地理矢量数据快速可视化技术研究

论文摘要

随着遥感、航测等诸多遥测手段的大规模应用,世界各国各行业获取的地理数据量呈几何式激增,人类业已迈入海量大数据时代。对于地理信息系统而言,如何快速地可视化这些数据是地理信息领域的一大问题。目前已有的地理信息系统软件大都是桌面软件,整个软件在个人电脑上安装,数据存放在本地磁盘,计算、绘制均由本地桌面计算机完成。由于受单机的性能的制约,对于大规模地理空间数据,这些桌面软件无法快速甚至没有能力进行可视化。因此,本文针对这个日益突出的问题,提出基于服务器集群的大规模地理空间数据快速可视化技术。本文从以下几个方面展开研究:首先,本文设计基于服务器集群的可视化框架,该框架采用B/S结构。前端交互界面是用户操作管理的窗口。用户通过网页进行各种地图操作以及数据管理。地图显示窗口采用瓦片化技术,每个瓦片由一个节点进行绘制。服务器端由网络服务器以及绘制服务器组成。网络服务器是前端与绘制服务器端的连接桥梁,包括服务器的瓦片缓存管理以及网络负载调度。瓦片缓存管理用于将已绘制完成的瓦片缓存到服务器共享磁盘上的文件系统中,实现瓦片的第二次请求加速;网络负载调度均匀地将瓦片请求分配给服务器的多个绘制节点,实现多节点的负载均衡。绘制服务器由多个集群节点上的绘制引擎以及空间数据库组成。空间数据库用于存储地理矢量数据,绘制引擎实现将地理数据绘制成瓦片,是整个框架的核心部分。其次,地图经过瓦片化处理后,有些瓦片仍然可能集中了大量的要素,这些瓦片绘制时间长,会降低整个地图绘制速度。对此,本文利用服务器的多节点多核优势,提出在绘制引擎部分实现对单个瓦片进行多线程并行绘制方法。首先进行任务划分,然后多线程分别绘制各自的任务,最后主线程进行任务合并。通过多线程并行绘制,极大地提高了瓦片的绘制速度。通过实验测试获得较好的加速比。最后,本文提出顺序划分数据和间隔划分数据两种面向地理矢量数据并行可视化的负载均衡策略。顺序划分数据策略按照线程号顺序地分配一段连续的数据,间隔划分数据策略每个线程的数据都不是连续存储的。通过实验验证,间隔划分数据策略负载均衡效率优于顺序划分数据策略负载均衡效率。最后通过实验总结出对于线要数数据该何时采用多线程并行以及采用多少线程的经验值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高性能地理可视化研究现状
• 1.2.2 多线程任务调度研究现状
• 1.3 研究内容和意义
• 1.4 论文的组织
• 第二章 地理矢量数据可视化框架设计
• 2.1 传统桌面软件的地理矢量数据可视化流程
• 2.2 基于集群服务器的地理矢量数据可视化框架
• 2.3 实现可视化流程的关键技术
• 2.3.1 瓦片化技术
• 2.3.2 瓦片缓存技术
• 2.3.3 网络负载均衡技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 地理矢量数据快速绘制技术
• 3.1 并行程序性能评价方法
• 3.2 基于多线程并行的矢量数据快速可视化技术
• 3.2.1 地图数据组织
• 3.2.2 多线程并行化
• 3.2.3 图像合成方法
• 3.3 实验分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 面向地理数据多线程并行可视化的任务调度策略
• 4.1 影响多线程并行效率的因素
• 4.2 多线程中的任务调度
• 4.3 数据划分策略
• 4.3.1 顺序划分策略
• 4.3.2 间隔划分策略
• 4.4 数据划分策略实验分析
• 4.4.1 顺序划分策略实验
• 4.4.2 间隔划分策略实验
• 4.4.3 实验分析
• 4.5 任务划分策略
• 4.5.1 何时采用多线程
• 4.5.2 多线程线程数生成策略
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统设计与实现
• 5.1 HiGIS平台硬件系统结构
• 5.2 HiGIS平台软件系统结构
• 5.3 地理数据可视化实现
• 5.4 整体框架实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要研究成果
• 6.2 进一步的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 在学期间参加的与本课题相关的科研项目