Всем привет! Я снова буду рассказывать о геоинформационных технологиях. Этой статьей я начинаю серию о технологиях на стыке миров классических ГИС и все еще модного направления BigData. Я расскажу о ключевых особенностях применения распределенных вычислений к работе с геоданными, а также сделаю краткий обзор существующих инструментов.

Сегодня нас окружает огромное количество неструктурированных данных, которые до недавнего времени было немыслимо обработать. Примером таких данных могут служить, например, данные метеодатчиков, используемые для точного прогноза погоды. Более структурированные, но не менее массивные датасеты – это, например, спутниковые снимки (алгоритмам обработки снимков c помощью машинного обучения даже посвящен ряд статей у сообщества OpenDataScience). Набор снимков высокого разрешения, допустим, на всю Россию занимает несколько петабайт данных. Или история правок OpenStreetMap — это терабайт xml. Или данные лазерного сканирования. Наконец, данные с огромного количество датчиков, которыми обвешано множество техники – от дронов до тракторов (да, я про IoT). Более того, в цифровую эпоху мы сами создаем данные, многие из которых содержат в себе информацию о местоположении. Мобильная связь, приложения на смартфонах, кредитные карты – все это создает наш цифровой портрет в пространстве. Множества этих портретов создают поистине монструозные наборы неструктурированных данных.


_{На рисунке — визуализация треков OpenStreetMap с помощью GeoWave}

Где стык ГИС и распределенных вычислений? Что такое «большие геоданные»? Какие инструменты помогут нам?

Здесь к месту упомянуть немного заезженный, но все еще не лишившийся смысла термин BigData, Большие Данные. Расшифровка этого термина зачастую зависит от личного мнения расшифровывающего, от того, какие инструменты и в какой сфере он использует. Часто BigData используется как всеохватывающий термин для описания технологий и алгоритмов для обработки больших массивов неструктурированных данных. Часто основная идея – это скорость обработки данных за счет использования алгоритмов распределенных вычислений.

Помимо скорости обработки и объема данных, существует еще аспект «сложности» данных. Как разделить сложные данные на части, «партиции» для параллельной обработки? Геоданные изначально относились к сложным данным, и с переходом к «большим геоданным» эта сложность возрастает практически экспоненциально. Соответственно, важной становится не просто обработка миллиардов записей, а миллиардов географических объектов, которые являются не просто точками, но линиями и полигонами. К тому же, зачастую требуется вычисление пространственных взаимоотношений.

Пространственное партицирование

На помощь нам приходит пространственная индексация, и зачастую классические методы индексации здесь слабо применимы. Для индексации двумерного и трехмерного пространства существует немало подходов. Например, знакомые многим геодезические сети, деревья квадрантов, R-деревья:



Одним из наиболее интересных методов является многообразие «заполняющих пространство кривых», Z-Curve и Gilbert Curve на рисунке выше. Первооткрывателем этих кривых был Джузеппе Пеано. Основная идея заключается в том, чтобы превратить многомерное пространство в одномерное с помощью кривой, которая фрактально заполняет собой все пространство. Вот, например, так кривая Гильберта заполняет собой плоскость:



А вот так эти кривые выглядят на земной поверхности:



Взяв на вооружение эти индексы, мы можем, наконец, прийти к партицированию геоданных. Нужно ли нам заново изобретать методики? К счастью, нет! На помощь нам приходят уже существующие фреймворки. Их немало, каждый из них имеет свою применимость и свои сильные стороны. Ниже я расскажу о наиболее примечательных.

GeoJinni (в прошлом SpatialHadoop)

GeoJinni (прежде называвшийся SpatialHadoop) – крайне интересное расширение для Hadoop, добавляющее геопространственные функции в различные слои и компоненты Hadoop для хранения, обработки и индексации больших геоданных. Если быть точным, то расширение затрагивает слои MapReduce и хранения, а также добавляет свой собственный операционный слой.

На самом нижнем уровне добавляется новый тип данных, позволяющий хранить и обрабатывать геоданные как ключ-значение. Также добавляются инструменты для загрузки и выгрузки различных форматов геоданных. В противовес классической структуре (точнее, ее отсутствию) хранилища Hadoop, GeoJinni создает два слоя индексного пространства, локальный и глобальный. Глобальный индекс позволяет партицировать данные по нодам кластера, локальный же отвечает за партиции на каждый ноде. Эта концепция позволяет использовать три типа индексов – Grid, R-tree и R+-tree. Все индексы строятся по запросу пользователя и размещаются непосредственно в HDFS.

GeoJinni устанавливается как расширение к уже существующему кластеру Hadoop, что не требует сборки кластера заново. Расширение может быть без проблем установлено в различных дистрибутивах Hadoop, например, Apache Hadoop, Cloudera или Hortonworks.

GeoMesa

GeoMesa – это набор инструментов, созданный специально для распределенных обработки, анализа и визуализации больших пространственно-временных данных, в том числе и потоковых. Например, потоки данных датчиков IoT, данные соцсетей.

Основой для хранения массивных наборов данных являются распределенные колоночные типы хранение, такие как Accumulo, HBase, Google Bigtable. Это позволяет быстро обращаться к этим данным через запросы с использованием расстояний и площадей. Также GeoMesa позволяет обрабатывать данные практически в реальном времени через специальный слой для системы потоковых сообщений Apache Kafka.

Наконец, с помощью подключения к ГИС-серверу GeoServer GeoMesa предоставляет доступ к своим потоковым сервисам через OGC протоколы WFS и WMS, что дает большой простор для пространственно-временных анализа и визуализации, от карт до графиков.

GeoWave

GeoWave в своей концепции задумывался как аналог PostGIS, пространственному расширению PostgreSQL, но для распределенного колоночного хранилища Accumulo. Этим хранилищем он долгое время и ограничивался, при этом оставаясь проектом с закрытым кодом. Лишь недавно код был передан в фонд Apache. И уже подключаются хранилище HBase и картографический движок Mapnik.

Предоставляет для Accumulo мультипространственные индексы, стандартные географические типы и операции, а также возможность обработки облаков точек PDAL. Обработка данных происходит через расширения для MapReduce, а визуализация через плагин к GeoServer.

Очень похож в своей концепции с GeoMesa, использует те же хранилища, но сосредоточен не на пространственно-временных выборках, а на визуализации многомерных массивов данных.

GeoTrellis

GeoTrellis отличается от своих собратьев. Он задумывался не как инструмент для работы с большими массивами геоданных, а как возможность утилизации распределенных вычислений для максимальной скорость обработки даже стандартных объемов геоданных. В первую очередь, речь идет об обработки растров, но за счет эффективной системы партицирований стало возможно выполнять и пространственные операции, и конвертацию данных. Основными инструментами разработки являются Scala и Akka, инструментом распределенной аналитики – Apache Spark.

Глобальная цель проекта – предоставление отзывчивого и богатого инструментария на уровне веб-приложения, что должно изменить пользовательский опыт в использовании систем распределенных вычислений. В конечном итоге, развитие экосистемы открытых геотехнологий, где GeoTrellis дополнит PostGIS, GeoServer и OpenLayers. Основными целями команда разработки ставит следующие:

• Создание масштабируемых высокопроизводительных веб-геосервисов
• Создание распределенных геосервисов для обработки «больших геоданных»
• Максимальная параллелизация процессов обработки данных

GeoTrellis – прекрасный фреймворк для разработчиков, предназначенный для создания отзывчивых и простых REST-сервисов для обращения к моделям геопроцессинга. Оптимизация и параллелизация производится самим фреймворком.

GIS Tools for Hadoop

Наборы инструментов от Esri хотя формально и являются открытыми, но их применение имеет смысл в первую очередь с продуктами Esri. По концепции очень схожи с GeoJinni.

Инструменты разделены на три уровня

• Esri Geometry API for Java. Библиотека для расширения Hadoop геопространственными абстракциями и операциями
• Spatial Framework for Hadoop. Расширение для использования геопространственных запросов в Hive Query Language
• Geoprocessing Tools for Hadoop. Непосредственно средства интеграции Hadoop и ArcGIS, позволяющие выполнять операции распределенного пространственного анализа в настольном и серверном приложениях.

Что дальше?

Геоданные всегда были где-то рядом с большими данными, и приход инструментов распределенных вычислений позволяет делать действительно интересные вещи, позволяя не только географам, но и аналитикам данных (или как их модно называть, Data Science), совершать новые открытия в области анализа данных. Мгновенные моделирование затоплений, создание линий горизонта, пространственная статистика, анализ населения, создание трехмерных моделей из облаков точек, анализ спутниковых снимков.

Следующие статьи я посвящу инструментам и сфере их применения. Ваши комментарии могут помочь нам в проработке тем для следующих статей.

• О каком из фреймворков вы бы хотели прочитать первым?
• О каком применении распределенных вычислений вы бы хотели узнать подробнее?