（地图学与地理信息系统专业论文）网格环境下海洋标量场信息服务系统研究.pdf

摘要 海洋是2 1 世纪人类社会可持续发展的宝贵财富和最后空间。2 1 世纪，国际 政治、经济、军事和科技活动都离不开海洋j 。为此，世界各国纷纷掀起了海洋 研究热潮。为了更好的认识海洋，了解海洋，从海洋获得更丰富的能源和资源， 获取、分析、使用、共享海洋数据成为海洋研究需要迈出的第一步。 近十年来，由于航天航空遥感、浮标技术以及多波束回声仪等海洋相关探测 技术的发展，导致海洋数据的急剧增加。面对海量海洋数据的存储、管理、维护、 分析和共享的挑战，地理信息系统( g i s ) ，作为对蕴含空间位置信息的数据进行 采集、存储、管理、分析、显示、应用和共享等的支撑技术，日益显示出其在海 洋领域的重要性【2 1 。海洋数据由于其测量方式以及自身因素等方面的原因使其具 有不同于陆地上数据的独特之处。海洋数据具有动态性、模糊型、时空过程性、 区域分布性等特点。由于海洋数据的这些特性，给海洋数据的管理、分析、使用 和共享带来比陆地数据更多的困难。 随着网络技术的发展、网格概念的提出以及w r e b 服务技术与g i s 技术相结 合，给海洋数据的使用和共享提供了必要的技术支持。传统的数据共享大多采用 应用服务和数据在同一台服务器或处于同一局域网内的集中模式，由于海洋数据 的海量特性和区域分布特性，在应用传统的w 曲g i s 进行海洋数据的发布和共享 时，面临着种种困难。又由于海洋数据具有时空过程的特点，使海洋数据的可视 和分析也要实现时空动态的表达方式。 因此，本文以海洋标量场数据为例，使用m c g i ss e n ，e r 以w 曲s e n ，i c e 方式 发布分布式数据源，基于网格思想进行数据源的管理、调度和使用，通过w | e b g i s 技术进行海洋标量场数据的时空动态过程信息服务系统研究。 关键字：网格，海洋标量场，时空过程，w 曲s e r v i c e ，w 曲g i s ，分布式数据源 a b s t r a c t o c e a l li st h ei n v a l u a b l ew e a l t ha n dt h el a s ts p a c ef o rt h es o c i a ls u s t a j n a b l ed e v e l o p m e n ti 1 1 t h e21t h c e m u 叫t h em o v e m e mo fi n t e m a t i o n a 】p o l i t i c s ，e c o n o m y ，m i l i t a r y ，s c i e n c e 锄d t e c h n o l o 副i sd i 伍c u l tw i t h o u to c e a n t h e2 1 t hc e n t u 夥i st h eo c e a n i cc e 删t h e r e f o r e ，m 锄y c o u n t r i e ss t a i tt h eo c e a l l i cr e s e a r c hu p s u 玛ei nt h ew o r l d i no r d e rt ob e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h e o c e a i l sa n dg e 伉i n gm o r er i c he n e r g ya n dr e s o u r c e s ，a c q u i r e m e n t ，a n a 】y s i s ，u s e 锄ds h a r eo f o c e a n i cd a t ab e c o m e st h ef i r s ts t e pf o rm 撕n er e s e a r c hn e e d s i nt h ep 2 l s tt e ny e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fo c e a n - r e l a t e dt e c l l n o l o g yo fs u r v e y i n gs u c ha s r o s p a c er e m o t es e n s i n g ，b u o yt e c h n o l o g ) ，a n dm u l t i - b e a n le c h od e t e c t i o n ，r e s u l t si nad r a t n a t i c i n c r e a s ei nm a r i n ed a t e f a c et ot h ec h a l l e n g e so fad e l u g eo fo c e a n i cd a t as t o r a g e ，m a n a g e m e n t ， m a i n t e n a n c e ，a n a l y s i sa n ds h a r i n g ，g l s a sas u p p o r tt e c h n 0 1 0 9 y c o n t a n i n gt h es p a t i a ld a 妇 c o l l e “o n ，s t o r a g e ，m a n a g e m e n t ，a n a l y s i s ，d i s p l a 弘u s ea n ds h a r e ，i n c r e a s i n 9 1 ys h o wi t si m p o r t a n c e i nt h em a r i n er e s e a r c hf i e l d b e c a u s eo fi t sm e 2 l s u r e m e n t ，a sw e l la sf 如t o r ss u c ha st h e i ro w n ， m a r i n ed a t ai sd i 疏r e n tf o 咖t h e 岫i q u eo fl a n dd a t a m a r i n ed a t ai sd y n a m i c ，缸冽t ) ，p e ， t i m e s p a c ec o u r s e ，t h er e g i o n a ld i s 仃i b u t i o no ft h ec h 撇t e r i s t i c s b e c a l j s eo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c s o fm 撕n ed a 氓t h eo c e a n i cd a t am a n a g e m e n t ，a n a l y s i sa n du s ea r em o r ed i 伍c u l tt h a nl a n dd a t a w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t 、v o r kt e c h n o l o g y ；t h ec o n c e p to ft h ep r o p o s e dg r i d a n dt h e c o m b i n a t i o no fw 曲s e i c e st e c h n 0 1 0 影a n dg l st e c h n o l o g yp r o v i d et h en e c e s s a d ，t e c h n i c a l s u p p o r tf o rt h eu s ea n ds h a r eo fm a r i n ed a t a t h et r a d i t i o n a ld a t as h a r em o s t l ya d o p tt h es e r v i c e a n dd a t ai nt h es a m es e r v e ro ri nt h el a no fc e n t r a l i z e dm o d e l b e c a u s eo ft h em a s so ft h em 撕n e d a t aa n dr e g i o n a ld i s t r i b u t i o n ，t h e r ea r ea l ls o n so fd i f f i c u l t i e si nt h ea p p l i c a t i o no ft h et r 砸i t i o n a l w e b g l st od i s s e m i n a t ea n ds h a r ed a t a m o r e o v e r ，t h em a r i n ed a t ai st i m e - s p a c ec o u r s e ，s ot h a ti t i sn e c e s s a 呵t oa c h i e v et h ed y n a m i ct i m e s p a c ee x p r e s si nm 撕n ed a t am 撕n ed a t av i s u a l i z a t i o n a n da n a l y s i s t h e r e f o r e ，t h i sp 印e rt a k e sad a t ao fs c a l a rf i e l do fm a r i n ed a t af o re x a m p l e ，t ou s ea r c g l s s e r v e rd i s s e m i n a t i o nd i s t r i b u t e dd a t as o u r c e sb yt h ew a yo fw 曲s e r v i c e ，m a n a 呈粤m e n t ，s c h e d u l i n g a n du s eo ft h ed a 船s o u r c e so ng i r d _ b a s e dt h i n k i n r e s e a r c ht h em 撕n es c a l a rf i e l dd a l r ao ft h e t i m e - s p a t i a ld y n 锄i cp r o c e s sl n f o m a t i o ns e r v i c e ss y s t e m k e yw o r d s ：g r i d ；o c e a n i cs c a l 盯f i e l d ；t i m e s p a t i a lc o u r s e ，w e bs e i c e ，w e b g i s ，d i 刚b u t e d d a ：t as 0 u r c e s 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：_ 羟l 至器l 日期：- j 些竺竺坐7 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技 术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：壹l 鍪耖 指导教师签名： 日 期：剐d 7 日期2 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节研究背景及意义 随着社会的稳定快速发展、环境的严重破坏和陆地资源的加速消耗，人类遇 到了资源短缺、人口膨胀与环境恶化三大难题【3 】，随即将目光转向了海洋这个自 然资源宝库。海洋将成为本世纪国际竞争和开发的重点领域1 4 ，5 。 为了获取海洋研究数据，人们采用了各种各样的手段。目前，自动数据收集 器水下自行平台发展极为迅速，其他海台基自动技术的发展同样迅速，如声纳设 备、浮标、海底探测系统等。美国计划建立2 个海台基自动收集网络，届时数据 将实时地通过浮标传输到岸上。我国“九五”计划在此方面取得显著的成果，如 8 6 3 8 1 8 项目“海洋环境立体监测系统上海示范区”，所获得的数据包括物理数 据( 波、流、温、盐及其他化学测量) 和生物数据( 位置、数量、营养) 。 除常规的海洋监测之外，由于航空和航天遥感技术的发展，给海洋数据的获 取提供了极大的方便和更好的数据源。海洋遥感主要是通过卫星的遥感器，利用 有利于海洋监测的电磁波波段( 可以是主动方式，也可以是被动方式) ，获得海 洋表面反射或发射的电磁辐射能量，再通过一定的数学模型进行海洋环境参数的 反演来得到海洋环境参数数据。这样的海洋环境卫星有很多，携带的传感器也各 种各样，根据卫星监测的内容不同分为海洋水色卫星、海洋地形卫星和海洋动力 环境卫星【6 1 。 根据海洋卫星获得的遥感数据，可以通过特定的反演模型得到各种海洋环境 参数产品，如海洋表面温度( s s t ) 、海洋表层叶绿素浓度、悬浮泥沙含量、海 洋表面高度、海洋风场、海洋盐度数据等。 通过常规监测手段和遥感方式获得的海洋环境数据，由于获得数据的仪器设 备、处理方法，以及应用部门习惯的不同，造成数据存储结构和数据格式的不同， 使得大量的海洋数据普遍存在异构的情况。同时，由于各个海洋数据获取单位通 常处于不同的地理位置，而且往往数据的使用者和提供者也不在同一地理位置， 给数据的共享和使用带来了不便。造成数据的利用效率低、资金浪费。然而海洋 数据作为地理信息的一种，本身具有区域分布性的特点，因此地理数据库的分布 和更新也应是分布式的。 由于海洋数据的获取手段的多样和监测内容的繁多，使海洋监测数据数据量 巨大，并且每天数据量都在以指数级增长，因此其数据是真正的海量数据【7 j 。 海洋数据获取手段的多样化和海洋自身的特点，使海洋数据具有如下特点 东北师范大学硕士学位论文 1 2 】： ( 1 ) 海洋数据的异构性 当前海洋数据获取主要借助台站监测、物理实验数值模拟和卫星海洋遥感等 多种手段，分别使用各种仪器进行数据获取，并且各种仪器设备所产生的数据格 式不同，即使是获取同一种类数据，由于仪器不同，其格式也多种多样，这给原 始观测数据的处理和交换带来很大的困难。 ( 2 ) 海洋数据复杂性 由于海洋环境的特殊性，一般来说，海洋数据都具有时间、空间的属性，即 四维属性，这就使得海洋数据非常复杂，一般包括点数据、线数据、面数据、时 间数据。 ( 3 ) 动态性 海洋时刻处于动态变化之中，其最明显的表现就是海洋中各种现象的动态变 化，海洋数据作为海洋现象信息的记录，也应具有动态性的特征。海洋现象的动 态变化与陆地现象不同，陆地上的动态属于局部的，不涉及全局性变化，并且陆 地上变化的时间频率很低，一次变化可能会持续很长时间。海洋现象的变化是全 局性变化，并且变化的时间频率很高，几乎是时刻处于变化之中。 ( 4 ) 时空过程性 由于海洋现象随时间变化的频率很高，因此其变化过程表现为一定的时空过 程性。海洋数据需要记录海洋现象的时空过程特性，这种时空过程特性不但存在 于一定的空间范围内，还表现为时间上的持续性。在海洋现象的变化中，其时空 过程可以根据各种海洋环境参数进行计算模拟，并根据数据模拟可以表现海洋现 象的过去和未来的发展趋势。 ( 5 ) 数据量巨大分布范围广 海洋数据量非常巨大，而且正以指数级增长，这些数据分布于世界上多个海 洋研究中心和其他科研单位。 基于以上海洋数据的特点，为了进行海洋数据的共享和可视化表达，应用传 统的w 曲g i s 表达方法，会遇到很多困难，传统的w 曲g i s 进行地理信息的表达， 一般都以图片的形式进行地理信息的可视化，并能够进行数据的查询检索以及结 合这些基本功能的业务应用，其数据库一般都和w 曲服务器处于一台机器或者 存储在同一局域网的不同服务器上，这种应用模式给海洋数据这种高分布性和海 量数据的存储、信息发布、共享带来很大的困难。如果将分布在各单位的数据集 中进行发布，就需要把数据集中到一个单位，这会给日常的工作增加很大的工作 量，各个单位每天都要进行这些繁琐重复的劳动，并且即使将这些数据集中在一 个单位进行存储，由于数据量巨大，将给数据服务器造成巨大的压力，服务器响 应的速度会变得很慢，这样给用户的数据访问又带了了很大的困难。 东北师范大学硕士学位论文 在传统的w r e b g i s 中，进行数据的查询，主要是进行矢量数据的查询检索， 但对于栅格图像数据的查询和数据值获取则很难办到。因此，在进行这类功能的 实现时主要的方法是将栅格图像数据转化成矢量的网格数据，这给数据的处理带 来很大的困难，特别是具有时间序列特性的海洋数据更难，因为首先要将数据转 化成矢量数据，然后进行多时间序列的属性合并，这对数据的配准精度要求很高， 需要花费很多的人力和时间。 海洋数据具有时空过程特性，因此在进行w - e b g i s 的可视化表达时，也要特 别考虑到这方面的特点，而不能单纯的依靠静态的图片进行可视化。这就需要开 发适合于海洋时空过程表达的功能，来满足海洋信息表达的要求。 随着计算机技术及互联网技术的发展，给海洋数据的共享发布和可视化表达 带来了更好的解决方案。特别是分布式计算技术及网格技术的发展，更加推动了 w | e b g i s 技术的发展，为其解决海量数据和分布式数据发布提供了良好的解决方 案。随着w 曲服务( w | e bs e r v i c e ) 技术的发展和成熟，许多的g i s 开发商都将 w 曲g i s 系统转到了w 曲s e n ，i c e 的技术路线上，通过w 曲s e n ，i c e 技术，可以将 数据分布地发布，并集中的共享和可视化表达，由于网格技术的出现，也给资源 的管理带来了新的方法，可以通过网格技术对分布式的数据服务进行管理、调度 和分配使用。 为了应对和解决海洋数据远程可视化和共享的难题，国家设立专门的研究项 目，来研究海洋数据管理、应用与共享，本文就是在国家9 0 8 项目“海洋环境信 息网格”的支持下完成。本文研究的目的是利用网格技术进行分布式数据源( 数 据服务) 的组织、管理、调度，利用心c g i ss e r v e r 发布符合w 曲s e n ，i c e 标准的 数据源，为前台的w r e b g i s 系统提供数据，这些数据源分布在数据生产单位内部， 通过标准的w - e b 服务方式向外发布，这样可以不将数据集中到一个单位进行发 布共享，克服了海量数据集中的难题，同时也省去了将数据集中到一起的麻烦。 本文以海洋标量场数据为例，进行数据的发布共享，并在数据的基础上，为了表 达海洋数据的时空过程的特点，通过点、线、面过程的时空过程可视化方法，来 表达海洋信息的时空过程，在i n t e m e t 上为用户提供海洋标量场的信息服务。 通过本系统的研究和实现，充分证明了网格环境下基于分和式数据源的 w ，e b g i s 技术是分布式的、海量的海洋数据的组织、管理、共享和可视化的良好 解决方案，能有效地解决目前面临的海洋数据共享中遇到的问题，为其他的分布 式海量海洋数据的共享提供了方法和技术借鉴。 东北师范大学硕士学位论文 第二节网格环境下分布式数据源技术研究现况 一、网格技术国内外研究现状 网格技术作为即将到来的第三代互联网应用，近几年发展迅速，很多发达国 家都投入大量的科研资金，希望能抓住机遇，掌握未来的命运。 网格研究主要依靠政府行为，重点在美国和欧洲。英国政府已经投资l 亿英 镑，用来建设英国国家网格。美国军方正规划实施一个宏大的网格计划，叫做“全 球信息网格( g l o b a li n f o m l a t i o n 嘶d ) ”，预计在2 0 2 0 年完成。美国能源部的山 地国家实验室的“先进战略计算创新计划网格( a s c i 嘶d ) ”主要用于核武器研 究【引。 为了促进网格技术普及，使其不再局限于实验室应用，信息产业界的大公司 都相继公布了与网格目标一致的计划。i b m 、微软、s u l l 等公司取得共识，共同 开发支持订l 、s o a p 、u d d i 等万维网标准的w 曲s e n ，i c e 技术，利用w 曲s e r v i c e 技术开发的网络应用，可以很好的支持分布式资源共享。其目的就是将因特网上 的资源和信息汇聚在一起，组合成企业和消费者所需要的服务。 我国科技界密切关注网格技术的发展。科技部通过8 6 3 计划“高性能计算” 专项的形式，在“十五”期间大力支持了网格的研究和应用工作。中国科学院计算 机研究所早已投入大量人力、财力从事网格研究，他们的网格研究工作统称为“织 女星网格”。我国教育部主持的“中国教育科研网格”项目目的在于把各大高校的 优秀教育资源集中起来，充分共享，消除信息孤岛，为国家科研教学服务。除此 之外，我国还开展了“国家网格”、“中国空间信息网格”、“e s c i e n c e 网格研究计 划”等一系列的网格研究项目，支持网格技术的发展。 在g i s 领域，也紧跟网格技术的发展提出空间数据网格，空间数据网格的 研究目的就是考虑如何将各种空间数据网格服务组织起来，成为一个高效的系 统，以及以怎样的方式为用户或应用程序提供空间数据服务。空间数据网格作为 网格环境中空间数据管理功能的实现，要建立在基础网格框架之上，即空间数据 网格的功能要利用基础网格的一些网格服务来实现，如安全服务、资源调度服务、 性能与信息服务等。另一方面某些网格服务的实现，也要利用空间数据网格所提 供的功能。 网格技术的应用现在还处于实验探索阶段，大多属于国家行为，真正整合行 业资源的网格系统还没有真正出现。虽然利用网络上分布式的计算机资源进行 协同计算的系统已经出现，如在人类基因组的测序工作中，用户可以下载安装网 格客户端程序，参加到网格系统中来，在用户系统闲置的情况下，网格管理系统 可以向参加网格的客户端分配计算任务，协助完成基因测序工作。但这只是网格 东北师范大学硕士学位论文 技术在网络应用方面的一个范例，还不能进行普及。同时，某些企业和机构也开 发了一些网格应用的雏形系统，但其应用也主要局限于企业内部，还不能真正整 合整个行业资源。因此，网格技术及其应用还有待于进一步的发展。 二、分布式g i s 数据源技术研究现状 w r e bs e r v i c e s 是随着分布式计算技术发展起来的新的计算机技术，为空间数 据的分布式数据源建立和空间数据共享提供了新的方法和技术实现的可能性。 w e bs e r v i c e s 是建立可互操作的分布式应用程序的一种新平台、一套标 准，它定义了应用程序如何在w e b 上实现互操作。它可以用任何语言，在任何 平台上被创建，而用户可以通过h t l l p 协议对这些服务进行查询和访问。 o g c ( o p e ng i sc o n s o n i 哪) 为了更好地将地理信息服务的概念扩展到网 络上来，建立了o w s ( o g cw e bs e i c e s ) 计划。o w s 指的是一个基于开放标 准的在线地理空间服务框架，这个框架允许无缝集成在线地学处理和位置处 理，它提供了一组通用接口和厂商无关的互操作框架。o g c 目前制定并建议的 w e bs e r v i c e s 规范有：w e bm a ps e n ，i c e ( w m s ) 、w e bf e a n l r es e i c e ( w f s ) 、 w e bc o v e r a 吗es e i c e ( w c s ) 等，它们分别对栅格数据、矢量数据提供了操作的 接口。 对于w e bs e r v i c e 在g i s 中的应用，廖通逵等人的基于w e bs e r v i c e s 的分 布式g i s 构建技术研究对基于w e bs e n ，i c e 的分布式g i s 进行了初步的设计， 并在“合肥市电子地图门户”中进行了实践【9 1 。 m e h m e ts a k t 2 l s 等人的i n f o n n a t i o ns e 九，i c e sf o rg d d w e bs e n ，i c eo r i e n t e d a r c l l i t e c t u r e ( s o a ) b a s e dg e o s p a t i a ja p p l i c a t i o n s 在数据的分布共享、多源异构 数据的集成、数据的互操作方面真正体现了分布式g i s 概念f 1 0 1 。 邬伦等在基于w r e bs e r v i c e 的分布式互操作的g i s 中介绍了基于w 曲 s e r v i c e 的分布式互操作的g i s 的特点、提出了其系统框架，并阐述了其关键 技术，包括：地理对象在w e bs e r v i c e 中的表达，服务的描述、发现、注册，以 及用w 曲s e r i v c e 集成现有的g i s 系统等【1 1 j 。 孙九林院士在地球科学数据共享与数据网格技术一文中将网格技术应用 到中国地学数据资源共享网格系统中，将网格、网格技术、网格计算、数据网格 思想引入到地学数据存储与管理中，采用数据网格技术，解决当前困扰地学数据 工作者的一大难题，即如何有效存储与发布所采集的地学数据，同时又可以解决 广大研究人员对数据的迫切需求【1 2 】。 马玉慧等在网格环境下基于w r e b 服务的分布式数据挖掘一文中根据网 格技术、w 曲服务技术的特点，提出了利用w 曲服务实现资源( 数据和算法资源) 共享和动态调用，在网格环境下进行数据挖掘的框架【1 3 】。 东北师范大学硕士学位论文 除了应用w e bs e n ，i c e 技术实现分布式g i s 数据源外，还有d c o m 、c o i m a 、 e j b 等技术都可以实现分布式g i s 的数据源，但相比之下w 曲s e n ，i c e 在分布式 计算方面有更多的优点，所以当前的分布式技术都采用了w 曲s e r v i c e 技术。 在商业软件方面，已经开始使用w 曲s e r v i c e 技术构建地理信息系统分布式 数据源，如e s 的舡c i m s 和a r c g i ss e r v e r 现在都使用标准的w 曲s e r v i c e 方 式发布数据，使用户可以在自己的应用中嵌入网上发布的分布式数据源，来使用 这些共享的数据，而不再是这些数据只能被数据发布单位自己使用。另外，网络 上又出现了专门提供w e bs e i c e 地理数据和服务的服务商，用户可在不具有数 据的情况下在自己的网站上结合自己的应用使用w | c bs e i c e 方式的数据源来进 行自己网站的应用开发，如g o o g l em a p s 发布的全球的数据服务，其美国的街道 数据非常详细，其他国家的数据不是很详细，但提供了高分辨率的卫星图像，可 以利用其发布的二次开发的j s 函数库在自己的网站中开发应用，极其简单，可 以满足一般用户对地理位置信息的需要，如果需要更加高级的g i s 功能，需要 缴纳一定的费用使用特殊的服务。中国的5 1 m a p 也推出了w | e bs e i c e 方式发布 的中国的城市地图，详细到街道，也可以进行基于j s 函数库的开发，给中国的 数据用户提供了方便。 第三节海洋标量场信息服务研究现状 海洋标量场数据属于海洋环境要素数据的一种，也是海洋环境数据中占比重 最大的数据类型。海洋标量场数据的获取、处理、分析、数据产品的共享和可视 化对人们了解海洋、利用海洋资源，甚至对人们的生活都有着深远的影响，如通 过海温数据和海流数据的分析来确定鱼群的位置，可以直接促进渔业的增产【1 4 】， 另外根据海洋表面叶绿素浓度数据和海洋表面温度数据结合定量的模型，可以分 析赤潮的发生概率，可以有效的预防或降低赤潮带来的损失。海洋标量场数据作 为海洋环境的基础数据，密切的关系着人民的日常生活，可以根据这些数据获得 的信息，有效地指导人们的生产和生活。 但现阶段由于数据处理手段、海洋部门的技术水平的限制，不能够提供很好 的海洋数据服务。有待于进一步的研究与实验。 在现阶段，进行海洋标量场数据共享和可视化的方法主要有两种。一种是通 过海洋数据生产单位处理好的预报数据，以图片的形式进行发布，供用户浏览； 另一种是以w 曲g i s 的方式共享海洋标量场环境数据。前一方式完全是静态的， 是由数据生产单位的工作人员，利用海洋台站的监测数据或者海洋卫星获得的遥 感数据进行反演计算，得到各种海洋环境的标量场数据，并利用g i s 和遥感软 东北师范大学硕士学位论文 件进行数据的处理，生成符合标准的海图发布到网络上供用户浏览获得海洋数据 信息，这种方式的海洋标量数据共享方式，由于只是图片或者图表，只能观察到 一些宏观概略的信息，不能达到未来海洋信息定量数据计算的要求。另外由于是 静态图片，不具有地理坐标概念，不能进行精确的地理定位。也不能获得指定位 置的其他要素信息。另一种方式通过w 曲g i s 发布海洋空间数据，可以进行基本 的g i s 操作，可以获得海洋标量数据的定量信息，但其空间数据的组织均还是 在一台服务器上或同一局域网的不同机器上，不能根据数据生产单位的区域分布 特性进行数据的单独发布和集中共享，同时，由于海洋数据的海量数据特性，也 给数据传输的速度造成障碍。 我国从2 0 世纪9 0 年代初期开始，g i s 就涉足海洋与海岸带领域的研究，在 “九五”期间，设立了重点研究项目“中国海岸带及近海遥感信息服务集成系统”项 目，在此项工作中，最基础的就是中国海岸带及近海综合数据的集成工作。在此 项目中实现了c s 和b s 两套系统，c s 系统实现在局域网内部进行海洋数据的 管理，b s 系统实现了海洋数据的广域网上的发布【l5 1 。 并且，在此期间，关于海洋标量场数据或海洋环境数据的论文和系统开始出 现。 孙晓宇在中国科学院地理所完成了硕士论文海洋水文标量数据的时空过程 可视化方法研究，主要在单机上和局域网内实现了海洋标量场信息的时空动态 过程可视化。其项目组开发了m a x p l o r e r 系统进行海洋空间数据的管理【1 6 j 。 国家海洋局为了进行海洋数据和海洋信息的共享也开展了一系列的研究。侯 军在w 曲g i s 技术在海洋监测信息集成中的应用研究中利用w 曲g i s 技术， 针对海洋监测数据信息的多源异构、多时空和多尺度的特性，进行空间数据格式 集成方法的分析和研究。根据相关的海洋监测预报业务的专业需求，充分利用现 有的海洋监测资料，进行数据分析和挖掘、系统规划和研究，建立相关数据库模 型g e o d a t a b a s e ，并采用觚s d e 和觚i m s 工具软件来构建海洋监测信息 w e b g i s 平台【1 7 】。 周智海在海洋环境监测和信息服务集成系统规范化设计考虑中全面总结 了“九五”、“十五”8 6 3 计划支持建设的海洋环境监测和信息服务系统技术设计的 基础上，提出了系统设计所必须考虑的技术因素以及规范化系统总体设计的内 容，包括系统组成结构、模块化功能、数据流程、运行管理模式等技术设计，在 技术层面上，对各类海洋环境监测和信息服务业务化系统设计与建设有一定参考 意义和指导【l 引。 经过近1 0 年的发展，海洋综合信息服务已经从面向单机、单专题应用走向 了多专题、面向网络用户的信息共享服务。服务内容在广度和深度上有了明显的 提高，服务方式上更是实现了质的飞跃，但仍然不能满足海洋数据共享的需求， 东北师范大学硕士学位论文 因为海洋数据的海量性、高度分布特性和时空过程特性，这些系统虽然已经发展 到网络的共享，但大部分还是将数据发布在同一台服务器或者是同一局域网内的 几台机器上，这不能满足海洋数据生产单位的地域分布和海洋数据采集的分布特 点，仍然需要将数据集中存储，集中处理并共享。 第四节本文研究的整体思路与章节安排 本文在总结当今网格技术的发展状况和海洋领域对数据分布式存储、处理和 集中分析的需求的基础上，通过对现有网格技术的概念、特点和分布式g i s 数 据源技术的分析，结合海洋标量场数据的时空过程和高度分布特点，搭建一个基 于网格分布式资源共享的海洋标量场信息服务原型系统。在系统中，用a r c g i s s e r v e r 发布海洋标量场g i s 数据源，它符合w 曲服务标准，使用网格服务管理 中心进行统一管理，作为网格上的数据资源，为网格应用系统海洋标量场信息 服务系统提供分布式的数据服务资源，通过本信息服务系统，可以结合海洋标量 场的时空过程特点，进行标量场的时空过程可视化，为海洋科学研究者和工作人 员提供一个海洋标量场数据的分析平台，帮助用户发现标量场数据的时空变化规 律。 本文共分为五章，具体章节安排如下： 第一章介绍了本文的研究背景和研究意义，由于海洋战略地位的提高，海洋 数据的大量产生和数据生产部门高度分布特性，导致海洋部门对网格技术支持下 的海洋信息服务系统的巨大需求；并介绍了网格技术在国内外的研究现状、分布 式g i s 数据源的研究现状和海洋标量数据信息服务的研究现状。 第二章主要介绍和分析了本文原型系统所采用的各种技术，为后续的系统实 现提供有力的技术方法支持。在此介绍了当前流行的网格技术的概念、特点、类 型等，并介绍了本研究网格系统的结构组成。分析了当前网络上比较常见的分布 式g i s 数据源类型，并介绍了当前最流行的w e bs e r v i c e 技术以及本研究中使用 的a r c g i ss e r v e r 软件。 第三章主要介绍了海洋标量场的类型和海洋标量场数据在g i s 中表达的数 据结构，并分析了网格环境下海洋标量场信息服务的需求及技术方法，介绍了本 研究中提供的海洋标量场信息服务的点、线、面过程可视化的方法。 第四章主要结合第二章介绍的技术方法和第三章分析的标量场信息服务需 求以及时空过程可视化方法进行原型系统的实现。并给出了具体的应用实例。 第五章对本文研究作出总结并对下一步研究进行展望。 8 东北师范大学硕士学位论文 第二章网格环境下分布式g i s 数据源技术 第一节网格技术 一、网格的概念 网格的概念是从电力网借鉴而来的，网格的目的是使用户在使用网格上的资 源时就像使用电网中的电力一样，在使用电力时，用户不需要关心电力来自哪个 发电站，也不需要关心此种电力是通过什么形式产生的，用户只需要打开电源开 关，就可以获得充足的电力，用户在使用网格上的资源时，也是一样的道理，不 需要关心资源来自哪里，使用什么样的计算设备提供资源，用户使用的是与地理 位置无关，与硬件设备无关的统一形式的资源。 网格的概念可以从两个角度进行定义：网格计算角度和资源共享角度。 从网格计算的角度讲，网格就是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个 计算资源池，网格能够充分吸纳各种计算资源，并将它们转化成一种随处可得的、 可靠的、标准的、同时还是经济的计算能力【1 9 1 。 从资源共享的角度讲，网格是把整个i n t e m e t 整合成一台巨大的超级计算机， 实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共 享( 李国杰，2 0 0 1 ) 。 早期的网格概念是从网格计算的角度出发，强调的是计算资源的集中与共 享，而随着网格技术的发展，网格的定义更加的宽泛，包括各种资源的共享，而 不仅局限于计算资源，这样就更加扩大了网格的适用范围和应用范围。网格为网 格节点提供了一个虚拟的集成环境，从而为硬件资源、数据资源和软件资源的共 享提供一个平台。当前，网格技术的研究重点转移到了数据的集中，即节点间数 据的共享，软件资源的共享。 二、网格的类型 根据网格共享的资源类型的不同，网格可分为计算网格、数据网格、信息网 格、服务网格、知识网格等。 计算网格是强调计算力获取、管理等的网格；数据网格强调数据存储、管理、 传输、处理的网格；信息网格是强调信息存储、管理、传输、处理的网格：服务 网格强调应用服务集成的网格；知识网格是强调知识存储、管理、传输、处理的 网格。 9 东北师范大学硕士学位论文 三、网格的特点 为了更好地认识和把握网格的开发与应用，就要了解网格的特点。网格具有 如下特点： ( 1 ) 分布与资源共享 分布性是网格最本质的特征。其分布性首先是指网格的资源是分布的。如计 算资源和数据资源分布在不同的地理位置上。资源共享是网格建设的目的。 ( 2 ) 高度抽象 网格上的各种资源对用户是透明的，用户只需要使用某个资源，而不需要知 道其处于什么地理位置，通过什么设备提供资源。 ( 3 ) 自相似 网格的局部和整体之间存在着一定的相似性，在大尺度上和小尺度上有相同 或者类似的规律。 ( 4 ) 动态性和多样性 网格资源是动态变化的，在网格环境中，某些资源在此时可用，过一段时 间就可能损坏，原来没有的资源也可能不断的添加到网格环境中来。网格资源是 多样的，提供网格资源的设备可能是不同的，提供的数据资源可能具有不同的结 构，因此网格要屏蔽这些资源的异构性，达到各类资源的统一。 ( 5 ) 自治性与管理的多重性 网格节点内部的自治和外部的受控整合是网格的一个特征。网格资源首先是 个人或某个组织的，所以个人或组织对网格资源有最高的管理权限。但是网格资 源也必须接受网格的统一管理，否则不同的资源就无法建立相互之间的联系，无法 实现共享和互操作，无法作为一个整体为更多的用户提供方便的服务。因此网格 具有管理的多重性。 四、空间数据网格 空间数据的组织历来是g i s 中关键的技术问题。空间数据网格是网格环境 下面向空间数据共享与协同，构造一体化空间数据网格映象的技术体系幽_ 。 网格环境下地理空间数据的组织与管理的研究重点不在于如何设计新的空间数 据模型和提高g i s 空间数据库本身的性能、功能、容量问题，而在于如何基于 现有的g i s 空间数据库，将g i s 空间数据库作为基本的数据管理单元并入网格 计算环境，形成空间数据网格，使其能够被网格应用程序有序地访问和协同地调 用，即如何建立g i s 空间数据库资源在网格上的共享规则。 1 0 东北师范大学硕士学位论文 空间数据网格是利用网格技术、空间信息基础设施、空间信息网络协议规范， 形成一个虚拟的空间信息管理与处理环境，将地理上分布、异构的各种设备与系 统进行集成，是实现空间信息和资源共享，为用户提供一体化的空间信息服务的 智能化信息平台田j 。 空间数据网格与w 曲g i s 最大的区别是一体化，即用户看到的不是数不清的 门类繁多的网站，而是单一的入口和单一系统映像。一个用户需要查询某一方面 的地理信息数据，不必知道有哪些数据供应商或数据生产者，只需通过空间数据 网格提供的元数据信息库进行最简单的查询，即可找到用户需要的地理信息数 据。数据的查询检索对用户是透明的，只要查询请求的格式符合系统要求，经过 网格计算，就可从空间数据网格中轻松获取所需要的数据。 本文研究中的系统通过网格服务管理中心进行海洋标量场数据服务信息的 管理，提供数据服务信息的添加、修改、删除等数据管理功能，数据拥有者只需 要通过网格服务管理中心进行服务的注册，数据使用者不需要知道数据的发布者 是谁，也不需要知道数据的具体地理位置，就可以通过海洋标量场信息服务系统 调用注册的数据资源，进行标量场信息的表达与分析。 五、本研究中的网格技术的实现 针对海洋领域数据和信息的分布式特性，数据和信息类型及格式的多样性， 数据的海量性以及数据处理的计算量大等特点，为了能够充分利用海洋各种数 据，提高海洋工作的效率，减少重复性投资，充分合理利用现有设备和资源，本 研究建立一个针对海洋特定数据类型和海洋领域数据处理特点的海洋网格应用 系统。来管理、维护、调度网络上发布的各种海洋数据服务资源，为本研究的海 洋标量场信息服务系统实现提供海洋数据服务资源。 本研究的网格系统由三部分组成：分布式的g i s 数据源，用来发布海洋标 量场数据服务，主要是用a r c g i ss e n ，e r 发布的符合w 曲s e r v i c e 标准的服务，为 网格系统提供数据资源和计算资源；网格服务管理中心负责数据服务资源的注 册、管理和调度，也是符合w 曲s e r v i c e 标准的服务，这样就可以在网格应用系 统中进行服务的查询、检索和使用；海洋标量场信息服务系统作为网格应用系统， 提供对网格数据的添加和基于g i s 的可视化浏览，并基于网格上分布的海洋标 量场数据源进行点、线、面时空过程的可视化服务。 分布式的g i s 数据源和海洋标量场信息服务系统会在以后的章节重点介绍， 在此主要介绍网格服务管理中心。 东北师范大学硕士学位论文 l 网格服务管理中心构成1 本研究的网格服务管理中心作为海洋数据服务资源的管理、调度、维护、安 全管理中心，包括三大功能模块：用户管理模块、元数据管理模块、监视和日志 模块。网格服务管理中心主界面如下： 缆愁憩篓篪戮缆懋缕塑燮羧麓凌鼗缨缓氅凌缆缓燃貔避懋缝缓慰燮缝狻凌燮懋慰塑缨燮氅霪黪蠢；盔誊 ，忙缩播哩查看世咿觅哒二曼!骷毋j ? x o摧章竹藏；斤 譬。f v ， 疆医函函焉霖雨甄丽国厘垂霹西甄霹鳓 - f 测览艋蛋 嚣湛嚣棼 ，tm 坤脑争 ，c e 嚣秀 ；6 e 瞳柚日务 ：g e 。口r “艉# o6 e o c o a e 艨务 “挂布职务 一服鲁查询 _ 腮务壤蝎 图2 1 ：网格服务管理中心主界面图 f i 9 2 - 1 ： m a i ni n t e r f a c eo fg r i ds e r v i c em a n a g e m e n tc e n t e r ( 1 ) 用户管理模块 该模块主要实现对海洋数据服务资源的用户进行管理。通过对用户指定不同 的权限，使用户只能使用本系统中的部分功能，这样可以避免海洋数据服务信息 的完整性、一致性和正确性