云计算与GIS技术革新

来源:用户上传      作者: 王尔琪

　　当前云计算概念正如火如荼，云计算技术正方兴未艾。本文对云计算概念与应用模式、云计算技术与应用方法进行探讨，旨在分析云计算对GIS的影响和GIS面临的新挑战，与大家共同分享“云”时代GIS应用模式创新的一些设想。
　　
　　云计算概念与模式
　　1.云计算基本概念
　　对于“云计算”，解释得最多的是“像用电一样使用计算能力”，但到底是什么却有无数种解释。其实，我们无需去搞清楚云计算到底是什么，只需了解这种新的计算模式能够为人们带来哪些好处，我们又如何获取这些能力来为业务所用就足够了。
　　云计算使用模式有三个显著特点，即集中管理、移动应用和租用模式，这跟现代电网的特征是完全一致的。云计算重点关注的是服务器方的计算能力，跟云计算还有一个对应的概念是“泛在计算”，重点关注的是终端的计算能力。信息网络具有强大的反馈能力，而电网基本上是单向的电力输送，这是云计算与电网有很大区别的地方。
　　云计算要实现这三个特征需要关注以下几个方面：
　　①资源集中。存储、计算能力、数据、软件等系统资源被放到一起作为资源池统一管理，就可以动态地调度资源的分配，如果是分散的则无法达到调度的效果。集中管理应该是虚拟化的，可以是物理上放在一起，但在大部分时候可能是分布式结构，在逻辑上实现统一管理。
　　②服务架构。既然资源现在统一存放，原来的直接访问方式就不再可用了，只能采用服务的方式把它提供出来，就需要有相应的服务基础设施、新型的服务器和终端软件、新型的开发支持工具、新型的管理办法。服务多了，就需要制定相应的接口规范；同时，这种模式也潜藏着可靠性、并发处理能力、安全性的巨大挑战。
　　③按需使用。集中管理和采用服务方式以后，用户具有更大的灵活性，可以随时调用计算中心的资源，而无需关心其他无关的东西，这会大大提升工作的效率；同时，通过按照用量付费的方法，用户可以降低个人的费用成本，而服务中心也可以通过将闲置的资源提供给其他用户来提高系统的整体运营效能。另外，计算中经常会出现 “波峰”和“波谷”，计算中心可以统一来进行任务的调度，从而实现负载均衡。
　　④移动应用。使用移动终端的用户经常需要在终端与设备、终端与终端之间交换数据，因此更加愿意使用云计算的“星型”数据服务路径，而且端上计算能力一般较弱，需要通过云来完成，所以云与端是密不可分的。正是移动终端的大量使用推动了云计算的快速发展，因此，对端的开发也是云计算系统的重头戏。
　　⑤用户体验。云计算模式带来用户使用习惯的变化，也使原来软件应用的范围大规模地扩展，用户体验也因而变得更加重要。如果通过简化操作和改进体验，能够让一些原来的“非用户”变为“用户”，就会带来用户基数的快速增长，其商业价值是不言而喻的。
　　⑥商业模型。云计算的使用模式和用户对象将会与传统模式有比较大的区别，因此会衍生出很多新的商业模式，比如用户不再需要购买套装软件，不再需要繁琐的安装过程，不再需要专业的维护知识，也不再需要为了一个简单的计算拥有一个庞大的数据库。当然，天下没有免费的午餐，用户可能需要在其他方面做出一些付出，比如在通信费用、移动终端购买、租金的支付等方面，这将导致产业形态发生变化，进而可能引起产业格局发生重大调整。
　　当然，这一切是一个方向和愿景，不可能在一夜之间发生天翻地覆的变化，因为相关的硬件资源、软件系统、人员的储备、观念的转变、工作模式的变化都需要一个长期的过程。
　　2.云计算业务优势
　　云计算模式有几个方面的优势：
　　（一）更高的信息处理效率，更低的总体拥有成本。
　　（二）更快的系统构建时间，更好的系统规模伸缩。
　　由于系统集中构建和统一维护、管理，在基础设施健全的情况下，新系统上线时间得以大幅度缩短，也可以根据业务需要快速分配资源，满足特定情况下的需求。当然，这需要前期较大的投入才能实现。
　　（三）更少的系统停机时间，更强的业务保障能力。集中的服务管理能够提供很高的容错能力。但也应看到，云计算集中的优势同时也会带来网络开销的增大，以及增加网络失效、安全威胁的风险，需要通过优化的方案设计来加以避免。
　　（四）更佳的业务部署模式，更久的业务持续能力。云计算模式能够更好地满足快速变化的需求，移动终端的使用能够满足现代快节奏的生活方式，尤其是降低成长型企业的前期成本，这都能够提升组织的业务服务能力，提高客户满意度，并最终产生更好的社会和经济效益。
　　3.云计算软件特点
　　云计算软件是云计算效益得以实现的核心内容，要能适应云计算基础环境，能够充分发挥云计算技术模式和商业模式的优势，同时又能够有效避免所存在的各种问题，改进其缺陷，才能体现出真正的价值。
　　云计算软件首先应该支持虚拟化，有高性能的计算内核，能高效地支持虚拟机运行、支持虚拟化的云存储、分布式的云数据库和大规模Web服务阵列；同时，要尽可能减少内存、存储和CPU、网络带宽资源占用，以节省成本。
　　云计算软件以在线使用方式提供，主要面向Web和移动应用，桌面软件以数据获取和后台分析计算为主。云计算软件可以租用方式提供，根据使用情况进行收费。云计算软件一般需要内置大量的基础数据，使用户可以即买即用，实现数据一体化应用，如搜索引擎需要缓存大量的基础搜索数据，地图服务需要内置丰富的地图数据资源等等。
　　尽管以后云计算在专业和企业市场会有大量的应用，但云计算模式更适合普及性和易用性的应用方向，比如消费型和生活型的购物、娱乐网站，社会型的社交网站，商务型的在线CRM、电子邮件等服务。由于云计算的特殊性，并不是所有的软件都适合采用云计算方式来运行，要根据技术和应用的特点来决定是否使用云计算模式，以及采用何种云计算模式。
　　虽然拥有很多的优势，但云计算面临的挑战是相当多的，如安全性、系统的坚固性，系统的异构性。云计算的新模式必然带来产业的变革，如何突破旧有框架建立一个稳定的新产业体系，必然也需要一个相当长的过程，需要面对许多挑战、不断探索、不断创新。
　　
　　云计算技术与应用
　　云计算基础设施的建设主要用到虚拟化计算、虚拟化存储、并行化计算三大主要支撑性技术，目前已经有多个厂家提供相应的技术和解决方案，但总体来说仍然处于快速发展的阶段，成熟度需要进一步提高。
　　在应用方面，云计算概念出现以前，Google、Amazon、Yahoo、Salesforce等大型互联网公司已经开始研究和大量使用云模式的计算技术，形成了比较成熟的架构和技术，并且取得了非常好的收益。云计算概念提出之后，很多传统IT厂家也都大量投入进行相应的研究，推出相应的产品。如IBM以私有云为主推出了一系列方案；微软投入重金打造了Azure云服务平台；Oracle收购Sun后推出了一系列软硬件一体化方案；Dell、HP也收购了一些公司打造云计算方案；开源厂商如Redhat也紧跟大潮，推出了相应的解决方案。
　　在云计算基础设施方面，国外几个有名的云计算基础设施包括Amazon、Azure，都提供相当强大的处理能力。国内出现祥云（北京）、国云（中科院计算所）、大云（中国移动）、云海（上海）等多个云计算计划，一些原来的超算中心和IDC(互联网数据中心)也加入云计算的阵营，提供虚拟机、虚拟存储、分布式计算架构等基础计算服务。建构在云基础设施之上的云计算应用平台也有很多，如Google、Yahoo、Salesforce、Facebook等，国内的Alibaba、百度、腾讯也着力进行云应用平台的研发和使用，并且开始逐步开放其平台API。

　　云计算对GIS的影响
　　云计算对GIS将会带来非常重要的影响。首先，GIS平台概念的内涵将发生变化，GIS基础软件平台将进一步发展，通过融合在线服务形成基础GIS软件、云计算GIS软件和在线平台一体化的综合服务平台；其次，GIS技术将与其它IT技术实现更深度的融合，数据将实现空间关联，业务具有空间智能；第三，GIS技术和空间数据的使用模式会发生变化，更多地使用基于云服务地在线资源；第四，通过云服务模式，GIS的使用范围将得以大大地扩展，使GIS的用户对象扩展到更加广阔的范围。
　　总之，云计算模式的发展将推动GIS产业的进一步发展，而GIS和空间信息的深入发展也将同时推动整个IT产业的发展，带动电子商务、位置服务、定位导航、车联网、物联网等新兴服务业和交通、运输等传统服务业的发展，以及改进应急救灾、环境保护、节能减排、能源开发、国土资源等方面的管理措施。
　　1.GIS非常适合采用云计算模式
　　由于GIS应用的特点，非常适合采用云计算模式：①空间数据的产生单位相对较少，而数据使用者众多且多样化；②基础数据多，数据量庞大，更新频度低，适合采用云存储服务方式共享；③并发用户数很大，但每次使用量较小，适合云计算的大规模分布式计算；④需要海量数据存储，进行数据处理和数据挖掘，适合云计算的并行化分布式处理。
　　2.地理信息业务模式的主要变化
　　可以设想，未来基于云计算技术的空间信息处理与应用将会发生很多变化，下面从数据采集、处理、应用的流程作简要分析（见图表）。
　　3.GIS基础平台内涵的全新扩展
　　在云计算时代，GIS平台概念将极大地扩展，将包括GIS基础软件、云GIS平台软件、GIS云服务平台三个主要组成部分，应用中既会用到传统的GIS基础软件进行数据处理，也会使用云GIS软件在私有云上进行工作，同时也会连接GIS云服务上的资源，或者将处理结果动态地发布到云服务平台之上。
　　云GIS将实现地理空间信息和非空间信息的全面整合，实现数据的空间关联，包括内部资源库、私有云资源、公共云资源和其它的互联网资源。GIS将真正无处不在，深入到包括桌面、Web、手机、车联网、物联网等应用类型。
　　4.GIS与其它信息技术深度融合
　　云GIS将通过云计算和物联网技术实现定位系统、遥感系统、通讯系统、传感器的全面连接。通过虚拟化、高性能服务技术和移动终端技术实现在线的获取、处理和应用空间信息及其关联信息，并实施基于空间智能的业务逻辑。通过三维可视化技术、环境仿真技术、数字化虚拟系统实现地理空间环境的规划和管理决策。
　　5.GIS应用模式与使用体验变化
　　随着云计算的发展，GIS的应用模式和使用体验将会发生很大变化。具体包括：
　　（1）随需应变。通过在线的、稳定的虚拟化架构，云GIS系统能够更好地满足快速变化的需求，即时提供需要的服务，系统数据和功能提供从内部驱动向外部需求驱动转变。
　　（2）按需使用。服务者只提供需要的，可以节省计算资源；使用者只获取想要的，只需为使用付费，从而降低使用难度和成本，也不再需要维护庞大的地理空间数据库。
　　（3）随时可用。系统是在线运行的，可以可靠地运行、满足即时提出的需求。
　　（4）随地可用。系统是分布式的、虚拟化的网络部署，任何地方都可以访问。
　　（5）任何设备。使用工作站、PC、笔记本、平板、手机、车载设备均可访问。
　　总之，云GIS将适应有线网、无线网及其混合网络环境，拥有与其工作环境相适应的用户界面，多业务环节实现流程化、并行化处理，从而实现地理空间数据从采集到处理、分析、应用等各阶段完全一致的操作体验；而数据是统一、同步、一致的，可以同步修改，实现高效的协同工作。
　　6.测绘、地理信息与互联网融合
　　测绘、地理信息和互联网将进一步融合。传统的测绘成果，如大地测量、基础地形、基础地理信息，将与专业地理信息进一步结合，如地质、地貌、山文、土壤、植物、动物，大气、气候、气象、水文、水利，区划、环境、社会、经济、人文、人口，灾害、地理统计、国情监测、资源调查、规划等信息将会融合，进行基于空间的统一处理和分析。
　　互联网上将产生大量用户生成数据，也将通过聚合提供政府、行业、部门、企业、个人使用，使GIS出现泛在化趋势，大量的地理空间信息应用与GIS专业理论方法无关，如Google Earth、百度地图、物流配送等等业务。
　　GIS的发展继续深入到多种系统。地理空间信息真正成为社会信息基础设施的重要组成部分，能够提供多层次、多模式的共享使用，地理空间信息与多种信息整合催生出大量的创新应用。这将导致产业环境发生深刻变化，GIS产业的重心也将会逐步发生转移。
　　
　　（作者为超图地理信息技术研究所所长）

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