空間信息網格的資源共享框架研究

摘要：為了支持用戶在空間信息網格內對空間資源進行半自動化的定位、選擇、使用以及集成操作，并促使形成空間資源的規模應用，提出了SIG資源共享框架的思想。首先論述了SIG資源共享策略及框架的關鍵組成部分，并介紹了空間信息網格UDDI中心的頂層設計。最后結合國家地質調查局的應用需求，驗證了SIG資源共享框架在解決多源異構分布式數據動態集成和系統集成問題方面所起的關鍵作用。

關鍵詞：資源共享; 空間信息網格； 信息網格； Web服務； 統一描述、發現和集成

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)05-1422-03

空間數據指與地理位置相關的數據，作為一種主流的數據類型其已經被廣泛應用于社會經濟活動的眾多領域。我國已初步建立了以部門專業應用為主要目標的空間信息獲取與處理，并積累了海量的空間資源。這些資源主要包括已建和在建的各類空間數據庫、空間信息專業處理軟件、空間信息業務系統和硬件設備等。但是，這些寶貴的資源長期以來被零散部署在各個業務部門，難以為所屬業務部門之外的用戶跨地域、跨部門共享和集成應用，進而難以充分挖掘空間資源潛在的應用價值。

另外，網格理論所關注的問題從最初的高性能計算資源共享，擴展到從中間件的角度解決大規模、異構的數據資源和計算資源的共享。在這兩階段的研究和應用基礎上，網格理論開始從面向服務和元數據的體系結構角度研究網格基礎設施。筆者在廣泛追蹤國內外網格理論和技術上取得的關鍵成果的基礎上，結合我國空間數據的應用現狀，將大規模、異構、多源、廣域分布的空間資源的動態協同共享和集成問題歸納為典型的網格問題，即“基于個體、組織以及資源的動態虛擬組織的柔性、安全、協同的資源共享問題”[1]。并提出面向服務和元數據的SIG作為具體網格問題的有效解決方案。實現類型如此眾多且廣域分布的空間資源的共享，需要從總體上研究空間資源共享框架，并解決空間資源與潛在的空間資源需求者之間的信息壁壘，以及空間資源的規模應用這兩大難題。

1空間信息網格的資源共享策略

空間信息網格是一種匯集和共享多源、異構、海量、廣域分布的空間資源，對其進行一體化獲取、組織與處理，并提供按需服務能力的空間信息基礎設施和框架[2]。其力求確保用戶能夠得到任何主題的空間信息，包括部署在空間資源網格內的各種空間資源和部署在空間服務網格內各類空間服務的元數據信息。空間信息領域關注的資源共享問題主要指空間數據和處理資源的共享。其中：空間數據包括空間基礎數據和空間專題數據；空間處理資源包括各種GIS系統、GIS組件，以及其他類型的專業處理軟件和組件。

空間數據的異構和多比例尺特性導致用戶獲得數據之后往往不便于直接使用，并且出于安全和保密等方面的考慮，空間數據提供方傾向于將入庫的空間數據進行加工處理，進而共享處理之后的空間信息產品。解決空間數據的共享問題有兩種可選途徑：a)空間數據提供方使用本地的處理資源將空間數據加工為空間信息產品，采用業界成熟的數據共享方案將空間數據產品發布出去，即脫機數據共享；b)空間數據提供方共享本地的空間處理資源，共享用戶在使用遠程空間處理資源的過程中得到所需的空間數據產品，即聯機數據共享。

Web服務作為一種部署在互聯網上的可編程組件，基于開放的Web services[3]技術規范和標準，具有完好的封裝性和松散耦合的特性，能夠在各種異構空間信息平臺的基礎上構建一個通用的與平臺無關、開發語言無關的技術層，各種不同平臺上的處理資源依靠這個技術層來實施彼此的連接和集成。此外，基于Web服務和網格技術提出的OGSA[4]（open grid services architecture，開放網格服務架構）規范更易于將各種類型的資源以開放、統一的方式開發為一種特殊的Web服務，即網格服務（grid service）。通過共享Web服務和網格服務的方式能夠很好地解決異構空間處理資源的跨平臺、跨地域共享問題。綜合考慮空間數據和處理資源的共享問題，可以得出兩種方案：a)通過共享Web服務和網格服務的方式實現空間處理資源的共享和聯機空間數據共享，即可共享的空間信息服務;b)采用業界成熟的文件共享技術實現面向空間信息產品的脫機數據共享，即可共享的空間信息產品。

2空間信息網格的資源共享框架

隨著空間信息資源共享策略和技術的逐漸推廣，原來零散、廣域分布的海量空間資源將分割為可共享單元逐漸部署到互聯網，這為空間資源的共享應用奠定了資源和技術基礎。在此基礎上，SIG的資源共享框架將從解決空間資源與潛在的空間資源需求者之間的信息壁壘問題出發，輔以網格資源狀態監控技術和SIG資源交易模式，以共享Web服務和網格服務的方式解決多源異構分布式數據共享和系統集成問題，并推動空間資源的規模應用。

從功能的角度來看，SIG資源共享框架的思想可以通過UDDI（university description，discovery and integration）[3]中心、資源管理中心以及資源交易環境三部分及其之間的交互來體現。UDDI中心是基礎模塊，其他兩部分可以在其基礎上集成進來而完善共享框架體系。其中存在從資源管理中心到UDDI中心流向的監控對象狀態信息流、從資源交易環境到UDDI中心流向的訪問請求數據流，以及從UDDI中心到資源交易環境流向的響應數據流。具體關系如圖1所示。

2．1空間信息網格UDDI中心

空間信息網格UDDI中心作為聯系空間資源供求雙方的橋梁，起到了打破空間資源信息壁壘的作用。其作用是獲取、組織、管理來自SIG服務層的應用元數據內容，并向用戶提供對各類SIG服務和產品進行發現、選擇和調用操作所需的技術支持。UDDI中心所支持的現實實體包括空間服務和產品提供商、空間服務和產品以及規范和標準。這些實體可以抽象為：空間信息網格節點，涵蓋空間資源提供商和空間服務提供商的范疇；節點能力，涵蓋空間服務和產品的范疇；領域標準和規范，涵蓋空間信息領域的規范和標準以及UDDI規范指明的其他規范和標準范疇。此外，UDDI中心對三類抽象實體和用戶給予如下三方面的支持：提供三類抽象實體的元數據級描述規范，并且部分程度地包含了空間信息領域的語義信息；提供三類抽象實體的元數據信息的發布和存儲機制；提供基于元數據信息的多種發現機制和訪問機制[3]。

基于空間信息網格UDDI中心的應用過程具體而言：首先空間信息網格節點管理員依據三類抽象實體的描述規范和空間信息網格UDDI中心提供的發布界面實現對三類抽象實體元數據信息的發布；然后用戶可以利用空間信息網格UDDI中心提供的訪問界面查詢目標實體，并依據查詢到的實體綁定信息來調用具體的Web服務、網格服務以及空間產品。

2．2空間信息網格的資源管理中心

網格服務與Web服務的本質區別在于：網格服務支持有狀態的、有生命周期的短暫性服務；而Web服務屬于無狀態的永久性服務。隨著OGSA規范的不斷更新和廣泛采用，SIG中除了部署有永久性Web服務之外，將出現大量的短暫性網格服務。因此，無論從提高空間信息服務的服務質量，還是從全面的網格資源管理角度考慮，都需要在服務層對SIG進行監控和狀態評測。SIG的資源監控問題可以從監控對象、監控事件兩個角度考慮。根據共享粒度的不同將SIG服務層的監控對象歸納為如下兩類：a)SIG節點，包括主機離線、主機在線、主機硬件資源的消耗狀態、主機的通信狀態等基本狀態信息;b)空間信息服務，包括服務離線、服務在線以及服務負荷等狀態信息[5]。

監控事件是與監控對象緊密聯系的，是在特定時間由特定輸入觸發的輸出結果。監控對象的監控事件被觸發之后，事件消息傳遞給空間信息網格資源評測模塊，進而為監控對象賦予狀態信息，并且監控對象的狀態信息將映射到空間信息網格UDDI中心的具體數據模型上。之后，UDDI中心的發現模塊能夠根據監控對象的狀態信息屏蔽對處于非工作狀態節點和服務的發現請求，提高UDDI中心的服務質量。SIG的監控對象對應有兩種監控事件：a)警告。監控對象的狀態超過預定的警戒值尚未對系統運行構成致命威脅，如SIG節點負載超限，造成系統運行效率降低，但系統還未崩潰。b)故障。監控對象的運行呈停止狀態，即對于任何輸入均無相應輸出。SIG節點和空間信息服務離線。

2．3空間信息網格資源交易環境

SIG資源交易環境力求引導空間資源共享與應用的商業模式，推動空間資源的規模應用。其不僅支持空間基礎資源、服務和產品的交易活動，而且更加關注于軟件交易領域內的服務交易模式。服務交易模式被微軟認定為將來軟件業內的主流交易模式。SIG資源交易環境作為面向用戶的統一資源訪問入口，使用UDDI中心的應用元數據和資源管理中心的基礎元數據來定位、選擇、調用和集成SIG資源層的服務資源及基礎資源，并完成交易過程的公證、交易計費，以及交易結果的配送等功能。

空間資源的買方根據空間資源交易的標準商業領域模型向SIG資源交易環境提交資源請求文檔。資源交易環境的交易計劃生成引擎將據此與空間信息網格UDDI中心交互，產生滿足購買請求的一系列空間資源交易計劃，進而根據用戶購買目標形成偏好的交易計劃并判斷是否需要繼續執行偏好交易計劃。如果不需要則直接將交易計劃輸出給購買者；否則交易計劃執行引擎會解析具體的交易計劃，并按順序同空間資源提供商協商使用其資源，并負責將多個調用結果集成之后，提交給購買者。

3空間信息網格UDDI中心的設計

空間信息網格UDDI中心資源共享框架的關鍵組成部分是研究設計資源交易環境的前提條件和依據，同時接收來自資源管理中心的監控對象狀態數據流。空間信息網格UDDI中心采用B/S和遠程過程調用相結合的混合模式來實現。就B/S模式而言，在表現層選用JSP技術，在業務邏輯層選用Java類和Bean，在數據層選用JDBC和關系數據庫技術。就遠程過程調用模式而言，選用SOAP[3，6]機制，客戶端發送的SOAP請求發送到服務端的目標Servlet，由其對SOAP請求進行解析并調用業務邏輯Java類和Bean，進而將業務邏輯的響應結果封裝為SOAP包并發送給請求客戶端；最后客戶端接收并解析響應的SOAP。其技術體系結構如圖2所示。

空間信息網格UDDI中心總體上遵從UDDI規范2.0版，但根據領域特征和需求進行了較大程度的擴充和改進。其數據結構涵蓋了UDDI數據結構規范2.0的范疇，并根據UDDI 程序員API規范2.0提供了基于Web和SOAP的兩套實現機制，能夠支持Microsoft UDDI SDK2.0、IBM UDDI4J等主流UDDI客戶端開發工具的訪問。此外，通過引入領域分類體系，使其支持的實體類型超越了UDDI規范中的五類實體[3]，還能夠對空間數據資源、可執行程序、其他類型的組件，以及專業設備等提供發布和發現支持。

4實驗

國家地質調查局要就各省、直轄市過去一個年度內地下水的儲量和分布數據進行評價和分析，進而預測未來一段時期全國地下水的儲量和分布狀況。但是，各省、直轄市的地下水數據分布在省級地質調查中心，并且各省之間、甚至同省不同年份之間的地下水數據的組織存儲方式差異巨大；部分數據采用常用的文件格式存儲，而其余部分數據采用數據庫存儲。這是典型的多源異構分布式數據的動態集成問題，在空間信息網格范疇內可以較好地解決。 

4．1設計實現地下水Web服務

各省、直轄市地質調查中心根據本地地下水的異構數據模型，遵照OGC的WMS[7] 和WFS[8]實施規范，根據各年度的地下水儲備和分布數據開發相應的Web服務。因為WFS的輸出是基于統一Schema的GML[9]空間數據文件，WMS的輸出是特定格式的圖像，所以在WFS和WMS這一層對用戶屏蔽了原始數據的異構特征。各省、直轄市地質調查中心以SIG節點的角色向空間信息網格UDDI中心發布信息節點及所屬地下水Web服務的應用元數據信息。用戶關心的只是包括地下水Web服務的應用元數據信息，進而屏蔽了原始數據的廣域分布特征。

4．2設計實現地下水評價和預測客戶端

國家地質調查局開發相應的地下水評價和預測客戶端應用程序。該客戶端首先調用空間信息網格UDDI中心對外提供的訪問API，檢索所有遵照OGC WFS和WMS實施規范的目標省、直轄市的地下水Web服務，并根據各個地下水Web服務的綁定技術規范在程序中動態調用遠程部署的目標WFS，進而得到一個或多個GML格式的地下水數據文件以及特定格式的圖像。這些GML文件以及圖像經過專業的地下水評價和預測模型處理之后，可以采用多種可視化技術向用戶輸出評價和預測結果。圖3描述了地下水評價和預測系統的體系結構。

客戶端在第一次獲得目標地下水Web服務的訪問入口地址時就將其緩存起來，以免每次調用都需要與空間信息網格UDDI中心交互。如果客戶端根據緩存的訪問入口地址調用目標地下水Web服務不成功，則再次與UDDI中心交互，并緩存返回的數據。本質上，地下水評價和預測客戶端無須關心地下水Web服務的實現技術細節和部署細節，也不會因為實現方案和部署方案的變更而受到影響。

5結束語

本文針對空間信息領域內存在的網格問題，結合網格技術、Web服務和網格服務技術在國內外的研究和應用狀況，給出了空間信息網格的資源共享策略和框架。空間信息網格UDDI中心需要進一步完善和發展，逐步考慮將空間信息的領域語義與空間信息服務和UDDI中心結合，使得根據內容發現和訪問空間資源成為可能，這需要進一步研究DAML－S[10]規范和空間信息服務領域ontology（本體）。

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