8网格GIS

第八章地理网格计算目录8.1网格计算概述8.2网格GIS8.3网格GIS的关键技术网格计算通过网络连接地理上分布的各类计算机、数据库及其他设备，形成对用户相对透明的虚拟的高性能计算环境，使人们能够共享计算、存储、数据和应用资源。网格环境下的GIS空间分析是在空间信息网格（SpatialInformationGrid，SIG）技术体系支持下，采用中间件技术，构建空间信息网格计算环境和空间信息服务体系，发展面向空间实体的空间数据组织技术，实现对复杂空间格局表达和空间作用过程的模拟，并通过建立人机交互、交融的虚拟地理环境，实现知识驱动方式的复杂空间建模、网络协同工作与空间群体决策。计算资源的短缺网格计算8.1网格计算概述网格计算（GridComputing）是20世纪90年代由IanFoster提出的概念，其目标是在广域网上实现计算资源、数据资源和其他设备的互联，形成一个可相互利用、合作的高性能计算网。即：利用高速网络将分布在世界各地的计算资源相互连接起来，协同完成庞大的计算难题。网格计算的特点：（1）网格计算利用控制域内广泛存在的各种资源进行高性能计算，包括高性能计算机、数据服务器、大型检索存储系统和可视化、虚拟现实系统等，这是网格计算区别于小范围局域网的一个主要特点。（2）网格计算必须通过标准的、公开的、通用的协议来应用和管理计算资源，协议是连接各种资源的重要纽带。（3）网格计算通过为用户提供各种优质的服务，使其能够利用广大的计算资源，而这些资源将远远超过个人计算中每部分所拥有资源的总和。（4）网格计算实现的是程序间高层次应用层面的连通，而非硬件或应用程序间的低层连通，这区别于计算机网络。8.1.2网格体系结构迄今为止，有两个比较重要的网格体系结构：一个是IanFoster等提出的五层沙漏结构，以“协议”为中心；另一个是由美国阿岗（Argonne）国家实验室、芝加哥大学、南加州大学以及IBM共同倡议的开放式网格服务体系结构（OpenGridServicesArchitecture，OGSA），以“服务”为中心。五层沙漏结构的核心思想是以“协议”为中心，并强调服务的重要性。开放网格服务结构（OGSA）是继五层沙漏结构之后最重要的和目前最新的一种网格体系结构，被称为下一代网格结构。OGSA采用包括构造层、连接层、资源层、协作层、应用层的5层沙漏模型作为网格结构。以网格服务为中心的模型有两个优点。其一，由于网格环境中所有的组件都是虚拟的，因此通过提供一组相对统一的核心接口，所有的网格服务都基于这些接口实现，可以很容易构造出具体层次结构的、更高级别的服务，这些服务可以跨越不同的抽象层次，以一种统一的方式来处理。其二，虚拟化也使将多个逻辑资源实例映射到相同物理资源上成为可能，在对服务进行组合时不必考虑具体的实现，可以以底层资源组成为基础，在虚拟组织中进行资源管理。2.OGSA8.1.3网格计算的发展及应用1.国际网格计算的发展和应用美国、英国、欧洲、日本2.我国网格计算的发展和应用中科院计算技术研究所、清华大学计算机技术系3.企业方面网格计算的发展Sun公司、IBM公司、微软公司4.e-Science（信息化科研环境）e-Science的概念由英国首先提出，目标是使科学家们的研究工作就像通过Web来获取信息一样，方便地共享计算能力、科学知识库和实验设备等。5.网格计算在地学方面的应用网格计算在地学方面的应用指结合多重的数据源（如空间、大气和地面）、模型（如预报和评估）等，从中提取有用的信息和知识，为环境监测和自然资源管理提供服务。8.1.4网格计算与GIS空间分析目前GIS空间分析功能还不强大，通常需要配置高档微机、图形工作站，硬件投入很大，这在一定程度上提高了用户应用GIS的门槛。基于网格技术的GIS使空间分析功能得到拓展和延伸，使之不仅能对具有超媒体特性的地理空间数据进行查询、检索和分析，也能对复杂空间问题进行并行计算，以辅助和支持决策。8.2网格GISGIS的网格化是指GIS各项功能的实现将充分利用网格的诸多优点为各种用户提供快速、高效的空间信息服务。在网格环境中，将有更多高性能的计算机，这些计算机的有机组合和协同运行将促使空间数据的处理速度得以大幅度提高，网格将充分利用各种资源。我们可以把应用网格技术来解决GIS中的问题的方法和技术称之为网格GIS。网格GIS的特点：（1）网格GIS的核心是解决广域环境下各种空间信息处理资源的共享和协同工作。其中，空间资源包括空间数据、空间信息、空间知识和空间服务等。（2）网格GIS可以很好地解决异构系统之间的互操作问题。（3）网格GIS处理的数据是空间数据，这是网格GIS与一般网格的根本区别。网格GIS的目标实现空间数据资源的共享实现空间计算资源的共享实现基于全局虚拟视图的空间信息处理实现空间信息系统计算工作的负载平衡实现系统容错实现面向问题的用户使用方式8.2.2网格GIS的体系结构1.基于应用的网格GIS体系结构（1）计算网格是所有应用网格和网格GIS体系的基础，为其他网格应用提供系统基础功能与接口，包括通信机制、安全架构、错误检测、信息架构和资源管理机制等。（2）空间数据网格是空间信息网格、空间知识网格和空间服务网格的基础，为其提供数据支持。（3）空间信息网格的目标是要在空间数据网格的基础上，为用户提供一体化的智能信息服务平台。（4）空间知识网格研究空间知识的组织和管理方法，其中知识管理包括知识重用、知识转换和认知过程模型。（5）空间服务网格研究GIS功能服务的统一管理和高效访问，为其他网格GIS提供功能服务。2.基于技术的网格GIS体系结构（1）构造层：主要功能是向上提供网格中可供共享的资源，属于物理或逻辑实体。（2）连接层：定义了网格中处理通信与授权控制的核心协议，构造层提交的各种资源间的数据交换、各资源间的授权认证、安全控制都在这层的控制下实现。（3）资源层：应用协议调用连接层协议对本地资源进行访问和控制。（4）协作层：将资源层提交的受控资源汇集在一起，供数字地球虚拟组织的应用程序共享、调用。（5）应用层：虚拟组织提供的中间件和服务在应用层得到具体应用。8.2.3面向服务的网格GIS网格GIS是面向服务的系统，它强调以服务为中心，主要包括元数据目录服务、资源分配管理服务和安全服务等。1.元数据目录服务元数据目录服务主要完成对网格计算环境中信息的发现、注册、查询、修改等工作，提供对网格计算环境一个真实、实时的动态反映，其处理的信息主要是网格计算环境中的各种资源（包括数据资源、计算资源等）、服务和其他主体的描述。（1）元数据目录的种类元数据目录为用户身份认证、数据定位、访问控制、数据复制等提供支持。按功能可分为系统元数据（SystemMetadata）、副本元数据（ReplicaMetadata）和应用元数据（ApplicationMetadata）。（2）元数据目录服务的实现在实现上，元数据目录服务主要使用LDAP作为网格信息访问与存储的统一界面，采用XML语言对应用元数据进行描述。（3）元数据目录服务的标准空间元数据用以描述有关地理信息的内容、质量、位置和其他特征，帮助用户快速理解和定位数据，其目的是为数据的访问提供相关的数据目录信息和数据交换等辅助信息。2.资源分配管理服务资源分配管理服务主要处理资源请求、执行远程应用、分配资源和管理活动等任务，并根据计算资源的情况把资源更新信息发送给元数据目录服务。（1）资源分配管理服务处理的事务资源分配管理服务主要负责的事务包括：解析和处理任务请求中的RSL描述，在任务请求中选择的资源、任务处理和任务控制等RSL描述，针对可用资源等情况对请求作出拒绝处理或执行等操作；管理远程监控启动的任务；根据所管理的资源可用情况更新资源分配管理服务。（2）资源分配管理服务的组成部分资源分配管理服务由资源、客户、任务、任务请求、Gatekeeper、任务管理者、资源监视器和应用管理者等八部分组成。3.安全服务安全认证、安全身份相互鉴别、通信加密、私钥保护以及委托与单点登陆等8.3网格GIS关键技术8.3.1中间件技术中间件（Middleware）技术作为存在于系统软件与上层应用之间的一个特殊层次，是未来网格计算的核心。1.中间件的特点中间件一般是指运行在客户机或服务器系统上的一种独立的系统软件或服务程序，是一种新型的软件设计模式。目前，在基于分布式环境的各种应用中，中间件的引入主要是为了解决网络通信方面的功能问题。中间件的位置一般处于应用层和网络层之间，它通过实现相应层次的功能并将其进行透明封装，使相应的应用层软件可以独立于低层实现机制（如计算机硬件和操作系统平台）而单独进行开发，并实现不同平台间相同层次应用的跨平台操作。2.中间件的种类（1）基于RPC（2）面向消息的（3）基于对象请求代理（4）数据库中间件3.中间件的作用①基于软件构件化原理②基于软件可重用原理③基于跨平台原理④基于软件体系原理8.3.2WebService平台1.WebService的组成WebService是建立可互操作的分布式应用程序的新平台，即在进行网络间通信时，WebService通过向外界提供API来完成网络间的各种操作。WebService平台是一套标准，它定义了应用程序如何在Web上实现互操作。2.基于WebService的GIS空间分析在网格GIS环境下，可以实现开放的、能够在异构环境下进行多分析处理程序或系统间的通信和协作的GIS空间分析处理服务。基于服务的GIS空间分析处理技术研究主要关注应用模式和应用框架，而不过多地着眼具体的空间分析处理算法。8.3.3GML地理标识语言1.GML定义及特点GML（GeographyMarkupLanguage）是中间件之间实现信息传输和存储的关键性技术。GML是由OGC公司组织并发行的可用于GIS网络间通信的一种高效语言，是XML的扩展，用来存储和传输空间地理特征的属性信息和几何信息，强调空间信息的传输，而非地理特征的可视化。2.GML设计GML的设计是面向网络的，将地理特征采用XML的文本方式进行描述，目前的浏览器都可解析，用户不需要采用其他的软件来显示和交互基于GML编码的地理数据。3.XML可扩展标识语言XML（eXtensibleMarkupLanguage）是W3C组织于1998年2月发布的标准，是SGML（StandardforGeneralMarkupLanguage）的子集，也是目前用于Internet网络间通信的一种通用语言。XML的用途之一是作为元标记语言，定义各种实例标记语言标准；二是作为标准交换语言，担负起描述交换数据的作用。此外，从数据发布、智能计算、精确搜索、文件保值等方面考虑，XML语言也是进行网络间通信的首选语言。