网格计算环境对GIS的挑战

李德仁 朱欣焰 龚健雅  (2004.02.03)

    网格计算环境对GIS的挑战
    自从纸张发明以后，人类用纸质地图表示地理空间信息已有几千年的历史。电子计算机出现后，人们又开始在计算机中用离散而有拓扑关系的点串来描述点、线、面、体各种空间要素，这就出现了数字地图。信息技术发展到今天，数字地图已不是地理空间数据在计算机中唯一的表示方法，网格技术对原有的GIS提出了新的挑战。
　　GIS在过去10年内得到了极大的发展。但面对新技术，它还有许多局限。一是空间信息的利用率不高，各个部门建立的信息系统与地理信息系统难以相互利用，形成信息“孤岛”。传统的空间信息系统没能很好地解决空间信息的共享和利用问题。究其原因，主要在于GIS是面向空间数据，特别是地图数据的，而不是直接面向空间信息的。空间信息必须用某种算法由空间数据导出来。所以对用户特别是大型用户的大任务，它是不友好的，不方便的，也是十分费时的。二是目前的数字化地图还不能离开比例尺的概念。多比例尺的影像或DEM数据目前已实现了某种程度的互动，但目前还不能自动从影像数据中提取矢量数据，影像数据和矢量数据之间缺乏互动能力。三是我国在空间信息共享方面的标准制定工作相对滞后。为了实现网络环境下空间数据共享，还需要研究和完善空间数据元数据标准，制定地理空间信息编码规则，修改完善地球空间数据转换格式标准，修改完善基础地理信息符号标准，制定地理空间信息互操作标准等等。四是大地坐标系的发展的影响。大地坐标系即全球时空基准与框架总是随着技术进步而不断精化，它的变化给数字地图带来许多至今无法解决的问题。而且，由于GPS技术和整个卫星大地测量、卫星重力测量等技术的飞速发展，全球时空基准与框架不断精化，其周期越来越短，必将走向实时动态化。因此，以存贮某一坐标系下的坐标串为主要方式的空间信息系统已不能适应这种变化，需要从地理空间数据在计算机中的表示方法来寻求非地图表示的新方法。五是空间信息一般采用网格索引，由于GIS应用的逐步推广和关系数据库技术的发展，基于关系数据库或者对象关系数据库的空间数据管理正在逐步成为GIS发展的潮流。因此，研究基于关系数据库技术下的空间数据组织成为当前GIS研究的趋势。六是从空间仓库技术来看，GIS在取得巨大发展的同时，多维信息的空间分析能力不足以及空间分析的结果不实用越来越明显。在实际应用中，使用者不仅要从GIS中得到详细的多维信息，也要得到概括的多维信息，这些信息往往对提高空间辅助决策分析的能力非常有用。为此有必要引入数据仓库技术。数据仓库在空间数据库上表现为空间数据仓库。
　　综上所述，从目前地理信息系统与相关技术的发展、相互集成中存在的问题和从数字地球到数字城市及其它应用所提出的要求两大方面来看，需要人们突破几千年来传统的以地图方式表示地理空间数据和信息的框框，去探求地理空间数据与信息在网络计算机系统中的新的表示方法，去创造与全球开展的网络计算相适应的空间数据表示的新方法。

    网格技术促进GIS的发展
　　地球空间信息多级网格中的“网格”与网格技术中“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、空间数据的组织以及检索等技术，而后者主要强调在广域网上整体资源的整合与利用。然而，在广域网络环境下的空间信息资源如何有效整合才能有利于空间信息的共享与利用呢？本文作者试图将“网格”的两种概念加以结合，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，便于网格计算环境下空间信息资源的整合、共享与利用。
　　目前网格技术研究工作主要在网格计算、信息网格等方面。网格计算通过网络连接各类计算机（包括机群）、数据库、各类设备和存储设备等，形成对用户相对透明的、虚拟的、高性能计算环境，它的应用包括分布式计算、高吞吐量计算、协同工程和数据查询等诸多功能。网格计算被定义为一个广域范围的“无缝集成和协同计算环境”。信息网格是要利用现有的网络基础设施、协议规范、Web和数据库技术，为用户提供一体化的智能信息平台，其目标是创建一种架构在OS和Web之上的基于Internet的新一代信息平台和软件基础设施。在这个平台上，信息的处理是分布式、协作和智能化的，用户可以通过单一入口访问所有信息。信息网格追求的最终目标是能够做到服务点播和一步到位的服务。信息网格的体系结构、信息表示和元信息、信息连通和一致性、安全技术等是目前信息网格研究的重点。

　　空间信息多级网格理论方法体系的初步设想
　　空间信息走网格化道路是大势所趋，但是考虑到地球空间的自然特征、社会属性的差异性以及经济发展的不平衡的特点，本文提出一种适合网格计算环境支持下的空间信息多级网格技术。
　　空间信息多级网格的核心思想是：按不同经纬网格大小将全球、全国范围划分不同粗细层次的网格，每个层次的网格，在范围上具有上下层涵盖关系。每个网格以其中心点的经纬度坐标来确定其地理位置，同时记录与此网格密切相关的基本数据项。落在每个网格内的地物对象记录与网格中心点的相对位置，以高斯坐标系或其它投影坐标系为基准。根据实际地物的密集程度确定所需要的网格尺度，如地物稀疏的地方只需要粗网格，而地物密集的地方则按细网格存贮空间与非空间数据。
　　我国空间信息多级网格的体系结构包括：空间信息多级网格的划分，每个网格点属性项的确定，行政区划与空间信息多级网格对应关系的确定，基于网格计算技术的空间信息多级网格结构。这四项内容应当成为标准，数据采集、更新、维护、管理和使用部门均服从这个统一的空间信息多级网格标准，以利于网格分布计算。
　　空间信息包括几何与属性数据按多级网格的存取与多比例尺地图空间数据库的区别在于所有数据直接由粗或细网格组成的统一网格系进行存贮、查询、分析和应用，而无需通过地图综合为每一级网格存贮一个完整的数据集，形成一个变网格的统一数据集，保证了数据的完整性和一致性。
　　空间信息多级网格的信息表示、数据存储与快速查询技术以传统GIS空间数据表示、数据组织和查询技术为借鉴，研究空间信息多级网格的信息表示、数据存储与快速查询技术。只有解决了这里所列出的技术关键点，空间信息多级网格才有可能成为现有数字地图和空间数据库的补充或替代产品并得到真正的应用。
　　空间信息多级网格处理与分析技术分为网格层次和网格内部两个方面，一是网格内部的处理与分析，可以在传统GIS空间分析的基础上结合网格计算技术进行，实现空间网格信息节点内的处理与分析服务。网格层次上的处理与分析需要空间网格信息节点之间的协同，同时考虑空间信息多级网格的特点。这里的关键是使空间信息多级网格处理和分析技术有效地融合到网格计算的环境中，来满足经济建设、国防建设和面向全社会服务的需要。

　　空间信息多级网格在宏观决策中的应用研究
　　空间信息多级网格研究的主要目标是空间信息的共享与服务。以网格中心点为数据附属体，通过网格内部空间数据处理与分析，提供以网格为单位的主题数据，这些数据构成基于多级网格信息的基础，在软硬件环境的支持下，空间信息多级网格为国家和省市宏观决策提供空间信息服务。主要内容为面向国家和省市宏观决策的主题信息组织结构研究。研究主题可以面向教育、人口、资源环境、交通等领域。
　　空间信息多级网格作为一种新的空间信息在计算机中的表示方法，其最主要而且最有效的应用应当是在国家和省市自然、经济、社会发展信息的及时获取、分析和在宏观决策中的应用。由于其数据结构比传统空间数据库更先进，在这类应用中空间信息多级网格将发挥其独特的优越性。

（作者单位：测绘遥感信息工程国家重点实验室）