关于地理信息系统的未来发展趋势

关于地理信息系统的未来发展趋势资源学院，人文地理潘昕颖2011111122摘要：我们知道，在当今信息世界，早已出现了智慧城市、网格计算和云计算几个全新的概念。那么，对于地理信息系统的未来发展状况，云计算是否能在网格失败的地方站稳脚跟，并在企业数据中心领域获得更多认同？在云计算兴起的今天，网格计算是否还有增长空间？本文通过分析智慧城市的发展、网格计算与云计算的优势，探讨了网格计算与云计算在地理信息系统中的未来发展前景。关键字：智慧城市，网格计算，云计算，发展趋势1智慧城市的发展状况智慧城市是以多应用、多行业、复杂系统组成的综合体。多个应用系统之间存在信息共享、交互的需求。各个不同的应用系统需要共同抽取数据综合计算和呈现综合结果。如此众多繁复的系统需要多个强大的信息处理中心进行各种信息的处理。随着城市变革的深入，我们可以假想未来的城市形态。未来我们将生活在一座座智慧而又聪明的城市里，在这里网络是最基本的基础设施，它无处不在，就像城市的神经系统，而一个强大的数据处理中心将成为城市的“大脑”，它能够按照规定的程序自动帮助我们思考怎样让我们的生活更加便捷高效。我们姑且将这样的城市称为SmartCity——智慧城市。它是城市的信息化和一体化管理，是全球信息化高速发展的典型缩影，是信息基础设施和实体基础设施的高效结合，利用网络技术和IT技术实现的城市智能化。我们通常所说的数字城市、无线城市都可以纳入SmartCity的范畴。它的运作形态是：遍布各处的传感器和智能设备组成“物联网”，对城市运行的核心系统进行测量、监控和分析，随时随地进行全面感测；“物联网”与互联网系统完全连接和融合，将数据整合为城市核心系统的运行全图，提供智慧的基础设施；基于智慧的基础设施，城市里的各个关键系统和参与者进行和谐高效地协作，达成城市运行的最佳状态。SmartCity是全球信息化高速发展的必然趋势，在一些地区，智慧城市的“星星之火”已经初见雏形并开始为居民服务。据不完全统计，全球已启动或在建的SmartCity已达一千多个，未来还会以每年近20%的复合增长率增长，新加坡的“智慧国”计划，德国的T-CITY等都是其中的典型代表。从这些城市中我们可以窥见未来智慧城市的身影，一“触”即达的便利生活将借助智慧政府、智慧的基础设施以及智慧的公共服务得以迅速实现。2网格与地理信息系统的关系2.1空间信息网格技术网格(Grid)是近年来在信息与网络领域提的一个新概念，其目的是创建一种信息交流与服的新平台，较之现在的互联网有更高的效率【1】。空间信息网格是网格技术在地理信息服务领的需求来看，构建空间信息网格势在必行。由于网格技术的快速发展和逐步成熟，地理信息的在网格环境下的共享模式逐步成为一个新的研究方向，这对于地理信息科学而言既是一个挑战同时也是一个机遇。空间信息网格技术是一个前沿的研究领域，它涉及多学科和各种技术的相互渗透、相互支撑【2】。空间信息网格作为一种新兴的技术，正处在不断发展和变化当中，它有很多独特的特征：（1）空间信息网格能够提供资源共享，消除信息孤岛，实现应用程序的互连互通。网格与计算机网络不同，计算机网络实现的是一种硬件的连通，而网格能实现应用层面的连通。（2）空间信息网格实现了协同工作，把分布在不同地理位置的计算机、数据库、实验设备等异构资源统统连接起来，通过网格调度程序进行协同工作，实现资源利用效率的最大化。（3）空间信息网格是基于国际的开放技术标准，这跟以前很多行业部门或者公司推出的软件产品不一样。（4）空间信息网格的数据资源存储是异构的、分布的，而且空间数据的类型一般来说是海量的、多类型的。（5）空间信息网格可以提供动态的服务，能够适应变化。网格上的各种资源的动态变化时时刻刻改变着网格的规模，网格具有自适应性【3】。2.2网格的深入研究方向基于网格，我们可以部分解决地理信息服务应用中面临的问题，尤其是在解决地理信息资源共享和GIS互操作问题上。但同时，我们也应该清楚地看到，当前地学专家对网格的研究已经超出网格计算原有的设想，当初计算机专家提出网格时并没有注意到其在地理信息方向的广泛应用。因而现在的网格技术在一定程度上限制了网格地理信息的进一步发展，特别在其基础性服务，共享方面值得我们进一步深入研究【4】。因而对以下几个方面进行探索有助于网格地理信息的发展：(1)对分布式地理信息系统进行深入关注，因为对于网格地理信息而言，网格是基于分布式网络建立的。对分布式地理信息系统的研究可以进一步促进网格地理信息的发展。（2）任何共享的基础是探索和发现资源，无论是基于何种网络基础之上的。而基于网格的地理信息资源的探索和发现机制又有别于其他，必须要对其进行进一步梳理，得到在纷繁芜杂的网络中获取地理信息资源的迅捷手段。（3）经过几十年的发展，地理信息数字资源，存在是极其繁多而杂乱的。现阶段的存储与传输制是山头林立，诸侯割据，研究地理信息资源的储与传输机制一直都是地理信息科学界前沿地带。（4）地理信息资源广泛共享的实现是对各种理信息服务的整合，对多种地理信息服务应用机的研究是对共享模型的有益探索。网格代表了新一代互联网的发展方向。网格计算的兴起，将改变传统的clien和cluser结构，形成新的pervasive(普适计算/网格计算)体系结构，成为下一代Intemet的计算模式，构成信息技术产业新的增长点。空间信息网格是实现空间数据资源有机集聚与全面连通的核心与基础，是建设数据网格的本质与主体内容，数据网格与计算网格共同形成新一代网格环境的基础设施。随着研究的深，空间信息网格技术的发展必将对地理信息系统的发展产生深远的影响。可以认为，网格技术的应用及空间信息网格建立，将使空间信息科学领域的前沿问题获得根本性的突破，并对数字地球、数字城市、空间信息服务和电子政务等重大应用目标产生全面和重大的影响【5】。3GIS与云计算的融合需求3.1云计算云计算是一项正在兴起中的技术，它的出现使得Web服务成为可能。云服务实际上就是云计算服务，云计算是并行计算、分布式计算和网格计算的发展，或者说是这些计算机科学概念的商业实现。提供云计算服务的企业负责管理和维护这些数据中心的正常运转，保证足够强的计算能力和足够大的存储空间可供用户使用。事实上，Google提供的网络搜索功能本身，就是一种典型的云计算，其他Google服务，诸如Gmail，GoogleDocs，GooglePicasaWeb等都充分体现了云计算服务的强大作用。云计算的出现时间较短，因此，对于云计算尚未形成统一的定义。但是在不同的定义中，均体现了云计算的主要思想，即将基础设施与具体服务分成不同的层次，由服务的提供方负责建设底层的计算中心和数据中心，向用户提供各种类型的服务；而底层基础设施的扩展对于上层用户来说是完全透明的。目前，IBM、GOOGLE、YAHOO等公司均已开始进行“云”的建设。3.2云计算的优点(1)云中的软件开发使用高端数据库开发软件，最可能的选择是使用企业内部数据中心的云服务器池，测试的时候可以使用AmazonWeb服务临时扩展资源，这样项目管理人员可以更好地控制成本、管理安全问题和分配资源，项目管理人员可以为不同的云类型分配不同的硬件资源，Web开发云、测试云和产品云，不同类型的云成本也是不一样的；开发云的单位时间成本可能低于产品云，因为SLA和安全性等附加特性都分配在产品云中。管理人员可以将项目限制为特定的云，比方说，产品云的部分服务可用于产品配置，开发云的服务仅用于开发，为了优化软件开发项目不同阶段的资产，管理人员可以按项目和用户跟踪使用情况，从而获得成本数据，如果发现成本很高，管理人员可花费较低的成本使用AmazonEC2临时扩展资源，只要安全和数据恢复问题已经得到解决。(2)环境友好的云计算云计算的动机之一就是更高的环境友好性。首先，减少了企业内部数据中心运行应用程序需要的硬件，使用云计算替代它们可以减少运行硬件和降低其温度需要的电能，将这些系统整合到远程中心里，可以更有效地进行管理。其次，云计算技术提高了电信技术，比如远程打印和文件传输，有可能降低办公空间、购买新家具、淘汰旧家具、办公室清洁等方面的需求，还减少了开车上班的需要，降低了二氧化碳的释放。3.3云计算环境下GIS软件工程应用分析云计算前景是非常广阔的，但它还是一项发展中的技术，必须慎重考虑它对软件开发的有利方面和不利因素。下面从成本和实施步骤等方面进行探讨从成本上看，云计算的优势就是能够大大地降低成本，这对于GIS软件开发组织特别是中小企业来说，在硬件设施和软件工具等方面将大大降低开发费用。但对云计算GIS服务商来说【6】，在建设云计算基础设施时需要较大的投入，如能利用已有设施和工具，这项成本也可以降低，而大量的企业进入云计算的GIS软件开发亦可进一步分摊成本。关于GIS与云计算的融合也是可观的，地理信息系统是以计算机软硬件系统的支持为基础，对各种形式的地理数据进行采集、存储、操作、运算、分析、描述和显示的集成系统GIS的应用【7】，需要采集海量的基本地理空间信息，并对这些信息进行存储、管理、分析等操作。GIS的基本功能中对地理信息数据的存储和处理非常重要。这就带来两个重要的基本问题。其一，是如何对海量的地理信息数据进行存储；其二，如何满足对地理信息数据进行处理的计算能力的需求。在此基础上，还需要进一步对GIS系统可靠性等方面提出了更高的要求。根据已有的研究【8】，可以发现，GIS对于计算和存储具有以下的要求：(1)存储能力需求。GIS的实现需要存储海量的地理信息数据及其关系信息，对数据存储能力要求高。(2)计算能力需求。GIS的应用领域往往要求GIS能够对地理信息数据进行高速的处理和实时的显示，对计算能力的要求很高。(3)数据可靠性需求。GIS的数据及其处理结果是大量工作的结果，对于GIS的高效应用具有至关重要的作用。因此需要提供可靠性保障。GIS对计算、存储和可靠性均由较高的要求。将这些要求与云计算的特点相比较，可以发现，云计算所提供的服务能够很好地满足GIS的需要[9]。根据上述分析，云计算能够应用于GIS，为GIS提供基本的服务。两者的融合既是技术发展的需要，也是业务应用扩展的大势所趋。4云与网格的关系网格提供了在动态、多机构的组织中实现资源共享和协同解决问题的能力，它不仅实现了资源和计算能力的共享，更带来了一场互联网的革命。而现今云计算正处于一个起步的阶段，大大小小的公司提供着各式各样的云计算服务，从软件应用到网络存储再到邮件过滤。但是云计算的聚合和整合正在产生，它的出现必将给各行各业带来巨大的经济效益。虽然云计算和网格计算之间有许多相似之处，但是最重要的还是它们之间的区别。网格计算非常适合那些有少量用户要访问大量数据的组织；而云计算更适合于那些有大量用户要访问小量数据的环境。专家解释道：“网格很适合虚拟组织中复杂的科学任务。另一方面，云比较适合于简单的任务，比如许多短期作业。云和网格之间另一个主要区别是：网格需要批量作业规划和复杂的政策来分配任务，而云不需要。同时，云不需要那么大的先期投入，因为云服务提供商负责服务器的运行和维护。”也就是说，如果你的计算需求比较小，或比较大但是偶尔发生，或不定时发生和突然发生，或不可预测，或呈现出快速而不规则的增长率，那么我认为你还是使用云计算比较好，因为这些类型的计算需求会让你的数据中心有时处于闲置状态，或者不能给你足够的规模经济来分摊数据中心运行的投资。如果你有稳定的可预测的大型计算流，而且这种计算流不会很波动，那么忘掉云计算或网格计算吧，你还是应该投资一个大型数据中心，然后不断在里面加入计算任务。这种情况下，你有足够的规模经济来抵消数据中心的成本。专家指出：未来会出现需要数千台计算机工作站来完成计算密集型操作的情况。因为在云内进行这种任务的成本很昂贵，至少目前是这样。网格更有可能改头换面然后融入云计算。网格计算带来了实现云计算所需要的技术。当技术进步到IaaS（架构即服务）阶段的时候，或者在五年内，80%到90%的我们现在正在进行的计算会是基于云。5云计算应用于智慧城市