面向数字校园的网格LBS 体系构架研究

任维政， 邓中亮， 徐连明

（北京邮电大学电子工程学院，北京 100876）

计算网格是网格的系统层，它为应用层（信息网格、知识网格等）提供系统基础设施。信息网格研制一体化的智能信息处理平台，消除信息孤岛，使得用户能方便地发布、处理和获取信息。知识网格研制一体化的智能知识处理平台，消除知识孤岛，使得用户能方便地发布、处理和获取知识。不难发现，现有的空间信息技术确实难以适应目前的发展，网格计算对GIS的挑战是显而易见的[1]。

在市场和技术双重驱动之下，LBS（location based service）即基于位置的服务迅速发展起来。LBS 是定位技术、移动通讯技术、GIS 技术和互联网技术相结合的产物，其有广义和狭义之分。狭义地说，LBS 业务是通过无线通信网络获取无线用户的位置信息，在地理信息系统平台的支持下提供相应服务的一种无线增值业务。广义地说，只要是基于位置的信息服务均属于位置服务[2]。LBS 的巨大魅力在于通过固定或移动网络发送GIS 功能和基于位置的信息，从而在任何时间应用到任何人、任何位置和任何设备上[3]。

校园作为以学生和教师为主的群体学习、工作和生活的场所，有很多潜在的与位置信息相关的服务项目，同时又是数字化、信息化比较发达的区域。因此，在“数字校园”基础上开展的LBS 服务，既有很强的技术优势，又具有代表性和可扩展性，是LBS 服务的一个很好的试验田。本文从网格与GIS 融合的角度，在对网格GIS 的整体结构与功能进行研究的基础上，针对数字校园LBS 的自身特点提出了基于网格GIS 的数字校园LBS 体系结构模型，并成功地应用于北京大学和北京邮电大学的“数字校园”演示平台中。

1 网格GIS 数据组织与访问机制

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。

网格GIS 软件体系平台是汇集和共享空间信息资源一体化组织与处理，具有按需服务能力的空间信息基础设施。平台的目标是提供一体化的空间信息获取、处理与应用服务的基本解决方案，以及智能化的空间信息处理平台和基本应用环境。网格GIS 软件平台的研究为协调基础地理空间数据的收集、管理、分发和共享的基础设施提供技术支撑，保证空间信息基础设施所涵盖的各系统之间能有效地实现数据集成和功能集成，提升空间信息资源的整体应用水平[4]。

网格GIS 软件体系平台通过由下而上的层次使得分布的计算和数据资源在网格环境下可以充分地访问和集成，并将面向地理信息的Web服务向网格服务提升，整合各方面资源，形成数据、计算共享的研究环境[5]。同时根据异构系统间信息共享和服务的需要, 通过各种协议及标准将空间信息系统在分布式环境下互连，在网格GIS 体系框架下将空间信息资源、地理信息服务及空间数据服务进行汇集、共享和协同处理。

针对空间信息处理技术的发展，网格GIS 软件平台体系结构的设计，将集中在现有的空间信息资源的有效组织与管理，以及对空间信息资源的快速处理方面[6]。其中，网格GIS 系统框架下的空间数据服务以及数据资源的访问与集成在网格GIS 体系中占据重要位置，图1 所示是空间数据访问与集成及数据服务模块在网格GIS 体系框架结构中的组织结构。

图 1 空间信息网格的数据组织与访问机制

由图1 可以看出，地理空间数据访问与集成以及数据服务与网格GIS 体系结构的组织方式相互对应，层与层之间有着严格的关联依赖关系。海量地理空间数据资源是整个体系结构的基础，作为空间信息处理与共享的基础，涉及已有空间数据及数据存储系统，基础空间数据通过数据采集设备可进行数据的在线实时更新。网格空间数据访问与集成中间件为系统服务层提供数据提取的环境，将分布式数据集成后提交给服务层对外提供访问接口。网格系统服务层借助Globus Toolkit 或Vega GOS 等网格环境支持对数据服务的访问进行控制与授权管理、全局用户管理、统一资源管理，并且提供元信息服务、文件管理服务、数据库服务、日志和审计服务等基本面向网格的系统服务。领域支撑层为空间数据提供GIS 通用分析与操作的接口中间件，包括空间查询、统计分析、专题制图等通用操作，并将现有空间专题信息处理功能进行网格化提升，提高软件复用程度。位于组织结构顶层的应用层为用户提供网格GIS 前端，作为应用层模块，UStudio系统原型可以完成通用制图及发布功能并且可以加载网格环境下的Web 地图服务，集成与处理分布式的地理数据资源。

针对地理空间数据库的访问和集成方式，整个体系嵌入符合开放网格服务架构OGSA 标准的数据访问和集成中间件DAI 存取来自网格节点上各个分散数据源中的数据。数据访问与集成中间件可以将异构数据源提供的空间数据在网格数据服务注册表上登记，调用网格数据服务工厂GDSF（Grid Data Service Factory）来创建数据服务GDS（Grid Data Service），并以Web 服务的方式为数据访问提供统一的调用接口，利用SOAP 消息实现客户机和服务器之间的通信。针对不同数据源的集成与分布式查询等操作中，DAI 的内部机制还屏蔽了如数据库驱动、数据格式以及客户端传输机制等技术细节，以透明访问的方式提供用户功能调用接口[7]。

2 数字校园LBS 体系结构

网格计算是在分布式并行计算和网络高性能计算的基础上发展起来的，并解决了分布式并行计算中价格昂贵、基于特定网络、普及困难的问题而成为当前国际研究的热点[8]。网格GIS是在网格计算环境中的GIS应用，它以网格计算为基础，充分结合其网络数据处理方面的优势，形成了一套具有网络数据处理优势的数据管理模式。

网格GIS数字校园LBS体系结构框架如图2所示，以服务作为整合、管理、访问LBS中的信息资源的基本元素，自下而上，包括4个层次，即定位层、数据层、服务层和应用层。系统构建在网格计算的环境基础上，物理结构由网格结点及各种中间件组成，它们通过相应的通信网络彼此连接。系统的主要功能由网格结点及其不同功能的中间件完成。

图 2 网格GIS数字校园LBS体系架构框图

为了实现校园内无盲区的基于位置信息的服务，定位层采用将GPS 定位与ZigBee 定位相结合的混合定位技术。GPS 定位用于室外开阔区域的定位，ZigBee 定位用于室内及GPS 无法覆盖区域的定位。

数据层通过合理的数据结构，提高数据的查询和调用速度，并且对一些数据备份以供统计研究。传感器节点信息数据是对传感器网络采集数据的实时记录，同时针对节点的物理位置、剩余能量、唤醒频率等参数进行统计，不但可以辅助监控决策子系统的运算，而且利用所储存的统计数据可以进一步完善数学模型。模型数据包括室内外地理信息模型、重要地点和事件导航模型和重要事件信息发布模型。

服务层由多个服务器组成，这些服务器可以是分开的硬件设施，也可以放在集中的一个或几个服务器上。其中，I/O 网关服务器负责终端服务请求的分发和接口的返回；网络管理服务器负责网络及安全方面的事务；认证服务器用于用户身份认证管理；计费服务器进行计费管理；数据库服务器存储导航数据、栅格数据、元数据、外部数据以及被监控终端的位置数据；定位服务器得到终端的位置信息；导航服务器用于进行导航及相关的计算；WebGIS 服务器提供基于Internet的GIS 服务。

应用服务层包括移动服务终端和固定服务终端两种类型，主要功能是为用户提供基于位置的各种操作和服务的信息交流平台。服务终端的主要功能有实时定位、地图显示、重要地点查询与导航、重要人员查询与导航、重要信息实时发布等功能。

移动服务终端主要包括GPS定位模块、CPU控制核心模块、Zigbee定位通信模块和GPRS通信模块四部分，可以供用户随身携带，在GPS工作区（如室外开阔地）移动终端以GPRS的方式与监控中心进行信息通信，当进入无线传感器网络定位导航区（GPS工作盲区）根据实际需要可以选择通过GPRS的方式或Zigbee协议方式与监控中心进行信息通信。

固定服务终端（即信息亭）安装在服务区域的重要地点，因其地理信息是事先已知的，所以不需要额外增加定位装置，主要包括PC机控制核心模块、Internet通信模块两大部分。在条件允许的情况下，固定服务终端建议通过有线（或无线）Internet网与监控中心进行信息通信。如果没有Internet网基础设施的情况下，也可以通过GPRS的方式或Zigbee协议方式与监控中心进行信息通信。

系统为了区分室内外的不同应用，采用了GPRS、ZigBee 和Internet 三种网络通信系统。随着系统的扩展和应用需求的不断增加，系统的通信模式可能还会增加。因此，为本系统制定了相应的通信协议标准。

3 数字校园LBS 实现

在网格系统环境构造的基础上，以数字北大为依托搭建了验证原型系统，将原型系统中的各种应用以Web服务的方式发布到网格系统中，在一个宏观范围内对整个校园进行服务、管理、评价和规划。在应用层，移动终端采用的选择装有Windows Pocket PC系统的PDA，配有GPS定位模块和Zigbee通讯模块，在PDA上使用Arcpad 6.0开发了终端LBS服务系统，使终端一方面能够自主定位与导航，同时也可以通过终端系统请求服务中心提供LBS服务。在GPS工作区（如室外开阔地）移动终端使用GPS定位，以GPRS的方式与监控中心进行信息通信，当进入室内Zigbee网络时，根据实际需要可以选择通过GPRS的方式或Zigbee协议方式与监控中心进行信息通信。移动终端的主要功能有实时定位、地图显示、重要地点查询与导航、发起服务请求以及接收服务结果等功能。固定服务终端采用信息亭的方式提供服务。信息亭安装在服务区域的重要地点，能够通过WebGIS来获取系统的定位、导航等服务。数据层包括元数据、栅格影像数据、空间数据、多媒体数据、用户信息数据以及外部数据等。

LBS 服务中心的终端监控情况如图3 所示，移动终端位置触发式景点介绍如图4 所示。本系统主要有4 个方面的特点：① 系统具有可扩充性, 能够为不同特色、不同规模的校园提供一个易用的、稳定的、具有良好扩展性的平台；②系统具有自适应性, 能根据特定用户的应用目的、定位精度和响应时间要求选择不同的定位方式、服务内容和显示界面；③ 系统具有兼容性, 能集成其他的位置服务系统, 扩充移动定位的服务范围和内容；④ 系统具有有效性，从应用目的出发以用户为中心设计出友好易用简洁的服务界面提高系统的有效性。

图 3 LBS服务中心的终端监控

图 4 移动终端位置触发式景点介绍

4 结 论

本文提出的基于网格GIS技术支持下的数字校园LBS体系框架和空间信息网格的数据组织与访问机制，结合中间件技术及Web Services技术对数字校园的整个系统进行了设计，并结合实际需求实现了其验证原形。结果显示，网格GIS技术应用到数字校园LBS的方法是可行的，特别是涉及大量网络数据综合处理与协同决策时，基于网格GIS技术的数字校园LBS将是一个很好的选择。由于数字校园LBS建设中涉及大量的基础数据、图、表，如何采用先进的方法手段，使得系统在使用这些数据及图表时达到“智能处理”的程度是仍需努力解决的问题之一，同时也将是衡量网格GIS系统的智能性、自主性的重要指标，它关系着网格GIS系统在数字校园LBS中的发展问题。

[1] 李德仁, 朱欣焰, 龚健雅. 从数字地图到空间信息网格空间信息多级网格理论思考[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2003, 28(6)： 642-649.

[2] 董晓鲁. 基于位置的服务在3G 系统中的应用[J]. 电信网技术, 2004, 9(1)： 62-68.

[3] 学 斌, 程朋根, 徐 云. 基于位置服务的关键技术与应用[J]. 江西科学, 2005, 23(1)： 432-481.

[4] 沈占锋, 骆剑承, 盛 昊. 基于Web Service 的分布式遥感影像数据库设计与实现[J]. 测绘通报, 2006, 3(2)： 14-17.

[5] 孙庆辉, 骆剑承, 周成虎. 网格GIS数据信息发布的关键技术[J]. 地球信息科学, 2004, 6(1)： 22-26.

[6] 方金云, 何建邦. 网格GIS 体系结构及其实现技术[J]. 地球信息科学, 2002, 11(4)： 36-42.

[7] 刘雪梅, 柳永坡, 顾国昌. OGSA2DA I 框架模型的应用[J]. 大庆石油学院学报, 2005, 2(6)： 112-114.

[8] FOSTER I, KESSELMAN C. The grid： blueprint for a new computing infrastructure [M]. San Francisco： Morgan Kaufmann Publishers, CA, 1999. 23-29.