基于網(wǎng)格計算的地理信息系統(tǒng)

高　霞

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。文章通過介紹網(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，旨在解決目前空間信息的共享速度嚴重滯后和GIS應用普及程度不高等方面的問題。

關鍵詞：網(wǎng)格計算；地理信息系統(tǒng)；網(wǎng)格GIS

一、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。網(wǎng)格技術將計算設備、存儲設備、傳感器、遠程設備等通過高速網(wǎng)絡連通，實現(xiàn)廣域的資源共享和異地協(xié)同。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。網(wǎng)格的出現(xiàn)突破了以往強加在計算資源之上的諸如計算能力、地理位置、共享與協(xié)作方式的限制，使人們能以一種更加開放，更加自由的方式使用計算和存儲資源。

同時，網(wǎng)格在GIS領域也受到了極大的重視。GIS在經(jīng)歷了40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。網(wǎng)格技術的提出和發(fā)展為GIS提供了新的發(fā)展思路和解決這些問題的有效技術方法。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。這種應用網(wǎng)格技術來解決GIS中的問題的新技術被稱為網(wǎng)格GIS。網(wǎng)格GIS的出現(xiàn)和發(fā)展是GIS技術進一步走向網(wǎng)絡化，全球化和大眾化的標志，它必將推動空間信息的全面共享和互操作。

二、網(wǎng)格計算及其發(fā)展

網(wǎng)格的發(fā)展起源于20世紀90年代初期。隨著人們對學科研究的不斷深入，對計算能力的要求空前地提高，僅靠一兩臺超級計算機根本難以完成。人們開始利用網(wǎng)絡連接異域的超級計算機，為科學研究提供計算服務。這些超級計算機的遠程協(xié)作成功使人們意識到，這將是一種全新的、全面的資源共享方式，這也催生了網(wǎng)格技術的出現(xiàn)。

網(wǎng)格技術經(jīng)歷了3個發(fā)展階段。早期主要是支持遠程協(xié)同工作、大規(guī)模計算和海量數(shù)據(jù)處理，同時也支持一些高性能的應用程序。20世紀90年代是網(wǎng)格的萌芽時期，科學家利用千兆以太網(wǎng)進行科學研究測試床實驗，并通過連接遠程的超級計算機做一些元計算的實驗。到了20世紀的中晚期，一些學術性的網(wǎng)格軟件項目出現(xiàn)了，如Globus和Legion等，這為推動網(wǎng)格的進一步發(fā)展做出了巨大的貢獻。而到了第3階段，網(wǎng)格開始全面面向服務和應用，真正從科研領域走向了實際應用領域。這主要是2002年以來，網(wǎng)格開始引起工業(yè)界的廣泛關注，許多在IT界具有重要影響的公司開始參與進來，包括IBM、Microsoft、PlatForm、Sun等。同時，Globus ToolKit逐漸成熟，形成了較為完善的網(wǎng)格技術基礎。工業(yè)界的參與大大增強了網(wǎng)格的應用面和影響力，也進一步開拓了網(wǎng)格技術的深度和廣度。研究人員對于網(wǎng)格標準，安全和協(xié)議等對實際網(wǎng)格應用的支持投入了更多的關注，諸如簡化訪問方式和降低成本等具體應用問題也逐漸得到解決。信息網(wǎng)格、知識網(wǎng)格、數(shù)據(jù)網(wǎng)格等一些面向專業(yè)領域的名詞開始出現(xiàn)，一切都預示著網(wǎng)格技術正在不斷走向成熟。

三、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。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：

（一）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。從這個意義上說，網(wǎng)格中的空間信息資源既是分布的，也是共享的。分布是其物理上的特征，共享則是其內在的要求和應用中的體現(xiàn)。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

四、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。

（一）網(wǎng)格計算的關鍵技術

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。

2、資源管理和任務調度技術。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)內所運行的任務進行動態(tài)的調整，保證系統(tǒng)的高效率運行。

3、安全技術。網(wǎng)格安全所包括的內容非常廣泛，比如認證、授權、保證、記賬、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。

（二）網(wǎng)格GIS特有的關鍵技術

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。空間數(shù)據(jù)還具有空間分布性、時間動態(tài)性和數(shù)據(jù)量巨大的特點，決定了其存儲與管理的困難，需要結合網(wǎng)格特點研究適合于海量空間數(shù)據(jù)的存儲管理方法。

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、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。

五、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，網(wǎng)格GIS可以采用3層的體系結構，如圖1所示。

（一）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。

（二）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度程序責任。

（三）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。

六、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。目前GIS產(chǎn)品多樣化、GIS數(shù)據(jù)和服務多元化的發(fā)展趨勢對空間信息的充分共享造成了巨大障礙，引入網(wǎng)格技術是十分有效和必要的，網(wǎng)格GIS將成為下一階段GIS發(fā)展的重點領域，有著廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

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（作者單位：武漢科技大學中南分校信息工程學院）