网格gis的实现技术 arcgis格网化栅格数据

空间信息网格框架及关键技术

1.2.4.1空间信息网格框架

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空间信息网格提供了一体化的空间信息获取、处理与应用服务的基本技术框架以及智能化的空间信息处理平台和基本应用环境，在该网格中，各种空间信息资源被统一管理和使用，空间信息处理是分布式协同和智能化的，用户可以通过单一的逻辑门户透明地访问所有空间信息资源(杜娟等，2005)。

美国Globus项目提出的网络体系结构，采用网格结构层、网格服务层、网格应用工具层和网格应用层的四层结构。美国Argonne国家实验室、芝加哥大学、南加州大学以及IBM公司共同倡议的开放网格服务体系结构(Open Grid Services Architecture，OGSA)，采用构造层、连接层、资源层、协作层和应用层的五层沙漏型结构。

国内对于空间信息网格框架的研究，大多是在网格技术发展基础上结合具体的应用需求进行探讨。《网格计算与GridGIS体系结构与关键技术探讨》一文从GIS集成运算与数据共享的角度概括了GridGIS的框架，主要包括应用层、中间件层与资源层(姜永发等，2005)。方金云等(2002)在分析网络空间数据特征的基础上，提出了网格GIS的5层体系结构模型，并分析了空间(元)数据标准、空间服务标准、分布空间对象技术、构件与构件库技术、基于框架的互操作技术、中间件技术等(图1.4)。夏曙东等(2002)在CARBA的基础上提出基于空间智能体(GeoAgent)的空间信息格网体系结构(图1.5)，空间信息格网系统中的格网界面Agent(GIAgent)负责获取用户的应用服务请求，记录用户个性化信息，以便为用户提供个性化服务。格网资源信息获取Agent(GSICAgent)负责获取各个格网节点的计算资源描述信息，格网系统中的格网资源分配Agent(GSDA-gent)负责把计算资源分配到各个格网计算Agent(GCAgent)，格网计算Agent分别处理不同的用户应用服务请求，由数据智能体(DataAgent)通过元数据库到相应的数据库提取数据，提供给计算智能体，最后由格网界面Agent(GI—Agent)负责为用户提供一致的处理结果。空间信息格网系统中的格网管理智能体(GMAgent)负责智能体注册、命名、访问控制、生命周期管理等。沈占锋等(2003)结合中间件技术，给出了网格GIS的应用架构(图1.6)，整个系统由五层组成，层与层之间有着明显的层次关系，而每一层内的各单元也可能存在一定的顺序关系。从底层向上分别是基础层、资源层、控制层、实现层及应用层组成。基础层包括网络基础结构，同时需在此层规定适合网格GIS体系的特定协议;资源层指当前系统可用的各种资源，包括本地资源及异地已注册可利用资源;控制层是整个系统的核心，它指导着系统正确地运行;实现层是系统的具体的实现部分，由各种中间件来协助完成，各中间件通过可扩展的特定接口与系统连接;最上层是应用层，由具体的用户应用界面组成。

图1.4 五层结构模型(据方金云等，2002)

图 1.5 基于空间智能体(GeoAgent)的空间信息格网体系结构(据夏曙东等，2002)

图 1.6 网格 GIS 五层体系架构

空间信息网格框架是指空间信息网格的运行体系，在网格系统中，其架构体系决定了整个网格的运行稳定性与可扩展性。网格架构定义了网格内及网格结点间的各种协议及API，用以指导网格系统及相应应用程序间的操作(Foster et al.，1999)。虽然目前对体系结构较多的提法，但体系结构的实践与证明较为缺乏。目前实践较多的则是由资源层、服务层和应用层构成的三层体系结构(图 1.7)。

(1)资源层构成空间信息网格的硬件基础。该层主要包括各种空间信息获取仪器(例如航空/航天遥感器、地面遥测设备等)、存储设备(例如大型磁盘阵列)、空间数据库(例如基础地理数据库、地物光谱数据库等)、信息处理设备(例如超级计算机、PC、PDA 等)，它们通过 Internet 或各种无线通信设备实现物理连接。

(2)服务层提供一个空间信息一体化管理与处理平台，通过屏蔽资源层中分散、动态、异构的各种资源，从而实现空间信息资源的共享、集成和互操作，为应用层提供透明的、一致使用接口，以支持用户在应用层上的开发。该层主要包括: 遥感信息处理软件、大型地理信息系统、空间信息搜索引擎、空间数据和信息的整合与组织管理、空间信息的在线分析和智能处理以及各种协议软件和服务规范等。

图 1.7 网格 GIS 三层体系结构

(3)应用层提供一个面向应用领域的空间信息集成应用环境。在服务层的基础上，用户可以根据各自具体的应用领域，针对空间信息的使用模式和使用特点，运用相应的应用软件工具、应用开发平台以及空间信息使用政策和协议等，开发适用于该领域的应用系统。

1.2.4.2 空间信息网格关键技术

(1)网格计算结点的构建: 地理空间信息网格计算结点的构建技术是重要的支撑技术。地理空间信息网格计算结点主要包括: 计算、通信、存储等多种技术组合。为了实现真正意义的资源共享，地理空间信息网格的接口技术是至关重要的。在接入网格的每个结点上应运行一个支持网格机制的网格管理软件，利用此软件将网格分布于不同地点、松散置放的资源相对紧密地联系起来。网格管理软件应定义一系列标准接口，所有实体只要遵循网格管理软件定义的标准接口，就可以方便地接入网格，成为地理空间信息网格的一个部分。网格管理软件应包括从硬件到应用几乎所有的协议、标准、规范、实现程序、检验等，与中间件相比，无论是内涵还是外延，都要远远超出前者。

(2)空间信息语义互操作: 不同领域中广泛存在的信息语义冲突，极大地限制了空间信息资源的共享和交流。建立空间信息语义网格，把不同领域里已经存在的空间信息系统有机地集成一个无缝虚拟的逻辑组织，进而将其扩展并与其他领域的信息系统集成和融合。在利用现有的空间信息基础设施、空间信息网络协议规范的基础上，需引入描述空间信息语义的本体系统，为用户提供基于语义的一体化空间信息应用服务的信息平台。在这个平台上，空间信息处理是基于语义和分布式协作的，用户可以在空间信息的语义层上，从单一的逻辑门户透明地对所有空间信息资源实现基于语义的访问。最终把 Internet 上的空间信息服务站点在语义层上连接起来，实现基于语义的集成和互操作。

(3)空间信息网格服务: 空间信息网格为用户提供一体化服务，对于用户提出的信息访问与处理需求，虽然要通过并发、并行以及先后分离的多个环节来共同完成，但对用户而言，却只是通过一次请求便可以实现。一体化服务实现的重要条件是建立空间信息网格服务规范，该规范能够提供标准的服务体系结构和公共的接口交换协议(杜娟等，2005)。

(4)元数据管理:良好的表示、存储、访问和使用大量资源信息是空间信息网格运行的基本前提。由于空间信息网格中的各种资源在物理上是健分布的，因此需要使用元数据来命名、描述、收集、组织和管理。空间信息网格中的所有元数据构成元数据目录。该目录应为空间数据的统一管理打下基础，为空间信息网格中的各种实体对象建立统一逻辑视图，为用户身份认证、数据定位、访问控制、数据复制等提供支持。元数据目录应采用具有良好扩展性的层次分布式结构，保证空间信息网格在不断发展的情况下，仍能提供高效的元数据服务。

(5)安全机制:由于地理空间信息网格与网络有着密切的关联性，而网络的开放性又在客观上导致了网上信息的窃取、篡改、伪装身份、非法占用等都有成为现实的可能，因此，计算机网络遇到的安全或安全威胁，地理空间信息网格也同样会遇到。如用户认证、访问控制、内部泄漏、非法入侵，以及数据方面(数据精度保证、数据完整性、数据不可否认性、数据保密性等)的问题。此外，地理空间信息网格还要面对自身特征带来的安全威胁。地理空间信息网格的充分共享性特征、虚拟抽象性特征、有机集成性特征、合理协商性特征以及多方参与性特征等决定了该系统除了需要网络通信技术、存储技术、网络协议技术支持外，还有地理空间信息网格自身的接口技术。地理空间信息网格的接口技术相对于一般的计算机接口技术来说要复杂得多。这是因为在地理空间信息网格资源上还要运行用户程序，这虽是地理空间信息网格的优势和特点所在，但也带来了安全问题。随着地理空间信息网格的构建、节点的增加、规模的扩大和应用的普及，注册用户会越来越多，安全问题也会越发显现出来，因此对地理信息网格安全机制的研究也就显得越发重要。

中国地质调查信息网格平台框架

根据我国地质工作实际和地质调查信息资源现状，研究空间信息网格思想，构建中国地质调查信息网格平台，实现分布式数据、软件、硬件等资源的共享和协同，发展与应用空间信息网格技术是构建中国地质调查信息网格的主导思想。

根据地质调查信息服务的需求，框架中国地质调查信息网格平台（图5-1）应能够提供空间资源共享、任务协作及并行计算机制，空间分析计算能力的集成，提供灵活的动态集群及负载均衡功能，并且能够实现多结点空间数据资源、空间运算能力的高度共享，保证用户进行网格空间应用的高安全性和高可靠性，并能向用户提供高度抽象的统一虚拟视图。其特点如下。

图5-1 中国地质调查信息网格平台框架

一、基于对等式结点管理器及其机制与网格GIS软件平台中间件的整合的网格GIS平台应用程序开发框架构建

中国地质调查信息网格平台以网格GIS软件平台为基本构架，通过对等式结点管理器与网格GIS软件平台中间件的整合，构成完整中国地质调查信息网格平台。

由虚拟结点资源聚集器、网格结点元服务库、虚拟结点Portal配置器、暂时性数据资源聚合容器组成对等式结点管理器及其机制，通过网格GIS平台应用程序开发框架，实现对服务状态的控制，跨平台集成、网格全局目录、域对象管理、分布式空间计算、网格工作流、用户安全管理等功能。

网格GIS应用程序开发框架（Grid Application Development Framework），以Grid Service服务的形式对用户发布，可以实现用户应用的快速定制与开发。通过提供一系列的应用系统构建工具，主要包括：网格工作流搭建工具、功能组件注册工具、网格服务快速开发工具、网格地图文档转换工具等，为构建整个业务系统提供了支撑环境。利用这些工具可以快速构建和扩展面向专业应用领域应用系统的一般模式，用户利用功能库、模型库和数据管理工作区中提供的功能、模型和数据，通过网格 GIS应用系统构建工具生成各应用系统。其中，功能库或模型库中既提供网格GIS平台自有的通用GIS功能或模型，又可以加入自定义的业务功能或专业模型。基于网格GIS软件的应用系统主要采用基于Globus的网格GIS平台软件包来构建，作为一个充分利用网格技术的GIS平台，网格GIS通过空间资源共享、任务协作及并行计算机制，进行空间分析计算能力的集成，提供了灵活的动态集群及负载均衡功能，并且能够实现多结点空间数据资源、空间运算能力的高度共享，保证了用户进行网格空间应用的高安全性和高可靠性，并能向用户提供高度抽象的统一虚拟视图。进而解决了传统网络GIS系统中存在的诸多问题。

二、IMS Service与Grid GISWRSF Service并存的混合框架

中国地质调查信息网格平台对IMS Service与Grid GISWRSF Service进行了集成，实现原有的MapGISIMS Service与基于WSRF实现规范构建的网格GIS服务并存的混合框架。使中国地质调查信息网格平台实现了跨平台部署，能运行于W indows/Linux/Unix等多种异构操作系统平台，并且支持本地空间数据格式（如MapGISHDF数据库），基于大型商业数据库的空间数据库格式（如Oracle 10g/11g、IBMDB2等）。在跨平台GISC/C+＋内核的基础上，通过采用JNI技术对底层GIS功能进行封装，将底层基本的GIS功能发布成SOAP及REST形式的元功能服务，提供了传统和无状态形式的服务API接口，方便上层框架进行封装。

Grid GISWRSF Service主要采用基于Globus的网格GIS平台软件包来实现，如图5-2所示，网格GIS软件平台架构自底向上主要设计为如下几层：

图5-2 网格GIS软件平台架构分层

最下层由跨平台的MapGISGrid Core（即DC Serevr服务核心软件包）组成，该内核实现了跨平台部署，能运行于W indows/Linux/Unix等多种异构操作系统平台，并且支持本地空间数据格式（如MapGISHDF数据库），基于大型商业数据库的空间数据库格式（如Oracle 10g/11g、IBM DB 2等）。

在跨平台GISC/C+＋内核的基础上，采用JNI技术对底层GIS功能进行封装，将底层基本的GIS功能发布成SOAP及REST形式的元功能服务，提供了传统和无状态形式的服务API接口，方便上层框架进行封装。

通过元功能服务层提供的服务API接口，采用Globus Toolkit 4工具集对其进行了网格化封装，其上构建了一系列的网格GIS功能组件，如网格全局目录、域对象管理组件、分布式空间计算中间件、网格工作流组件、用户安全管理组件等。在一系列网格GIS功能组件的基础上，实现了一套网格GIS应用程序开发框架（Grid Application Development Framework），在此基础上，底层功能均以Grid Service服务的形式对上发布，在此基础上可以实现用户应用的快速定制与开发。

最上层的网格GIS门户层可以在标准网格服务的基础上采用流行的JavaScript或者Flex等主流的富客户端开发技术进行客户端应用的快速开发。实现地质调查信息的集成发现集成及矿产资源预测与评价的网格计算解决方案。

在网格 GIS业务化系统建设，为充分利用网格GIS技术优势，如对服务状态的控制，跨平台集成、网格全局目录、域对象管理组件、分布式空间计算中间件、网格工作流组件、用户安全管理组件等。中国地质调查信息网格平台对IMS Serivce与Grid GISWRSF Service 进行了集成，使中国地质调查信息网格平台实现了跨平台部署，能运行于Windows/Linux/Unix等多种异构操作系统平台，并且支持本地空间数据格式（如M apGISHDF数据库），基于大型商业数据库的空间数据库格式（如Oracle10g/11g、IBM DB2等）。在跨平台GISC/C+＋内核的基础上，通过采用JNI技术对底层GIS功能进行封装，将底层基本的GIS功能发布成SOAP及REST形式的元功能服务，提供了传统和无状态形式的服务API接口，方便上层框架进行封装。其架构如图5-3所示。

图5-3 基于IMSService与Grid GISWRSF Service一体的网格平台架构图

在网格GIS全局目录管理功能组件的构建过程中，利用W SRF框架实现了对遗留GIS系统网格化的封装，实现了空间信息网格服务的动态发现与集成服务，主要表现为提供网格结点空间信息的注册和查询功能。包括：网格GIS结点信息注册－网格结点的LRM（Local Resource Manager本地资源管理器）向资源信息服务结点注册其可用的资源信息（空间数据信息及服务信息），资源信息服务结点动态维护注册到其上的网格结点的服务信息列表：通过网格服务可以动态查询当前可用网格结点的列表、按照指定的查询条件可查询结点上的服务信息列表、发布某种服务的结点信息列表、当前网格中存在的虚拟组织（VO）的信息列表，还可以实现图层粒度级的结点信息查询。通过采用组建动态虚拟域时发送Monitoring and Discovery System（MDS）结点备份列表的方式，为每一个空间资源网格结点的LRM 功能服务提供了备份的MDS结点地址，多个MDS同级几点之间采用消息队列与订阅的方式实现高效的信息同步与更新，这样就避免了单点失效的问题，另外，还将MDS的信息动态更新机制修改成更加高效的方式，即当第一次结点资源信息汇聚收敛完毕以后，以后由MDS 结点以“心跳定期”的方式进行轮询，如果空间数据资源和服务信息不发生变化，就不更新；当结点的资源状态发生变化时，借助于Trigger Service进行触发更新，这样就降低了网络流量的开销，提高了动态更新的效率。

在网格GIS平台环境下，采用了基于域的业务集成方式，利用全局目录管理组件检索出符合条件的资源结点组成网格环境下的动态虚拟组织域（即Virtual Organization）.将域的相关信息（域管理器结点ID，域ID，域结点信息描述，域服务描述等）保存到应用域管理器结点上，同时创建域的资源目录，并在全局的域目录管理结点上进行域对象的注册。当域对象发生变化时，由该管理结点和全局目录服务结点进行协同以确定域信息的变化。当应用域管理结点发生单点失效故障的时候，由全局域管理服务生成新的域管理结点。

在同一个服务结点上，原有的MapGISIMS Service与基于WSRF实现规范构建的Globus网格服务并存，也可以根据业务的需要在服务之间进行交互调用，共同向上层应用客户端提供业务功能支撑。在客户端上将原有的门户和网格应用的门户通过富客户端（Rich Client）技术无缝地集成到一块，基本的空间功能如元数据服务、制图服务、要素服务由原客户端提供，涉及计算密集型/可并行计算的空间业务，则由网格GIS客户端负责完成，通过调用底层的空间任务分发与执行监控网格服务组件，将任务分解成多个可并行执行的原子序列，提交给相关网格结点进行快速计算，任务执行的状况及成功执行后得到的结果在网格门户组件上能够直观反馈给用户。

这种混合式的集成架构既保证了已有系统业务的稳定性，又通过有针对性地引入网格GIS应用功能组件，充分发挥了网格计算技术在分布式地学计算领域的优势，同时提高了结点的运行效率和可维护性。

电子地图系统WEBGIS 关键技术

随着Internet技术的不断发展和人们对地理信息系统(GIS)需求的日益增长，利用Internet在Web上发布空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能，已成为地理信息系统(GIS)发展的必然趋势。于是，基于Internet技术的地理信息系统———WEBGIS就应运而生。

WEBGIS是一个将地理信息处理和地理信息分布于Web计算平台进行的网络化GIS系统，它是面向对象软件构件技术、信息互操作技术、网络技术发展的产物。系统采用ARCGISServer作为WEBGIS支撑平台实现基础地理空间数据和地质空间数据的网络发布。

1.栅格WEBGIS技术

“栅格WEBGIS”(Grid WEBGIS)这一概念和产品是对传统Web地图服务方式的一种革命。启用这个名称，可谓是一语双关:就是提供地理底图的方式来讲，再也不是传统的方式———服务器端将矢量地图临时生成栅格图发给客户端，而是事先生成好栅格图，用户请求时不必做任何处理就可以即时发给客户端;就客户端的显示方式来讲，摒弃了传统的一张地图的显示方式，客户端采用多幅小图拼接的方式显示，总体看起来像是小图片填充一个大的栅格的效果。

预先制作好所要发布的地理底图、遥感影像不同缩放比例下的静态图像存放于服务器端，待实际发布时根据缩放比例在不同级别图像之间进行切换。这种技术大大提高了地图的Web浏览速度。

2.Web服务器端技术

Web服务器端主要由两部分组成，即IIS(Internet Information Server)和WEBGIS服务器(包括ArcIMS组件、InternetGIS站点设计向导程序Wizard及面向城市地质Web应用的扩展组件)。

其中，IIS主要负责接收普通的用户请求，当其需要空间数据时则向WEBGIS服务器发出请求，WEBGIS服务器接收到浏览器端的请求后，利用ArcIMS组件和城市地质Web应用扩展组件的功能，进行处理、分析、计算等;如果需要数据服务器的数据，则由WEBGIS服务器向数据服务器发出请求。

3.Web客户端相关技术

包括IITML、客户端脚本语言、VML(矢量可标记语言)、XML、DOM(文档对象模型)、CSS(层叠样式表)及Ajax(Asynchronous JavaScript and XML的缩写)，这些技术的综合运用大大扩展了系统功能，大幅提高了系统响应速度。