基于計算網(wǎng)格的三維地理信息模擬仿真系統(tǒng)

李學相 張文寧

摘要：該文將計算網(wǎng)格的概念及技術(shù)引入地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)管理與信息服務(wù)中，通過構(gòu)建一個廣域網(wǎng)條件下的計算網(wǎng)格環(huán)境和地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格環(huán)境，實現(xiàn)兩者的有機結(jié)合，支持海量地理空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和高效調(diào)度，滿足大規(guī)模用戶并發(fā)訪問地理空間數(shù)據(jù)及服務(wù)。

關(guān)鍵詞：計算網(wǎng)格；地理信息服務(wù)；模擬仿真

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)01-0183-03

Based on Grid Computing Three-dimensional Geographic Information Simulation System

LI Xu-xiang1, ZHANG Wen-ning2

(1.Software Technology School,ZhengZhou University,Zhengzhou 450002, China;2.Software College, Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450003, China)

Abstract：By introducing the grid computing idea and its related technologies into the spatial data management and information service in the WAN, this paper describes the three dimensional geographic information service platform, which combines the computational grid environment with the geospatial data gird environment. The platform presented supports the unified management and efficient dispatch of the massive and heterogeneous geospatial data, satisfying the large-scale concurrent accesses to the geospatial data and services.

Key words：grid computing;geographic information service;analog simulation

在“數(shù)字地球”的概念中，以寬帶信息網(wǎng)絡(luò)為主體的信息高速公路（NII）構(gòu)成了數(shù)字地球的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而各種信息服務(wù)就是這個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上的神經(jīng)元。地理信息服務(wù)則是一種最基礎(chǔ)的信息服務(wù)【1】。

地理信息服務(wù)的重要性在于它本身是一種重要的國家信息基礎(chǔ)設(shè)施，在其基礎(chǔ)上，可以整合現(xiàn)實生活中各種信息資源【2】，建設(shè)數(shù)字城市服務(wù)于城市規(guī)劃、建設(shè)和管理【1】，建設(shè)電子政務(wù)系統(tǒng)服務(wù)于政府、企業(yè)、公眾，建設(shè)地理信息平臺服務(wù)于各種空間資源的管理、應(yīng)用以及經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展等方面【3】。

1系統(tǒng)設(shè)計策略

以全球空間環(huán)境為目標，通過計算網(wǎng)格將高度分散的各種異構(gòu)地理信息資源整合起來，形成一個地理信息服務(wù)網(wǎng)格，以統(tǒng)一的界面透明地提供給用戶，實現(xiàn)地理信息資源的全面共享，將空間分布和動態(tài)連接的各類地空信息資源向分布的用戶群提供一體化的智能信息服務(wù)。

系統(tǒng)的設(shè)計充分的考慮了已有的、豐富的地理信息資源，可以為政府、企業(yè)、公眾提供各種地理信息服務(wù)，滿足不同用戶的信息需求，實現(xiàn)地理信息資源的全面共享。

全球三維地理信息服務(wù)平臺，技術(shù)集成度高,在充分理解和消化相關(guān)理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過了解和分析需求，利用現(xiàn)有的技術(shù)成果，提出最佳的解決方案，并以最優(yōu)方式集成。

該系統(tǒng)的研制采取頂層設(shè)計、技術(shù)集成、多方協(xié)作的途徑。

1）重視頂層設(shè)計、強化標準意識。運用網(wǎng)格技術(shù)構(gòu)建地理空間信息網(wǎng)格，是新技術(shù)發(fā)展與地理信息服務(wù)新需求相適應(yīng)的結(jié)果，不僅涉及一系列新技術(shù)領(lǐng)域，還涉及在信息高速發(fā)展的形勢下各領(lǐng)域?qū)Φ乩硇畔⒎?wù)的新需求。因此，本系統(tǒng)在深入了解和分析地理空間信息服務(wù)的需求，做好包括地理空間網(wǎng)格體系框架和技術(shù)框架在內(nèi)的頂層設(shè)計和標準研究，以便涵蓋地理空間信息服務(wù)的各個方面，正確引導隨后的理論與技術(shù)的研究。

2）重點技術(shù)突破、體現(xiàn)技術(shù)集成。在突破關(guān)鍵技術(shù)的同時，技術(shù)集成是該系統(tǒng)研究的一個難點。地理空間信息網(wǎng)格涉及到網(wǎng)格技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)、數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、協(xié)同計算技術(shù)、數(shù)字地圖技術(shù)、航空航天遙感圖像處理技術(shù)等領(lǐng)域，還與認知科學、地理學、地圖學等學科領(lǐng)域密切相關(guān)。因此，本系統(tǒng)研究多在技術(shù)集成上下功夫，以達到最優(yōu)的集成效果。

2系統(tǒng)的主要功能

1）大規(guī)模計算機集群的協(xié)同：構(gòu)建計算網(wǎng)格環(huán)境，通過大規(guī)模計算機集群的協(xié)同，克服或緩解網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動態(tài)性和不可預(yù)知性（例如：網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)斷開、節(jié)點退出等）對服務(wù)性能造成的影響，提高協(xié)同的訪問效率，減少文件傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲。

2）海量空間信息的分布式存儲：在計算網(wǎng)格中，存儲PB級地理空間數(shù)據(jù)，集成網(wǎng)絡(luò)上分布的多個數(shù)據(jù)資源，形成單一虛擬的數(shù)據(jù)訪問、管理和處理環(huán)境，為用戶提供實時服務(wù)。

3）空間信息數(shù)據(jù)的高速傳輸：相應(yīng)用戶服務(wù)需求，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，使得存儲在計算網(wǎng)格之中的數(shù)據(jù)可以高速的移動、更新，以供用戶在盡可能短的時間內(nèi)取得數(shù)據(jù)。

4）地理空間數(shù)據(jù)的快速調(diào)度：在三維視景渲染中，快速更新顯示數(shù)據(jù)頁中的數(shù)據(jù)，提高渲染速度，緩解視景的“延遲”現(xiàn)象。

5)傳統(tǒng)的地理空間數(shù)據(jù)向地理空間信息網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換：適應(yīng)空間數(shù)據(jù)的分布式存儲，將傳統(tǒng)的按地圖投影、比例尺和分幅編號存儲的現(xiàn)有4D數(shù)據(jù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為地理空間信息網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，便于分布式存儲、大規(guī)模用戶協(xié)同訪問，快速調(diào)度顯示。

6）地理空間信息服務(wù)：將地理信息應(yīng)用功能以服務(wù)方式提供，提供地理信息服務(wù)基本業(yè)務(wù)（如地形地貌的瀏覽，專題要素的查詢），并結(jié)合政府、企業(yè)及公眾的特殊要求，提供相應(yīng)的特殊服務(wù)（如尋址分析，交通分析，警用分析等）。

3系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，共分為硬件資源層、網(wǎng)格環(huán)境層、服務(wù)應(yīng)用層和用戶層。

對用戶而言，只需要提出地理信息服務(wù)請求，不必了解他所需要的信息和服務(wù)來自哪個地方的哪一臺服務(wù)器，而取決于其信息服務(wù)機制。網(wǎng)格服務(wù)環(huán)境能夠把互聯(lián)網(wǎng)上高度分散的各種異構(gòu)地理信息資源整合起來，形成一個邏輯整體，以一種統(tǒng)一的界面和方式透明地提供給用戶，地理信息網(wǎng)格的目標就是實現(xiàn)地理信息資源的全面共享，將空間分布和動態(tài)連接的各類地空信息資源向分布的用戶群提供一體化的智能信息服務(wù)。

系統(tǒng)模塊的劃分：

1)地理空間信息數(shù)據(jù)網(wǎng)格管理模塊

利用網(wǎng)格來管理各種空間信息數(shù)據(jù)?；诘匦淖鴺讼岛徒y(tǒng)一高程基準面的地理坐標參考系的信息粒度從空間地域上劃分要包括覆蓋全國城市的大比例尺高程數(shù)據(jù)、高分辨率影像和全國地區(qū)的矢量數(shù)據(jù)。空間信息數(shù)據(jù)管理模塊將空間信息數(shù)據(jù)有機的管理，便于快速的調(diào)度。

2)計算網(wǎng)格支持模塊

可以支持大用戶量的并發(fā)訪問，設(shè)計了合理高效的文件Cache機制，通過負載平衡以及并行計算減小了網(wǎng)絡(luò)延遲，為客戶端提供了高性能的協(xié)同服務(wù)。

3）地理專題信息服務(wù)模塊

研究專題信息資源的分類、數(shù)據(jù)標準及數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)。提供基于城市地理信息的服務(wù)，如市政規(guī)劃、城市建設(shè)、城市管理、交通導航、生態(tài)環(huán)境、城市災(zāi)害等。專題信息服務(wù)子系統(tǒng)還可以深度融合各種信息，在其上進行各種分析，如經(jīng)緯度查詢、距離量算、面積量算、緩沖區(qū)分析等。

4系統(tǒng)的主要技術(shù)構(gòu)成

該系統(tǒng)的主要技術(shù)包括計算網(wǎng)格的構(gòu)建、數(shù)據(jù)網(wǎng)格的構(gòu)建、服務(wù)網(wǎng)格的構(gòu)建三大部分。

4.1地理信息計算網(wǎng)格的構(gòu)建

地理信息計算網(wǎng)格的構(gòu)建是指構(gòu)建一個廣域網(wǎng)條件下的計算網(wǎng)格環(huán)境。它可將地理上廣泛分布、系統(tǒng)平臺各異的計算資源和格式不同，編碼不同多種地理信息資源，用高速網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成虛擬的超級計算網(wǎng)格平臺，可以滿足大規(guī)模的用戶對海量空間信息服務(wù)的需求。

地理信息網(wǎng)格環(huán)境的構(gòu)建主要在網(wǎng)格計算技術(shù)支持下，以空間信息網(wǎng)格（UG）體系為指導，探索以空間信息網(wǎng)格為基礎(chǔ)的新一代網(wǎng)格地理信息系統(tǒng)（Grid－GIS）的結(jié)構(gòu)與組織體系，開展聯(lián)邦空間數(shù)據(jù)庫、空間計算環(huán)境前沿技術(shù)研究。

1）廣域范圍內(nèi)支撐大規(guī)模用戶并發(fā)訪問的網(wǎng)格存儲結(jié)構(gòu)技術(shù)

網(wǎng)格存儲結(jié)構(gòu)具有良好的可擴展性，將所有參與進來的用戶既視為服務(wù)對象，又視為空間數(shù)據(jù)信息提供者，為用戶提供實時服務(wù)；它能夠?qū)⒎植加谌珖鞯氐目臻g數(shù)據(jù)虛擬成一個海量數(shù)據(jù)庫，能夠在動態(tài)的分布式環(huán)境中實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)增量更新并維護數(shù)據(jù)的一致性，能夠自適應(yīng)地根據(jù)用戶的訪問量來調(diào)整服務(wù)器內(nèi)部以及服務(wù)器之間的負載均衡。同時要實現(xiàn)網(wǎng)格系統(tǒng)本身高效的資源管理、數(shù)據(jù)管理、信息管理和安全管理。

2）廣域網(wǎng)環(huán)境下計算機集群協(xié)同技術(shù)

網(wǎng)格技術(shù)在解決分布式計算機協(xié)同和共享上有很大的優(yōu)勢，是理想的高性能協(xié)同服務(wù)解決方案。不考慮硬件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的因素，系統(tǒng)應(yīng)該盡可能地克服或緩解網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的動態(tài)性和不可預(yù)知性（例如：網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)斷開、節(jié)點退出等）對服務(wù)性能造成的影響。另外，為了提高協(xié)同的訪問效率，減少文件傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)延遲，系統(tǒng)必須設(shè)計合理高效的文件Cache機制、負載平衡算法以及并行傳輸機制以減小網(wǎng)絡(luò)延遲，讓用戶沒有遠程感覺，為用戶提供高性能的協(xié)同服務(wù)。

4.2地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格的構(gòu)建

針對計算網(wǎng)格的特殊性，建立了與之相適應(yīng)的地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)格體系。傳統(tǒng)上地理空間信息是以地圖投影作為數(shù)學基礎(chǔ)，以比例尺和經(jīng)緯度來組織，以圖幅為單位來劃分的。這種數(shù)據(jù)組織方式已不適應(yīng)網(wǎng)格環(huán)境下地理空間信息的應(yīng)用需要。因此，需要突破傳統(tǒng)平面投影、比例尺等的限制，研究基于地心坐標系和地球橢球面的地理空間信息的多級網(wǎng)格的構(gòu)建技術(shù)和方案，使得地理空間數(shù)據(jù)能夠更好地滿足網(wǎng)格環(huán)境下的信息保障要求。

將傳統(tǒng)的地理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理空間信息網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，將按地圖投影、比例尺和分幅編號存儲的現(xiàn)有4D數(shù)據(jù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換到基于地理空間信息網(wǎng)格的可變比例尺的多源地理空間數(shù)據(jù)。

1）地理信息服務(wù)基礎(chǔ)地理框架構(gòu)建

基于地心和統(tǒng)一高程基準面的地理坐標參考系；地理信息服務(wù)矢量基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)多比例尺度應(yīng)用要求及多比例尺表達的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)；多空間分辨率遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用要求及應(yīng)用技術(shù)體系結(jié)構(gòu)。

2）地理空間信息多級網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建

地理空間信息多級網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是本項研究的基礎(chǔ)。通過研究基于地心坐標系和地球橢球面的地理空間信息網(wǎng)格化方法，以及不同時間、不同尺度、不同空間基準的多源地理空間信息的集成與融合技術(shù)，形成地理空間信息多級網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法。

地理空間信息多級網(wǎng)格屬于地學網(wǎng)格的概念，是對地理空間進行多層次劃分的方法。網(wǎng)格劃分的方法很多，目前沒有統(tǒng)一的標準。無論采用哪種方法，多級網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)一經(jīng)確定，地球上任意點的地理位置的空間數(shù)據(jù)可由（網(wǎng)格編碼、屬性）來表示，實現(xiàn)全球空間信息的統(tǒng)一存儲與管理。這種表示方法克服了傳統(tǒng)不同坐標系、不同投影等各種異構(gòu)數(shù)據(jù)源帶來的一系列不一致表示問題，為從根本上解決了網(wǎng)格計算環(huán)境中地空數(shù)據(jù)共享的集成問題奠定了基礎(chǔ)。

該系統(tǒng)采用的網(wǎng)格劃分方法的核心思想是：按不同網(wǎng)格大小將全國范圍劃分為不同粗細層次的網(wǎng)格，不同層次的網(wǎng)格，在范圍上具有上下層涵蓋關(guān)系。每個網(wǎng)格以其中心點的坐標（網(wǎng)格中心點）來確定其地理位置，同時記錄與此網(wǎng)格密切相關(guān)的基本數(shù)據(jù)項（如經(jīng)緯度，全球地心坐標，各類投影參數(shù)下的坐標）。網(wǎng)格劃分層次是根據(jù)實際地物的密集程度和應(yīng)用的精度需要所確定，需要建立多分辨率金字塔模型，實現(xiàn)不同網(wǎng)格層次數(shù)據(jù)之間的無縫瀏覽。

3）傳統(tǒng)地理空間數(shù)據(jù)到地理空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

地理空間信息網(wǎng)格數(shù)據(jù)庫是在地理空間信息多級網(wǎng)格體系、地理空間信息網(wǎng)格的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)檢索方法的基礎(chǔ)上建立起來的，通過集成和融合不同時間、不同尺度、不同空間基準的多源地理空間信息，構(gòu)建網(wǎng)格環(huán)境下的地理空間信息數(shù)據(jù)庫。只有將傳統(tǒng)的地理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理空間信息網(wǎng)格的數(shù)據(jù)，地理空間信息網(wǎng)格的數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)才能發(fā)揮效用。因此，將按地圖投影、比例尺和分幅編號存儲的現(xiàn)有4D數(shù)據(jù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)換到基于地理空間信息網(wǎng)格的可變比例尺的多源地理空間數(shù)據(jù)的理論、技術(shù)與方法非常重要。

4.3地理空間信息服務(wù)網(wǎng)格的構(gòu)建

在地理空間數(shù)據(jù)存儲與訪問服務(wù)中，涉及任務(wù)管理與分發(fā)、消息獲取與解析、本地控制管理系統(tǒng)、遠程管理與調(diào)度等服務(wù)。為了驗證地理空間信息網(wǎng)格的原理和技術(shù)可行性，需要建立相應(yīng)的實驗系統(tǒng)。通過封裝地理信息服務(wù)的核心應(yīng)用，在Internet發(fā)布為Web服務(wù)，可以實現(xiàn)不同企業(yè)間地理信息資源和計算資源的共享和交互。另一方面，這些發(fā)布的地理信息Web服務(wù)種類繁多、分布廣泛、描述各異，如果缺乏一種統(tǒng)一的描述、注冊和集成機制，同樣無法完成Web服務(wù)的定位和應(yīng)用，因此建立起一套方便高效的服務(wù)資源的發(fā)布管理機制。能夠?qū)⒋罅康腤eb服務(wù)資源進行有效的發(fā)布管理。

在分析公眾地理信息服務(wù)基本業(yè)務(wù)流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合政府、企業(yè)在各級機構(gòu)的應(yīng)用模式，提出地理信息服務(wù)網(wǎng)格應(yīng)用的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，協(xié)議標準及接口技術(shù)。研究在網(wǎng)格計算技術(shù)支持下，以空間信息網(wǎng)格（UG）體系為指導，探索以空間信息網(wǎng)格為基礎(chǔ)的新一代網(wǎng)格地理信息系統(tǒng)（Grid－GIS）的結(jié)構(gòu)與組織體系，開展聯(lián)邦空間數(shù)據(jù)庫、空間計算環(huán)境和虛擬地理環(huán)境前沿技術(shù)研究，開發(fā)適用于網(wǎng)格計算體系的地理信息服務(wù)平臺。

5結(jié)束語

本系統(tǒng)可服務(wù)于城市規(guī)劃、城市建設(shè)和管理，服務(wù)于政府、企業(yè)、公眾，服務(wù)于人口、資源環(huán)境，是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的信息基礎(chǔ)設(shè)施和信息系統(tǒng)。系統(tǒng)也可用于市政規(guī)劃、城市建設(shè)、城市管理、變通導航、生態(tài)環(huán)境、城市災(zāi)害、城市綜臺管網(wǎng)、電力、交通、通信數(shù)字化生存等方方面面，為社會公眾提供開放性的咨詢服務(wù)，改善和提高人們的生活質(zhì)量與效率。

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