网格技术在国土资源信息化中的应用探讨

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  岳海斌¹ 周庆俊¹ 陈鸿志¹ 李留所²

  （1.福建省莆田市国土局，莆田，351100；2.福建省国土勘测规划院，福州，350003）

  摘要：在概述网格技术内涵、特点和发展现状的基础上，探讨了在国土信息化建设中网格技术在构建基础框架、处理海量和优质服务三方面的应用，并对今后网格技术对“数字国土”建设的影响进行了展望。

  关键词：网格技术；信息化；国土；应用

  我国将在“十一五”期间建成覆盖到县的土地利用现状库，通过遥感卫星拍摄和地面实地调查，实现对耕地占用、补偿和违法用地情况的实时动态监测。这一目标为国土信息化建设提出了新的要求。随着近些年国土信息化的建设，各省国土部门基本上建立起了网络系统、基础库系统和政务管理系统，但是当前在标准化、基础共享、系统集成、整合、实时动态监测以及信息化服务还存在着许多的问题亟待解决。网格技术的兴起为国土信息化建设一个新思路，由于网格技术自身特点产生的大吞吐量计算能力、透明访问以及应用服务集成等诸多优势，在土地利用动态监测、国土开发利用、三维城市建模等领域中具有广阔的应用前景。

  1 网格技术

  网格技术起源于20世纪90年代美国资助的分布式超级计算（distributed super-computing）项目I－WAY。从1993年开始，网格计算与互联网技术的进一步融合，酝酿产生了继因特网、Web之后的第三次技术浪潮。现在详细阐述网格的内涵、特点和发展现状。

  1.1 网格的内涵

  网格从提出到现在已经有十几年的时间，与网格相关的各种技术也日益完善，但至今仍没有一个确切的概念来定义网格。网格计算研究的先导Iran Foster给网格下的定义是：网格计算是动态多机构虚拟组织中一个协调的共享和解决问题的过程。这个定义引入了虚拟组织的概念，的范围更加广泛，共享更具目的性，强调协同解决问题，其问题存在的环境具有异构、分布、动态、演化等特点。简单地讲，一大批异构的组成了一个网格，这些以众所周知并且一致的方式进行交互和运转。具体地讲，网格是可以作为虚拟的整体而使用的在地理上分散的异构，这些可能属于不同管理域，它们包括网络可达的异构计算机、科学仪器、文件和超级计算系统等。从这个概念来讲，集、机、计算机和网络附加存储设备、科学装置、网络等本身都不能称之为网格，但它们可能是网格系统的重要组件。

  可以着重从以下三方面理解网格概念：第一，从概念上，网格的目标是共享和分布协同工作。网格的这种概念可以清晰地指导行业和企业中各个部门的进行行业或企业整体上的统一规划、部署、整合和共享，而不仅仅是行业或大企业中的各个部分自己规划、占有和使用。

  第二，网格是一种技术。为了达到多种类型的分布共享和协作，网络计算技术必须解决多个层次的共享和合作技术，将Internet从通讯和信息交互的平台提升到共享的平台。但是目前并行计算、分布计算中间件等现行技术远远没有解决多组织之间的共享问题，以及广域范围的多系统之间联合处理和计算等网格计算所面临的关键问题。因此，网格计算技术研究具有独特性、紧迫性和挑战性。

  第三，网格是基础设施，是通过各种网格综合计算机、、设备和服务等的基本设施。这种设施的建立，将使用户如同今天按需使用电力一样，无需在用户端配置大量的全套计算机系统和复杂软件，就可以简便地得到网格的各种服务。这样，设备、软件投资和维护开销将大大减少。

  图1给出了网格的概念图。从图中可以看到，网格概念的精髓包括：网格首先是指跨管理域的集合体，然后是指基于这些的协同问题求解技术。实现网格的协同应用求解，涉及信息领域的诸多技术，如并行计算技术、分布计算技术、知识工程、挖掘、信息安全和软件代理等。

  图1 网格概念图

  1.2 网格的特点

  网格作为一种新出现的技术，和其他技术相比，有其重要的特点，理解和掌握这些特点是构建网格应用系统的关键。

  （1）分布与异构性（Distributed and Heterogeneous）：网格系统由分布在Internet上的各类组成，包括各类大型机、工作站和PC机，它们是异构的，可运行在Unix、Windows、Linux等各种作系统上，也可以是上述机型的机系统、大型存储设备、库或其他设备。由于网格系统的这种分布性与异构性，因此如何实现异构机器之间与任务的分配与调度、安全通信与互作、实时性等问题是网格计算的首要问题。

  （2）动态性（Dynamic）：组成网格系统的不是一成不变的，而是动态变化的，随着时间的推移，原先不在网格上的有可能连接到网格上，原先在网格上的由于故障或其他原因有可能不再可用。针对网格的动态变化性，管理必须能动态监视和管理网格，实现任务的动态迁移，从可利用的中选取最佳服务。

  （3）自治性与多重管理性（Autonomy and Multi-administer）：网格上的是属于不同的组织或个人的，的拥有者应该拥有对管理的最高权限，这就是网格的自治性。但网格也必须接受网格的统一管理，否则不同组织的就无法建立联系，无法实现共享和互作，也就无法作为一个整体为网格用户方便的服务。

  1.3 网格的发展现状

  网格的发展经历了从元计算到面向信息服务的历程。在国外网格方面有代表性的研究有美国的技术网格（NTC）、分布式万亿次计算基础设施（DTF）、美国宇航局IPG、美国能源部和3个重点实验实Sandia、Livermore与Los Alamos共同承担的ASCI Crid、美国国防部的全球信息网格（Global Information Grid）以及欧盟的Data Crid等。目前已经出现了不少在一定程度上支持网格计算的系统，比较著名的有 Clobus、Legion、Clobe、Netslove和Javalin等。

  我国也在加紧网格基础设施方面的研究，已经完成的网格研究项目主要有清华的先进计算基础设施（Advanced Computational Infrastructure，ACI）和以中科院计算所为主的高性能计算环境（National High Performance Computing Environment，NHPCE）。目前国内正在进行的网格研究项目主要有：有多家单位参加的863计划资助的“中国网格（chi-na grid）”、上海多所参加的“上海教育科研网格”、航天二院和清华共同开发的“网格”、中科院计算所领衔开发的“织女星网格”等，另外，全国还有几十所和研究机构正在开展各种网格研究。

  目前，在世界范围内的网格计算项目很多，但在相关的地理空间信息领域的应用并不是很多，仍处于起步阶段。我国已经开始进行有益的尝试，上海市在第5 届工博会“数字城市与城市网格”国际论坛上首次提出建设上海城市网格的计划。该计划将连接全市超级计算机，形成以海量存储和网格运算的共享环境。上海城市网格的建设，已列为我国五大网格项目之一。目前正计划在集合气象预报、政务、远程医疗和城市应急处理领域开展网格示范应用。随着网格技术的进一步完善，其应用领域将更加广泛。

  2 网格技术在国土信息化中的应用探讨

  从以上的分析可以看出，网格技术在充分利用网络，实现信息共享，处理海量等方有明显的优势，而这些恰恰是实现国土信息化建设的基础，所以网格技术将成为未来信息化建设的核心技术之一，现就网格技术在未来国土信息化中建设的具体的应用进行探讨。

  2.1 实现基础共享

  在当前信息化建设中，各个应用服务因业务逻辑和建设主体的不同而单独的建设，各个服务没有整一个有机的统一整体，查询一项内容往往需要分别跨越几个不同的应用服务系统才能得到较为满意的结果。另外由于各自分散建设，特别是信息化建设的空间信息大量存在语法级、结构级和语义级异构，采用各异的开发语言、通信协议议和系统平台，缺乏信息共享的机制，信息未能得到充分利用，因此建成的系统往往不能最大限度地发挥作用，了信息化建设整体的成效。同样，对国土信息化建设而言，由于其业务涉及许多相关部门，如何实现信息共享，不仅是系统建设的一个重要目标，也是提高部门效率的根本保证。例如，在土地利用规划编制过程中，涉及大量的基础，包括图件、人口统计、国民经济发展、产业发展，这些分布在不同的部门内，因此迫切需要将现有的信息以一种最方便、最有效的方法给规划编制者。网格技术为这种消费者迫切需要大量空间，而空间生产者拥有海量却无法有效的解决了一个通道，在将来的信息网格框架下，各个部门都是信息网格上的一个节点，因此每个部门就可以通过信息网格获取这些异构的，无疑将促进各部门的工作效率，实现协同办公和提高对地质灾害等紧急的快速反应和决策能力。

  2.2 处理国土业务海量

  当前国土业务中处理的信息量非常大，例如，要实现耕地动态监测，必须有强大的耕地遥感专题影像的处理能力，特别是要做到能够利用遥感技术准确实时地对耕地利用情况进行动态监测，从每季度监测一次到每月监测一次，甚至每周监测一次，及时对违法用地现象进行处理。由于遥感影像的量通常很大，少的几百MB，多的几个GB，处理起来是非常消耗计算的，特别是超大幅的高分辨率遥感影像。受处理能力的，传统遥感影像处理往往采取分幅处理的方法，而且各个处理环节往往分开进行，造成遥感影像处理周期过长。遥感影像处理周期过长的一个严重后果是等遥感影像处理完成之后，对实际应用已经没有太大意义。大量的遥感影像只能成为历史档案，而不能及时地辅助决策。虽然超级计算机可以解决这个问题，但是由于计算机的成本了信息共享的实现。目前，各级国土部门各自了大量各种类型的计算机。这些计算机绝大多数时候CPU处于空闲状态，造成了极大的资金浪费。如果能够利用网格计算技术把这些计算“收集”起来，“聚沙成塔”，就能够为国土部门超大规模的计算力，使耕地遥感专题影像处理实时化，那么国土主管部门就可以对耕地利用情况进行实时监测，及时制止违法占地现象。国土部也可以动态了解耕地利用情况，防止下级部门的虚报、瞒报等问题。实际上，一些在这个方面已经做出了一些有益的尝试，地球系统网格（Earth System Grid，ESG）、美国航空航天局（NASA）的信息动力网格（In-formation Power Grid，IPG）项目就是采用网格计算技术来处理全球观测（FOS）计划的超大规模遥感影像。

  2.3 优质的信息服务

  国土信息化建设的基础是共享，目的是信息服务，而国土服务的很大一部分信息是空间信息。新一代的网格结构体系－开放网格服务体系结构（Open Grid Services Agricultures，OGSA）为实现优质的信息服务了可能。OGSA是在5 层沙漏结构的基础上结合Web Services提出了新一代的网格结构。在OCSA中一切（计算、存储、网络、程序、库、仪器设备等）都抽象为服务（Services）。在充分考虑网格的异构分布特性的基础上，OCSA对Web Services进行了扩展，提出了动态服务（即网格服务）的概念。通过定义标准的服务接口把服务实现、所在地和物理屏蔽，不仅解决了异构网格环境的互作问题，而且真正实现了服务的虚拟化。而现阶段对空间信息服务的研究大都基于Web Services来进行，它虽然很好地实现了空间信息分布异构共享与互作，但它只是为Web环境下访问的一种标准接口。基于Web Services的空间信息服务方法，在对海量的处理和为用户一体化及完全透明的服务方法上遇到了许多难以克服的困难。网格服务中，分布异构的共享与互作已经成为一个基本特征，必将随着网格的建立迎刃而解。此外，空间信息网格可以实现一体化服务。虽然当前的空间信息模型对用户提出的访问与处理需求可以通过并发并行及先后分离的多个环节来共同完成，但对用户而言，却不是通过一次请求便可以实现，空间信息网格服务中将很方便地实现这一点。最后，空间信息网格服务将向用户三维可视化的访问与作接口。因为在网格中，所有的信息与应用都建立在空间位置信息的基础上并与之关联，从而所用用户对所有访问与应用请求都能通过虚拟的空间地理位置来作，所以，能够为用户真正三维可视化服务。

  网格是网络应用需求不断增加的必然的产物，虽然网格技术近年来由于各国和企业的重视已取得了很大的进步，也有一些相关的应用，但总体来讲，网格的发展还处于初期阶段。把网格技术应用于国土信息化建设，是对数字国土的扩展，网格技术的发展，必将对数字国土的发展带来深远的影响。

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  浏览 367赞 140时间 2023-12-19