（计算机软件与理论专业论文）基于ogsa的网格gis研究.pdf

摘要 摘要 在g i s ( g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统) 领域，常常因数 据海量性及地理分布的广泛性，信息不能广泛共享，而造成很大程度的资 源浪费问题。网格计算是一种利用互联网把广泛分布的各种计算资源互联 在一起的新型技术，其目标是将广域网上一些计算资源、数据资源和其它 设备等互联，形成一个大的可相互利用、合作的高性能计算网。因此，如 果把网格技术引入g i s 领域，将可以有效解决上述g i s 领域所面临的问题。 本文通过对o p e n g i s ( o p e ng e o d a t ai n t e r o p e r a b i b i t ys p e c i f i c a t i o n ，开 放地理数据互操作规范) 和o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ，开放网 格体系结构) 框架的研究，把网格技术和g i s 技术两大技术融合在一起，提 出了一个基于o g s a 的网格g i s 系统，简称网格g i s ( 网格地理信息系统) 。 首先，提出基于o g s a 的网格g i s 的体系结构，在该结构中各种应用 与资源都是以服务的形式存在，是一种以服务为核心的结构。并对该结构 的基础设施层、资源服务层、核心服务层、应用服务和实现层和用户应用 层进行了详细介绍。 其次，提出实现基于o g s a 的网格g i s 中的几个关键技术：互操作技 术实现异构空间数据的互操作；元操作服务技术将各种资源映射到网格服 务上，实现资源共享；任务管理和分配服务用优化后的任务分解方案和资 源调度方案完成上层任务请求；目录信息服务技术存储各种资源信息，方 便各类应用的对所需资源的调用。 最后，对基于o g s a 的网格g i s 的组成做分析研究，描述了各组成部 分间的关系，并提出网格g i s 系统在广域网环境下的应用模式，还对这种 应用模式的扩展方式作了分析。 关键字网格：地理信息系统；网格地理信息系统；开放地理数据互操作 规范；开放网格体系结构；网格计算 垄些盔兰三兰堡主兰堡迨塞 a b s t r a c t i ng i sf i e l d ，f r e q u e n t l yt h ef a c t o ra c c o r d i n gt om a g n a n i m o u sa n d g e o g r a p h i cd i s t r i b u t i o nu n i v e r s a l i t y , t h ei n f o r m m i o nc a n n o tw i d e l ys h a r e ， c r e a t e st h ev e r yg r e a td e g r e et h er e s o u r c ew a s t eq u e s t i o n t h eg d dc o m p u t i n g i sak i n du s i n gi n t e m e tt h ew i d e s p r e a dd i s t r i b u t i o ne a c hk i n do fc o m p u t a t i o n r e s o u r c e si n t e r c o n n e c t si nt h et o g e t h e rn e w t e c h n o l o g y , i t sg o a li sw a n o n s o t r ei n t e r c o n n e c t i o na n ds oo nc o m p u t a t i o nr e s o u r c e s ，d a t ar e s o u r c e sa n d o t h e re q u i p m e n t ，f o r m st ob eb i gm a yt h em u t u a lu s e ，t h ec o o p e r a t i o nh i 曲 p e r f o r m a n c ec o m p u t a t i o nn e t w o r k i fu s e dt h eg r i dt e c h n o l o g y , i ts o l v et h e q u e s t i o nw h i c ht h ea b o v ea p p l i c a t i o nf a c e si ng i sf i e l d t l l i sa r t i c l et h r o u g ht ot h eo p e n g i ss p e c i f i c a t i o na n dt h eo g s af r a m e r e s e a r c h ，t h eg r i dt e c h n o l o g ya n dt h eg i st e c h n o l o g yf u s e si nt o g e t h e r , p r e s e n t e dt og r i dg e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e mb a s eo no g s aw h i c hi s c a l l e da sg r i dg i s f i r s t ，t h ea r t i c l ep r e s e n t e dt ot h eo d dg i ss y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s eo n o g s a ，t h ev a r i e t ya p p l i c a t i o na n dr e s o u r t c ea r ea l ls e r v i c e si nt h i sa r c h i t e c t u r e ， t h i sa r c h i t e c t u r e sc o r ci ss e r v i c e a n dt h ea r t i c l ei n t r o d u c et oi n f r a s t r u c t u r e l a y e r , r e s o u r c es e r v i c el a y e r , c o r es e r v i c el a y e r , a p p l i c a t i o ns e r v i c ea n d r e a l i z a t i o nl a y e r , u 8 e 1 l a y e rw h i c hi n t h ea r c h i t e c t u r e n e x t ，t h ea r t i c l ep r e s e n t e dt os e v e r a le s s e n t i a lt e c h n o l o 百e si nt h eg r i d g i sb a s eo no g s a ：t h ei n t e r o p e r a b i b i t yt e c h n o l o g yi m p l e m e n tt h es p a t i a l d a t am u t u a l l yo p e r a t i o n ；t h em e t ao p e r a t i o ns e r v i c et e c h n o l o g yi m p l e m e n tt h e r e s o u r c e s s h a r i n g ；t h e t a s k m a n a g e m e n ta n dt h e d i s t r i b u t i o ns e r v i c e t e c h n o l o g yc o m p l e t er e q u e s t sw h i c hs u b m i t t e db yt h ea p p l i c a t i o n s ；t h e d i r e c t o r yi n f o r m a t i o n s e r v i c e t e c h n o l o g y s t o r et h e v a r i e t yr e s o u r c e s i n f o r m a t i o nw h i c hc o n v e n i e n c et h e a p p l i c a t i o n s i n v o k e dt h e i r r e q u i r e d r e 窘o l l r c e s i i f i n a l l y , t h i s a r t i c l ea n a l y z e dt h eg r i dg i ss y s t e mc o m p o s i t i o na n d d e s c r i b e dr e l a t i o n sb e t w e e ne a c hc o m p o s i t i o n , p r o p o s e dt h eg r i dg i ss y s t e m u n d e rw a n sa p p l i c a t i o nm o d e la n de x p a n s i o nm o d e l k e y w o r d sg r i d ；g i s ；g r i dg i s ；o p e n g i s ；o g s a ；g r i dc o m p u t e i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于o g s a 的网格g i s 系统研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期问独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人 已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字 唷僳 日期：矽一6 年斗月j ( 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于o g s a 的网格g i s 系统研究系本人在燕山大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所 有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全 了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山 大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全 部或部分内容。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 ， 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：魄蓑 日期：z 。e 年年月百日 导师签名： 砒急乏 ， 日期：掣。年悯f 婚 第1 章绪论 1 1 课题背景及产生 g i s ( 地理信息系统) 自6 0 年代初诞生以来，经过三十多年的发展，在 9 0 年代初基本上完成了数据结构、算法和应用模型的理论研究和技术开 发，在一定程度上满足了人们对空间数据处理的需求。但随着网络和各种 通信技术的飞速发展，空间信息的有效管理、共享和远程数据访问的需求 急剧增加，如何将地理上分布、系统异构的多种计算资源和空间数据资源 通过高速网络连接起来，构建成空间数据处理的网络虚拟超级计算机系 统，以此来解决大型空间信息应用问题也日益迫切。主要表现在： ( 1 ) 分布在不同空间数据提供者手中的空间信息资源不能共享，空间 信息资源的整体利用率较低i i j 。目前，在全世界的数据中，有7 5 以上的 数据是空间数据。并且这种数据还在以每日t b 级的速度增长。一方面， 长期积累下来的各种信息资源被存放在相互孤立的不同生产者手中，形成 无法共享的“信息孤岛”【2 4 】；另一方面，数据消费者在进行分析决策时 却发现无法或者很难获得所需要的数据。这种数据消费者迫切需要大量空 间数据，而空间数据生产者虽然拥有海量数据却无法有效提供数据的矛盾 正在不断加剧，迫切需要将现有的信息资源以一种最方便、最有效的方法 提供给用户。 ( 2 ) 空间信息资源支撑环境的异构性【5 】，导致不同系统无法进行有效的 协同工作。在空间信息基础设施的建设过程中，各生产单位一般都根据自 身的需要进行空间信息的汇集和整理，通常不考虑其它部门和行业的需 求。因此，各个单位开发或采购的软硬件系统只能为本单位或本部门服务。 即使这种系统是开放的，也由于系统的异构性，造成不同单位间无法进行 协同工作来解决应用问题。 ( 3 ) 空间信息技术的标准化工作，特别是服务的标准化工作相对滞后。 在信息标准化建设方面，目前已经在空间信息的数据和元数据表示方面制 燕山大学工学硕士学位论文 定了相关标准1 6 , 7 。而在网络化的信息分析环境下，空间信息处理更需要 实现服务的标准化，以支持空间信息共享和协同工作，这方面的工作尚处 于空白阶段。 单用户g i s 实现空间资源的数据化共享，w e b g i s 实现w e b 网页的共 享，这两者对集中式存储的空间数据的处理和发布能基本上能满足人们的 需求，但由于它们的体系结构的局限性使得单用户g i s 和w e b g i s 无法解 决上述问题博j 。 而在这时候，计算机网络领域产生了一种新的技术，叫做网格( g r i d ) 技术。计算机网络技术的发展已经历了分别以i n t e m e t 和w e b 为代表的两 次浪潮【9 1 ”，i n t e m e t 实现了计算机硬件之间的连通，w e b 实现了网页之间 的连通。网格技术产生于2 0 世纪9 0 年代初，并且已经成长为高性能计算的 一个新的研究热点，即将掀起第三代i t 浪潮【9 】。网格是利用计算机网络把 地理上广泛分布的计算资源、存储资源、网络资源、软件资源、信息资源 等连成一个逻辑整体，然后像一台超级计算机一样为用户提供一体化的信 息应用服务。目的世界各国都在积极地开展格网技术研究，并且把格网计 算技术应用在各个领域，如高能物理、全球变化、地震监测、商业计算、 虚拟现实等。美国目前的民用网格已经含有一百余个结点，每个结点有几 十亿到几千亿次的计算能力。最近，美国开始了s t a r - 1 1 a p 计划，试图将 网格扩展到全世别1 2 】。目前加入s t a r - t a p 网格的有加拿大、新加坡、日 本和中国台湾。网格技术包括面向高性能计算的网格技术( 计算网格) 和面 向信息服务的网格技术( 服务网格) 。 网格技术所要解决的问题可以简单的归结为：实现协同的资源共享和 解决动态的、分布式的虚拟组织【l3 j 所遇到的问题。网格技术的目标是设 计一个开放式的平台，它包括一系列的协议、服务、a p i s ( 应用程序接口1 、 s d k s ( 软件开发工具包) ，以解决上述问题。这种开放式的平台就是开放 式网格服务体系结构( o g s a ，o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 1 4 】。 本文正是基于上述的两种技术背景，利用网格技术能在广域网环境共 享各种资源的优点，将网格技术应用到g i s 中去，提供一个在广域网环境 下跨组织、动态共享g i s 数据资源的初步解决方案，以解决当前在g i s 领 2 第1 章绪论 域所面临的g i s 数据不能广泛共享的问题。出于上述目的，本课题研究提 出了一种基于o g s a 的网格g i s 系统，简称作“网格g i s ”。 1 2 国内外研究现状 1 2 1国际研究进展 国际上的网格计算研究主要采用源码公开、合作的模式。其中全球网 格论坛是目前主要的合作组织。目前有影响的研究计划有g l o b u s 、l e g o f n 、 i n f o r m a t i o n _ p o w e r 等。数据网格应用研究计划是一项宏伟计划，由欧共体 共同投资9 8 0 万欧元历时三年，超过两百名科学家共同参与研究。该项研 究目前面临的首要问题时如何共享互联网上提供的大量分布式异构数据。 网格计算技术可以建立具有扩张性的巨型计算环境以有效管理互连网上 的文档、数据库、g i s 、r s 、计算机、科学仪器和设备。 s u n 公司在2 0 0 0 年启动了以网格引擎分布式资源管理软件为基础的 开放源代码战略，并已发布了网格引擎企业版的测试版，使企业内部网格 计算更易联接；i b m 宣布在网格计算领域投资4 0 亿美元，以在全球建设4 0 家数据中心，正式进入网格计算领域；m i c r o s o f t 决定支持网格组织g l o b u s p r o j e c t ，该组织的g l o b u st o o l k i t 软件使企业可以建造和管理网格；h p 也 表示将提供c o o lb a s e 软件，使用户可以通过i n t e m e t 共享各种计算设备， 当然还有其它的公司。从世界上各大i t 公司纷纷进入网格领域可以看出， 网格计算被普遍应用的可能性很大。 g l o b u s 系统主要由美 a r g o n n e 家实验室和南加州大学联合研制。 它借鉴了因特网和u n i x 的开发路线，不构造一个完整的系统，而只构造一 套底层的开发工具，采用模块化设计方式，可升级或替换，是个中间件 系统。g l o b u s 对资源的管理、安全、信息服务、数据管理等网格计算的关 键技术和方法进行研究，提供了一整套s d k 和a p i ，用户可以任意选择其 中的工具模块进行高层次的应用开发。目前，美国n a s a i p g 、欧洲数据 网格、美国国家技术网格n t g 、p p d g 、日本的d a t f a r m 等项目都采用了 g l o b u s 系统。 燕山大学工学硕士学位论文 g l o b u s 系统最初是面向计算网格的，后来由于数据网格应用的需求迫 切，g l o b u s 系统在原有的基础上增加了数据网格的功能，对数据的高速传 输、数据复制、数据复制的选择、元数据管理等进行了研究和实现，成为 数据网格应用的开发平台。 虽然网格计算几年前才刚刚兴起，但伴随着i b m 、s u n 等l t 巨头们的 推动，现在已开始进入了实用阶段。“网格”计算( g r i d c o m p u t i n g ) 矛l j 用共 享网络从p c 到大型主机等各种设备收集“剩余资源”，共同完成超级计算 任务。 国外，对于网格计算技术的研究如火如茶，除了m 公司，s u n 在不 久前发布了其企业版网格引擎软件，并与在分布式计算领域中享有极高声 誉的开放源代码软件标准组织g l o b u s 组建了联盟。日本的n t t d a t a 计划与 i n t e l 和s g i 在2 0 0 2 年中期联合进行一项为期三个月的网格计算试验，届时 将有包括家庭、企业和学术机构的1 0 0 万台计算机相联，其总处理能力将 比现有的最快的超级计算机还要快上五倍。除此之外，较晚涉入网格计算 领域的c o m p a q 公司也积极地表示，目前正在全球开发一套网格计算解决 方案，以便向寻求网格计算系统的客户提供软硬件产品和相关服务支持。 与网格目标一致的研究开发计划也得到了信息产业界一些大公司的支持， 支持x m l 、s o a p 、u d d i 等标准的新一代网络应用正在开发之中。 在g i s 领域，基于网格计算理念，有些研究者提出了基于服务网格的 空间信息网格及g r i dg i s ，国际标准化组织也积极推进g r i dg i s 相关标 准的制订。一些协议及标准得到商业化g i s 软件公司，例如e s r i ，m a p i n f o 的支持，并且初见端倪。g i s 领域采纳互联网标准和协议，如x m l ，可以 将松散结合的g i s 网络和地理信息处理服务结合在一起，形成空间信息服 务。e s r i 积极支持分布式g i s 及g i s 服务概念的发展，g n e t 战略在很多层 面都会涉及。在最大的层面是w o r l dw i d ew e b ，在最小的层面，是企业化 的w o r l dw i d ew 曲。通过网格协议的支持，多个部门将可以提供多种的和 综合性的服务，同时共享这些服务【l 列。可以支持企业化的开发，提供了 不同分布式体系环境下构建g i sw e bs e r v i c e s 的开发组件，可以满足 g r i dg i s 的建立，但是不同商业化公司所倡导的开发技术并不相同，呈 4 第1 章绪论 现出不断发展的态势。但这些研究者对网格g i s 的整个体系结构并没有提 出自己的观点。 1 2 2 国内研究进展 目前，我国己开展了“国家高性能计算环境”和“先进计算基础设施 北京上海试点工程”两个项目，对网格计算进行研究，这两个项目分别由 中国科学院和清华大学牵头。 中科院计算所正在进行的“织女星计划”( v e g a 计划) 正是以元数据、 构件框架、智能体、网格公共信息协议和网格计算协议为主要突破点对网 格计算进行的研究【1 6 】。“织女星网格”计划的研究提出服务性网格的概念， 研制在曙光高性能计算机环境下的织女星网格操作系统( v e g ag o s ) ，由于 中国到目前还没有参加网格计算有关标准的制定，因此此项研究成果要融 入到国际标准中去还需要进一步的研究。目前网格研究方向为：从高性能 计算机、超级服务器跨越到服务网格：从企业信息平台跨越到信息网格； 从传统的人工智能跨越到知识网格。这就是“织女星( v e g 酬网格”。 g i s 领域g r i dg i s 系统的概念 1 7 j 刚刚形成，对于g r i dg i s 的研究成 果尚不多见，在g r i dg i s 领域系列需要解决的问题都需要不断的去创 新和研究。 至今真正意义上的自主知识产权的g r i dg i s 软件系统尚不存在，因 此对于g r i dg i s 的研究具有着非常广阔的前景，同时也深藏着重大的商 机。由于g r i dg i s 系统本身涉及计算机技术及分布式计算技术众多，同 时由于分布式计算技术本身也在不断发展，造成了g r i dg i s 系统集成开 发的复杂性。 目前的一些研究多为概念性、原理性探索，只是把网格计算的一些研 究成果引入到g i s 领域，对于g r i dg i s 体系架构较为完整的研究尚未见 到。有部分学者从网格类型的角度提出将g i s 网格分为空间知识网格、空 间信息网格、空间数据网格、基础网格【1 8 】这样的g i s n 格体系结构。还有 一些学者是从传统的客户机服务器模式出发，将网格g i s 的体系结构分成 五层：数据服务器、数据中间件、应用服务器、应用桥、客户端f 1 9 1 。而 燕山大学工学硕士学位论文 以服务为中心基于o g s a 架构的网格g i s 尚未有人提出。 1 3g i s 的相关概念及发展 1 3 1g i s g i s 是用来采集、存储、管理、操作、分析、模型化和显示地理空间 信息的计算机软件系统【l ”。g i s 面向的对象是各类地图和地理数据，地理 数据的普遍存在决定了g i s 应用领域的广泛性和重要性，其主要的应用领 域包括：地图档案管理、地图制作和出版；地理信息可视化及图文信息交 互查询；专业地理信息管理系统；公共的地理信息服务系统等。 经过多年的发展，g i s 的数据结构和核心算法已经成熟，商业化的g i s 软件业日趋完善，国际上逐渐出现了一批商业化的g i s 产品和专业化的公 司，其中具有代表性的有a r c i n f o 、m a p i n f o 、g e n a m a p 、s i m e n ss i c a d 和i n t e r g r a p hm g e 等。由于这些g i s 产品都是独立发展起来的，因此它们 所依赖的数据结构( 主要是地理数据的表示结构和存储结构) 各不相同。例 如：e s r i 公司的a r c i n f oc o v e r a g e r 、a c r s h a p ef i l e s 、e 0 0 格式；a r t o d e s k 的d x f 格式和d w g 格式；m a p i n f o 的m 格式；i n t e r g r a p h 的d g n 格式：空 间数据交换格式s t d s 等等。 1 3 2w 色b g i s 随着国际互联网的普及和g 1 s 在各个领域越来越广泛的应用，人们希 望通过国际互联网也能进行g i s 信息的查询。而国际互联网的迅猛发展和 广泛应用，使得它必将成为g i s 软件的运行环境，基于w e b 的g i s 应用也 越来越为广大g i s 用户接受。 w e b g i s 是g i s 与国际互联网的有机结合，是g i s 在广域网环境下的一 种应用。g i s 通过国际互联网在功能上得到了延伸，真正成为一种大众使 用的信息工具1 2 0 。从国际互联网的任意一个节点，人们可以浏览网上的 各种分布式的、具有超媒体特性的地理空间数据及属性数据，进行地理空 间分析、查询，以及支持智能辅助决策。 第1 章绪论 1 _ 3 3 o g c 与o p e n g i s g i s 业界以逐渐认识到数据采集和生产是建立g i s 系统的一项最大的 投资。为了建立系统，一方面，人们花费大量的人力物力去采集数据，而 在另一方面，大量的数据仍停留于满足某些单一的应用目的上，没有被其 它用户所共享，现有的数据与数据处理资源没有得到充分的利用。其原因 是多方面的，有的是由于技术或管理方面的原因，而有的则是由于狭隘的 部门利益所限制，一个最为重要的原因是由于g i s 缺乏互操作性1 2 ”。g i s 互操作的实现还需要从技术上制定共同遵循的标准与规范。 目前，许多国际组织正在研究与制定系列化的基础标准与应用标准、 规范。如：国际标准化组织地理信息技术委员会( i s o t c 2 1 1 ) 、开放地理 信息系统协会( o p e ng i sc o n s o r t i u mi n c ，o g c ) 、万维网联盟( w 3 c ) 和i w e b 服务互操作组织( w e bs e r v i c ei n t e r o p e r a b i l i t yo r g a n i z a t i o n ，w s i o ) 等等。 其中国际准化组织o c j c 在开放地理数据互操作规范( o p e ng e o d a t a i n t e r o p e r a b i b i t ys p e c i f i c a t i o n ，o p e no r s ) 方面取得重要成果。 o g c 成立于1 9 9 4 年，是一个由包括主要的g i s 厂家、计算机厂商、数 据库出售者、数据集成商、电信公司、数据库开发商、美国联邦机构、标 准组织以及学术界( 大学和实验室) 等部门的代表组成，为实现地理信息系 统的互操作而成立的政府与私人组织的联合体。o g c 的目标是通过信息 基础设施，把分布式计算、对象技术、中间件软件技术等用于地理信息处 理，使地理空间数据和地理处理资源集成到主流的计算技术中。由于o g c 所涉及问题的挑战性，使得地理信息与地理信息处理领域中的著名专家参 与t o o c 的互操作计划( i n t e r o p e r a b i l i v yp r o g r a m ，简称i p l 。该项目的目标 是提供一套综合的开放借口规范，以使软件开发商可以根据这些规范来编 写互操作组件，从而满足互操作需求。 o g c 的o p e ng i s ( 开放地理数据互操作规范) 是一个为了提供地理数 据和地理操作的交互性和开放性而提出的软件开发规范。在该规范中提供 了一个与程序语言、硬件设备和网络环境无关的开放地理数据模型( o p e n g e o d a t a m o d e l ，o g m ) 、几何要素( f e a t u r eg e o m e t r y ) 、服务接口标准0 s o 7 燕山大学工学硕士学位论文 1 9 1 0 7 ) 和服务体系框架( o p e ng i ss e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 。该规范已经得到 包括有微软、i b m 等多家计算机厂商及主要g i s 厂商、政府机构、大学、 集成商的广泛支持【2 2 1 。o p e ng i s 包括抽象规范与实现规范两类。抽象规 范是设计互操作地理软件的详细指南，它被分为1 7 个不同的主题，为在不 同g i s 系统、不同的分布式处理平台以及不用领域的信息团体之间实现开 放的信息交流提供“基本模型”。而实现规范是抽象规范在具体应用领域 的扩展，是关于应用程序接口的软件规范。 1 4 网格技术 1 4 1 网格计算 网格( g r i d ) 概念产生于9 0 年代中期i ，是从电力网( p o w e rg r i d ) 概念借 鉴过来的。网格的最终目的，是希望大家能够像使用电力一样方便地使用 分布在网络上强大而丰富的计算能力1 2 4 】。网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 就是 基于网格的问题求解，它是在1 9 9 5 年的i w a y 项目中提出来的。根据求解 问题的不同，又可以分为多种网格，例如应用于解决科学与工程分布式计 算问题的计算网格；应用于数据密集型问题处理的数据网格；应用于地震 的地震网格；应用于军事的军事网格。此外，还有正在研究中的信息网格、 知识网格、服务网格等等。网格技术这个研究领域越来越重要，被称为是 下一代的i n t e r n e t ”】，网格是一种关系科研、经济、社会、国防的重要国 家基础设施，在国内外都引起了广泛的关注。网格技术的发展经历了三个 阶段：第一阶段是网格的萌芽阶段，开始于9 0 年代早期，研究内容是关于 千兆网试验床以及一些元计算 2 6 】方面的工作：第二阶段是一些早期的试 验，时间大概从9 0 年代中期到晚期，出现了一些比较重要的开创性和奠基 性的研究项目，比如i w a y ，g l o b u s 27 1 ，l e g i o n 2 s 等；目前是网格计算的 迅速发展阶段，关于网格的研究、开发和应用项目大量出现，出现了影响 很大的组织全球网格论坛g g f ( g l o b a lg r i df o r u m ) ，同时网格计算也不再 仅仅局限于科学研究，工业界与学术界联盟，正致力于使网格计算在更广 泛的领域得到推广和应用，如高能物理、全球变化、地震监测、商业计算、 第1 章绪论 虚拟现实等。 1 4 2o g s a 与o g s i 随着网格计算研究的不断深入，人们越来越发现网格体系结构的重 要。网格体系结构就是关于如何建造网格的技术，它包括了对网格基本组 成部分和各个部分功能的定义和描述，网格各个部分相互关系与集成方法 的规定，网格有效运行机制的刻画【2 9 】。很显然，网格体系结构就是网格 的骨架和灵魂，是网格技术中最核心的技术，只有建立合理的网格体系结 构，才能够设计和建造好网格，才能够使网格充分有效地发挥作用【3 0 】。 o g s a ( 开放网格体系结构，o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 是一种新型网 格体系结构【3 l 3 2 】，它是由g g f ( 全球网格论坛，g l o b a lg r i df o r u m ) 的 o g s i 矧( 开放网格服务基础设施，o p e ng r i ds e r v i c ei n f i a s t r u c t u r e s ) s e 作小 组于2 0 0 2 年6 月制定。 o g s a 最突出的思想就是以“服务”为中心。在o g s a 框架中，将一 切都抽象为服务，包括计算机、程序、数据、仪器设备等。这种观念，有 利于通过统一的标准接口来管理和使用网格。 w e bs e r v i c e 提供了一种基于服务的框架结构，但是，w e bs e r v i c e 面 对的一般都是永久服务，而在网格应用环境中，大量的是临时性的短暂服 务，比如一个计算任务的执行等。考虑到网格环境的具体特点，o g s a 在 原来w e bs e r v i c e 服务概念的基础上，提出了“网格服务( g r i ds e r v i c e ) ” 的概念，用于解决服务发现、动态服务创建、服务生命周期管理等与临时 服务有关的问题【j 4 j 。 基于网格服务的概念，o g s a 将整个网格看作是“网格服务”的集 合，但是这个集合并不是一成不变的，而是可以扩展的，这反映了网格的 动态特性。 1 4 3g l o b u st o o l k i t g l o b u st o o l k i t 是一个面向社会的、开放体系结构的、支持网格应用 的开放源码服务和软件库集合d5 1 。它提供一系列支持网格计算的服务和 9 燕山大学工学硕士学位论文 开发工具。它是o g s i 的参考实现。g l o b u st o o l k i t 提供了基于o g s a 并i j w e b 服务架构构建网格服务的基础平台。这些网格服务可以实现资源共享、任 务日程安排与组织，还可以访问网格上的各种分布式资源。g l o b u s t o o l k i t 与o g s a 、o g s i 之间的关系 3 6 1 如图1 1 所示。 图1 - 1 g l o b u st o o l k i t 与o g s a 、o g s i 的关系 f i g 1 - 1g l o b u st o o l k i ta n do g s a ，o g s ir e l a t i o n s 1 5 本文结构 本文主要介绍一个基于o g s a 的网格g i s 系统的研究和设计，本文结 构安排如下： 第1 章介绍了g i s 和网格计算两大技术的背景及当前国内外对这两个 l o 第1 章绪论 技术的研究现状。为了以后章节叙述方便，在最后还对这两个领域的一些 基本概念做了简略的介绍。 第2 章对网格g i s 系统用到的g i s 领域和网格计算领域的几个技术 o p e n g i s 规范、g m l 语言以及网格计算五层沙漏模型、o g s a 框架作了详 细的介绍。 第3 章提出了在网格环境下的基于o g s a 的网格g i s 系统的体系结构， 并对该结构的各个部分作了介绍。 第4 章提出了基于o g s a 的网格g i s 体系结构的各层的关键技术，并对 这些技术的实现方案进行仔细的分析研究。 第5 章分析了网格g i s 系统的组成，并给出了网格g i s 系统在广域网环 境下的应用模式及其扩展方式。 最后对本课题的研究成果做了总结，并提出在此成果基础上的将来研 究方向。 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章o p e n g i s 和网格体系结构 本章首先介绍了0 p e n g i s 抽象规范的结构，g m l 语言的对象模型以及 0 p e n g i s 地理服务体系结构，接着介绍了网格的五层沙漏模型与o g s a 服 务模型。 2 1 o p e n g i s 规范 2 1 1 o p e n g i s 的抽象规范 o g c 的抽象规范【3 7 】被分为1 7 个不同的主题，如图2 1 ，包括：综述 ( o v e r v i e w ) 、特征几何体、空间参考系统、定位几何体结构、存储函数与 插补、特征、数据层类型及其子类型、地球影像、特征之间的关系、精度、 特征集合、元数据、o p e n g i s 服务体系结构、目录服务、语义和信息团体、 图像探索服务、图像坐标转换服务，为在不同g i s 系统、不同分布式处理 平台以及不同领域的信息团体之间实现开放信息交流提供“基本模型”。 o g c 的主题定义了在不同层次上对地理信息表示、发现、访问与处 理的一致性理解，是o p e n g i s 规范的基础。o p e n o l s 模型由3 个部分组成： 开放地理数据模型( o p e ng e o d a t am o d e l ，o g m ) ，地理服务模型( o p e n s e r v i c em o d e l ，o s m ) 以及实现团体间的地理数据和处理资源共享的语义 与信息团体模型( i n f o r m a t i o nc o m m u n i t i e sm o d e l ，1 c m ) ，这些模型与主 题之间具有互相依赖性，不是单独作用的。 o g m 以地理特征( f e a t u r e ) 为核心，以数学和概念化方法来表示地球及 地球现象的通用数字化方法。它定义了一系列通用的基本地理空间信息类 型，基于这些基本空间信息类型，可以使用基于对象的程序设计方法，为 不同应用领域的地理空间数据建模。o s m 有一组可互操作的软件构建集 合组成，为对特征的访问提供对象管理、获取和交换等服务设施。它是一 个在不同的信息团体之间实现地理空间数据获取、管理、操纵、表达以及 共享服务的通用规范模型。i c m 是使用语义转换机制，目的是使具有不同 第2 章o p e n g i s 和网格体系结构 特征类定义及语义模式的信息用户群之间实现语义的互操作性。 图2 1 o p e n g i s 抽象规范的主题及其相互关系 f i g 2 - 1o p e n g i sa b s t r a c ts p e c i f i c a t i o nt o p i ca n dd e p e n d e n c i e s 2 1 2 g m l ( 地理标记语言) g m l ( g e o g r a p h ym a r k u pl a n g u a g e ) 1 3 8 , 3 9 】是帆语言在空间地理信息 领域的扩展，它是由o p e n g i s 联盟于2 0 0 0 年5 月最先发布的，其目的在于 描述、说明地理信息，可以很容易地表现空间信息的结构和内容，并能实 现开放式的空间信息交换和管理。目前，g m l 已经成为业界公认的空间 信息格式标准。由刚开始使用的d 1 d 到后续版本使用的x m l s c h e m a 语法 燕山大学工学硕士学位论文 和机制，g m l 提供了一个开放的、用于定义空间地理数据的框架。同时 允许用户自己开发出基于遵循g m l 规范的子集，在这个基础上，又由于 其开放式、跨平台的特性使得各个厂商用户能够遵循同一个规范，使相互 之间进行空间地理数据的交换成为可能，用户也可以有自己的数据定义格 式，但是在进行数据交换时用g m l 作为一个媒介来实现数据的传输和交 换。 和h t m l 相比，g m l 天生就非常适合用于存储和传输空间地理特征 的属性信息和几何信息。它在网络空间地理信息系统应用领域的地位就如 一个深层驱动机。它能将地理信息系统的数据核心( 地理特征) ，采用x m l 的文本方式进行描述，并能对网络地理信息系统的各功能部件之间的空间 信息的传输、通信提供强有力的技术支撑。可以把它看作： ( 1 ) 一种用于在互联网间资源的共享和交换的地理信息编码。 ( 2 ) 一种新的地理信息词汇表达方式。 ( 3 ) 一种新的应用于地理信息服务的通信组件。 g m l 3 是由o g c 于2 0 0 3 年2 月5 日发布的最新版本的g m l ，它在g m l 2 的基础上进行了多方面的改进。g m l 3 具有模块化特点，即用户能够选择 必要的部分使用，简化和缩小了执行的尺寸。g m l 3 新增加的内容包括支 持复杂的几何实体、空间参照系统、时间参照系统、拓扑、元数据等多个 方面。 g m l 3 采用面向对象的思想进行构建、继承和封装构成了设计g m l 概念模型框架的主要手段。从图2 2 q bn - j 以看到，整个概念模型框架以抽 象类型o b j e c t 为根结点，利用面向对象的继承特性，结合各地理特征一层 一层地进行类型扩展而得的。 图2 2 中各模块对应的模式及含义是： ( 1 ) 基本对象( o b j e c t ) 模块包括对( g m l ：o b j e c t ) 、( g m l ：g m l ) 、f g m l ： m e t a d a t a ) 模式的定义。 ( 2 ) 地理特征( f e a t u r e ) 模块定义j ( g m l ：f e a t u r e ) 及其派生的部分。特 征是地理空间中具有现实含义目标如道路、河流、人、交通等。特征模式 提供了一个创建基本地理特征及复杂特征的框架。 1 4 第2 章o p e n g i s 和网格体系结构 ( 3 ) 几何要素模块( g e o m e 缸y ) 对基本的集合要素点、线、面等几何模式 进行了描述，对其派生部分进行了定义。 图2 2g m l 对象模型 f i g 2 - 2g m lo b j e c tm o d e l ( 4 ) 坐标参考系统( c o o r d i n a t er e f e r e n c es y s t e m ) 模块定义了坐标参考 系统子模式( s c h e m a s ) g m l ：c o o r d i n a t er e f e r e n c es y s t e m ，并对用于构造 燕山大学工学硕士学位论文 c r s 的元素( e l e m e n t s ) 和类型( t y p e s ) 进行了定义。 ( 5 ) 拓扑关系模块( t o p o l o g y ) 定义t g m l ：t o p o l o g y 拓扑模式及其派生 组件。 ( 6 ) 时态模块( t e m p o r a l ) 对时态构造及动态目标模式进行了定义。 ( 7 ) 元数据模块( m e m d a m ) 对地理信息数