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1、 http:/更多测绘论文请登录测绘网论文频道查询：http:/ 客服热线：010-52775185城市空间信息多级网格研究彭明军（武汉市规划土地管理信息中心，武汉市三阳路 13 号，430014 ）摘要本文对地学领域的网格、计算机科学中的网格的概念进行了阐述，介绍了空间信息多级网格的概念和发展，阐述了城市空间信息多级网格是网格计算技术与地球空间信息网格的结合，其研究内容是在网格计算环境下实现从数据到信息再到知识的升华以及基于网格计算的城市空间信息服务，研究了将网格计算和 OGC Web Service 相结合的城市空间信息多级网格的基本框架。关键词：地理网格 网格计算空间信息网格 城市空间信
2、息多级网格1 概述网格是从“grid”一词翻译而来的，在不同的文献中，有的翻译为“格网” ，有的翻译为“网格” 。地学领域和计算机科学领域中，网格的内涵和研究内容是不同的。在地学领域，网格是指对地理空间的划分， Goodchild 和 Yang(1992)、Dutton(1996a; 1996b; 1999a)，Sahr， White 等(2003) 研究的 “全球网格”采用了不同的空间划分方法，如以经纬度来划分地球网格，将地球看成多面体，用 4 面体、6 面体、8 面体、12 面体和 20 面体这 5 种理想的立体形状模拟地球，并逐级划分地球，从而有效地描述地球表面的空间位置关系，以解决 G
3、IS 空间定位、空间检索机制等方面的问题。空间多级网格是对空间的多级划分，二叉树、四叉树和八叉树都是将特定空间范围进行逐级网格划分，形成不同的层次网格。1991 年实施的中华人民共和国国家标准地理格网 （GB 12409-90）中规定，地理网格的划分与编码是用以标识与地理空间分布有关的资源和环境信息，保证其存储、统计、分析与交换的一致性，实现信息共享。在计算机科学领域，网格计算（grid computing）是一种利用互联网或专用网络把地理上广泛分布的各种计算资源互连在一起的技术，实现高速的计算功能，来协同解决复杂的科学与工程计算问题。目前，网格计算试图提供一种能够聚集网络上的各种高性能计算机
4、、服务器、PC、信息系统、海量数据存储和处理系统、应用模拟系统、仪器设备和信息获取设备（如传感器）等广泛分布的各种资源，进行大规模计算和数据处理的通用基础支撑结构，为各种应用开发提供底层技术支撑，将 Internet 变成一个功能强大、无处不在的计算设施。网格计算将网络上的一切资源，包括计算资源、存储资源、网络资源和数据资源等进行虚拟化，将资源的物质组成、物理结构、操作平台和描述接口分开，屏蔽了资源之间的各种差异，按照统一机制对这些资源进行封装，对外表现为具有统一内在机制的各种各样的网格资源接口（实现资源内部操纵机制） ，然后将这些网格资源进行注册，并进行逻辑组织，最终形成网格虚拟化的逻辑资源
5、层，形成与位置无关的、透明的、虚拟的资源，形成一个逻辑上统一的界面，在网格系统统一监控和管理下，提供给用户使用。2 空间信息网格 http:/更多测绘论文请登录测绘网论文频道查询：http:/ 客服热线：010-52775185网格计算技术与地球空间信息技术相结合促成了空间信息网格（Spatial Information Grid，SIG）的产生(李德仁，朱欣焰等 2003)。空间信息网格从网格计算技术和信息网格（Information Grid）出发，研究地球空间信息（Geo-spatial Information）领域中如何在网格环境下实现从数据到信息再到知识的升华以及基于网格的空间信息服
6、务。空间信息网格在网格计算技术中加入对空间维的支持和处理，提供基于分布式计算的空间信息服务(Geo-spatial Information Service)。在网格环境下，空间信息服务基于 OGSA 将 GIS的各种基础性处理功能封装为空间信息网格服务（Geo Grid Service ） 。李德仁等(2003; 2004)指出了从数字地图到空间信息多级网格的发展趋势，提出了广义空间信息网格和狭义空间信息网格的概念(2005; 2005)，并对其内涵和功能进行了详细的阐述。空间信息多级网格（Spatial Information Multi Grid，SIMG ）是在网格计算环境中，以空间上下
7、层次的多级划分为基础，并将各级网格分布在不同层次的网格计算环境下，实现下级网格信息到上级网格信息的传递和访问，其主要目标是空间信息的共享与服务( 李德仁，朱欣焰等 2003)。在这个环境中，用户可以提出多种数据处理请求，系统能够联合地理上分布的数据、计算、网络和处理软件等各种资源，协同完成多个用户的请求，确保来自任何空间信息源的空间信息（Any resource）经过处理能在任何时候（Anytime）发送并服务于在任何地点（Anywhere）任何有需求而且有相应权限的最终用户（Anyone） ，实现“服务点播” （Service On Demand）和“一步到位”的服务 (One Click
8、Is Enough)。空间信息多级网格中的“网格”与网格计算技术中的“网格”是两个不同的概念，前者主要立足于对地球空间的划分、空间数据的表示与组织以及检索等技术，关注的是网格中承载的空间和非空间信息，网格计算中的网格主要是强调网格上的节点各种计算机、存储设备、数据资源的共享，以及在广域网上整体资源的整合与利用。SIMG 将地球空间信息多级网格中的“网格”概念与网格计算中的“网格”相结合，以地球空间信息多级网格的空间划分、空间数据组织与表示方法作为网格节点上空间数据组织与管理的基础，即每个计算网格节点的数据以 SIMG 的组织为基础，进行网格计算环境下空间信息资源的整合、共享与利用。3 城市空间
9、信息多级网格的及其框架城市空间信息多级网格（Urban Spatial Information Multi Grid，USIMG）是地理网格和网格计算的结合，是空间信息多级网格在城市中的具体应用。USIMG 按一定的规则将城市空间范围划分为不同层次的网格，每个层次的网格在范围上具有上下层涵盖关系，以不同层次的网格为单元实现城市各种空间数据和非空间数据（社会经济数据）的采集、处理、存储、管理和分析，实现下级网格信息到上级网格信息的传递；在网格计算环境下，将不同层次的空间网格中的各种空间数据、非空间数据分布在不同的网格计算节点上，提供功能强大的计算能力、存储能力和数据处理分析能力，从而为突发事件，
10、如地震、洪水、火灾、重大交通事件、公共设施故障或事故、公共安全紧急救援等提供快速、及时的空间信息和非空间信息支持，提高对紧急事件快速应变与决策的能力，为政府决策提供数据支持。USIMG 的主要目标是城市空间信息的共享与服务。USIMG 中的网格既是空间位置的划分方法，也是城市空间位置范围内自然、社会、经济属性的信息载体，城市的各种信息都以网格为基础进行采集和处理。在网格计算环境下，各种空间数据的处理都定义为服务，实现空间信息的有效共享与互操作。城市空间信息多级网格在计算能力服务、宽带传输和超大规模数据存储等网格计算环境基础上，以 http:/更多测绘论文请登录测绘网论文频道查询：http:/
11、客服热线：010-52775185空间网格多级划分为依托，建立一个多层次的空间应用服务体系，实现城市空间信息的共享。根据现有的网格体系结构，结合空间信息应用服务的特性，认为城市空间信息多级网格主要由基础层（网格计算环境） 、数据层（空间数据的虚拟化和管理） 、服务层（基于 OGSA 与 WebService 相结合的各种地理网格服务）和应用层（城市中面向各行业的应用）4 个层次组成。城市空间信息多级网格体系结构如图 1 所示。图 1 城市空间信息多级网格体系结构3.1 USIMG 基础层USIMG 基础层采用城市宽带网络，将城市各种性能不同、操作系统各异、分布在不同地理位置的计算机连接起来，形
12、成统一的计算资源，将城市的各种存储资源进行连接，形成统一的存储资源，并将计算资源、存储资源、网络资源进行虚拟化，形成一个逻辑上统一的网格计算环境，为城市空间数据的管理、共享和应用提供系统基础功能与接口。USIMG 基础层采用网格计算领域的研究成果，包括通信机制、安全架构、错误检测、信息架构和资源管理机制等，实现对各种信息处理设备（如运行 UNIX、Linux、Windows 等不同操作系统的超级计算机、PC 等） ，以及各种存储设备（如磁盘阵列、高速硬盘、磁带机等）的管理。它们通过城市宽带网络实现物理连接，并通过网格管理软件，屏蔽了各种计算机操作系统、存储设备之间的差异，实现计算资源、存储资源
13、的虚拟化，为城市网格用户提供一个统一的界面，形成城市网格一体化管理与处理平台供 http:/更多测绘论文请登录测绘网论文频道查询：http:/ 客服热线：010-52775185用户使用。USIMG 基础层的另一个功能是监视网格资源的应用状况，协调多种资源的共享，为综合使用各类资源提供数据存储、组织管理、分发、检索和处理、认证等服务，支持资源的发现、配置、交互、装配、运行和管理等，并将网格资源实时动态地分配给用户。如仅仅进行空间信息查询的用户使用的资源较少，而进行城市交通模拟所需要的计算资源和存储资源较多，当这两类用户同时提供网格服务时，网格管理器能协调这种资源，将网格上较多的计算资源和存储资
14、源分配给交通模拟用户使用。3.2 USIMG 数据层USIMG 空间数据组织和管理分为两个层次：一是网格内部的数据组织和管理；二是网格之间的数据组织和管理。网格内部数据组织与处理，是在传统 GIS 空间数据组织的基础上，结合网格计算技术，进行数据组织。网格之间的数据组织与管理需要考虑网格节点上之间的协同；同时，上、下级网格之间的社会经济数据的查询实现不同大小网格、不同形状网格之间的信息传递，即不同层次网格之间的数据抽取。由于 USIMG 的网格划分可以是规则的，也可以是不规则的，在实现上使用更多的是规则网格，因此要实现城市不规则网格中的社会经济数据向规则网格的转换。USIMG 数据层实现对城市
15、中各种空间数据的虚拟化管理，主要解决对不同格式数据的访问问题，建立空间数据虚拟视图，采用 OGSA-DAI 进行各种空间数据的访问，包括城市基础地理数据库、城市社会经济统计数据库、人口统计数据库、地理编码数据库、地名数据库、环境数据库、元数据库等。数据层中，采用国家标准和地理要素分类与编码，建立系列比例尺基础地理信息数据库，规划、国土、环保等空间数据库。采用对象关系模型，基于城市空间网格划分存储和组织空间实体及其关系，实现空间实体几何数据和属性数据的一体化存储，并建立高效的空间索引，实现多源空间数据的整合，可接纳常用格式的矢量数据、栅格数据和多媒体数据。数据层中元数据库存储各个空间数据的元数据，对数据的访问统一通过元数据库进行。在网格环境下，每一个城市空间数据对象有一个唯一的名称，允许应用程序存取空间数据而无须知道数据的物理存储位置，应用程序通过逻辑域名或全局名来访问空间数据。可采用 DB2、Oracle、Informix 等不同的数据库，或通过数据库中间件 ArcSDE、SpatialWare 等将空间数据存储在数据库中，也可以采用Shape、dwg、 dgn、coverage、Geodatabase、T
