陶祥亞　仲兆滿

智慧城市建設(shè)中應(yīng)用了大量的傳感器，空間維度的地理信息數(shù)據(jù)采集數(shù)量十分龐大，對(duì)這些數(shù)據(jù)快速處理成為智慧城市系統(tǒng)建設(shè)中的重要工作。本文在介紹影像地理信息處理技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)集群處理系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并結(jié)合像素工廠（PF）分析了集群處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程。

一、前言

智慧城市建設(shè)中物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的推廣和應(yīng)用必將產(chǎn)生大量的過(guò)程數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)不能完全適應(yīng)對(duì)海量地理影像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、處理、挖掘等計(jì)算要求，解決的技術(shù)將主要依靠集群計(jì)算、分布式計(jì)算與存儲(chǔ)、云計(jì)算與存儲(chǔ)等技術(shù)。對(duì)智慧城市建設(shè)中大數(shù)據(jù)采用何種影像地理信息處理技術(shù)，設(shè)計(jì)何種集群計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)，是智慧城市地理影像海量數(shù)據(jù)使用、管理和挖掘亟需解決的問(wèn)題。

二、我國(guó)智慧城市的建設(shè)模式及其選擇

（一）智慧城市的模式研究

我國(guó)智慧城市的建設(shè)受到很多因素的制約。每個(gè)城市都有其自身發(fā)展的優(yōu)勢(shì)也有其自身的先天不足，影響智慧城市建設(shè)的主要因素有經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、城市管理水平、創(chuàng)新水平、環(huán)境制約因素、地理區(qū)域、人口規(guī)模、基礎(chǔ)設(shè)施狀況等等的制約，這些因素直接決定著我國(guó)智慧城市建設(shè)個(gè)體應(yīng)當(dāng)選擇不同的模式。

1.經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的差異決定建設(shè)模式的不同。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的城市在推進(jìn)智慧城市的建設(shè)進(jìn)程中步子可以邁得更大一些，比如可采取“全面推進(jìn)的模式”；經(jīng)濟(jì)發(fā)展中等水平的城市在推進(jìn)智慧城市的建設(shè)進(jìn)程中應(yīng)根據(jù)自身財(cái)力的實(shí)際量力而為，步子不宜邁得過(guò)大，比如可采取“層層遞進(jìn)的模式”；經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較差的城市則不應(yīng)勉為其難，而應(yīng)“延緩”智慧城市的建設(shè)步伐。

智慧城市建設(shè)的步調(diào)和節(jié)奏將會(huì)直接影響付出的代價(jià)和投入。全面推進(jìn)智慧城市建設(shè)的代價(jià)是高昂的。由于建設(shè)智慧城市點(diǎn)多面廣，不僅規(guī)模大，而且人力、物力、財(cái)力以及管理成本耗費(fèi)巨大。而“層層遞進(jìn)的模式”則可以由點(diǎn)及面，首先重點(diǎn)攻克關(guān)鍵領(lǐng)域，進(jìn)行試點(diǎn)，以點(diǎn)帶面。這種模式遵循“先行先試”的原則，可以在建設(shè)中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)后期建設(shè)，如此可以少走彎路，進(jìn)而合理使用資金，降低投入風(fēng)險(xiǎn)。

2.從建設(shè)動(dòng)力上可分為“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型”和“投資拉動(dòng)型”。

“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型”的智慧城市建設(shè)要求技術(shù)含量高、持續(xù)性強(qiáng)，但是投入較大，收效緩慢；“投資拉動(dòng)型”的智慧城市建設(shè)具有速度快、帶動(dòng)性強(qiáng)，但是可持續(xù)性較差。

3.從建設(shè)主體的角度劃分，可以稱(chēng)之為“政府主導(dǎo)”的智慧城市建設(shè)和“市場(chǎng)主導(dǎo)”的智慧城市建設(shè)。

我國(guó)智慧城市建設(shè)的模式主要是以政府為主導(dǎo)，也就是說(shuō)政府搭臺(tái)，企業(yè)輔助。而發(fā)達(dá)國(guó)家則多以企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)為主導(dǎo)，推動(dòng)智慧城市的建設(shè)和管理。

（二）我國(guó)智慧城市建設(shè)的模式選擇

我國(guó)城市個(gè)體特征千差萬(wàn)別，智慧城市建設(shè)的模式?jīng)]有一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，也很難制定出千篇一律的標(biāo)準(zhǔn)。智慧城市的建設(shè)模式各有特點(diǎn)，沒(méi)有優(yōu)劣之分，是否適合城市個(gè)體是唯一橫向建設(shè)模式選擇的唯一標(biāo)準(zhǔn)。因此要結(jié)合城市個(gè)體的資源、特色，選擇適合自身發(fā)展需要的建設(shè)模式，突出城市的特色。

智慧城市建設(shè)是個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，不同的建設(shè)階段必然有其不同的個(gè)體特點(diǎn)，掌握自身特點(diǎn)及時(shí)調(diào)整建設(shè)模式是智慧城市建設(shè)的常態(tài)。比如，在政府主導(dǎo)的智慧城市建設(shè)過(guò)程中，如果企業(yè)或者科研機(jī)構(gòu)能夠提供技術(shù)和資金支持，完全可以轉(zhuǎn)化為企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)主導(dǎo)的建設(shè)模式。

三、智慧城市影像地理信息處理的技術(shù)方法

并行計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是智慧城市海量地理影像數(shù)據(jù)處理的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，而集群計(jì)算技術(shù)則是上述兩個(gè)技術(shù)在信息數(shù)據(jù)處理應(yīng)用系統(tǒng)中的技術(shù)核心。

（一）集群計(jì)算技術(shù)

集群（clustering）系統(tǒng)對(duì)用戶來(lái)說(shuō)單一的、高可用的單元，其使用的計(jì)算技術(shù)主要依靠多個(gè)工作站、多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備以及記憶冗余的互連線路來(lái)完成。集群系統(tǒng)其能夠被用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算資源的負(fù)載均衡，對(duì)于系統(tǒng)呈現(xiàn)層、應(yīng)用層用戶來(lái)說(shuō)，集群就是一個(gè)唯一的應(yīng)用系統(tǒng)。

1.集群計(jì)算技術(shù)分類(lèi)

集群計(jì)算技術(shù)可分為高性能計(jì)算集群技術(shù)（High-performance clusters）、高可用性集群（High Availability Cluster）和高可擴(kuò)展性集群技術(shù)。High-performance clusters是一種并行計(jì)算集群的實(shí)現(xiàn)方法，是以提高科學(xué)計(jì)算能力為目的計(jì)算集群技術(shù)；High Availability Cluster是指以盡量避免服務(wù)應(yīng)用設(shè)備出現(xiàn)死機(jī)狀態(tài)的服務(wù)器集群技術(shù)；高可擴(kuò)展性集群技術(shù)就是帶均衡算法或均衡策略定義域的服務(wù)器集群技術(shù)。

上述三種集群技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中相互交融，如High Availability Cluster可以在其計(jì)算設(shè)備間均分負(fù)載，也可以通過(guò)程序語(yǔ)句執(zhí)行并行應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)聯(lián)設(shè)備，還可以在計(jì)算設(shè)備之間均分負(fù)載，集群類(lèi)別的劃分只是一個(gè)相對(duì)的概念。

2.集群計(jì)算系統(tǒng)特點(diǎn)

第一，由于芯片處理器技術(shù)和高冗余算法變化，集群計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)用的微處理器更多，速度更快。

第二，集群內(nèi)計(jì)算單元通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在客戶端、存儲(chǔ)設(shè)備、處理節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通信實(shí)現(xiàn)高帶寬、小延遲，集群?jiǎn)卧哂懈玫臄U(kuò)展性。

第三，集群系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備往往是獨(dú)立的存儲(chǔ)過(guò)程和結(jié)果數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)設(shè)備冗余互不關(guān)聯(lián)，相對(duì)獨(dú)立，進(jìn)而使得集群系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高容錯(cuò)率和高安全性。

第四，集群系統(tǒng)內(nèi)計(jì)算節(jié)點(diǎn)軟硬件配置基本相同，使得集群計(jì)算處理系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和維護(hù)的便利性更容易。

（二）影像地理信息數(shù)據(jù)處理中的集群運(yùn)算

1.柵格地理信息數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及并行處理要求

地理信息數(shù)據(jù)中的網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（比如衛(wèi)星影像、航攝影像等柵格數(shù)據(jù)）通過(guò)把影像平面劃分為等份的正方形小方格簡(jiǎn)單直觀，通過(guò)自然實(shí)體所占據(jù)的柵格行列坐標(biāo)定義其位置和形狀。空間地物的分布呈現(xiàn)離散和不連續(xù)性，是通過(guò)規(guī)則的陣列表示，在陣列位圖中均可以采用二進(jìn)制位編輯任意像素點(diǎn)。

高速掃描的遙感影像在獲得時(shí)通常需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換方位角、轉(zhuǎn)換天頂角，適配影像等技術(shù)環(huán)節(jié)。按照并行集群運(yùn)算的思維，可以將轉(zhuǎn)換方位角、轉(zhuǎn)換天頂角，適配影像等技術(shù)環(huán)節(jié)獨(dú)立劃分，通過(guò)縮短軟件語(yǔ)句算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)算法在軟件運(yùn)行過(guò)程中需要的時(shí)間。通常，單幅高分影像的掃描范圍較大，存儲(chǔ)影像的數(shù)據(jù)量也很大，影像掃描在計(jì)算處理時(shí)容易形成較大的假計(jì)算、運(yùn)算資源浪費(fèi)以及數(shù)據(jù)計(jì)算的內(nèi)存溢出。這就要求處理算法也要可分解，支持算法的并發(fā)處理，影像切片技術(shù)就可以很好地滿足這一要求。

2.封裝算法設(shè)計(jì)

第一，計(jì)算節(jié)點(diǎn)算法封裝：該封裝算法集合了輸入、輸出環(huán)節(jié)所有的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，從原始數(shù)據(jù)的輸入、數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，再到最后影像產(chǎn)品的輸出路徑都要設(shè)計(jì)齊全，并通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)封裝模塊化程序達(dá)到處理輸入數(shù)據(jù)的功能。

第二，工作流程算法封裝：集群計(jì)算需要一種工作規(guī)范，工作流程封裝算法能夠描述和處理輸入節(jié)點(diǎn)、輸出節(jié)點(diǎn)、計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系。

第三，輸入輸出算法封裝：該封裝算法可以很方便地對(duì)流程的輸入輸出進(jìn)行編輯，封裝所有的有關(guān)輸入輸出的操作數(shù)據(jù)接口并進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

四、設(shè)計(jì)集群運(yùn)算處理平臺(tái)的目標(biāo)及原則

（一）集群運(yùn)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.利用并行機(jī)制各并行計(jì)算低耦合的特點(diǎn)，平臺(tái)應(yīng)設(shè)計(jì)為各模塊相對(duì)獨(dú)立、松耦合的模式并能集成于一個(gè)平臺(tái)之上，實(shí)現(xiàn)算法和計(jì)算模塊的雙復(fù)用。

2.實(shí)現(xiàn)多級(jí)并行計(jì)算機(jī)制，構(gòu)建快速處理集群系統(tǒng)，需要考慮各種并行機(jī)制的關(guān)系，保障并行計(jì)算低耦合和高內(nèi)聚的特性。

3.高效利用計(jì)算機(jī)資源，充分挖掘計(jì)算集群中沒(méi)有完全利用的性能，積極調(diào)配和組織并行計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

（二）集群運(yùn)算平臺(tái)的設(shè)計(jì)原則

影像集群快速處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要能設(shè)計(jì)出適合處理遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)的并行集群計(jì)算系統(tǒng)框架。該框架應(yīng)具有合理的并行算法，應(yīng)具有運(yùn)用并行邏輯思想構(gòu)建并行處理流程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超大量數(shù)據(jù)調(diào)用和計(jì)算。設(shè)計(jì)基于遙感數(shù)據(jù)特點(diǎn)的快速處理系統(tǒng)，以下幾點(diǎn)為設(shè)計(jì)依據(jù)：

1.輕：集群計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)按照簡(jiǎn)潔的原則，要盡可能通過(guò)最少的步驟實(shí)現(xiàn)豐富的功能，簡(jiǎn)單的操作并不代表功能的減少和在容錯(cuò)設(shè)計(jì)上打折扣。

2.靈：在不同層面應(yīng)實(shí)現(xiàn)靈活性，計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的加入和退出；支持不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)源，通過(guò)多種途徑獲取的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)計(jì)算方面能夠支持內(nèi)存計(jì)算、迭代批量處理和流處理等。

3.快：集群計(jì)算的目的就是要求快速處理數(shù)據(jù)，所以設(shè)計(jì)應(yīng)按照計(jì)算速度快、通信速度快、存儲(chǔ)速度快等原則，優(yōu)化整個(gè)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程。

五、集群處理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）集群處理系統(tǒng)硬件架構(gòu)

1.存儲(chǔ)設(shè)備：可選用等容量的磁盤(pán)陣列（如HDS AMS2300），可運(yùn)用RAID5存儲(chǔ)解決方案，這種方案兼顧了存儲(chǔ)性能、數(shù)據(jù)安全和存儲(chǔ)成本。RAID5把奇偶校驗(yàn)信息與其相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAID5的磁盤(pán)之上，而且這兩類(lèi)信息的存儲(chǔ)必須是存到不同的磁盤(pán)上。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)災(zāi)難時(shí)，可以利用剩下獨(dú)立磁盤(pán)中安全、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的奇偶校驗(yàn)信息，恢復(fù)被損壞的磁盤(pán)數(shù)據(jù)。RAID5磁盤(pán)陣列可以熱插拔。當(dāng)硬盤(pán)損壞后，可以用一個(gè)新硬盤(pán)通過(guò)冷插拔方式替換被損壞的硬盤(pán)，陣列會(huì)自動(dòng)通過(guò)奇偶校驗(yàn)信息和相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)恢復(fù)磁盤(pán)數(shù)據(jù)。

2.服務(wù)器：應(yīng)與計(jì)算節(jié)點(diǎn)同處一個(gè)刀片服務(wù)器機(jī)架箱，應(yīng)配置與計(jì)算節(jié)點(diǎn)相同，服務(wù)器操作系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)基于多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，應(yīng)包含POSIX和UNIX以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計(jì)理念。

3.San Switch交換機(jī)：應(yīng)多于2臺(tái)存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)SanSwitch交換機(jī)，終端是存儲(chǔ)設(shè)備和服務(wù)器，通過(guò)光纖通道實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。SAN專(zhuān)注于企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)和存儲(chǔ)量大的工作環(huán)境。其結(jié)構(gòu)組成部分包括：管理軟件、Switch、路由器、主機(jī)光卡模塊等。SAN存儲(chǔ)連接結(jié)構(gòu)靈活，服務(wù)器可以訪問(wèn)管理軟件權(quán)域下存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的任何一塊磁盤(pán)陣列，同時(shí)管理軟件權(quán)域下的存儲(chǔ)設(shè)備與交換機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備之間亦能進(jìn)行無(wú)障礙通信，使用光纖進(jìn)行連接，采用可靠性高、通信距離長(zhǎng)、性能高、可擴(kuò)展性良好的Fibre Channel協(xié)議，確保存儲(chǔ)與服務(wù)器分開(kāi)。

4.計(jì)算節(jié)點(diǎn)：集群處理系統(tǒng)應(yīng)由多個(gè)虛擬服務(wù)器和物理服務(wù)器（或刀片服務(wù)器）構(gòu)成，用于并行集群技術(shù)的CPU核數(shù)應(yīng)盡可能多，要盡可能確保計(jì)算資源，滿足智慧城市影像采集大數(shù)據(jù)量的基本要求，比如可采用HP的16核刀片、Linux 操作系統(tǒng)、CPU核數(shù)可達(dá)256核的計(jì)算節(jié)點(diǎn)單元。

5.操作終端：集群系統(tǒng)操作終端由多個(gè)工作站（Workstation）組成，可滿足Windows、Linux及混合操作系統(tǒng)共同操作、分發(fā)，管理集群計(jì)算任務(wù)主要依托工作站上的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)用Firefox、IE、360等瀏覽器即可對(duì)集群系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，在瀏覽器環(huán)境頁(yè)面可看到集群處理系統(tǒng)硬件運(yùn)行、軟件組織情況等信息，可十分方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)集群處理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作（圖1）。

（二）集群處理系統(tǒng)軟件架構(gòu)

集群處理系統(tǒng)由用戶應(yīng)用層、系統(tǒng)應(yīng)用層、服務(wù)層等組成（圖1）

集群處理系統(tǒng)軟件架構(gòu)一般由“Main Window，Administrator Console，Information Console，Activity Window”四個(gè)用戶界面組成，所有的軟件功能模塊均內(nèi)嵌在這四個(gè)界面的菜單中。影像集群處理系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)尚處于研究起步階段，而在西方國(guó)家則有許多成功的項(xiàng)目案例可資借鑒，比如“像素工廠系統(tǒng)”就是一款較為成熟的影像集群處理系統(tǒng)。

以集群處理系統(tǒng)工作流程——PF（Pixel Factory System）為例。集群處理系統(tǒng)工作流程是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，包括基于數(shù)據(jù)建立規(guī)則觸發(fā)任務(wù)執(zhí)行；允許并發(fā)規(guī)則；可以自動(dòng)設(shè)置任務(wù)參數(shù)和選擇數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)應(yīng)內(nèi)嵌式工作流，包括“系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)里嵌入工作流程定義，其工作流可以對(duì)系列任務(wù)和選擇進(jìn)行設(shè)置”。再以PF集群處理系統(tǒng)工作流程為例（圖2）。

PF（Pixel Factory System）是一款由法國(guó)公司研發(fā)，具有多種影像兼容性、并行處理，集自動(dòng)化、遠(yuǎn)程管理等特點(diǎn)于一身，用于大型數(shù)據(jù)生產(chǎn)的遙感影像自動(dòng)化處理系統(tǒng)。PF系統(tǒng)非常適用于裝有IMU/ GPS并能減少處理過(guò)程數(shù)據(jù)量數(shù)碼傳感器，比如Airborne Digi2tal Sensor40數(shù)碼相機(jī)，這是因?yàn)镮MU/GPS減少了空中三角測(cè)量所需的地面控制點(diǎn)的數(shù)量。按照上述集群處理系統(tǒng)工作流程，結(jié)合PF軟件操作平臺(tái)，在少量人工干預(yù)的條件下，經(jīng)過(guò)一系列封裝算法及其數(shù)字表面模型、數(shù)字高程模型、正射影像以及真正射影像等批量生產(chǎn)處理，即可制作輸出高質(zhì)量的GRID地理影像文件（具體軟件操作過(guò)程略）。

六、結(jié)語(yǔ)

智慧城市建設(shè)其所涉及的技術(shù)很寬泛，本文首先對(duì)智慧城市建設(shè)中的并行計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘的核心技術(shù)——集群計(jì)算技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。實(shí)踐表明，高速存儲(chǔ)能力、自動(dòng)化處理能力和并行計(jì)算能力是集群處理技術(shù)的三大能力。集群處理技術(shù)具有兼容多傳感器、支持多平臺(tái)、能夠革新傳統(tǒng)算法的特點(diǎn)，從而使其在智慧城市高分影像大數(shù)據(jù)處理中具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字化影像生產(chǎn)模式帶來(lái)了創(chuàng)新與變革?？梢灶A(yù)見(jiàn)，集群處理應(yīng)用系統(tǒng)在智慧城市影像地理海量數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域必將得到更加廣泛的推廣和應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：李靜敏）