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1、基于云计算的物联网与GIS集成应用初探摘要：在阐述了云计算、物联网和GIS三者概念的前提下，分析了三者之间的特征、应用需求，同时进一步挖掘了三者之间的融合点，初步设想了基于云计算的物联网与GIS集成应用的设计思路。关键词：云计算；物联网；GIS；思路0引言中国网格计算、云计算专家刘鹏给出的定义：“云计算将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务”。基本原理是，通过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交给由多部服务器所组成的庞大系统，经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。物联网是通过射频识别( RFID) 、红外
2、感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。通俗而言，物联网即是将各种设备通过植入的传感器或是其他感应设备连接到互联网上，将物理基础设施和 IT 基础设施连接到一起，实现物与物相连、物与人相联的互联网1。地理信息系统是一项以计算机为基础，为解决资源与环境等全球性问题而发展起来的新兴技术，围绕着这门技术的研究，开发和应用形成了一门关于计算机科学、地理学、测量学、地图学等多门学科交叉的边缘学科，其核心科学是计算机科学，基本技术是数据库、地图可视化和空间分析。一般是从以下四个方面定义
3、：面向功能；面向应用；工具箱；数据库。总体说来：它是以采集、存储、管理、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统。以地理空间数据库为基础，在计算机硬件和软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的一类计算机应用系统2。1云计算与物联网1.1云计算及其特征云计算是由分布式计算、并行处理、网格计算发展而来，一种新兴基于互联网的商业计算模型。利用高速互联网的传输能力，将数据的处理过程从个人计算机或服务器移到互联网上的服务器集群中3。可见，云计算
4、有以下主要特征：1）云计算必然是基于网络的 网络是云计算的必要不充分条件。如集群计算虽然也是基于网络的计算模式，但还不能称之为云计算。 2）支持异构基础资源云计算可以构建在不同的基础平台之上，即可以有效兼容各种不同种类的硬件和软件基础资源。硬件基础资源主要包括网络环境下的三大类设备，即：计算（服务器）、存储（存储设备）和网络（交换机、路由器等设备）；软件基础资源则包括操作系统、中间件、数据库等。从横向维度考虑，支持异构资源，意味着在同一时期内，可以采购不同厂商的软硬件。对云计算平台的构建者而言，这种形式更为灵活；而从纵向维度考虑，意味着云计算平台既可以兼容当下采购的新设备，也可以兼容以前的老设
5、备，既可以兼容当前的新系统，也可以兼容以前遗留的老系统。支持异构的基础资源这一特性，在有效利用老资源的同时，也保证了新老资源的平滑过渡。 3）支持资源动态伸缩和流转 支持资源动态伸缩，实现基础资源的网络冗余，意味着添加、删除、修改云计算环境的任一资源节点，亦或任一资源节点异常宕机，都不会导致云环境中的各类业务的中断，也不会导致用户数据的丢失。而资源动态流转，则意味着在云计算平台下实现资源调度机制，资源可以流转到需要的地方。4）支持异构多任务体系在云计算平台上，可以同时运行多个不同类型的任务。异构，表示该任务不是同一的，不是已有的或事先定义好的，而应该是用户可以自己创建并定义的服务。5）支持海量
6、信息处理云计算，在底层，需要面对各类众多的基础软硬件资源；在上层，需要能够同时支持各类众多的异构的业务；而具体到某一业务，往往也需要面对大量的用户。由此，云计算必然需要面对海量信息交互，需要有高效、稳定的海量数据传输-存储系统作支撑。6）按需分配，按量计费按需分配，是云计算平台支持资源动态流转的外部特征表现。云计算平台通过虚拟分拆技术，可以实现计算资源的可度量化，可以提供小到一台计算机，多到一千台计算机的计算能力。按量计费起源于效用计算，在云计算平台实现按需分配后，按量计费也成为云计算平台向外提供服务时的有效收费形式。1.2物联网及其特征物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物
7、、物与物全面互联的网络，其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。可见，物联网有以下主要特征：1）把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物质实体中。2）将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。3）存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制。4）人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高
8、资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。1.3云计算与物联网的融合物联网现阶段主要的表现形式是M2M形式。M2M是将通信模块植入机器，将机器连入网络。M2M形式如图1所示。图1 M2M形式随着技术进步、社会发展、应用范围服务扩展，物联网发展趋势如图2所示。是将传感器植入物体实体内，之后将物体实体介入网络。图2 物联网发展趋势而云计算作为新兴的计算的技术模式，可以从两个方面4促进物联网的实现。1） 云计算是实现物联网的核心。 运用云计算模式，使物联网中以兆计的各类物品的实时动态管理， 智能分析变得可能。 物联网通过将射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术等新技术充分运用在各行各业之
9、中， 将各种物体充分连接， 并通过无线等网络将采集到的各种实时动态信息送达计算处理中心，进行汇总、分析和处理。 建设物联网的三大基石包括：传感器等电子元器件；传输的通道、比如电信网；高效地、动态的、可以大规模扩展的技术资源处理能力。 其中，第三个基石：“高效地、动态的、可以大规模扩展的计算处理能力”，正是通过云计算模式实现。2）云计算促进物联网和互联网的智能融合。 物联网和互联网的融合，需要更高层次的整合，需要“更透彻的感知，更全面的互联互通，更深入的智能化”。 这同样也需要依靠高效的、动态的、可以大规模扩展的计算机资源处理能力，而这正是云计算模式所擅长的。 同时，云计算的创新型服务交付模式，
10、简化服务的交付，加强物联网和互联网之间及其内部的互联互通，可以实现新商业模式的快速创新，促进物联网和互联网的智能融合。3云计算与GIS3.1 GIS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5。GIS 的应用，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，还需进一步对 GIS 系统可靠性等方面提出了更高
11、的要求。根据已有的研究6-8，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。根据上述分析，云计算能够应用于GIS，为G
12、IS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9。3.2云GIS云GIS是指以云计算理论和技术作为指导，以网络为中心的地理信息系统。云GIS通过互联网以Web服务的形式提供空间数据存取与交换服务、空间信息查询服务、空间信息分析服务以及空间信息应用接口服务，能实现分布式跨平台的空间数据集成，为用户提供分布式协同信息处理和按需服务。云GIS是 WebGIS、网格 GIS、分布式GIS的一种集合和扩展，它支持WebGIS、网格GIS、分布式 GIS 等技术标准，是在这些技术基础上融合商业云计算平台发展起来的技术。“以 GIS 为基本服务对象，通过互联网络连接数量众多的服
13、务器形成 GIS云；按照 GIS 的应用需求进行云资源的动态部署和配置；通过云资源的虚拟化，向上层提供应用服务。云计算以 GIS基础服务设施为服务支撑平台，以 GIS 基础信息数据和 GIS 应用程序为应用支撑平台10”，如图3所示。图3 云GIS模型3.3云GIS优势利用云计算技术，GIS 的各种功能将以网络服务的方式向用户提供。用户购买自己需要的 GIS 服务，可以按需付费，云 GIS 提供的服务是“即拿即用”在线式的，云 GIS系统的维护和升级有 GIS 服务提供商负责，用户使用和维护 GIS 的难度将大大降低。采用云计算技术，可以集中统一的管理 GIS 云数据，可以通过共享的方式为所有
14、的客户端提供数据服务，使用者无需关注数据如何采集，更新或维护，也无需购买数据，需要时间采用公共 GIS 云服务，只需按流量的方式付费，大大节省成本。通过现有的云计算平台，GIS 企业可以租用他们的硬件服务，利用其基础设施，将数据或服务部署在他们提供的云平台上，面对用户需求的不断变化时，只需动态、弹性地增加或移除硬件设备就可以应对。用户还可以使用 Mashup 等技术，把不同的 GIS 云服务进行融合，构建新的云 GIS应用。对于企业级网络 GIS 用户来说，他们采用云计算技术，可以大大简化 GIS 服务器的部署流程，减少复杂的服务器管理，他们可以通过增加或减少 GIS Server 进程的数量
15、来快速满足不同的负载需求，不需要投资新硬件，节约资本。云计算的出现将使桌面 GIS 和移动GIS有机的结合在一起，功能互补。基于位置云的服务将给人们带来更多的便利。云 GIS 可以降低构建 GIS 的成本。GIS 和将和云计算的各项技术结合的日益紧密，这种结合引发了 GIS 本身的变革和提升。云GIS 将提供一种稳定、高效、低成本的支撑架构，使 GIS 彻底突破既有的“专业圈子”，将空间信息的服务和增值带给大众，带给以往没有实力自己从头到尾搭建自己的 GIS 应用平台的中小企业乃至于个体经营者新的机遇，从而实现 GIS 自身的革命性突破，极大地扩张其市场规模11-12。4物联网与GIS物联网技
16、术的核心和基础仍然是互联网技术，是在互联网技术基础上的延伸和扩展的一种网络技术，它是要通过网络及各类感应设备来实现物与物、物与人之间的信息交换和通讯。GIS 与空间地理位置密切相关，其与物联网的联系，可以从与位置相关的信息作为切入点，如基于位置的服务( LBS) 。基于 GIS，GPS，GPRS，Internet 集成应用的车辆-人员定位系统，可视为物联网的一个应用雏形，如基于车辆与人员定位的“车辆-人员定位追踪系统”，它是通过带GPS定位传感设备来实现位置定位，并通过GPRS/GSM通信网络，利用互联网，把位置信息传回到定位监控平台，从而实现对车辆的追踪与定位，并利用其通信协议，实现对 GP
17、S 定位传感设备的控制，这就是一个物联网与GIS的初步应用。随着RFID技术的发展，物联网与地理信息的结合越来越紧密。采用物联网技术，把各类感应设备嵌入和装备到与空间地理位置相关的城市部件( 摄像头、路灯、电杆等) 、建筑物、铁路、桥梁、隧道、公路、大坝、管道( 石油、给排水) 、电网等各种设施中，利用互联网及 GPRS 通信网络，再结合地理信息可视化及信息集成方式，把此类与空间位置相关的感应设备在电子地图上，实现物联网与地理信息的集成与整合，建立可视化的基于GIS的物联网原型系统。由此可见，GIS已成为物联网的一个重要组成及表现部分。5基于云计算的物联网与GIS的集成设计思路基于云计算的物联
18、网与GIS原型系统是把 GIS，GPS，RFID，通信网络( GPRS/3G) ，互联网，数据库等多种技术进行集成而建立的可视化信息服务系统。其基本思路是以空间基础地理信息为基础，把各类传感器设备的空间地理位置进行采集后，数据存储在“云”端，把传感器的位置与地理信息相结合，利用通信网络及互联网，按约定的协议进行信息交换和通讯，实现物联网实体在地理信息平台的可视化定位、跟踪、监控和管理。结合地理信息及物联网两者的特点，采用云模式，基于云计算的物联网与 GIS 集成系统由感知层、数据层、网络层、云层、应用层五部分构成，如图 4 所示。图4 系统模型其中，感知层由各类传感器组成，负责信息数据的采集工
19、作；数据层由基础空间地理数据和业务数据组成，空间数据是基础，业务数据可以根据行业需求与空间数据进行集成应用；网络层负责信息的传输，主要包括互联网、移动通信网络、企业内部网络及其他专网、卫星通信网、传感器网络等；云层集合了中间件，包括 Web 服务、数据服务、接口服务等云存储、云处理所涉及的软硬件基础资源，它是为各领域各行业的应用系统提供服务的；应用层即是在云层的基础上建立起来的各应用系统，它是根据统一的服务接口及服务方式与基于云计算的物联网与GIS原型系统进行整合与集成，在基于云计算的物联网与GIS集成系统的基础上，开发出满足其自身应用需求的行业应用系统。6总结物联网的应用非常广泛，大到国家信
20、息化建设、智能城市、智能交通，小到家庭及个人的具体应用，它与人们的生活日益密切相关，人们可以通过物联网可随时随地地全方位“感知”对方，人们的生活及工作方式必将会发生重大的变革。随着技术的不断突破，物联网的必然能得到深入而广泛的应用。在新兴的云计算模式下，GIS和物联网的智能集成，必然促进新型产业的兴起，同时对国家信息化产业的转型也有不可估量的推动。参考文献1 林富明,郝英,古一明等. 物联网与地理信息的集成研究J. 测绘与空间地理信息,2011.6,34(3):33-35.2 左鹏. 地理信息系统综述及其在农业中的应用J. 黑龙江科技信息,2008,(35):26. 3 张晓洲.云计算关键技术
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