[基于網(wǎng)格計算的地理信息系統(tǒng)]地理信息系統(tǒng)

　　摘要：網(wǎng)格技術為空間信息獲取與處理提供了新的技術途徑，在空間信息科學領域具有非常廣闊的應用前景。本文通過介紹網(wǎng)格計算及其相關概念，提出了空間信息技術與網(wǎng)格技術的結合――網(wǎng)格GIS，并簡單分析了網(wǎng)格GIS的概念、特點、關鍵技術和體系結構。?
　　關鍵詞：網(wǎng)格計算；地理信息系統(tǒng)；網(wǎng)格GIS?
　　中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A??
　　
　　1 引言?
　　
　　隨著網(wǎng)絡技術的進一步發(fā)展，“網(wǎng)格”出現(xiàn)的頻率越來越高，人們對網(wǎng)格技術所寄予的希望也可見一斑。網(wǎng)格的基礎是internet，但又高于internet。所謂網(wǎng)格（Grid），是指將機群、超級計算機、大規(guī)模存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫以及其它地理上分散的特殊儀器設備，甚至個人計算機等所有的計算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源等連接起來作為單個統(tǒng)一資源使用。從而能夠方便快捷地解決各種復雜的問題。網(wǎng)格的最終目標是實現(xiàn)像電力網(wǎng)那樣的網(wǎng)格資源應用模式，使得用戶使用網(wǎng)格資源就像使用電力一樣方便。?
　　同時，網(wǎng)格在GIS領域也受到了極大的重視。GIS在經(jīng)歷了四十多年的飛速發(fā)展后，人們對空間信息處理效率、服務質量等需求伴隨空間數(shù)據(jù)的飛速膨脹正急劇提高，許多大型空間信息應用問題迫切需要解決。在近些年，“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”成為GIS的發(fā)展方向，而基于TCP/IP協(xié)議的萬維網(wǎng)卻難以很好地解決“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”的實時處理和信息共享等方面的問題。這樣，基于網(wǎng)格計算的GIS（GRIDGIS）應運而生。在網(wǎng)格環(huán)境下，GIS能夠利用網(wǎng)格的優(yōu)勢對自身的功能進行拓展和完善，為各種用戶提供快速、高效的空間信息服務。同時，網(wǎng)格中大量的高性能計算機能夠通過組合和協(xié)同進行空間信息的分析和處理，大幅度提高GIS的數(shù)據(jù)處理速度，也更加有效地利用所存儲的空間數(shù)據(jù)資源。?
　　
　　2 網(wǎng)格GIS的特點?
　　
　　網(wǎng)格GIS實現(xiàn)了海量空間信息資源的匯集和共享，是對webGIS的一種繼承和發(fā)展[1]?。一方面它和GIS一樣采用了分布式數(shù)據(jù)管理策略，實現(xiàn)了GIS在廣域環(huán)境下的應用；另一方面，它克服了webGIS在資源組織管理和利用能力上的低下，能夠實現(xiàn)超大規(guī)模的GIS工程應用項目，對空間信息進行一體化處理，并具有按需服務的能力，為用戶提供透明的各類空間信息共享和互操作服務。總的來說，網(wǎng)格GIS具有以下特點：?
　�。�1）空間信息資源的分布與共享?
　　網(wǎng)格環(huán)境中的空間信息分布于不同的地理位置上，網(wǎng)格GIS可以對這些物理位置分散的各種空間數(shù)據(jù)進行無縫集成和協(xié)同式處理，應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源可以是不同地點，不同存儲方式的復雜數(shù)據(jù)源，從而最大程度地實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)資源的共享和協(xié)同，消除信息孤島，為用戶提供增強的GIS服務功能。?
　　（2）系統(tǒng)的異構和統(tǒng)一?
　　網(wǎng)格技術不是要完全取代現(xiàn)有的各種技術，而是對現(xiàn)有技術的發(fā)展和延伸。因此，網(wǎng)格環(huán)境下存在著形形色色的資源管理系統(tǒng)，它們在應用分析方法，數(shù)據(jù)管理策略和使用格式上都存在著差異，這種差異是網(wǎng)格中系統(tǒng)異構的具體體現(xiàn)。同時，這種差異的存在也決定了網(wǎng)格GIS必須具有跨平臺和操作系統(tǒng)的管理能力。因此，網(wǎng)格GIS需要在一個統(tǒng)一的網(wǎng)格服務協(xié)議上建立網(wǎng)格GIS各層的應用，以保證不同平臺，不同數(shù)據(jù)格式的應用系統(tǒng)能夠通過統(tǒng)一的接口對網(wǎng)格GIS資源進行訪問。?
　�。�3）數(shù)據(jù)的多源和海量?
　　由于空間數(shù)據(jù)獲取手段很多，數(shù)據(jù)的存儲和表達方式也各不相同。數(shù)據(jù)的多源化加了空間數(shù)據(jù)的整體利用難度，也使得大量的異構數(shù)據(jù)相互成為數(shù)據(jù)盲區(qū)。同時，空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相當龐大，并且隨著數(shù)據(jù)獲取技術的進步還在高速增長當中。因此，為了實現(xiàn)多源海量數(shù)據(jù)的快速統(tǒng)一訪問，有必要建立數(shù)據(jù)轉換標準和快速的數(shù)據(jù)索引機制。?
　�。�4）資源的動態(tài)性?
　　網(wǎng)格作為一種松耦合的網(wǎng)絡環(huán)境，隨時都可能有節(jié)點遷入或者遷出網(wǎng)格，其所包含的資源是在不斷變化中的。同時，GIS數(shù)據(jù)是與時間密切相關的資源，會隨著時間的演化而動態(tài)改變。這種動態(tài)的資源變化特點要求網(wǎng)格GIS是一個開放的系統(tǒng)，能夠對資源的改變進行支持，在動態(tài)的變化中滿足用戶的數(shù)據(jù)需求，從而更好地支持各種GIS數(shù)據(jù)服務。?
　　
　　3 網(wǎng)格GIS的關鍵技術?
　　
　　網(wǎng)格GIS作為以數(shù)據(jù)網(wǎng)格技術為支撐的大型GIS平臺，必須要實現(xiàn)廣域范圍內(nèi)空間信息的充分共享和各種數(shù)據(jù)互操作，需要多種技術的支撐，其中，既包括網(wǎng)格計算的關鍵技術也包括GIS的一些關鍵技術。?
　　3.1 網(wǎng)格計算的關鍵技術?
　　3.1.1 寬帶網(wǎng)絡技術?
　　寬帶網(wǎng)絡系統(tǒng)是網(wǎng)格計算環(huán)境中，提供高性能通信的必要手段。網(wǎng)格由于資源利用范圍廣，應用系統(tǒng)對響應速度的要求高，必須由高質量的寬帶網(wǎng)絡系統(tǒng)提供通信支持，做到即連即用。?
　　3.1.2 資源管理和任務調(diào)度技術?
　　這也是網(wǎng)格計算的核心技術。計算資源管理主要解決對資源的描述、組織和管理。而任務調(diào)度技術則是隨時根據(jù)系統(tǒng)當前的負載情況，對系統(tǒng)內(nèi)所運行的任務進行動態(tài)的調(diào)整，保證系統(tǒng)的高效率運行。?
　　3.1.3 安全技術?
　　網(wǎng)格安全所包括的內(nèi)容非常廣泛，比如認證、授權、保證、記帳、審計、完整性、機密性等，幾乎涉及到網(wǎng)格的方方面面。網(wǎng)格的基本要求是滿足用戶安全、高效地使用其提供的各種資源的要求，并且這種資源服務能夠被別的節(jié)點方便使用。因此，網(wǎng)格安全體系必須能夠抗拒各種非法攻擊和入侵，并且在受到攻擊和入侵時能夠采取一定措施維持系統(tǒng)的正常運行和各種信息資源的安全。?
　　3.2 網(wǎng)格GIS特有的關鍵技術?
　　3.2.1 超大規(guī)模空間數(shù)據(jù)的存儲與管理技術?
　　數(shù)據(jù)服務是網(wǎng)格GIS的中心任務，所有的網(wǎng)格GIS應用和計算分析都是圍繞著數(shù)據(jù)這個空間信息載體來進行。網(wǎng)格GIS可以支持各種信息數(shù)據(jù)輸入格式，如支持BMP、GIF、PNG、JPG等格式； 支持3DS、DXF、VRML等三維模型格式；支持各種矢量等高線數(shù)據(jù)；支持SHP、DGN、MIF、EOO等GIS和CAD矢量數(shù)據(jù)。?
　　但數(shù)據(jù)的獲取是非常復雜的，需要多個環(huán)節(jié)的密切配合、多種手段共同完成的過程。?
　�。�1）地下網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的獲�。嚎梢詮脑O計數(shù)據(jù)、有經(jīng)驗的管工及先進的探管儀來獲得地下管道的精確位置，把它們轉換成解析圖和相關數(shù)據(jù)，按類型存入到數(shù)據(jù)庫中。?
　�。�2）地表網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的獲取：可以通過以下幾個方面綜合獲�。和ㄟ^衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取整個城市或地區(qū)的概貌；通過航測系統(tǒng)可以得到小一些區(qū)域的概貌，使對象范圍更加具體；對于更小一些的對象則通過測量儀器對其準確定位。這樣就可以得到一個城市全部的地表數(shù)據(jù)，通過轉化生成數(shù)字化的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。?
　　（3）空間數(shù)據(jù)的獲�。哼b感、GPS技術和數(shù)字化野外測量技術可以實現(xiàn)空間地理信息的采集。衛(wèi)星遙感圖像的精度將有可能提高到米級甚至分米級，而無人駕駛的采用GPS定位的小型飛機或航空模型裝載CCD數(shù)字像機可以直接、快速地獲取高精度城市規(guī)劃有用的信息和制作數(shù)字化影像圖和矢量地圖。數(shù)字化野外測量技術則采用電子平板儀加上GPS定位獲取高精度的測量電子數(shù)據(jù)，并直接輸入計算機系統(tǒng)中。?
　　3.2.2 空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)及其服務技術?
　　在網(wǎng)格環(huán)境下，各種資源是在不斷動態(tài)變化著的，如何讓網(wǎng)格GIS用戶更加快速和方便地使用各種資源是必須要解決的問題。元數(shù)據(jù)技術是在網(wǎng)格資源發(fā)現(xiàn)中普遍采用的技術，同理，我們可以采用元數(shù)據(jù)服務技術提高網(wǎng)格GIS的資源發(fā)現(xiàn)能力，讓用戶能夠更容易地獲取最佳的資源配置方案。?
　　3.2.3 網(wǎng)格GIS應用和集成技術?
　　本質上，網(wǎng)格GIS仍然是GIS，是比傳統(tǒng)GIS功能更強、性能更高、使用更加方便快捷的GIS。網(wǎng)格GIS應用技術研究利用通用的網(wǎng)格GIS瀏覽器為用戶提供擴展的GIS應用服務，如海量空間數(shù)據(jù)挖掘，協(xié)同式復雜空間分析等等。網(wǎng)格GIS主要是解決分布式環(huán)境中異構平臺的服務集成問題，這里的集成包括多源空間數(shù)據(jù)的集成和GIS操作的集成。?
　　
　　4 網(wǎng)格GIS的體系結構?
　　
　　參考現(xiàn)有的網(wǎng)格計算體系結構OGSA[4]?，網(wǎng)格GIS可以采用三層的體系結構，如圖1所示。?
　　
　　4.1 網(wǎng)格GIS基礎設施層?
　　網(wǎng)格GIS基礎設施包含網(wǎng)上可訪問的所有地理信息資源，例如它們可能是計算機、集群、存儲設備、數(shù)據(jù)庫，也可能是特殊的科學儀器。由所有的地理上分布的和從Internet任何地方接入的資源組成。網(wǎng)格GIS基礎設施僅僅實現(xiàn)了計算資源在物理上的連通，但從邏輯上看，這些地理信息仍然是孤立的，信息共享問題仍然沒有解決。因此必須在網(wǎng)格GIS基礎設施上通過網(wǎng)格GIS中間件層（一體化平臺）來完成廣域空間信息的有效共享。?
　　4.2 網(wǎng)格GIS中間件層?
　　網(wǎng)格GIS中間件是指一系列工具和協(xié)議軟件，其功能是屏蔽網(wǎng)格GIS基礎設施中空間信息的分布、異構特性，向數(shù)據(jù)網(wǎng)格應用層提供透明、一致的使用接口。網(wǎng)格GIS中間件提供核心服務，如遠程進程管理服務、資源分配服務、存儲訪問服務、信息（登錄）服務、安全控制服務、認證和質量服務（QoS），比如，資源預訂交易。網(wǎng)格GIS用戶層次中間件（GridGIS User-level middleware）包含資源經(jīng)紀人或用于聚集資源的調(diào)度程序責任。?
　　4.3 網(wǎng)格GIS應用層?
　　在上述網(wǎng)格GIS服務的基礎上，面向各應用領域對空間信息的使用模式和使用特點，提供空間信息應用政策和協(xié)議、應用工具等，建立空間數(shù)據(jù)處理與信息服務集成環(huán)境。?
　　
　　5 結論?
　　
　　本文討論了網(wǎng)格計算的相關概念和研究進展，并在此基礎上提出了網(wǎng)格GIS的概念、特點、關鍵技術及其體系結構。將網(wǎng)格計算引入GIS是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最新技術與地理信息學科的結合，能夠解決當前空間信息的共享嚴重滯后于網(wǎng)絡技術發(fā)展和應用需求的現(xiàn)狀，推動“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”的深入發(fā)展。但GRIDGIS及其應用的研究成果尚不多見，目前的一些研究多停留在概念、原理層的探索，GRIDGIS的許多理論與技術問題還有待進一步探索和研究。?
　　
　　參考文獻?
　　
　　[1]孟令奎，史文中，張鵬林.網(wǎng)絡地理信息系統(tǒng)原理與技術[M].北京：科學出版社，2005.?
　　[2]Lewis. M， Grimshaw. A. The core Legion object model. High Performance Distributed Computing， 1996， Proceedings of 5th IEEE International Symposium on 6-9 Aug. 1996 Page（s）：551-561.?
　　[3]Foster. I， Kesselman. C. The Globus project： a status report. Heterogeneous Computing Workshop， 1998. （HCW 98） Proceedings. 1998 Seventh 30 March 1998 Page（s）：4-18.?
　　[4]都志輝，陳渝，劉鵬.網(wǎng)格計算[M].北京：清華大學出版社，2002.

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