太原理工大學(xué)空間分析-第九章1

1、 網(wǎng)格計(jì)算作為新一代Web技術(shù)，將深刻影響GIS及其空間分析的發(fā)展。隨著GIS硬件、軟件技術(shù)的進(jìn)一步成熟，其空間分析能力不斷增強(qiáng)，但計(jì)算資源的短缺卻逐漸成為影響GIS應(yīng)用的瓶頸，網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)正是有效解決這一問題的重要方法，它為GIS空間分析提供了資源支持，為海量空間數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)、管理、傳輸、分析提供了一體化的解決方法。 網(wǎng)格計(jì)算通過網(wǎng)絡(luò)連接地理上分布的各類計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫及其他設(shè)備，形成對用戶相對透明的虛擬的高性能計(jì)算環(huán)境，使人們能夠共享計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)和應(yīng)用資源。網(wǎng)格環(huán)境下的GIS空間分析是在空間信息網(wǎng)格（Spatial Information Grid，SIG）技術(shù)體系支持下，采用中間件技

2、術(shù)，構(gòu)建空間信息網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境和空間信息服務(wù)體系，發(fā)展面向空間實(shí)體的空間數(shù)據(jù)組織技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜空間格局表達(dá)和空間作用過程的模擬，并通過建立人機(jī)交互、交融的虛擬地理環(huán)境，實(shí)現(xiàn)知識驅(qū)動(dòng)方式的復(fù)雜空間建模、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作與空間群體決策。 8.1 網(wǎng)格計(jì)算概述8.2 網(wǎng)格GIS8.3 網(wǎng)格GIS關(guān)鍵技術(shù)第8章 地理網(wǎng)格計(jì)算8.1 網(wǎng)格計(jì)算概述 網(wǎng)格計(jì)算（Grid Computing）是20世紀(jì)90年代由Ian Foster提出的概念，其目標(biāo)是在廣域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、數(shù)據(jù)資源和其他設(shè)備的互聯(lián)，形成一個(gè)可相互利用、合作的高性能計(jì)算網(wǎng)。網(wǎng)格技術(shù)被看作是繼傳統(tǒng)Internet、Web之后的第3次網(wǎng)絡(luò)技術(shù)浪潮，也

3、被稱為第3代因特網(wǎng)。網(wǎng)格技術(shù)的出現(xiàn)很大程度上是當(dāng)代各種科技協(xié)同發(fā)展的必然結(jié)果。從生物領(lǐng)域后基因組計(jì)劃的解讀，到高能物理領(lǐng)域更深層次物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，到哈勃望遠(yuǎn)鏡所獲取的大量宇宙數(shù)據(jù)的處理，再到氣象、地震的預(yù)報(bào)預(yù)測，這些科學(xué)領(lǐng)域所存在的大量計(jì)算問題都促使科學(xué)家決定利用高速網(wǎng)絡(luò)將分布在世界各地的計(jì)算資源相互連接起來，協(xié)同完成龐大的計(jì)算難題，這無疑為解決計(jì)算資源有限的瓶頸問題、增強(qiáng)GIS空間分析能力提供了有利的技術(shù)支持。 8.1.1 網(wǎng)格計(jì)算特點(diǎn) 網(wǎng)格（Grid）利用高速國際互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)把地理上廣泛分布的計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、通信資源、網(wǎng)絡(luò)資源、軟件資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源和知識資源等連成一個(gè)邏輯整

4、體，為用戶提供一體化點(diǎn)播式的信息服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)用戶在網(wǎng)格這個(gè)虛擬組織環(huán)境中進(jìn)行資源共享和協(xié)同工作，消除信息孤島和資源孤島。網(wǎng)格技術(shù)具有異構(gòu)性、可擴(kuò)展性、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)性和多級管理域等特點(diǎn)，它是國家級高性能計(jì)算和信息服務(wù)的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了對所有數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一訪問，能夠方便快捷地解決各種復(fù)雜問題。 網(wǎng)格計(jì)算通過認(rèn)證、授權(quán)、協(xié)商和制定安全協(xié)議提供一種訪問全球性分布式計(jì)算環(huán)境的途徑，通過資源發(fā)現(xiàn)審查信息服務(wù)，通過監(jiān)測工具查詢目前的狀態(tài)以便能夠鑒別、分配信息資源和進(jìn)行戰(zhàn)略決策。除此之外，網(wǎng)格計(jì)算對進(jìn)度任務(wù)和問題的分解使在遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)上可以執(zhí)行應(yīng)用程序代碼、傳遞數(shù)據(jù)、復(fù)制目錄和更新目錄等操作。

5、網(wǎng)格計(jì)算被定義為一個(gè)廣域范圍地“無縫集成和協(xié)同計(jì)算環(huán)境”，總體來講，它具有以下特點(diǎn)： （1）網(wǎng)格計(jì)算利用控制域內(nèi)廣泛存在的各種資源進(jìn)行高性能計(jì)算，包括高性能計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、大型檢索存儲(chǔ)系統(tǒng)和可視化、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等，這是網(wǎng)格計(jì)算區(qū)別于小范圍局域網(wǎng)的一個(gè)主要特點(diǎn)。 （2）網(wǎng)格計(jì)算必須通過標(biāo)準(zhǔn)的、公開的、通用的協(xié)議來應(yīng)用和管理計(jì)算資源，協(xié)議是連接各種資源的重要紐帶。在著名的五層沙漏網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)中，一個(gè)最重要的思想就是以“協(xié)議”為中心。網(wǎng)格是基于具體的國際開放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以此區(qū)別于一般行業(yè)、部門的軟件產(chǎn)品。 （3）網(wǎng)格計(jì)算通過為用戶提供各種優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，使其能夠利用廣大的計(jì)算資源，而這些資源將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超

6、過個(gè)人計(jì)算中每部分所擁有資源的總和。網(wǎng)格計(jì)算不僅對基本的數(shù)據(jù)層面計(jì)算提供支持，而且實(shí)現(xiàn)了更高層次的計(jì)算，比如從基本的數(shù)據(jù)中獲取更多、更深層次的信息，從而更好的模仿人類對數(shù)據(jù)和信息的智能處理方式。 （4）網(wǎng)格計(jì)算實(shí)現(xiàn)的是程序間高層次應(yīng)用層面的連通，而非硬件或應(yīng)用程序間的低層連通，這區(qū)別于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。利用網(wǎng)格技術(shù)可以很方便的實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)對同一個(gè)項(xiàng)目的協(xié)同處理。8.1.2 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)格系統(tǒng)的組成部分、各部分間的關(guān)系及其協(xié)同工作的機(jī)理是網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容。網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的研究貫穿了“分”與“合”兩條主線。作為一個(gè)整體的概念，網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的作用在一定程度上是對網(wǎng)格的剖分；在“分”的基

7、礎(chǔ)上，網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步描述“合”的功能，即在充分了解網(wǎng)格各部分的作用機(jī)理、作用方式等基礎(chǔ)上，將其按照一定的方式進(jìn)行組織和集成，形成一個(gè)具有特定功能的整體對外提供服務(wù)。8.1.2 網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu) 迄今為止，有兩個(gè)比較重要的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)： 一個(gè)是Ian Foster等提出的五層沙漏結(jié)構(gòu)，以“協(xié)議”為中心； 另一個(gè)是由美國阿崗（Argonne）國家實(shí)驗(yàn)室、芝加哥大學(xué)、南加州大學(xué)以及IBM共同倡議的開放式網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)（Open Grid Services Architecture，OGSA），以“服務(wù)”為中心。 兩種體系結(jié)構(gòu)一脈相承，OGSA在五層沙漏結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上得以發(fā)展，目前已成為公認(rèn)的網(wǎng)

8、格體系結(jié)構(gòu)。五層沙漏結(jié)構(gòu)五層沙漏結(jié)構(gòu)的核心思想是以“協(xié)議”為中心，并強(qiáng)調(diào)服務(wù)的重要性。五層沙漏結(jié)構(gòu)不提供嚴(yán)格的規(guī)范，它不是對全部所需協(xié)議的完整羅列，而是按該結(jié)構(gòu)中各部分組件的通用要求進(jìn)行定義，并將這些組件形成一定的層次關(guān)系，使每一層組件具有共同的特征和繼承性。根據(jù)五層沙漏結(jié)構(gòu)中各組成部分與共享資源的距離，將對共享資源進(jìn)行操作、管理和使用的功能分散在五個(gè)不同的層次上，越向下層越接近于物理的共享資源，與特定資源的相關(guān)性越強(qiáng)；越向上層則越感覺不到共享資源的細(xì)節(jié)特征，即上層是對下層更加抽象的表示，因此無需關(guān)注與底層資源相關(guān)的具體實(shí)現(xiàn)問題。五層沙漏結(jié)構(gòu)模型如圖8.1所示。五層沙漏結(jié)構(gòu)OGSA（下一代網(wǎng)格

9、結(jié)構(gòu)）開放網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)（OGSA）是目前最新的一種網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)OGSA采用包括構(gòu)造層、連接層、資源層、協(xié)作層、應(yīng)用層的5層沙漏模型作為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。構(gòu)造層是本地控制的接口，連接層提供容易而安全的通信，資源層實(shí)現(xiàn)資源共享，協(xié)作層實(shí)現(xiàn)多種資源的協(xié)同，應(yīng)用層提供具體行業(yè)的應(yīng)用功能。五層沙漏結(jié)構(gòu)是以協(xié)議為中心的“協(xié)議結(jié)構(gòu)”，而OGSA是以服務(wù)為中心的“服務(wù)結(jié)構(gòu)”。在OGSA中，將一切都看作是網(wǎng)格服務(wù)，因此網(wǎng)格是可擴(kuò)展的網(wǎng)格服務(wù)的集合，即網(wǎng)格網(wǎng)格服務(wù)。網(wǎng)格服務(wù)（Grid Service）可以以不同的方式聚集起來滿足虛擬組織的要求，虛擬組織自身也可以部分地根據(jù)其操作和共享的服務(wù)來定義網(wǎng)格服務(wù)，如圖8.2所示。

10、OGSA（下一代網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）OGSA（下一代網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）以網(wǎng)格服務(wù)為中心的模型有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。其一，由于網(wǎng)格環(huán)境中所有的組件都是虛擬的，因此通過提供一組相對統(tǒng)一的核心接口，所有的網(wǎng)格服務(wù)都基于這些接口實(shí)現(xiàn)，可以很容易構(gòu)造出具體層次結(jié)構(gòu)的、更高級別的服務(wù)，這些服務(wù)可以跨越不同的抽象層次，以一種統(tǒng)一的方式來處理。其二，虛擬化也使將多個(gè)邏輯資源實(shí)例映射到相同物理資源上成為可能，在對服務(wù)進(jìn)行組合時(shí)不必考慮具體的實(shí)現(xiàn)，可以以底層資源組成為基礎(chǔ)，在虛擬組織中進(jìn)行資源管理。通過網(wǎng)格服務(wù)的虛擬化，將通用的服務(wù)語義和行為，無縫地映射到本地平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施之上。8.1.3 網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展及應(yīng)用 網(wǎng)格計(jì)算是將網(wǎng)絡(luò)中眾多計(jì)算機(jī)

11、資源在同一時(shí)間用于單個(gè)問題的處理，通常用于需要極大量計(jì)算機(jī)處理周期或訪問大量數(shù)據(jù)的科學(xué)或技術(shù)問題。其應(yīng)用領(lǐng)域從環(huán)境科學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)到材料科學(xué)、工程分析、軍事、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)求解問題的不同，又可分為多種網(wǎng)格，如用于解決科學(xué)與工程分布式計(jì)算問題的計(jì)算網(wǎng)格；用于數(shù)據(jù)密集型問題處理的數(shù)據(jù)網(wǎng)格；應(yīng)用于地震的地震網(wǎng)格；應(yīng)用于軍事的軍事網(wǎng)格。此外，還有正在研究中的信息網(wǎng)格、知識網(wǎng)格、服務(wù)網(wǎng)格等。1、國際網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展及應(yīng)用 美國國家科學(xué)基金會(huì)已投入5億美元支持網(wǎng)格研究，美國宇航局（NASA）開發(fā)信息能源網(wǎng)格計(jì)算（IPG），能源部（DOE）的地球系統(tǒng)網(wǎng)格計(jì)劃則重點(diǎn)研究如何為未來的氣候研究提供強(qiáng)大的數(shù)

12、據(jù)處理能力，美國軍方正在規(guī)劃實(shí)施全球信息網(wǎng)格（Global Information Grid，GIG）項(xiàng)目，預(yù)計(jì)在2020年完成。 英國政府投資1億英鎊用于研制英國國家網(wǎng)格（UK National Grid），并加大了e-Science網(wǎng)格計(jì)算的研究力度。 歐洲原子核研究中心（CERN）正在開展面向高能物理學(xué)、地球觀測、生物信息學(xué)數(shù)據(jù)網(wǎng)格技術(shù)的研究工作，并推出了國際網(wǎng)格計(jì)劃。 日本文部科學(xué)省在2002年5月決定投資700億日元開發(fā)超大型網(wǎng)格計(jì)算機(jī)，其運(yùn)算速度將達(dá)每秒300萬億次，日本電信電話株式會(huì)社等公司也宣布開展網(wǎng)格計(jì)算試驗(yàn)。2、我國網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展及應(yīng)用 從1995年開始，中科院計(jì)算技術(shù)研究

13、所承擔(dān)了863國家高性能計(jì)算環(huán)境（National High Performance Computing Environment，NHPCE）研究項(xiàng)目。高性能計(jì)算環(huán)境是國家級高性能計(jì)算和信息服務(wù)的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，其目標(biāo)是在全國范圍內(nèi)為各個(gè)行業(yè)提供各種一體化的高性能計(jì)算環(huán)境和信息服務(wù)。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)系承擔(dān)的“先進(jìn)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施（Advanced Computational Infrastructure，ACI）北京-上海試點(diǎn)工程”ACI工程的目標(biāo)是把分布在不同地理位置的高性能計(jì)算機(jī)、貴重儀器、數(shù)據(jù)庫等用高速網(wǎng)絡(luò)連接在一起構(gòu)成一臺(tái)虛擬機(jī)器，用戶通過ACI共享資源、共同討論、合作開展科研項(xiàng)目。目前

14、，中科院計(jì)算技術(shù)研究所正在進(jìn)行織女星計(jì)劃（Vega計(jì)劃），該計(jì)劃以元數(shù)據(jù)、構(gòu)件框架、智能體（Agent）、網(wǎng)格公共信息協(xié)議和網(wǎng)格計(jì)算協(xié)議（GCP）為主要突破點(diǎn)。3、企業(yè)網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展 Sun公司在2000年9月曾發(fā)行網(wǎng)格引擎（Grid Engine）軟件，緊接著又推出了網(wǎng)格引擎計(jì)劃。2002年4月，根據(jù)與SuSELinux公司達(dá)成的協(xié)議，Sun的Grid Engine 5.3版與SuSELinux公司最新發(fā)布的SuSELinux 8.0專業(yè)版聯(lián)合發(fā)行，為日益增長的Linux用戶群提供網(wǎng)格計(jì)算支持。IBM公司在2001年宣布在網(wǎng)格計(jì)算領(lǐng)域投資40億美元，開始大規(guī)模進(jìn)軍網(wǎng)格計(jì)算領(lǐng)域。目前IBM公司

15、正在研制超級網(wǎng)格計(jì)算機(jī)，其設(shè)計(jì)運(yùn)算速度為每秒13.6萬億次，存貯能力達(dá)600萬億字節(jié)。2002年3月，美國國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心宣布與IBM公司達(dá)成協(xié)議建造美國能源部內(nèi)部使用的計(jì)算網(wǎng)格，計(jì)劃在2002年年底投入使用，此外IBM還宣布了一項(xiàng)名為北卡羅萊納生物信息科學(xué)網(wǎng)格的項(xiàng)目。Compaq公司在2001年11月推出了一種平臺(tái)網(wǎng)格套件軟件（Plat Form Grid Suite），Oracle公司在其最新版本的應(yīng)用服務(wù)器Oracle9iAS中推出了全新的Oracle Portal（Portlets）技術(shù)。微軟公司的Net戰(zhàn)略本質(zhì)上是想主導(dǎo)和占領(lǐng)網(wǎng)格操作系統(tǒng)的發(fā)展和市場，而微軟參與制訂的XML和

16、SOAP等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議將有可能成為網(wǎng)格界面標(biāo)準(zhǔn)。目前微軟正在開發(fā)全面支持網(wǎng)格的新一代視窗操作系統(tǒng)，計(jì)劃在2005年完成。4、信息化科研環(huán)境（e-Science ） e-Science是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的綜合集成成果，是知識創(chuàng)新的現(xiàn)代化研究開發(fā)平臺(tái)。e-Science的概念由英國首先提出，目標(biāo)是使科學(xué)家們的研究工作就像通過Web來獲取信息一樣，方便地共享計(jì)算能力、科學(xué)知識庫和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。目前英國有11個(gè)e-Science中心，分布在倫敦、曼徹斯特等11個(gè)主要城市的重要研究機(jī)構(gòu)中。e-Science使全球性的、跨學(xué)科的、大規(guī)?？蒲泻献?，跨時(shí)間、空間、物理障礙的資源共享與協(xié)同工作成為可能，這將改變科學(xué)家

17、們從事科研活動(dòng)的方法和模式，極大地促進(jìn)交流合作，推動(dòng)科學(xué)研究的發(fā)展?？蒲行畔⒒钦麄€(gè)社會(huì)信息化的前衛(wèi)，是下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及信息基礎(chǔ)設(shè)施在科研領(lǐng)域的率先應(yīng)用，它將促進(jìn)相關(guān)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。4、信息化科研環(huán)境（e-Science ） e-Science的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)信息知識共享、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析、數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)服務(wù)等內(nèi)容，如圖8.4所示。e-Science環(huán)境的建立需要必要的基礎(chǔ)設(shè)施，包括高速的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)、信息、知識資源、計(jì)算資源、軟件工具資源、多維信息獲取環(huán)境和科學(xué)儀器設(shè)備等。 4、信息化科研環(huán)境（e-Science ）4、信息化科研環(huán)境（e-Science ） 各國都在

18、大力進(jìn)行e-Science的投入和建設(shè)。英國在工程技術(shù)、生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域都全力進(jìn)行網(wǎng)格的建設(shè)，歐盟的數(shù)據(jù)網(wǎng)格計(jì)劃也在建設(shè)之中，美國從20世紀(jì)90年代就進(jìn)行國家高性能計(jì)算環(huán)境研究，用于網(wǎng)格技術(shù)的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)高達(dá)8億美元，美國NSF出資1500萬美元，支持高能物理科學(xué)家發(fā)展網(wǎng)格，NSF、DOE和歐洲核子研究中心共同投資5000萬美元研制大型強(qiáng)子對撞機(jī)作為新一代環(huán)球網(wǎng)格計(jì)算的試驗(yàn)平臺(tái)。中國也在開展“中國網(wǎng)格”、“上海教育科研網(wǎng)格”、“仿真網(wǎng)格”、“織女星網(wǎng)格”和中國虛擬天文臺(tái)的建設(shè)。5、網(wǎng)格計(jì)算在地學(xué)方面的及應(yīng)用 網(wǎng)格計(jì)算在地學(xué)方面的應(yīng)用指結(jié)合多重的數(shù)據(jù)源（如空間、大氣和地面）、模型（如預(yù)報(bào)和評估）

19、等，從中提取有用的信息和知識，為環(huán)境監(jiān)測和自然資源管理提供服務(wù)。在歐盟數(shù)據(jù)網(wǎng)格計(jì)算項(xiàng)目中，地球觀測科學(xué)應(yīng)用程序組件WP9工作包定義和發(fā)展了地球觀測（EO）專用的組件與數(shù)據(jù)網(wǎng)格計(jì)算平臺(tái)接口，并將網(wǎng)格感知應(yīng)用的概念引入地學(xué)環(huán)境中，這為地球觀測科學(xué)的應(yīng)用提供了一個(gè)很好的機(jī)遇。在基于網(wǎng)格技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用更強(qiáng)調(diào)網(wǎng)上各種資源的共享與互操作性，這種發(fā)展趨勢對當(dāng)前各種形式的地理信息系統(tǒng)（GIS）的發(fā)展，必將產(chǎn)生深刻的影響。8.1.4 網(wǎng)格計(jì)算與空間分析 GIS是以空間數(shù)據(jù)為中心、以服務(wù)為驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)?？臻g數(shù)據(jù)與普通的數(shù)據(jù)相比，不僅具有地理分布和系統(tǒng)異構(gòu)的特征，而且具有時(shí)間動(dòng)態(tài)性、信息多源性、信息容量

20、海量性和存儲(chǔ)格式多樣性等特征。時(shí)態(tài)性，要滿足時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的需求，盡可能整合分布式存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源為一個(gè)虛擬統(tǒng)一系統(tǒng)環(huán)境；信息的多源性要求網(wǎng)格GIS必須提供一套元數(shù)據(jù)管理工具；信息容量的海量性和存儲(chǔ)格式的多樣性要求網(wǎng)格GIS提供基于空間信息資源的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。8.1.4 網(wǎng)格計(jì)算與空間分析 目前GIS空間分析功能還不強(qiáng)大，通常需要配置高檔微機(jī)、圖形工作站，硬件投入很大，這在一定程度上提高了用戶應(yīng)用GIS的門檻。隨著GIS軟件的進(jìn)一步發(fā)展，其空間分析功能逐步增強(qiáng)，需要消耗的計(jì)算資源數(shù)量巨大，計(jì)算資源的短缺逐漸成為GIS應(yīng)用的瓶頸問題。隨著GIS向著網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化及智能化方向的發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)

21、迅速建立的GIS分布式應(yīng)用的需求也將會(huì)十分迫切，這些應(yīng)用不僅要實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)共享的支持，而且對于空間信息共享以及對各種空間信息處理與分析功能的共享也應(yīng)能提供相應(yīng)的支持，最終實(shí)現(xiàn)在整個(gè)GIS應(yīng)用環(huán)境中，各個(gè)層次間的協(xié)同工作機(jī)制?；诰W(wǎng)格技術(shù)的GIS使空間分析功能得到拓展和延伸，使之不僅能對具有超媒體特性的地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、檢索和分析，也能對復(fù)雜空間問題進(jìn)行并行計(jì)算，以輔助和支持決策。8.1.4 網(wǎng)格計(jì)算與空間分析 網(wǎng)格計(jì)算與GIS空間分析的結(jié)合是在空間信息網(wǎng)格（SIG）技術(shù)體系支持下，采用中間件技術(shù)來構(gòu)建空間信息網(wǎng)格計(jì)算環(huán)境和空間信息服務(wù)體系，發(fā)展面向空間實(shí)體的空間數(shù)據(jù)組織技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)

22、與空間過程模式的深度計(jì)算，同時(shí)以空間智能體為核心建立空間主動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜空間格局表達(dá)和空間作用過程模擬，并通過建立人機(jī)交互、交融的虛擬地理環(huán)境，實(shí)現(xiàn)知識驅(qū)動(dòng)方式的復(fù)雜空間建模、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作與空間群體決策。8.1 網(wǎng)格計(jì)算概述8.2 網(wǎng)格GIS8.3 網(wǎng)格GIS關(guān)鍵技術(shù)第8章 地理網(wǎng)格計(jì)算 網(wǎng)格GIS是GIS與網(wǎng)格技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是GIS在網(wǎng)格環(huán)境下的一種應(yīng)用，它將具有地理分布和系統(tǒng)異構(gòu)的各種計(jì)算機(jī)、空間數(shù)據(jù)服務(wù)器、大型檢索存儲(chǔ)系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)等資源，通過高速互連網(wǎng)絡(luò)連接并集成起來，形成對用戶透明的虛擬的空間信息資源的超級處理環(huán)境。 8.2.1 網(wǎng)格GIS的特點(diǎn) （1）網(wǎng)格G

23、IS的核心是解決廣域環(huán)境下各種空間信處理資源的共享和協(xié)同工作。其中，空間資源包括空間數(shù)據(jù)、空間信息、空間知識和空間服務(wù)等。共享是空間資源在網(wǎng)格環(huán)境下的共享，協(xié)作是空間服務(wù)之間的協(xié)作。8.2.1 網(wǎng)格GIS的特點(diǎn) （2）網(wǎng)格GIS可以很好地解決異構(gòu)系統(tǒng)之間的互操作問題。在由空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫、GIS軟件組成的網(wǎng)格系統(tǒng)中，當(dāng)用戶提出某個(gè)應(yīng)用請求時(shí)，網(wǎng)格系統(tǒng)自動(dòng)把任務(wù)分解，然后路由（Routing）到特定的數(shù)據(jù)庫提取特定數(shù)據(jù)，并把它傳輸?shù)教囟ǖ腉IS軟件，處理結(jié)果以一致的用戶界面方式呈現(xiàn)在用戶面前。數(shù)據(jù)訪問和數(shù)據(jù)處理是透明的，即用戶不必知道處理過程中采用的是哪種GIS軟件、地理數(shù)據(jù)來自

24、哪個(gè)數(shù)據(jù)庫等，這樣可以使用戶專注于領(lǐng)域問題的解決，真正實(shí)現(xiàn)把整個(gè)因特網(wǎng)整合成一臺(tái)巨大的超級GIS服務(wù)器。8.2.1 網(wǎng)格GIS的特點(diǎn) （3）網(wǎng)格GIS處理的數(shù)據(jù)是空間數(shù)據(jù)，這是網(wǎng)格GIS與一般網(wǎng)格的根本區(qū)別?？臻g數(shù)據(jù)的特征要求網(wǎng)格GIS盡可能整合分布式存儲(chǔ)資源和計(jì)算資源為一個(gè)虛擬統(tǒng)一系統(tǒng)環(huán)境，并提供元數(shù)據(jù)管理工具和基于空間信息資源的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)等。網(wǎng)格GIS應(yīng)具有在大量用戶同時(shí)通過網(wǎng)格對其存儲(chǔ)的空間信息進(jìn)行訪問時(shí)快速響應(yīng)的能力。8.2.2 網(wǎng)絡(luò)GIS的體系結(jié)構(gòu) 在網(wǎng)格GIS系統(tǒng)中，其體系結(jié)構(gòu)決定了整個(gè)網(wǎng)格的運(yùn)行穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性，并定義了網(wǎng)格內(nèi)及網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)間的各種協(xié)議及API，用以指導(dǎo)網(wǎng)格系統(tǒng)及相

25、應(yīng)應(yīng)用程序間的操作。 1. 基于應(yīng)用的網(wǎng)格GIS體系結(jié)構(gòu) 2. 基于技術(shù)的網(wǎng)格GIS體系結(jié)構(gòu)8.2.3 面向服務(wù)的網(wǎng)格技術(shù) 網(wǎng)格GIS是面向服務(wù)的系統(tǒng)，它強(qiáng)調(diào)以服務(wù)為中心，主要包括元數(shù)據(jù)目錄服務(wù)、資源分配管理服務(wù)和安全服務(wù)等。地理空間數(shù)據(jù)立方體與地理空間數(shù)據(jù)立方體與OLAP的關(guān)系的關(guān)系 業(yè)業(yè) 務(wù)務(wù)處理系統(tǒng)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)提取數(shù)據(jù)提取數(shù)據(jù)準(zhǔn)備區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備區(qū)OLAP服務(wù)器服務(wù)器多維化多維化處處 理理客客 戶戶 端端可視化處理可視化處理地理空間地理空間數(shù)據(jù)立方體數(shù)據(jù)立方體數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)加載加載8.1 網(wǎng)格計(jì)算概述8.2 網(wǎng)格GIS8.3 網(wǎng)格GIS關(guān)鍵技術(shù)第8章 地理網(wǎng)格計(jì)算8.3.1 中間件技術(shù) 中間件（Mi

26、ddleware）技術(shù)作為存在于系統(tǒng)軟件與上層應(yīng)用之間的一個(gè)特殊層次，是未來網(wǎng)格計(jì)算的核心。它抽象了各種傳統(tǒng)的典型應(yīng)用模式，從而使應(yīng)用軟件制造者可以獨(dú)立于中層常規(guī)應(yīng)用與低層系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)，而更多地將思路集中在具體的業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)中，并基于標(biāo)準(zhǔn)化的形式進(jìn)行開發(fā)，這樣就使軟件構(gòu)件化的推廣與應(yīng)用成為可能。隨著一些相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的推出，中間件軟件設(shè)計(jì)模式必將成為可復(fù)用軟件構(gòu)件的運(yùn)行框架，并進(jìn)一步推動(dòng)構(gòu)件應(yīng)用進(jìn)程。 1. 中間件的特點(diǎn) 中間件一般是指運(yùn)行在客戶機(jī)或服務(wù)器系統(tǒng)上的一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，是一種新型的軟件設(shè)計(jì)模式。在實(shí)際應(yīng)用中，它可以實(shí)現(xiàn)多種功能，比如提供遠(yuǎn)程進(jìn)程管理、空間信息資源分配、信息

27、存儲(chǔ)與訪問、系統(tǒng)安全登錄和認(rèn)證、系統(tǒng)安全或服務(wù)質(zhì)量監(jiān)測等。中間件是一類軟件，而非某一種軟件。在網(wǎng)格環(huán)境中，中間件不僅可以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用程序間的簡單互連，也可以實(shí)現(xiàn)它們之間各種更復(fù)雜的互操作。目前，在基于分布式環(huán)境的各種應(yīng)用中，中間件的引入主要是為了解決網(wǎng)絡(luò)通信方面的功能問題。其中，中間件的位置一般處于應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層之間，它通過實(shí)現(xiàn)相應(yīng)層次的功能并將其進(jìn)行透明封裝，使相應(yīng)的應(yīng)用層軟件可以獨(dú)立于低層實(shí)現(xiàn)機(jī)制（如計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)平臺(tái)）而單獨(dú)進(jìn)行開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)間相同層次應(yīng)用的跨平臺(tái)操作。在已有的實(shí)際應(yīng)用中，很多大型企業(yè)級分布式應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)的建立都利用了中間件技術(shù)，通過各種中間件將大型企業(yè)分散的

28、現(xiàn)有子系統(tǒng)進(jìn)行組合，從而增強(qiáng)這個(gè)系統(tǒng)集成的簡單性和強(qiáng)健性。中間件的基本概念如圖8.9所示。圖8.9 中間件的基本概念2 中間件的種類 在基于分布式的網(wǎng)格環(huán)境中，中間件可以被分為4種類型：（1）基于RPC（Remote Procedure Calls）的中間件是一種對傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語言過程調(diào)用的擴(kuò)展，被調(diào)用的對象可以存在于分布式系統(tǒng)的任何物理平臺(tái)上；（2）面向消息的中間件支持基于消息傳遞的進(jìn)程間通訊方式，這類中間件既適用于客戶/服務(wù)器模型，也適用于對等網(wǎng)模型，一般比基于RPC形式的中間件具有更高的運(yùn)行效率；（3）基于對象請求代理（ORB，Obecjt Request Brokers）的中間件是面向

29、對象應(yīng)用程序的首選，消息可通過ORB進(jìn)行路由選擇，ORB同時(shí)處理集成和安全方面的問題；（4）數(shù)據(jù)庫中間件可以支持對異構(gòu)的傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的透明訪問。一般來說，從客戶/服務(wù)器模型的角度來看，中間件的基本工作原理可以理解為圖8.10所示。 客戶端上的應(yīng)用程序需要從網(wǎng)格中某個(gè)節(jié)點(diǎn)處獲取一定的數(shù)據(jù)或者服務(wù)，而且這些數(shù)據(jù)和服務(wù)可能處于一個(gè)運(yùn)行著和客戶端不同的操作系統(tǒng)的服務(wù)器上，在這種情況下，各種應(yīng)用程序只需要訪問中間件系統(tǒng)，中間件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成到網(wǎng)絡(luò)中查找目標(biāo)數(shù)據(jù)源或者服務(wù)的任務(wù)，向目標(biāo)提交客戶請求，并將結(jié)果重組為答復(fù)信息，送回給應(yīng)用程序?？蛻舳松系膽?yīng)用程序需要從網(wǎng)格中某個(gè)節(jié)點(diǎn)處獲取一定的數(shù)據(jù)或者服務(wù)，而

30、且這些數(shù)據(jù)和服務(wù)可能處于一個(gè)運(yùn)行著和客戶端不同的操作系統(tǒng)的服務(wù)器上，在這種情況下，各種應(yīng)用程序只需要訪問中間件系統(tǒng)，中間件系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)完成到網(wǎng)絡(luò)中查找目標(biāo)數(shù)據(jù)源或者服務(wù)的任務(wù)，向目標(biāo)提交客戶請求，并將結(jié)果重組為答復(fù)信息，送回給應(yīng)用程序。在GIS領(lǐng)域中，統(tǒng)一并制定網(wǎng)格GIS中間件的各種標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行規(guī)范化的開發(fā)，將會(huì)徹底改變傳統(tǒng)GIS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用模式，使基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的空間數(shù)據(jù)處理和跨平臺(tái)計(jì)算、多用戶空間數(shù)據(jù)同步處理、異構(gòu)系統(tǒng)間的互操作以及多級分布式系統(tǒng)協(xié)同工作等功能的實(shí)現(xiàn)成為可能，并將使GIS從傳統(tǒng)的提供具體GIS軟件轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)需求提供具體的GIS功能服務(wù)，從而在進(jìn)一步推動(dòng)空間信息資源共享的

31、基礎(chǔ)上，滿足日益增長的多層次、多樣化空間信息應(yīng)用的需求。3. 中間件的作用中間件是GIS平臺(tái)與空間數(shù)據(jù)庫之間的轉(zhuǎn)換層，通過中間件的作用，將不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫平臺(tái)的差異屏蔽在中間件之后，將面向空間數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用所需的技術(shù)高度專業(yè)化地實(shí)現(xiàn)出來，供不同的客戶端高效地共享和互操作。網(wǎng)格中間件的作用是：基于軟件構(gòu)件化原理：在GIS項(xiàng)目開發(fā)過程中，特別是大型軟件開發(fā)中，通過引進(jìn)網(wǎng)格中間件，減輕軟件系統(tǒng)的“重量級”，符合軟件構(gòu)件化原理，同時(shí)也使軟件向模塊化方向發(fā)展，從根本上提高軟件的效率和質(zhì)量；基于軟件可重用原理：從GIS的發(fā)展史可以看出，隨著其結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜性的不斷增加，傳統(tǒng)的整體化結(jié)構(gòu)與集中式軟

32、件設(shè)計(jì)和運(yùn)行方式已越來越顯示出其自身固有的局限性，基于中間件技術(shù)的軟件體系可以將部分中間件用于其他程序塊，同時(shí)也利于程序員的開發(fā)；基于跨平臺(tái)原理：中間件具有多種模式、多種體系結(jié)構(gòu)和多種軟件技術(shù)，開發(fā)中間件與平臺(tái)無關(guān)，方便了代碼的移植和重用；基于軟件體系原理：傳統(tǒng)的Client/Server體系在以往的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中曾發(fā)揮很大的作用，但在給系統(tǒng)帶來靈活性的同時(shí)，也逐漸暴露出其客戶端和服務(wù)器端負(fù)擔(dān)過重的缺陷，而在Client/Middleware/Server體系中，由于中間件的存在，可以大大減輕客戶端和服務(wù)器端的負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的強(qiáng)健性。8.3.2 WEB Service平臺(tái) 1. Web Serv

33、ice的組成 Web Service是建立可互操作的分布式應(yīng)用程序的新平臺(tái)，即在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)間通信時(shí)，Web Service通過向外界提供API來完成網(wǎng)絡(luò)間的各種操作。Web Service平臺(tái)是一套標(biāo)準(zhǔn)，它定義了應(yīng)用程序如何在Web上實(shí)現(xiàn)互操作。一個(gè)Web Service就是一個(gè)可以被URI識別的軟件應(yīng)用，其接口和綁定可以被XML描述和發(fā)現(xiàn)，并可以通過基于Internet的協(xié)議直接支持與其他基于XML消息的軟件應(yīng)用的交互。與網(wǎng)格服務(wù)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)分別是SOAP（Simple Object Access Protocol）、WSDL（Web Services Description Language）

34、、UDDI（Universal Description Discovery and Integration）和WSFL（Web Services Flow Language）等，Web Service結(jié)構(gòu)如圖8.11所示。 Web Service的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)Web Service構(gòu)建好之后，用戶可以通過SOAP協(xié)議提供的RPC（Remote Procedure Calling）方法來調(diào)用Web Service；WSDL是基于XML的語言，用于描述Web Service及其函數(shù)、參數(shù)及返回值等語言，由于基于XML語言，WSDL文檔的特點(diǎn)也是簡單易讀，且實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)無關(guān)性；UDDI用于服務(wù)發(fā)布和

35、服務(wù)目錄操作；WSFL是對單一的服務(wù)進(jìn)行集成，形成服務(wù)流來完成服務(wù)，形成任務(wù)流的前提條件是需要服務(wù)之間能進(jìn)行互操作。Web Service的核心是在大的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上將各種應(yīng)用 連 接 起 來 ， 借 助 于 W e b 標(biāo) 準(zhǔn) U D D I 、 W S D L 和XML/SOAP等將Internet從一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展為一個(gè)應(yīng)用平臺(tái)。當(dāng)越來越多的Web Service實(shí)現(xiàn)后，應(yīng)用的各種特征將會(huì)隨之改變，一些應(yīng)用就可以根據(jù)需要或者是根據(jù)可以得到的功能，從可得到的服務(wù)中來動(dòng)態(tài)構(gòu)造，例如可以動(dòng)態(tài)地將一個(gè)新的服務(wù)加入到基因組分析、GIS空間分析功能或者服務(wù)庫中。 2. 基于Web Service的

36、GIS空間分析 GIS空間分析處理是基于空間對象的位置、形態(tài)等特征和屬性的空間數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)，其目的是獲得符合需求的空間數(shù)據(jù)，提取空間信息?，F(xiàn)有的空間分析處理大多是基于獨(dú)立和封閉的平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，他們采用不同的數(shù)據(jù)格式，處理功能、函數(shù)調(diào)用、應(yīng)用接口都有很大的差異，這使得各種空間分析處理程序或系統(tǒng)不能進(jìn)行基于信息的應(yīng)用操作交互。在網(wǎng)格GIS環(huán)境下，可以實(shí)現(xiàn)開放的、能夠在異構(gòu)環(huán)境下進(jìn)行多分析處理程序或系統(tǒng)間的通信和協(xié)作的GIS空間分析處理服務(wù)?；诜?wù)的GIS空間分析處理技術(shù)研究主要關(guān)注應(yīng)用模式和應(yīng)用框架，而不過多地著眼具體的空間分析處理算法。GIS空間分析處理服務(wù)將基于Web Service的

37、服務(wù)協(xié)議和規(guī)范，其中，SOAP、WSDL、UDDI定義了一種以自描述的方式發(fā)現(xiàn)并調(diào)用服務(wù)的方法，數(shù)據(jù)被編入XML請求和響應(yīng)文檔，并使用HTTP或基于消息的協(xié)議在服務(wù)之間傳輸數(shù)據(jù)。 在GIS空間分析中，SOAP可以應(yīng)用在多種類型的系統(tǒng)中，從消息系統(tǒng)到遠(yuǎn)程過程調(diào)用等，由于SOAP采用了XML，并在調(diào)用與交換信息方面有其優(yōu)勢，使其成為平臺(tái)中互相調(diào)用接口定義所遵循的規(guī)范；WSDL實(shí)現(xiàn)對GIS空間分析處理服務(wù)的描述，有了這種描述機(jī)制，開發(fā)環(huán)境就能夠采取程序化的手段來分析GIS空間分析處理服務(wù)，并在開發(fā)和應(yīng)用環(huán)境中生成相應(yīng)的程序接口，以實(shí)現(xiàn)無縫連接；UDDI將服務(wù)和應(yīng)用全部打包在一個(gè)簡單的XML接口中，同

38、時(shí)也實(shí)現(xiàn)了一組使應(yīng)用模塊開發(fā)者能夠注冊自己提供的GIS空間分析處理服務(wù)并讓其他開發(fā)者或用戶能夠查詢并訪問到的標(biāo)準(zhǔn)。UDDI注冊中心是核心組件，由很多提供UDDI注冊服務(wù)的服務(wù)組成，成為一個(gè)集群。在物理上，他們可能是分散的，但是這些UDDI注冊中心將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步，對于用戶來說，注冊一次就等于向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布了信息。 Web Service服務(wù)符合網(wǎng)格計(jì)算中應(yīng)用要求的平臺(tái)無關(guān)性、位置無關(guān)性、簡單易用性，且為其提高安全性提供了底層保證，Web Service技術(shù)是解決網(wǎng)格計(jì)算問題的最好途徑。Web Service在W3C中由三個(gè)工作組和一個(gè)協(xié)調(diào)組組成，這三個(gè)工作組分別是：Web Service結(jié)構(gòu)工

39、作組、XML協(xié)議工作組和Web Service描述工作組。Web Service標(biāo)準(zhǔn)正在W3C內(nèi)部以及其他的標(biāo)準(zhǔn)體內(nèi)部被定義，他們形成了新的主要工業(yè)提議的基礎(chǔ)，比如Microsoft的NET、IBM的Dynamic eBusiness、Sun的Sun One等。8.3.3GML地理標(biāo)識語言地理標(biāo)識語言 1. GML定義及特點(diǎn) GML（Geography Markup Language）是中間件之間實(shí)現(xiàn)信息傳輸和存儲(chǔ)的關(guān)鍵性技術(shù)。GML是由OGC公司組織并發(fā)行的可用于GIS網(wǎng)絡(luò)間通信的一種高效語言，是XML的擴(kuò)展，用來存儲(chǔ)和傳輸空間地理特征的屬性信息和幾何信息，強(qiáng)調(diào)空間信息的傳輸，而非地理特征的可視化。GML可以用于地理目標(biāo)建模、存儲(chǔ)和傳輸空間地理特征的屬性信息和幾何信息。它提供了各種對象類型來描述地理特征、坐標(biāo)參考系統(tǒng)、幾何、拓?fù)?、時(shí)態(tài)、測量單位及屬性信息。在網(wǎng)絡(luò)空間地理信息系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，GML的地位就比如一個(gè)深層驅(qū)動(dòng)機(jī)，能將地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)核心地理特征采用XML的文本方式進(jìn)行描述，并能對網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)的各功能部件之間的空間信息的傳輸、通信提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。它是互聯(lián)網(wǎng)間資源共享和交換的地理信息編碼，是地理信息詞匯的表達(dá)方式，也是基于Web的地理信息服務(wù)的通信組件。GML將GIS的內(nèi)容及其表現(xiàn)形式分離開來，對于地理信息數(shù)據(jù)的表現(xiàn)，需要開