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什么是网格GIS?

1、“Grid'’技术的发展及其概念

“Grid'’的概念起于上世纪90年代中期,短短的十年,网络技术已得到迅速发展与应用,成为继Internet及Web之后的第三次互联网浪潮。它是一种先进的技术和基础设施,根本目标是突破地球空间信息资源在网络传输、共享过程中受到的种种限制,使人们能以更方便、更自由的方式综合地使用各种资源,解决实际问题。

“Grid”的概念是从电力网(PowerGrid)概念借鉴来的,人们企望能像使用电力一样方便地下载、使用分布在网络上丰富的信息、数据以及强大的计算能力。解决网络上有限的资源与无限的用户需求间的矛盾,需要使空间信息能充分集成和共享,Grid技术是目前最有效的。例如,以全球信息共享为主的美军方的全球信息网格GIG,以科学计算为主的欧盟数据网格DataGidd,UKNationaIGrid等。

从2000年起中国开始网络技术的研究,始于高性能计算领域。例如,清华大学的先进计算基础设施ACI(AdvancedComputationalInfrastructure),中科院计算所的国家高性能计算环境NHPCE。

2002年以后,“863”计划提出了中国国家网格项目CNGrid,教育部与IBM合作的中国教研网格项目ChinaGrid,它通过原有教研网将全国100所“211”重点大学联网。2002年12月上海信息网格ShanghaiGrid启动,是我国首个以城市综合信息服务为目标的城市网格。尽管网格的概念、技术及应用还不成熟,但建设、发展网格业已成为热点。

什么是网格?全球网格研究的领军人物、美国Argonne国家实验室资深科学家 Globus项目的领导人lanFoster给网格定义为:“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术,它和高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传输器、远程设备等融为一体,为科技人员和普通百姓提供更多的资源、功能和交互性。互联网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能,而网格功能则更多更强,让人们透明地使用计算、存储等其他资源。”广义上讲,网格也可称作巨大的全球网格GGG(GreatGlobalGrid),它不仅包括计算网格、数据网格、信息网格、知识网格、商业网格,还包括一些已有的计算模式,如对等计算P2P(PeertoPeer),寄生计算等。网格系统必须满足的条件是:在非集中控制的环境中协同使用资源;使用标准的、开放的和通用的协议和接口;提供非平凡的服务。无论行业领域还是今后的综合服务系统,地球空间信息网格是基础。

2、网格(Grid)GIS

美国科学院院士地理信息科学权威Goodchild认为,地理信息科学主要是研究在应用计算机技术对信息进行处理、存储、提取、以及管理和分析过程中所提出的一系列基本理论问题和技术问题,如数据的获取和继承、分布式计算、地理信息的认知和表达、空间分析、地理信息基础设施建设、地理数据的不确定性及其对地理信息系统操作的影响、地理信息系统的社会实践等等。地理信息系统是地理信息科学研究的一个重要手段。它是一个集采集、存储、管理、查询、分析和显示为一体的计算机综合信息系统。更确切地说,GIS是以数字化的形式反映人类社会赖以生存的地球空间的现势和变迁的各种空间数据以及描述这些空间数据特征的属性,以模型化的方法来模拟地球空间对象的行为,在计算机软、硬件的支持下,以特定的格式支持输入/输出、存储、显示以及进行地理空间信息查询、综合分析、辅助决策的有效工具。自从1963年世界上第一个用于土地资源管理的地理信息系统CAGIS在加拿大建成以来,随着计算机技术的高速发展,GIS也在不断发展,并在许多国家和地区的各个部门和领域得到迅速且广泛的应用。但是,以往GIS的发展,都是以应用为研究目的,技术成熟先进,但由于历史原因,缺少合适的理论指导,缺乏系统规范,其发展特点是[12]:以计算机技术为基础的多种高技术的综合、集成;研究市场化、应用社会化;系统软件和用户模式网络化、层次结构化;数据资源共享需求突出。GIS发展所面临时的突出问题是数据瓶颈,包括数据采集、数据更新、数据共享、数据分析等。当今信息领域正发生着广泛而深刻的技术变革,新概念和新技术不断完善和发展。地球信息科学的发展;数字地球概念的提出;GIS技术和数据库技术走向集成;信息高速公路和Internet网的发展。Internet网和信息高速公路的飞速发展与广泛应用,带来了分布式应用研究以及共享信息和知识需求的不断增长,必然带来网络GIS的发展。而现在第3代的网络技术一一网格技术的提出和发展对GIS的发展更带来了长远的影向。特别是1998年1月31日美国前副总统戈尔提出的“数字地球”战略,需要对大量的地理信息进行并行计算处理,此时WebGIS的不足显现出来了,因为它主要通过超链接形成超文本,包括实现并行计算功能,而这一点对数字地球、数字城市需要的快速计算、信息共享是致命的。网格计算的提出和发展使得GIS必将朝着以下方向发展:GIS网络化、GIS标准化、GIS全球化、GIS大众化。

GridGIS也必将成为“数字地球”的核心平台。可以认为网格GIS是GIS与网格技术的有机结合,是GIS在网格环境下的一种应用。而且GridGIS的网格环境必须能够在整个当前新近的硬件和软件技术上操作,最终目标是实现空间信息网格化。GIS通过网格技术使功能得到了延伸和拓展,真正成为一种大众使用的信息工具,从网格上的任意一个节点,可以访问网格上的各种分布式的、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,并能对复杂空间问题进行并行计算,以辅助和支持决策。

网格GIS是利用现有的网格技术、空间信息基础设施、空间信息网络协议规范,形成一个虚拟的空间信息管理与处理环境,将空间地理分布的、异构的各种设备与系统进行集成,为用户提供一体化的空间信息应用服务的智能化信息平台。

WebGlS是在万维网上共享空间信息资源的技术系统,它本质上是Web技术与GIS技术的有机结合。但是由于GIS特有的空间性增加了这种结合的难度。首先,目前的Web系统不具备识别和处理空间信息的能力,因为Web的实现技术主要是超链接,而G1S则不能通过简单的超链接实现、它需要通过地理空间位置和用户的需求做出实时响应;其次,Web具有统一的实现模式和严格的规范(HTTP/HTML),不存在互操作问题;再次,WebGIS的数据分布在Internet上是高度异构和不可靠的。因此,WebGlS目前还没有一套成熟的实现模式与技术,各厂商推出的产品也是各具特色,大都是针对某一传统GIS数据模型、面向开发人员的GIS功能组件,并不是一套完整的WebGIS解决方案。其功能也主要侧重于空间信息的共享,空间分析决策功能相对较弱,很多方面还不能满足需求。网格技术的发展,使计算环境和计算方式发生了深刻的变化。因此构建基于网格计算的地理信息系统能在很大程度上解决现有WebGIS的不足,我们认为对比WebGIS,GridGIS具有以下特点:

(1)GridGIS是基于网格计算,WebGIS则是基于广域网的;

(2)GridGIS形成新的PervAsive/Grid体系结构。客户端是各种各样的上网设备,而连在网上的各种服务器将组成单一的逻辑上的网格。WebGIS的平台是分布式的,体系结构是传统的Client/Server或Client/Cluster形式,WebGIS的服务器和用户,可以使用广域网上任意一台处于服务状态的服务器的GIS服务;

(3)GridGIS的各用户浏览器不被网格的硬件和软件基础结构的细节所打扰。一个用户能真正实现以无缝联接的形式提交他们的应用给合适的资源,以便于不同的平台、网络协议和管理界线等物理的不连续性变得完全透明。关键是,GridGIS中间件把一个极度异构的环境变成一个虚拟的同构环境。而WebGIS则由于传统GIS的产品多样化和数据多元化而面临着异构数据互操作的难题;

(4)GridGIS需要存储和管理更大数量的空间信息,并有能力在大量用户同时通过网格对其进行访问时能快速响应。而WebGIS在这方面的能力目前还明显不足;

(5)GridGIS具有更强的地理空间信息共享、地理信息发布、空间分析、模型分析的功能。特别是对涉及到大量空间分析计算的问题,GridGIS具有并行计算的能力,通过对空间信息网格化和超媒体技术的集成,网格GIS提供给用户的信患不仅仅是矢量化的空间信息,还有动态视频、遥感影像、文字说明等多种信息;

(6)GridGlS的应用将GIS的应用扩展至整个社会的方方面面甚至人们日常生活的点点滴滴,使GIS的应用大众化了。同时,GridG1S容易和网上其他信息服务融为一体,通过各种信息导航工具,就可在丰富的网络资源直到所需的地理信息,并使用各种GIS功能,如制图、空间查询、空间分忻等进行信息的二次加工。

3、网格GIS的体系结构

根据Cherty于2002年提出的网格计算体系结构模型,对应于GIS的特点。初步给出GridGIS建设框架(见图1)。在网格推栈的底端,用一个具有当地规则的当地资源管理器来管理分布式资源,并通过局域网或广域网连接。因此,底层作为网格结构。

网格GIS基础设施包含网上可访问的所有地理信息资源,例如它们可能是计算机(比如PC机,运行诸如Unix或者NT操作系统的工作站)、运行集群操作系统的机群(运行机群操作系统或者诸如LSF,Condor,或者PBS的资源管理系统)、机群存储设备、数据库,也可能是特殊的科学仪器。由所有的地理上分布的和从Internet任何地方接入的资源组成。网格GIS基础设施仅仅实现了计算资源在物理上的连通,但从逻辑上看,这些地理信息仍然是孤立的,信息共享问题仍然没有解决。因此必须在网格GIS基础设施上通过网格GIS中间件层来完成广域空间信息的有效共享。网格GIS中间件(GridGISMiddleware)是指一系列工具和协议软件,其功能是屏蔽网格GIS基础设施中空间信息的分布、异构特性,向数据网格应用层提供透明、一致的使用接口、网格GIS中间件提供核心服务,如远程进程管理服务、资源分配服务、存储访问服务。信息(登录)服务、安全控制服务、认证和质量服务,比如,资源预订交易.网格GIS用户层次中间件(GridGISUser-levelmiddleware)包含资源经纪人或用于聚集资源的调度程序责任。

 

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最后编辑于:2018/12/11作者: 测量测绘

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