论文部分内容阅读
地理空间科学是跨越多个专业领域的交叉学科，在其研究过程，常常需要处理海量的、类型多种多样的、来源繁杂、在地理位置上分布的空间地理信息。空间地理信息数据量大，数据结构、存储格式各不相同，且往往具有多源和存储位置分布的特点。目前大多数存档空间地理数据是原始数据或者经过初步预处理的标准数据，但满足地球空间信息的用户地理数据往往是包含空间地理信息、经过处理的高层地理数据，原始的地理数据不能满足用户需求。
目前，基于Web服务的地理数据共享能够一定程度满足用户访问高层地理数据的需求，但全球地理数据网络化共享级数增长的情况下，基于Web服务的地理数据共享已经逐渐不能负担迅速增长的用户群。因此，需要一种更高效的方法对海量的分布式空间地理数据进行管理，以减少科学研究过程中对空间地理数据搜寻和获取、集成与预处理的工作量，同时也使为更广范闱内的普通用户提供地理数据的浏览与查询服务成为可能。网格是近年逐渐发展起来分布式计算技术。由于其分布式的特性，基于网格能够实现异构、多源、分布式的数据共享，以网格服务的形式向用户提供数据访问、获取和处理。将网格技术应用于空间信息领域，即空间信息网格(SIG)。
李德仁院士认为“要解决空间信息的共享问题，必须从根本上研究适合于空间信息共享的基础理论和方法，从空间信息的表示、数据的组织和管理、共享和服务模式上提出有别于目前空间信息系统的一套体系框架。网格技术与空间信息技术结合，有望解决共享和服务模式方面的问题，而适应空间信息网格的数据表示、组织方法则是需要研究的重点内容之一”。由于网格环境天然的异构和分布式特性，以及其全球范围互联的特点，空间信息网格成为地理空间数据集成与共享的更优平台选择。网格环境的超级计算能力更是符合空间信息领域海量数据存储和处理的需求。因此，空间信息网格为实现多源、异构、分布式的海量地理数据共享提供了新的解决方向。目前，有关SIG的研究处于初步发展阶段，还没有形成统一的概念体系和技术框架。
国际上与SIG相关的网格项目主要有欧洲的European DataGrid，美国的Earth SystemGrid、美国国家地震仿真网格NEES Grid等。这些项目的研究目标涉及空间信息网格体系结构、信息组织标准、空间数据共享模式、空间数据存储与发现、服务规范、空间信息网格中间件、智能处理、安全机制等各个方面的内容。国际OpenGIS标准化组织OGC(Open GIS Consortium)是一个GIS业界公认的制定GIS规范的权威组织，该组织研究和发布了一系列地理数据互操作规范，为基于空间信息网格的地理数据共享提供了重要的协议支持。
空间信息网格的相关研究项目是我国“十五”863计划的重要内容之一。863计划中与SIG相关的主要课题有“SIG框架体系和关键支撑技术”（中科院中国遥感卫星地面站主持），“面向网络空间信息组织分析与分布式计算技术”（中科院资源与环境信息系统国家重点实验室主持），“空间信息多级网格”（武汉大学测绘遥感国家重点实验室主持）、“基于SIG框架的城市空间信息应用服务系统”（上海城市发展信息研究中心主持）等。在SIG的体系结构及其应用环境基础环境，构建空间信息集成与共享的基础设施，空间信息标准和协议，空间计算和虚拟地理环境，空间信息的共享与服务等多个领域开展了相关研究，也取得了一些研究进展。
空间信息网格计算节点的搭建、空间信息语义互操作、空间信息元数据管理和空间信息网格安全机制是目前空间信息网格研究的重点内容，也是实现基于空间信息网格的地理数据共享要解决的关键问题[2]。空间信息网格节点的搭建是要构建一个基于网格技术的空间信息网格基础设施，涉及分布式计算、分布式存储管理、网络通信、P2P、Web Service技术、OpenGIS规范、中间件、智能软件Agent等多项技术。空间信息语义互操作是要解决广泛存在的不同领域中的地理数据的信息语义冲突的问题，把属于不同专业领域的已有的GIS集成为一个有机的逻辑一体化的空间信息应用服务平台，涉及空间信息语义定义、本体系统、空间信息网络协议规范等技术。元数据管理是为了实现对空间信息网格中大量资源的良好表示、存储、访问和使用而对资源信息进行统一收集、组织和管理的机制。空间信息网格中的所有资源都以元数据条目的形式由元数据目录服务实现统一管理，为用户提供高效的数据搜索和访问服务。元数据管理涉及了元数据信息模型的建立、数据定位，元数据目录服务、数据访问控制、数据复制、OGC服务规范、身份认证等多种技术。空间信息网格安全机制是要实现信息安全和数据准确两个方面的目标，通过网络通信、存储、服务协议等技术，实现用户身份认证、操作合法性验证、数据精度和完整性保证、用户信息和数据加密等功能。
“基于SIG的三峡库区地质灾害防治空间信息管理平台研究”项目属于三峡库区地质灾害防治指挥部的重点项目，该项目的目标是依托三峡库区，面向地质灾害防治领域空间信息的使用模式和应用特点，研究SIG理论体系、技术框架和关键技术，管理、融合、处理海量分布的各种空间信息，建立协同的空间信息应用环境，构建基于SIG地质灾害防治空间信息管理及服务系统。
本论文是以“基于SIG的三峡库区地质灾害防治空间信息管理平台”项目为依托，以空间信息网格为基础平台，研究基于SIG架构的地理数据共享的规范、技术和实现方法。
具体研究内容包括：
1.国内外关于地理数据共享的现状与趋势的研究，并讨论网格和空间信息网格的产生、发展和在地理数据共享方面的作用。结合三峡SIG的空间数据特征论述了网格运行环境需要解决的问题；
2.对空间信息网格的基本概念、发展方向、应用领域及其体系结构模型等进行研究和讨论；研究比较空间信息网与传统GIS和WebGIS的区别，对空间信息网格的三种体系结构进行了详细研究，研究比较了三种结构的区别及它们各自的优缺点；并以此为基础，结合三峡SIG的项目目标，提出一个基于复杂空间数据源的空间信息网格体系结构模型；
3.对空间信息网格支撑技术进行了研究。如Web Service技术、XML技术、中间件技术、P2P技术、智能Agent技术、GML技术。Globus中间件为网格应用提供了中间件服务和基础程序库，解决了安全、信息发现、资源管理、数据管理、通信、错误检测以及可移植等问题，是目前应用最为广泛的开源网格中间件。基于SIG的三峡网格以Globus中间件为基础构建网格信息平台，实现地质灾害防治空间信息网络服务的资源管理，实现空间信息网格地质灾害数据的管理、地质灾害数据的传输、远程地质灾害文件的访问、地质灾害数据文件的副本管理和实现地质灾害防治空间信息网格服务的用户界面。
4.对地理数据共享相关规范体系的研究。以OpenGIS规范研究为主，特别是对WMS、WCS、WFS规范的研究；基于WMS、WFS和WCS规范可以为用户提供可视化的数据地图查询和分析服务。
5.对空间信息网格协议体系的研究。在网格协议体系的基础上扩展出空间信息网格的协议体系；研究空间信息网格的组件框架和信息服务的工作模式；
6.重点讨论和研究基于SIG的空间信息服务机制，研究了网格信息发布的基础-元数据信息模型及元数据管理机制，研究了用以描述和发布地理空间信息的目录服务规范OGCCSW和ebRIM信息模型，并对已有的空间信息元数据目录机制如THREDDS服务，GCMD服务，ECHO服务等的研究和讨论，分析各个服务规范的优势与缺点，在基于SIG的地质灾害防治空间数据管理模型基础上，基于OGC CSW通用规范提出扩展的空间信息目录服务模型，建立空间元数据目录服务。
7.对网格中间件系统OGSA-DAI进行详细的研究，讨论和研究OGSA-DAI的体系结构以及数据访问和处理机制，并对OGSA-DAI的引擎模式和工作流模型进行了研究，在OGSA-DAI服务访问模型的基础上，将对空间数据的访问服务扩展到OGSA-DAI模型中，提出基于空间信息网格的空间数据访问和互操作的方法，实现地质灾害防治空间信息网格服务，达到地质灾害空间数据访问和集成的目标。
论文主要对空间信息网格的体系结构、元数据信息模型、目录服务规范与实现和数据访问与互操作进行了研究，但在研究的深度和广度上还可以进一步提升。例如对网格环境中空间数据访问与互操作效率影响因素和效率测试及提高方法的研究，对以更多种类文件形式存储的空间数据的访问和互操作的研究以及对空间信息网格平台的安全策略机制的研究等等。网格技术的发展方兴未艾，以网格技术为基石，云计算、物联网等新的分布式计算方法和数据共享概念正逐步兴起，空间信息网格作为实现全球信息全面共享的重要技术，也将随之不断发展和进步。