基于云计算的GIS应用模式研究

河南大学

硕士学位论文

基于云计算的GIS应用模式研究

姓名：杨柳

申请学位级别：硕士

专业：地图制图学与地理信息工程

指导教师：秦奋

2011-05

摘 要

云计算是近两年计算机领域发展起来的热点技术之一。它把一切IT资源都抽象为服务，用户通过网络来使用这些服务，从而实现按需计算和多人协作。云计算有着广阔的市场开发潜力，为此，许多IT公司都已建立了自己的云计算平台。

GIS作为一种采集、存储、管理、分析、应用地理信息的计算机系统，现已经融入IT技术主流。在GIS领域，有必要采用云计算技术，构建云地理信息系统，以便简化GIS应用程序部署和管理、降低GIS投资和运行成本，提高GIS应用程序和基础设施的灵活性。

本文将云计算技术应用到地理信息系统领域，对云计算在GIS领域中的应用模式进行了研究。分析了云计算提供的软件即服务、平台即服务、基础设施即服务模式在GIS中应用的具体表现；构建了基于Hadoop平台的云GIS的框架，并结合Esri的云计算计划，阐述了GIS如何有效地和现有的云计算平台进行对接；分析了GIS服务如何迁移到云端，并指出在迁移过程中需要考虑的安全问题。最后，构建了基于混合云模型的河南省小麦查询系统，探讨了如何利用ArcGIS Server把地理信息服务发布到云端，如何利用Mashup技术实现私有云和Google公有云、Flex公有云的融合。

本文重点探讨了在GIS领域运如何利用云计算技术，通过研究，本文认为：在GIS领域运用云计算技术表现在两个方面；第一，利用云计算技术对GIS技术本身进行改造升级，使GIS的各项服务都能在云端提供，云 GIS逐渐拥有桌面GIS的全部功能。再次，利用云计算技术对GIS软件的各种功能进行重新包装，在网络上实现按需购买使用。第二，GIS软件与现有商业云计算平台进行对接，使GIS的数据可以存储在商业云计算平台里，GIS的各种功能在商业云计算平台支持下，优化升级。

本文研究内容如下：

第一：本文回顾了GIS的概念、组成，并深入探讨了其在不同计算模式下的发展历程。全面分析了云计算的概念、内涵和构建云计算平台需要的关键技术。分析了现有商业云计算平台的种类，以及它们所提供的相关服务。

第二：结合云计算提供的服务模式，指出在GIS领域，构建云GIS的四种模式，即地理信息内容即服务、地理信息软件即服务、地理信息平台即服务、地理信息基础设施即服务。并给出了地理信息软件即服务的原型系统。

第三：基于Hadoop平台，构建了云GIS框架，并结合ESRI的云计算计划，探讨了GIS软件如何和现有的商业云计算平台进行有效地对接，GIS的各种服务如何才能迁移到商业云计算平台之中。

第四：构建了基于混合云模型的河南省小麦查询系统，探讨了如何实现GIS私有云和公有云融合。进一步验证了地理信息平台即服务的思想，即可以把API作为一种服务来提供。

关键词：云计算；GIS；Mashup；云服务

 V

ABSTRART

Cloud Computing is one of the hit technologies that developed in computing industry in recent years. It turns all IT resources into a service that customers can rent based on their practical need and teamwork through internet. Cloud computing has a potentially vast developing market and many IT technology companies have built their own platform for cloud computing.

As a geographical data collecting, storing, managing, and analyzing computing system, GIS has been integrated into the main stream of IT technology. In GIS industry, it is necessary to adopt cloud computing technology to form geological data system in order to simplify the application and management of GIS and to reduce the investment and operation cost at the same time to promote the flexibility of GIS applications and its infrastructure.

This paper will adopt the cloud computing into geographic information system and study the application of cloud computing in GIS industry. It will analyze the performance of software and its service, platform and its service, infrastructure and its service provided by cloud computing in GIS. It will also try to research the key technology needed in forming cloud computing GIS, and explain how GIS can effectively work with the existing cloud computing platforms, analyze how to transfer GIS service to cloud computing and point out the safety problems in that transformation. In the end, this paper will also explore how to use ArcGIS server to transfer geographic information service into cloud computing and how to integrate Google and the common cloud computing.

This paper tries to explore how to employ cloud computing into the GIS industry. The application of cloud computing in GIS is demonstrated in the following two aspects: first, use cloud computing technology to reform and upgrade the GIS technology in order to provide all GIS services in cloud computing and enable the online GIS have all the functions of desktop GIS, and to package all the functions of GIS software so that to realize their online sales; Second, integrate GIS software with commercial cloud computing to store GIS data into cloud computing platform so that all GIS functions will be optimized with the support of commercial cloud computing.

The creative points of this paper are as followed:

First, it tries to discuss in depth the concept, category, consistent of GIS and its development in cloud computing mode. This paper analyzes the connotation of cloud computing and key technologies in forming cloud computing, it also analyzes the existing types of existing platform for commercial cloud computing and the technologies it employs and its services.

Second, this paper points out the four forming modes of cloud computing in GIS by combining the service modes cloud computing provides. The four modes are geographic information and its service, geographic information software and its service, geographic information platform and its service, and geographic information infrastructure and its service. This paper also provides the original system of geographic information software and its service.

Third, this paper explores how to effectively integrate the existing cloud computing platform with GIS system software and how to transfer the all the functions of GIS into commercial cloud computing by considering the cloud computing plan of ESRI.

Four, this paper explores how to integrate private and public cloud computing by trying to build the wheat inquiry system in Henan province. It tries to prove the concept of geographic information platform and its service and provides API as a service.

Key words: cloud computing ,GIS, Mashup, Cloud Service

 VII

第1章 绪论 

第1章  绪论 

1.1研究背景 

GIS是一种采集、处理、存储、管理、分析、输出地理空间信息及其属性信息的计算机信息系统[1]。自20世纪60年代诞生以来，GIS发展迅速，应用也日趋深入和广泛，逐渐融入信息技术的主流，正成为信息产业新的增长点，是发展潜力巨大的地理信息产业的重要组成部分之一。

目前，人们已建立了各种地理信息系统，用来进行测绘制图、资源管理或辅助决策。随着信息技术的发展，原有的GIS系统需要不断改造升级，越来越多的资金将需要花费在GIS版本的变更和新系统的维护上。再加上由于不同行业，不同部门之间缺乏沟通与合作，不同GIS系统之间壁垒比较分明，数据共享与服务共享都很困难，造成了GIS软件和硬件建设上的重复和浪费。因此，如何提高GIS软硬件的利用效率，加强信息共享成为研究重点。

另外，随着GIS技术的日益普及，需要开发越来越多的GIS项目。但在目前，由于前期需求把握不准，硬件软件投入费用很难准确计算。此外，由于GIS项目开发复杂，项目周期过长，数据更新快等问题的存在，GIS在应用实施的过程中困难重重。鉴于以上的问题，开发出即拿即用的GIS系统，提高软硬件利用效率成为GIS建设中急需解决的问题。

最近兴起的云计算技术为上述问题的解决找到了新的方法。在云计算环境下，通过网络为客户提供按需即取服务。这就使得GIS用户可以根据自身的需要选择计算能力和存储系统。GIS的各项功能将通过网络来实现，GIS用户可以将GIS应用部署在云计算供应商所提供的云计算平台中，以实现能动态的调整软件和硬件的需求。

云计算因其在解决上述问题上有很大的优势，自诞生以来发展极为迅速。在国际上Google、亚马逊、IBM、微软和雅虎等大公司是先行者，他们已经利用云计算技术建立了自己的云计算平台。在国内，云计算发展势头也很迅猛，公有云和私有云建设典型案例日益增多，涌现出了一批如北京“祥云计算”、上海“云海计划”、“苏州风云在线”、中国移动“Big Cloud”等云计算项目。

基于云计算的GIS应用模式研究 

目前，云计算已经广泛应用于电子商务、电子政务、信息安全，网络通信等诸多领域。将云计算技术和GIS技术相结合，研究云计算环境下GIS应用模式、服务体系，存储迁移等问题显得很有必要性和现实性。

1.2研究意义 

本文将云计算应用到GIS领域，重点研究了云GIS的应用模式。在GIS行业中使用云计算，将会简化GIS应用程序部署与管理，降低投资和运行成本，缩短GIS项目建设周期，提高GIS应用程序和基础设施的灵活性。本研究的理论意义和实践意义如下：

理论意义：由于云计算诞生于企业界，学术界对云计算的研究还处于探索阶段，云计算的概念，内涵，技术体系和应用范围目前还没有统一的定论，本文的研究可以进一步完善云计算理论体系。信息技术的飞速进步为GIS技术的发展提供了机遇。云计算的出现及其发展，为地理信息技术的发展提供了一个新环境。由于云计算是通过网络为客户提供按需即取的服务，对云GIS应用模式的研究将丰富WebGIS理论。本文提出了云GIS的概念，并对云GIS应用模式进行了研究，为今后云GIS的发展方向和构建方式提供了一定的参考价值。

实践意义：本文对云计算在GIS领域的应用进行了研究，这将扩大云计算的应用范围。以ESRI的云计算计划作为实例，探讨了如何将ArcGIS Server部署在Amazon的云计算中，并以Hadoop平台为基础，构建了云GIS架构体系，这为今后GIS行业如何应用现有云计算平台和技术，提供了指导意义。以ArcGIS Server为平台，研究了如何把GIS服务发布到云端。研究了如何用Mashup技术，实现GIS公有云和私有云的有效融合。这为GIS私有云和公有云的构建，以及如何实现融合提供了一定的参考价值。

1.3国内外研究现状 

1.3.1云计算研究现状 

云计算的起源来自Dell的数据中心解决方案、亚马逊EC2产品和Google-IBM分布式计算项目。使用“云”和计算来接起来是因为与这两个项目与网络的关系十分密切，“云”在里表示互联网，云计算的原始含义即将计算能力放在互联网上。

云计算这一概念正式被大家熟知，是在2007年。在这一年 Google和IBM联合6所大学签署协议，提供在大型分布式计算系统上开发软件的方法，帮助学生和研究人员

第1章 绪论 

获得开发网络级应用软件的经验。这个项目的主要内容是传授Map Reduce算法和

Hadoop文件系统。对于这种相对新的编程模型，人们称之为新的并行计算（有时也称云计算）。在当时云计算只是一个昵称，此后，由于IBM和Google公司在信息科技领域的影响力，越来越多的媒体、公司、技术人员开始称之其为云计算，甚至将很多IT创新都放入云计算概念中。至此，云计算的概念完全形成，但云计算发展至今，已经超越了其原始的概念[2]。

云计算诞生以后，发展极为迅速。许多公司都建立了自己的云计算平台。目前，以Google、Amazon、IBM、微软、雅虎等的云计算平台最具有代表性。它们对通过网络向外出租各种软件，硬件服务。

Google推出了自己的云计算平台Google App Engine，可以让开发人员在Google的基础框架上运行应用程序，并且运用程序可以根据访问量和数据存储需要的增长进行扩展。Amazon推出了弹性计算云EC2和简单存储服务S3，为企业提供计算和存储服务。用户可以租用它们的存储空间、带宽、CPU等资源。微软推出了云操作系统Windows Azure, Windows Azure是一个服务平台，用户可以使用它访问微软数据中心，或运行Windows应用程序。

在我国，云计算发展势头也很迅猛。在电信领域，中国移动推出了名为“BigCloud——大云”平台；在云安全领域，瑞星、360安全卫士等都推出了云安全解决方案。2009年12月中国云计算技术与产业联盟在北京成立，四十多家企业一起共同倡议成立中国云计算技术与产业联盟。2010年8月上海公布云计算发展战略，称要在3年内，将云计算将成为上海新增1000亿元的服务业收入，推动百家软件和信息服务业企业转型，培育10家年收入超过亿元的龙头企业和10个云计算示范平台。

目前，云计算技术已经广泛应用于电子商务、电子电信、网络安全等诸多领域。将云计算技术和GIS技术相结合，研究云计算环境下GIS应用模式、服务体系，存储迁移等显得很有必要性和现实性。“云计算”针对GIS而言，要考虑GIS在这种新的模式和环境下，如何更好地发挥作用，如何解决GIS长期面临的信息孤岛的问题，如何解决重复建设投资的问题，如何解决大众化应用对超大规模并发访问给GIS平台架构带来的严峻挑战。

1.3.2GIS研究现状 

自1963年，汤姆林森教授第一次提出地理信息系统一词至今，GIS已经发展了近

 3

基于云计算的GIS应用模式研究 

半个世纪。在这半个世纪里，GIS技术取得了巨大的进步，应用也日趋广泛和深化。

早期的GIS运行在单机系统上，主要以文件的方式来管理地理数据。到了20世纪70年代，计算机地图制图学得到了蓬勃发展，人们开始使用数据库技术来管理地理数据。组件化软件开发方法的出现使得地理数据和应用系统逐渐分离。数据的管理和访问能够独立出来，以中间的模式提供服务。到了20世纪90年代，Internet开始进入人们的生活，网络技术的出现，为GIS的发展带了新的应用环境，使GIS由原来的“系统”和“功能”向现在的“服务”与“应用”转变。目前，GIS已经由桌面式、集中式的单机系统时代逐步迈向大众化、分布式、网络化的地理信息服务时代。GIS已经融入信息技术主流，成为信息社会和信息基础设施不可或缺的部分。

云计算的出现，把GIS带上了云端。目前，把云计算技术应用到GIS领域，已经是下一代GIS发展的方向。云将使不同种类的GIS数据能够互操作，使不同种类的GIS平台能够相互融合。在云GIS时代里，将是一个人人参与、人人受益的世界，专家们构建各自领域知识，普通大众提供自己的内容与发现，GIS软件在云端搭建起为这一切提供数据共享与应用协同的支持平台。

1.4研究内容 

本文回顾了GIS的概念、组成，总结概括出云计算的概念和与之相关的主要技术，并在此基础上提出云GIS概念，分析云GIS的应用模式，结合Hadoop开源云计算平台，提出了构建云GIS的基础框架，并结合ESRI的云计算计划，探讨如何将ArcGIS Server部署在亚马逊的云计算平台中，最后利用Mashup技术，实现GIS私有云和公有云的融合。本文的详细内容如下：

第一：回顾GIS的概念、组成，及其在不同计算模式下GIS的发展历程。全面分析云计算的内涵，分析了现有商业云计算平台的种类，所用的技术和提供的服务类型。

第二：结合云计算提供的服务模式，指出在GIS领域，构建云GIS的四种模式，即地理信息内容即服务、地理信息软件即服务、地理信息平台即服务、地理信息基础设施即服务。并给出地理信息软件即服务的原型系统。

第三：结合Hadoop平台，构建了云GIS平台的基础框架。结合ESRI的云计算计划，探讨GIS软件，如何和现有的商业云计算平台有效地对接，GIS的各种服务如何才能迁移到商业云计算平台之中。

第1章 绪论 

第四：构建了河南省小麦查询系统，探讨如何实现GIS私有云和公有云的融合。进一步验证验证地理信息平台即服务的思想，即可以把API作为一种服务来提供。

1.5论文结构 

第一章：绪论。论述研究背景，引出研究问题。论述研究的目的、研究目标、研究意义等，并简单介绍论文的组织结构。

第二章：系统分析实现云GIS的技术基础。对GIS的概念、组成、进行了回顾，总结云计算概念和其相关技术，在此基础上提出云GIS的概念，分析了云GIS的优势。

第三章：论述云计算的服务方式，由此给出云GIS的四种服务方式，即地理信息内容即服务、地理信息软件即服务、地理信息平台即服务，地理信息基础设施即服务。并对每种服务方式，进行了系统的分析。最后，对云GIS的安全问题进行了研究。

第四章：重点论述云GIS的实现方式，分析现有的开源云计算平台和商业云计算平台，并根据开源云计算平台Hadoop，提出了构建云GIS的基础框架。论述ArcGIS Server如何部署在商业云计算平台亚马逊中。

第五章：分析云计算中私有云和公有云的概念，并结合GIS，论述了GIS私有云和公有云的概念、构建方式，研究如何利用ArcGIS Serve把地理信息服务发布到云端，并利用Mashup技术，实现GIS私有云和Google公有云、Flex公有云的融合。

第六章：对全文进行总结。指出论文的创新点和不足以及对未来工作的展望。

 5

基于云计算的GIS应用模式研究 

 图1-1 论文各章节组织结构图

第2章  云GIS基础 

第2章 云GIS基础 

2.1云计算技术 

2.1.1云计算概念 

云计算是在分布式计算（Distributed Computing）、并行计算（Parallel Computing）和网格计算（Grid Computing）基础上发展起来的，其前身是利用并行计算解决大型问题的网格计算和将计算资源作为可计量服务提供的公用计算，在互联网宽带技术和虚拟化技术高速发展后发展起来[3]。

图2-1云计算的演进

由上图我们可以看出，云计算其实并不是新技术革命性的发展，它是分布式计算、网格计算、并行计算、效用计算、平台即服务、软件即服务、基础设施即服务等概念综合演进的结果。云计算的概念现在还没有统一的定论，不同的人对云计算的定义和理解也不相同。

云计算专家刘鹏认为：云计算是一种商业模型，它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使用户能够按需获取计算力、存储空间和信息服务[4]。他认为，云计算的概念和网格计算的概念非常类似，因为它们的核心理念都是资源池，即将计算和存储资源虚拟成为一个可以任意组合和动态分配的集合，且资源池的规模可以动态扩展，分

基于云计算的GIS应用模式研究 

配给用户的处理能力还可以动态回收重用。

IBM认为：云计算是一种计算模式，在这种模式中，应用、数据和IT资源以服务的方式通过网络提供给用户使用。云计算是一种基础架构管理的方法论，大量的计算资源组成IT资源池，用于动态创建高度虚拟化的资源方式提供给用户使用。在云计算模式下，计算工作由位于互联网中的计算资源来完成，用户只需要连入互联网，借助轻量级客户端，例如手机、浏览器，就可以完成各种计算任务，包括程序开发、科学计算、软件使用乃至应用的托管。提供这些计算能力的资源对用户是不可见的，用户无需关心资源如何部署或维护，因此，这些资源被比喻为“云”。“云”就像是一个发电厂，只是它提供的不是电力，而是计算机的计算、应用和管理能力。只要通过网络连接，并得到授权，就可以使用这些能力和资源[5]。

图2-2 IBM云计算模型[5]

维基百科给云计算下的定义为：云计算是将IT能力以服务的方式提供给用户，允许用户在不了解提供服务的技术、没有相关知识以及设备操作能力的情况下，通过

Intemet获取需要的服务[6]。云计算有狭义云计算和广义云计算之分。狭义的云计算指的是厂商通过分布式计算和虚拟化技术搭建数据中心或超级计算机，以免费或按需租用方式向技术开发者或者企业客户提供数据存储、分析以及科学计算等服务，比如亚马逊数据仓库出租服务。广义的云计算指厂商通过建立网络服务器集群，向各种不同类型客户提供在线软件服务、硬件租借、数据存储、计算分析等不同类型的服务。

陈国良院士等把云计算作为并行计算的新发展方向，并给出了如下定义：云计算是指基于当前已相对成熟与稳定的互联网的新型计算模式。即把原本存储于个人电脑、移动设备等个人设备上的大量信息集中在一起，在强大的服务器端协同工作。它是一种新

第2章 云GIS基础

兴的共享计算资源的方法，能够将巨大的系统连接在一起以提供各种计算服务[7]。

加州大学伯克利分校（university ofcalifornia at berkeley）的Michael Armbmst等给云计算的定义为：云计算是包括互联网上各种服务形式的应用以及这些服务所依托数据中心的软硬件设施。这些应用服务一直被称作软件即服务(SaaS)，而数据中心的软硬件设施就是所谓的云。云计算就是SaaS和效用计算。以即用即付的方式提供给公众的云称为公共云，而不对公众开放的组织内部数据中心的资源称为私有云[8]。

在研究了上面大量的关于云计算的定义之后，本文认为：云计算是在分布式计算，网格计算，效用计算基础上发展起来的，是一种通过网络提供服务的计算模式。云计算能为用户提供无限计算资源的网络服务，是应用服务按需定制、易于扩展的软件架构。云计算中的“云”主要是指网络，云计算中的计算指的是“分布式计算”。云计算中的“云”有狭义和广义之分，“狭义云”是要提供不同的计算资源，“广义云”是要提供服务。“云计算”和“云”是有区别的，“云”是通过网络提供服务。而“云计算”是将多方面提供的功能，按新的需求进行组合，进行搭建的计算模式。一般是指构建云计算平台所用的分布式文件系统（Hadoop Distributed File System，HDFS），映射化简编程模型（MapReduce）和分布式数据库（HBSE）技术。

2.1.2云计算技术分类 

云计算是在分布式计算、并行计算、网格计算、效用计算、软件即服务、SOA、虚拟化、服务器集群等概念上发展起来的。同时云计算又运用了许多技术，其中以编程模型、数据管理技术、数据存储技术、虚拟化技术、云计算平台管理技术最为关键。

云计算中包含的概念：

分布式计算：分布式计算是在一个松散或严格约束条件下，使用一个硬件软件系统来处理任务。这个系统包含多个处理器单元或存储单元、多个并发过程，一个程序被分为多个部分，同时在通过网络连接起来的计算机上运行。

网格计算：网格计算是指分布式计算中两类比较广泛使用的子类型。一类是：在分布式的计算资源支持下作为服务被提供的在线计算或存储。另一类是：一个松散连接的计算机网络构成的一个虚拟的超级计算机，可以用来支持大规模数据任务。

服务器集群：服务器集群是将一组服务器连接起来，使他们在外界看来如同一台服务器，集群内的服务器之间通常通过局域网连接，服务器集群通常用来改善服务的性能和可用性。

 9

基于云计算的GIS应用模式研究 

虚拟化：虚拟化是对计算资源进行抽象的一个广义概念，虚拟化对上层应用或用户隐藏了计算资源的底层属性，它既包括使单个资源划分为多个虚拟资源，也包括将多个资源整合为一个虚拟资源。虚拟化技术可分为：存储虚拟化、计算虚拟化、网络虚拟化等，计算虚拟化可分为操作系统虚拟化、应用程序和虚拟机管理器。

效用计算：效用计算是一种提供计算资源的商业模式，用户从计算资源供应商获取和使用计算资源并基于实际使用的资源付费。简单说，是一种基于资源使用量的付费模式，计算资源按照需要提供给用户使用。

云计算包含的主要技术：

（1）Map Reduce编程模型

Map Reduce是Google开发的java、Python、C++编程模型，它是一种简化的分布式编程模型和高效的任务调度模型，用于大规模数据集（大于1TB）的并行运算。Map Reduce编程模型使云计算环境下的编程十分简单。Map Reduce模式的思想是将要执行的问题分解成Map(映射)和Reduce(化简)的方式，先通过Map程序将数据切割成不相关的区块，分配（调度）给大量计算机处理，达到分布式运算的效果，再通过Reduce程序将结果汇整输出。

图 2-3MapReduce编程模型

（2）海量数据分布存储技术

云计算系统由大量服务器组成，同时为大量用户服务，云计算系统采用分布式存储的方式存储数据，用冗余存储的方式保证数据的可靠性。云计算系统中广泛使用的数据存储系统是Google的GFS和Hadoop团队开发的GFS的开源实现HDFS。

第2章 云GIS基础

GFS即Google文件系统（Google File System），是一个可扩展的分布式文件系统，用于大型的、分布式的、对大量数据进行访问的应用。GFS的设计思想不同于传统的文件系统，是针对大规模数据处理和Google应用特性而设计的。它运行于廉价的普通硬件上，但可以提供容错功能。它可以给大量的用户提供总体性能较高的服务。一个GFS集群由一个主服务器（master）和大量的块服务器(chunk server)构成，并被许多客户（Client）访问。主服务器存储文件系统的元数据，包括名字空间、访问控制信息、从文件到块的映射以及块的当前位置。

（3）海量数据管理技术

云计算需要对分布的、海量的数据进行处理、分析，因此，数据管理技术必需能够高效的管理大量的数据。云计算系统中的数据管理技术主要是Google的BT（Big Table）数据管理技术和Hadoop团队开发的开源数据管理模块HBase。

BT是建立在GF、Scheduler、 Lock Service和MapReduce之上的一个大型的分布式数据库，与传统的关系数据库不同，它把所有数据都作为对象来处理，形成一个巨大的表格，用来分布存储大规模结构化数据。

Google的很多项目使用BT来存储数据，包括网页查询，Google earth和Google金融。这些应用程序对BT的要求各不相同：数据大小（从URL到网页到卫星图象）不同，反应速度不同（从后端的大批处理到实时数据服务）。对于不同的要求，BT都成功的提供了灵活高效的服务。 

2.2GIS技术 

2.2.1GIS概念 

地理信息系统（GIS）是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。是由计算机系统、地理数据、和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府各部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理提供决策服务[9]。

地理信息系统又称为“地学信息系统”或者“资源和环境信息系统”[10]。它是一种非常重要的空间信息系统。它是在有关学科的支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和应用的技术系统；是一门挖

 11

基于云计算的GIS应用模式研究 

掘空间与动态的地理信息、模拟有关地理现象与地表过程，为人们认知、管理和利用地理空间信息资源的系统理论和方法的一种交叉学科。

2.2.2GIS构成 

GIS是一种很特殊的，关于地理空间位置计算机系统。地理信息系统包含三个部分：计算机系统、地理数据库系统、应用人员与组织机构。计算机系统又可分为硬件系统、软件系统。地理信息系统的硬件系统包括执行程序的中央处理器，保存数据和程序的存储设备，用于数据输入、显示和输出的外围设备等。地理信息系统的软件系统由核心软件和应用软件组成。其中核心软件包括数据处理、管理、地图显示和空间分析等部分。但在不同时间段内人们对GIS的组成和认识也不尽相同，纵观GIS组成演变如下表： 阶段 GIS系统构成

早期 GIS=计算机硬件+计算机软件+地理数

据

中期 GIS=计算机硬件+软件+数据+人+管理

过程

近期 GIS=硬件+软件+数据+人件+过程+网

络

                                 表2‐4 GIS组成部分[11]

 特点 从技术角度定义GIS 增添人员和管理要素 突出网络的重要性 从上图我们可知，网络在GIS中的作用正在加强，网络扩大了GIS的重要性，使GIS变得更加普及。网络使更多的GIS协作，具有广泛的分布性，有更多人参与，且更加开放。 

2.2.3GIS发展  

GIS是一种采集、处理、分析、应用地理信息的计算机系统。它的发展与计算机技术的发展密切相关。 每一次计算模式的变迁，都会给GIS带来颠覆性的影响，从单机计算、分布式计算、并行计算、网格计算以及到现在的云计算，随着计算技术的不断进步，GIS突破了原来计算模式的制约，把数据和服务迁移到了云端，实现了云GIS服务。

（1）单机计算模式下GIS

 1946年世界上第一台电脑ENIAC，在美国宾夕法尼亚大学诞生。此后，陆续发明了晶体管计算机、集成电路计算机和微处理器[12]。在计算机诞生的初期阶段里，计算机系统高度集中，一台计算机只能有一个用户使用。计算机彼此之间互相独立，执行计算任务时，都是采用单机集中计算的模式。在这种单机的计算模式下，彼此计算机之间不

第2章 云GIS基础

能进行通信，一台计算机只负责本机的计算。

在这种单机计算模式的指引下，计算机在20世纪50年代末到60年代初，开始用来进行空间数据的存储与管理。这个时期的计算机主要是用来辅助地图制图，有很强的机助制图色彩。GIS模式由计算机主机和外围设备构成，主机是GIS的核心，终端外围设备负责数据的采集和输入。随着计算技术的进步，出现了操作系统。操作系统是一种用户和计算机进行交互的界面，它为GIS的应用提供了平台。 Unix操作系统的出现，加速了GIS的发展。但在单机计算模式下，GIS不同机子上的用户，不能进行通信，GIS的空间分析功能只能在单机上进行。

GIS数据和应用程序位于同一台机子上，一般采用数据库来管理地理属性数据，文件来管理空间数据，开发方式基本上都是从底层开始。单机GIS模式，优点是结构高度集中，系统效率安全性较高。缺点是系统封闭性较强，地理数据主要来源于纸质地图数字化，不同类型的GIS系统数据格式差异较大，共享困难。受单机计算模式的制约，主机负担过重，GIS各项功能受到限制。

（2）分布式计算模式下GIS

随着计算机技术的发展，计算机网络通信技术应用范围不断的扩大，出现了分布式计算。所谓分布式计算，就是借助计算机网络将分布在不同地点的计算实体（进程、对象或构件等）组织在一起，进行信息综合处理的一种计算方式[13]。在分布式计算模式下数据和应用程序不必放在一起，它打破了单机计算模式的封闭性，使一个任务处理可以在相同或者不同的计算机平台上进行，通过网络协议协作完成计算任务，从而保证了计算均衡。

在分布式计算技术的影响下出现了分布式GIS。在分布式计算条件下，分布式GIS经历了四个阶段。分别是基于COM／DCOM的分布式GIS，基于COBRA的分布式GIS，基于J2EE／EJB的分布式GIS，和基于Web Service的分布式GIS。

在分布式GIS条件下，地理数据和程序可以不分配在同一台计算机上，可以分散到多个计算机上。分布式计算在整个计算机系统上进行分配与优化，克服了单机计算系统导致的中心主机资源紧张与响应瓶颈的缺陷，解决了GIS中存在的空间数据异构性、数据共享困难、运算极为复杂等问题，是GIS技术的一大进步[14]。分布式计算在解决地理空间数据、计算机软硬件等资源在共享和远程互操作困难方面找到了有效途径。在分布式计算条件下，地理数据实现了分布式存储，分布式查询。最初的分布式GIS是基于客

 13

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lixi.html