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简单要素模型并行化空间运算研究与实现

叶梓  
【摘要】: 长久以来,地理信息系统(GIS)体系结构和应用模式的演进一直与计算环境的发展亦步亦趋,从主机-终端式GIS、基于C/S模式到组件式GIS、WebGIS,GIS逐步向着更为复杂和高效的计算模式发展过渡。作为近年来计算机研究领域的热点问题,网格计算以其高度的共享性,弹性的资源组合和方便的架构方式被称为第3次信息技术浪潮,为GIS向着任务复杂化、性能高效化、资源共享化提供了技术背景与发展契机。 同时,作为GIS灵魂的空间分析运算研究的成熟化和产品化,为高性能GIS的研究与实现提供了稳健的基础算子,也对高性能环境中的GIS空间运算提出了迫切需求。并行计算技术是高性能GIS的核心技术,旨在通过提供海量空间数据的并行存储、并行查询、并行检索、并行处理等关键技术,提升传统GIS对海量空间数据的高效处理与管理的并行化性能,为各类高性能GIS应用提供的并行处理能力,从而为网格GIS提供理论储备和核心技术解决方案。并行计算技术应用于在空间信息科学领域的研究始于上实际90年代,尤其以遥感和航测数据方面的研究为代表,这是由于遥感影像数据的栅格式组织方式决定了并行任务进行的可行性。在三维地形显示中,并行计算以其高效性为实时三维图像的绘制渲染提供了技术支撑。在传统GIS领域的研究,以并行空间数据库、并行索引技术为国际上的研究热点,应用问题的引入大多关注在选址分析、最短路径分析等方面上。但作为GIS中核心功能模块的空间运算的并行化研究进展一直微乎其微,而本文着眼于GIS中基础空间运算的并行化处理策略及相关技术,其目标是从矢量空间数据自身特征及空间运算应用需求出发,提出一套海量矢量空间数据分布式并行空间运算策略和应用机制,以实现在分布式并行计算环境下海量空间数据的高效处理。 全文按照传统GIS理论体系,由空间数据组织模型、空间运算体系与基本算子到并行化空间运算相关策略的设计,最后结合空间运算中的实际问题,讨论简单要素模型并行空间运算应用的设计与实现,并在分布式并行计算环境中进行了部署与测试。论文首先阐明了相关知识背景,即并行计算与高性能GIS,在对明确其定义及范畴的基础上,系统分析论述了论文研究领域的国内外相关进展,为论文的研究打下了良好的理论基础,提供了扎实的技术背景,也明确了论文着重要解决的实际问题,即简单要素模型并行化空间运算核心技术与关键策略的设计实现。 论文对比分析了GIS中常用的两种数据组织模型,阐述了简单要素模型应用于并行化空间分析运算的可行性与必要性。为了明确并行化空间运算体系中基础算子的功能范畴及并行化可行性,论文对GIS空间分析运算体系中空间关系运算算子和空间分析运算算子阐明了其算法设计和功能定义。 论文核心部分是分布式环境中的并行化空间运算策略。在空间数据划分策略是空间运算任务并行化的第一步,论文首先分析了影响空间数据划分的若干关键因素,明确了空间对象负载度量标准、空间对象的范围、空间范围的负载度量标准和空间数据划分方法等关键因素在原型系统部署实施中的可选方式及各种方式的不同特点。通过结合空间叠加运算这一实际用例,阐述了管道叠加、数据并行叠加和块式叠加三种空间数据划分策略以及各自的优劣。最后,创新性的讨论了空间运算并行计算中边界多边形的处理方法,并比较分析了复制-剔除方法、扩展边界方法、裁剪-合并方法三种不同方案的特点。并行空间计算任务调度策略是为了保证空间运算并行化处理的负载均衡性而引入的。在任务调度阶段,本文首先从理论角度讨论评估了不同任务传送方式的系统开销模型,提出了以多边形ID号替代多边形实体对象的任务传递方式,进而结合GIS空间运算的特征,分别描述了共享池方法、同步轮转对等分配方法和异步轮转对等分配方法三类负载均衡调度策略用于GIS空间运算任务时的运作方式。在基本空间运算策略技术分析的基础上,引入了基于Master-Worker的空间运算并行计算架构,并介绍了Master-Worker并行计算架构工作流程。 为了在实际分布式并行环境中验证上述研究内容理论基础和关键技术的可行性与正确性,论文以常用的矢量多边形空间裁剪问题作为研究对象,讨论大规模矢量多边形裁剪运算的并行化设计。结合并行化环境的特征,设计了基于两层负载均衡机制的空间运算并行计算框架,采用了共享数据复制策略,基于负载的数据划分策略和动态任务调度机制,实现了从运行流程定义和算法设计实现角度将并行化空间运算由理论模型设计向实现方式方法的转换。通过将算法模型部署在分布式并行计算环境中,对各个核心因素进行实验分析,对任务块传送粒度、动态数据共享和动态任务调度策略对并行空间运算性能的影响给出了实际论证和结果分析。 论文所研究的关键技术和策略具有一般化特征,即本文所研究的简单要素模型并行化空间运算技术的策略设计和实现方法,能适用于各类分布式并行计算软硬件环境,为高性能并行GIS的实施提供核心技术体系设计。


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