云計算時代的GIS技術(shù)發(fā)展漫談

云計算時代的GIS技術(shù)發(fā)展漫談宋關(guān)福自從谷歌在幾年前提出云計算后，國際著名IT企業(yè),如ＩBM、微軟、谷歌和亞馬遜等紛紛推出了自己的云計算技術(shù)、平臺和服務。國內(nèi)企業(yè)也按捺不住，三大通訊運營商都推出了云計算計劃,如移動的“大云計劃”、聯(lián)通的“沃云計劃”、電信的“星云計劃",其他從事或者宣布從事云計算的企業(yè)數(shù)不勝數(shù).政府方面也不甘落后，北京市啟動了“祥云計劃”，上海市啟動了“云海計劃”，廣州市也在搞“天云計劃”，一時之間風起云涌，ＩT的天空彩云滿天。眼下云計算如此熱鬧,那我們?yōu)槭裁葱枰兀筷P(guān)于云計算我們都知道，在建設信息系統(tǒng)的時候，IT的計算資源很重要.什么是IT計算資源呢？CPＵ的處理能力、大容量的內(nèi)存、海量的硬盤存儲能力和軟件的分析計算能力等都是計算資源。在采購、建設ＩT計算資源時，要對需求量做出估計。預估的需求可能是圖１中的虛線Ａ，實際提供的資源一般不是直線，我們的設備按批購買，每采購一批資源量提高一個層次,當資源不夠時,再采購一批,因此實際提供的資源往往類似階梯狀折線Ｂ.而實際用到的計算資源通常是曲線C。問題就產(chǎn)生了,在M區(qū)會出現(xiàn)計算資源供不應求,影響正常工作；而在N區(qū)又會出現(xiàn)供大于求的情況，造成了浪費。圖1、ＩT計算資源的供需矛盾如何解決這個問題呢？我們來看生活中的一個例子，在煤氣罐時代，幾乎每家每戶都有一個煤氣罐。在城里，煤氣罐做飯肯定比燒煤、燒材火方便,也更環(huán)保。但煤氣罐也有個麻煩,用完后要換氣。很多人都有騎著自行車馱著煤氣罐去換的艱苦經(jīng)歷，很不方便。有時會很尷尬,做飯到一半突然發(fā)現(xiàn)煤氣不足了，我們就會停下來，把煤氣罐放倒晃晃繼續(xù)做，有時即使這樣也可能沒法做完這頓飯，就只好帶著家人和朋友下館子了。有些家庭平常做飯少，一罐煤氣很長時間用不完。管道煤氣則解決這種不方便的問題。需要時開打閥門，煤氣就來了；不用時就關(guān)上閥門，按需供應,按量付費。管道煤氣是不是就取消了煤氣灌了呢？不是，煤氣罐還在，在城市的某些地方有幾個更大的煤氣罐存儲煤氣,用管道把煤氣罐和各家的煤氣灶連起來,就可以把煤氣送到需要煤氣的每個終端。這種管道煤氣用時髦的IＴ語言就可以稱為云煤氣。當我們借鑒管道煤氣這種思路,集中建設一些云計算中心,大家去租用這些計算資源，通過網(wǎng)絡訪問和使用這些資源，按需供應，按量付費，這就是云計算。理想當中的云計算世界如圖２所示，原來供不應求和供大于求的情況都不存在了。圖2、理想中的云計算世界IT界一般認為云計算有三種形式，即基礎設施即是服務(InfrastruｃtuｒeasａService，簡稱IaaS)、平臺即是服務（ＰｌatfoｒmasaServiｃe，簡稱PａaS)和軟件即是服務（Sｏftwarｅasaseｒvｉｃe，簡稱SaaＳ）.IaaS,通過網(wǎng)絡提供基礎計算資源如高性能CPＵ處理能力、大容量內(nèi)存和海量存儲能力。曾經(jīng)是世界運算最快的超級計算機-－中國的“天河一號”的CPＵ處理能力就非常強。它運算一天相當于家用雙核的高性能ＰＣ運算62０年以上.ＰaaS則是微軟等平臺軟件企業(yè)提出來的，指的是把軟件開發(fā)平臺作為一種服務提供.SaａＳ則是把可直接使用的應用軟件作為服務提供。其實SaaＳ這個名字并不準確，確切地說應稱為應用軟件即是服務（ＡpplicatｉoｎasaSｅrviｃe，ＡaaS）,這樣更能體現(xiàn)與ＰａaS之間的關(guān)系。只是先有ＳａａS這個概念,等ＰaaS被提出后發(fā)現(xiàn)SaaS不準確時，SaａＳ這個概念已經(jīng)深入人心不便再改。除了通常的三種云計算形式外，在地理信息領域還非常需要第四種云計算的形式,那就是數(shù)據(jù)及時服務(Dataａｓasｅrｖiｃe,DaaS）。我們都知道，在不少GIＳ應用系統(tǒng)建設時,地圖數(shù)據(jù)非常重要,要購買大量遙感影像和矢量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)不僅貴,處理工作量也很大，有時一個項目的數(shù)據(jù)成本超過軟件和硬件成本。通過服務的方式租用ＧＩS數(shù)據(jù),不僅可以節(jié)約采購資金，還能節(jié)約大量處理時間，所以DaａS是地理信息領域中非常重要的云計算形式。事實上，目前各省在建的地理信息框架公共服務平臺、和各市在建的數(shù)字城市共享平臺，在某種意義上講就是一種DaaＳ。ＩaaS是云計算的基礎,ＰａaS和DaａＳ基于IaaS構(gòu)建，而ＳaａS則基于ＰaaS和ＤaaS構(gòu)建.測繪與地理信息相關(guān)單位,有能力和優(yōu)勢做的不是IaaS，而是PaaS、DaaS和SａaS。云計算給我們帶來哪些價值呢?首先,云計算降低成本，包括軟硬件采購成本、數(shù)據(jù)采購成本和系統(tǒng)開發(fā)的時間成本;其次，伸縮性非常強，所需資源按需供應，用多少提供多少；最后是便捷性，云計算顛覆了我們的運用模式，從桌面應用走向了網(wǎng)絡應用,只要能聯(lián)網(wǎng)，就能使用云計算后臺強大的服務、軟件和數(shù)據(jù)能力,獲取計算資源會更方便.在未來，云計算的應用模式是云和端的組合。內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)有各種各樣的云，提供各種不同的計算服務，而端可以是臺式機、筆記本電腦、電視機、平板電腦、PＡD和手機。由于云計算的大量處理在服務器上進行，對端的要求降低了，以后越便攜的端越受歡迎.由于ＧIS領域的應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、空間分析計算復雜度高，因此GIS領域非常需要云計算.GIＳ領域?qū)嵤┰朴嬎?對GIＳ軟件有什么要求呢?云計算對GIS的要求我們認為,云計算對GＩS軟件有三方面的要求，即：支持虛擬化的SｅrｖicｅＧＩＳ平臺,跨平臺的GIS技術(shù),和二三維一體化的GIS技術(shù).支持虛擬化的ServｉｃｅGIＳ平臺要做云計算，GIS的服務器軟件必須支持虛擬化，這是首要的前提。所謂虛擬化，指的是GＩS軟件運行在虛擬機上，而不是物理的計算機上。這樣做的好處在于應用系統(tǒng)使用多個計算機上的資源時配置簡單，各個應用系統(tǒng)在服務器上是相對獨立的空間運行而互不干擾,最終可以顯著的提高計算機的工作效率,計算資源可以在不同系統(tǒng)之間按需分配。因此，要構(gòu)建GIS的云計算體系，首先要選擇支持虛擬化的GIＳ服務器。SｅrｖiceGIS是支持云計算的另一個前提.SｅｒｖiｃｅＧIＳ基于面向服務體系架構(gòu)（SOA)的全功能ＧＩＳ服務平臺軟件，不是WebGIS.現(xiàn)在來看，WebGIS是ＧＩS軟件形態(tài)發(fā)展的一個過渡形式，不是一種完善的ＧIS軟件形態(tài),功能相對簡單,將逐步被淘汰。建設云時,最好選擇ServicｅＧＩＳ,而不要選擇WebGIS，更不要選擇瓦片結(jié)構(gòu)的圖片服務器，后者缺乏后續(xù)的功能擴展能力。像SｕpｅｒMａpIＳ、ＡrcＩＭＳ就是WebGＩS，而SupｅrＭaｐｉServer、ArｃＧISServｅｒ則是ServiceGIS?？缙脚_的GIS技術(shù)也許有人會問，現(xiàn)在大家電腦里都用Winｄoｗｓ，跨平臺有什么用?跨平臺是應用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展變化所帶來的新的要求。早期的ＧIＳ系統(tǒng)大都是C/S結(jié)構(gòu)的，主要GIＳ功能在客戶端實現(xiàn),服務器主要是存儲數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在應用系統(tǒng)更多采用B/S結(jié)構(gòu)，ＧＩS的功能重心轉(zhuǎn)移到服務器端，主要功能在服務器端實現(xiàn),客戶端只是用來展示計算結(jié)果?？蛻舳擞嬎銠C基本是Wiｎｄｏws一統(tǒng)天下的局面；而服務器端操作系統(tǒng)則是Ｗindows、Ｕnｉx、Lｉｎux是三分天下的格局,GIＳ軟件的跨平臺越來越重要。在云計算領域，有Wｉndｏws的云，如微軟的公有云和私有云都是基于Ｗｉndows的，亞馬遜也提供了Ｗindoｗｓ版本的公有云。但是有更多的云計算的技術(shù)和平臺是基于非Wiｎｄows的,比如說IBM的云計算平臺、紅帽的云計算平臺、谷歌的云都是Uｎｉx或Ｌiｎuｘ。因此,所選GIS平臺軟件必須支持多種操作系統(tǒng)，才可以在云計算建設中有更多優(yōu)秀技術(shù)和平臺可供選擇。二三維一體化的GＩＳ技術(shù)如果前兩個是GIＳ云計算的必須要求（Ｍusthave)，那這個要求就是有了更好的要求(Niｃetohａve),二三維一體化的GIS技術(shù)會讓云會更加的精彩.三維的應用由來已久，尤其是GooｇｌeEaｒth推出以后，全球范圍掀起了一股三維可視化熱潮,很多的系統(tǒng)都用三維來建設.這樣的系統(tǒng)很漂亮、很好看、很直觀,當領導、同行來參觀展示時，效果很震撼。但是他們走了后，在業(yè)務中真正使用的還是二維GIS為主，不少單位開始感覺三維是個花架子，是個面子工程，除了查一查、看一看外，其他用途很少.二維ＧIS軟件功能強，三維可視化軟件缺少高端分析功能,是造成這種困境的原因?，F(xiàn)在很多單位同時使用三維可視化軟件和二維GＩＳ平臺混搭解決實用和美觀的問題,但這只是一種權(quán)宜之計，數(shù)據(jù)一體化程度差,功能一體化效果欠佳，混搭方案未來２、3年間還有生存空間，但其后必將逐步淘汰。使用二維ＧＩS搭建云，可能是朵不夠精彩的云;使用三維可視化軟件搭建云,缺乏高端分析功能，可能是朵下不了雨的中看不中用的云；用二維GIＳ平臺加三維可視化軟件混搭云，則是權(quán)宜之計的云。如何徹底解決這個問題呢?使用二維和三維一體化的ＧIＳ平臺來搭建云，才是“實力派和偶像派相結(jié)合”的云。ＧＩS云計算的技術(shù)實踐超圖軟件在GIS云計算方面的工作開始于20０9年，超圖的云計算規(guī)劃要做兩件事，一是為搭建ＧIＳ私有云和公有云提供平臺軟件，二是搭建一個公有云，為大家直接提供服務.這里主要介紹第一個方面的工作。支持虛擬化的SerｖiceGＩS平臺超圖的ＳuperＭapiＳerveｒ是一個具有SOA架構(gòu)的全功能GＩＳ服務平臺，它支持虛擬化、服務集群、服務聚合。從０9年就開始和ＩＢM、Rｅｄhat和微軟等ＩＴ企業(yè)開展云計算技術(shù)對接工作,20１０年,分別完成與上述三家企業(yè)的云計算平臺的對接驗證工作,SupｅｒMapｉＳｅｒver支持上述三個企業(yè)的私有云計算平臺。GIS云計算的框架如圖3所示.圖３、云ＧIS技術(shù)框架（以SupｅｒMａp＋IBＭ為例）在微軟的DDＴK－E云計算平臺上，還開展了一組GＩS空間分析的性能測試(如圖4所示),測試表明，增加服務器的運行實例（虛擬機），可線性地提高系統(tǒng)性能?？缙脚_GＩS技術(shù)在云計算時代跨平臺很重要，有遠見的企業(yè)都考慮了GIS跨平臺的解決方案，但各家采用策略不同。幾個典型的企業(yè)分別采用了三種跨平臺方案,即Ａ方案、M方案和超圖方案。A方案非常巧妙的保護了已有的GIS研發(fā)投資，通過專業(yè)跨平臺解決方案商（如MａinSofｔ）的產(chǎn)品在Ｌiｎux或Ｕｎix上建立一個Wiｎｄows的虛擬環(huán)境，這樣Winｄowｓ的程序很方便能在Ｌｉｎux或Uniｘ上調(diào)試通過。該方案開發(fā)代價最小，很快就可以推出跨平臺的GＩＳ技術(shù).但該方案的缺點是在非Wｉｎｄoｗｓ操作系統(tǒng)上性能較低.M方面則選擇Java來重新寫GIＳ軟件,該方案雖然工作量較大，但Ｊaｖa是跨平臺的開發(fā)語言，“編寫一次，到處運行"的特性讓支持多種操作系統(tǒng)變得不那么復雜，而且一旦開發(fā)出來,就支持各種操作系統(tǒng),因為跨平臺由Java開發(fā)廠商解決。但Ｊａｖａ解釋執(zhí)行的特點決定了系統(tǒng)性能相對C和C＋＋有相當?shù)牟罹?Jａｖa開發(fā)的GIS內(nèi)核很難滿足大數(shù)據(jù)量高復雜度的計算要求。超圖的方案則是開發(fā)代價最高的解決方案,選擇標準C++全部重寫了GＩS內(nèi)核.雖然各操作系統(tǒng)都支持標準Ｃ++，但用標準C+＋“編寫一次，到處編譯”的特點使得開發(fā)跨平臺軟件遠不如Jａva方便,不僅需要在每個操作系統(tǒng)上編譯調(diào)試,而且不少跨平臺的問題要自行處理,工作量很大。舉個最簡單的例子，一個32位長整數(shù)包括4個字節(jié)，這４個字節(jié)的順序在不同的CＰU下都不同,如果簡單的把這4個字節(jié)從內(nèi)存寫到文件中，換臺計算機就軟件就無法識別這個長整數(shù)了，這些都要自行處理。超圖從０2年開始啟動跨平臺計劃，這期間很多朋友都很關(guān)心進展,沒有看到成功的消息還以為這個工作失敗了,直到05年才完成第一個版本的C++內(nèi)核。盡管這是一個開發(fā)代價極大的方案，但它的好處也非常明顯的,在所有的操作系統(tǒng)都具有C++的高性能。在以服務器端計算為特點的云計算時代，高性能的跨平臺GIＳ技術(shù)意義十分重大。二三維一體化GＩS技術(shù)ＧoogｌeEarth推出后,國內(nèi)外很多企業(yè)都很快推出了自己的三維可視化軟件.之所以這么快，因為有國外三維可視化開源項目可以作為基礎，其中最著名的是NＡSA的WorldＷiｎd.當時超圖也基于類似思路開發(fā)了一個三維可視化軟件，給一些客戶做了一些項目,還和二維ＧIS軟件做了對接。正當項目組想把該產(chǎn)品進一步發(fā)展壯大的時候，我們決定砍掉這個項目。因為第三方三維開源項目的定于三維可視化,受系統(tǒng)架構(gòu)的限制，擴展GＩS分析功能越來越困難。長痛不如短痛，我們轉(zhuǎn)而重新啟動了一個新的研發(fā)項目：面向管理的、與二維一體化的三維GIS.后來在設計軟件架構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，二維GIS和三維GＩS的功能都需要，不應該把這些功能分別放到三維GIS和二維GIＳ兩套產(chǎn)品里。一套軟件應該同時包括二維和三維功能,這套軟件是三維ＧＩS，還是二維GIＳ？都不是，于是我們給它起了個技術(shù)代號叫Rｅａlspacｅ

ＧIS，這就是二三維一體化的GIS。二三維一體化的ＧIＳ有什么特點呢?首先，二維和三維在數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上一體化。海量的二維數(shù)據(jù),無需轉(zhuǎn)換,直接就可以在三維場景里高性能的可視化。其次,要基于空間數(shù)據(jù)庫來管理三維數(shù)據(jù)，二維的數(shù)據(jù)十年前開始用數(shù)據(jù)庫存儲，三維數(shù)據(jù)也應存儲在數(shù)據(jù)庫中。第三，逐步完善高端的三維分析功能，在此之前,可以在三維場景里直接使用已有的二維分析功能.從整體上講，目前三維ＧIＳ軟件的效果和三維可視化軟件還有一定的差距,但這些差距已經(jīng)很小了，而且會越來越小。在公有云技術(shù)方面，超圖也和微軟的ＷｉｎdowｓAｚｕre技術(shù)開展了合作，在微軟的公有云網(wǎng)站ClｏｕdApｐ.nｅt上部署了多套展示系統(tǒng)，包括二三維一體化的展示系統(tǒng)（圖4）。通