[基于网格计算的地理信息系统]地理信息系统

　　摘要：网格技术为空间信息获取与处理提供了新的技术途径，在空间信息科学领域具有非常广阔的应用前景。本文通过介绍网格计算及其相关概念，提出了空间信息技术与网格技术的结合――网格GIS，并简单分析了网格GIS的概念、特点、关键技术和体系结构。?
　　关键词：网格计算；地理信息系统；网格GIS?
　　中图分类号：TP39 文献标识码：A??
　　
　　1 引言?
　　
　　随着网络技术的进一步发展，“网格”出现的频率越来越高，人们对网格技术所寄予的希望也可见一斑。网格的基础是internet，但又高于internet。所谓网格（Grid），是指将机群、超级计算机、大规模存储系统、数据库以及其它地理上分散的特殊仪器设备，甚至个人计算机等所有的计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等连接起来作为单个统一资源使用。从而能够方便快捷地解决各种复杂的问题。网格的最终目标是实现像电力网那样的网格资源应用模式，使得用户使用网格资源就像使用电力一样方便。?
　　同时，网格在GIS领域也受到了极大的重视。GIS在经历了四十多年的飞速发展后，人们对空间信息处理效率、服务质量等需求伴随空间数据的飞速膨胀正急剧提高，许多大型空间信息应用问题迫切需要解决。在近些年，“数字地球”、“数字城市”成为GIS的发展方向，而基于TCP/IP协议的万维网却难以很好地解决“数字地球”、“数字城市”的实时处理和信息共享等方面的问题。这样，基于网格计算的GIS（GRIDGIS）应运而生。在网格环境下，GIS能够利用网格的优势对自身的功能进行拓展和完善，为各种用户提供快速、高效的空间信息服务。同时，网格中大量的高性能计算机能够通过组合和协同进行空间信息的分析和处理，大幅度提高GIS的数据处理速度，也更加有效地利用所存储的空间数据资源。?
　　
　　2 网格GIS的特点?
　　
　　网格GIS实现了海量空间信息资源的汇集和共享，是对webGIS的一种继承和发展[1]?。一方面它和GIS一样采用了分布式数据管理策略，实现了GIS在广域环境下的应用；另一方面，它克服了webGIS在资源组织管理和利用能力上的低下，能够实现超大规模的GIS工程应用项目，对空间信息进行一体化处理，并具有按需服务的能力，为用户提供透明的各类空间信息共享和互操作服务。总的来说，网格GIS具有以下特点：?
　　（1）空间信息资源的分布与共享?
　　网格环境中的空间信息分布于不同的地理位置上，网格GIS可以对这些物理位置分散的各种空间数据进行无缝集成和协同式处理，应用系统的数据源可以是不同地点，不同存储方式的复杂数据源，从而最大程度地实现空间数据资源的共享和协同，消除信息孤岛，为用户提供增强的GIS服务功能。?
　　（2）系统的异构和统一?
　　网格技术不是要完全取代现有的各种技术，而是对现有技术的发展和延伸。因此，网格环境下存在着形形色色的资源管理系统，它们在应用分析方法，数据管理策略和使用格式上都存在着差异，这种差异是网格中系统异构的具体体现。同时，这种差异的存在也决定了网格GIS必须具有跨平台和操作系统的管理能力。因此，网格GIS需要在一个统一的网格服务协议上建立网格GIS各层的应用，以保证不同平台，不同数据格式的应用系统能够通过统一的接口对网格GIS资源进行访问。?
　　（3）数据的多源和海量?
　　由于空间数据获取手段很多，数据的存储和表达方式也各不相同。数据的多源化加了空间数据的整体利用难度，也使得大量的异构数据相互成为数据盲区。同时，空间数据的数据量相当庞大，并且随着数据获取技术的进步还在高速增长当中。因此，为了实现多源海量数据的快速统一访问，有必要建立数据转换标准和快速的数据索引机制。?
　　（4）资源的动态性?
　　网格作为一种松耦合的网络环境，随时都可能有节点迁入或者迁出网格，其所包含的资源是在不断变化中的。同时，GIS数据是与时间密切相关的资源，会随着时间的演化而动态改变。这种动态的资源变化特点要求网格GIS是一个开放的系统，能够对资源的改变进行支持，在动态的变化中满足用户的数据需求，从而更好地支持各种GIS数据服务。?
　　
　　3 网格GIS的关键技术?
　　
　　网格GIS作为以数据网格技术为支撑的大型GIS平台，必须要实现广域范围内空间信息的充分共享和各种数据互操作，需要多种技术的支撑，其中，既包括网格计算的关键技术也包括GIS的一些关键技术。?
　　3.1 网格计算的关键技术?
　　3.1.1 宽带网络技术?
　　宽带网络系统是网格计算环境中，提供高性能通信的必要手段。网格由于资源利用范围广，应用系统对响应速度的要求高，必须由高质量的宽带网络系统提供通信支持，做到即连即用。?
　　3.1.2 资源管理和任务调度技术?
　　这也是网格计算的核心技术。计算资源管理主要解决对资源的描述、组织和管理。而任务调度技术则是随时根据系统当前的负载情况，对系统内所运行的任务进行动态的调整，保证系统的高效率运行。?
　　3.1.3 安全技术?
　　网格安全所包括的内容非常广泛，比如认证、授权、保证、记帐、审计、完整性、机密性等，几乎涉及到网格的方方面面。网格的基本要求是满足用户安全、高效地使用其提供的各种资源的要求，并且这种资源服务能够被别的节点方便使用。因此，网格安全体系必须能够抗拒各种非法攻击和入侵，并且在受到攻击和入侵时能够采取一定措施维持系统的正常运行和各种信息资源的安全。?
　　3.2 网格GIS特有的关键技术?
　　3.2.1 超大规模空间数据的存储与管理技术?
　　数据服务是网格GIS的中心任务，所有的网格GIS应用和计算分析都是围绕着数据这个空间信息载体来进行。网格GIS可以支持各种信息数据输入格式，如支持BMP、GIF、PNG、JPG等格式； 支持3DS、DXF、VRML等三维模型格式；支持各种矢量等高线数据；支持SHP、DGN、MIF、EOO等GIS和CAD矢量数据。?
　　但数据的获取是非常复杂的，需要多个环节的密切配合、多种手段共同完成的过程。?
　　（1）地下网络数据的获取：可以从设计数据、有经验的管工及先进的探管仪来获得地下管道的精确位置，把它们转换成解析图和相关数据，按类型存入到数据库中。?
　　（2）地表网络数据的获取：可以通过以下几个方面综合获取：通过卫星定位系统获取整个城市或地区的概貌；通过航测系统可以得到小一些区域的概貌，使对象范围更加具体；对于更小一些的对象则通过测量仪器对其准确定位。这样就可以得到一个城市全部的地表数据，通过转化生成数字化的数据存入数据库。?
　　（3）空间数据的获取：遥感、GPS技术和数字化野外测量技术可以实现空间地理信息的采集。卫星遥感图像的精度将有可能提高到米级甚至分米级，而无人驾驶的采用GPS定位的小型飞机或航空模型装载CCD数字像机可以直接、快速地获取高精度城市规划有用的信息和制作数字化影像图和矢量地图。数字化野外测量技术则采用电子平板仪加上GPS定位获取高精度的测量电子数据，并直接输入计算机系统中。?
　　3.2.2 空间数据元数据及其服务技术?
　　在网格环境下，各种资源是在不断动态变化着的，如何让网格GIS用户更加快速和方便地使用各种资源是必须要解决的问题。元数据技术是在网格资源发现中普遍采用的技术，同理，我们可以采用元数据服务技术提高网格GIS的资源发现能力，让用户能够更容易地获取最佳的资源配置方案。?
　　3.2.3 网格GIS应用和集成技术?
　　本质上，网格GIS仍然是GIS，是比传统GIS功能更强、性能更高、使用更加方便快捷的GIS。网格GIS应用技术研究利用通用的网格GIS浏览器为用户提供扩展的GIS应用服务，如海量空间数据挖掘，协同式复杂空间分析等等。网格GIS主要是解决分布式环境中异构平台的服务集成问题，这里的集成包括多源空间数据的集成和GIS操作的集成。?
　　
　　4 网格GIS的体系结构?
　　
　　参考现有的网格计算体系结构OGSA[4]?，网格GIS可以采用三层的体系结构，如图1所示。?
　　
　　4.1 网格GIS基础设施层?
　　网格GIS基础设施包含网上可访问的所有地理信息资源，例如它们可能是计算机、集群、存储设备、数据库，也可能是特殊的科学仪器。由所有的地理上分布的和从Internet任何地方接入的资源组成。网格GIS基础设施仅仅实现了计算资源在物理上的连通，但从逻辑上看，这些地理信息仍然是孤立的，信息共享问题仍然没有解决。因此必须在网格GIS基础设施上通过网格GIS中间件层（一体化平台）来完成广域空间信息的有效共享。?
　　4.2 网格GIS中间件层?
　　网格GIS中间件是指一系列工具和协议软件，其功能是屏蔽网格GIS基础设施中空间信息的分布、异构特性，向数据网格应用层提供透明、一致的使用接口。网格GIS中间件提供核心服务，如远程进程管理服务、资源分配服务、存储访问服务、信息（登录）服务、安全控制服务、认证和质量服务（QoS），比如，资源预订交易。网格GIS用户层次中间件（GridGIS User-level middleware）包含资源经纪人或用于聚集资源的调度程序责任。?
　　4.3 网格GIS应用层?
　　在上述网格GIS服务的基础上，面向各应用领域对空间信息的使用模式和使用特点，提供空间信息应用政策和协议、应用工具等，建立空间数据处理与信息服务集成环境。?
　　
　　5 结论?
　　
　　本文讨论了网格计算的相关概念和研究进展，并在此基础上提出了网格GIS的概念、特点、关键技术及其体系结构。将网格计算引入GIS是互联网发展的最新技术与地理信息学科的结合，能够解决当前空间信息的共享严重滞后于网络技术发展和应用需求的现状，推动“数字地球”、“数字城市”的深入发展。但GRIDGIS及其应用的研究成果尚不多见，目前的一些研究多停留在概念、原理层的探索，GRIDGIS的许多理论与技术问题还有待进一步探索和研究。?
　　
　　参考文献?
　　
　　[1]孟令奎，史文中，张鹏林.网络地理信息系统原理与技术[M].北京：科学出版社，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]都志辉，陈渝，刘鹏.网格计算[M].北京：清华大学出版社，2002.

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