江媛媛，周圣川，韓 勇，馬純永

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 海洋技術(shù)系，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋遙感教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100）

網(wǎng)絡(luò)化虛擬地理信息系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)向用戶提供超媒體、交互式、分布式的空間信息，具有傳統(tǒng)虛擬地理信息系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢(shì)[1-3]，使得VR和GIS處理海量空間數(shù)據(jù)的方式從原來(lái)的集中、獨(dú)占走向分布、共享。但是，受網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和海量空間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制中圖形設(shè)備、數(shù)據(jù)吞吐效率的制約，在分布式VR-GIS研究中還存在諸多問(wèn)題[4-6]。針對(duì)現(xiàn)有海量空間數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化索引、調(diào)度、存取方面的不足，并考慮技術(shù)實(shí)施的可行性，本文研究了空間數(shù)據(jù)索引與文件系統(tǒng)索引性能的最優(yōu)化組合，建立了面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的海量三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)和高效數(shù)據(jù)訪問(wèn)模型。通過(guò)對(duì)海量三維空間數(shù)據(jù)渲染與網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)流負(fù)載平衡性能模型的研究，為虛擬城市等空間數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用系統(tǒng)提供了智能的網(wǎng)絡(luò)化性能檢測(cè)、優(yōu)化方法，也為相關(guān)的VR-GIS理論研究開(kāi)拓了新的方向。

1 研究?jī)?nèi)容

1）分布式三維空間數(shù)據(jù)索引算法及其與分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的最優(yōu)化結(jié)合。從現(xiàn)有的多源、異構(gòu)、海量三維空間數(shù)據(jù)出發(fā)，對(duì)三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，分析空間數(shù)據(jù)的性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[7，8]。對(duì)已有的多種空間數(shù)據(jù)索引，如R-樹(shù)、R+樹(shù)、四叉樹(shù)、網(wǎng)格索引、B樹(shù)索引等進(jìn)行深入研究，分析其在分布式存儲(chǔ)模型中的性能特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與不足。以此為基礎(chǔ)，研究了網(wǎng)絡(luò)化分布式文件系統(tǒng)中的三維空間數(shù)據(jù)索引模型，在網(wǎng)絡(luò)化存儲(chǔ)集群上研究基于分布式存儲(chǔ)的三維空間數(shù)據(jù)索引模型[9]；進(jìn)一步，對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，研究和探索空間數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)與物理文件索引結(jié)構(gòu)的性能最優(yōu)化結(jié)合方法，設(shè)計(jì)專(zhuān)用于三維空間數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)在性能因子上的擬合使2種索引相互優(yōu)化，在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)最佳的三維空間數(shù)據(jù)運(yùn)算和調(diào)度傳輸性能。

2）網(wǎng)絡(luò)化三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)模型及其優(yōu)化方法。針對(duì)三維空間數(shù)據(jù)特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了與之對(duì)應(yīng)的空間數(shù)據(jù)物理分布模型，研究支持三維空間數(shù)據(jù)高并發(fā)、高吞吐量網(wǎng)絡(luò)化訪問(wèn)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)模型[10，11]。該數(shù)據(jù)庫(kù)模型以面向三維空間數(shù)據(jù)的分布式文件索引結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)高效的三維空間數(shù)據(jù)索引控制數(shù)據(jù)在分布式子網(wǎng)和外網(wǎng)中流轉(zhuǎn)，著重對(duì)空間數(shù)據(jù)的外存組織、物理節(jié)點(diǎn)分布模型進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)具備強(qiáng)魯棒性、高可靠性、高效率的海量三維空間數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)與分發(fā)管理機(jī)制。

3）三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度、可視化性能指標(biāo)及影響因子的提取與量化。研究分析了影響虛擬城市等網(wǎng)絡(luò)化空間數(shù)據(jù)處理應(yīng)用系統(tǒng)性能的因素，量化分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下三維空間數(shù)據(jù)索引、數(shù)據(jù)庫(kù)模型的性能參數(shù)，主要包括：

①分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下海量三維空間數(shù)據(jù)內(nèi)外存調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)傳輸性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及量化方法，主要包括數(shù)據(jù)傳輸吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸率、單位時(shí)間服務(wù)對(duì)象數(shù)、并發(fā)數(shù)、頁(yè)面幀速、頁(yè)面幀速方差等。

②量化影響虛擬城市計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的指標(biāo)，包括內(nèi)存、顯存、硬盤(pán)轉(zhuǎn)速、服務(wù)節(jié)點(diǎn)樹(shù)、磁盤(pán)頁(yè)面分布規(guī)律等，以及其對(duì)整體性能的影響。

③量化海量三維空間數(shù)據(jù)處理過(guò)程以及應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)、組織方式對(duì)整體性能的影響，主要包括數(shù)據(jù)整體的空間分布特點(diǎn)、幾何面片數(shù)、紋理數(shù)據(jù)量、對(duì)象節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及空間數(shù)據(jù)索引模型等。

④使用數(shù)據(jù)建模方法對(duì)獲取的性能實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立性能預(yù)測(cè)模型，主要包括影響空間數(shù)據(jù)檢索、運(yùn)算的性能因素與影響數(shù)據(jù)流負(fù)載平衡的性能因素，結(jié)合帶寬、節(jié)點(diǎn)數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)空間數(shù)據(jù)的存取、調(diào)度性能變化的預(yù)判和估計(jì)。

2 技術(shù)方案

研究遵循理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，以應(yīng)用需求為導(dǎo)向，按照數(shù)據(jù)集獲取、建立模型、網(wǎng)絡(luò)化集成、反饋分析的流程進(jìn)行開(kāi)發(fā)。總體研究路線如圖1所示。

圖1 總體研究路線圖

1）數(shù)據(jù)集選取。有效的測(cè)試數(shù)據(jù)集是研究的基礎(chǔ)，也是衡量系統(tǒng)是否滿足需求的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。本研究擬采用多類(lèi)型數(shù)據(jù)集結(jié)合的方式構(gòu)建基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)集。其中，在三維模型方面，使用“數(shù)字青島”20 GB全城區(qū)建筑模型數(shù)據(jù)，其中包含青島市區(qū)內(nèi)的所有建筑模型和高清晰度紋理數(shù)據(jù)；在DOM、DEM數(shù)據(jù)方面，使用總數(shù)據(jù)量為200 GB的美國(guó)阿拉斯加州10 m×10 m分辨率地形數(shù)據(jù)和“數(shù)字青島”3 m×3 m分辨率的高清晰度地形數(shù)據(jù)。此外，還綜合大量的測(cè)試用SHP數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)等常用空間數(shù)據(jù)，在保證測(cè)試數(shù)據(jù)量的同時(shí)，保證研究結(jié)果對(duì)常用空間數(shù)據(jù)的普適性。

2）分布式文件系統(tǒng)與空間數(shù)據(jù)索引性能的最優(yōu)化結(jié)合。將空間數(shù)據(jù)索引與分布式文件系統(tǒng)的物理節(jié)點(diǎn)分布結(jié)合，設(shè)計(jì)一種新的二次索引或混合式空間索引模式，以應(yīng)對(duì)不同分辨率、不同類(lèi)型、不同分布模式的三維空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)其在分布式文件系統(tǒng)上的性能最優(yōu)化。進(jìn)一步，將Hilbert與空間索引相結(jié)合，能在獲得最優(yōu)三維空間查詢性能的同時(shí)，使服務(wù)器的單節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)I/O最小化。

3）分布式三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型的建立。將空間數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)與分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)相結(jié)合，充分考慮三維空間數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)、空間數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布、DP次數(shù)等影響因素，對(duì)傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)模型進(jìn)行修正。構(gòu)建三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)物理層和網(wǎng)絡(luò)層模型，結(jié)合Hilbert空間填充曲線改變硬盤(pán)存儲(chǔ)器的分頁(yè)存儲(chǔ)模式，形成磁盤(pán)頁(yè)面屬性與空間屬性結(jié)合的數(shù)據(jù)分布模式。在分布式網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，實(shí)現(xiàn)三維空間數(shù)據(jù)自適應(yīng)壓縮算法，通過(guò)在傳輸前對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮降低可視化數(shù)據(jù)的傳輸量；在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)解壓時(shí)，依據(jù)客戶端配置進(jìn)行完全或部分解壓，并評(píng)估加壓率對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的影響。此外，通過(guò)對(duì)基于三維空間索引的優(yōu)化算法的研究，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和協(xié)議通訊I/O最小化。

4）分布式空間數(shù)據(jù)索引與數(shù)據(jù)調(diào)度性能的建模與優(yōu)化。建立分布式空間索引和三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)性能模型并進(jìn)行驗(yàn)證與仿真，性能建模的流程主要包括：運(yùn)行簡(jiǎn)化情況；運(yùn)行狀況跟蹤；在線圖形顯示；連續(xù)測(cè)試，將輸入?yún)?shù)作小的改變，然后進(jìn)行多次仿真，對(duì)任何一個(gè)輸入?yún)?shù)作小的變化，應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)小的輸出變化，如果輸出變化很大，則應(yīng)該進(jìn)行著重分析；退化檢測(cè)，將模型工作在系統(tǒng)、配置、負(fù)載等的極值狀態(tài)看測(cè)試結(jié)果；一致性檢測(cè)，輸入?yún)?shù)值的改變應(yīng)該在輸出有類(lèi)似的改變。試著采用不同方法進(jìn)行多次仿真，看其結(jié)果。此外，在收集大量性能測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行性能曲線的建模、擬合，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間索引和數(shù)據(jù)庫(kù)模型性能變化的預(yù)測(cè)，并給出自動(dòng)優(yōu)化的方案。

3 研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)

本文研究了網(wǎng)絡(luò)化分布式存儲(chǔ)模型中的三維空間數(shù)據(jù)高效索引與調(diào)度模型，突破了海量空間數(shù)據(jù)索引和調(diào)度算法的二維局限性和網(wǎng)絡(luò)局限性，建立了分布式文件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了分布式三維空間數(shù)據(jù)索引算法并探討了三維空間數(shù)據(jù)索引與分布式文件索引的性能最優(yōu)化結(jié)合方法（見(jiàn)圖2）。本文還研究了海量三維空間數(shù)據(jù)在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的節(jié)點(diǎn)分布、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和服務(wù)模型，提出了適用于三維空間數(shù)據(jù)和分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)據(jù)調(diào)度算法，建立了充分優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)化三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型，實(shí)現(xiàn)了能支持TB級(jí)三維空間數(shù)據(jù)在線交互式渲染的分布式三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，如圖3所示。

通過(guò)本模型的研究，建立了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于分布式三維空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與索引機(jī)制的調(diào)度傳輸及可視化性能模型，收集了當(dāng)前運(yùn)行環(huán)境下的性能指標(biāo)參數(shù)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的方法來(lái)有效準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)系統(tǒng)在不同負(fù)載壓力下的性能，為性能建模領(lǐng)域的研究提供了新的研究方法和技術(shù)路線。

圖2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的三維模型調(diào)度

圖3 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下導(dǎo)航與屬性調(diào)度

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