空間信息網(wǎng)格的資源共享框架研究

摘要：為了支持用戶在空間信息網(wǎng)格內(nèi)對(duì)空間資源進(jìn)行半自動(dòng)化的定位、選擇、使用以及集成操作，并促使形成空間資源的規(guī)模應(yīng)用，提出了SIG資源共享框架的思想。首先論述了SIG資源共享策略及框架的關(guān)鍵組成部分，并介紹了空間信息網(wǎng)格UDDI中心的頂層設(shè)計(jì)。最后結(jié)合國(guó)家地質(zhì)調(diào)查局的應(yīng)用需求，驗(yàn)證了SIG資源共享框架在解決多源異構(gòu)分布式數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)集成和系統(tǒng)集成問(wèn)題方面所起的關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：資源共享; 空間信息網(wǎng)格； 信息網(wǎng)格； Web服務(wù)； 統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2008)05-1422-03

空間數(shù)據(jù)指與地理位置相關(guān)的數(shù)據(jù)，作為一種主流的數(shù)據(jù)類型其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的眾多領(lǐng)域。我國(guó)已初步建立了以部門專業(yè)應(yīng)用為主要目標(biāo)的空間信息獲取與處理，并積累了海量的空間資源。這些資源主要包括已建和在建的各類空間數(shù)據(jù)庫(kù)、空間信息專業(yè)處理軟件、空間信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)和硬件設(shè)備等。但是，這些寶貴的資源長(zhǎng)期以來(lái)被零散部署在各個(gè)業(yè)務(wù)部門，難以為所屬業(yè)務(wù)部門之外的用戶跨地域、跨部門共享和集成應(yīng)用，進(jìn)而難以充分挖掘空間資源潛在的應(yīng)用價(jià)值。

另外，網(wǎng)格理論所關(guān)注的問(wèn)題從最初的高性能計(jì)算資源共享，擴(kuò)展到從中間件的角度解決大規(guī)模、異構(gòu)的數(shù)據(jù)資源和計(jì)算資源的共享。在這兩階段的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)上，網(wǎng)格理論開始從面向服務(wù)和元數(shù)據(jù)的體系結(jié)構(gòu)角度研究網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施。筆者在廣泛追蹤國(guó)內(nèi)外網(wǎng)格理論和技術(shù)上取得的關(guān)鍵成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，將大規(guī)模、異構(gòu)、多源、廣域分布的空間資源的動(dòng)態(tài)協(xié)同共享和集成問(wèn)題歸納為典型的網(wǎng)格問(wèn)題，即“基于個(gè)體、組織以及資源的動(dòng)態(tài)虛擬組織的柔性、安全、協(xié)同的資源共享問(wèn)題”[1]。并提出面向服務(wù)和元數(shù)據(jù)的SIG作為具體網(wǎng)格問(wèn)題的有效解決方案。實(shí)現(xiàn)類型如此眾多且廣域分布的空間資源的共享，需要從總體上研究空間資源共享框架，并解決空間資源與潛在的空間資源需求者之間的信息壁壘，以及空間資源的規(guī)模應(yīng)用這兩大難題。

1空間信息網(wǎng)格的資源共享策略

空間信息網(wǎng)格是一種匯集和共享多源、異構(gòu)、海量、廣域分布的空間資源，對(duì)其進(jìn)行一體化獲取、組織與處理，并提供按需服務(wù)能力的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施和框架[2]。其力求確保用戶能夠得到任何主題的空間信息，包括部署在空間資源網(wǎng)格內(nèi)的各種空間資源和部署在空間服務(wù)網(wǎng)格內(nèi)各類空間服務(wù)的元數(shù)據(jù)信息?？臻g信息領(lǐng)域關(guān)注的資源共享問(wèn)題主要指空間數(shù)據(jù)和處理資源的共享。其中：空間數(shù)據(jù)包括空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和空間專題數(shù)據(jù)；空間處理資源包括各種GIS系統(tǒng)、GIS組件，以及其他類型的專業(yè)處理軟件和組件。

空間數(shù)據(jù)的異構(gòu)和多比例尺特性導(dǎo)致用戶獲得數(shù)據(jù)之后往往不便于直接使用，并且出于安全和保密等方面的考慮，空間數(shù)據(jù)提供方傾向于將入庫(kù)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，進(jìn)而共享處理之后的空間信息產(chǎn)品。解決空間數(shù)據(jù)的共享問(wèn)題有兩種可選途徑：a)空間數(shù)據(jù)提供方使用本地的處理資源將空間數(shù)據(jù)加工為空間信息產(chǎn)品，采用業(yè)界成熟的數(shù)據(jù)共享方案將空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)布出去，即脫機(jī)數(shù)據(jù)共享；b)空間數(shù)據(jù)提供方共享本地的空間處理資源，共享用戶在使用遠(yuǎn)程空間處理資源的過(guò)程中得到所需的空間數(shù)據(jù)產(chǎn)品，即聯(lián)機(jī)數(shù)據(jù)共享。

Web服務(wù)作為一種部署在互聯(lián)網(wǎng)上的可編程組件，基于開放的Web services[3]技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，具有完好的封裝性和松散耦合的特性，能夠在各種異構(gòu)空間信息平臺(tái)的基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)通用的與平臺(tái)無(wú)關(guān)、開發(fā)語(yǔ)言無(wú)關(guān)的技術(shù)層，各種不同平臺(tái)上的處理資源依靠這個(gè)技術(shù)層來(lái)實(shí)施彼此的連接和集成。此外，基于Web服務(wù)和網(wǎng)格技術(shù)提出的OGSA[4]（open grid services architecture，開放網(wǎng)格服務(wù)架構(gòu)）規(guī)范更易于將各種類型的資源以開放、統(tǒng)一的方式開發(fā)為一種特殊的Web服務(wù)，即網(wǎng)格服務(wù)（grid service）。通過(guò)共享Web服務(wù)和網(wǎng)格服務(wù)的方式能夠很好地解決異構(gòu)空間處理資源的跨平臺(tái)、跨地域共享問(wèn)題。綜合考慮空間數(shù)據(jù)和處理資源的共享問(wèn)題，可以得出兩種方案：a)通過(guò)共享Web服務(wù)和網(wǎng)格服務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)空間處理資源的共享和聯(lián)機(jī)空間數(shù)據(jù)共享，即可共享的空間信息服務(wù);b)采用業(yè)界成熟的文件共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)面向空間信息產(chǎn)品的脫機(jī)數(shù)據(jù)共享，即可共享的空間信息產(chǎn)品。

2空間信息網(wǎng)格的資源共享框架

隨著空間信息資源共享策略和技術(shù)的逐漸推廣，原來(lái)零散、廣域分布的海量空間資源將分割為可共享單元逐漸部署到互聯(lián)網(wǎng)，這為空間資源的共享應(yīng)用奠定了資源和技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，SIG的資源共享框架將從解決空間資源與潛在的空間資源需求者之間的信息壁壘問(wèn)題出發(fā)，輔以網(wǎng)格資源狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)和SIG資源交易模式，以共享Web服務(wù)和網(wǎng)格服務(wù)的方式解決多源異構(gòu)分布式數(shù)據(jù)共享和系統(tǒng)集成問(wèn)題，并推動(dòng)空間資源的規(guī)模應(yīng)用。

從功能的角度來(lái)看，SIG資源共享框架的思想可以通過(guò)UDDI（university description，discovery and integration）[3]中心、資源管理中心以及資源交易環(huán)境三部分及其之間的交互來(lái)體現(xiàn)。UDDI中心是基礎(chǔ)模塊，其他兩部分可以在其基礎(chǔ)上集成進(jìn)來(lái)而完善共享框架體系。其中存在從資源管理中心到UDDI中心流向的監(jiān)控對(duì)象狀態(tài)信息流、從資源交易環(huán)境到UDDI中心流向的訪問(wèn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)流，以及從UDDI中心到資源交易環(huán)境流向的響應(yīng)數(shù)據(jù)流。具體關(guān)系如圖1所示。

2．1空間信息網(wǎng)格UDDI中心

空間信息網(wǎng)格UDDI中心作為聯(lián)系空間資源供求雙方的橋梁，起到了打破空間資源信息壁壘的作用。其作用是獲取、組織、管理來(lái)自SIG服務(wù)層的應(yīng)用元數(shù)據(jù)內(nèi)容，并向用戶提供對(duì)各類SIG服務(wù)和產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、選擇和調(diào)用操作所需的技術(shù)支持。UDDI中心所支持的現(xiàn)實(shí)實(shí)體包括空間服務(wù)和產(chǎn)品提供商、空間服務(wù)和產(chǎn)品以及規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。這些實(shí)體可以抽象為：空間信息網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，涵蓋空間資源提供商和空間服務(wù)提供商的范疇；節(jié)點(diǎn)能力，涵蓋空間服務(wù)和產(chǎn)品的范疇；領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，涵蓋空間信息領(lǐng)域的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)以及UDDI規(guī)范指明的其他規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)范疇。此外，UDDI中心對(duì)三類抽象實(shí)體和用戶給予如下三方面的支持：提供三類抽象實(shí)體的元數(shù)據(jù)級(jí)描述規(guī)范，并且部分程度地包含了空間信息領(lǐng)域的語(yǔ)義信息；提供三類抽象實(shí)體的元數(shù)據(jù)信息的發(fā)布和存儲(chǔ)機(jī)制；提供基于元數(shù)據(jù)信息的多種發(fā)現(xiàn)機(jī)制和訪問(wèn)機(jī)制[3]。

基于空間信息網(wǎng)格UDDI中心的應(yīng)用過(guò)程具體而言：首先空間信息網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)管理員依據(jù)三類抽象實(shí)體的描述規(guī)范和空間信息網(wǎng)格UDDI中心提供的發(fā)布界面實(shí)現(xiàn)對(duì)三類抽象實(shí)體元數(shù)據(jù)信息的發(fā)布；然后用戶可以利用空間信息網(wǎng)格UDDI中心提供的訪問(wèn)界面查詢目標(biāo)實(shí)體，并依據(jù)查詢到的實(shí)體綁定信息來(lái)調(diào)用具體的Web服務(wù)、網(wǎng)格服務(wù)以及空間產(chǎn)品。

2．2空間信息網(wǎng)格的資源管理中心

網(wǎng)格服務(wù)與Web服務(wù)的本質(zhì)區(qū)別在于：網(wǎng)格服務(wù)支持有狀態(tài)的、有生命周期的短暫性服務(wù)；而Web服務(wù)屬于無(wú)狀態(tài)的永久性服務(wù)。隨著OGSA規(guī)范的不斷更新和廣泛采用，SIG中除了部署有永久性Web服務(wù)之外，將出現(xiàn)大量的短暫性網(wǎng)格服務(wù)。因此，無(wú)論從提高空間信息服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，還是從全面的網(wǎng)格資源管理角度考慮，都需要在服務(wù)層對(duì)SIG進(jìn)行監(jiān)控和狀態(tài)評(píng)測(cè)。SIG的資源監(jiān)控問(wèn)題可以從監(jiān)控對(duì)象、監(jiān)控事件兩個(gè)角度考慮。根據(jù)共享粒度的不同將SIG服務(wù)層的監(jiān)控對(duì)象歸納為如下兩類：a)SIG節(jié)點(diǎn)，包括主機(jī)離線、主機(jī)在線、主機(jī)硬件資源的消耗狀態(tài)、主機(jī)的通信狀態(tài)等基本狀態(tài)信息;b)空間信息服務(wù)，包括服務(wù)離線、服務(wù)在線以及服務(wù)負(fù)荷等狀態(tài)信息[5]。

監(jiān)控事件是與監(jiān)控對(duì)象緊密聯(lián)系的，是在特定時(shí)間由特定輸入觸發(fā)的輸出結(jié)果。監(jiān)控對(duì)象的監(jiān)控事件被觸發(fā)之后，事件消息傳遞給空間信息網(wǎng)格資源評(píng)測(cè)模塊，進(jìn)而為監(jiān)控對(duì)象賦予狀態(tài)信息，并且監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)信息將映射到空間信息網(wǎng)格UDDI中心的具體數(shù)據(jù)模型上。之后，UDDI中心的發(fā)現(xiàn)模塊能夠根據(jù)監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)信息屏蔽對(duì)處于非工作狀態(tài)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)的發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求，提高UDDI中心的服務(wù)質(zhì)量。SIG的監(jiān)控對(duì)象對(duì)應(yīng)有兩種監(jiān)控事件：a)警告。監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)超過(guò)預(yù)定的警戒值尚未對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行構(gòu)成致命威脅，如SIG節(jié)點(diǎn)負(fù)載超限，造成系統(tǒng)運(yùn)行效率降低，但系統(tǒng)還未崩潰。b)故障。監(jiān)控對(duì)象的運(yùn)行呈停止?fàn)顟B(tài)，即對(duì)于任何輸入均無(wú)相應(yīng)輸出。SIG節(jié)點(diǎn)和空間信息服務(wù)離線。

2．3空間信息網(wǎng)格資源交易環(huán)境

SIG資源交易環(huán)境力求引導(dǎo)空間資源共享與應(yīng)用的商業(yè)模式，推動(dòng)空間資源的規(guī)模應(yīng)用。其不僅支持空間基礎(chǔ)資源、服務(wù)和產(chǎn)品的交易活動(dòng)，而且更加關(guān)注于軟件交易領(lǐng)域內(nèi)的服務(wù)交易模式。服務(wù)交易模式被微軟認(rèn)定為將來(lái)軟件業(yè)內(nèi)的主流交易模式。SIG資源交易環(huán)境作為面向用戶的統(tǒng)一資源訪問(wèn)入口，使用UDDI中心的應(yīng)用元數(shù)據(jù)和資源管理中心的基礎(chǔ)元數(shù)據(jù)來(lái)定位、選擇、調(diào)用和集成SIG資源層的服務(wù)資源及基礎(chǔ)資源，并完成交易過(guò)程的公證、交易計(jì)費(fèi)，以及交易結(jié)果的配送等功能。

空間資源的買方根據(jù)空間資源交易的標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)領(lǐng)域模型向SIG資源交易環(huán)境提交資源請(qǐng)求文檔。資源交易環(huán)境的交易計(jì)劃生成引擎將據(jù)此與空間信息網(wǎng)格UDDI中心交互，產(chǎn)生滿足購(gòu)買請(qǐng)求的一系列空間資源交易計(jì)劃，進(jìn)而根據(jù)用戶購(gòu)買目標(biāo)形成偏好的交易計(jì)劃并判斷是否需要繼續(xù)執(zhí)行偏好交易計(jì)劃。如果不需要?jiǎng)t直接將交易計(jì)劃輸出給購(gòu)買者；否則交易計(jì)劃執(zhí)行引擎會(huì)解析具體的交易計(jì)劃，并按順序同空間資源提供商協(xié)商使用其資源，并負(fù)責(zé)將多個(gè)調(diào)用結(jié)果集成之后，提交給購(gòu)買者。

3空間信息網(wǎng)格UDDI中心的設(shè)計(jì)

空間信息網(wǎng)格UDDI中心資源共享框架的關(guān)鍵組成部分是研究設(shè)計(jì)資源交易環(huán)境的前提條件和依據(jù)，同時(shí)接收來(lái)自資源管理中心的監(jiān)控對(duì)象狀態(tài)數(shù)據(jù)流?？臻g信息網(wǎng)格UDDI中心采用B/S和遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用相結(jié)合的混合模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。就B/S模式而言，在表現(xiàn)層選用JSP技術(shù)，在業(yè)務(wù)邏輯層選用Java類和Bean，在數(shù)據(jù)層選用JDBC和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。就遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用模式而言，選用SOAP[3，6]機(jī)制，客戶端發(fā)送的SOAP請(qǐng)求發(fā)送到服務(wù)端的目標(biāo)Servlet，由其對(duì)SOAP請(qǐng)求進(jìn)行解析并調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯Java類和Bean，進(jìn)而將業(yè)務(wù)邏輯的響應(yīng)結(jié)果封裝為SOAP包并發(fā)送給請(qǐng)求客戶端；最后客戶端接收并解析響應(yīng)的SOAP。其技術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

空間信息網(wǎng)格UDDI中心總體上遵從UDDI規(guī)范2.0版，但根據(jù)領(lǐng)域特征和需求進(jìn)行了較大程度的擴(kuò)充和改進(jìn)。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)涵蓋了UDDI數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范2.0的范疇，并根據(jù)UDDI 程序員API規(guī)范2.0提供了基于Web和SOAP的兩套實(shí)現(xiàn)機(jī)制，能夠支持Microsoft UDDI SDK2.0、IBM UDDI4J等主流UDDI客戶端開發(fā)工具的訪問(wèn)。此外，通過(guò)引入領(lǐng)域分類體系，使其支持的實(shí)體類型超越了UDDI規(guī)范中的五類實(shí)體[3]，還能夠?qū)臻g數(shù)據(jù)資源、可執(zhí)行程序、其他類型的組件，以及專業(yè)設(shè)備等提供發(fā)布和發(fā)現(xiàn)支持。

4實(shí)驗(yàn)

國(guó)家地質(zhì)調(diào)查局要就各省、直轄市過(guò)去一個(gè)年度內(nèi)地下水的儲(chǔ)量和分布數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，進(jìn)而預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)期全國(guó)地下水的儲(chǔ)量和分布狀況。但是，各省、直轄市的地下水?dāng)?shù)據(jù)分布在省級(jí)地質(zhì)調(diào)查中心，并且各省之間、甚至同省不同年份之間的地下水?dāng)?shù)據(jù)的組織存儲(chǔ)方式差異巨大；部分?jǐn)?shù)據(jù)采用常用的文件格式存儲(chǔ)，而其余部分?jǐn)?shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。這是典型的多源異構(gòu)分布式數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)集成問(wèn)題，在空間信息網(wǎng)格范疇內(nèi)可以較好地解決。 

4．1設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)地下水Web服務(wù)

各省、直轄市地質(zhì)調(diào)查中心根據(jù)本地地下水的異構(gòu)數(shù)據(jù)模型，遵照OGC的WMS[7] 和WFS[8]實(shí)施規(guī)范，根據(jù)各年度的地下水儲(chǔ)備和分布數(shù)據(jù)開發(fā)相應(yīng)的Web服務(wù)。因?yàn)閃FS的輸出是基于統(tǒng)一Schema的GML[9]空間數(shù)據(jù)文件，WMS的輸出是特定格式的圖像，所以在WFS和WMS這一層對(duì)用戶屏蔽了原始數(shù)據(jù)的異構(gòu)特征。各省、直轄市地質(zhì)調(diào)查中心以SIG節(jié)點(diǎn)的角色向空間信息網(wǎng)格UDDI中心發(fā)布信息節(jié)點(diǎn)及所屬地下水Web服務(wù)的應(yīng)用元數(shù)據(jù)信息。用戶關(guān)心的只是包括地下水Web服務(wù)的應(yīng)用元數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而屏蔽了原始數(shù)據(jù)的廣域分布特征。

4．2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)地下水評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)客戶端

國(guó)家地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)相應(yīng)的地下水評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)客戶端應(yīng)用程序。該客戶端首先調(diào)用空間信息網(wǎng)格UDDI中心對(duì)外提供的訪問(wèn)API，檢索所有遵照OGC WFS和WMS實(shí)施規(guī)范的目標(biāo)省、直轄市的地下水Web服務(wù)，并根據(jù)各個(gè)地下水Web服務(wù)的綁定技術(shù)規(guī)范在程序中動(dòng)態(tài)調(diào)用遠(yuǎn)程部署的目標(biāo)WFS，進(jìn)而得到一個(gè)或多個(gè)GML格式的地下水?dāng)?shù)據(jù)文件以及特定格式的圖像。這些GML文件以及圖像經(jīng)過(guò)專業(yè)的地下水評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)模型處理之后，可以采用多種可視化技術(shù)向用戶輸出評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)結(jié)果。圖3描述了地下水評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

客戶端在第一次獲得目標(biāo)地下水Web服務(wù)的訪問(wèn)入口地址時(shí)就將其緩存起來(lái)，以免每次調(diào)用都需要與空間信息網(wǎng)格UDDI中心交互。如果客戶端根據(jù)緩存的訪問(wèn)入口地址調(diào)用目標(biāo)地下水Web服務(wù)不成功，則再次與UDDI中心交互，并緩存返回的數(shù)據(jù)。本質(zhì)上，地下水評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)客戶端無(wú)須關(guān)心地下水Web服務(wù)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)細(xì)節(jié)和部署細(xì)節(jié)，也不會(huì)因?yàn)閷?shí)現(xiàn)方案和部署方案的變更而受到影響。

5結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)空間信息領(lǐng)域內(nèi)存在的網(wǎng)格問(wèn)題，結(jié)合網(wǎng)格技術(shù)、Web服務(wù)和網(wǎng)格服務(wù)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用狀況，給出了空間信息網(wǎng)格的資源共享策略和框架?？臻g信息網(wǎng)格UDDI中心需要進(jìn)一步完善和發(fā)展，逐步考慮將空間信息的領(lǐng)域語(yǔ)義與空間信息服務(wù)和UDDI中心結(jié)合，使得根據(jù)內(nèi)容發(fā)現(xiàn)和訪問(wèn)空間資源成為可能，這需要進(jìn)一步研究DAML－S[10]規(guī)范和空間信息服務(wù)領(lǐng)域ontology（本體）。

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