周俊祥，杜 飛

（商丘師范學(xué)院，河南 商丘 476000）

一種有關(guān)圖像處理的基于網(wǎng)格的數(shù)字城市框架

周俊祥1，杜 飛2

（商丘師范學(xué)院，河南 商丘 476000）

基于C/S或B/S模式的數(shù)字城市系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足時(shí)代的要求,網(wǎng)格技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用為數(shù)字城市的構(gòu)建帶來(lái)了新的解決思路。本文通過(guò)分析數(shù)字城市的特點(diǎn)和數(shù)字城市面臨的問(wèn)題，結(jié)合網(wǎng)格應(yīng)用開發(fā)技術(shù)，提出了一種有關(guān)圖像處理的數(shù)字城市框架。

數(shù)字地球；數(shù)字城市；網(wǎng)格;圖像

當(dāng)今中國(guó)的大城市病已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，交通擁擠、資源緊缺、城市居民生活質(zhì)量下降等問(wèn)題在困擾著城市的進(jìn)步。近年來(lái)我國(guó)大城市的建設(shè)和改造步伐加快，城市圈開始在我國(guó)部分地區(qū)出現(xiàn)，而許多特大城市也開始著手興建“衛(wèi)星城”，希望能解決大城市病的諸多問(wèn)題。但是，實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)展“衛(wèi)星城”很多的時(shí)候卻是使城市更加“臃腫”，“城市病”的現(xiàn)象更加突出。城市建設(shè)日新月異，資源短缺和環(huán)境脆弱約束下的快速城市化進(jìn)程，對(duì)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理與服務(wù)，提出前所未有的挑戰(zhàn)。

“數(shù)字城市”的核心是最大限度地利用城市資源，在城市管理和輔助政府決策方面，實(shí)現(xiàn)工作流程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、軟件化和網(wǎng)絡(luò)化，提高城市管理部門的工作效率和辦事透明度，使政府的管理和為社會(huì)服務(wù)從定性化走向定量化，并將其建立在先進(jìn)的技術(shù)支撐和可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，為城市管理和發(fā)展提供及時(shí)和充分的科學(xué)依據(jù)。“數(shù)字地球”的概念能夠?yàn)槿找鎳?yán)峻的環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害治理、自然資源保護(hù)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展以及提高人類生活質(zhì)量等方面的問(wèn)題帶來(lái)更為全面而有效的思維模式和解決途徑。

數(shù)字城市是數(shù)字地球的重要組成部分,全球信息化的基本單元,是一個(gè)跨越了多學(xué)科和領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)。它涉及了遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、元數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、圖形圖像技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。

數(shù)字城市是信息時(shí)代城市建設(shè)與管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化和智能化的綜合體。目前數(shù)字城市得到了很大的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外的不少城市已建起自己的“數(shù)字城市”。但在數(shù)字城市發(fā)展的同時(shí),也遇到了一些傳統(tǒng)的數(shù)字城市技術(shù)不能很好解決的問(wèn)題。譬如，在數(shù)字城市中，虛擬現(xiàn)實(shí)城市地理信息系統(tǒng)（VRUGIS）的主要目標(biāo)是通過(guò)采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市景觀建模和城市環(huán)境變量的可視化來(lái)建立人機(jī)和諧的虛擬城市。目前制約VRUGIS發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一是實(shí)時(shí)場(chǎng)景渲染問(wèn)題。由于用戶與VRUGIS的交互方式是沉浸式的，為了消除場(chǎng)景的閃爍感和交互時(shí)場(chǎng)景變化的滯后感，通常要求場(chǎng)景刷新率比較高，即場(chǎng)景渲染實(shí)時(shí)性強(qiáng)。由于場(chǎng)景渲染涉及大規(guī)模的三角形繪制過(guò)程，這種圖形繪制過(guò)程是非常消耗計(jì)算資源的，因此需要配備超級(jí)圖形工作站，但這種工作站價(jià)格非常高。

本文提出了一種基于網(wǎng)格的高性能數(shù)字城市應(yīng)用系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，為解決數(shù)字城市所面臨的難題提供了可能。文中重點(diǎn)針對(duì)3個(gè)方面進(jìn)行討論：（1）數(shù)字城市相關(guān)領(lǐng)域中網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用；（2）總體框架和圖像處理服務(wù);（3）總結(jié)。

一、數(shù)字城市相關(guān)領(lǐng)域中網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用

網(wǎng)格被看成是繼傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、Web之后的第三大浪潮，可以稱之為第三代互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。傳統(tǒng)因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)硬件的聯(lián)通，萬(wàn)維網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁(yè)的聯(lián)通，而網(wǎng)格試圖實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全面聯(lián)通，包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識(shí)資源等等，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境上的資源共享和協(xié)同工作，消除信息孤島和資源孤島。網(wǎng)格計(jì)算主要可以分為計(jì)算網(wǎng)格、信息網(wǎng)格與知識(shí)網(wǎng)格3個(gè)層次，網(wǎng)格技術(shù)研究工作主要涉及網(wǎng)格計(jì)算、信息網(wǎng)格和網(wǎng)格服務(wù)等方面。

數(shù)字城市是指信息化的城市，是信息時(shí)代實(shí)體城市向虛擬城市的自然進(jìn)化。由于數(shù)字城市中許多領(lǐng)域都是數(shù)據(jù)密集、計(jì)算密集或訪問(wèn)密集的，如專業(yè)仿真型城市地理信息系統(tǒng)通常是數(shù)據(jù)密集加計(jì)算密集的；城市遙感影像實(shí)時(shí)（Real-Time）處理也是數(shù)據(jù)密集加計(jì)算密集的；分布式虛擬現(xiàn)實(shí)城市地理信息系統(tǒng)和空間信息應(yīng)用服務(wù)則是數(shù)據(jù)密集加計(jì)算密集再加訪問(wèn)密集，因此網(wǎng)格計(jì)算對(duì)數(shù)字城市諸多領(lǐng)域都將產(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的影響。

在國(guó)外,有一些機(jī)構(gòu)和組織正在研究網(wǎng)格技術(shù)在空間數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用,最著名的是Earth System Grid(ESG),由美國(guó)能源部發(fā)起,使用Globus ToolKit和其他一些網(wǎng)格技術(shù),實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能對(duì)遠(yuǎn)程氣候數(shù)據(jù)的交互分析原型系統(tǒng)。研究人員已經(jīng)在天氣預(yù)報(bào)、高能物理實(shí)驗(yàn)、航空器研究等領(lǐng)域，開發(fā)了一些基于Globus網(wǎng)格計(jì)算的應(yīng)用程序,效果較好。雖然這些應(yīng)用仍屬試驗(yàn)性質(zhì),但它至少表明,網(wǎng)格計(jì)算可以勝任不少用超級(jí)計(jì)算機(jī)難以勝任的大型應(yīng)用任務(wù)。另外，歐空局ESA的對(duì)地觀測(cè)開發(fā)式網(wǎng)格服務(wù)研究計(jì)劃目標(biāo)是提供一種環(huán)境，使得用戶可以發(fā)現(xiàn)和得到他們感興趣區(qū)域的空間數(shù)據(jù)，不論這些數(shù)據(jù)在全球的任何數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的遷移，利用網(wǎng)格上的成千上萬(wàn)的處理資源進(jìn)行快速處理。

二、總體框架和圖像處理服務(wù)

1.部署在網(wǎng)格環(huán)境下的總體框架

該框架主要由數(shù)字城市應(yīng)用可視化、應(yīng)用構(gòu)建和計(jì)算、作業(yè)提交三大模塊組成。數(shù)字城市應(yīng)用可視化模塊讀取多種類型的數(shù)據(jù)文件并根據(jù)需要以不同模式顯示應(yīng)用；應(yīng)用構(gòu)建模塊完成添加新場(chǎng)景數(shù)據(jù)模塊或歷史數(shù)據(jù)，修改應(yīng)用參數(shù)信息構(gòu)建新應(yīng)用的功能；作業(yè)提交模塊通過(guò)網(wǎng)格中間件將計(jì)算任務(wù)分配給遠(yuǎn)程高性能計(jì)算機(jī)，并可隨時(shí)查詢作業(yè)運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)體系結(jié)構(gòu)部署在網(wǎng)格中，用戶通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)字城市應(yīng)用可視化和應(yīng)用構(gòu)建，并通過(guò)網(wǎng)格中間件提交計(jì)算作業(yè)到遠(yuǎn)程高性能計(jì)算機(jī)完成計(jì)算任務(wù)，計(jì)算完成后下載計(jì)算結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析處理。界面是用戶和網(wǎng)格資源間的接口，用戶不關(guān)心作業(yè)是如何提交到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，哪臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，只需指出計(jì)算要求和計(jì)算參數(shù)即可。

2.基于網(wǎng)格的數(shù)字城市應(yīng)用框架

數(shù)字城市的應(yīng)用,對(duì)城市的繁榮穩(wěn)定及可持續(xù)發(fā)展起著不可忽視的作用。數(shù)字城市應(yīng)用可視化日漸成為一個(gè)越來(lái)越重要的研究課題，可視化技術(shù)是數(shù)字城市中的關(guān)鍵技術(shù)。

2008年春運(yùn)期間因暴雪引起了通訊、交通癱瘓，汶川地震中的應(yīng)急處理上捉襟見肘等這些關(guān)系社會(huì)經(jīng)濟(jì)和群眾生命安全的問(wèn)題，如果有數(shù)字城市的輔助將會(huì)迎刃而解。眼下已經(jīng)開發(fā)出了很多數(shù)字城市或數(shù)字地球可視化軟件如 Google Earth、World Wind、StreetView、Virtual Earth等，這些軟件具有很好的性能，但還都只是局限于顯示城市的地圖或三維建筑模型，雖然運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，但在性能和功能方面還有不少待改進(jìn)之處。

3.框架下的圖像處理計(jì)算

基于圖像處理可以完成城市場(chǎng)景的三維模型重構(gòu)和各種目標(biāo)物體的識(shí)別任務(wù)，在數(shù)字城市應(yīng)用中圖像處理任務(wù)很重。當(dāng)氣象部門要求獲得某個(gè)時(shí)間的城市上空云圖分布數(shù)據(jù)、交通部門要求獲得某個(gè)時(shí)間的城市交通流量分布數(shù)據(jù)、環(huán)保部門要求獲得某個(gè)時(shí)間的城市環(huán)境污染情況數(shù)據(jù)、公安部門要求獲得某個(gè)時(shí)間的突發(fā)事件事態(tài)情況數(shù)據(jù)等這些情況下，都要求對(duì)海量城市衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。但是，圖像處理需要大量的CPU資源，所以，我們需要一個(gè)高性能的并行圖像處理服務(wù)引擎。該引擎主要由命令解析器和并行圖像處理器兩個(gè)功能模塊構(gòu)成。其中，命令解析器負(fù)責(zé)解析任務(wù)所調(diào)用圖像處理模塊和相關(guān)的調(diào)用參數(shù)，并組合形成圖像處理作業(yè)鏈；并行圖像處理器負(fù)責(zé)完成各種圖像處理功能，包括邊緣處理、光譜分析、高程處理、灰度處理、向量化處理、頻率分析、過(guò)濾處理、融合處理。有了這個(gè)引擎，我們就能隨時(shí)輸入需要處理的圖像數(shù)據(jù)，并能及時(shí)精確地得到并行計(jì)算結(jié)果。

建設(shè)“數(shù)字城市”的嘗試,在國(guó)外許多城市都在緊鑼密鼓地進(jìn)行籌劃。數(shù)字城市是21世紀(jì)城市發(fā)展與建設(shè)的新主題，也是提高城市綜合競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和人民生活水平提高的新動(dòng)力，也是信息化社會(huì)發(fā)展的必然選擇。現(xiàn)在我們有城市668個(gè),相信它們?cè)诓痪玫膶?lái)都將建立各自的“數(shù)字城市”。而隨著城市化進(jìn)程的加快,城市還在不斷地增加,所以用于“數(shù)字城市”建設(shè)的投入將是十分可觀的。就世界范圍來(lái)看,“數(shù)字城市”的研究目前仍處于探索試驗(yàn)階段，這就要求我們對(duì)“數(shù)字城市”要有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)，盡量選用成熟技術(shù)，堅(jiān)決杜絕不必要的在建設(shè)“數(shù)字城市”上的浪費(fèi)，做到事半功倍。

［1］曹蕾.數(shù)字城市基本框架及關(guān)鍵技術(shù)［J］.交通科技與經(jīng)濟(jì)，2009，（2）.

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