网格GIS的四重地理空间网格模型

网格GIS的四重地理空间网格模型 网格 GIS 的四重地理空间网格模型 11 王金鑫边馥苓 ()1 武汉大学空间信息与数字工程研究中心 ,武汉市珞喻路 129 号 ,430079 摘 要 :在对网格与网格 GIS 深入分析的基础上 ,提出了网格 GIS 体系结构的四重地理空间网格模型 ,论述了 其结构与特点 ,简述了网格 GIS 的技术体系 ,并对一个工程设计实例进行了网格化的分析 。 关键词 :网格 GIS ;地理空间认知 ;空间数据模型 ;空间信息网格 中图法分类号 : P208 (的本质 反映在 GIS 的根本理论 、功能与应用目标 网格是继传统因特网 、万维网之后的第三代 ) 上,然后才是 GIS 与网络 、网格的融合 ,这里的融 因特网 。它常用于解决需要极大量计算机处理周 1 合包括理论和技术两个方面 。因此 ,网格 GIS 的核 期或访问大量数据的科学或技术问题。 心理论与技术的根源仍在 GIS 内部 ,而其根本问题 网格体系结构是网格的骨架和灵魂 。Foster 解决的关键在于其与网络和网格的融合及在此基 提出的“五层沙漏模型”是网格技术的标志 。随着 础上的创新 ,而不仅仅是“纯粹的”网络和网格技 网格技术的发展 , Foster 等结合 Web Service 又提 术 ,否则 ,就很容易失去重心 。从这个角度讲 ,空 ( 出了开 放 网 格 服 务 结 构 OGSA open grid services2 间信息多级网格方案还是准确地抓住了问题的 ) architcture。 本质 。 传统 GIS 没有很好地解决数据共享问题 ,在 网格 GIS 是网格技术背景下 GIS 理论与技术 网格计算环境下 ,目前的 GIS 数据库面临着“空间 发展的新阶段 。分布式空间数据网格和网格计算 数据的基准不一致 、空间数据的时态不一致 、语义 可以有效解决困扰 GIS 发展的存储效率与计算效 描述的不一致以及数据存储格式的不一致”等四2 ,3率的矛盾 ,为解决空间数据的全面共享提供了有 。 大障碍 利的环境与工具 。透过网格去看 GIS 的本质 ,笔 网格技术给 GIS 发展带来了机遇和挑战 。人 ( ) 者抽象出网格 GIS 的核心原型 如图 1。它的基 们提出了网格 GIS 的概念 ,并对它的结构体系和 4 ,13 础就是建立在网络分布式数据库与数据互操作技 关键技术进行了广泛的探讨。这些讨论很 术 之 上 的 空 间 数 据 网 格 ; 在 此 基 础 上 实 大程度上局限于网格的技术实现 ,对网格 GIS 的 现 GIS的功能互操作 ,构筑统一的空间信息处理 整体分析尚欠不足 。本文从网格与 GIS 融合的角 度 ,对网格 GIS 的整体结构与功能进行了探讨 ,提 出了网格 GIS 的体系结构模型 。 1 网格 GIS 体系结构模型 1 . 1 网格 GIS 的本质认识 网格 GIS 是建立在网络 、网格技术之上的 GIS。 图 1 网格 GIS 的核心原型 用一个公式表示就是 : Internet + Web + Grid + GIS = Fig. 1 Core Model of Grid GIS Grid GIS。这里不是简单的代数和 ,而是包涵着“1 + 1 > 2”的涌现机制 。网格 GIS 首先是 GIS ,这是它 收稿日期 :2004209209 。 () 项目来源 :国家 863 计划资助项目 2002AA135340。 帄台 ———“空间信息网格”; 再向上 ,基于知识/ 数 GIS 工程 。与传统的 GIS 系统相比 , 它有很 化的 据挖掘中间件等实现“空间知识网格”;最外层 ,在 多突出的特点 :形式上 ,它不是一个环境和功能集 ( 网格统一的应用界面下 受网格操作系统的操纵 中的系统 ,而更像是由网络连接的分布式的系统 ) 与管理,实现空间信息应用服务 ,构成“空间信息 大群落 ; 功能上 , 它超越了传统的管理与分析范 应用与服务网格”。 畴 ,更着重于知识的挖掘与智能决策支持 ,实现传 综上所述 ,所谓网格 GIS 就是建立在 3 G 广域 统 GIS 不能或不容易实现的功能 ;应用上 ,它的范 网之上 , 基于 Internet 、Web 、Grid 、GIS 等技术融合 围和深度都远远超过了传统的 GIS 系统 ,面向全 的 ,充分利用各种网络资源对广泛分布的空间数 球范围 、全体用户 、全方位服务 。 据与属性数据进行整合 、集成 、管理 、处理和共享 , 1 . 2 “四重地理空间网格”模型框架的提出 并进行深层开发和利用的 ,面向全球变化 、社会经 基于以上分析 ,笔者提出如图 2 所示的网格 济各部门及可持续发展各领域应用与服务的智能GIS 的体系结构模型 。 图 2 网格 GIS 的四重地理空间网格体系结构模型 Fig. 2 Architecture Model of Quadruple Geo2spatial Grids of Grid GIS 该模型从物理逻辑上 ,将网格 GIS 分为四层 下理论与技术特色 。 ) 1基于网格与 GIS 系统相融合的技术体系 () 每层均为分布式的网格结构:基础层 、分布式数 结构 。作为基于网格技术的应用系统 , 网格 GIS 据库层 、网格操作系统与中间件层以及应用层 ,每 完美融合了网格与 GIS 系统的体系结构与功能结 层分别与相关的标准 、协议和规范相联系 。从功 构 ,因此网格 GIS 既依赖于网格 ,又高于网格 。四 能结构上 ,将网格 GIS 分为四重空间网格结构 ,每 层逻辑分层充分反映了网格技术的特点 ,底层技 术的实现属于网格的主要范畴 ; 而四重网格结构 重结构分别与网络 、网格 、GIS 的相关关键技术相 充分反映了 GIS 的功能特点 ,高端的功能实现技 联系 。这里“四重”中的“四”指地理空间网格的种术则属于 GIS 的主要范畴 ,但二者相互依存 ,构成 类数量 “; 重”则有三层含义 :一是逻辑层与功能网 了完整的网格 GIS 技术结构体系 。 格之间 , 并不是整齐的对应关系 , 而是相互嵌套 ) 2以网格基础设施和面向网格的空间数据 的 ;二是功能网格之间不是层叠关系而是从下向 模型为基本理论与技术核心 。网格 GIS 建立在网 11 格基础设施与网格空间数据模型的两大基础之 上的包含关系 ,区别于“GIS 网格体系”;三是每 重网格都是功能实体 ,都可以独立地面向用户提 供各自级别的服务 。本模型突出了网格 GIS 的以 理基础 。然而 ,物理上的连通并不意味着全面的 ,达到空间信息服务无处不在 。 务”的功能 ) 6网格服务的新理念 。网格的基础是共享 , 共享 “, 四个不一致”就是最大的障碍 。纯粹的技 目的是 服 务 。网 格 服 务 基 于 OGSA , 建 立 在 Web 术解决不了这个问题 ,必须深刻反思数字地图模 Service 技术框架之上 。如何实现基于 OGSA 的空 型 ,深入 GIS 理 论 的 底 层 , 从 地 理 空 间 的 认 知 开 间信息服务 ,尤其是地图服务 ,是当前的一个研究 始 ,对地理空间的地理目标 、现象和过程进行再认 热点 。 识 ,建立面向网格的时空数据/ 信息模型 ,进而研 1 . 3 网格 GIS 的技术体系 究空间信息的语义与数据表示 、空间拓扑关系表 网格 GIS 是 现 代 信 息 技 术 的 集 大 成 。利 用达 、时间维的描述与表达 、空间数据的组织与管 Internet 、Web 、Grid 和 GIS 等 技 术 , 可 以 构 建 网 格 理 ,最终建立统一的空间数据网格框架 。GIS 的基础框架 , 但不能充分实现网格 GIS 的强 大功能 ,必须在相关的重要技术及其融合上取得 ) 3以空间数据网格为基础支撑的工程结构 。 重大突破才能达到目的 ,这些技术便构成了网格 空间数据网格是网格 GIS 的数据基础设施 。空间 GIS 的关键技术体系 。它包括网格计算 、地理信 数据网格与目前的“分布式空间数据库”不是一个 息标准及其与网络网格相关标准的融合 ,空间数 概念 。空间数据网格的数据库虽然也具有地理上 据网格的数据/ 信息表示 、数据存储与快速查询 , 分布以及跨帄台等特点 ,但它们要么具有一致的 异源 、异构 、异质的数据与系统的整合 ,多元数据 () 开放结构 语义 、数据结构与存储格式,要么具有 的融合匹配 ,网格 GIS 的中间件 ,网格环境下 GIS 标准的网格接口 。不象传统的分布式数据库 ,具 的分析与处理 ,基于语义的 GIS 互操作 ,空间数据 有异构 、异态 、语义不同及自封闭等致命缺点 。它 挖掘 ,空间决策支持 ,网格地图服务框架等技术 。 们必须经过面向网格的改造与整合 ,建立统一的 数据结构或标准的网格接口才能成为空间数据网 格的节点 。因此 ,与传统 GIS 系统建立过程中数 据的作用相似 ,空间数据网格的整合与管理是建 立实用网格 GIS 的基础工程 。 2 基于四重地理空间网格 GIS 的数 ) 4基于地理信息标准与网络网格标准融合 字城市工程设计分析的资源共享机制 。地理空间数据/ 信息资源共享 及功能互操作是 GIS 的主题与追求的目标 “; 全面 图 3 是基于“数字工程思想”设计的某城市的 (数字城市建设方案的工程结构示意图 改自某总体 共享”和“协同”是网格的关键词 。但无论是“共 ) 设计方案。可以看出 ,基于异源异构的数据和网 享”“、互操作”还是“协同”都离不开“标准”。“标 络整合技术而建立的“数据帄台”“、网络帄台”以及 准”是共享的基础和关键 。这里强调的是 GIS 标 “城市空间数据/ 信息资源交换中心”相当于数字城 准及 Internet 、Web 、网格中与地理信息处理及操作 市的“空间数据网格”;基于以上帄台 、中心与“城市 的相关标准 ,尤其是元数据标准 。 基础地理信息系统工程”而建立的“城市基础空间 ) 5以 中 间 件 技 术 为 总 线 的 软 件 体 系 架 构 。 信息共享与处理帄台”就是数字城市的“空间信息 () 中间件 middle ware技术作为存在于系统软件与 网格”;而基于以上基础以及相关关键技术而建立 ( 上层应用之间的一个特殊层次 也有人认为它应 的“综合应用与服务帄台”就是数字城市的“空间知 ) 识格网”与“空间应用与服务格网”的综合 。 该属于操作系统中的一部分,是未来网格计算的 6 核心。在网格环境中 ,中间件不仅可以实现各 种应用程序间的简单互连 ,而且也可以实现它们 之间各种更复杂的互操作 。 3 结语应用网格 GIS 的中间件技术 ,采用面向对象 的思想 ,引入 Web Service 及 XML/ GML 技术 ,使所 网格 GIS 是网格技术与 GIS 技术相结合的产 有的 GIS 功能构件都能够以统一的方式连接在一 物 。相对于 GIS 技术 ,网格是一种理念 、一种环境 、 起 ,并能够相互通信 ,在 GIS 网格上形成一种基于 一种帄台 、一种工具 ,它为解决 GIS 发展困境提供 中间件的软总线系统架构 ,是网格 GIS 组织体系 了一种新的思路 。二者的协调发展必将现代 GIS与结构设计的关键技术 。基于中间件软件标准体 系来设计新一代 GIS 软件 ,可以满足空间信息网科技与应用工程推向一个更高级的发展阶段 。 2 李德仁 ,朱欣焰 ,龚健雅 . 从数字地图到空间信息网格 ———空间信息多级网格 理 论 思 考 . 武 汉 大 学 学 报 信? () 息科学版 ,2003 ,28 6:642,650 李德仁 . 论天地一体化的地球空间信息科学及对研究 3 生教 育 的 要 求 . 武 汉 大 学 研 究 生 学 报 自? 然 科 学 版 () 2004 ,21 1:1,4 任建武 . Grid GIS 关键技术研究 : 博士 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 . 南京 : 南京师范大学 ,2003 4 夏曙东 ,李 琦 ,承继成 . 空间信息格网和关键技术分 () 析 . 地球信息科学 ,2002 4:30,35 5 骆剑承 ,周成虎 ,蔡少华 ,等 . 基于中间件技术的网格 () GIS 体系结构 . 地球信息科学 ,2002 3:17,25 方金云 ,何建邦 . 网格 GIS 体系结构及其实现技术 . 地 6 () 球信息科学 ,2002 4:36,42 沈占锋 ,骆剑承 ,蔡少华 ,等 . 网格 GIS 的应用框架及 7 () 关键技术 . 地球信息科学 ,2003 4:57,52 王 铮 ,吴 兵 . Grid GIS ———基于网格计算的地理信 8 () 息系统 . 计算机工程 ,2003 ,29 4:38,40 蔡少华 ,骆剑承 ,陈秋晓 ,等 . 网格 GIS 中的 GML 语言 () 技术与设计框架 . 地球信息科学 ,2003 3:47,50 于雷9 易 . 基于空间数据网格的空间数据共享技术研 究 : 博士论文 . 武汉 :武汉大学 ,2004 10 ( ) Li Q , Zhang X H. SIG: Next Generation SDI SIIand Geocoding. SIG研讨会 ,杭州 ,2003 11 夏曙东 ,李 琦 ,承继成. 格网技术对地理信息系统 ( ) 应用与发展影响的分析 . 地球信息科学 ,2003 4: 53 图 3 某数字城市的工程结构示意与分析 ,56 12 Fig. 3 Sketch Map of Digital City Engineering Structure and Its Analysis Based on Grid GIS 13 参 考 文 献 2 Foster I , Kesselman C. The Grid : Blueprint for a New Com1 第一作者简介 :王金鑫 ,博士生 。研究方向为地理信息系统 。 puting Infrastructure . San Francisco : Morgan Kaufmann Pub2 E2mail : jinxin-w @sohu. com lishers , 1998 An Architecture Model of Grid GIS ———The Qua druple Geo2spatial Grids 11WANG J inxin B IAN Fuling (1 Research Center of Spatial Information and Digital Engineering , Wuhan University , )129 Luoyu Road , Wuhan 430079 , China Abstract : As a core and basic technology , the architecture of grid GIS is a direction to build the grid GIS systems and determines the developing trends of grid GIS to a certain extent . Based on the cognition in essence of grid and grid GIS , this paper puts forward a new architecture model of grid GIS ———the quadruple geo2spatial grids. ()Key words : grid GIS ; geo2spatial cognition ; spatial data model ; spatial information grid SIG About the f irst a uthor : WAN G J inxin , Ph . D ca ndidate , major s in GIS . E2mail : jinxin- w @so hu . co m ()涓涓责任编辑 :