网格GIS：地理信息系统应用

（一）网格和网格计算

网格计算被誉为继Internet和Web之后的“第三个信息技术浪潮”，有望提供下一代分布式应用和服务，对研究和信息系统发展有着深远的影响。网格将分布在不同地理位置的计算资源通过高速的互联网组成充分共享的资源集成，从而提供一种高性能计算、管理及服务的资源能力。传统因特网实现了计算机硬件的连通，Web GIS实现了网页的连通，网格则试图实现互联网上的所有资源的全面连通，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等。网格技术研究工作可以分为3个层次，即计算网格（Computing Grid）、数据（信息）网格（Data Grid）、知识网格（Knowledge Grid）

计算网格是网格的系统层，它为应用层（信息网格、知识网格等）提供系统基础设施，在网格技术中起着基础的作用。地理上广泛分布的空间数据，对其处理往往是计算复杂、计算量大，许多数据分析处理要求千亿次或万亿次规模的计算能力。而现有的空间数据管理体系结构、方法和技术已经不能满足人们对高性能、大容量分布存储和分布处理能力的要求。因此，在计算网格的基础上人们提出了数据网格（Data Gird）的构想，以解决上述应用所面临的问题。在数据网格计算中，资源是分布的，资源及其提供者也是分布的，这些资源包括数据、计算机、设备、网络、外设、软件、服务、代码、人员等。数据网格应用元数据管理和信息服务实现信息和资源的共享。在知识网格中，每个网格节点是一组织良好、管理完善的知识资源，在GIS中对已有知识的运用能够提供用户智能处理方面的功能，因此知识网格的建立是网格计算在GIS中应用的更高层次。

（二）中间件技术

中间件（Middleware）技术作为存在于系统软件与上层应用之间的一个特殊层次，是未来网格计算的核心。它抽象了各种传统的典型应用模式，从而使应用软件制造者可以独立于中层常规应用与低层系统功能实现，而更多地将思路集中在具体的业务逻辑实现中，并基于标准化的形式进行开发，这样就使软件构件化的推广与应用成为可能。随着一些相关工业标准的推出，中间件软件设计模式必将成为可复用软件构件的运行框架，并进一步推动构件应用进程。

1.中间件特性

中间件一般是指运行在客户机或服务器系统上的一种独立的系统软件或服务程序，是一种新型的软件设计模式。在实际应用中，它可以实现多种功能，比如提供远程进程管理、空间信息资源分配、信息存储与访问、系统安全登录和认证、系统安全或服务质量监测等。

中间件是一类软件，而非某一种软件。在网格环境中，中间件不仅可以实现各种应用程序间的简单互连，也可以实现它们之间各种更复杂的互操作。目前，在基于分布式环境的各种应用中，中间件的引入主要是为了解决网络通信方面的功能问题。其中，中间件的位置一般处于应用层和网络层之间，它通过实现相应层次的功能并将其进行透明封装，使相应的应用层软件可以独立于低层实现机制（如计算机硬件和操作系统平台）而单独进行开发，并实现不同平台间相同层次应用的跨平台操作。在已有的实际应用中，很多大型企业级分布式应用标准平台的建立都利用了中间件技术，通过各种中间件将大型企业分散的现有子系统进行组合，从而增强这个系统集成的简单性和强健性。中间件的基本概念如图6-2所示。

图6-2　中间件的基本概念

（a）非中间件的软件结构；（b）基于中间件的软件结构

2.中间件的种类

在基于分布式的网格环境中，中间件可以被分为4种类型，基于RPC（Remote Procedure Calls）的中间件、面向消息的中间件、基于对象请求代理的中间件和数据库中间件。

1）基于RPC（Remote Procedure Calls）的中间件是一种对传统程序设计语言过程调用的扩展，被调用的对象可以存在于分布式系统的任何物理平台上。

2）面向消息的中间件支持基于消息传递的进程间通信方式，这类中间件既适用于客户/服务器模型，也适用于对等网模型，一般比基于RPC形式的中间件具有更高的运行效率。

3）基于对象请求代理（Obecjt Request Brokers，ORB）的中间件是面向对象应用程序的首选，消息可通过ORB进行路由选择，ORB同时处理集成和安全方面的问题。(www.xing528.com)

4）数据库中间件可以支持对异构的传统关系数据库的透明访问。

在GIS领域中，统一并制定网格GIS中间件的各种标准并进行规范化的开发，将会彻底改变传统GIS系统的体系结构和应用模式，使基于网络环境下的空间数据处理和跨平台计算、多用户空间数据同步处理、异构系统间的互操作以及多级分布式系统协同工作等功能的实现成为可能，并将使GIS从传统的提供具体GIS软件转变为根据需求提供具体的GIS功能服务，从而在进一步推动空间信息资源共享的基础上，满足日益增长的多层次、多样化空间信息应用的需求。

3.中间件的作用

中间件是GIS平台与空间数据库之间的转换层，通过中间件的作用，将不同的操作系统平台和数据库平台的差异屏蔽在中间件之后，将面向空间数据管理及应用所需的技术高度专业化地实现出来，供不同的客户端高效地共享和互操作。

由此可以看出，网格中间件的作用是：①基于软件构件化原理，在GIS项目开发过程中，特别是大型软件开发中，通过引进网格中间件，减轻软件系统的“重量级”，符合软件构件化原理，同时也使软件向模块化方向发展，从根本上提高软件的效率和质量；②基于软件可重用原理，从GIS的发展史可以看出，随着其结构与功能复杂性的不断增加，传统的整体化结构与集中式软件设计和运行方式已越来越显示出其自身固有的局限性，基于中间件技术的软件体系可以将部分中间件用于其他程序块，同时也利于程序员的开发；③基于跨平台原理，中间件具有多种模式、多种体系结构和多种软件技术，开发中间件与平台无关，方便了代码的移植和重用；④基于软件体系原理，传统的Client/Server体系在以往的系统设计中曾发挥很大的作用，但在给系统带来灵活性的同时，也逐渐暴露出其客户端和服务器端负担过重的缺陷，而在Client/Middleware/Server体系中，由于中间件的存在，可以大大减轻客户端和服务器端的负担，增强了系统的强健性。

（三）地理标志语言GML

在网格GIS中，各个中间件以及中间件和GlS用户之间的信息交互是通过地理标志语言GML（Geography Markup Language）来进行的。GML，是基于XML在地理应用领域的扩展，它可以用于存储和传输空间地理特征的属性信息和几何信息。它在网络空间GIS应用领域的地位如一个深层驱动机。它能将GIS的数据核心——地理特征采用XML的文本方式进行描述，并能对网络地理信息系统的各功能部件之间的空间信息的传输、通信提供强有力的技术支撑。其作用主要表现在：①GML用于在互联网间资源的共享和交换的地理信息编码；②GML用于地理信息词汇表达方式；③GML用于基于Web的地理信息服务的通信组件。

通过GML将网格GIS用户和网格上的资源联系起来，可以说GML是网格GIS信息交互的血液。GML在网格GIS中的应用是决定网格GIS是否成功的关键技术。

（四）Web Service

Web Service是建立可互操作的分布式应用程序的新平台，即在进行网络间通信时，Web Service通过向外界提供API来完成网络间的各种操作。Web Service平台是一套标准，它定义了应用程序如何在Web上实现互操作。一个Web Service就是一个可以被URL识别的软件应用，其接口和绑定可以被XML描述和发现，并可以通过基于Internet的协议直接支持与其他基于XML消息的软件应用的交互。Web Service是构造开放的分布式系统的基础模块，它们允许所有的企业和个人快速、廉价建立和部署全球性的应用。

Web Service服务符合网格计算中应用要求的平台无关性、位置无关性、简单易用性，且为其提高安全性提供了底层保证，Web Service技术是解决网格计算问题的最好途径。Web Service在W3C中由三个工作组和一个协调组组成，这三个工作组分别是：Web Service结构工作组、XML协议工作组和Web Service描述工作组。Web Service标准正在W3C内部以及其他的标准体内部被定义，他们形成了新的主要工业提议的基础，比如Microsoft的NET、IBM的Dynamic eBusiness、Sun的Sun One等。

（五）分布式计算技术

GIS的发展经历了单机、网络处理方式的演变，目前，多层体系结构GIS成为领域的主导技术方向，以分布式处理为主要特征的GIS组件是构建多层体系GIS业务逻辑层的核心。在GIS功能组件的构建过程中，分布式计算技术提供了低层的技术支撑。

分布计算技术源于20世纪70年代，早期的研究主要集中于分布式操作系统，其后随着分布计算环境的开发和应用的发展转向分布式计算平台。进入20世纪80年代以来，随着面向对象理论的日渐成熟和面向对象技术的迅速发展，尤其是采用面向对象模型设计和开发的大型软件系统的成功应用，人们对面向对象技术逐渐由争论和观望发展到承认和应用。

由于分布式对象拥有足够的信息和处理能力，它知道如何与其他对象进行交互来完成既定的功能，所以一个完整的分布式系统由相互协作的多个分布式，对象构成，每一个对象完成一部分既定的子功能，对象之间通过发送消息来进行通信。为了完成某项功能，它可以跨越单机和网络在整个系统中迁移，而且该过程对用户和应用透明。

随着网络技术的发展，分布计算成为影响当今计算机技术发展的关键技术力量。所谓分布式计算，是指借助计算机网络将分布在不同地点的计算实体进程、对象或构件等组织在一起，进行信息处理的一种方式。分布式计算的理想目标就是要实现分散对等的协同计算，这也是网络技术发展的最理想目标。