摘要：網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。本文通過介紹網格計算及其相關概念，提出了空間信息技術與網格技術的結合――網格GIS，并簡單分析了網格GIS的概念、特點、關鍵技術和體系結構。?
　　關鍵詞：網格計算；地理信息系統(tǒng)；網格GIS?
　　中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A??
　　
　　1 引言?
　　
　　隨著網絡技術的進一步發(fā)展，“網格”出現的頻率越來越高，人們對網格技術所寄予的希望也可見一斑。網格的基礎是internet，但又高于internet。所謂網格（Grid），是指將機群、超級計算機、大規(guī)模存儲系統(tǒng)、數據庫以及其它地理上分散的特殊儀器設備，甚至個人計算機等所有的計算資源、存儲資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源等連接起來作為單個統(tǒng)一資源使用。從而能夠方便快捷地解決各種復雜的問題。網格的最終目標是實現像電力網那樣的網格資源應用模式，使得用戶使用網格資源就像使用電力一樣方便。?
　　同時，網格在GIS領域也受到了極大的重視。GIS在經歷了四十多年的飛速發(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據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。在近些年，“數字地球”、“數字城市”成為GIS的發(fā)展方向，而基于TCP/IP協議的萬維網卻難以很好地解決“數字地球”、“數字城市”的實時處理和信息共享等方面的問題。這樣，基于網格計算的GIS（GRIDGIS）應運而生。在網格環(huán)境下，GIS能夠利用網格的優(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，網格中大量的高性能計算機能夠通過組合和協同進行空間信息的分析和處理，大幅度提高GIS的數據處理速度，也更加有效地利用所存儲的空間數據資源。?
　　
　　2 網格GIS的特點?
　　
　　網格GIS實現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[1]?。一方面它和GIS一樣采用了分布式數據管理策略，實現了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�？偟膩碚f，網格GIS具有以下特點：?
　�。�1）空間信息資源的分布與共享?
　　網格環(huán)境中的空間信息分布于不同的地理位置上，網格GIS可以對這些物理位置分散的各種空間數據進行無縫集成和協同式處理，應用系統(tǒng)的數據源可以是不同地點，不同存儲方式的復雜數據源，從而最大程度地實現空間數據資源的共享和協同，消除信息孤島，為用戶提供增強的GIS服務功能。?
　�。�2）系統(tǒng)的異構和統(tǒng)一?
　　網格技術不是要完全取代現有的各種技術，而是對現有技術的發(fā)展和延伸。因此，網格環(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，數據管理策略和使用格式上都存在著差異，這種差異是網格中系統(tǒng)異構的具體體現。同時，這種差異的存在也決定了網格GIS必須具有跨平臺和操作系統(tǒng)的管理能力。因此，網格GIS需要在一個統(tǒng)一的網格服務協議上建立網格GIS各層的應用，以保證不同平臺，不同數據格式的應用系統(tǒng)能夠通過統(tǒng)一的接口對網格GIS資源進行訪問。?
　�。�3）數據的多源和海量?
　　由于空間數據獲取手段很多，數據的存儲和表達方式也各不相同。數據的多源化加了空間數據的整體利用難度，也使得大量的異構數據相互成為數據盲區(qū)。同時，空間數據的數據量相當龐大，并且隨著數據獲取技術的進步還在高速增長當中。因此，為了實現多源海量數據的快速統(tǒng)一訪問，有必要建立數據轉換標準和快速的數據索引機制。?
　　（4）資源的動態(tài)性?
　　網格作為一種松耦合的網絡環(huán)境，隨時都可能有節(jié)點遷入或者遷出網格，其所包含的資源是在不斷變化中的。同時，GIS數據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據需求，從而更好地支持各種GIS數據服務。?
　　
　　3 網格GIS的關鍵技術?
　　
　　網格GIS作為以數據網格技術為支撐的大型GIS平臺，必須要實現廣域范圍內空間信息的充分共享和各種數據互操作，需要多種技術的支撐，其中，既包括網格計算的關鍵技術也包括GIS的一些關鍵技術。?
　　3.1 網格計算的關鍵技術?
　　3.1.1 寬帶網絡技術?
　　寬帶網絡系統(tǒng)是網格計算環(huán)境中，提供高性能通信的必要手段。網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絡系統(tǒng)提供通信支持，做到即連即用。?
　　3.1.2 資源管理和任務調度技術?
　　這也是網格計算的核心技術。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。?
　　3.1.3 安全技術?
　　網格安全所包括的內容非常廣泛，比如認證、授權、保證、記帳、審計、完整性、機密性等，幾乎涉及到網格的方方面面。網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。?
　　3.2 網格GIS特有的關鍵技術?
　　3.2.1 超大規(guī)�？臻g數據的存儲與管理技術?
　　數據服務是網格GIS的中心任務，所有的網格GIS應用和計算分析都是圍繞著數據這個空間信息載體來進行。網格GIS可以支持各種信息數據輸入格式，如支持BMP、GIF、PNG、JPG等格式； 支持3DS、DXF、VRML等三維模型格式；支持各種矢量等高線數據；支持SHP、DGN、MIF、EOO等GIS和CAD矢量數據。?
　　但數據的獲取是非常復雜的，需要多個環(huán)節(jié)的密切配合、多種手段共同完成的過程。?
　　（1）地下網絡數據的獲�。嚎梢詮脑O計數據、有經驗的管工及先進的探管儀來獲得地下管道的精確位置，把它們轉換成解析圖和相關數據，按類型存入到數據庫中。?
　�。�2）地表網絡數據的獲取：可以通過以下幾個方面綜合獲�。和ㄟ^衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取整個城市或地區(qū)的概貌；通過航測系統(tǒng)可以得到小一些區(qū)域的概貌，使對象范圍更加具體；對于更小一些的對象則通過測量儀器對其準確定位。這樣就可以得到一個城市全部的地表數據，通過轉化生成數字化的數據存入數據庫。?
　�。�3）空間數據的獲取：遙感、GPS技術和數字化野外測量技術可以實現空間地理信息的采集。衛(wèi)星遙感圖像的精度將有可能提高到米級甚至分米級，而無人駕駛的采用GPS定位的小型飛機或航空模型裝載CCD數字像機可以直接、快速地獲取高精度城市規(guī)劃有用的信息和制作數字化影像圖和矢量地圖。數字化野外測量技術則采用電子平板儀加上GPS定位獲取高精度的測量電子數據，并直接輸入計算機系統(tǒng)中。?
　　3.2.2 空間數據元數據及其服務技術?
　　在網格環(huán)境下，各種資源是在不斷動態(tài)變化著的，如何讓網格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。元數據技術是在網格資源發(fā)現中普遍采用的技術，同理，我們可以采用元數據服務技術提高網格GIS的資源發(fā)現能力，讓用戶能夠更容易地獲取最佳的資源配置方案。?
　　3.2.3 網格GIS應用和集成技術?
　　本質上，網格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。網格GIS應用技術研究利用通用的網格GIS瀏覽器為用戶提供擴展的GIS應用服務，如海量空間數據挖掘，協同式復雜空間分析等等。網格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據的集成和GIS操作的集成。?
　　
　　4 網格GIS的體系結構?
　　
　　參考現有的網格計算體系結構OGSA[4]?，網格GIS可以采用三層的體系結構，如圖1所示。?
　　
　　4.1 網格GIS基礎設施層?
　　網格GIS基礎設施包含網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、數據庫，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。網格GIS基礎設施僅僅實現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。因此必須在網格GIS基礎設施上通過網格GIS中間件層（一體化平臺）來完成廣域空間信息的有效共享。?
　　4.2 網格GIS中間件層?
　　網格GIS中間件是指一系列工具和協議軟件，其功能是屏蔽網格GIS基礎設施中空間信息的分布、異構特性，向數據網格應用層提供透明、一致的使用接口。網格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。網格GIS用戶層次中間件（GridGIS User-level middleware）包含資源經紀人或用于聚集資源的調度程序責任。?
　　4.3 網格GIS應用層?
　　在上述網格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議、應用工具等，建立空間數據處理與信息服務集成環(huán)境。?
　　
　　5 結論?
　　
　　本文討論了網格計算的相關概念和研究進展，并在此基礎上提出了網格GIS的概念、特點、關鍵技術及其體系結構。將網格計算引入GIS是互聯網發(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絡技術發(fā)展和應用需求的現狀，推動“數字地球”、“數字城市”的深入發(fā)展。但GRIDGIS及其應用的研究成果尚不多見，目前的一些研究多停留在概念、原理層的探索，GRIDGIS的許多理論與技術問題還有待進一步探索和研究。?
　　
　　參考文獻?
　　
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　　[4]都志輝，陳渝，劉鵬.網格計算[M].北京：清華大學出版社，2002.

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