基于网格计算的地理信息系统

    高　霞

    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。文章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，旨在解决目前空间信息的共享速度严重滞后和GIS应用普及程度不高等方面的问题。

    关键词：网格计算；地理信息系统；网格GIS

    一、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。网格技术将计算设备、存储设备、传感器、远程设备等通过高速网络连通，实现广域的资源共享和异地协同。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。网格的出现突破了以往强加在计算资源之上的诸如计算能力、地理位置、共享与协作方式的限制，使人们能以一种更加开放，更加自由的方式使用计算和存储资源。

    同时，网格在GIS领域也受到了极大的重视。GIS在经历了40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。网格技术的提出和发展为GIS提供了新的发展思路和解决这些问题的有效技术方法。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。这种应用网格技术来解决GIS中的问题的新技术被称为网格GIS。网格GIS的出现和发展是GIS技术进一步走向网络化，全球化和大众化的标志，它必将推动空间信息的全面共享和互操作。

    二、网格计算及其发展

    网格的发展起源于20世纪90年代初期。随着人们对学科研究的不断深入，对计算能力的要求空前地提高，仅靠一两台超级计算机根本难以完成。人们开始利用网络连接异域的超级计算机，为科学研究提供计算服务。这些超级计算机的远程协作成功使人们意识到，这将是一种全新的、全面的资源共享方式，这也催生了网格技术的出现。

    网格技术经历了3个发展阶段。早期主要是支持远程协同工作、大规模计算和海量数据处理，同时也支持一些高性能的应用程序。20世纪90年代是网格的萌芽时期，科学家利用千兆以太网进行科学研究测试床实验，并通过连接远程的超级计算机做一些元计算的实验。到了20世纪的中晚期，一些学术性的网格软件项目出现了，如Globus和Legion等，这为推动网格的进一步发展做出了巨大的贡献。而到了第3阶段，网格开始全面面向服务和应用，真正从科研领域走向了实际应用领域。这主要是2002年以来，网格开始引起工业界的广泛关注，许多在IT界具有重要影响的公司开始参与进来，包括IBM、Microsoft、PlatForm、Sun等。同时，Globus ToolKit逐渐成熟，形成了较为完善的网格技术基础。工业界的参与大大增强了网格的应用面和影响力，也进一步开拓了网格技术的深度和广度。研究人员对于网格标准，安全和协议等对实际网格应用的支持投入了更多的关注，诸如简化访问方式和降低成本等具体应用问题也逐渐得到解决。信息网格、知识网格、数据网格等一些面向专业领域的名词开始出现，一切都预示着网格技术正在不断走向成熟。

    三、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。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：

    （一）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。从这个意义上说，网格中的空间信息资源既是分布的，也是共享的。分布是其物理上的特征，共享则是其内在的要求和应用中的体现。

    （二）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。

    （三）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。

    （四）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。

    四、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。

    （一）网格计算的关键技术

    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。

    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、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、记账、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。

    （二）网格GIS特有的关键技术

    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。空间数据还具有空间分布性、时间动态性和数据量巨大的特点，决定了其存储与管理的困难，需要结合网格特点研究适合于海量空间数据的存储管理方法。

    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、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。

    五、网格GIS的体系结构

    参考现有的网格计算体系结构OGSA，网格GIS可以采用3层的体系结构，如图1所示。

    

    （一）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。

    （二）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。

    （三）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。

    六、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。目前GIS产品多样化、GIS数据和服务多元化的发展趋势对空间信息的充分共享造成了巨大障碍，引入网格技术是十分有效和必要的，网格GIS将成为下一阶段GIS发展的重点领域，有着广阔的发展前景。

    参考文献：

    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,张鹏林.网络地理信息系统原理与技术[M].科学出版社,2005.

    4、都志辉,陈渝,刘鹏.网格计算[M].清华大学出版社,2001.

    （作者单位：武汉科技大学中南分校信息工程学院）