（地图学与地理信息系统专业论文）基于网格计算环境的地理模拟系统.pdf

摘要 摘要 地理信息系统具有较强的空间数据管理、分析能力，在涉及空间信息的许多学 科和行业应用广泛。地理学家需要借助工具分析地理过程，复杂资源环境问题的 解决也需要能进行过程分析的模拟工具。而地理信息系统过程分析方面的能力较 弱，难以对复杂的时空动态变化的地理现象进行模拟，无法满足对过程分析的需 求。因此，地理模拟系统的概念应运而生，以解决当前地理信息系统时空动态信 息表达以及地理空间系统过程分析能力较弱等问题。地理模拟系统作为地理信息 系统的重要补充，能够探索和分析地理现象的格局形成和时空动态演变过程。目 前，元胞自动机模型和多智能体系统是地理模拟系统两个最核心的组成部分。地 理模拟系统本身属于典型的计算密集型任务，特别是在大尺度地理模拟时，计算 量非常庞大，利用普通计算机的串行计算往往耗时过长，甚至于无法进行计算， 因此本研究提出利用网格计算环境实现地理模拟系统。 构建基于网格计算环境的地理模拟系统可扩展地理信息系统的分析功能，提高 处理地球观测数据和进行各种地理过程分析的能力，对资源环境问题的发生与发 展过程实现快速、高效地数字化重建j 使之成为城市和区域资源环境信息分析和 应用的平台与关键技术，为解决紧迫的、与社会发展关系密切的资源环境问题作 出贡献。 在网格计算环境下，利用基于消息传递接口的粗粒度并行地理元胞自动机算 法对大尺度城市群土地利用演变进行模拟。并在算法中引入“影元胞一技术解决 地理元胞空间各子域之间的边界交换问题。基于消息传递接口的地理元胞自动机 算法比较适合应用于由多个计算机所组成的机群，随着多核处理器的普及，基于 共享内存模式的细粒度并行模式逐渐显示出其优越性。共享内存模式下，同一个 节点内部的各个处理器可共享同一块内存，与消息传递模式相比省去了数据分发 以及元胞边界交换进行消息传递的时间。但共享内存模式只适用于单节点，当模 拟区域范围特别大时，这种方法也无能为力。而基于分布式共享内存的粗一细粒 度混合模式将消息传递模式与共享内存模式相结合，节点之间利用消息传递模型 i 中山人学博i ：学位论文一基于网格计算环境的地理模拟系统 进行数据分发与消息传递，而同一节点内存则使用共享内存。在曙光5 0 0 0 a 高性 能计算集群上对三种模式的地理元胞自动机模型分别进行实验，利用运算时长、 加速比等性能指标对结果加以比较。以珠江三角洲作为研究区进行实验，结果表 明，单节点下，共享内存模式并行地理元胞自动机算法的效果要好于消息传递模 式并行地理元胞自动机算法；多节点情况下，分布式共享内存模式并行地理元胞 自动机算法的效果要好于纯粹的消息传递模式并行地理元胞自动机。 建立可用于真实地理环境的传染病时空传播模拟模型，有助于把握传染病的时 空传播规律，为相关部门控制传染病的蔓延提供科学的决策依据。本文在网格计 算环境下建立一种新的基于小世界网络的多智能体传染病时空传播模型，模型中 多智能体系统用于反映个体间的时空动态相互作用，而小世界网络用来表示多智 能体之间的社会关系。模型主要由智能体属性定义、移动规则、邻域、社会关系 网络的构建以及智能体状态转换规则几部分组成。其中，智能体社会关系网络的 构建以及状态转换规则的确定是模型的核心。与传统的传染病传播模拟模型相比， 该模型引入了个体对感染“记忆 的时间衰减效应、个体间的空间距离以及社会 关系对感染的影响。利用所提出的模型，选取广州市为实验区，基于c + + 语言在 高性能网格计算平台上模拟了流感的时空传播过程。与传统的传染病系统动力学 s e i r 模型和纯粹的基于多智能体系统的传染病传播模型相比，该模型的模拟结果 与实际观测数据更为接近。 目前通过网格计算中间件所提供的网格计算环境距离完善而又易用的网格计 算环境还有相当大的距离。网格计算平台所采用的w e b 技术使得网格使用者只需 使用普通的浏览器即可使用网格，平台将各种技术聚合起来为网格使用者提供实 际功能，对用户有效屏蔽了技术细节。这些功能使得网格使用者摆脱了网格服务 技术及繁琐的命令，可将精力集中在问题的求解上。通过构建地理模拟系统网格 计算平台，使得网格使用者很容易地使用平台所提供的身份验证及地理模拟空间 数据上传、训练土地利用及空间距离位置指定、训练土地利用数据内容描述、地 理模拟转换规则提取及参数设置、地理模拟网格作业参数设置以及网格并行作业 提交等一系列功能，进行大尺度城市群演变高性能地理计算与模拟。地理模拟系 统网格计算平台不需要网格使用者再建立相关模型，同时也无需关心后台高性能 计算资源的技术实现细节。 摘要 基于网格计算的地理模拟系统的构建，可为研究人员、政府官员及公众提供一 个高效分析资源环境动态系统的技术手段。通过模拟系统的分析，可帮助了解各 种地理过程和机理，并作为人一一地交互影响分析的探索工具，为资源与环境问 题的规划与实施提供科学的空间决策支持。另外，也将为政府规划部门提供一个 高效、灵活可靠的地理模拟规划平台。 关键词：网格计算；地理模拟系统；地理信息系统；元胞自动机；多智能体系统 1 1 1 中山人学博一卜学位论文一基于网格计算环境的地理模拟系统 a b s t r a c t g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ( g i s ) h a v eag o o dc a p a b i l i t yo fh a n d l i n ga n d a n a l y z i n gs p a t i a ld a t aa n dh a v eb e e nw i d e l yu s e df o rr e s e a r c hp u r p o s e si nn u m e r o u s d i s c i p l i n e s t h eg e o g r a p h e r su s u s l l yn e e da n a l y z eg e o g r a p h i cp r o c e s s e s ，m e a n w h i l e ， t h es o l u t i o n st ot h ei n c r e a s i n g l yi n t e n s i f i e dr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s r e q u i r e ss o p h i s t i c a t e dg e o g r a p h i cs i m u l a t i o nt o o l s g i sh a v el i m i t a t i o n so fp e r f o r m i n g c o m p l e xs i m u l a t i o nt a s k sa n dc a n n o tm e e tt h en e e d so fg e o g r a p h e r s s ot h ec o n c e p to f g e o g r a p h i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m ( g s s ) c a m ei n t ob e i n g t h eg s sc a ne x p l o r ea n d a n a l y z ep a t t e r n f o r m a t i o na n d s p a t i o t e m p o r a ld y n a m i c e v o l u t i o no fc o m p l e x g e o g r a p h i cp h e n o m e n o n ，a sa ni m p o r t a n ts u p p l e m e n tt ot h eg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o n s y s t e m h o w e v e r ，t h eg s si t s e l fi sat y p i c a lo fc o m p u t e i n t e n s i v et a s k ，e s p e c i a l l yi n l a r g es c a l eg e o g r a p h i c a ls i m u l a t i o n s o t h i sd i s s e r t a t i o ni n t e g r a t e sg r i dc o m p u t i n g t e c h n i q u ea n dg s s ，w h i c hi sc o m p o s e do fg e o g r a p h i c a lc e l l u l a ra u t o m a t a ( c a ) a n d s p a t i a lm u l t i a g e n ts y s t e m ( m a s ) ，t oe x p a n dp r o c e s sa n a l y s i sc a p a b i l i t i e so f g i sa n d d i g i t a l l yr e c o n s t r u c t et h ee v o l u t i o no fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sr a p i d l y a n de f f i c i e n t l y f i r s to fa l l ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e sh o wt om a k eu s eo fc o a r s e - g r a i n e dp a r a l l e l c aa l g o r i t h mb a s e do nm e s s a g ep a s s i n gi n t e r f a c e ( m p i ) t os i m u l a t el a r g es c a l eu r b a n a g g l o m e r a t i o ne v o l u t i o n a m o n gi t ，g h o s t - c e l lt e c h n i q u e ( g c t ) w a si n t r o d u c e dt o s o l v et h eb o u n d a r ye x c h a n g ep r o b l e m sb e t w e e ns u b - d o m a i n so fc e l l u l a rs p a c e s t h e p a r a l l e lc aa l g o r i t h mb a s e do nm p if i t s ac l u s t e rw h i c hi sm a d eu po fm u l t i p l e c o m p u t e r sw e l l w i t ht h ep o p u l a r i t yo fm u l t i - c o r ep r o c e s s o r s ，f i n e g r a i n e dp a r a l l e l p a t t e r nd e m o n s t r a t e si t ss u p e r i o r i t y a st h em u l t i p l ep r o c e s s o r si nan o d ec a na d d r e s s t h es a m em e m o r yo ft h en o d e ，t h et i m ec o n s u m e do nd a t as c a t t e ra n dm e s s a g e c o m m u n i c a t i o nc a nb es a v e d ，c o m p a r e dw i t hm p ib a s e dp a r a l l e lc a b u ts h a r e d m e m o r yp a t t e r no n l ya p p l yo nas i n g l en o d e w h e nt h es i m u l a t i o no fr e g i o ni ss p e c i a l l a r g e ，t h i sm e t h o dc a nn o td oa n y t h i n g t h ed i s t r i b u t e ds h a r em e m o r ym i xm e s s a g e p a s s i n ga n ds h a r e dm e m o r yp a r a l l e l s ，i nw h i c hm p i c a nb eu s e dt oe x c h a n g ep a s s i n g b e t w e e nn o d e sa n ds h a r e dm e m o r yc a nb e u s e di nas i n g l en o d e t h ep r o p o s e dm e t h o d s a r eu s e dt os i m u l a t et h eu r b a ne x p a n s i o ni np e a r lr i v e rd e l t ao nd a w n i n g5 0 0 0 ag r i d c o m p u t i n gc l u s t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a ts h a r e dm e m o r yp a t t e r ni s i v b e t t e rt h a tm e s s a g e p a s s i n gp a t t e r ni nss i n g l en o d ea n ds h a r em e m o r yi sb e t t e rt h a t p u r em e s s a g ep a s s i n gp a t t e r ni nm u l t i p l en o d e s s e c o n d l y ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sa n i n t e g r a t e dm o d e lb a s e do ns m a l lw o r l d n e t w o r k ( sw n ) a n dm a sf o rs i m u l a t i n ge p i d e m i cs p a t i o t e m p o r a lt r a n s m i s s i o n i nt h i s m o d e l ，m a sr e p r e s e n t st h ep r o c e s so fs p a t i o t e m p o r a li n t e r a c t i o n sa m o n g i n d i v i d u a l s ， a n ds w nd e s c r i b e st h es o c i a lr e l a t i o nn e t w o r k a m o n ga g e n t s t h em o d e li sc o m p o s e d o fa g e n ta t t r i b u t ed e f i n i t i o n s ，a g e n tm o v e m e n tr u l e s ，n e i g h b o r h o o d s ，c o n s t r u c t i o no f s o c i a lr e l a t i o nn e t w o r ka m o n ga g e n t sa n ds t a t et r a n s i t i o nr u l e s t h ec o n s t n l c t i o no f s o c l a lr e l a t i o nn e t w o r ka n da g e n ts t a t et r a n s i t i o nr u l e si s e s s e n t i a lf o ri m p l e m e n t i n g t h ep r o p o s e dm o d e l t h ed e c a ye f f e c t so fi n f e c t i o n “m e m o r y ”，d i s t a n c ea n ds o c i a l r e j a l l o nb e t w e e na g e n t sa r ei n t r o d u c e d i n t ot h em o d e l ，w h i c ha r eu n a v a i l a b l ei n t r a d i t i o n a lm o d e l s t h e p r o p o s e dm o d e li su s e dt os i m u l a t et h et r a n s m i s s i o np r o c e s so f f l ui ng u a n g z h o uc i t yb a s e do nt h es w a r m s o f t w a r ep l a t f o r m t h ei n t e g r a t i o nm o d e l h a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h et r a d i t i o n a ls e i rm o d e la n dt h ep u r e m a sb a s e d e p i d e m i cm o d e l t h i sm o d e lh a sb e e na p p l i e dt ot h es i m u l a t i o no ft h et | ? a n s m i s s l o no f e p i d e m i c si nr e a l g e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t t h es i m u l a t i o nc a l l p r o v i d eu s e f u l l n f o r m a t i o nf o rt h eu n d e r s t a n d i n g ，p r e d i c t i o n a n dc o n t r o lo ft h et r a n s r n i s s l 。o no f e p i d e m i c s f i n a l l y ，t h eg r idu s e r sc a nm a k eu s eo ft h ef u n c t i o n sp r o v i d e db yt h eg r i dc o m p u t i n g p l a t f o r m b a s e dg s st o s i m u l a t el a r g es c a l eu r b a n a g g l o m e r a t i o ne v o l u t i o n t h e f u n c t i o n sm a i n l yi n c l u d es p a t i a ld a t au p l o a d ，l o c a t i o ns e l e c t i o no ft r a i n l 。n g l a n du s e d a t a d e s c r i p t i o n so ft r a i n i n gl a n du s ed a t a ，c a p t u r eo fg e o g r a p h i c a l s i r e u l a t i o n t r a n s l t l o nr u l e s ，p a r a m e t e r ss e t t i n go f g e o g r a p h i c a ls i m u l a t i o ng i r djo b s ，s u b m i s s i o no f g e o g r a p h i c a ls i m u l a t i o ng i r dj o b s t h eg r i du s e r sc a ns i m u l a t ec o m p l e xg e o g r a p h i c a l p h e n o m e n a ，t h e yd on o tn e e dt or e e s t a b l i s ht h e i rr e l a t e dm o d e l sa n dd on o tn e e dt o c a r ea b o u tt h et e c h n i c a lr e a l i z a t i o nd e t a i l so f h i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n gr e s o u r c e s t h ec o n s t r u c t i o no fg r i d c o m p u t i n gb a s e dg e o g r a p h i c a ls i m u l a t i o ns v s t e mc a n p r o v i d eat e c h n i c a lm e a no n e f f i c i e n t l ya n a l y z i n gr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a l d y n a m i cs y s t e m sf o rr e l a t e dp e r s o n n e l ，s u c ha sr e s e a r c h e r s ，g o v e r n m e n to f f i c i a l sa n d p u b l i c t h ea n a l y s e sc a nh e l pu su n d e r s t a n dt h e p r o c e s s e sa n dm e c h a n i s m so fv a r i o u s c o m p l e xg e o g r a p h i cp h e n o m e n a i tc a ns e r v e ra sa ne x p l o r a t o r yt o o lf o ra n a l y z i n go f i n t e r a c t i v ei n f l u e n c e so fm a l l l a n d r e l a t i o n s h i p st op r o v i d es p a t i a ld e c i s i o ns u p p o r t s f o rt h e p l a n n i n g a n d i m p l e m e n t i n go fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s v 中山大学博上学位论文一基于网格计算环境的地理模拟系统 m o r e o v e r ，i ta l s o p r o v i d e s a ne f f i c i e n tf l e x i b l er e l i a b l e g e o g r a p h i c a l s i m u l a t i o n p l a n n i n gp l a t f o r mf o rg o v e r n m e n tp l a n n i n gd e p a r t m e n t s k e yw o r d s ：g r i dc o m p t i n g ；g e o g r a p h i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m ；g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o ns y s t e m ；c e l l u l a ra u t o m a t a ；m u l t i - a g e n ts y s t e m 中山大学博上学位论文一基十网格计算环境的地理模拟系统 图目录 图2 1 利用多准则判断( m c e ) 自动获取城市c a 的转换规则1 4 图2 2 五层沙漏网格体系结构2 0 图2 3 多计算机( a ) 和集中式多处理器( b ) 2 3 图2 4 计算机体系结构的弗林分类法2 3 图3 1 研究区行政图2 8 图3 21 9 9 0 年研究区土地利用状况3 2 图3 31 9 9 5 年研究区土地利用状况3 2 图3 42 0 0 0 年研究区土地利用状况3 3 图3 52 0 0 5 年研究区土地利用状况3 3 图3 - 6 与市中心的距离3 4 图3 7 与县( 区) 中心的距离3 5 图3 8 与公路的距离3 5 图3 - 9 与高速公路的距离3 6 图3 1 0 与铁路的距离3 6 图3 1 1 地理模拟网格节点结构图。3 7 图3 1 2 中山大学南校区网格计算集群3 8 图3 1 3 中山大学东校区网格计算集群3 9 图3 1 4 中山大学东校区网格计算平台拓扑结构4 0 图4 1 “影元胞”技术实现4 2 图4 2 常规的数据域分解方式4 3 图4 3 消息传递网格c a 4 4 图4 4 元胞空间“影元胞”消息传递4 4 图4 5 消息传递c a 通信规则4 5 图4 6 共享内存模型示意图4 6 图4 7f o r k j o i n 并行模式示意图4 7 图4 8 共享内存c a 数据域分解方式一4 8 图4 9s m p 集群4 9 图4 1 0 分布式共享内存数据域分解5 0 图4 1 1 分布式共享内存网格并行c a 计算过程5 l 图4 1 2 单节点纯o p e n m p 与纯m p l 对比5 2 图4 1 3 多节点纯m p i 与共享内存对比5 3 图4 1 4 多节点纯m p i 与分布式共享内存对比5 3 图4 1 5 珠三角城市扩张模拟过程5 7 图5 1 徊能体移动规则6 2 x 图目录 图5 2 智能体邻域规则。6 2 图5 3 基于小世界网络的多智能体传染病时空传播模型6 5 图5 - 4 研究区网格人口密度图( 单位人网格) 6 8 图5 5 智能体间的社会关系图6 9 图5 - 6 不同模型的模拟结果与实际观测数据比较7 1 图5 7 感染发生次数空间分布图7 2 图5 8 流感发病率图7 3 图5 9 智能体平均度变化曲线7 4 图6 1 地理模拟系统网格计算平台体系结构7 7 图6 2 地理模拟系统网格计算平台框架图7 8 图6 3 地理模拟系统网格计算平台首页7 9 图6 4 训练数据位置指定8 0 图6 5 空间数据上传8 0 图6 6i i i 练数据位置指定8 1 图6 7 土地利用类型说明8 2 图6 8 地理元胞自动机转换规则选择8 2 图6 9 逻辑同归方法提取c a 转换规则8 3 图6 1 0 多准则判断方法提取c a 转换规则8 3 图6 1 l 主成分分析方法提取c a 转换规则一8 4 图6 1 2 模拟数据位置指定8 4 图6 1 3 模拟过程参数设置一8 5 图6 1 4m p i c h g 2 启动程序的流程一8 6 图6 1 5 地理模拟网格作业参数设置8 9 图6 1 6 地理模拟网格作业提交一9 2 图6 1 7 地理模拟过程动态显示一9 3 x i 中山大学博i ：学位论文一基于嘲格计算环境的地理模拟系统 表目录 表2 1 多智能体系统公共建模平台的对比1 7 表3 1 第四章使用的主要数据3 0 表3 2 第五章使用的主要数据3 0 表3 3 网格节点配置3 7 表5 1 智能体属性表7 0 表6 1m p is e n d 函数定义8 6 表6 2m p ir e c v 函数定义8 7 表6 3m p i 进程变量8 7 表6 - 4 消息传递网格并行地理模拟算法8 7 表6 5 地理模拟资源描述文件格式9 0 表6 6 地理模拟资源描述文件实例9 0 x i i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作 品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：参1 涛 日期：二移f o 年石月矽日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交 论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少 量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权 将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、 缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：刘涛 导师签名：像形 。z 1 日期：如j 。年1 5 1 月彦日 日期刁夕ro 年6 月k 日 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 地理模拟系统 第一章绪论 上世纪六十年代，加拿大测绘学家汤姆林森博士首次提出了地理信息系统这 一术语，并且建立了世界上第一个地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ， 简称g i s ) 软件一c a n a d i a ng i s ( 简称c g i s ) 系统，用于存储、分析以及处理所 收集到的土地存货清单( c l i ) 数据，该系统的构建标志着地理信息系统的诞生 ( t o m l i n s o n ，1 9 8 2 ) 。此后，随着计算机技术的不断进步和g i s 本身的发展，g i s 从 纯粹研究到用于解决地理学传统模型中的复杂空间分析问题。g i s 的提出和发展 是现代地理学的一次重要革命，是计算机科学技术与地理学研究方法相结合的产 物，它使得地理学由定性描述转向定量观测与分析( 黎夏等，2 0 0 6 ) 。目前，g i s 已广泛应用于地图制图、城市与区域规划、国土与灾害监测、资源调查与管理以 及环境保护等领域。 尽管g i s 具有较强的空间数据管理、分析的能力，但在过程分析方面的能力 较弱，对复杂的时空动态变化的地理现象难以模拟，无法满足地理学家对过程分 析的需求( g o o d c h i l d ，1 9 9 2 ；w a g n e r ，1 9 9 7 ；b a t t ye ta 1 ，1 9 9 9 ；g a h e g a n ，1 9 9 9 ) 。而许多 地理现象的时空动态过程往往比最终的格局更为重要，譬如，城市扩张、传染病 扩散、人口迁移、洪水淹没等( 黎夏等，2 0 0 9 a ) 。基于上述分析，黎夏等提出地 理模拟系统( g e o g r a p h i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m ，简称g s s ) 的概念，以解决当前 g i s 时空动态信息表达以及地理空间系统过程分析能力较弱等问题( 黎夏等， 2 0 0 6 ) 。 地理模拟系统是指在计算机软、硬件支持下，通过自下而上的虚拟模拟实验， 1 中山人学博i j 学位论文一基于嘲格计算环境的地理模拟系统 对复杂系统( 例如各种地理现象) 进行模拟、预测、优化和显示的技术。它是探 索和分析地理现象的格局形成、演变过程以及进行知识发现的有效工具。地理模 拟系统试图从微观入手，探索地理微观空间实体之间相互作用形成宏观地理格局 的动态过程( 黎夏等，2 0 0 6 ) 。元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ，简称c a ) 和多 智能体系统( m u l t i a g e n ts y s t e m ，简称m a s ) 是地理模拟系统的两个重要组成部 分。 1 2 1 网格计算 网格计算的概念起源于1 9 9 5 年的i - w a y 试验，在美国圣迭戈举行的i e e e a c m 1 9 9 5 超级计算研讨会期间，分布在北美洲的1 7 部高级主机，通过l l 条高速网络 相连，构成了最早的网格( f o s t e re ta 1 ，1 9 9 7 ) 。网格计算是利用互联网把地理上广 泛分布的各种资源( 包括计算资源、存储资源、软件资源、数据资源等) 连成一 个逻辑整体，就像一台超级计算机一样，为用户提供一体化信息和应用服务( 计 算、存储、访问等) 。通过这个虚拟环境下的资源共享和协同工作，从而彻底消除 资源“孤岛 。国际知名网格专家i a nf o r s t e r2 0 0 2 年在w w w 2 0 0 0 会议上的特邀 发言中，把网格计算描述为在多个虚拟社团机构间实现动态资源共享和协同解决 问题的过程。网格计算被誉为继i n t e m e t 和w e b 之后的第三次信息技术浪潮。 网格计算的实质主要体现在资源共享、新的应用以及高性能处理技术等三个 方面。资源的共享不仅仅是文件的交换，而是对计算机、软件、数据和其它资源 的高度可控制的共享访问。网格是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个计 算资源池。基于网格的问题求解即为网格计算。一个网格应用可以在网格中的多 个计算资源上运行，通过多个计算资源的协同工作完成问题的求解。 网格计算使人们可以轻而易举地为一些大型科研任务创建和使用动态、分布 式、高性能的计算环境。丽这些在以前是不可能实现的，或丌展起来所付出的代 价很高，如高能物理数据分析、气候建模、宇宙观测、实时遥感数据处理、虚拟 现实等。网格计算现已广泛应用于医学、物理、化学和生物等学科中的计算密集 性任务中。 网格根据共享的资源种类的差异，可分为计算网格、数据网格等。计算网格 也就是计算能力的共享，例如b e r k e l e y 大学的s e i t h o m e i t 划，将无线电望远镜 ，正 第一章绪论 接受的数据分散到遍布全球、参与该计划的计算机上分别计算，以寻找可能有外 星生物的星球( s e t i h o m ep r o j e c t 1 9 9 9 ) 。1 9 9 9 年，i a nf o s t e r 和c a r lk e s s e l l m a n 在 网格：一种新的计算基础设施蓝图中明确了计算网格的定义：“计算网格是 一种软硬件基础设施，它让人们能够以可靠、一致、普遍、廉价的方式，获取高 端计算功能。一数据网格的资源是为了提供包括全球天气预测、高能物理或基因 运算等产生p e t a b y t e s ( i p b = 1 0 2 4 t b ，t b 为t e r a b y t e s ) 为计算单位的数据资料的项 目而设计的( f o s t e re ta 1 ，1 9 9 9 ) 。 1 2 研究意义 地理模拟系统作为地理信息系统的重要补充，能够探索和分析地理现象的格局 形成和时空动态演变过程。但是，地理模拟系统是一种“自下而上一的微观模拟 系统，模型中有大量的微观个体( 元胞) ，微观个体( 元胞) 之间的交互作用以及 微观个体( 元胞) 与环境的相互影响，是一系列的嵌套循环过程，导致其计算量 非常庞大。并且地理模拟系统的计算量与研究区域的范围及空间数据的分辨率有 很大的关系，随着研究区域范围的扩大和空间分辨率的提高，其计算量呈指数级 增长。此外，地理空间系统是一个由多要素共同作用的，自然、社会和经济复合 的、整体开放的复杂巨系统，地理模拟系统作为模拟的工具，涉及到大量的运算， 这些模型和计算需要相互协作才能共同完成任务。地理现象的时空动态模拟涉及 到大量数据的输入，而且在模拟过程中，大部分数据需要动态更新。譬如，在城 市模拟系统中，需要输入土地利用数据、地形数据、政府规划数据、交通数据、 社会经济数据、人口数据等。最后，作为模拟和预测系统，地理模拟系统必须对 模型中的众多参数进行校正，从而使模拟结果尽可能地与真实情况相吻合。实际 上，对多维参数进行校正的计算量也十分庞大。例如，主要用来模拟城市土地利 用的动态变化的s l e u t h 元胞自动机模型，其参数校j 下所需的时间就非常漫长， 对于中等大小的空间数据集和最小限度的几个数据层，需要1 2 0 0 个c p u 的工作 站工作数小时才能完成参数校正过程( c l a r k e ，2 0 0 3 ) 。上述因素使得地理模拟系统运 作效率低下，特别是无法胜任大尺度地理模拟的任务，大大限制了城市地理模拟 的应用。 3 中山人学博l ：学位论文一皋十网格计算环境的地理模拟系统 而网格计算的引入可有效地解决目前地理模拟系统所遭遇到的困境。闲置资 源的充分利用可以有效提高地理模拟算法的执行效率，缩短地理模拟的运算时间。 此外，地理模拟系统通过网格门户对外发布，使用者只需要通过普通的浏览器， 即可进行数据上传、网格作业参数设置以及网格作业提交等流程，最终得到所需 要的结果，为使用者省去了建模的过程，充分体现出网格资源共享的优势。 通过将网格计算技术与地理元胞自动机模型与及多智能体系统的有机集成，扩 展地理信息系统的分析功能，提高处理地球观测数据和进行各种地理过程分析的 能力，对资源环境问题的发生与发展过程实现快速、高效地数字化重建，使之成 为城市和区域资源环境信息分析和应用的平台与关键技术，为解决紧迫的、与社 会发展关系密切的资源环境问题作出贡献。基于网格计算的地理模拟系统的构建， 可为相关人员，譬如，研究人员、政府官员、公众，提供一个高效分析资源环境 动态系统的技术手段。通过模拟系统的分析，可帮助了解各种地理过程和机理， 并作为人地交互影响分析的探索工具，为资源与环境