發(fā)布時間：2019-10-08 04:18

【摘要】：國土資源部發(fā)布的《國土資源部中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》明確將“地理信息系統(tǒng)”列為空間對地觀測技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域優(yōu)先主題之一。該綱要的提出從國家宏觀決策層面上將地理信息系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究提升到了前所未有的高度。 網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)作為地理信息系統(tǒng)的重要組成部分,通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地理空間信息的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與管理。隨著“數(shù)字城市”、“數(shù)字中國”地理空間框架和信息化測繪體系的構(gòu)建,WebGIS已成為實(shí)現(xiàn)地理信息共享、提供在線服務(wù)的主要技術(shù)手段。 隨著對地觀測系統(tǒng)的發(fā)展與進(jìn)步,人們可獲得的地理空間信息呈現(xiàn)出爆炸式的增長,較多行業(yè)和部門的空間數(shù)據(jù)量都達(dá)到TB甚至PB級,這給WebGIS的發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。目前的WebGIS初步實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的空間信息服務(wù),但由于系統(tǒng)存在性能瓶頸,無法從根本上解決海量空間信息服務(wù)所面臨的各種難題,導(dǎo)致目前很多擁有豐富空間數(shù)據(jù)的行業(yè)和部門無法將其空間信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布并提供給公眾使用,使這些行業(yè)和部門在空間信息化發(fā)展上受到嚴(yán)重制約。因此,我們亟需構(gòu)建一種面向高性能計(jì)算的WebGIS模型(High Performance Computing WebGIS Model, HPCWM),并對該模型中多個重要問題進(jìn)行攻關(guān),從根本上解決我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展各個領(lǐng)域空間信息共享服務(wù)所面臨的眾多難題。 一個具有高性能計(jì)算能力的WebGIS模型必須具有以下重要特性： 1、WebGIS模型要具備高性能計(jì)算能力,海量空間數(shù)據(jù)的支持是關(guān)鍵,同時也是前提條件。由于單個服務(wù)器結(jié)點(diǎn)能夠管理的空間數(shù)據(jù)量是有限的,因此必須使用網(wǎng)絡(luò)中多個空間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器結(jié)點(diǎn)分布式存儲和管理大規(guī)模的空間數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中,可以按數(shù)據(jù)所屬專題、年代、用途等進(jìn)行分類,將海量的空間數(shù)據(jù)分開部署到各個結(jié)點(diǎn)。WebGIS模型必須有一種通用和有效的結(jié)點(diǎn)元數(shù)據(jù)發(fā)布、檢索、調(diào)度和同步機(jī)制來實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)的分布式組織和管理。 2、必須具備大用戶量并發(fā)訪問任務(wù)的并行處理能力,WebGIS系統(tǒng)中的并發(fā)請求任務(wù)調(diào)度機(jī)制是影響WebGIS模型性能的關(guān)鍵因素,任務(wù)調(diào)度算法的優(yōu)劣直接影響WebGIS服務(wù)的響應(yīng)能力。具備高性能計(jì)算能力的WebGIS模型不僅體現(xiàn)在并行計(jì)算能力方面,還必須綜合考慮任務(wù)分配策略的合理性和公平性,因此必須有一個良好的任務(wù)分配調(diào)度算法,能對并發(fā)請求任務(wù)進(jìn)行高效合理的調(diào)度。 3、WebGIS模型要具備均衡服務(wù)器負(fù)載的能力,利用GIS服務(wù)器集群是一個簡單快捷且有效的方案,集群中各個服務(wù)器結(jié)點(diǎn)負(fù)載是否均衡是衡量集群性能的一個重要指標(biāo)。一個具備高性能計(jì)算能力的WebGIS模型,必須能夠在大用戶量并發(fā)訪問情況下能有效的均衡服務(wù)器負(fù)載。 4、必須具備最大化利用服務(wù)器并行計(jì)算資源的能力,計(jì)算機(jī)硬件更新?lián)Q代迅速,一般一年升級一次,目前主要流行的服務(wù)器已配置8核、16核甚至更多核心的CPU,服務(wù)器的并行計(jì)算能力不斷提高,為WebGIS服務(wù)并發(fā)性能的提升奠定了硬件基礎(chǔ)。WebGIS模型要具有高性能計(jì)算能力,必須針對多核服務(wù)器進(jìn)行并行計(jì)算優(yōu)化,使其能夠充分利用服務(wù)器并行計(jì)算資源,以達(dá)到縮短任務(wù)平均響應(yīng)時間的目的。 5、必須具備大型空間數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)智能分解能力,具備高性能計(jì)算能力的WebGIS模型應(yīng)具有一種任務(wù)分解機(jī)制能針對大型空間數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)進(jìn)行智能分析和分解,將需要大量計(jì)算的復(fù)雜GIS功能在WebGIS服務(wù)器集群中進(jìn)行分解,調(diào)度所有服務(wù)器結(jié)點(diǎn)同時并行處理同一大型計(jì)算任務(wù),縮短服務(wù)響應(yīng)時間。 本文的研究是十二五國家科技支撐計(jì)劃課題“地理空間信息工具集服務(wù)平臺研發(fā)(2011BAH06804)”的重要組成部分,主要目的是對現(xiàn)有WebGIS模型進(jìn)行分析,研究一種面向多核集群并發(fā)環(huán)境下的高性能WebGIS計(jì)算模型,對海量空間數(shù)據(jù)實(shí)時高效發(fā)布、集群并發(fā)任務(wù)處理、大型空間計(jì)算任務(wù)智能分解等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)攻關(guān),最終提升現(xiàn)有WebGIS計(jì)算模型并行處理性能,解決服務(wù)器資源利用率低、負(fù)載不均衡、難以支持大規(guī)�？臻g數(shù)據(jù)高效網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的問題。 本文主要進(jìn)行了以下研究工作： 1、分析了WebGIS目前面臨的一系列技術(shù)瓶頸與挑戰(zhàn),在此基礎(chǔ)上提出面向高性能計(jì)算的WebGIS模型(HPCWM)研究的必要性,分析了國內(nèi)外在面向高性能計(jì)算的WebGIS模型方面的研究現(xiàn)狀,并從網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、WebGIS技術(shù)、硬件設(shè)備和軟件開發(fā)技術(shù)的發(fā)展四個方面對HPCWM研究的可行性進(jìn)行了分析。 2、研究了WebGIS軟件體系結(jié)構(gòu)的演變過程,提出了傳統(tǒng)WebGIS體系結(jié)構(gòu)、面向服務(wù)的WebGIS體系結(jié)構(gòu)、GIS服務(wù)器獨(dú)立的WebGIS體系結(jié)構(gòu)和基于服務(wù)器場的WebGIS體系結(jié)構(gòu)存在的不足,分析了HPCWM體系架構(gòu)產(chǎn)生的必然性,根據(jù)WebGIS高性能需求給出了一種面向高性能計(jì)算的WebGIS模型框架,并提出了HPCWM需要解決的三大關(guān)鍵技術(shù)問題。 3、總結(jié)了空間數(shù)據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)發(fā)布方式并分析了各種技術(shù)的缺陷,提出并研究了HPCWM海量空間數(shù)據(jù)組織與調(diào)度策略,并對其實(shí)現(xiàn)機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)闡述,從海量空間數(shù)據(jù)分布式部署、如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時調(diào)度等方面進(jìn)行了深入研究,并對HPCWM中如何利用緩存優(yōu)化性能進(jìn)行了研究,提出了三層緩存體系,對海量空間數(shù)據(jù)大用戶量并發(fā)訪問進(jìn)行優(yōu)化。 4、為了處理大用戶量的并發(fā)訪問請求,WebGIS要具有高性能,其中重點(diǎn)就要體現(xiàn)在是否能夠?qū)Σl(fā)訪問請求進(jìn)行有效合理的分配,能否充分利用服務(wù)器的并行計(jì)算資源,本文提出并研究了基于響應(yīng)比優(yōu)先調(diào)度的任務(wù)分配方法,根據(jù)任務(wù)等待時間和執(zhí)行時間計(jì)算任務(wù)的響應(yīng)優(yōu)先級,根據(jù)優(yōu)先級順序來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度,然后針對服務(wù)器多核特點(diǎn)提出了基于多核優(yōu)化的并發(fā)任務(wù)調(diào)度技術(shù),目的是充分利用服務(wù)器的多核處理器資源,提高服務(wù)器的并發(fā)處理能力,文中對并發(fā)任務(wù)調(diào)度技術(shù)進(jìn)行了測試分析,測試結(jié)果證明本文提出的并發(fā)任務(wù)調(diào)度方法能有效的提高WebGIS的并發(fā)處理能力,它是面向高性能計(jì)算的WebGIS模型的關(guān)鍵技術(shù)之一。 5、本文針對目前大規(guī)�？臻g數(shù)據(jù)在處理過程中耗時問題提出了HPCWM大規(guī)模空間計(jì)算智能分解和負(fù)載均衡方法,其目的是采用一種任務(wù)分解算法將大規(guī)模的空間計(jì)算任務(wù)進(jìn)行公平的分解,將其公平分配到多個服務(wù)器處理結(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行處理,充分發(fā)揮服務(wù)器集群的優(yōu)勢。重點(diǎn)研究了大規(guī)模矢量數(shù)據(jù)可視化任務(wù)的任務(wù)分解技術(shù),采用內(nèi)容網(wǎng)格化技術(shù),通過矢量數(shù)據(jù)內(nèi)容網(wǎng)格自動分析和識別矢量數(shù)據(jù)的真實(shí)分布情況,通過網(wǎng)格掃描和聚合,實(shí)現(xiàn)可視化范圍的公平分割并將其分發(fā)到多個服務(wù)結(jié)點(diǎn)并行處理,成倍的縮短了服務(wù)的平均響應(yīng)時間。 6、為了驗(yàn)證本文提出的HPCWM的可行性,筆者在HPCWM模型關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)了一個具有高性能處理能力的WebGIS軟件——IGServer,對該軟件的體系架構(gòu)、功能組成等進(jìn)行了介紹,并詳述了該軟件針對高性能計(jì)算的系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略,驗(yàn)證了本文研究內(nèi)容的有效性和實(shí)用性。 本文的研究工作取得了以下主要成果： 1、解決了海量空間數(shù)據(jù)高效網(wǎng)絡(luò)發(fā)布問題 為了使具有海量空間數(shù)據(jù)的行業(yè)和部門進(jìn)行高效網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,本文對海量空間數(shù)據(jù)的實(shí)時組織與調(diào)度策略進(jìn)行深入研究,重點(diǎn)研究了海量空間數(shù)據(jù)的實(shí)時動態(tài)生成和快速展現(xiàn)技術(shù),解決了傳統(tǒng)WebGIS預(yù)裁瓦片耗時和海量空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)效率低的問題。 2、解決了傳統(tǒng)WebGIS模型負(fù)載不均衡問題 為提高WebGIS系統(tǒng)對大用量并發(fā)訪問的支持,解決了現(xiàn)有WebGIS系統(tǒng)在任務(wù)分配和調(diào)度上存在的缺陷,增強(qiáng)了終端用戶的使用體驗(yàn),本文對WebGIS中的任務(wù)調(diào)度機(jī)制和負(fù)載均衡技術(shù)進(jìn)行深入的研究,解決了集群中各服務(wù)結(jié)點(diǎn)間負(fù)載不均衡問題。 3、實(shí)現(xiàn)了大規(guī)�？臻g數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)智能分解和調(diào)度 為適應(yīng)大規(guī)模空間數(shù)據(jù)計(jì)算,解決目前WebGIS不能勝任大型空間數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)問題,本文對大規(guī)�？臻g數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行了深入分析和研究,重點(diǎn)研究了大規(guī)�？臻g數(shù)據(jù)可視化內(nèi)容分布的自動識別技術(shù),解決了大規(guī)模空間數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)公平分解問題。同時研究了集群服務(wù)結(jié)點(diǎn)并行計(jì)算技術(shù),調(diào)度所有服務(wù)結(jié)點(diǎn)對大型空間數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)進(jìn)行并行處理,解決了傳統(tǒng)WebGIS大型空間計(jì)算任務(wù)處理能力弱的難題。 4、提高了WebGIS模型的并行處理能力 為使WebGIS適應(yīng)目前多核計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,解決目前WebGIS服務(wù)不能充分利用和發(fā)揮服務(wù)器多核并行計(jì)算能力的問題,本文對WebGIS服務(wù)引擎進(jìn)行了并行計(jì)算優(yōu)化,充分利用CPU多核計(jì)算資源,提高了單服務(wù)結(jié)點(diǎn)的并行處理能力,從而達(dá)到提高整個WebGIS集群的大用戶量并發(fā)訪問響應(yīng)能力的目的。 綜上所述,隨著WebGIS應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和需求的逐漸深入,對WebGIS性能方面的要求主要集中在兩個方面,一是大用戶量并發(fā)訪問請求,二是大數(shù)據(jù)量的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布性能。由于傳統(tǒng)WebGIS存在的上述性能瓶頸,無法從根本上解決海量空間信息共享服務(wù)所面臨的各種難題,導(dǎo)致目前很多擁有豐富空間數(shù)據(jù)的行業(yè)和部門無法將其空間信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布并提供給部門內(nèi)部或公眾使用,使這些行業(yè)和部門在空間信息化發(fā)展上受到嚴(yán)重制約,直接影響了我國空間信息化進(jìn)程的推進(jìn)。本文構(gòu)建的面向高性能計(jì)算的WebGIS模型(HPCWM)對該WebGIS中存在的多個重要問題進(jìn)行了攻關(guān),以滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中各部門和各行業(yè)的面向網(wǎng)絡(luò)的空間信息共享服務(wù)需求,解決地理信息系統(tǒng)在應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)程中存在的性能瓶頸問題,具有其重要的科學(xué)意義和實(shí)用價值。 HPCWM關(guān)鍵技術(shù)的研究涉及到地理上分布的眾多實(shí)體,因此,要完整、高效地解決WebGIS空間信息共享和性能瓶頸問題,需要依托于一個寬廣的技術(shù)領(lǐng)域。本文將地理信息系統(tǒng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)相結(jié)合,通過對面向高性能計(jì)算的WebGIS模型框架、海量空間數(shù)據(jù)的實(shí)時組織與調(diào)度、集群負(fù)載均衡、大規(guī)模空間計(jì)算任務(wù)分解以及任務(wù)并行處理等關(guān)鍵技術(shù)的研究,構(gòu)建了一個面向高性能計(jì)算的WebGIS模型。利用HPCWM模型可以為各行業(yè)各部門實(shí)現(xiàn)海量空間信息資源高效網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和全面共享提供支持。 本文的研究成果將解決WebGIS海量空問數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布過程中出現(xiàn)的一系列性能與效率問題,大大提高空間數(shù)據(jù)服務(wù)的獲取能力,為空間信息化各領(lǐng)域內(nèi)構(gòu)建海量空間信息集成與共享服務(wù)平臺提供基礎(chǔ)軟件支撐,為其他領(lǐng)域內(nèi)構(gòu)建空間信息集成與共享服務(wù)平臺提供很好的參考價值,無論從理論研究還是實(shí)踐應(yīng)用都具有重要的學(xué)術(shù)價值及應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：P208

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李細(xì)杰;鄔群勇;蔡旺華;;基于JSON的輕量級WebGIS模型與應(yīng)用[J];測繪工程;2011年02期

2 付宗堂;陶象武;;用VML技術(shù)構(gòu)建WebGIS客戶端矢量圖形的方法研究[J];測繪科學(xué);2007年06期

3 王偉;杜道生;熊漢江;;分布式柵格數(shù)據(jù)庫的一體化管理[J];測繪通報;2007年03期

4 周鵬;尹菲;;基于云計(jì)算技術(shù)的GIS軟件工程模式[J];測繪通報;2010年11期

5 王浩;喻占武;李銳;曾武;;基于開銷代價的網(wǎng)絡(luò)地理信息服務(wù)負(fù)載均衡算法研究[J];測繪學(xué)報;2009年03期

6 郭明強(qiáng);黃穎;謝忠;;一種基于服務(wù)器場的分布式WebGIS計(jì)算模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J];地理與地理信息科學(xué);2008年06期

7 馬琪;謝忠;;海量柵格地理數(shù)據(jù)的組織與調(diào)度[J];地理與地理信息科學(xué);2008年06期

8 黃穎;謝忠;吳亮;郭明強(qiáng);;基于聚類調(diào)度負(fù)載均衡的WebGIS模型[J];地球科學(xué)(中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報);2010年03期

9 韓雙旺;李德錄;李芙蓉;崔兆順;周瓏;;基于SVG的矢量WebGIS性能的優(yōu)化[J];工業(yè)儀表與自動化裝置;2009年05期

10 游佐勇;羅省賢;;多核計(jì)算環(huán)境下快速排序并行算法的實(shí)現(xiàn)[J];電腦與電信;2011年01期

，

本文編號：2546089