并行空间分析算法研究进展及评述_王结臣(1)

率、性能、处理能力等方面的要求也越来越高。
是并行计算的核心和瓶颈技术。
并行计算是将一项大的数据处理与数值计算任
并行算法是指在各种并行机上求解问题和处理
务（或任务的 局 部 ）分 解 为 多 个 可 相 互 独 立、同 时 进 数据，其本质是把多任务映射到分 处 理 机 中 执 行，或
行的子任务，并通过这些子任务相 互 协 调 的 运 行，实 将现实的多维问题映射到具有拓扑结 构 的 多 处 理 机
衡树 方 法、倍 增 技 术、流 水 线 技 术 及 加 速 级 联 策 略 。 ［４］ 此外，为 便 于 并 行 算 法 的 设 计 与 理 论 分 析 以
算法 的 作 用，本 文 在 简 单 介 绍 并 行 计 算 方 法 的 基 础 及为 并 行 计 算 提 供 软 硬 件 系 统 设 计 的 简 易 界 面，近
平面扫描算法是支持矢量数据空间分析的有效 算法，通 过 该 算 法 对 空 间 对 象 进 行 逐 一 扫 描 可 判 断
其 间 的 顺 序 及 拓 扑 关 系，是 空 间 拓 扑 分 析 的 基 础。 目前，并 行 平 面 扫 描 算 法 主 要 有 分 解 归 并 方 法 和 平 面扫描树方 法。 分 解 归 并 方 法 应 用 较 普 遍，即 主 处 理机 通 过 将 事 件 点 平 均 分 配 给 分 处 理 机，各 分 处 理 机处 理 完 各 自 的 任 务 后 将 结 果 发 送 给 主 处 理 机，最 后主处理机 将 各 事 件 点 合 并，得 到 问 题 的 解。 平 面 扫描树技 术 是 平 面 扫 描 算 法 并 行 化 的 一 个 重 要 手 段，在具体的 空 间 分 析 之 前，首 先 进 行 预 处 理，通 过 并行 归 并 等 技 术 构 建 平 面 扫 描 树，然 后 遍 历 和 搜 索 这 棵 扫 描 树，最 终 确 定 空 间 对 象 的 拓 扑 邻 近 关 系。 平面 扫 描 树 技 术 可 用 于 梯 形 分 解、三 角 剖 分 及 平 面 点定位等具体的空间问题中，因为 采 用 并 行 方 法，平 面扫 描 树 技 术 可 以 给 每 个 元 素 分 配 处 理 器，极 大 地 减小了处理问题的时间复杂度 。 ［７］
摘要：作为 ＧＩＳ的核心功能之一，空间分析逐步向处理数据海量化及分析过程复杂化方向 发 展，以 往 的 串 行 算 法 渐 渐不能满足人们对空间分析在计算效率、性能等方面 的 需 求，并 行 空 间 分 析 算 法 作 为 解 决 目 前 问 题 的 有 效 途 径 受 到越来越多的关注。该文在简要介绍空间分析方法和并行计算技术的基础上，着 重 从 矢 量 算 法 与 栅 格 算 法 两 方 面 阐述了目前并行空间分析算法的研究进展，评述了在空间数据自身特殊性的影响下 并 行 空 间 分 析 算 法 的 发 展 方 向 及 存 在 的 问 题 ，探 讨 了 在 计 算 机 软 硬 件 技 术 高 速 发 展 的 新 背 景 下 并 行 空 间 分 析 算 法 设 计 面 临 的 机 遇 与 挑 战 。 关键词：并行计算；空间分析；并行 ＧＩＳ 中 图 分 类 号 ：Ｐ２０８ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７２－０５０４（２０１１）０６－０００１－０５
矢量空间数据可较为精细地表达地物实体及详 细属 性 信 息，但 实 体 间 存 在 着 多 种 复 杂 的 空 间 关 系 （如相邻、相接等拓扑关系等），并行处 理 过 程 中 须 考 虑地物实体的排序、联合、数据条带 化 以 及 拓 扑 关 系 维护等因素。 因 此，面 向 矢 量 空 间 数 据 的 并 行 化 存 取与处理的相关算法和机制研究有较大难度。并不 是所 有 的 空 间 分 析 都 适 合 并 行 化，这 里 主 要 从 平 面 扫描算法、空间数据查询、空间 连 接 操 作、凸 包 算 法、 Ｄｅｌａｕｎａｙ三角网构建、空 间 网 络 分 析 等 方 面 阐 述 空 间矢量数据并行算法的研究进展。
论支撑，这些技 术 已 开 始 应 用 于 包 括 ＧＩＳ 应 用 在 内 目的。并行算 法 经 过 多 年 的 发 展，目 前 已 形 成 一 些
的诸多领域。然而，由于并行技 术 发 展 时 间 不 长，因 基本设计方法，常见的并行计算策 略 有 分 治 策 略、平
此 ＧＩＳ核心 空 间 分 析 功 能 的 并 行 化 也 处 在 发 展 初 期。为了较好地认识并行计算技术对改进空间分析
此外，并行空间分析还要考虑 ＧＩＳ的特殊性，其 影 响 主 要 包 括 ：１）算 法 因 素 ：ＧＩＳ 中 并 非 所 有 的 空 间 应用 及 其 关 键 算 法 均 可 实 现 并 行 化，这 受 限 于 空 间 应用算法本身的 特 征。２）数 据 因 素：包 括 空 间 数 据 的复杂程度、相关 性 程 度 和 数 据 量 大 小 等。３）实 现 因素：已 有 的 并 行 化 算 法 设 计 与 实 现 大 多 是 基 于 ＭＩＭＤ 并行 计 算 机 系 统，使 用 ＰＶＭ 或 ＭＰＩ并 行 计 算软 件，而 空 间 数 据 模 型 的 并 行 特 征 将 着 眼 于 空 间 数据模 型 本 身 及 空 间 数 据 的 组 织 结 构 和 存 储 方 式 。 ［６］ 为评估并 行 空 间 分 析 算 法 的 研 究 进 展，本 文 根据数据处理类 型 的 不 同，将 并 行 ＧＩＳ 空 间 分 析 应 用大 体 分 为 两 类：基 于 矢 量 数 据 的 并 行 存 取 与 空 间 分 析 应 用 ；基 于 栅 格 图 像 数 据 的 并 行 空 间 分 析 应 用 。 ２．１ 并 行 矢 量 算 法
上对并行空间分析算法作了综合性的回顾与探讨。 ３０年来，针对不同类 型 的 并 行 计 算 机 提 出 了 多 种 并
１ 并 行 计 算 方 法
行计算模型，如 ＰＲＡＭ 及其改进模型、ＶＬＳＩ和 ＢＳＰ 模型 等，以 及 与 网 络 并 行 计 算 密 切 相 关 的 Ｃ３ 和
并行计算是计算数学与新一 代 计 算 机 相 结 合 的 ＬｏｇＰ 模型。其中，ＰＲＡＭ 是广泛使用的抽象并行计
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地 理 与 地 理 信 息 科 学 第２７卷
２ 并 行 空 间 分 析 方 法
并行空间分析方法是 ＧＩＳ空间分析方法与并行 计算 的 结 合，致 力 于 通 过 空 间 分 析 算 法 的 并 行 化 解 决空间数据处理 的 速 度 与 质 量 问 题。ＧＩＳ 数 据 具 备 空间信息容 量 大、地 理 分 布 广、时 效 性 强、多 源 异 构 等特 征，为 了 有 效 组 织 多 源 的 相 关 数 据 进 行 综 合 分 析，以建立响应速度快、计算能力强 和 空 间 数 据 高 效 组织与管理的新机制来认知、模拟、预 测 和 调 控 自 然 地 理 环 境 和 社 会 经 济 过 程 ，客 观 上 要 求 大 力 发 展 空 间 分 析 并 行 计 算 方 法 。 另 外 ，大 力 发 展 并 行 空 间 分 析 方 法也有主 观 上 的 可 行 性。其 一，网 络 并 行、多 核 处 理 器、可视化并行编程及分布式 ＧＩＳ 等 技 术 的 发 展，为 空间分析的并行计算提供了条件；其 二，以 往 对 空 间 分析算法的改进多通过建立空间 索 引、数 据 分 组、高 速缓 冲 技 术、数 据 结 构 优 化 及 其 他 组 合 优 化 技 术 来 提高 算 法 性 能，这 些 方 案 中 大 多 渗 透 着 并 行 计 算 中 常 用 的 分 组 、分 治 等 思 想 ，利 于 算 法 的 并 行 化 。
产物，其主要 研 究 内 容 包 括 并 行 计 算 机、并 行 算 法、 算模 型，ＢＳＰ 模 型 提 供 了 简 单 和 可 定 量 分 析 程 序 运
并行程序设 计 和 并 行 应 用 等。 相 比 于 串 行 计 算，并 行计算有其明显的特点：多个处理器执 行 部 件（执 行
行时 间 的 成 本 函 数，Ｃ３ 和 ＬｏｇＰ 模 型 考 虑 了 通 信 和 同步等因素，形成了更贴合实际的并行计算模型 。 ［５］
空间分析是 ＧＩＳ 的 核 心 功 能 之 一，也 是 ＧＩＳ 区 核）协 作，共 同 完 成 某 一 项 任 务，各 个 执 行 部 件 的 处
别于一般信息管理系统的显著特 征 之 一。 作 为 衔 接 理工作可分 布 在 相 同 的 计 算 机 上 （ＭＰＰ／ＳＭＰ／多 核
空间 数 据 处 理 与 应 用 模 型 的 重 要 部 分，空 间 分 析 通 处理器），也 可 分 布 在 不 同 的 计 算 机 上。 理 论 上，并
理地理科学领域中各种地理对象分析的重要方法。 据计算和处理能力优势使并行计算成为计算机领域
然而，随着应 用 的 深 入，数 据 海 量 化、构 架 网 络 化、处 的研究热点之一。在并行计算 方 面，并 行 体 系 结 构、
理实时化等要求日益提高，对空间分析功能在计算效 并行 软 件 和 并 行 算 法 三 者 缺 一 不 可，其 中 并 行 算 法
收 稿 日 期 ：２０１１－０５－１８； 修 订 日 期 ：２０１１－０８－２２ 基 金 项 目 ：江 苏 高 校 优 势 学 科 建 设 工 程 资 助 项 目 ；国 家 基 础 科 学 人 才 培 养 基 金 能 力 提 高 项 目 （Ｊ０８３０５１８） 作 者 简 介 ：王 结 臣 （１９７３－ ），男 ，博 士 ，教 授 ，主 要 从 事 地 理 信 息 系 统 理 论 与 应 用 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｔｍａｉｌｗａｎｇ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ
现快速、高效的问题求 解 。 ［２］ 近 年 来 网 络、高 性 能 计 上求解。为了 尽 可 能 实 现 计 算 的 高 效 率，并 行 算 法
算机、多 核 计 算 机 等 的 推 广 应 用 为 其 提 供 了 硬 件 支 需通过增加单位时间的算法复杂性来 减 少 整 体 的 时
撑，并行算法等理论技术的发展为 其 提 供 了 软 件、理 间复 杂 性，达 到 将 时 间 复 杂 性 转 化 为 空 间 复 杂 性 的
过对原始数据的特征观察、分析和 处 理，获 得 更 多 的 行计算具有将计算能力从单个处理器 无 缝 扩 展 到 无
经验和 知 识，并 以 此 作 为 空 间 行 为 的 决 策 依 据 。 ［１］ 限多个处理器的潜力 。 ［３］ 大 量 计 算 任 务 被 分 配 到 多
在 ＧＩＳ应用迅猛发展的今天，ＧＩＳ空间分析已成为处 个分 处 理 器 上 将 获 得 更 快 的 处 理 速 度，其 巨 大 的 数
第 ２７ 卷 第 ６ 期 ２０１１ 年 １１ 月
地理与地理信息科学 Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｇｅｏ－Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ

Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．６ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１１
并行空间分析算法研究进展及评述
王 结 臣，王 豹，胡 玮，张 辉
（南京大学地理信息科学系，江苏 南京 ２１００９３）
空间数据查询通常被归类为空间数据库中空间 操作的范畴。 面 对 海 量 的 空 间 数 据，使 用 并 行 服 务 器实现多个并 发 用 户 同 时 参 与 数 据 查 询，可 以 充 分 发挥并行计算的优势并大幅提高空间数据库的数据 存取与处理能力。空间数据的并行查询效率与数据 划分策略及空间索引结构密切相关。数据划分强调 数据在多个磁盘系统上较均匀分布，每个磁盘上的数 据保持相对平衡的状态。面向并行空间数据库系统， 贾婷等提出了一种基于 Ｈｉｌｂｅｒｔ空间填充曲线的适于 矢量空间数据的划分方法和 Ｋ－平均聚类算法，较 好 地实现了 空 间 数 据 的 均 衡 划 分 。 ［８，９］ 空 间 索 引 结 构 的 构 建 要 尽 可 能 减 小 索 引 的 重 叠 区 域 和 空 白 区 域 ，Ｒ 树索引得到了广泛应用。刘润涛等结 合 改 进 的 Ｋ－ 均值算法，给出了 基 于 Ｒ 树 和 四 叉 树 的 空 间 索 引 结 构，具有更紧凑的结构和更高的查询效率 。 ［１０］