栅格数据空间分析

栅格数据空间分析（精选4篇）

栅格数据空间分析 篇1

摘要：以地理信息系统应用软件Arc GIS10.0为操作平台, 选择≥10℃积温、坡度、有机质含量、灌溉条件、土层厚度、土壤质地、障碍层类型作为评价因子, 应用栅格数据空间分析方法, 对冀北地区马铃薯的适宜性进行评价, 划分为高度适宜、中度适宜、临界适宜和不适宜四个等级, 对当地马铃薯种植布局具有指导意义。

关键词：冀北,马铃薯适宜性评价,栅格数据空间分析

0 引言

进行大范围自然区域的马铃薯适宜性评价, 涉及诸多的环境因子, 需要大量的数据和分析工作, 用常规的方法很难完成。GIS (地理信息系统) 具有强大的空间分析和数据处理功能, 并可以在空间数据库的基础上建立针对各类问题的应用模型, 对空间信息和属性数据进行有效的加工处理、科学分析和决策管理。

栅格数据结构简单、直观, 非常利于计算机操作处理, 是GIS常用的基础空间数据格式, 利用栅格数据的GIS空间分析方法, 能够快速、准确地完成针对某种特定利用方式的适宜性评价。

1 概述

马铃薯是重要的粮食、蔬菜兼用作物。马铃薯传入我国只有一百多年的历史, 主要在我国的东北、内蒙、华北和云贵等气候较凉的地区种植, 现在我国马铃薯种植面积居世界第二位。

受资源瓶颈收窄、环境压力加大、种植效益降低等影响, 小麦、水稻等口粮品种继续增产的难度加大。马铃薯产量高, 营养丰富, 对环境的适应性较强, 是耐寒、耐旱、耐瘠薄, 属于“省水、省肥、省药、省劲儿”的“四省”作物, 马铃薯种植和加工已成为一些地方脱贫致富的支柱产业。

马铃薯性喜冷凉, 是喜欢低温的作物。其地下薯块形成和生长需要疏松透气、凉爽湿润的土壤环境。马铃薯对温度的要求:块茎生长的适温是16~18℃, 当地温高于25℃时, 块茎停止生长;茎叶生长的适温是15~25℃, 超过39℃停止生长, 并且容易发生病害, 影响产量和品质。只有在条件适宜的耕地种植马铃薯才能达到优质、高产、高效的目的。因此, 进行马铃薯适宜性评价, 有利于合理利用和优化配置土壤资源, 有效地指导马铃薯的种植规划。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

研究区位于河北省北部, 行政区域属丰宁、围场、隆化三个县, 总面积23 255km2, 地理坐标东经115°54′08″~118°20′20″、北纬40°53′13″~42°36′55″, 海拔788m~1 722m。属大陆性中温带季风型半湿润气候区, 年均温度-2℃~7℃, ≥10℃积温1 330~3 410℃, 无霜期60~140天, 年降水量400~550mm。耕地总面积285 646hm2, 土壤类型有棕壤、褐土、栗钙土、灰色森林土、潮土、草甸土等。

2.2 评价因子的确定

根据马铃薯种植对环境条件的要求, 按照针对性、比较性、区域性、综合性与系统性、主导性、生产性的原则, 选定≥10℃积温、地面坡度、灌溉条件、障碍层类型、土壤质地、土层厚度等7项指标作为马铃薯适宜性评价因子。

2.3 数据处理与分析

2.3.1 基础数据。

此项研究以地理信息系统应用软件Arc GIS10.0为操作平台, 主要数据包括: (1) 承德市数字高程模型 (DEM) , 像元大小为30m。 (2) 承德市≥10℃积温栅格图, 像元大小为30m, 利用承德及周边气象站点多年观察平均值, 经薄板张力样条法插值生成。 (3) 承德市耕地地力评价单元图, ESRI shape格式, 其属性字段包括马铃薯适宜性评价的指标如土壤质地、土层厚度、灌溉条件、障碍层类型等。 (4) 分县有机质含量栅格图, 利用近期采样测试数据, 经地统计分析插值生成, 像元大小为30m。

≥10℃积温栅格图、有机质含量栅格图、耕地地力评价单元图为高斯克吕格投影, 北京1954坐标系;DEM栅格数据为ESRI grid格式, UTM投影, 1984坐标系。

2.3.2 数据处理。

(1) 以研究区域为掩膜, 分别从承德市DEM、承德市≥10℃积温栅格图、承德市耕地地力评价单元图提取研究区数据。 (2) 利用Arc GIS的要素转栅格工具, 从耕地地力评价单元图的土壤质地、土层厚度、障碍层类型和灌溉条件字段向输出栅格分配值, 生成相应的栅格数据集, 像元大小为10m。 (3) 利用Arc GIS的栅格镶嵌工具, 合并研究区分县的有机质含量栅格图。 (4) 利用Arc GIS的3D分析工具, 从DEM栅格数据集生成研究区坡度图。

2.3.3 栅格数据重分类。

由于分析计算的需要, 必须对各种栅格数据用统一的等级体系重新归类, 使各数据之间具有量值可比性。

依据据每个栅格数据的单元属性对马铃薯适宜性的符合程度, 将数据重分类为1~10的范围, 适宜性好的单元赋予较大的值。

对存在限制条件的类型值设置为No Data, 以将其从后续的分析中移除。如坡度>30°、土层厚度<30cm、土壤质地为重壤质或粘质、障碍层类型为潜育层或盐积层的单元, 根本不适合马铃薯种植, 通过设置为No Data, 将其删除。

2.3.4 栅格叠加计算。

栅格重分类后, 各个栅格数据集都统一到相同的等级体系内, 利用栅格计算器工具, 根据各种因素的不同权重, 合并数据集, 以进行适宜性划分。

评价因子的权重确定, 是根据每个参评因子对马铃薯生态适应性的贡献程度, 赋予其不同的权数值。适宜性评价影响较大的数据集赋较高的权重。

地理处理环境设置:输出坐标系为高斯克吕格投影, 北京1954坐标系;像元大小为最小输入数, 即10m。

3 评价结果

3.1 马铃薯适宜性评价等级

利用栅格计算器合并数据集, 按权重对所有栅格数据相对应单元作加法运算, 进行叠加计算。计算结果:栅格值在3.3~9.7之间, 平均值6.43。用自然断点划分为4类。>7.39为高度适宜, 6.49~7.39为中度适宜, 5.38~6.49为临界适宜, <5.38为不适宜。

3.2 马铃薯适宜区域分布

研究区适宜马铃薯种植的耕地面积213 221hm2, 占耕地总面积的74.65%。其中高度适宜面积51 632hm2, 占总适宜面积的24.22%, 主要分布在丰宁县坝上的大滩、鱼儿山、草原、万胜永、四岔口等乡镇, 围场县的御道口、南山嘴、老窝铺、姜家店、山湾子、宝元栈、新拨等乡镇, 其他乡镇仅有小面积分布;中度适宜面积72 471hm2, 占总适宜面积的33.99%, 主要分布在接坝地区;临界适宜面积89 118hm2, 占总适宜面积的41.79%, 主要分布在研究区东南部 (图1) 。

4 结论

1) 选择≥10℃积温、坡度、有机质含量、灌溉条件、土层厚度、土壤质地、障碍层类型作为评价因子, 能够满足冀北地区马铃薯适宜性评价的需要。

2) 利用GIS栅格数据分析方法进行马铃薯适宜性评价, 在栅格重分类时对限制条件的数据进行剔除, 避免了累加分值较高的栅格中包含限制因子的可能性, 使评价结果更加可靠。

3) 通过多点考察、检验, 此项评价结果符合实际情况, 对当地马铃薯种植布局具有指导意义。

参考文献

[1]潘剑君.土壤调查与制图[M].中国农业出版社, 2010.

[2]汤国安, 杨昕.Arc GIS地理信息系统空间分析实验教程[M].科学出版社, 2012.

栅格数据空间分析 篇2

关键词：ASEB分析；体验式旅游；乔家大院；深度开发

中图分类号：F590.3文献标识码：A文章编号：1009--9107(2011)01--0085--04

近年来，随着旅游市场的不断开发，许多旅游者不再满足于传统的大众旅游项目，他们希望能按照自己的愿望来设计和安排旅游活动，希望能有更多的参与性，希望能从旅游活动中获得更多舒畅而独特的体验。体验活动能使每个人以个性化的方式参与到经济供给物之中，让人们通过体验而受益、通过体验而获得消费价值，因此体验式旅游就成为了体验时代极具开发潜力的一种旅游方式。本文试图利用ASEB栅格分析法对乔家大院开发体验式旅游项目进行分析，提出有针对性和可操作性的对策和建议。

一、ASEB栅格分析法概述

旅游学上传统的SWOT分析法主要是对旅游产业发展的内在的优势(Strengths)与劣势(Weakhess)以及外部环境的机遇(Opportunities)与威胁、风险(Threats)等进行综合分析的一种方法，但其中没有把游客的体验纳入它的分析体系，它忽略了游客在旅游过程中的感受。而新兴的ASEB栅格分析法则是专门针对体验型旅游消费者在户外休闲需求的四个层级即休闲活动(Activity)、环境(Setring)、获得的体验和感受(Experience)以及利益(Benefit)进行分析的一种方法，它适用于分析游客在景区景点参与体验活动的合理性，为我们提供了一种基于旅游者的产品开发方法，在客观上具有较强的可操作性。

ASEB栅格分析法是在分析过程中将传统的SWOT分析法与需求层次分析法中的不同要素一一对应起来，使得ASEB栅格分析法形成一个矩阵(见表1)，矩阵的横轴为ASEB的四个层级，纵轴是SWOT的四个方面。在这个矩阵中，我们可以按顺序从SA(对休闲活动的优势评估)到TB(对利益的威胁评估)对行列交叉的16个单元逐次进行研究和分析。通过ASEB栅格分析，对旅游者体验需求的休闲活动、环境、体验感受与利益的优势、劣势、机遇、威胁四个方面进行全面的分析与评估，通过评估来了解游客对旅游目的地体验的满意度，便于景区景点能有针对性地进行体验活动项目的开发，更好地提高游客的体验感受，为旅游者提供他们所需期望的不同体验。

二、体验式旅游的开发

(一)体验式旅游的内涵

体验经济是人们需求变化的新趋势，是以满足人们的情感需求、自我实现需求为主要目标的一种经济形式，它已经自觉地渗入到旅游业当中。美同经济学家约瑟夫·派恩(B，Joseph Pine)和詹姆斯·吉尔摩(James H，Gilmore)在谈到“体验经济”时说：在参与体验的过程中，那些美好的体验会给消费者留下长久的记忆，这种体验十分独特，非我莫属，而且不可复制、不可转让，消费者对体验享受的评价最高，同时也就愿意付出更高的价格，这就是体验经济。在旅游活动中，旅游者需求的不是物质结果，而是一种不同寻常的经历或者感受，只有融入进去才能真正去体验、去感受，去获得一个难忘的经历。“体验式旅游”是体验经济时代旅游消费的必然需求。

2002年希腊学者斯塔波力斯(Yeoryics Stamboulis)与斯凯尼斯(Pantoleon Skayannis)指出：体验式旅游是一种预先设计并组织的、有一定程序的、旅游者需要主动投入时间和精力参与的、追求舒畅而独特的感受的旅游方式，它能给旅游企业和旅游者带来一种新的附加价值。因此，体验式旅游是一种个性化的旅游活动，它强调游客对文化的、历史的、习俗的以及服务的体验，游客通过积极主动地参与体验活动，从中获得舒畅的快乐体验，存旅游巾增加了一份优越和自豪。体验经济时代下旅游者旅游就是为了追求快乐的体验，即旅游者的旅游活动是以追求“新鲜感、亲切感与满足感”为快乐准则，从而实现“求补偿、求解脱和求刺激”的心理。

旅游消费是一个过程，当旅游消费过程结束的时候，记忆对这一过程的“体验”将会长久地保存。旅游者愿意为这类体验付费，它的每一瞬间都是一个“惟一”，这才是体验式旅游的真谛。

(二)体验式旅游的开发过程

旅游的过程就是让游客获得创造体验的全部过程。体验更强调消费的人性化和参与性，体验式旅游的开发则必须建立在游客的体验基础上，把物品与服务作为“体验”的载体，使游客在得到物质亭受的同时也得到精神的享受，这将是体验式旅游开发的核心。而旅游景区则是完成这种旅游体验活动的最佳场所，是开展体验式旅游的最佳阵地，它必须对体验式旅游给予更多的关注，使之能够满足游客的需要、需求与期望。

我们可以把体验式旅游理解为一场别开生面的演出活动(见图1)。演出之前，编剧要对整个剧本做全面的规划和策划；确定剧场所在地，并做好舞台及布景的设计；道具应该准确无误地准备好各种可能被使用的物品。演出开始，导演还需要调动演员的积极性，让他们尽快熟悉自己的角色，并能融入进去。演出之后，让所有参与演出活动的人员都获得一个难忘的经历和体验。

三、乔家大院的ASEB栅格分析

四、乔家大院体验式旅游的开发对策

乔家大院体验式旅游的ASEB栅格分析结果表明：景区要做好可持续发展，要保持这种发展的良好势头，就必须要进行深度开发，即开发体验式旅游活动。体验经济、体验式旅游和参与感体验等带来了一个重要的启示，就是景区景点在深度开发的过程中要有新意、有特色、有创意，要有能让游客积极参与的活动项目。

(一)提升鲜明的体验主题

鲜明的主题是体验旅游的中心，是构建整个体验设计方案的基础。体验主题应来源于旅游地的各种独特的文化形态，要具有本土化的特点，要有一定的感召力和实践性，要体现出游客对现代生活品质的追求，尤其要体现出游客的文化品位，只有深厚的文化内涵才能吸引游客的积极参与，引起游客的体验共鸣，才能有利于体验活动的开展，促使体验产品增值。

乔家大院是民俗文化游览区，反映的是山西晋中一带的民风民俗，根据乔家大院所蕴含的民俗特色以及游客本身的体验需求分析，以“人生礼节”部分中的“婚俗”为主题的文化不仅有着深厚的情感基础和广泛的受众群体，而且还有着大众游客所追求身心舒畅的体验需求，据此开发体验活动项目——

在乔家大院“做一天新娘(新郎)”就符合大众游客的口味，具有持续的旅游生命力。

(二)营造祥和的体验场景

体验场景和体验氛围是直接带给游客美好感受的前提条件，利用旅游地现有的体验资源搭建合适的体验场景，为游客提供一个体验的真实环境。在营造场景的讨稗中塑造出有特色的民俗氛围，让游客深刻体验旅游地的特色、文化和生活方式，给游客创造“畅”的颠峰感受和在异质生活中获得的愉悦和快乐。

乔家大院里展出有给“百日为民，一日为官”的新郎穿的官服、娶亲骑的高头大马、大花轿，还有表示“烈女不嫁二夫，好马不配双鞍”的马鞍、有“秤杆挑起红盖头，称心如意到白头”的红盖头以及各种表示吉祥如意的红枣、核桃、桂圆等。把这些资源利用起来营造出一个喜庆祥和的场景，会给游客留下深刻的回忆，从中获得愉悦。

(三)提供个性化的旅游体验

体验式旅游就是一个舞台剧，其中“景区是剧场、员工是导演、游客是演员”，导演根据剧场要求适时地引导演员积极参与主题活动，用设计好的环境、背景、服务、产品，把演员布置其中，让他们在旅游的过程中与场景合为一体，达到“天人合一”的效果，三者齐力打造快乐体验秀。通过体验式旅游让游客满怀欣喜地沉浸在民俗文化的感受和体验中。

以“在乔家大院做一天新娘或新郎”为例，剧场选在乔家的二院中，导游员事先给游客介绍乔家的婚俗体验内容，激发游客的体验兴趣，并介绍角色的分配，确定好演员之后，由导演负责讲解程序，引导演员入戏，按照娶亲的程序如迎亲、拜堂、入洞房、闹洞房等逐一进行体验。游客在欢乐、祥和、喜庆的气氛中做了一天新娘、新郎，设身处地地感受了晋中的婚俗，弥补了现代人结婚仪式的单调，体验了传统婚礼的乐趣，形成了乔家大院的难忘之旅。

五、结语

基于ASEB栅格分析法对乔家大院体验式旅游进行了深度分析，可以看出乔家大院在开发体验式旅游的活动、环境、体验、利益方面的优势与机遇突出，劣势与威胁并存。通过分析，有利于找到有助于乔家大院可持续的发展出路，深入挖掘乔家大院独特旅游资源的价值及内涵，根据游客旅游需求的特点，全面整合旅游资源，科学设计最具特色的体验旅游产品。鉴于此，笔者提出了乔家大院体验式旅游的开发对策，希望能给乔家大院的深度开发以及乔家大院的可持续发展提供一个坚实的理论基础，同时也对类似的体验式旅游开发起到抛砖引玉的作用。

参考文献：

[1]周长春，苗学玲，戴光全，国际旅游规划案例分析[M]，天津：南开大学出版社，2003：671-695。

[2]约瑟夫·派恩，詹姆斯·吉尔摩，体验经济[M]，北京：机械工业出版社，2002：75-79。

[3]师谦友，武一闻，基于ASEB栅格分析的体验式旅游开发研究——以山西平遥卉城为例[J]，江西农业学报，2008(20)：141-144.

[4]郑耀星，周富广，体验导向型景医开发模式：一种新的旅游开发思路[J]，人文地理，2007(6)：16—20.

[5]李晓琴，体验经济时代下旅游项目设计与实证研究口]，人文地理，2007(3)：69--72.

基于栅格数据的空间聚类 篇3

空间聚类是GIS空间分析的主要内容之一,近几年来,随着空间数据挖掘研究的发展,空间聚类对于海量数据处理、大型空间数据库中有用信息和知识的提取等方面具有十分重要的意义。传统观念上,由于矢量数据模型对于现实世界中的抽象描述与表达更符合人的思维习惯,其分析方法自然采用了矢量途径,而对于栅格途径相应的研究及成果却少见;所见的国外文献中,大多限于栅格途径“可行性”的研究,没有对其进行系统、深入的探讨。

传统的空间聚类算法都是基于矢量数据的,矢量空间分析方法具有简单、易操作的特点,但同时存在数据冗余、难以向高维和全形态扩展的缺点,为此本文着重于介绍基于栅格距离变换的空间聚类算法及其在各个领域的应用。

2 基于栅格的空间聚类算法

从空间聚类的算法过程来看,可以分为系统聚类、逐步分解和判别聚类。系统聚类由各点自成一类开始,逐步合并至一个适当的分类数目。与此相反,则为逐步分解。判别聚类是先确定若干聚类中心,然后逐点比较以确定各离散点的归属。从一般聚类的算法特征上看,目前主要有划分法(如K-means、K-medoids等)、层次法(如AGNES、BIRCH_l等)、基于密度的方法(如DBSCAN、DENCLUE等)和基于网格的方法(如STING等)。常用的空间聚类分析统计量有分布密度、相关系数、夹角余弦、指数相似系数、欧氏距离、绝对值距离、切比雪夫距离、兰氏距离、马氏距离、斜交空间距离、非参数方法等l0余种,尤以最短欧氏距离最为常用。本文就简单介绍基于最短欧式聚类的空间聚类栅格算法。

地图代数以栅格点集严密的量度作为其理论和方法论述的起点,来度量空间距离。其距离变换的核心是建立栅格平方平面,坐标值在栅格平面上均为整数,距离值与横纵坐标的平方和为一一映射关系,由于欧式距离需要开平方,为了增加计算精度,用距离平方值代替距离值参与运算。设距离平方值记为Sq D,每个栅格单元的Sq D值需要根据周同的8领域栅格单元的Sq D来判断。这8个栅格单元的Sq D值按图3依次标记为Sq D1,Sq D:,…,Sq D8。

据此其变换的步骤为:

(1)赋所有实体点为0值,并赋所有非实体空间点为一足够大的正数M;(2)顺序访问,即行号由0,l,2,…递增,列号由0,l,2,…递增,按下式改写各点平方值:Sq D(0,0)=0,Sq D(i,j)=MIN(Sq Dl(i,J),Sq D2(i,j),Sq D3(i,j),Sq D4(i,j),Sq D(i,j));(3)逆序访问并改写各点平方值:Sq D(i,j)=MIN(Sqi)5(i,j),Sq D6(i,j),Sq D7(i,j),Sq D8(i,j),Sq D(i,j));(4)改写各点距离平方值为距离值:c(i,j)=INT{[Sq D(i,j)]+0.5}。

经过地图代数栅格距离变换后的整个栅格空间被颜色不同的象素所填充,我们将其称为距离波,用黑线将那些色度值相同的栅格连接起来就构成了等距线。这些等距线与空间点集之间的关系就可以揭示空间聚类过程。经计算过后,各计算点被从最小距离到最大距离之间的间隔为1的等距线包围,然后就可以根据不同的条件(等距线数值)聚类。

3 与其他算法的结合

空间聚类(Spatial Clustering)是空间数据挖掘的重要组成部分,是聚类研究在空间数据分析中的应用.空间聚类应用广泛,如地理信息系统、生态环境、军事、市场分析等领域。通过空间聚类可以从空间数据集中发现隐含的信息或知识,包括空间实体聚集趋势、分布规律和发展变化趋势等。

3.1 研究现状

目前国内外对聚类挖掘算法的研究众多,其中基于网格的聚类算法和基于密度的聚类算法成为聚类算法中最重要的两种方法。

基于网格的聚类方法主要采用网格技术对空间进行划分,以单一的网格对象作为聚类处理目标,忽略其内部的所有数据属性。这样处理的一个突出优点就是速度快、聚类效率高。但是利用网格技术存在的最大问题是没有涉及聚类边界点的处理,可能造成聚类边界对象的丢失,导致聚类精度的降低。

而基于密度的聚类方法是将簇视为对象空间中被低密度区域分割开的高密度对象区域。此方法主要的优点就是可以发现任意形状的类簇,但是对主存要求较高,主要由于在密度聚类过程中对每一个对象必须与其他对象求解其距离。因此,合理地设计出质量精确和时间效率高的聚类算法,成为数据挖掘领域迫切需要解决的问题,也是一个难点问题。

3.2 算法结合

虽然基于栅格的本身隐含了拓扑关系这种特性,避免了很多情况下矢量数据初始化大量的工作,但是现在处理数据还是以矢量较多。我们可以将栅格聚类融于网格聚类和密度聚类中,进一步简化算法。

以密度聚类为例,栅格单元进行局部密度聚类后,生成的局部聚簇,需将原本属于一类的两个不同分区局部聚簇进行聚簇合并。该算法将对每一个栅格单位进行密度聚类,这样对栅格单元中的小数据集进行聚类,大大提高了聚类效率。如果每个栅格单元都进行密度聚类,那么将大大增加聚类时间。因此,引入概念密度阈值DT来计算栅格空间中的密度大小,并衡量是否需要进一步DBSCAN密度聚类。设d维空间的点集P={p1,p2,…,pn},当数据对象pi划分到栅格单元G时,设置一个阈值minpts,若划分到某一栅格单元中的数据量大于或等于minpts,则是高密度栅格单元;反之,则是低密度栅格单元。这个minpts称为密度阈值DT。如果栅格单元中的数据量小于密度阈值时,那么将不进行DBSCAN聚类分析,并将数据对象标记为全局噪声点,这样无须对小数据集进行密度聚类,大大减少了聚类时间,从而降低时间复杂度;反之,若栅格单元中的数据量大于密度阈值时,那么将用DBSCAN对栅格空间进行聚类分析。而实验结果也表明融入栅格技术可以使密度聚类算法获得更高的聚类效率,保留DBSCAN密度聚类算法,可以保证聚类结果的一致性。

4 结束语

空间聚类分析是从总体、全局的角度来描述空间变量和空间物体的特性,在空间数据量日益海量化的现代GIS中,简单、直观进行空间聚类分析具有重要的意义。地图代数以点集变换与运算的代数观念来全面而本质地阐述图形符号的可视化及空间分析。本文只是对栅格数据的空间聚类算法进行初步的介绍,提出将栅格聚类与其他聚类方法融合的思路,寻求优势互补,提高计算的精确度和成功率。

密度聚类的网格聚类的基本单元都可视为点,这为算法互补提供了基础,而栅格距离变换后的特征点、线蕴藏着更深的空间关系,有待进一步地发掘。

参考文献

[1]耿协鹏,胡鹏.基于最短欧式距离的空间点集聚类的栅格算法[J].测绘科学,2008,33(3):35-37.

[2]柳盛,吉根林.空间聚类技术研究综述[J].南京师范大学学报(工程技术版),2010,10(2):57-62.

[3]郭金来,胡鹏.网络最短路径的地图代数栅格算法[J].测绘科学,2007,32(1):109-111.

[4]熊仕勇.一种新型的基于密度和栅格的聚类算法[J].计算机应用研究,2011,28(5):1721-1724.

[5]胡鹏,游涟,杨传勇.地图代数[M].武汉:武汉大学出版社,2001:117—136.

[6]杨帆,米红.一种基于网格的空间聚类方法在区域划分中的应用[J].测绘科学,2007,suppl:66-69.

[4]丁丽萍.Android操作系统的安全性分析[J].信息网络安全,2012,(03):23-26.

海量栅格数据的负载均衡机制 篇4

GIS行业一直以来都是以专业著称，但随着互联网的飞速发展和普及，面向大众化的GIS服务得到快速发展，特别是网络地图服务。网络地图服务已经进入了越来越多普通人的生活，并成为其中重要的一个方面。

1 传统网络地图服务系统模型

1.1 传统网络地图服务系统模型的层次结构

传统网络地图服务系统模型可划分为4个层次：表现层、WEB服务层、数据服务层、数据存储管理层。表现层主要负责地图在客户端的显示;WEB服务层主要负责处理用户请求，与数据服务层进行通讯;数据服务层主要负责查询数据库;数据存储管理层主要负责所有矢量数据、栅格数据、数据库数据的存储和管理。

1.2 传统网络地图服务系统模型的不足

对于传统网络地图服务系统模型四层分层结构，其系统构架有如下不足：

(1) WEB服务层。栅格数据采用金字塔模型进行存储，数据量很大。栅格数据在原始数据基础上进行分层分块，分层越多、分块越细，产生的数据量越大，可庞大至TB级以上。地图文件数目多、文件小，导致WEB服务层需要频繁的请求图片数据。如果数据服务层没有足够的承载能力，无法及时返回地图数据，将出现服务超时，客户端界面无响应等情况。

(2)数据服务层。一般一台PC服务器所提供的并发访问处理能力约为1 000个，高档专用服务器能够支持3 000-8000个并发访问，这样的能力是无法满足负载较大的应用需求的。网络请求具有突发性，地图服务请求数突然增加时，系统消耗会急剧上升，造成服务能力下降，系统反映迟缓。WEB服务层的突发请求数完全可能随时超过数据服务层的处理能力，这有可能导致整个系统的瘫痪。

2 改进的网络地图服务系统模型

针对传统网络地图服务系统的不足之处，笔者提出了一种改进的网络地图服务系统模型，有效地提高了WEB服务层和数据服务层、数据服务层和数据库存储管理层的通讯能力，力求加快WEB服务层和数据服务层的响应速度。如图1所示。

新的网络地图服务系统模型设计倾向于简单、实用、高效和低成本，作了如下改进： (1) 增加了负载均衡系统，从而可以方便的扩展地图服务器部署数量，并将WEB服务器请求分配给合理的地图服务器; (2) WEB服务器不再由某一地图服务器提供地图服务，而是由一个地图服务器集群来提供地图服务，各个地图服务器分布式部署; (3) 区别于传统负载均衡系统，该系统中WEB服务器直接与地图服务器通讯，不再经过负载均衡器; (4) 负载均衡系统本身有一定的安全保障机制，设立主、从负载均衡器，保证负载均衡系统的正常运行。

3 地图服务器负载均衡机制实现

3.1 负载均衡策略

由图1可以看到，数据服务层增加了很多地图服务器，这些地图服务器分布式部署。每个地图服务器可以看作是一个网络节点，这些节点共同组成了地图服务器池，负载均衡系统负责管理所有的地图服务器池。负载均衡系统一方面根据特定的均衡策略分配地图服务器;另一方面对所有的地图服务器池进行实时监控管理，可以及时识别新的地图服务器的加入、退出以及地图服务器故障。本系统采用主、从负载均衡器的方式实现负载均衡系统的故障容错机制。从负载均衡器主要用作监视主负载均衡器工作状态，并随时准备在主负载均衡器不能正常工作时，接替主负载均衡器的工作。

分布式系统的负载均衡策略通常分为静态和动态负载均衡策略。静态负载均衡策略是利用简单的系统信息，通过调度算法来选择节点，从而分配、执行任务。这种策略只需要对上面的信息简单的分析处理，但是不能动态调整节点信息变化，节点利用率很低。动态负载均衡策略是根据系统当前状态或者最近状态决定如何给分布式系统中的每个节点分配任务。但是频繁的收集节点信息会给系统带来额外的负担。

结合静态负载均衡策略和动态负载均衡策略的优缺点，本文提出了混合负载均衡策略，以静态负载均衡策略为主，动态负载均衡策略为辅的策略，避免因节点变化带来系统性能降低的情况。

3.2 负载均衡系统的设计

3.2.1 系统设计

负载均衡系统主要包括3个部分：WEB服务层、地图服务器和负载均衡系统，如图2所示。其中地图服务器在原有模块结构中增加了一个节点资源计算器，主要负责计算节点服务器硬件资源，包括CPU可利用率、剩余内存、地图服务请求平均完成时间、剩余可请求并发数等。WEB服务器则增加了优先级调节器，主要负责监控WEB服务器与地图服务器之间的网络情况，并根据网络繁忙情况对各个地图服务器节点优先级进行一定幅度的调节。

负载均衡系统主要包括地图服务分配器、节点信息收集器、节点权值计算器、节点网络监视器等。节点信息收集器主要负责收集节点资源信息;节点网络监视器主要负责监视节点的网络情况以及节点工作状态;节点权值计算器则根据节点资源信息和网络情况计算节点负载权值;地图服务分配器根据得到的负载权值来给WEB服务器分配地图服务器资源。

3.2.2 系统工作流程

3.2.2. 1 负载均衡系统工作流程

(1)启动阶段。 (1) 地图服务器启动后，内部节点资源计算器计算当前节点服务器硬件资源情况(CPU可利用率、剩余内存、地图服务请求平均完成时间、剩余可请求并发数等)，将信息发送给负载均衡器的节点信息收集器; (2) 节点网络监视器监视节点网络情况及节点状态; (3) 节点权值计算器根据节点资源信息和网络情况计算节点负载权值; (4) 地图服务分配器根据得到的权值来给WEB服务器分配地图服务器资源。

(2)运行阶段。 (1) 节点资源收集器定时收集地图服务器资源利用情况，并反馈给地图服务分配器，分配器调用节点权值计算器修正节点权值; (2) 节点网络监视器定时监视节点网络情况及节点状态，并反馈给地图服务分配器，分配器调用节点权值计算器修正节点权值。如果节点状态为“关闭”，则设置节点权值为0，停止对该节点分配地图请求任务; (3) 地图服务器内部节点资源计算器发现没有系统资源或者剩余请求并发数达到极限值时，发送“忙”状态给节点资源收集器。节点资源收集器通知节点权值计算器设置该节点权值为0，停止对该节点分配地图请求任务。

(3) WEB服务器分配任务。负载均衡器的地图服务分配器并不是真正分配地图服务请求，它只是根据节点权值计算器计算的各个节点权值来分配节点优先级，并根据优先级形成队列。节点资源利用越低，权值越高，所分配的优先级越高，反之越低。处于“忙”或“关闭”状态的节点没有优先级，不进入优先级队列中。

负载均衡器将优先级队列发送给WEB服务器，WEB服务器根据优先级队列来分配地图服务请求，优先级越高，分配的地图服务请求越多。

WEB服务器内部的优先级调节器监视WEB服务器与地图服务器之间的网络通讯情况，并根据网络情况对优先级队列进行一定幅度的调节。与地图服务器之间的网络通讯延迟越短，对该地图服务器的优先级提高得越多，反之，则降低其优先级。

3.2.2. 2 负载均衡系统自我保护系统工作流程

负载均衡系统自我保护系统包括两个部分：一个主负载均衡器，一个从负载均衡器。

主负载均衡器主要负责对地图服务器集群的负载均衡工作，是整个负载均衡系统的核心模块。从负载均衡器只是作为主负载均衡器的一个补充，它和主负载均衡器部署在不同的服务器上。从负载均衡器负责监视主负载均衡器的工作状态，并定时拷贝主负载均衡器中的所有计算结果和优先级队列。当监测到主负载均衡器不能正常工作时，从负载均衡器临时接替主负载均衡器的工作，直到主负载均衡器恢复正常工作状态为止。当主负载均衡器恢复正常工作时，从负载均衡器将所有计算结果和优先级队列发送给主负载均衡器，然后恢复对主负载均衡器的监视状态。

4 实验结果

网络地图服务系统用Java语言编写，并在Linux平台环境下进行测试。测试环境如表1所示。

分别测试一台地图服务器、两台地图服务器、四台地图服务器和五台地图服务器时，整个网络地图服务平均取图时间曲线如图3所示。1台、2台、4台、5台地图服务器，分别对于100个、200个、400个、800个、1 000个用户同时访问时，每个栅格地图请求的平均反应时间。从曲线图可以了解到，在使用负载均衡系统以后，大大降低了大量用户同时访问网络地图服务时栅格地图响应时间。同时也要注意，并不是随着地图服务器数量的成倍增长，平均响应时间成反比例下降。地图服务器达到一定数量以后，增加地图服务器数量对减少栅格地图平均响应时间没有很大帮助。因此，可以在其中找到一个平衡点，既能尽量减少栅格地图平均响应时间，又可以最大限度的利用资源。

5 结束语

本文主要针对传统网络地图服务系统承载力不足，在原有系统架构上增加了负载均衡机制，有效解决了网络地图服务瞬时地图请求并发数过大，造成系统无法响应的问题。对系统资源进行优化分配，实时调整分配策略，有效利用了系统资源，提升了网络地图服务系统的承载能力，提高了地图服务质量。

摘要：针对传统的网络地图服务系统在响应时间和承载能力等方面的不足, 在对原有网络地图服务系统架构分析的基础上, 提出一种改进的分布式架构, 并基于此设计出一种新型混合负载均衡机制来提高地图服务系统运行效率。该系统已经成功应用到Barn空间数据网格系统中, 较好地提升了系统的承载能力, 减少了响应时间, 优化了网络地图服务的服务质量。

关键词：网络地图服务,地理信息系统,负载均衡

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