空间信息网格框架及关键技术
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发布时间：2022-04-25 01:43
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时间：2022-05-26 09:43
1.2.4.1空间信息网格框架
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*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*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*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*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*术。地理空间信息网格的接*术相对于一般的计算机接*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。
