基于计算网格的三维地理信息模拟仿真系统

李学相 张文宁

摘要：该文将计算网格的概念及技术引入地理信息系统的空间数据管理与信息服务中，通过构建一个广域网条件下的计算网格环境和地理空间数据网格环境，实现两者的有机结合，支持海量地理空间数据的统一管理和高效调度，满足大规模用户并发访问地理空间数据及服务。

关键词：计算网格；地理信息服务；模拟仿真

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：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“数字地球”的概念中，以宽带信息网络为主体的信息高速公路（NII）构成了数字地球的神经网络，而各种信息服务就是这个神经网络上的神经元。地理信息服务则是一种最基础的信息服务【1】。

地理信息服务的重要性在于它本身是一种重要的国家信息基础设施，在其基础上，可以整合现实生活中各种信息资源【2】，建设数字城市服务于城市规划、建设和管理【1】，建设电子政务系统服务于政府、企业、公众，建设地理信息平台服务于各种空间资源的管理、应用以及经济社会的可持续发展等方面【3】。

1系统设计策略

以全球空间环境为目标，通过计算网格将高度分散的各种异构地理信息资源整合起来，形成一个地理信息服务网格，以统一的界面透明地提供给用户，实现地理信息资源的全面共享，将空间分布和动态连接的各类地空信息资源向分布的用户群提供一体化的智能信息服务。

系统的设计充分的考虑了已有的、丰富的地理信息资源，可以为政府、企业、公众提供各种地理信息服务，满足不同用户的信息需求，实现地理信息资源的全面共享。

全球三维地理信息服务平台，技术集成度高,在充分理解和消化相关理论和技术的基础上，通过了解和分析需求，利用现有的技术成果，提出最佳的解决方案，并以最优方式集成。

该系统的研制采取顶层设计、技术集成、多方协作的途径。

1）重视顶层设计、强化标准意识。运用网格技术构建地理空间信息网格，是新技术发展与地理信息服务新需求相适应的结果，不仅涉及一系列新技术领域，还涉及在信息高速发展的形势下各领域对地理信息服务的新需求。因此，本系统在深入了解和分析地理空间信息服务的需求，做好包括地理空间网格体系框架和技术框架在内的顶层设计和标准研究，以便涵盖地理空间信息服务的各个方面，正确引导随后的理论与技术的研究。

2）重点技术突破、体现技术集成。在突破关键技术的同时，技术集成是该系统研究的一个难点。地理空间信息网格涉及到网格技术、网络通信技术、虚拟现实技术、空间数据库技术、数据融合与数据挖掘技术、协同计算技术、数字地图技术、航空航天遥感图像处理技术等领域，还与认知科学、地理学、地图学等学科领域密切相关。因此，本系统研究多在技术集成上下功夫，以达到最优的集成效果。

2系统的主要功能

1）大规模计算机集群的协同：构建计算网格环境，通过大规模计算机集群的协同，克服或缓解网络环境的动态性和不可预知性（例如：网络拥塞、网络断开、节点退出等）对服务性能造成的影响，提高协同的访问效率，减少文件传输的网络延迟。

2）海量空间信息的分布式存储：在计算网格中，存储PB级地理空间数据，集成网络上分布的多个数据资源，形成单一虚拟的数据访问、管理和处理环境，为用户提供实时服务。

3）空间信息数据的高速传输：相应用户服务需求，提高数据的传输效率，使得存储在计算网格之中的数据可以高速的移动、更新，以供用户在尽可能短的时间内取得数据。

4）地理空间数据的快速调度：在三维视景渲染中，快速更新显示数据页中的数据，提高渲染速度，缓解视景的“延迟”现象。

5)传统的地理空间数据向地理空间信息网格的转换：适应空间数据的分布式存储，将传统的按地图投影、比例尺和分幅编号存储的现有4D数据产品转换为地理空间信息网格的数据，便于分布式存储、大规模用户协同访问，快速调度显示。

6）地理空间信息服务：将地理信息应用功能以服务方式提供，提供地理信息服务基本业务（如地形地貌的浏览，专题要素的查询），并结合政府、企业及公众的特殊要求，提供相应的特殊服务（如寻址分析，交通分析，警用分析等）。

3系统的体系结构

系统结构如图1所示，共分为硬件资源层、网格环境层、服务应用层和用户层。

对用户而言，只需要提出地理信息服务请求，不必了解他所需要的信息和服务来自哪个地方的哪一台服务器，而取决于其信息服务机制。网格服务环境能够把互联网上高度分散的各种异构地理信息资源整合起来，形成一个逻辑整体，以一种统一的界面和方式透明地提供给用户，地理信息网格的目标就是实现地理信息资源的全面共享，将空间分布和动态连接的各类地空信息资源向分布的用户群提供一体化的智能信息服务。

系统模块的划分：

1)地理空间信息数据网格管理模块

利用网格来管理各种空间信息数据。基于地心坐标系和统一高程基准面的地理坐标参考系的信息粒度从空间地域上划分要包括覆盖全国城市的大比例尺高程数据、高分辨率影像和全国地区的矢量数据。空间信息数据管理模块将空间信息数据有机的管理，便于快速的调度。

2)计算网格支持模块

可以支持大用户量的并发访问，设计了合理高效的文件Cache机制，通过负载平衡以及并行计算减小了网络延迟，为客户端提供了高性能的协同服务。

3）地理专题信息服务模块

研究专题信息资源的分类、数据标准及数据库体系结构。提供基于城市地理信息的服务，如市政规划、城市建设、城市管理、交通导航、生态环境、城市灾害等。专题信息服务子系统还可以深度融合各种信息，在其上进行各种分析，如经纬度查询、距离量算、面积量算、缓冲区分析等。

4系统的主要技术构成

该系统的主要技术包括计算网格的构建、数据网格的构建、服务网格的构建三大部分。

4.1地理信息计算网格的构建

地理信息计算网格的构建是指构建一个广域网条件下的计算网格环境。它可将地理上广泛分布、系统平台各异的计算资源和格式不同，编码不同多种地理信息资源，用高速网络连接起来，形成虚拟的超级计算网格平台，可以满足大规模的用户对海量空间信息服务的需求。

地理信息网格环境的构建主要在网格计算技术支持下，以空间信息网格（UG）体系为指导，探索以空间信息网格为基础的新一代网格地理信息系统（Grid－GIS）的结构与组织体系，开展联邦空间数据库、空间计算环境前沿技术研究。

1）广域范围内支撑大规模用户并发访问的网格存储结构技术

网格存储结构具有良好的可扩展性，将所有参与进来的用户既视为服务对象，又视为空间数据信息提供者，为用户提供实时服务；它能够将分布于全国各地的空间数据虚拟成一个海量数据库，能够在动态的分布式环境中实现空间数据增量更新并维护数据的一致性，能够自适应地根据用户的访问量来调整服务器内部以及服务器之间的负载均衡。同时要实现网格系统本身高效的资源管理、数据管理、信息管理和安全管理。

2）广域网环境下计算机集群协同技术

网格技术在解决分布式计算机协同和共享上有很大的优势，是理想的高性能协同服务解决方案。不考虑硬件和网络设施的因素，系统应该尽可能地克服或缓解网络环境的动态性和不可预知性（例如：网络拥塞、网络断开、节点退出等）对服务性能造成的影响。另外，为了提高协同的访问效率，减少文件传输的网络延迟，系统必须设计合理高效的文件Cache机制、负载平衡算法以及并行传输机制以减小网络延迟，让用户没有远程感觉，为用户提供高性能的协同服务。

4.2地理空间数据网格的构建

针对计算网格的特殊性，建立了与之相适应的地理空间数据网格体系。传统上地理空间信息是以地图投影作为数学基础，以比例尺和经纬度来组织，以图幅为单位来划分的。这种数据组织方式已不适应网格环境下地理空间信息的应用需要。因此，需要突破传统平面投影、比例尺等的限制，研究基于地心坐标系和地球椭球面的地理空间信息的多级网格的构建技术和方案，使得地理空间数据能够更好地满足网格环境下的信息保障要求。

将传统的地理空间数据转换为地理空间信息网格的数据，将按地图投影、比例尺和分幅编号存储的现有4D数据产品转换到基于地理空间信息网格的可变比例尺的多源地理空间数据。

1）地理信息服务基础地理框架构建

基于地心和统一高程基准面的地理坐标参考系；地理信息服务矢量基础地理数据多比例尺度应用要求及多比例尺表达的技术体系结构；多空间分辨率遥感数据应用要求及应用技术体系结构。

2）地理空间信息多级网格体系结构构建

地理空间信息多级网格体系结构的构建是本项研究的基础。通过研究基于地心坐标系和地球椭球面的地理空间信息网格化方法，以及不同时间、不同尺度、不同空间基准的多源地理空间信息的集成与融合技术，形成地理空间信息多级网格体系结构的构建方法。

地理空间信息多级网格属于地学网格的概念，是对地理空间进行多层次划分的方法。网格划分的方法很多，目前没有统一的标准。无论采用哪种方法，多级网格体系结构一经确定，地球上任意点的地理位置的空间数据可由（网格编码、属性）来表示，实现全球空间信息的统一存储与管理。这种表示方法克服了传统不同坐标系、不同投影等各种异构数据源带来的一系列不一致表示问题，为从根本上解决了网格计算环境中地空数据共享的集成问题奠定了基础。

该系统采用的网格划分方法的核心思想是：按不同网格大小将全国范围划分为不同粗细层次的网格，不同层次的网格，在范围上具有上下层涵盖关系。每个网格以其中心点的坐标（网格中心点）来确定其地理位置，同时记录与此网格密切相关的基本数据项（如经纬度，全球地心坐标，各类投影参数下的坐标）。网格划分层次是根据实际地物的密集程度和应用的精度需要所确定，需要建立多分辨率金字塔模型，实现不同网格层次数据之间的无缝浏览。

3）传统地理空间数据到地理空间信息网格数据的转换

地理空间信息网格数据库是在地理空间信息多级网格体系、地理空间信息网格的数据存储结构和数据检索方法的基础上建立起来的，通过集成和融合不同时间、不同尺度、不同空间基准的多源地理空间信息，构建网格环境下的地理空间信息数据库。只有将传统的地理空间数据转换为地理空间信息网格的数据，地理空间信息网格的数据应用技术才能发挥效用。因此，将按地图投影、比例尺和分幅编号存储的现有4D数据产品转换到基于地理空间信息网格的可变比例尺的多源地理空间数据的理论、技术与方法非常重要。

4.3地理空间信息服务网格的构建

在地理空间数据存储与访问服务中，涉及任务管理与分发、消息获取与解析、本地控制管理系统、远程管理与调度等服务。为了验证地理空间信息网格的原理和技术可行性，需要建立相应的实验系统。通过封装地理信息服务的核心应用，在Internet发布为Web服务，可以实现不同企业间地理信息资源和计算资源的共享和交互。另一方面，这些发布的地理信息Web服务种类繁多、分布广泛、描述各异，如果缺乏一种统一的描述、注册和集成机制，同样无法完成Web服务的定位和应用，因此建立起一套方便高效的服务资源的发布管理机制。能够将大量的Web服务资源进行有效的发布管理。

在分析公众地理信息服务基本业务流程的基础上，结合政府、企业在各级机构的应用模式，提出地理信息服务网格应用的技术体系结构，协议标准及接口技术。研究在网格计算技术支持下，以空间信息网格（UG）体系为指导，探索以空间信息网格为基础的新一代网格地理信息系统（Grid－GIS）的结构与组织体系，开展联邦空间数据库、空间计算环境和虚拟地理环境前沿技术研究，开发适用于网格计算体系的地理信息服务平台。

5结束语

本系统可服务于城市规划、城市建设和管理，服务于政府、企业、公众，服务于人口、资源环境，是经济社会可持续发展的信息基础设施和信息系统。系统也可用于市政规划、城市建设、城市管理、变通导航、生态环境、城市灾害、城市综台管网、电力、交通、通信数字化生存等方方面面，为社会公众提供开放性的咨询服务，改善和提高人们的生活质量与效率。

参考文献：

[1]陈述彭.地球信息机理研究——一个跨学科的优先领域[J].科学导报，1994(12).

[2]薛勇,王剑秦,郭华东.数字地球网格计算雏议[J],遥感学报，2004(1).

[3]陈述彭.信息流与地图学[M].北京:科学出版社，1990.

[4]鲁学军，励慧国.数字地球与地球信息科学[J],地球信息科学，1999(6).

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[6] Gore A赵芝雅（译）.数字地球——新世纪人类星球之认识[J].地球研究,1998(6).

[7] GO RE Al. The Digital Earth : Understanding our Planet in the 21st Century.1999.06.