云GIS开放性实验教学方案设计与实现

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摘要：针对新兴的云计算课程的实验教学过程中知识理解和综合运用脱节的问题，提出一种基于gis的开放性的云计算实验教学方案。通过提供搭建自主研发的遥感云GIS平台、基于平台的应用和算法的二次开发，将集群硬件、分布计算、空间大数据管理等关键技术在实验教学中体现出来，对学生掌握云计算的知识具有很大的帮助。

关键词：云计算;大数据;遥感;GIS;集群

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）44-0227-02

一、前言

社交网络、视频监控、智慧地球等应用的逐步普及，预示着真正进入一个大数据的时代，而云计算无疑是解决大数据的好方式。云计算提供可用、便捷、按需的网络访问，是传统分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化等计算机和网络技术发展融合的产物。

为了适应发展各大高校计算机专业也逐步开设了云计算的课程，但其教学的方式大多还处于基础的理论探讨和现有国外成熟系统的比较分析，使学生很难对云计算有一个直观、透彻的认识。急需要一个云计算的实验教学平台，从理论教学向实践教学转变，才能使学生拨开云计算的“神秘面纱”，走进内部剖析的关键技术。

二、选用遥感云GIS平台作为云计算的实验教学平台的优势

1.遥感云GIS是利用计算机技术对地球表面空间相关地理分布数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示的技术。其天然的海量数据的管理、计算，是云计算的良好的应用背景。

2.经过几十年的发展，已经有较为成功的遥感云计算平台，如google earth为代表的平台，将全球海量的遥感影像数据放在一个平台上，通过一个轻量级的客户端访问所有数据，能让学生更容易理解。

针对以上情况，本文设计一种开放性的云计算实验教学方案，采用以学生开发为主、教师启发指导为辅的实验教学模式，拓展学生的理论和实践能力。

三、遥感云计算平台系统架构

遥感云计算平台为了应对遥感海量数据存储和高吞吐量的计算的需求，采用“存储―计算”一体化的集群架构，整个集群采用星形拓扑结构，主服务器连接多个节点服务器。主服务器响应外部请求，管理元信息;节点服务器，存储数据和计算工具，避免计算过程中的大量数据迁移、方便性能和存储的扩展。

从逻辑结构上，采用自底向上、层层虚拟化的方式，分别构架资源引擎、数据引擎、计算引擎，最上层采用服务总线统一协调引擎工作并对外提供集群服务。

资源引擎：负责底层所有硬件资源的管理和通讯技术，提供集群文件并行读写的技术支持，使得硬件环境向上透明，上层引擎模块只需要关心逻辑节点，而不再关心硬件服务器。

数据引擎：管理集群内部的所有的遥感、GIS数据的元数据信息，并提供集群数据存储、读取、查询的各种接口，负责数据的迁移、备份、导入、导出等功能。

计算引擎：管理所有的计算工具，进行分布式计算任务的分配、管理等功能。

服务总线：响应来自外部的服务请求，将请求分解到资源、数据和计算，并协调运算，最后响应请求。

在这样的服务体系结构下提供多种遥感云GIS数据服务接口，同时提供二维、三维客户端、智能终端等多种类型的基础功能的客户端。行业应用的开发，只需要根据实际的业务需求在基本客户端的基础上调用数据服务接口进行二次开发，从而大大降低了实验过程中用于基础平台和客户端开发所用的时间。

四、遥感云GIS实验教学方案设计

遥感云GIS实验教学内容主要突出对云计算知识的综合运用能力的培养，通过基于该模拟的云计算平台的实验了解云计算的应用模式，并逐步掌握云计算的内部技术架构。实验包括自主服务搭建、平台服务接口二次开发、计算工具研发等三个方面的内容，从难度上具有一定的层次性，适合不同程度的学生实验。

（一）自主搭建服务

可在虚拟机环境下安装服务器程序，如图2从下到上逐层实现虚拟化，底层服务器节点是单个服务器主要用于存储数据及计算工具之上运行节点守护进程;往上通过四大引擎（资源、数据、计算、可视化）对底层节点实现虚拟化;最上层由主服务和可视化服务对四大引擎实现二次虚拟化，实现对外服务的统一接口;各种客户端通过主服务提供的http接口实现和服务端程序的交互。

学生通过自己动手安装全套遥感服务程序，了解轻量级遥感云服务工作模式，对云计算入门非常有帮助。

（二）平台服务二次开发

该平台的主要功能在于通过网络服务的方式提供基于遥感GIS的二次开发接口，在具体的应用中利用这些接口快速实现遥感服务应用，同时平台提供多种类型的客户端基础模型。

为学生设计多种遥感应用的案例，通过该云服务平台快速完成行业应用的解决方案。

1.林业应用。要求实现对林地区域的管理，以遥感影像作为底图，用矢量数据绘制出林木种类、林区所属等信息，并且在这个基础上实现林区属性数据的查询等功能。利用平台的开放遥感GIS服务接口能够较快速的实现遥感影像及矢量数据的叠加显示，并进行简单的矢量交互查询操作。

2.土地执法应用。通过对某一个区域的不同时间的影像对比，系统自动对变化区域进行提醒报警，方便执法人员主动到现场进行执法调查。该应用利用了调用平台的影像对比工具对指定的影像进行匹配比较，这就是应用了平台的计算服务接口。

3.数字校园应用。主要功能是展示校园的三维场景，在实验中学生自行用3dmax等工具设计学校的建筑物，并导入平台，设定模型的具置。利用平台提供的三维客户端展现在影像地图上的三维场景。该部分的实验主要通过云平台的应用，进一步了解云服务的应用模式，并且在实验开展过程中设计出更多的应用案例，此实验适合具有一定开发能力的学生。

（三）计算工具研发

平台本身除了提供丰富的遥感GIS计算工具之外，也对外开放工具开发接口。设计实验让学生在符合平台工具开发标准的基础上开发自己的处理工具，设计个性化、专业化的数据处理工具，这要求学生具有一定的专业知识，并具有较高的开发能力，对研究生的科研具有帮助。

五、结语

本文提出一种开放性的基于GIS的云计算实验教学方案，涵盖了集群硬件、网络分布计算、遥感GIS大数据存储等关键技术，是对云计算实验教学的一种探索与尝试。通过该实验方案能让学生直接感受到云计算的实际应用，同时激发学生对云计算的学习兴趣。

在近两年的教学过程中，学生基于该实验方案进行设计开发，师生普遍反映对学生云计算的入门和提高有很大的帮助。

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