新一代網格環境下的空間數據互操作研究

摘要：提出了基于新一代網格計算環境的空間數據互操作體系結構模型。首先介紹GIAM模型和分布式節點結構，然后描述該模型中空間數據注冊服務、空間數據中介服務流程，最后討論吉林西部生態環境問題在該模型下的應用。

關鍵詞：空間數據;網格;互操作

中圖分類號：TP311．52文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)08－0287－02

目前，地理信息系統已經發展了四十多年。在GIS發展過程中，已經產生和積累了大量的地理空間數據，但是，由于傳統的GIS是封閉式建設，硬件平臺、軟件系統、數據標準、數據結構以及數據格式上千差萬別，幾乎難以實現數據共享和互操作。空間數據互操作包括許多方面的因素，如相關標準、規范、體系結構模型、信息整合策略、元數據和數據質量描述、數據格式和類型轉換技術、授權、安全和保密性。由于最近在如下幾方面的進展，包括OGC的WMS和WFS規范， GML、SVG為空間數據的無縫整合提供了新的機會。另外，隨著網絡技術的發展以及Web服務技術的成熟，采用Web服務標準開發的面向服務的網絡中間件[1]已經成為一種明顯的趨勢。網格中間件普遍采用GGF[2]定義的開放網格服務架構OGSA。其核心是OGSI/WSRF[3]層和OGSA[4]服務層。

1空間數據互操作體系結構模型

1．1GIAM體系結構

綜合當前空間數據互操作的應用需求和網格計算技術的最新發展趨勢，本文提出新一代網格環境下的空間數據互操作體系結構模型，如表1所示。

該體系結構模型自上而下分為五層，下面三個層分別為基礎資源層、協議層、基礎網格服務，提供基本的網格支撐環境、協議和整合各種物理資源、邏輯資源。這幾個層次為上層屏蔽了網格資源的異構性，支持網格計算的統一管理、分布式調度與各種安全控制。

1．2GIAM分布式節點結構

GIAM基于新一代網格計算技術，支持跨組織大范圍的資源協調和問題解決。與傳統的集中控制應用不同，GIAM遵循網格節點對等模式。每個節點可以部署相同或不同的空間數據互操作服務，節點之間相互獨立并支持分布式數據的復制、傳播、緩存等任務。GIAM分布式節點結構如圖1所示。

GIAM數據節點是一組網格節點，可以包括各種異構數據：基于Oracle、DB2等關系型空間數據；ArcIMS、WMS服務器數據；文件集合，如shapefile、GML文件等。根據宿主的不同可以將數據分為兩類，一類是用戶將空間數據完全存入系統進行管理，能夠被GIAM完全管理和控制的數據（包括存儲、日志、版本控制、查詢和復制等），這些數據位于系統內的數據節點；另一類是用戶的數據，用戶根據需要將該類數據的元數據注冊到系統中，系統只能根據元數據信息和相應權限對用戶數據進行管理和操作（如檢索服務）。數據節點根據OGSA規范實現獲取數據的接口適配器。例如，如果數據節點為ArcIMS服務器，該適配器能夠將空間數據中介服務發出的數據請求調用轉換為ArcIMS能夠理解的請求。

GIAM服務節點可以包括一組服務?？臻g數據注冊服務允許用戶注冊自己的數據、服務，并提供這些數據和服務的發現、訪問及查詢機制；空間數據中介服務負責接收針對空間數據的檢索請求，并將該請求分解為各個獨立的請求，然后發給相應數據節點；空間數據組合服務負責將數據節點返回的結果進行整合，然后提供給空間數據中介服務；異構空間數據源可以有不同的、不兼容的分類模式和解析標準，GIAM允許跨多種語義異構數據源的數據檢索，空間數據本體服務自動將用戶的檢索請求轉換成目標數據源能夠識別的請求語義[5]。

GIAM門戶節點為用戶提供與空間數據相關的注冊、檢索、訂閱等任務的工作環境。如果沒有客戶端系統，用戶可以登錄GIAM門戶，在門戶管理區進行空間數據的注冊和管理任務（包括元數據、關系數據、shapefile、GML等），在門戶搜索區檢索或訂閱空間數據。另外，對于已經存在客戶端系統，如桌面ArcGIS、ArcIMS HTML viewer、SVG viewer、MapObjects Java viewer或用戶自己專用的客戶端，GIAM門戶節點提供相關的接口服務。已有客戶端系統調用GIAM門戶節點的接口服務來完成空間數據的注冊、檢索、管理以及與權限相關的任務。

1．3空間數據注冊服務

空間數據注冊服務具體流程如圖2所示。

a）登錄GIAM門戶節點；

b）輸入相關數據的元數據，啟動空間數據注冊服務；

c）將元數據傳入GIAM數據節點（如果用戶允許空間數據駐留GIAM系統內，則將用戶的空間數據復制到本地數據節點）；

d）啟動GIAM數據節點的網格數據復制服務，將元數據和駐留本地節點的用戶空間數據復制到其他GIAM數據節點，提高元數據和空間數據的檢索性能。

1．4空間數據中介服務

空間數據中介服務具體流程如圖3所示。

登錄GIAM門戶節點，進行空間數據檢索和訂閱。兩者區別在于，空間數據檢索是一個“拉”數據的過程，用戶主動地在系統內尋找數據，將數據“拉”到自己的工作區；而空間數據訂閱是向系統提交數據訂閱任務，系統可以對該任務進行排隊，在指定的條件下將訂閱結果“推”給用戶工作區。

以空間數據檢索為例，服務節點的空間數據中介服務接收到數據檢索請求后，進行以下操作：

a）將請求發給空間數據本體服務，本體服務檢查該請求，將請求轉換為異構數據源能夠理解的語義；

b）將請求進行分解，分別分發給不同的數據節點，進行系統范圍內的元數據檢索和空間數據檢索；

c）如果匹配到相應空間數據，數據節點的數據復制服務將該數據結果返回給服務節點的空間數據組合服務，進行數據裝載和整合任務。

2應用討論

考慮吉林省西部地區生態環境變化問題研究[6]。該研究采取的技術路線主要包含如下內容：多源信息GIS數據庫的建立以及多尺度空間信息的融合方法研究；屬性數據庫的簡歷以及統計數據空間化的研究；生態環境變遷過程

模擬方法研究等[6]。其中多源GIS空間數據的集成和融合是該研究中非常關鍵的部分。如果采用傳統的數據集中整合模式（圖4），即通過某種方式整合各個系統數據，使各個應用系統集中訪問數據，則存在下列問題：制定各個系統數據的整合標準非常困難；數據轉換的成本非常高，容易導致數據丟失等；單一數據庫嚴重限制了數據的規模，負載大；不利于以后的數據擴展。

利用本文討論的GIAM模型。首先，該模型不用定義所有數據的格式標準；其次，數據以原始格式存儲，防止數據缺失；最后，數據以分布式方式存儲，便于以后擴展。

3結束語

本文提出的空間數據互操作模型基于新一代的網格計算技術和OGC的最新規范，是一個能夠管理分布式的數據集合和面向服務的計算架構（serviceoriented architecture，SOA）。基于該模型，用戶能夠高效地進行空間數據的注冊、整合和分布式計算等任務。

參考文獻：

[1]PAPAZOLOU M P.Serviceoriented compution:concepts，characteritics and direction [C]//Proc of the 4th International Conference on Web Information Systems Engineering(WISE’03).2003.

［2］Global grid forum[EB/OL].(2005).http://www.gridforum.org/.

[3]JOSEPH J，EMEST M，FELLENSTEIN C.Evolution grid computing architecture and grid adoption models [J].IBM System Jounals，2004，43(4):25－28.

[4]The globus project [EB/OL].(2005).http://www.globus.org/.

[5]SMITH B，MARK D.Geographic categories:an ontological investigation [J].IJGIS，2001，15 (7):591－612.

[6]周云軒，劉殿偉，王磊，等.吉林省西部生態環境變化模型研究[M].北京:科學出版社，2004:103110.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”