基于網(wǎng)格計(jì)算的地理信息系統(tǒng)

高　霞

摘要：網(wǎng)格技術(shù)為空間信息獲取與處理提供了新的技術(shù)途徑，在空間信息科學(xué)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。文章通過介紹網(wǎng)格計(jì)算及其相關(guān)概念，提出了空間信息技術(shù)與網(wǎng)格技術(shù)的結(jié)合——網(wǎng)格GIS，并簡單分析了網(wǎng)格GIS的概念、特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)，旨在解決目前空間信息的共享速度嚴(yán)重滯后和GIS應(yīng)用普及程度不高等方面的問題。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格計(jì)算；地理信息系統(tǒng)；網(wǎng)格GIS

一、引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)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(shù)所寄予的希望也可見一斑。網(wǎng)格的基礎(chǔ)是Internet，但又高于Internet。網(wǎng)格技術(shù)將計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、傳感器、遠(yuǎn)程設(shè)備等通過高速網(wǎng)絡(luò)連通，實(shí)現(xiàn)廣域的資源共享和異地協(xié)同。網(wǎng)格的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)像電力網(wǎng)那樣的網(wǎng)格資源應(yīng)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(qiáng)加在計(jì)算資源之上的諸如計(jì)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(jì)算和存儲(chǔ)資源。

同時(shí)，網(wǎng)格在GIS領(lǐng)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(wù)質(zhì)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(yīng)用問題迫切需要解決。網(wǎng)格技術(shù)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(shù)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(jìn)行拓展和完善，為各種用戶提供快速、高效的空間信息服務(wù)。同時(shí)，網(wǎng)格中大量的高性能計(jì)算機(jī)能夠通過組合和協(xié)同進(jìn)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(chǔ)的空間數(shù)據(jù)資源。這種應(yīng)用網(wǎng)格技術(shù)來解決GIS中的問題的新技術(shù)被稱為網(wǎng)格GIS。網(wǎng)格GIS的出現(xiàn)和發(fā)展是GIS技術(shù)進(jìn)一步走向網(wǎng)絡(luò)化，全球化和大眾化的標(biāo)志，它必將推動(dòng)空間信息的全面共享和互操作。

二、網(wǎng)格計(jì)算及其發(fā)展

網(wǎng)格的發(fā)展起源于20世紀(jì)90年代初期。隨著人們對學(xué)科研究的不斷深入，對計(jì)算能力的要求空前地提高，僅靠一兩臺(tái)超級計(jì)算機(jī)根本難以完成。人們開始利用網(wǎng)絡(luò)連接異域的超級計(jì)算機(jī)，為科學(xué)研究提供計(jì)算服務(wù)。這些超級計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程協(xié)作成功使人們意識(shí)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(shù)的出現(xiàn)。

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

三、網(wǎng)格GIS的特點(diǎn)

網(wǎng)格GIS實(shí)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(shí)現(xiàn)了GIS在廣域環(huán)境下的應(yīng)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?qū)崿F(xiàn)超大規(guī)模的GIS工程應(yīng)用項(xiàng)目，對空間信息進(jìn)行一體化處理，并具有按需服務(wù)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(wù)。總的來說，網(wǎng)格GIS具有以下特點(diǎn)：

（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(jìn)行無縫集成和協(xié)同式處理，應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源可以是不同地點(diǎn)，不同存儲(chǔ)方式的復(fù)雜數(shù)據(jù)源，從而最大程度地實(shí)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(qiáng)的GIS服務(wù)功能。從這個(gè)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(nèi)在的要求和應(yīng)用中的體現(xiàn)。

（二）系統(tǒng)的異構(gòu)和統(tǒng)一

網(wǎng)格技術(shù)不是要完全取代現(xiàn)有的各種技術(shù)，而是對現(xiàn)有技術(shù)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(yīng)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(gòu)的具體體現(xiàn)。同時(shí)，這種差異的存在也決定了網(wǎng)格GIS必須具有跨平臺(tái)和操作系統(tǒng)的管理能力。因此，網(wǎng)格GIS需要在一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)格服務(wù)協(xié)議上建立網(wǎng)格GIS各層的應(yīng)用，以保證不同平臺(tái)，不同數(shù)據(jù)格式的應(yīng)用系統(tǒng)能夠通過統(tǒng)一的接口對網(wǎng)格GIS資源進(jìn)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(chǔ)和表達(dá)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(gòu)數(shù)據(jù)相互成為數(shù)據(jù)盲區(qū)。同時(shí)，空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量相當(dāng)龐大，并且隨著數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的進(jìn)步還在高速增長當(dāng)中。因此，為了實(shí)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(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)和快速的數(shù)據(jù)索引機(jī)制。

（四）資源的動(dòng)態(tài)性

網(wǎng)格作為一種松耦合的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，隨時(shí)都可能有節(jié)點(diǎn)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(shí)，GIS數(shù)據(jù)是與時(shí)間密切相關(guān)的資源，會(huì)隨著時(shí)間的演化而動(dòng)態(tài)改變。這種動(dòng)態(tài)的資源變化特點(diǎn)要求網(wǎng)格GIS是一個(gè)開放的系統(tǒng)，能夠?qū)Y源的改變進(jìn)行支持，在動(dòng)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(wù)。

四、網(wǎng)格GIS的關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)格GIS作為以數(shù)據(jù)網(wǎng)格技術(shù)為支撐的大型GIS平臺(tái)，必須要實(shí)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(shù)的支撐，其中，既包括網(wǎng)格計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，也包括GIS的一些關(guān)鍵技術(shù)。

（一）網(wǎng)格計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)

1、寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是網(wǎng)格計(jì)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(yīng)用系統(tǒng)對響應(yīng)速度的要求高，必須由高質(zhì)量的寬帶網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供通信支持，做到即連即用。

2、資源管理和任務(wù)調(diào)度技術(shù)。這也是網(wǎng)格計(jì)算的核心技術(shù)。計(jì)算資源管理主要解決對資源的描述、組織和管理。而任務(wù)調(diào)度技術(shù)則是隨時(shí)根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的負(fù)載情況，對系統(tǒng)內(nèi)所運(yùn)行的任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，保證系統(tǒng)的高效率運(yùn)行。

3、安全技術(shù)。網(wǎng)格安全所包括的內(nèi)容非常廣泛，比如認(rèn)證、授權(quán)、保證、記賬、審計(jì)、完整性、機(jī)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(wù)能夠被別的節(jié)點(diǎn)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(shí)能夠采取一定措施維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行和各種信息資源的安全。

（二）網(wǎng)格GIS特有的關(guān)鍵技術(shù)

1、超大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理技術(shù)。數(shù)據(jù)服務(wù)是網(wǎng)格GIS的中心任務(wù)，所有的網(wǎng)格GIS應(yīng)用和計(jì)算分析都是圍繞著數(shù)據(jù)這個(gè)空間信息載體來進(jìn)行?？臻g數(shù)據(jù)還具有空間分布性、時(shí)間動(dòng)態(tài)性和數(shù)據(jù)量巨大的特點(diǎn)，決定了其存儲(chǔ)與管理的困難，需要結(jié)合網(wǎng)格特點(diǎn)研究適合于海量空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理方法。

2、空間數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)及其服務(wù)技術(shù)。在網(wǎng)格環(huán)境下，各種資源是在不斷動(dòng)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(shù)是在網(wǎng)格資源發(fā)現(xiàn)中普遍采用的技術(shù)，同理，我們可以采用元數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)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(yīng)用和集成技術(shù)。本質(zhì)上，網(wǎng)格GIS仍然是GIS，是比傳統(tǒng)GIS功能更強(qiáng)、性能更高、使用更加方便快捷的GIS。網(wǎng)格GIS應(yīng)用技術(shù)研究利用通用的網(wǎng)格GIS瀏覽器為用戶提供擴(kuò)展的GIS應(yīng)用服務(wù)，如海量空間數(shù)據(jù)挖掘、協(xié)同式復(fù)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(gòu)平臺(tái)的服務(wù)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(jié)構(gòu)

參考現(xiàn)有的網(wǎng)格計(jì)算體系結(jié)構(gòu)OGSA，網(wǎng)格GIS可以采用3層的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

（一）網(wǎng)格GIS基礎(chǔ)設(shè)施層

網(wǎng)格GIS基礎(chǔ)設(shè)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(jì)算機(jī)、集群、存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)庫，也可能是特殊的科學(xué)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(chǔ)設(shè)施僅僅實(shí)現(xiàn)了計(jì)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(chǔ)設(shè)施上通過網(wǎng)格GIS中間件層（一體化平臺(tái)）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(chǔ)設(shè)施中空間信息的分布、異構(gòu)特性，向數(shù)據(jù)網(wǎng)格應(yīng)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(wù)，如遠(yuǎn)程進(jìn)程管理服務(wù)、資源分配服務(wù)、存儲(chǔ)訪問服務(wù)、信息（登錄）服務(wù)、安全控制服務(wù)、認(rèn)證和質(zhì)量服務(wù)（QoS），比如，資源預(yù)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(jì)人或用于聚集資源的調(diào)度程序責(zé)任。

（三）網(wǎng)格GIS應(yīng)用層

在上述網(wǎng)格GIS服務(wù)的基礎(chǔ)上，面向各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)臻g信息的使用模式和使用特點(diǎn)，提供空間信息應(yīng)用政策和協(xié)議、應(yīng)用工具等，建立空間數(shù)據(jù)處理與信息服務(wù)集成環(huán)境。

六、結(jié)論

本文討論了網(wǎng)格計(jì)算的相關(guān)概念和研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)上提出了網(wǎng)格GIS的概念、特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)及其體系結(jié)構(gòu)。將網(wǎng)格計(jì)算引入GIS是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最新技術(shù)與地理信息學(xué)科的結(jié)合，能夠解決當(dāng)前空間信息的共享嚴(yán)重滯后于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求的現(xiàn)狀，推動(dòng)“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(wù)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(shù)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(diǎn)領(lǐng)域，有著廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

1、Foster. I, Kesselman. C. The Globus project: a status report[J].Heterogeneous Computing Workshop,1998(4).

2、Lewis. M, Grimshaw. A. The core Legion object model[J].High Performance Distributed Computing,1996(8).

3、孟令奎,史文中,張鵬林.網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)原理與技術(shù)[M].科學(xué)出版社,2005.

4、都志輝,陳渝,劉鵬.網(wǎng)格計(jì)算[M].清華大學(xué)出版社,2001.

（作者單位：武漢科技大學(xué)中南分校信息工程學(xué)院）