通用功能（如可視化服務、緩沖區分析、疊加分析、統計分析和遙感影像操作）的基礎上，使得用戶在使用云GIS時如同使用個人PC一樣簡單便利；同時， 這些地理信息服務還提供了服務接口，供更多更高級的用戶開發和使用，以產生更豐富的GIS功能。圖1顯示了云GIS的主要應用模式[3]。

圖1 云GIS應用模型

2 基于云計算的GIS系統框架設計

基于云計算的相關技術，本文設計了一種基于云計算的GIS通用框架體系，主要利用虛擬化技術、即付即用的方式將GIS資源封裝為在線服務，用戶通過Internet進行基礎設施和地理空間信息資源的共享，以提高資源利用效率，降低GIS系統的重復建設成本。框架體系如圖2所示。

圖2 基于云計算的GIS框架

該框架體系共分為三層，其中，基礎設施層由各種硬件資源組成，通過硬件、存儲、網絡等虛擬化技術將物理資源轉化為虛擬共享資源池；中間層負責管理虛擬共享資源池，并提供虛擬資源的調度部署策略，實現虛擬機的實時動態調度；服務層主要面向用戶，以按需方式提供虛擬化的GIS環境。

圖3是根據圖2的GIS框架設計的基于云計算的GIS平臺功能。訪問控制功能用于對用戶進行分類，并對不同的分類給予其對資源不同的操作權限，這可以保證GIS數據及系統的安全性，降低系統運行的復雜度。資源管理功能負責管理云數據中心的各類基礎設施，并利用分配與調度策略提供給不同分類的用戶不同的服務類型。GIS虛擬機（VM）主要用于管理與調度GIS虛擬機，用戶通過互聯網即可訪問GIS VM，并設置自身的數據與應用。按需收費功能繼承云計算資源的即付即用使用模式，將虛擬機使用成本細劃為計算、存儲、網絡帶寬等成本，制定GIS資源的收費模式，并按需向用戶收費。

圖3 功能

3 結論

基于云計算與GIS的技術關聯性，本文設計了一種基于云計算的GIS系統框架，該框架可以有效利用云計算在資源提供與數據分析上的優勢，為GIS用戶提供更高效穩定的服務。

【參考文獻】

[1]彭義春，王云鵬，牛熠.云計算環境下的GIS研究[J].東莞理工學院學報，2013，20（1）：17-23.

[2]林德根，梁勤歐.云GIS的內涵與研究進展[J].地理科學進展，2012，31（11）：1519-1528.

[3]陳維崧，陳慶秋.基于云計算的GIS研究[J].測繪與空間地理信息，2011，34（1）：157-159.

[責任編輯：湯靜]