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网格技术在地球信息科学中的应用   
作者：金江军



与空间位置有关的空间信息在信息总量中约占80%，每个国家的社会发展和经济持续增长必然对空间信息资源有空前巨大的需求，不断提高空间信息获取与处理技术的能力才能满足人类的需求。网格技术为空间信息获取与处理提供了新的技术途径，在地球信息科学领域具有非常广阔的应用前景。

1．空间信息网格概述

空间信息网格（Spatial Information Grid，SIG）是一种汇集和共享地理上分布的海量空间信息资源，对其进行一体化组织与处理，从而具有按需服务能力的、强大的空间数据管理和信息处理能力的空间信息基础设施。空间信息网格是一个创新性的体系框架，它为空间信息用户对空间数据进行信息获取、共享、访问、分析和处理等各种需求提供了实用可行的解决思路和实施方案。空间信息网格是一个分布的网络化环境，连接空间数据资源、计算资源、存储资源、处理工具和软件、以及用户，能够协同组合各种空间信息资源，完成空间信息的应用与服务。在这个环境中，用户可以提出多种数据和处理的请求，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）。

空间信息网格以一种新的结构、方法和技术来管理、访问、分析、整合分布的空间数据，充分利用空间信息系统的各种资源提供服务，实现空间信息的有效共享与互操作，提供空间信息的联机分析处理与服务。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。空间信息网格通过对空间信息源的数据、信息和知识进行有效的描述、组织、管理、处理、交换。

在空间信息网格中，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作的和智能化的，用户可以通过空间信息网格门户透明地使用整个网络上的各种资源。空间信息网格的最终目标是把Internet上的空间信息服务站点连接起来，实现服务点播（Service On Demand）和一步到位的服务 (One Click Is Enough)。发展空间信息网格将从空间信息应用与服务的技术体系和基础高度角度推动我国空间信息资源的共享与应用，满足日益增长的多层次、多样化空间信息应用需求，这对提升我国空间信息基础技术和应用的水平，促进国民经济和社会发展，具有十分重要的意义。

2．空间信息网格的研究内容

空间信息网格要求能够对从TB到PB量级的海量数据进行高效的、实时的分析处理；能够实现应用层面的互连互通和各种异构资源（如高性能计算机、海量存储系统、GIS软件系统）共享，从而提高空间资源利用率；空间信息网格不仅可以用于构造新的先进空间信息系统，也可以用于集成现有空间信息系统，从而提供延续性、继承性，保护用户投资；大规模的空间信息应用与服务地域跨度大，涉及多个异地工作部门，需要提供远程访问数据与服务、一站式、无障碍服务；应用系统的业务需求不断变化，系统运行管理策略不断变化，使用模式不断变化，IT产品技术不断升级，因此需要空间信息网格具有适应动态变化的能力。

为了搭建实用的空间信息网格，应该加强空间信息网格的理论、技术及其应用方面的研究工作。

(1)空间信息网格理论模型研究

空间信息网格的理论模型研究包括空间信息网格的体系结构、技术框架、应用模式等方面的研究，主要回答什么是空间信息网格？空间信息网格由哪些部分组成以及它们之间的相互关系是什么样的？空间信息网格都有哪些技术？这些技术之间的相互关系是什么样的？怎样应用空间信息网格？有哪些可取的商业模式？等等。

(2)空间信息网格关键技术研究

空间信息网格关键技术包括超大规模空间数据的存储与管理、多源空间信息资源共享与融合技术、空间数据元数据及其服务技术、空间信息网格服务技术（包括网格资源信息服务、网格性能信息服务、网格服务信息服务等）、空间信息系统之间的协同工作问题、空间信息网格环境下的地理空间数据可视化等。

(3)空间信息网格具体应用研究

空间信息网格在信息地质中的应用，例如空间信息网格在地质环境仿真、地震预报、油藏模拟、矿产勘探等领域中的应用；空间信息网格在数字城市中的应用，例如数字城市空间信息服务集成，特别是城市突发事件应急响应，如火灾、地震、洪水、台风等；空间信息网格在电子政务中的应用，例如空间信息网格在辅助政府决策方面的应用，包括城市规划、重大工程选址等。空间信息网格在数字流域中的应用，例如利用空间信息网格进行整个流域的数字模拟，包括洪水演进、流域生态、坝位选址等。此外，还有许许多多空间信息网格在各行各业的具体应用例子，此处不再一一列举。

3．空间信息网格的框架体系

由美国Globus工程提出的网格结构体系采用由网格纤维层、网格服务层、网格应用工具层和网格应用层构成的四层结构。网格纤维层提供资源相关、站点相关的基本功能，便于高层分布式网格服务的实现；网格服务层实现资源无关和应用无关的功能，网格服务的实现涉及到地域和机构的分布；网格应用工具层提供更为专业化的服务和组件用于不同类型的应用；网格应用层由用户开发的应用系统组成，网格用户可以使用其他层次的接口和服务完成网格应用的开发。

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)采用纤维层、联络层、资源层、协作层和应用层的五层结构。对于各种计算设备、存储设备和网络设备分别开发相应的远程调用控制网格服务。这类网格服务数目众多，每个网格服务的实现细节也各不相同，OGSA把这类网格服务纳入纤维层。在庞大的纤维层之上是联络层，联络层里的网格服务分成查询服务、通讯服务和安全控制三类。联络层之上是资源层，无论是纤维层还是资源层里的网格服务只涉及单个资源，协作层中有负责协调多个资源调度的网格服务，应用层则向各个领域用户提供软件开发和运行平台。

空间信息网格是在计算力服务、宽带传输和超大规模数据存储等网格支撑环境基础上建立的一个多层次的空间应用服务体系。根据现有的网格体系结构，结合空间信息应用服务领域的固有特性，笔者认为空间信息网格主要由资源层、服务层和应用层3个层次组成：

(1)资源层：这些资源包括已建和在建的各类空间数据库（包括基础地理数据库、地物波谱库和遥感信息模型库等）、各种信息处理设备（包括超级计算机、PC、PDA等）、各种存储设备（大型磁盘阵列等）、各种空间信息获取仪器（包括航空/航天遥感器、地面遥测设备等），它们通过Internet或各种无线通信设施实现物理连接。

(2) 服务层：提供一个空间信息一体化管理与处理平台，为综合使用各类资源提供数据存储、组织管理、分发、检索和处理等服务，主要包括遥感信息定量处理软件、大型地理信息系统、空间信息搜索引擎、空间数据和信息整合与组织管理、空间信息智能处理、空间信息在线分析处理和各种服务规范/协议等。

(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，即在上述空间信息网格服务层的基础上，面向各个具体应用领域，对空间信息的使用模式和使用特点，提供空间信息使用政策和协议、应用软件工具、应用开发平台等，建立空间数据处理与信息服务集成环境。

4．国家863计划空间信息网格项目

"十五"国家863计划信息获取与处理技术主题的战略目标是面向我国信息资源设施建设的重大需求，发展高分辨率多维空间信息获取技术，研制高分辨率机载光学、微波对地观测数据获取系统,开发轻小型星载高空间分辨率多光谱成像仪，掌握自主的先进小卫星对地观测系统技术。系统性地开展对地观测数据定量化、智能化处理技术研究，突破大型地理信息系统、空间信息网络化共享中的关键技术，通过重大应用示范，构建我国的空间信息网格，推动我国空间信息资源的产业化。

　　"十五"国家863计划信息获取与处理技术主题现设空间信息网格总体技术、高分辨力空间信息获取技术、空间信息处理技术、空间信息应用与产业促进以及空间信息获取与处理前沿技术5个专题。在课题布置上，该主题以空间信息网格为技术框架，以应用为龙头，强化空间信息获取、处理和应用的有机衔接，形成链式布局，从整体上实现技术的创新跨越和可持续发展。2002年，与空间信息网格有关的国家863计划课题包括空间信息网格框架体系和关键支撑技术（2002AA-13-01-01）和基于空间信息网格框架的城市空间信息应用服务系统（2002AA-13-04-07）。

课题一：空间信息网格框架体系和关键支撑技术

　　主要研究空间信息网格的体系结构及其应用环境基础框架，实现海量空间信息在线分析处理和服务。基于空间信息标准和协议，建立空间信息网格核心技术验证平台，提供空间信息处理和大型地理信息系统的基本测试环境。结合资源环境等领域空间信息与服务体系的建设，提供关键技术支持。研究内容包括空间信息网格体系结构；空间信息网格的资源描述、组织与管理技术；空间信息网格中的在线分析处理和服务技术；空间信息处理和大型地理信息系统测试环境；空间信息网格核心技术验证平台和示范应用。

课题二：基于空间信息网格框架的城市空间信息应用服务系统

　　在城市空间信息基础设施的基础上，选择重点示范城市，根据城市建设、管理与产业发展需求，基于空间信息网格框架，建立城市空间信息资源汇集与共享的基础平台，开发面向政府决策和社会化服务、具有基本按需服务能力的运行系统，促进城市空间信息应用与产业化发展。研究内容包括城市空间信息共享应用的政策与协议；基于空间信息网格框架的城市空间信息获取、处理与应用服务系统的总体设计，并建立相应的软硬件平台；城市多源空间信息获取、共享、传输等关键技术以及基于空间信息网格框架的城市空间信息应用服务系统开发。