基于網(wǎng)格環(huán)境的空間信息服務(wù)集成畢業(yè)論文

1、論文題目：基于網(wǎng)格環(huán)境的空間信息服務(wù)集成摘 要計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布式計算技術(shù)的迅猛發(fā)展為地理信息系統(tǒng)向大眾化、分布式、網(wǎng)絡(luò)化的空間信息服務(wù)的演變提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前對于空間信息服務(wù)的研究，主要是以Web Service為技術(shù)基礎(chǔ)，依據(jù)OGC制定空間信息服務(wù)的一些規(guī)，如WMS，WFS，WCS等。它們在實現(xiàn)空間信息共享與互操作方面起到了一定的作用，但是在對海量分布式空間數(shù)據(jù)的處理以與為用戶提供一體化和透明的服務(wù)方法上遇到了許多難以克服的困難，同時在提供計算能力、協(xié)同能力、等方面也多有不足。其關(guān)鍵問題在于OGC服務(wù)是無狀態(tài)的，無法記錄服務(wù)的具體操作容、服務(wù)地址時間等，不利于服務(wù)鏈的構(gòu)建和互操作。網(wǎng)格

2、技術(shù)1的出現(xiàn)和發(fā)展為空間信息資源的有效利用和共享提供了一個可靠的環(huán)境,為解決空間信息服務(wù)領(lǐng)域存在的一些難點問題帶來了希望。通過共享資源、協(xié)作以與并行計算，網(wǎng)格技術(shù)可以集成計算能力，提供有效集群和負載平衡，支持多用戶空間信息資源操作的協(xié)同，解決空間信息服務(wù)中的諸如計算能力不足、缺乏協(xié)作、由于缺乏狀態(tài)而不能很好的回溯操作2等問題。本文從網(wǎng)格基礎(chǔ)技術(shù)出發(fā)，對網(wǎng)格環(huán)境下的空間信息服務(wù)共享進行了研究，主要的工作有：1. 網(wǎng)格技術(shù)依賴web service，本文深入研究web service的實現(xiàn)技術(shù)，對WSDL,UDDI,SOAP等規(guī)進行了本質(zhì)探討。2. 在分析網(wǎng)格技術(shù)和WSRF規(guī)的基礎(chǔ)上，提出了一種遵

3、循WSRF技術(shù)規(guī)的空間信息服務(wù)資源封裝方法，把OGC服務(wù)改造成服務(wù)與資源分離的形式，設(shè)計實現(xiàn)了網(wǎng)格服務(wù)封裝系統(tǒng)。3. 在網(wǎng)格環(huán)境下探討了空間服務(wù)工作流的實現(xiàn)，嘗試處理服務(wù)服務(wù)之間的互操作。4. 空間信息服務(wù)網(wǎng)格共享平臺Lgrid的開發(fā)設(shè)計。關(guān)鍵詞：GRID，WSRF，OGC Web Service，GLOBUSABSTRACTThe rapid development of computer networks and distributed computing provide a technical basisfor the geographic information systems to

4、be the mass, distributed, networked spatial information services.  The research on present spatial information services is mainly based Web Service framework.According to OGC specification,some standardized spatial information services, such as WMS, WFS, WCS and so on are developed.On some leve

5、ls theytake effects on interoperability and sharing of spatial information, but in the massive distributed spatial data processing and to provide users with integrated and transparent service methods they encounter many difficult problems to overcome, while in computingability, interoperability, hav

6、ing many deficiencies. The key problem is that OGC services are stateless and can not record the content of the concrete operation of services, service address and time is not conducive to interoperability of services and construction of service chain.The emergence and development of grid provi

7、de a secure environment for efficient use and sharing of spatial information resources. Grid technology brings hope to resolve problems esiting in spatial information services. By sharing resources, collaboration and parallel computing, grid computing can be integrated to provide effective

8、 clustering and load balancing, supporting for multi-user collaborative operations on spatial information resource to address the problems such as the lack of computing power, lack of coordination, and the shortcoming that it cant go back in operation because of lack of service states.This research

9、starts from grid technology and further does work about the sharing of spatial information services under grid environment, the main worki did as follows:1. Grid computing is depended on web service, this paper studies the technologies to realize web service such as WSDL, UDDI, SOAP and other norms

10、of the essence.2. In the analysis of grid technology and based on the WSRF specification,i provide a concept of WSRF enabled spatial information servicesresource encapsulation method.The OGC services is transformed into the form that services and resources are seperatedusing a grid service packaging

11、 system .3. Do some work in theimplementation of grid service workflow, try to address service interoperability between services.4. Development and design of a grid spatial information service sharing platform-Lgrid.Keywords: GRID, WSRF, OGC Web Service, GLOBUS60 / 60目錄1緒論51.1研究背景51.2國外研究現(xiàn)狀61.3

12、研究目標與容72空間信息服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)82.1網(wǎng)絡(luò)空間信息服務(wù)概述82.2 WebService技術(shù)92.3 OGC空間信息服務(wù)132.4 目錄服務(wù)與目錄接口規(guī)172.5目前空間信息服務(wù)技術(shù)的不足與缺陷192.6本章小結(jié)203網(wǎng)格相關(guān)技術(shù)203.1網(wǎng)格技術(shù)概述203.2基于WSRF規(guī)的網(wǎng)格服務(wù)框架223.3 網(wǎng)格資源發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控服務(wù)263.4 資源分配管理與調(diào)度293.6網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)313.7 本章小結(jié)344利用WSRF框架的OGC服務(wù)實現(xiàn)354.1空間信息網(wǎng)格364.2基于WSRF框架的空間信息服務(wù)研究374.3 OGC服務(wù)的網(wǎng)格化技術(shù)424.5網(wǎng)格空間服務(wù)互操作與工作流技術(shù)505網(wǎng)格空間信息服

13、務(wù)集成平臺Lgrid555.1系統(tǒng)概述555.2 系統(tǒng)總體設(shè)計565.3網(wǎng)格空間信息服務(wù)訪問與集成575.4網(wǎng)格空間信息服務(wù)自動化生成模塊605.5網(wǎng)格空間數(shù)據(jù)訪問集成與分布式查詢645.6本章小結(jié)66參考文獻671緒論1.1研究背景21世紀網(wǎng)格計算已經(jīng)成為一項逐漸成熟的技術(shù)，不同的人會給出不同的定義。2001年，Ian Foster從抽象的層次上給出了網(wǎng)格的較為寬泛的定義，認為網(wǎng)格主要涉與到動態(tài)、多機構(gòu)的虛擬組織協(xié)調(diào)的資源共享和問題解決，關(guān)鍵的概念是在一組參與者(提供者和消費者)之間協(xié)商資源共享的安排并利用所得資源實現(xiàn)特定目標的能力2。實際上，網(wǎng)格計算的定義很簡單:使用網(wǎng)格計算技術(shù)，可以將一

14、組服務(wù)器、存儲系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)組合成一套大的系統(tǒng)，并提供高質(zhì)量的服務(wù)。對終端用戶或者應(yīng)用，網(wǎng)格計算象一個巨大的虛擬計算系統(tǒng)。再進一步的分析，網(wǎng)格技術(shù)允許組織、使用無數(shù)的計算機共享計算資源，來解決問題。被解決的問題可能會涉與到數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)或者數(shù)據(jù)存儲。這個由網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合在一起的系統(tǒng)，可能是在同一個房間，也可能是分布在世界各地，運行在不同的硬件平臺，不同的操作系統(tǒng)，隸屬于不同的組織。它需要標準，開放的，目標統(tǒng)一的協(xié)議和接口。網(wǎng)格是在網(wǎng)絡(luò)之上運行的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)格的物理基礎(chǔ)，網(wǎng)格是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的高級應(yīng)用。網(wǎng)格的實質(zhì)，就是共享與協(xié)作，即在多個機構(gòu)動態(tài)形成的虛擬組織中共享資源和協(xié)同解決問題。社會需求和

15、技術(shù)進步推動了GSI系統(tǒng)走向空間信息服務(wù)。Web服務(wù)技術(shù)使得空間信息服務(wù)具有靈活的體系結(jié)構(gòu)，能夠在系統(tǒng)之間實現(xiàn)互操作4。但是面對計算密集型或者數(shù)據(jù)密集型的空間信息應(yīng)用，例如海量分布式空間信息的搜索和影像處理服務(wù)還是顯得無能為力，缺乏計算力;另外應(yīng)對大量的用戶并發(fā)訪問，無法提供快捷的服務(wù)，缺乏有效集群和負載均衡;缺乏多用戶協(xié)同空間操作的能力;空間信息服務(wù)缺乏移動服務(wù)的能力。這些都需要新的技術(shù)提供支持，網(wǎng)格的出現(xiàn)為空間信息服務(wù)領(lǐng)域解決這些問題帶來了希望。高性能并行計算是提高空間信息服務(wù)效率的有效方法，而網(wǎng)格是提供高性能并行計算有力武器。通過共享資源、協(xié)作以與并行計算，網(wǎng)格技術(shù)可以集成計算能力，提供

16、有效集群和負載均衡，支持多用戶空間操作的協(xié)同，解決空間信息服務(wù)中的諸如計算能力不足、缺乏協(xié)作等問題。網(wǎng)格在空間信息服務(wù)中的應(yīng)用研究，主要是研究在空間信息領(lǐng)域引入網(wǎng)格概念和技術(shù)，建立面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)以與利用網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施改善空間信息服務(wù)，提高服務(wù)效率，計算能力，提供協(xié)同和遷移能力，整合有限的空間信息資源，實現(xiàn)資源的有效共享和協(xié)同5。1.2國外研究現(xiàn)狀近來在GIS和網(wǎng)格兩個領(lǐng)域都已經(jīng)有了相當大的發(fā)展,但將兩個領(lǐng)域相結(jié)合還是一個比較新的研究領(lǐng)域。美國NASA Ames研究中心(ARC, Ames Research Center)的ThomasH. Hinke博士在2004的ESTC (Earth S

17、cience Technology Conference)會議曾提出將網(wǎng)格技術(shù)作為地理科學應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施15。中科院地理所的“面向網(wǎng)絡(luò)的空間信息組織、智能計算與綜合建模技術(shù)”項目使用高性能計算網(wǎng)格技術(shù)解決資源共享問題6。而美國橡樹嶺(Oak Ridge)國家實驗室計算科學中心的G.Mahinthakumar和F. Hoffman、田納西大學的W. Hargrove和北伊利諾斯大學的T.Karonis等人在1999年ACM/IEEE主辦的超級計算年會上介紹了他們利用GT2元計算環(huán)境“開發(fā)多變元、非層次的地理集群應(yīng)用”則完全是面向高性能計算的。美國愛荷華大學物理與天文系的S. Wang、B.

18、Knosp和J. Ni1等人采用一種新的途徑結(jié)合GIS和網(wǎng)格計算技術(shù),通過在網(wǎng)格信息服務(wù)加引入GIS的可視化、查詢、分析功能以向網(wǎng)格應(yīng)用提供有地理參照的信息和知識7。在空間信息領(lǐng)域，將網(wǎng)格服務(wù)和地理信息服務(wù)進行融合的研究相對比較少。尤其是在OGC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在最新的WSRF框架下進行網(wǎng)格化，國外的相關(guān)研究還不是很深入。國外進行相關(guān)研究的有美國印第安納大學的計算科學系(Indiana University Computer Science Department)，該系的社區(qū)網(wǎng)格實驗室(Community Grid Lab)主持的CrisisGrid項目研究了符合Grid Service規(guī)的遵循OGC

19、標準的WMS和WFS服務(wù)；美國喬治梅森大學(George Mason University)的高級信息技術(shù)標準實驗室（Laboratory for Advanced Information Technology and Standards）與NASA對地觀測系統(tǒng)聯(lián)合研究了海量觀測數(shù)據(jù)的信息服務(wù)共享。該實驗室研制了Geobrain中間件，通過該工具可以將OGC服務(wù)進行網(wǎng)格化封裝，實現(xiàn)在網(wǎng)格環(huán)境共享空間信息服務(wù)21。日本網(wǎng)格技術(shù)研究中心(Grid Technology Research Center)的GeoGrid項目在網(wǎng)格環(huán)境下研究了地理信息處理工作流(WPS)互操作技術(shù)，并進行了火山觀測數(shù)據(jù)

20、和處理分析服務(wù)的集成操作實驗。針對如何有效整合廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的空間信息資源才能夠有利于空間信息的共享與利用，德仁院士提出空間信息多級網(wǎng)格理論8，將立足于對地球空間的劃分、空間數(shù)據(jù)的組織以與檢索等技術(shù)的網(wǎng)格概念和廣域網(wǎng)上整體資源的整合與利用的網(wǎng)格概念加以結(jié)合，以地球空間信息多級網(wǎng)格的空間劃分、空間數(shù)據(jù)組織與表示方法作為網(wǎng)格結(jié)點上空間數(shù)據(jù)組織與管理的基礎(chǔ)，便于網(wǎng)格計算環(huán)境下空間信息資源的整合、共享與利用。中科院資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室承擔的,主題為"面向網(wǎng)絡(luò)的空間信息組織、智能計算與綜合建模技術(shù)"的863項目,研究在網(wǎng)格計算技術(shù)支持下,以空間信息網(wǎng)格(SIG)20體系為

21、指導,探索以空間信息網(wǎng)格中間件為基礎(chǔ)的新一代網(wǎng)格地理信息系統(tǒng)(Grid-GIS)的結(jié)構(gòu)與組織體系,開展聯(lián)邦空間數(shù)據(jù)庫、空間計算環(huán)境和虛擬地理環(huán)境前沿技術(shù)研究,并開發(fā)適用于網(wǎng)格計算體系的GIS中間件,實現(xiàn)面向網(wǎng)絡(luò)大型GIS的技術(shù)突破與創(chuàng)新,為中國GIS跨越式發(fā)展提供新的技術(shù)途徑。1.3研究目標與容1.3.1研究目標本文嘗試將網(wǎng)格技術(shù)與地理空間領(lǐng)域的標準與技術(shù)相結(jié)合，以促進對海量分布式地理空間數(shù)據(jù)與服務(wù)資源的管理與利用，并為地理空間領(lǐng)域用戶提供進行資源與知識共享的系統(tǒng)平臺。探索在WSRF網(wǎng)格框架下的空間信息服務(wù)實際是對OGC服務(wù)的網(wǎng)格封裝，為服務(wù)增加狀態(tài)屬性資源，解決OGC服務(wù)的瞬時性問題。利用強

22、類型的網(wǎng)格服務(wù)生成工具，支持更多的數(shù)據(jù)類型兼容不同架構(gòu)的網(wǎng)格服務(wù)，使網(wǎng)格服務(wù)有更好的跨平臺性。利用網(wǎng)格技術(shù)與OGC WebSevrices的結(jié)合將可以發(fā)揮二者的優(yōu)勢，有利于空間信息服務(wù)資源與空間信息數(shù)據(jù)資源的共享。1.3.2研究容論文圍繞“基于網(wǎng)格環(huán)境的空間信息服務(wù)集成”這一主題展開，研究了基于網(wǎng)格的空間信息服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，以與在地圖服務(wù)、空間信息搜索、空間信息服務(wù)協(xié)同以與空間數(shù)據(jù)共享中的應(yīng)用，本文主要研究容如下:(1) OGC服務(wù)規(guī)信息的解析與獲取研究已知OGC服務(wù)訪問與應(yīng)用地址的基礎(chǔ)上，通過方向解析，獲取OGC服務(wù)元數(shù)據(jù)信息。(2)基于網(wǎng)格環(huán)境下WSRF框架的空間信息服務(wù)體系結(jié)構(gòu)研究。研究空

23、間信息服務(wù)應(yīng)用網(wǎng)格技術(shù)的模式和基于網(wǎng)格的空間信息服務(wù)體系的結(jié)構(gòu)。(3) 網(wǎng)格環(huán)境下OGC空間信息服務(wù)的集成與管理研究網(wǎng)格技術(shù)與OGC Web地圖服務(wù)結(jié)合的方式、在此基礎(chǔ)上探討地圖服務(wù)的網(wǎng)格化封裝技術(shù)、網(wǎng)格地圖服務(wù)的實現(xiàn)技術(shù)以與多網(wǎng)格地圖服務(wù)的客戶端技術(shù)。(4)基于網(wǎng)格的空間信息協(xié)同服務(wù)與工作流研究面對群體用戶，研究基于地理信息共同協(xié)調(diào)與合作的工作群體成員間的協(xié)同工作，研究工作群體成員如何基于空間信息協(xié)同工作。初步研究基于網(wǎng)格的空間信息服務(wù)工作流，探索OGC服務(wù)在網(wǎng)格環(huán)境下的互操作。2 空間信息服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)2.1網(wǎng)絡(luò)空間信息服務(wù)概述地理空間信息服務(wù)技術(shù)的產(chǎn)生與應(yīng)用無疑是GIS的又一次革命，它使得

24、分布的GIS數(shù)據(jù)和服務(wù)能夠集成在一起，同時為Web GIS系統(tǒng)間以與Web GIS與其它應(yīng)用的集成和互操作帶來了新的解決方案，為空間數(shù)據(jù)的共享提供了新思路。WEB服務(wù)與空間信息應(yīng)用的結(jié)合形成了地理空間信息Web服務(wù)。空間信息WEB服務(wù)允許發(fā)現(xiàn)、訪問、集成、分析和可視化多種在線空間數(shù)據(jù)和空間處理服務(wù)。作為OGC(Open GIS Consortium)互操作計劃(interoperability Program)的容之一，OGC提出了面向空間信息的在線分析、處理和集成的Web服務(wù)(OGC Web Services，OWS)體系9。它描述了一個分布式的空間服務(wù)環(huán)境，即“ Spatial Web”，

25、通過這個環(huán)境，不同的空間信息Web服務(wù)形成了一個動態(tài)的開放互操作的服務(wù)鏈，從而支持動態(tài)的空間分析和應(yīng)用程序的創(chuàng)建?？臻g信息Web服務(wù)正在逐漸成為新的空間信息在線發(fā)布方式。2.2 WebService技術(shù)2.2.1 Web Service特點現(xiàn)階段對空間信息服務(wù)的研究,大都基于Web Service來進行,它很好地實現(xiàn)了空間信息共享與互操作16。因此，要理解空間信息服務(wù)的概念，首先就要了解WebService。Web Service的定義如下：一個Web Service就是一個可以被URI識別的軟件應(yīng)用，用它的接口和綁定可以被XML描述與發(fā)現(xiàn)，并且可以通過基于Internet的協(xié)議直接支持與其他

26、基于XML消息的軟件應(yīng)用的交互。Web Service標準正在W3C（WWW Consortium）部以與其他的標準體部被定義，他們形成了新的主要工業(yè)提議的基礎(chǔ)，比如Microsoft的.NET，IBM的Dynamic eBusiness，Sun的Sun One。Web Service描述了一種新出現(xiàn)的、重要的分布式計算式，和DCE（DistributedComputing Environment）、CORBA（Common Object Request Broker Architecture）、JAVA RMI等方法不同，它更強調(diào)基于單個INTERNET標準（XML）來解決異構(gòu)分布計算的問題

27、10。WebService具有三個主要特點，分別是互操作性、普遍性、廉價性。1）互操作性：一個Web Service可以與其它Web Service進行交互，多個服務(wù)共同工作，完成用戶請求的操作。可以說是為人服務(wù)的，WebService是為軟件服務(wù)的。Web Service由于使用標準的XML語言因而是與平臺無關(guān)、語言無關(guān)的，WebService可以使用任何程序設(shè)計語言寫成，因此開發(fā)者不需要更改自己的開發(fā)環(huán)境就能開發(fā)供他人使用的Web Service。新的WebService中可以使用已有的WebService，而不考慮原來的WebService的實現(xiàn)語言以與運行環(huán)境等具體實現(xiàn)細節(jié)。這就意味著

28、我們的客戶端可以用C+編寫在windows下運行，而WebService使用Java編寫而運行在linux下。2）普遍性：WebService使用 和XML進行通信，任何支持這些技術(shù)的設(shè)備都可以擁有和訪問WebService。WebService不僅在計算機網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)，而且將在、汽車、家用電器等設(shè)備中出現(xiàn)?，F(xiàn)在主要的供應(yīng)商都宣布支持SOAP和周邊Web Service技術(shù)，Web Service將普遍地存在于社會生活的各個領(lǐng)域。將來，使用Web Service，我們就能夠通過網(wǎng)絡(luò)在異地指揮家中的電器設(shè)備工作，進行諸如煮飯、加溫、降溫等操作。由于大部分Web Service使用 傳輸消息(像服務(wù)

29、請求和響應(yīng))，那么如果想建立一個Internet圍的程序，這是一個主要的優(yōu)點，因為大部分Internet's的代理和防火墻都不會破壞 的傳輸(不像CORBA會在穿過防火墻時遇到麻煩)3）廉價性：Web Service供應(yīng)商提供的免費工具箱能夠讓開發(fā)者快速創(chuàng)建和部署自己的Web服務(wù)，其中的某些工具箱還可以讓已有的組件方便地成為Web Service，這樣就降低了Web Service的開發(fā)費用，同時也加快了開發(fā)速度。例如，微軟的.NET平臺就以支持Web Service為目標，因此用Visual C#編寫的組件很容易作為Web Service發(fā)布和使用。Web Service是獨立的、模

30、塊化的應(yīng)用，能夠通過網(wǎng)絡(luò)，特別是WWW來描述、發(fā)布、定義定位與調(diào)用。Web Service的體系結(jié)構(gòu)包含三個角色：服務(wù)提供者（ServiceProvider）、服務(wù)請求者（Service Requestor）、服務(wù)注冊器（Service Registry）；角色之間主要有三個操作：發(fā)布（Publish）、查找（Find）、綁定（Bind）。典型的應(yīng)用過程如圖2.2.1：服務(wù)提供者開發(fā)一個Web Service，然后將服務(wù)的描述注冊到服務(wù)注冊器上來發(fā)布服務(wù)；服務(wù)請求者則在服務(wù)注冊器中查找被發(fā)布服務(wù)的描述記錄，通過綁定就可以使用這項服務(wù)了。UDDI發(fā)布服務(wù)（統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成），查找所需的服務(wù)時

31、需要使用UDDI和WSDL，綁定服務(wù)時需要使用WSDL和SOAP。一個典型完整的Web Service調(diào)用的全部調(diào)用步驟如圖4-1。在三個操作中，綁定操作是最重要的，它包含了服務(wù)的實際使用，服務(wù)之間互操作的問題也常常出現(xiàn)在這一環(huán)節(jié)。通過服務(wù)提供者與服務(wù)請求者對SOAP規(guī)的支持，解決了送往服務(wù)器的請求信息的格式化和服務(wù)器本身的響應(yīng)信息的格式化，從而實現(xiàn)了服務(wù)之間無縫的互操作性。圖2.1 Web Service實現(xiàn)過程Fig.2.1 Web Service implementation process2.2.2 XML與GML可擴展標記語言（Extensible Markup Language，X

32、ML)是Internet上數(shù)據(jù)交換的標準，在 WebService中實現(xiàn)信息表達，用于SOAP、WSDL和UDDI。Web服務(wù)區(qū)別于以往商務(wù)集成解決方案的關(guān)鍵在于它使用了XML技術(shù)?？梢哉f，XML是Web服務(wù)的基礎(chǔ)，Web服務(wù)家族里的其他任何一種技術(shù)，都以某種方式使用XML。XML己經(jīng)成為描述“異質(zhì)系統(tǒng)交換信息”的一個標準解決方案11。XML具有簡單性，自描述性，開放標準等具有重要價值的優(yōu)秀特性。地理標志語言(GML)是由OGC定義的XML格式，用來表達地理信息要素。GML提供一個表達地理信息要素的語言模型，同時可以用來在Internet上進行數(shù)據(jù)交換。利用GML可以存儲和發(fā)布各種特征的地理信

33、息，并控制地理信息在web瀏覽器中的顯示。地理空間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為全球信息基礎(chǔ)架構(gòu)的一部分，已成為Internet上技術(shù)追蹤的熱點。許多公司和相關(guān)研究機構(gòu)通過Web將眾多的地理信息源集成在一起，向用戶提供各種層次的應(yīng)用服務(wù)，同時支持本地數(shù)據(jù)的開發(fā)和管理。GML可以在地理空間Web領(lǐng)域完成了同樣的任務(wù)。GML技術(shù)的出現(xiàn)是地理空間數(shù)據(jù)管理方法的一次飛躍。 2.2.3 SOAP簡單對象訪問協(xié)議(simple Objeet Aeeess protoeol，SOAP)12是描述消息傳遞的協(xié)議，它規(guī)定了服務(wù)調(diào)用時請求信息與響應(yīng)信息的格式，SOAP是服務(wù)提供者、服務(wù)注冊表和服務(wù)申請者相互通信的工具，它

34、基于XML，用于在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之間交換結(jié)構(gòu)化信息。一個Web服務(wù)部件一經(jīng)建立，首先要用50”來向服務(wù)注冊表發(fā)布其服務(wù)描述。此后，服務(wù)注冊表、服務(wù)申請者和服務(wù)提供者之間的所有交互都將通過SOAP來完成。另外，由于SOAP使用通用的傳輸協(xié)議(主要是 )，而防火墻很少限制 數(shù)據(jù)，s0AP可以很容易通過防火墻，其他專用的分布式計算協(xié)議如CORSA等是不可能做到的。這也是它成功的關(guān)鍵2.2.4 WSDLWSDL 指網(wǎng)絡(luò)服務(wù)描述語言 (Web Services Description Language)，用于服務(wù)描述， WebService是自描述的。WSDL規(guī)定了有關(guān)Web服務(wù)描述的標準，使Web服務(wù)供應(yīng)者

35、能夠精確指定他所提供的服務(wù)的技術(shù)細節(jié)。它不僅可以描述服務(wù)代碼所處的位置和運行方式，而且可以提供更高層次的信息，例如該服務(wù)涉與的業(yè)務(wù)類型和關(guān)鍵字等信息。服務(wù)申請者通過服務(wù)描述提供的信息調(diào)用該服務(wù)13。WSDL文檔可以分為兩部分，如圖2.2.4。頂部分由抽象定義組成，而底部分則由具體描述組成。抽象部分以獨立于平臺和語言的方式定義SOAP消息，它們并不包含任何隨機器或語言而變的元素。這就定義了一系列服務(wù)，截然不同的都可以實現(xiàn)。隨而異的東西如序列化便歸入底部分，因為它包含具體的定義。圖2.2 WSDL文檔結(jié)構(gòu)圖Fig. 2.2 WSDL document structure diagram2.2.5

36、UDDIUDDI（Universal Description, Discovery and Integration）統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成協(xié)議，是為解決Web服務(wù)的發(fā)布和發(fā)現(xiàn)問題而制訂的新一代基于Internet的電子商務(wù)技術(shù)標準14。它包含一組基于Web的、分布式的Web服務(wù)信息注冊中心的實現(xiàn)標準，以與一組使企業(yè)能將自己提供的Web服務(wù)注冊到該中心的實現(xiàn)標準。UDDI利用SOAP消息來查找和注冊Web服務(wù)。并為應(yīng)用程序提供了一系列接口來訪問注冊中心。圖 2.3 UDDI 的分層 Web 服務(wù)協(xié)議棧Fig. 2.3 UDDI layered Web Service Stack如圖1中所示，UDD

37、I包含于完整的Web服務(wù)協(xié)議棧之，而且是協(xié)議棧基礎(chǔ)的主要部件之一，支持創(chuàng)建、說明、發(fā)現(xiàn)和調(diào)用Web服務(wù)。UDDI構(gòu)建于網(wǎng)絡(luò)傳輸層和基于SOAP的XML消息傳輸層之上。諸如Web服務(wù)描述語言（Web Services Description Language，WSDL）之類的服務(wù)描述語言提供了統(tǒng)一的XML詞匯（與交互式數(shù)據(jù)語言（Interactive DataLanguage，IDL）類似）供描述Web服務(wù)與其接口使用。您可以通過添加分層的功能搭起整個基礎(chǔ)，比如使用Web服務(wù)流程語言（Web Services Flow Language，WSFL）的Web服務(wù)工作流描述、安全性、管理和服務(wù)質(zhì)量功

38、能，從而解決系統(tǒng)可靠性和可用性問題56。2.3 OGC空間信息服務(wù)OGC（Open Geospatial Consortium，開放地理信息聯(lián)盟），是一個非盈利的志愿的國際標準化組織，引領(lǐng)著空間地理信息標準與定位基本服務(wù)的發(fā)展目前在空間數(shù)據(jù)互操作領(lǐng)域，基于公共接口訪問模式的互操作方法是一種基本的操作方法。通過國際標準化組織（ISO/TC211）或技術(shù)聯(lián)盟（如OGC）制定空間數(shù)據(jù)互操作的接口規(guī)，GIS軟件商開發(fā)遵循這一接口規(guī)的空間數(shù)據(jù)的讀寫函數(shù)，可以實現(xiàn)異構(gòu)空間數(shù)據(jù)庫的互操作。基于 （Web）XML的空間數(shù)據(jù)互操作是一個很熱門的研究方向，主要涉與Web Service的相關(guān)技術(shù)。OGC和ISO/

39、TC211共同推出了基于Web服務(wù)（XML）的空間數(shù)據(jù)互操作實現(xiàn)規(guī)Web Map Service，Web Feature Service，Web Coverage Service以與用于空間數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換的地理信息標記語言GML。圖 2.4 .OGC Web Service(WMS,WFS,WCS)Fig. 2.4 .OGC Web Service(WMS,WFS,WCS)2.3.1網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)規(guī)WMS網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（WMS）18能夠根據(jù)用戶的請求返回相應(yīng)的地圖（包括PNG，GIF，JPEG等柵格形式或者是SVG和WEB CGM等矢量形式）。WMS支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 ，所支持的操作是由URL定義的。W

40、MS有三個重要操作GetCapabilities，GetMap，GetFeatureinfo。1. GetCapabilities返回服務(wù)級元數(shù)據(jù)。2. GetMap返回一個地圖影像。3. GetFeatureinfo返回顯示在地圖上的某些特殊要素的信息。還有一些其它操作如DescribeLayer，GetLegendGraphic，GetStyles，SetSytles。事實上用傳統(tǒng)的觀點來解釋，GetMap獲得的就是在桌面程序中畫在控件上的里的結(jié)果，是數(shù)據(jù)的表現(xiàn)17。GetFeatureInfo更容易理解，它和幾乎所有的桌面程序上都用的Info按鈕功能一樣，都是用來獲得屏幕坐標某處的信息，

41、GetFeatureInfo中的參數(shù)是屏幕坐標、當前視圖圍等，在一定程度上也方便了客戶端的編寫。GetFeatureInfo可以同時返回多個圖層中的要素信息，這一點和ArcGIS Desktop等也都是一樣的。WMS還包括一些GetLegend之類的返回圖例信息的請求，也是完全按照桌面既有的標準定義的。2.3.2網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)規(guī)WFSWeb 要素服務(wù)（WFS）19支持對地理要素的插入，更新，刪除，檢索和發(fā)現(xiàn)服務(wù)。該服務(wù)根據(jù) 客戶請求返回GML數(shù)據(jù)。其基礎(chǔ)接口是：GetCapabilities，DescribeFeatureType，GetFeatureGetCapabilities功能與WMS一

42、樣。DescribeFeatureType返回要素結(jié)構(gòu)，以便客戶端進行查詢和其他操作。GetFeature可根據(jù)查詢要求返回一個符合GML規(guī)的數(shù)據(jù)文檔。GetFeature是最重要的接口。其它接口如Transaction 它不僅能提供要素讀取，同時支持要素在線編輯和事務(wù)處理。WFS對應(yīng)于常見桌面程序中的條件查詢功能，WFS通過OGC Filter構(gòu)造查詢條件，支持基于空間幾何關(guān)系的查詢，基于屬性域的查詢，當然還包括基于空間關(guān)系和屬性域的共同查詢。在Web上，WFS的請求不是以SQL實現(xiàn)的，而是通過Filter XML來實現(xiàn)，可擴展性更強。WFS所返回的是查詢的結(jié)果集，從某種程度上說，區(qū)別于WM

43、S的“數(shù)據(jù)的表現(xiàn)”，WFS的結(jié)果集是由完整的Schema定義和約束的結(jié)果集，以GML為載體。這個結(jié)果集，類似于桌面程序查詢結(jié)果的數(shù)據(jù)表。2.3.3網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)規(guī)WCSWeb覆蓋服務(wù)（WCS）提供的是包含了地理位置信息或?qū)傩缘目臻g柵格圖層，而不是靜態(tài)地圖的訪問。根據(jù) 客戶端要求發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)，包括影像，多光譜影像和其它科學數(shù)據(jù)。有二個重要操作GetCapabilities，GetCoverage:GetCapabilities返回一個描述服務(wù)和XML文檔，從中可獲取覆蓋的數(shù)據(jù)集合。GetCoverage是在GetCapabilities確定查詢方案和需要獲取的數(shù)據(jù)之后執(zhí)行，返回覆蓋數(shù)據(jù)。還有可選操

44、作DescribeCoverageType。2.3.4網(wǎng)絡(luò)互操作服務(wù)規(guī)WPSWPS是OGC組織提出的一種地理互操作服務(wù)，為它定義了標準接口，使得空間處理步驟的發(fā)布、用戶對這些處理的發(fā)現(xiàn)和綁定更加容易?！疤幚怼笔侵覆僮骺臻g參考數(shù)據(jù)的算法、計算或者模型?！鞍l(fā)布”意味著可以獲得機器可讀的綁定信息和人可讀的元數(shù)據(jù)，從而運行服務(wù)發(fā)現(xiàn)和使用。WPS通過網(wǎng)絡(luò)向客戶端提供任何一種GIS功能，包括預(yù)編譯的計算或是基于空間參考數(shù)據(jù)的計算模型。WPS提供了從簡單的操作如抽取一個空間參考numbers到復雜的操作如全球氣候編號模型，WPS需要的數(shù)據(jù)既可以從網(wǎng)絡(luò)獲取，也可以從服務(wù)器獲取。接口規(guī)提供了一種機制，能夠確認計

45、算需要的空間參考數(shù)據(jù)、初始化服務(wù)，并管理計算結(jié)果使用戶獲取。WPS的目標是能提供矢量和柵格數(shù)據(jù)的處理。WPS的互操作處理過程如圖所示。圖2.5 OGC WPS互操作架構(gòu)Fig. 2.5 OGC WPS interoperability frameworkWPS規(guī)被設(shè)計成允許服務(wù)提供者列出web處理過程，如多邊形疊加，因此用戶不需要特別了解潛在的部結(jié)構(gòu)或API就可以輸入數(shù)據(jù)和執(zhí)行操作。WPS接口將過程步驟、描述的輸入輸出、客戶端如何請求操作的執(zhí)行和如何處理操作的輸出等都統(tǒng)一標準化。WPS接口定義了三個操作，這三個操作可以被用戶請求和，由WPS服務(wù)器和所有服務(wù)器實現(xiàn)所有的必要規(guī)。這三個操作分別是：

46、GetCapabilities-此操作允許用戶請求和獲取描述某個服務(wù)器執(zhí)行能力的服務(wù)元數(shù)據(jù)文檔。GetCapabilities操作通過WPS接口提供了每個過程的名稱和通用描述。這個操作也支持客戶端-服務(wù)器交互的規(guī)版本的流通。DescribeProcess-此操作允許用戶請求和獲取運行在服務(wù)實例的過程的詳細信息，包括需要的輸入、允許的格式和輸出。Execute-此操作允許用戶通過輸入?yún)?shù)和得到返回結(jié)果，執(zhí)行WPS實現(xiàn)的一個具體過程。這些操作與OGC的web服務(wù)有很多相似之處，包括WMS,WFS和WCS。圖1是概括WPS接口的簡單UML圖表。這種類圖表表示了WPS接口類從OGCweb服務(wù)接口類中繼

47、承了GetCapabilities操作，并且添加了DescribeProcess和Execute操作。圖 2.6 WPS接口UML圖Fig. 2.6 UML diagram of WPS interface2.4 目錄服務(wù)與目錄接口規(guī)OGC WebService借助于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)，制定了一系列相關(guān)標準與規(guī)，致力于在地域上分布的地理空間數(shù)據(jù)與服務(wù)的互操作與共享。其中的網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)規(guī)(CSW)制定了用于發(fā)布與訪問地理空間數(shù)據(jù)、服務(wù)以與相關(guān)資源信息元數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)接口(interface)。為了實現(xiàn)OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)不同實現(xiàn)的互操作，OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)規(guī)制定了一系列相關(guān)的基本規(guī)則，所有OGC網(wǎng)絡(luò)

48、目錄服務(wù)的實現(xiàn)必須遵循規(guī)中制定的基本規(guī)則。這些規(guī)則涉與幾個方面，包括:地理空間信息元數(shù)據(jù)查詢語言、基本元數(shù)據(jù)信息模型與服務(wù)訪問接口。OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)訪問接口支持Hypertext Transferprotoeol( )協(xié)議。OGC網(wǎng)絡(luò)目錄客戶端與服務(wù)之間的交互是通過標準 協(xié)議的“請求一響應(yīng)”模式實現(xiàn)，也就是說，客戶端通過 協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)發(fā)送請求，并期望以 協(xié)議接收到來自于網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)送回的請求結(jié)果或者錯誤異常信息。OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)訪問接口包含7個用于客戶端對服務(wù)進行訪問的操作(Operation)，包括:GetCapabilities、DeseribeReeord、GetDomain、

49、GetRecords、GetRecordById、Harvest與介即tansaction。其中GetCapabilities、DescribeRecord、GetRecord與GetRecordById為OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)實現(xiàn)的必選操作，其余為可選操作。圖 2.7 目錄服務(wù)接口Fig. 2.7 Directory Services Interface這7種操作分為3類。第一類是基本服務(wù)操作(ServiceOperations)，基本服務(wù)操作是所有OGCWebServices系列服務(wù)都包含的操作，客戶端可以借助于基本服務(wù)操作獲取目標OGC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能描述，基本服務(wù)操作只包含GetCapabi

50、lities操作;第二類是查詢操作，包含DeseribeReeord、GetDomain、GetReeords與GetRecordById，客戶端借助于查詢操作獲得OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)的元數(shù)據(jù)信息模型以與從OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)中搜索信息;第三類操作是管理操作，包含Harvest與Transaction，用于對服務(wù)中的信息進行增加、修改或刪除。GetCaPabilities操作使得客戶端可以在運行時(runiime)動態(tài)獲得目標OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)的元數(shù)據(jù)信息。一個成功GetCaPabilities操作的返回是一個包含目標服務(wù)元數(shù)據(jù)信息的XML文檔。該文檔包含Servieeldentifieation

51、、ServieeProvider、operationsMetadata以與FiltereeCapabilities四個部分。servieeIdentification包含與該OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)實現(xiàn)有關(guān)的元數(shù)據(jù)信息，比如服務(wù)名稱、版本、關(guān)鍵字等;Servieeprovider描述了服務(wù)提供者的信息;operationsMetadata詳細的描述了服務(wù)接口元數(shù)據(jù)，包含每一個操作的訪問地址、訪問方法、參數(shù)等;Filter-CaPabilities包含該服務(wù)所支持的過濾功能，即搜索功能70。DescribeRecord操作使得客戶端可以在運行時動態(tài)獲得網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)所采用的元數(shù)據(jù)信息模型。利用GetC即

52、abilities操作，客戶端可以獲得網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)元數(shù)據(jù)信息模型中所包含的所有類型，而利用DescribeRecord操作，客戶端可以獲得元數(shù)據(jù)信息模型中每一種類型的詳細定義。客戶端可以利用GetDomain操作在運行時獲得某一元數(shù)據(jù)記錄元素取值的允許圍。通常情況下GetDomain返回的取值圍要比該元素數(shù)據(jù)類型所定義的取值圍要小。GetRecords操作是網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)最主要的操作。在資源發(fā)現(xiàn)的通用模型中所包含的最主要方法包含兩個操作:搜索(search)與呈現(xiàn)(present)。OGC網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)規(guī)中定義的GetRecords操作，基于 協(xié)議的“請求一返回”模式將搜索與呈現(xiàn)兩種操作融合在一起

53、?？蛻舳嗽贕etRecords操作的請求中指定搜索的目標元數(shù)據(jù)類型、搜索條件以與元數(shù)據(jù)結(jié)果返回形式，對網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)進行查詢。GatRecordByld是資源搜索通用模型中的呈現(xiàn)操作，它用于從網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)中獲取由某一標識(identifier)所指定的元數(shù)據(jù)記錄。Transactinn操作用于創(chuàng)建、修改和刪除目標網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)中的元數(shù)據(jù)記錄。Transaction操作采用“推(push)”的方式在目標網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù)中創(chuàng)建新的元數(shù)據(jù)。2.5目前空間信息服務(wù)技術(shù)的不足與缺陷在WWW網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，空間信息服務(wù)以WebService方式實現(xiàn)，在各自的WebServer注冊，服務(wù)之間松散耦合，不能構(gòu)成在一個統(tǒng)一

54、組織環(huán)境下的協(xié)同和共享。網(wǎng)格環(huán)境下地理空間信息服務(wù)布置在各個節(jié)點，有統(tǒng)一的資源發(fā)現(xiàn)和監(jiān)控機制27。WSRF通過使用ServiceGroup來限制訪問權(quán)限和提供可用服務(wù)注冊表。ServiceGroup是一個WS-Resource，它將指向其他WS-Resources和純Web服務(wù)的指針成組在一起，利用服務(wù)資源可以起到監(jiān)控服務(wù)動作的作用。目前OGC制定的GIS服務(wù)規(guī)中，采用的是標準 的get/post方法傳遞消息，由于該協(xié)議是無狀態(tài)無連接的協(xié)議，其每次連接只處理一個請求，服務(wù)器處理完客戶的請求并收到客戶的應(yīng)答后，即斷開連接，使得事務(wù)處理沒有記憶能力。這些標準 固有的限制使得現(xiàn)有的OGC服務(wù)大多只能

55、完成單一任務(wù)，使得各個GIS服務(wù)之間相互獨立，應(yīng)用集成度不高。隨著網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展，為空間信息獲取與處理提供了新的技術(shù)途徑基于WSRF規(guī)的GIS服務(wù)。在WSRF網(wǎng)格框架下的空間信息服務(wù)，為服務(wù)增加狀態(tài)屬性資源，有效的解決OGC服務(wù)的瞬時性問題。2.6本章小結(jié)本章對空間信息服務(wù)做了簡單介紹，研究了OGC核心服務(wù)的體系架構(gòu)和主要功能，論述了webservice技術(shù)的支撐xml、soap、uddi、wsdl等關(guān)鍵技術(shù)，還對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)目錄的機制進行了探討，最好指出了現(xiàn)有空間信息服務(wù)的不足和網(wǎng)格在空間信息服務(wù)中優(yōu)勢。3 網(wǎng)格相關(guān)技術(shù)3.1網(wǎng)格技術(shù)概述從廣義上講，網(wǎng)格就是一個集成的計算與資源環(huán)境，或者說是一個

56、計算資源池。網(wǎng)格能夠充分吸納各種計算機資源，并將它們轉(zhuǎn)化為一種隨處可得的，可靠的，標準的同時還是經(jīng)濟的計算能力。除了各種類型的計算機，這里的計算機資源還包括網(wǎng)絡(luò)通信能力、數(shù)據(jù)資料、儀器設(shè)備甚至是人等各種相關(guān)資源。從狹義的角度講，網(wǎng)格被稱為計算網(wǎng)格(computational grid)，即主要用于解決科學與計算問題的網(wǎng)格，它的資源指的僅是計算機資源。網(wǎng)格計算(grid computing)是指基于網(wǎng)格問題的求解，它將分布的計算源組織起來協(xié)同解決復雜的科學與工程計算問題。網(wǎng)格計算的概念是研究人員為了解決當今的一些科學難題而提出的，它是一種利用互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)把地理上廣泛分布的各種計算資源互連在一

57、起的技術(shù)，這些計算資源包括超級計算機、計算機集群、存儲系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)等。3.1.1網(wǎng)格定義與特點網(wǎng)格技術(shù)是在現(xiàn)有的概念和技術(shù)的基礎(chǔ)上提出來的，隨著分布式計算等其它計算技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)標準的提出和完善，以與人們對網(wǎng)格認識的進一步深化，網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)也在逐步的演進。五層沙漏模型是Ian Forster等在網(wǎng)格發(fā)展的早期階段提出來的一種網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)。后來，在以IBM為代表的工業(yè)界的影響下，在網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)中引入Web Service技術(shù)，提出了目前廣泛流行的開放網(wǎng)格服務(wù)體系結(jié)構(gòu)OGSA(Open Grid Services Architecture)。OGSA在較高的層次上對網(wǎng)格的整體結(jié)構(gòu)和服務(wù)進行了

58、抽象的定義，為網(wǎng)格的構(gòu)建繪制了一幅藍圖，但對于具體各部分的功能和實現(xiàn)，以與相關(guān)的協(xié)議則沒有進行定義。開放網(wǎng)格服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施OGSI(Open Grid Service Infrastructure)基于OGSA標準，對網(wǎng)格環(huán)境中使用的各種服務(wù)之間的接口和協(xié)議進行了標準化。Web服務(wù)資源框架WSRF(Web Service Resource Framework)是在吸收Web服務(wù)的最新發(fā)展之后，對OGSI的重構(gòu)和演進。3.1.2網(wǎng)格中間件Globus體系結(jié)構(gòu)Globus項目是目前國際上最有影響的網(wǎng)格計算項目之一，最初的目的是希望把個高性能計算中心通過高性能網(wǎng)絡(luò)連接起來，方便大學和研究機構(gòu)使用，提高高性能計機的使用效率。目前Globus項目和商業(yè)計算領(lǐng)域的Web服務(wù)技術(shù)融合在一起，希望不僅局限于科學計算領(lǐng)域，而且能夠通過對各商業(yè)應(yīng)用進行廣泛的、基礎(chǔ)性的網(wǎng)格環(huán)境支持，實現(xiàn)更方便的信息共享和互操作，從而對商業(yè)模式、工作方式和生活方式產(chǎn)生深遠的影響Globus對