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    基于微服務與OpenAcc的遙感信息加速提取系統研究與實現

    日期:2021年01月15日 編輯:ad201107111759308692 作者:無憂論文網 點擊次數:333
    論文價格:50元/篇 論文編號:lw202101081510308563 論文字數:32055 所屬欄目:職稱論文發表
    論文地區:中國 論文語種:中文 論文用途:職稱論文 Thesis for Title

    本文是一篇職稱論文發表,本文以遙感圖像的植被指數提取算法為背景開展研究,以歸一化植被指數為例,將原有提取算法改進。在分析多種并行方式的優缺點后,本文提出了基于單卡和雙卡的異步多流的 OpenAcc 并行模式,將加速算法集成至遙感信息加速提取系統中并最終驗證了基于異步多流的 OpenAcc 并行模式的真實有效性。


    第 1 章 緒論


    1.1 研究背景及意義

    1.1.1 研究背景

    隨著大數據時代的到來,云端互聯與服務計算等技術的飛速發展,具有豐富功能,為社會生產生活帶來便捷性的各種軟件系統應運而生。眾多軟件企業采用不同的軟件開發模式與軟件開發體系,逐漸豐富并完善了軟件生態系統。在此基礎上,隨著軟件功能不斷擴展、用戶負載量逐漸增長等發展問題,軟件生態系統中模塊與組件之間的調用依賴關系也變得越來越復雜[1]。為了在軟件系統組件與數據迅速迭代的情況下確保軟件生態系統的穩定性,解決點對點集成中擴展能力弱,維護成本高與多接口開發的問題,開發人員提出了面向服務體系架構,即 SOA。SOA 中包含了多個服務,服務之間相互獨立且相互依賴,各服務通過網絡相互調用。隨著移動互聯網的發展,面向服務體系架構逐漸出現了服務治理有效性差、系統更新能力弱、系統可用性差等弊端。因此,開發人員提出了使業務更加服務化和組件化的微服務架構。

    微服務的概念是 2014 年 Martin Fowler 首先提出的。微服務架構的核心理念是將復雜的應用系統以獨立業務單元的形式分解為多個服務,每個服務可以采用不同的實現技術,以輕量級、更靈活的方式進行獨立設計、開發、部署。運行于獨立的進程中,形成高度內聚的自治單元,可以避免服務之間爭用數據庫和緩存資源帶來的問題。代碼易理解且開發效率高,服務可擴展性強。微服務架構由多個組件共同構成,其中的每個組件都是獨立的單位,可以進行獨立部署。微服務提供了服務注冊與發現、負載均衡等組件。服務注冊與發現組件可以注冊并保存各個服務所在的機器和端口號;負載均衡組件可以從一個服務的多臺機器中選擇一臺達到負載均衡的目的。

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    1.2 國內外研究現狀

    1950 年代以來,以蘇聯和美國為首的國家發射了人造衛星、TIROS、ESSA、ATS的氣象衛星和載人宇宙飛船,進而不斷發展遙感行業。20 世紀末期,美國發射的 IKNOS衛星成為了有史以來第一顆遙感圖像精度達到 1 米的遙感衛星,這是人類遙感史上的里程碑。我國于 1970 年首次發射了人造地球衛星,在 1975 年首次利用返回式衛星得到了衛星的遙感圖像。遙感專題產品已經在地理數據的研究、資源信息的獲取、自然災害的防治、農業遙感監測以及水質監測等多方面得到了廣泛應用。

    1.2.1 微服務研究現狀

    微服務是近年來新興的服務架構。2010 年,南京大學的翟曉娟、聶娜等人研究面向服務架構理論,運用面向服務的分析方法設計了具有松散耦合、獨立自治等特性的編目微服務,并在代碼層實現了微服務的自由組配[5]。2011 年,中國科學院的吳振新對當時長期保存系統的架構進行研究,并指出了其靈活性和擴展性方面的不足。其次介紹了微服務的特點以及發展過程。通過對微服務在長期保存系統的兩個典型應用的研究,指出微服務在長期保存領域的獨特優勢和發展前景[6]。2015 年,上海交通大學的李會一設計了基于微服務架構的智慧社區應用服務與資源管理系統。實現了支持長服務的資源管理子系統,實現了應用服務的注冊、發現、監控、調用統計、容量評估等功能[7]。2019 年,電子科技大學的吳為通過對現階段微服務的主流框架以及消息中間件在系統中的使用等各方面的介紹,分析設計了基于微服務的 AP 設備云管理系統,使系統性能滿足如今需求[8]。

    遙感行業不斷發展,遙感信息加速提取系統整體架構也在不斷地發展與提升,遙感信息加速提取系統在遙感圖像的加載、處理、信息提取等方面有著長期的應用與發展。

    2009 年,相關人員開發了基于 ASP.NET 架構的 Web 遙感信息提取系統并實現了專題信息提取,該體統架構與 IDL 相結合調用 The Environment for Visualizing Images 遙感影像處理平臺進行開發[9]。2016 年,電子科技大學分析設計了全球生態環境遙感專題產品生產與服務系統,該系統為 javaweb 系統,以 Hadoop 分布式計算平臺作大數據的分析和處理。系統主要對全球環境監測指數以及草原干旱指數產品算法集群并行化[10]。隨著移動互聯網的快速發展以及系統功能的逐漸豐富,當前遙感信息加速提取系統的服務便捷性以及開發可擴展性有所不足,微服務架構以其按需伸縮、快速擴容等特點能夠滿足不斷發展的社會生產需求。

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    第 2 章 基于微服務的系統架構設計


    2.1 系統分析與設計

    2.1.1 系統分析

    遙感信息加速提取系統根據用戶的需求可以劃分為以下三部分:遙感速遞、核心加速、遙感數據展示。系統的具體功能劃分如圖 2-1 所示。

    圖 2-1 遙感信息加速提取系統服務劃分

    遙感速遞是遙感信息加速提取系統中一個關于遙感信息的服務模塊。該服務的主要功能是展示遙感信息,介紹遙感技術。遙感速遞服務模塊主要用于向使用該系統的用戶展示最新的遙感新聞。該服務模塊主要分為三個小模塊,分別是遙感新聞列表,遙感新聞展示和遙感技術介紹。遙感新聞列表將展示國內為最新的多項遙感新聞資訊供用戶選擇;遙感新聞展示則具體展示用戶選擇的相關遙感新聞內容;遙感技術介紹對國內外前沿的遙感技術進行詳細說明。

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    2.2 數據庫設計

    遙感信息加速提取系統的數據庫設計從微服務的架構出發,每個核心微服務設計單獨的數據庫表,滿足系統中用戶以及管理員的需求。從用戶的需求以及可行性分析出發,對遙感信息加速提取系統的數據庫進行分析和設計。用 UML 圖中的 E-R 圖來展示數據庫設計的實體關系。

    遙感信息加速提取系統是使用 MySQL 數據庫進行數據庫的搭建以及設計,同時搭建FTP 文件服務器存儲遙感圖像文件,滿足用戶上傳遙感圖像文件,請求并行加速計算以及得到遙感圖像計算結果等功能;管理員具備上傳遙感速遞,介紹遙感技術等功能。系統的 E-R 圖如圖 2-5 所示。

    圖 2-5 遙感信息加速提取系統微服務 E-R 圖

    數據庫設計分為多張表,將用戶和管理員設計為兩張表,使用戶和管理員的系統管理方便快捷化。在遙感信息加速提取系統中,用戶主要需求是對遙感信息的獲取以及對遙感圖像文件的處理。管理員的主要功能是管理后臺執行算法的數據以及上傳遙感速遞,介紹遙感技術等。

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    第 3 章 基于 OpenAcc 的并行模式研究.................19

    3.1 算法流程設計.........................19

    3.1.1 圖像處理技術.....................19

    3.1.2 算法流程概述.......................20

    第 4 章 系統實現................................33

    4.1 開發環境...................................33

    4.2 核心功能模塊....................................34

    第 5 章 總結與展望.................................45

    5.1 總結..............................45

    5.2 展望.............................46


    第 4 章 系統實現


    4.1 開發環境

    為了使用戶在視覺、時間上具有良好的體驗感,遙感信息加速提取系統需要有較高的實時性,并具有快速應對多用戶同時訪問的能力,且整體界面設計簡便友好。同時由于硬件需要,算法的加速需要在一臺具有兩塊或兩塊 GPU 以上的計算節點中執行?,F將遙感信息加速提取系統分為高性能計算服務器節點、系統開發服務器節點以及 FTP文件服務器節點。高性能計算服務器節點負責對遙感圖像的植被指數提取算法進行并行加速,系統開發服務器節點負責項目整體的開發,FTP 文件服務器節點負責存儲參與并行加速計算前后的遙感圖像。

    系統開發服務器節點整體性能參數指標見表 4-1。

    表 4-1 網站開發節點性能參數指標

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    第 5 章 總結與展望


    5.1 總結

    本文以遙感圖像的植被指數提取算法為背景開展研究,以歸一化植被指數為例,將原有提取算法改進。在分析多種并行方式的優缺點后,本文提出了基于單卡和雙卡的異步多流的 OpenAcc 并行模式,將加速算法集成至遙感信息加速提取系統中并最終驗證了基于異步多流的 OpenAcc 并行模式的真實有效性。下面將逐一敘述本人完成的各個科研任務:

    (1) 設計了基于單卡異步多流、雙卡異步多流的 OpenAcc 并行模式,并對兩種 OpenAcc 并行模式進行實驗認證。以歸一化植被指數算法為研究對象,對比分析了串行模式與兩種 OpenAcc 并行模式的消耗時間,列舉單卡異步多流、雙卡異步多流的加速比,并對兩種 OpenAcc 并行模式進行標準偏差檢測,論述說明了兩種 OpenAcc 并行模式的可行性。

    (2) 依據制定出的異步多流的 OpenAcc 并行模式,分析并設計了遙感信息加速提取系統。采用分布式、多節點協同的設計理念搭建了完整的微服務框架,并將系統中的核心加速與遙感數據展示服務集成至框架中。系統劃分為三個核心模塊:遙感速遞服務模塊,該模塊為用戶提供實時的遙感熱點信息以及前沿遙感技術。加速處理服務模塊,該模塊是系統的核心,將基于單卡異步多流、雙卡異步多流的 OpenAcc 并行模式應用在加速處理

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