網(wǎng)格計算及其在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用

 “網(wǎng)格計算”（Grid Computing）一詞產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代初，比喻用戶獲取網(wǎng)格上的計算力象獲取電力網(wǎng)的電力一樣容易。所謂網(wǎng)格計算通常是指集聚地理分布的計算資源實現(xiàn)高性能計算，從而形成龐大的全球性的計算體系。目前網(wǎng)格計算在計算領(lǐng)域是一個非常熱門的話題。

根據(jù)網(wǎng)格計算側(cè)重點不同，網(wǎng)格計算分為分布式超級計算（Distributed Supercomputing）、大吞吐量計算（High-Throughput Computing）、即時計算（On-Demand Computing）、數(shù)據(jù)密集型計算（Data-Intensive Computing）和協(xié)同計算（Collaborative Computing）五種類型

網(wǎng)格計算技術(shù)將解放人們使用計算的方法，使人們可以輕而易舉地為一些科研工作創(chuàng)建和使用大規(guī)模、多學(xué)科、動態(tài)的、分布式的、高性能的應(yīng)用環(huán)境，而這些科研工作在以前是不可能開展的或開展起來代價很高，如高能物理數(shù)據(jù)分析、氣候建模、宇宙觀測、實時遙感數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)同化、大型數(shù)據(jù)集交互分析和虛擬現(xiàn)實可視化等。

網(wǎng)格計算技術(shù)是數(shù)字城市空間信息應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域的核心技術(shù)。一個數(shù)字城市中的空間數(shù)據(jù)通常都是非常大的，特大城市（如北京、上海等）一般達(dá)到數(shù)萬億比特（PB）的數(shù)據(jù)容量。而且隨著城市的不斷發(fā)展，空間數(shù)據(jù)不斷積累，城市遙感數(shù)據(jù)不斷更新，數(shù)字城市空間數(shù)據(jù)容量通常成倍增長。為了滿足空間信息分布式應(yīng)用服務(wù)的要求，必須對這些海量的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲和在線分析（即分布式計算）。但是由于單個機(jī)構(gòu)組織擁有的計算資源和存儲資源非常有限，而且對計算資源和存儲資源進(jìn)行擴(kuò)充代價極大，如購買超級計算機(jī)、大型工作站、存儲服務(wù)器等。這樣必須設(shè)法把分散的空閑CPU資源和磁盤空間收集起來聚合成為一臺虛擬的超級服務(wù)器，解決傳統(tǒng)方法不可能解決的大型計算問題，如城市虛擬仿真。另外，數(shù)字城市中的組織機(jī)構(gòu)可以利用網(wǎng)格計算提高空間信息應(yīng)用服務(wù)的響應(yīng)速度和吞吐量（單位時間內(nèi)的應(yīng)用服務(wù)容量）。

我國數(shù)字城市建設(shè)通過政府引導(dǎo)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)積極參與不斷深入。目前國外對網(wǎng)格計算研究非常重視，許多有關(guān)項目正在進(jìn)行。根據(jù)作者的調(diào)查研究，國內(nèi)網(wǎng)格計算研究也剛剛起步，特別是在數(shù)字城市空間信息應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域。

數(shù)字城市是指信息化的城市，是信息時代實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、計算密集或訪問密集的。如專業(yè)仿真型城市地理信息系統(tǒng)通常是數(shù)據(jù)密集加計算密集的；城市遙感影像實時（Real-Time）處理也是數(shù)據(jù)密集加計算密集的；分布式虛擬現(xiàn)實城市地理信息系統(tǒng)和空間信息應(yīng)用服務(wù)則是數(shù)據(jù)密集加計算密集再加訪問密集。因此網(wǎng)格計算對數(shù)字城市諸多領(lǐng)域都將產(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的影響，希望引起數(shù)字城市領(lǐng)域的研究人員的高度重視。下面從專業(yè)仿真型城市地理信息系統(tǒng)、城市遙感影像實時處理和虛擬現(xiàn)實城市地理信息系統(tǒng)三個領(lǐng)域來闡明上述觀點。

城市地理信息系統(tǒng)是數(shù)字城市的重要組成部分。地理信息系統(tǒng)中的空間分析通常涉及海量的地圖數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)，因此空間分析是典型的數(shù)據(jù)密集型計算問題。目前地理信息系統(tǒng)的空間分析功能還不是非常強(qiáng)大，但即便這樣通常也需要配置高檔微機(jī)、圖形工作站。這樣用戶光是硬件投入就很大，這在一定程度上給用戶設(shè)置了較高的應(yīng)用地理信息系統(tǒng)的門檻。隨著地理信息系統(tǒng)軟件的進(jìn)一步發(fā)展，地理信息系統(tǒng)軟件的空間分析功能也逐步增強(qiáng)，需要消耗的計算資源也越來越多，計算資源的短缺逐漸成為地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的瓶頸問題。目前正在發(fā)展的網(wǎng)格計算技術(shù)正是有效解決這個問題的重要方法，采用網(wǎng)格計算技術(shù)，用戶可以根據(jù)工作任務(wù)實際情況進(jìn)行計算資源點播（Computing Resource On-demand）。隨著地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的深入，通用平臺型的地理信息系統(tǒng)逐步向?qū)I(yè)仿真型的地理信息系統(tǒng)的方向發(fā)展?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)的系統(tǒng)仿真在數(shù)字城市中諸如城市交通流量仿真、城市環(huán)境污染擴(kuò)散仿真、城市規(guī)劃設(shè)計虛擬現(xiàn)實仿真等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。這些基于地理信息系統(tǒng)的專業(yè)仿真系統(tǒng)通常需要強(qiáng)大計算力的支持。特別是對于那些實時性要求非常強(qiáng)的領(lǐng)域，這種計算力支持要求更加迫切?？梢?，網(wǎng)格計算在基于地理信息系統(tǒng)的專業(yè)仿真系統(tǒng)領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。 #p#page_title#e#

在數(shù)字城市中，許多城市應(yīng)用領(lǐng)域部門希望即時得到經(jīng)過處理的城市遙感影像。如氣象部門要求獲得某個時間的城市上空云圖分布數(shù)據(jù)、交通部門要求獲得某個時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時間的城市環(huán)境污染情況數(shù)據(jù)、公安部門要求獲得某個時間的突發(fā)事件事態(tài)情況數(shù)據(jù)，等等。上述這些情況都要求對海量城市衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行實時處理。而圖象處理也是非常消耗CPU資源的，網(wǎng)格計算技術(shù)的出現(xiàn)使對海量城市衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行實時處理成為可能，城市各個職能部門可以對相關(guān)部分進(jìn)行實時監(jiān)控、進(jìn)行快速反應(yīng)。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是一種利用計算機(jī)圖形技術(shù)人工合成的可以按照用戶的輸入而變化的模擬仿真環(huán)境，一個多維信息空間，一個用戶可與計算機(jī)系統(tǒng)自然交互的三維人機(jī)界面。虛擬現(xiàn)實的主要特點是用戶可以沉浸式地與虛擬場景交互，獲得一種身臨其境的感受，從而激發(fā)用戶的想象力。為了進(jìn)一步提高用戶與地理信息系統(tǒng)交互的深度和廣度，突破傳統(tǒng)圖形用戶界面，地理學(xué)家開始利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成虛擬地理環(huán)境（VGE），這樣可以極大地提高了地理信息顯示的真實感和對地理信息的可操作性，使我們更加容易理解地理數(shù)據(jù)。

在數(shù)字城市中，虛擬現(xiàn)實城市地理信息系統(tǒng)（VRUGIS）的主要目標(biāo)是通過采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)城市景觀建模和城市環(huán)境變量的可視化來建立人機(jī)和諧的虛擬城市。目前制約VRUGIS發(fā)展的瓶頸問題之一是實時場景渲染問題。由于用戶與VRUGIS的交互方式是沉浸式的，為了消除場景的閃爍感和交互時場景變化的滯后感，通常要求場景刷新率比較高，即場景渲染實時性強(qiáng)。由于場景渲染涉及大規(guī)模的三角形繪制過程，這種圖形繪制過程是非常消耗計算資源的，因此目前虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通常需要配備超級圖形工作站，但這種超級圖形工作站價格通常非常的高，一般用戶是承受不起的。如果采用網(wǎng)格計算技術(shù)把若干普通PC連接起來構(gòu)成一個虛擬超級計算機(jī)，則用戶的投資可以少許多。另外，也可以考慮包計算任務(wù)外包給專門的計算公司，用戶就可以只要支出少量費用就可以完成獲得需要的計算資源。

網(wǎng)格計算能夠提供許多傳統(tǒng)計算模式所沒有的好處：第一，更好地利用計算資源。網(wǎng)格計算可以更加有效地使用分布式的計算資源，提供更多可用的計算力。這可以減少對市場的響應(yīng)時間，提高產(chǎn)品創(chuàng)新能力，為改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行額外的測試和仿真。網(wǎng)格計算通過使用現(xiàn)有的資源幫助組織機(jī)構(gòu)保護(hù)IT方面的投資，以不變的投資獲得更多計算能力；第二，增加用戶的生產(chǎn)力。通過提供對資源的透明訪問，用戶可以更快地完成工作。用戶還可以獲得額外的生產(chǎn)力，因為他們可以專注于設(shè)計和開發(fā)而再為收集計算資源和人工調(diào)度和管理大量工作浪費寶貴的時間。第三，高度可伸縮性。網(wǎng)格可以隨時間無縫地增長，允許成千上萬的處理器集成為一個聚簇?？梢元毩⒌厣壪到y(tǒng)組件，一旦需要就可以增加額外的資源，減少大量一次性支出。第四，高度柔性。網(wǎng)格計算可以在最需要的地方提供計算力，幫助更好地滿足動態(tài)變化的工作負(fù)荷。網(wǎng)格可以包含異構(gòu)的計算節(jié)點，允許根據(jù)指令增加或刪除資源。