土地资源多级网格服务模型研究

刘 婷，祝炜平，张 丰，刘仁义

（1.杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江杭州 310036；

2.浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室，浙江杭州 310036；

3.浙江省资源与环境信息系统重点实验室，浙江杭州 310028）

土地资源多级网格服务模型研究

刘 婷1，2，祝炜平1，2，张 丰3，刘仁义3

（1.杭州师范大学遥感与地球科学研究院，浙江杭州 310036；

2.浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室，浙江杭州 310036；

3.浙江省资源与环境信息系统重点实验室，浙江杭州 310028）

在全国土地资源“一张图”管理模式下，面向多级土地资源数据管理和多种业务集成的需求，文章对土地资源信息管理的特点进行分析，研究多视角的土地资源多级网格划分与服务分类体系，提出土地资源多级网格服务模型LR－MGS，并对土地资源多级网格服务调度与管理机制进行了阐述.最后，以浙江省土地资源管理为例，设计土地资源省市县网格管理原型系统Land Grid，实现跨级跨部门的数据管理与服务调用，从而验证土地资源多级网格服务模型的可行性.

土地资源；多级网格；网格调度

0 引 言

全国土地二次大调查开展后，全国各地形成了较完备的土地利用现状调查数据.海量异构土地资源数据共享管理与土地业务集成应用是当前各省市土地管理部门“一张图”建设的目标［1］，也是未来土地资源精细化管理的发展趋势.

传统的土地资源时空数据模型能很好地解决单个部门土地资源数据的管理，且能动态地反映其时空变化特征［2－3］.然而，该模型对时空数据的均质性要求很高，且很难做到在异构的网络环境中进行共享与集成.网格技术和空间信息服务技术为异构空间数据的集成与共享提供了技术框架和实现依据［4－5］.因而，综合空间信息服务技术和网格服务技术，采用面向服务体系架构设计［6］，将是消除土地信息化建设过程中存在的“信息孤岛”、提高土地资源共享与业务集成水平极具前景的新途径.

本研究根据土地资源信息管理的特点分析，提出土地资源信息多级网格的划分及构建方法，设计符合土地信息管理特点的土地信息服务分类体系，建立土地资源信息多级网格服务模型.在探讨模型内服务资源调度与管理机制后，本文将针对省市县土地资源数据共享及土地利用更新调查业务集成需求，设计土地资源网格管理原型系统.

1 土地资源信息管理的特点分析

从全国土地资源二次调查的开展情况和现有土地业务存档数据来看，土地资源数据特点可以归纳为多尺度.尺度一词在土地资源中通常表示现实、观测及研究土地资源的时间或空间范围，并具有多维性，如时间维、空间维等.土地资源的尺度可分为专题尺度（土地资源类型）、组织尺度（区域多层次）、观测研究尺度（多比例尺）、时间尺度（时间变化）等.

（1）业务专题尺度 根据土地资源对象的功能定位不同，可以分为基础地理资源、土地利用资源、土地权属资源、土地利用规划资源、土地影像资源和其他专题资源等.

（2）多级区域组织尺度 土地资源数据通常表现为跨区域，大区域性的数据可以划分成子区域，并以此作为数据组织的基本单位.例如，土地利用更新调查一般以县（市、区）为基本单位进行开展，国家、省、市级土地资源管理则以此来进行管理.

（3）观测研究尺度 对于不同类型的土地资源对象，对其观测研究的尺度也不同.一般土地权属要素采用较大比例尺，土地利用要素采用较小比例尺.对于同一类型的土地资源对象的要素，不同区域的土地资源管理部门也会采用不同比例尺进行数据调查与采集.因而存在1∶500或1∶1 000比例尺的土地权属要素、1∶10 000或1∶2 000比例尺的土地利用要素.

（4）时间多尺度 时间的多尺度反映在三个方面：一是数据表示的时间周期及数据形成周期有不同的长短.二是不同数据的时间尺度的不同.三是参与对比的不同数据集的时间先后顺序不同.由于土地利用更新较快，要求能够对时空数据提供准确、完善、高效的历史回溯、变化监测和趋势分析.

土地资源数据的多尺度特点构成了土地资源信息管理的“横纵向多级”特征.横向多级特征是指根据日常业务的分工，土地资源管理可以分为土地利用、土地产权产籍、土地利用规划、基本农田保护、建设用地管理等几个方面.土地管理部门内部各个业务之间相对独立，同时又密切相关.纵向多级特征是指土地管理机构按国家、省、市、县划分的纵向垂直管理的分层特点.

2 土地资源多级网格服务模型LR－MGS

2.1 土地资源信息多级网格

土地资源自身无论从自然现象还是社会管理角度都能以相应的多级网格形式进行划分［7］，划分的层次越明确，对土地资源的管理就越精细.因此需要尝试从多角度厘清土地资源信息的网格划分方式，并利用网格技术将其动态生成.

（1）土地资源信息地理网格划分 地理科学中网格是指对地理空间进行位置划分的方法，其核心思想是：按不同经纬网格大小将全球、全国范围划分为不同粗细层次的网格（如四层），每个层次的网格在范围上具有上下层涵盖关系［8］.根据该思想，把土地资源以网格单元为基础进行相应的网格等级划分，划分单元尽可能面积大小相近，形状以四边形为宜；划分单元无缝分割土地二维空间.划分时首先按道路、河流及其它自然边界对土地粗略划分，形成多个封闭的多边形；再在多边形内，选择次一级道路网进一步细分，形成若干面积大小相近的网格单元；最后按照一定的规则编码对每个空间网格赋予标识符形成网格编码.

（2）土地资源信息管理网格划分 根据我国现行土地垂直管理体制，土地资源信息也垂直分布于各级土地管理部门.因而，土地资源信息管理网格可以从社会管理视角出发进行划分，每级土地管理机构是网格结点部署的具体参与者.我国现行土地管理机构的设置分为四个层次：国家土地管理机构；省、自治区、直辖市土地管理机构；市（地区、县）级土地管理机构；乡镇土地管理机构.网格结点必须由某一级别的土地管理机构管理.

（3）土地资源多级计算网格动态生成 网格技术通过统一支配和调度各结点大量闲置的计算资源、数据资源和存储资源共同完成任务计划，可以很好地解决土地资源密集计算和高性能处理问题［4］.本研究引入网格技术进行土地资源海量数据的管理与高效处理.在网格计算中，虚拟组织的动态创建是网格任务处理的基础，也是网格高效计算的核心.土地资源执法监查、土地利用规划审批、土地资源数据汇总统计等业务均涉及到多个土地管理部门、多类土地资源数据.因而，在服务执行过程中，需要动态调配各级网格节点资源，综合提取各级网格数据服务.

2.2 土地资源多级网格服务分类

作为GIS领域的主要标准制定机构，国际标准化组织地理信息技术委员会（ISO/TC 211Geographic information/Geomatics，ISO/TC 211）和开放地理空间联盟（Open Geospatial Consortium Inc.，OGC），在其共同制定的开放地理空间信息服务架构中给出了地理信息服务分类规范.ISO/TC 211根据扩展分布式系统环境（Extended Open Systems Environment，EOSE），基于服务的计算语义，将地理信息服务分为六个顶层类别，即人机交互服务、模型/信息管理服务、工作流/任务服务、处理服务、通讯服务、系统管理服务［9］.OGC在其提出的网络服务框架（OWS Service Framework，OSF）中，给出了具体的OGC服务分类体系，其服务类别包括应用服务、描绘服务、注册服务、数据服务、处理（流程）服务［10］.

本文参考OGC服务分类法和ISO/TC 211地理信息服务分类法，并结合土地资源管理实际业务需求，将土地资源Web服务按功能分成五大类，建立了土地资源网格服务分类体系（见表1）.土地资源网格服务采用7位数字编码，依次为大类、小类、二级小类、三级小类四级目录，首位表示五大分类服务，其余小类用2位数字表示，即“X＋XX＋XX＋XX”的形式.

表1 土地资源网格服务分类体系Tab.1 Classification of land resource information grid services

（1）土地资源描绘服务，提供了按照土地业务成果图示标准及自定义的样式规范，对土地资源信息进行可视化的功能.

（2）土地资源数据服务，提供了对多源、异构的分布式土地资源数据的访问能力.包括矢量数据服务和影像栅格数据服务.

（3）土地资源处理服务，包含各种与土地资源信息处理相关的服务，可进一步分为土地业务处理服务、业务流程处理服务、专题处理服务、时态处理服务以及通用处理服务.土地业务处理服务和业务流程处理服务主要面向土地业务应用逻辑，涉及到土地资源信息空间、时间、属性的操作；专题处理服务主要针对土地业务共有的专题统计、叠加等功能；时态处理服务主要满足土地资源时空数据历史回溯查询等；通用处理服务完成常用的、与业务逻辑无关的处理操作，如格式转换、投影变换等.

（4）土地资源元数据服务，提供了土地资源数据、功能服务的元数据查看、编辑等功能.

（5）土地资源网格管理服务，方便对土地资源网格中的数据资源、计算资源、方法资源进行统一的管理，包括服务注册、资源管理、服务管理和用户管理等.

2.3 土地资源多级网格服务模型体系架构

根据前文分析的土地资源多级网格管理机制和土地资源多级网格服务分类体系，设计了土地资源网格服务模型，如图1所示，土地资源网格服务模型体系架构在逻辑上可分为网格设施层、服务组件层、服务层、应用层四个层次.

（1）网格设施层 是对现有土地资源数据与应用系统资源的整合与管理.包括各级土地资源空间数据与业务数据、支撑数据的各类业务系统，提供数据和处理计算的计算机、网络和存储设备等资源.采用网络技术实现上述资源的共享共用.在土地资源数据、应用系统与服务组件层之间，引入了网格安全基础设施（GSI），从而保证各种资源得到最大限度的安全访问.

图1 LR－MGS体系架构图Fig.1 Architecture diagram of LR－MGS

（2）服务组件层 是对网格设施中数据资源和功能资源的封装与提取，该层还可以通过网格平台的中间件构建用户所需的网格服务组件.

（3）服务层 体现了土地资源网格横纵向多尺度的特征.从左侧来看，代表了土地资源网格的纵向管理特征，体现了网格结点的纵向多级和网格服务的分级策略.从右侧看，代表了面向服务体系结构的多级网格服务分类，显示了按照功能语义分类的各种网络服务，这些服务类别与上文所述服务分类相同.此外，通过服务发现、服务监控、资源调度等网格管理技术，对整个服务层和服务组件层进行统一管理，从而保障服务的稳定和资源的有效利用.

（4）应用层 即土地资源管理门户，由若干具有特定应用功能的模块构成，为终端管理用户提供具有图形界面的访问接口，通过该接口，具有特定权限的用户能够统一地在门户中直接访问或操作土地资源，这种操作在体系架构中是透明的，架构中各层次屏蔽了土地资源网格数据的分布式特点.

2.4 土地资源多级网格资源调度与管理

土地资源多级网格是一个松散耦合的土地资源服务节点集合，每个节点都是土地资源数据和处理服务的一个集合，涉及多层级的分布式土地资源信息的管理以及土地资源服务的共享和协作，例如县市数据的汇交统计、跨地区的建设用地审批管理等，因此有必要对土地资源多级网格中的数据服务资源、功能服务资源和计算服务资源进行监控和协调管理，在土地资源信息充分得到共享的基础上，满足多用户、多层次、多样化的土地业务应用需求.

（1）网格资源调度与管理中心 作为网格管理门户的入口，网格资源调度与管理中心面向应用客户端提供服务注册、任务提交、服务调用等接口.同时，又对提交的任务进行分解和服务分级调用［11］，调配网格环境中的服务资源、计算资源.

（2）土地资源服务目录 是土地资源多级网格服务分类的具体实现，它是一个分布式部署的目录结构，各级部门部署自己管辖的土地资源信息服务，上级土地管理机构对下级部门的目录服务进行收割管理，从而方便各级用户调用其所需要的服务.

（3）网格节点监控 对网格环境中的计算资源和服务资源进行监控，获取网格节点的运行负荷信息，包括节点计算资源的CPU占用率、内存开销、网络开销等，获取网格服务的运行状态信息，以便网格资源调度服务管理和使用节点资源.

3 原型系统——土地资源网格管理原型系统Land Grid

本文以土地资源多级网格服务模型为基础，综合考虑了浙江省土地资源信息管理和业务集成需要，设计了一个浙江省市县的土地资源网格管理原型系统Land Grid.系统采用UDDI分类架构实现多级多类土地资源网格服务的管理与检索，并基于OGC WMS/WFS/WPS规范与Web Services Resource Framework（WSRF）标准，编码实现土地资源网格服务功能.该系统部署在多台服务器搭建的分布式网络环境中，每台服务器作为一个网格节点，提供了大量的土地资源信息服务、土地管理功能服务等.

通过统一的访问接口（即图2所示系统主界面），本系统为用户提供了网格服务目录管理、网格节点监控管理、土地空间信息网格服务访问、土地利用调查业务集成等基本功能.图3、图4分别为网格计算资源管理以及网格节点监控页面.

4 结束语

本研究针对土地资源多源数据管理及土地管理业务集成的要求，设计了土地资源多级网格服务模型，探讨了多级网格资源调度与管理机制.该模型对土地资源管理进行了多级网格划分，并对多源异构的土地资源数据设计了服务分类体系.该服务模型采用SOA架构思想，具有很好的扩展性和开放性，可以实现多源异构土地资源数据的共享与协同调用，便于集成多样化的土地资源管理业务.原型系统的实现也表明该服务模型能够满足“一张图”数据管理与服务平台建设需求.下一步工作将进一步验证该土地资源多级网格服务模型，与其他数据组织和服务集成模型进行对比测试，对土地资源多级网格划分粒度进行优化.

［1］张爱明.国土资源“一张图”数据管理及服务平台的设计与研究［J］.现代测绘，2010，33（4）：41－42.

［2］张丰，刘仁义，刘南，等.一种基于过程的动态时空数据模型［J］.中山大学学报：自然科学版，2008，47（2）：123－126.

［3］崔伟宏，史文中，李小娟.基于特征的时空数据模型研究及在土地利用变化动态监测中的应用［J］.测绘学报，2004，33（2）：138－145.

［4］Foster I，Kesselman C.The Grid 2：Blueprint for a New Computing Infrastructure［M］.San Francisco：Morgan Kaufmann Publishers Inc，2003.

［5］龚建雅，李德仁.论地球空间信息服务技术的发展［J］.测绘通报，2008（5）：5－10.

［6］麻志毅，陈泓婕.一种面向服务的体系结构参考［J］.计算机学报，2006，29（7）：1011－1019.

［7］单玉红，朱欣焰，杜道生.土地资源的多级网格数据结构建立与应用研究［J］.自然资源学报，2008，23（2）：336－343.

［8］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（06）：642－650.

［9］ISO/TC211.Geographic information－Services［EB/OL］.［2001－09－14］.http：//portal.opengeospatial.org/files/？artifact＿id＝1221.

［10］Lieberman J.OpenGIS Web Services Architecture［EB/OL］.［2003－01－18］.http：//portal.opengeospatial.org/files/？artifact＿id＝1320.

［11］刘婷，刘仁义，刘南，等.土地资源多级网格平台高效处理机制研究［J］.浙江大学学报：理学版，2011，38（3）：337－341.

Researches on Multi－Grid Service Model of Land Resource

LIU Ting1，2，ZHU Wei－ping1，2，ZHANG Feng3，LIU Ren－yi3

（1.Institute of Remote Sensing and Earth Science，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036，China；
2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Urban Wetlands and Regional Change，Hangzhou 310036，China；
3.Zhejiang Provincial Key Laboratory of GIS，Zhejiang University，Hangzhou 310028，China）

Under the“a map”management mode of land resource，facing the needs of the land resource data management and business integration，the paper analyzed the characteristics of land resource information management，researched on the multi－grid division of land resource and service classification from multiple aspects，proposed a multi－grid service model LRMGS，and elaborated the dispatch and mechanism of the service.Taking the land resource management in Zhejiang province as an example，the paper designed the prototype system Land Grid，achieved inter－departmental data sharing，and verified that LR－MGS model was feasible.

land resource；multi－grid service；grid dispatch

P208

A

1674－232X（2012）02－0097－06

11.3969/j.issn.1674－232X.2012.02.001

2011－10－20

国家自然科学基金项目（40901241，41101371）；国家自然科学基金项目（41101039）；浙江省自然科学基金项目（Y5090377）；浙江省科技计划优先主题重大社会发展基金项目（2009C03015－5）.

祝炜平（1955—），男，教授，主要从事人文地理研究.E－mail：zhwp66＠163.com.