㈠ 網格技術在國土資源信息化中的應用探討
岳海斌1 周慶俊1 陳鴻志1 李留所2
（1.福建省莆田市國土資源局，莆田，351100；2.福建省國土資源勘測規劃院，福州，350003）
摘要：在概述網格技術內涵、特點和發展現狀的基礎上，探討了在國土資源信息化建設中網格技術在構建基礎框架、處理海量數據和提供優質服務三方面的應用，並對今後網格技術對「數字國土」建設的影響進行了展望。
關鍵詞：網格技術；信息化；國土資源；應用
我國將在「十一五」期間建成覆蓋到縣的土地利用現狀資料庫，通過遙感衛星拍攝和地面實地調查，實現對耕地佔用、補償和違法用地情況的實時動態監測。這一目標為國土資源信息化建設提出了新的要求。隨著近些年國土資源信息化的建設，各省國土資源部門基本上建立起了三級網路系統、基礎資料庫系統和政務管理系統，但是當前在數據標准化、基礎數據共享、系統集成、數據整合、實時動態監測以及信息化服務還存在著許多的問題亟待解決。網格技術的興起為國土資源信息化建設提供一個新思路，由於網格技術自身特點產生的大吞吐量計算能力、數據透明訪問以及應用服務集成等諸多優勢，在土地利用動態監測、國土資源數據開發利用、三維城市建模等領域中具有廣闊的應用前景。
1 網格技術
網格技術起源於20世紀90年代美國政府資助的分布式超級計算（distributed super-computing）項目I－WAY。從1993年開始，網格計算與互聯網技術的進一步融合，醞釀產生了繼網際網路、Web之後的第三次技術浪潮。現在詳細闡述網格的內涵、特點和發展現狀。
1.1 網格的內涵
網格從提出到現在已經有十幾年的時間，與網格相關的各種技術也日益完善，但至今仍沒有一個確切的概念來定義網格。網格計算研究的先導Iran Foster給網格下的定義是：網格計算是動態多機構虛擬組織中一個協調的共享資源和解決問題的過程。這個定義引入了虛擬組織的概念，資源的范圍更加廣泛，共享更具目的性，強調協同解決問題，其問題存在的環境具有異構、分布、動態、演化等特點。簡單地講，一大批異構的資源組成了一個網格，這些資源以眾所周知並且一致的方式進行交互和運轉。具體地講，網格是可以作為虛擬的整體而使用的在地理上分散的異構資源，這些資源可能屬於不同管理域，它們包括網路可達的異構計算機、科學儀器、文件和超級計算系統等。從這個概念來講，群集、機群、計算機和網路附加存儲設備、科學裝置、網路等本身都不能稱之為網格，但它們可能是網格系統的重要組件。
可以著重從以下三方面理解網格概念：第一，從概念上，網格的目標是資源共享和分布協同工作。網格的這種概念可以清晰地指導行業和企業中各個部門的資源進行行業或企業整體上的統一規劃、部署、整合和共享，而不僅僅是行業或大企業中的各個部分自己規劃、佔有和使用資源。
第二，網格是一種技術。為了達到多種類型的分布資源共享和協作，網路計算技術必須解決多個層次的資源共享和合作技術，將Internet從通訊和信息交互的平台提升到資源共享的平台。但是目前並行計算、分布計算中間件等現行技術遠遠沒有解決多組織之間資源的共享問題，以及廣域范圍的多系統之間聯合處理和計算等網格計算所面臨的關鍵問題。因此，網格計算技術研究具有獨特性、緊迫性和挑戰性。
第三，網格是基礎設施，是通過各種網格綜合計算機、數據、設備和服務等資源的基本設施。這種設施的建立，將使用戶如同今天按需使用電力一樣，無需在用戶端配置大量的全套計算機系統和復雜軟體，就可以簡便地得到網格提供的各種服務。這樣，設備、軟體投資和維護開銷將大大減少。
圖1給出了網格的概念圖。從圖中可以看到，網格概念的精髓包括：網格首先是指跨管理域的資源集合體，然後是指基於這些資源的協同問題求解技術。實現網格資源的協同應用求解，涉及信息領域的諸多技術，如並行計算技術、分布計算技術、知識工程、數據挖掘、信息安全和軟體代理等。
圖1 網格概念圖
1.2 網格的特點
網格作為一種新出現的技術，和其他技術相比，有其重要的特點，理解和掌握這些特點是構建網格應用系統的關鍵。
（1）分布與異構性（Distributed and Heterogeneous）：網格系統由分布在Internet上的各類資源組成，包括各類大型機、工作站和PC機，它們是異構的，可運行在Unix、Windows、Linux等各種操作系統上，也可以是上述機型的機群系統、大型存儲設備、資料庫或其他設備。由於網格系統的這種分布性與異構性，因此如何實現異構機器之間資源與任務的分配與調度、安全通信與互操作、實時性等問題是網格計算的首要問題。
（2）動態性（Dynamic）：組成網格系統的資源不是一成不變的，而是動態變化的，隨著時間的推移，原先不在網格上的資源有可能連接到網格上，原先在網格上的資源由於故障或其他原因有可能不再可用。針對網格資源的動態變化性，資源管理必須能動態監視和管理網格資源，實現任務的動態遷移，從可利用的資源中選取最佳資源服務。
（3）自治性與多重管理性（Autonomy and Multi-administer）：網格上的資源是屬於不同的組織或個人的，資源的擁有者應該擁有對資源管理的最高許可權，這就是網格資源的自治性。但網格資源也必須接受網格的統一管理，否則不同組織的資源就無法建立聯系，無法實現共享和互操作，也就無法作為一個整體為網格用戶提供方便的服務。
1.3 網格的發展現狀
網格的發展經歷了從元計算到面向信息服務的歷程。在國外網格方面有代表性的研究有美國的國家技術網格（NTC）、分布式萬億次計算基礎設施（DTF）、美國宇航局IPG、美國能源部和3個國家重點實驗實Sandia、Livermore與Los Alamos共同承擔的ASCI Crid、美國國防部的全球信息網格（Global Information Grid）以及歐盟的Data Crid等。目前已經出現了不少在一定程度上支持網格計算的系統，比較著名的有 Clobus、Legion、Clobe、Netslove和Javalin等。
我國也在加緊網格基礎設施方面的研究，已經完成的網格研究項目主要有清華大學的先進計算基礎設施（Advanced Computational Infrastructure，ACI）和以中科院計算所為主的國家高性能計算環境（National High Performance Computing Environment，NHPCE）。目前國內正在進行的網格研究項目主要有：有多家單位參加的863計劃資助的「中國網格（chi-na grid）」、上海多所大學參加的「上海教育科研網格」、航天二院和清華大學共同開發的「模擬網格」、中科院計算所領銜開發的「織女星網格」等，另外，全國還有幾十所大學和研究機構正在開展各種網格研究。
目前，在世界范圍內的網格計算項目很多，但在相關的地理空間信息領域的應用並不是很多，仍處於起步階段。我國已經開始進行有益的嘗試，上海市在第5 屆工博會「數字城市與城市網格」國際論壇上首次提出建設上海城市網格的計劃。該計劃將連接全市超級計算機，形成以海量存儲和網格運算的共享環境。上海城市網格的建設，已列為我國五大網格項目之一。目前正計劃在集合氣象預報、電子政務、遠程醫療和城市應急處理領域開展網格示範應用。隨著網格技術的進一步完善，其應用領域將更加廣泛。
2 網格技術在國土資源信息化中的應用探討
從以上的分析可以看出，網格技術在充分利用網路資源，實現信息共享，處理海量數據等方面具有明顯的優勢，而這些恰恰是實現國土資源信息化建設的基礎，所以網格技術將成為未來信息化建設的核心技術之一，現就網格技術在未來國土資源信息化中建設的具體的應用進行探討。
2.1 實現基礎數據共享
在當前信息化建設中，各個應用服務因業務邏輯和建設主體的不同而單獨的建設，各個服務沒有整合成一個有機的統一整體，查詢一項內容往往需要分別跨越幾個不同的應用服務系統才能得到較為滿意的結果。另外由於各自分散建設，特別是信息化建設的空間信息大量存在語法級、結構級和語義級異構，採用各異的開發語言、通信協議議和系統平台，缺乏信息共享的機制，信息資源未能得到充分利用，因此建成的系統往往不能最大限度地發揮作用，限制了信息化建設整體的成效。同樣，對國土資源信息化建設而言，由於其業務涉及許多相關部門，如何實現信息共享，不僅是系統建設的一個重要目標，也是提高部門效率的根本保證。例如，在土地利用規劃編制過程中，涉及大量的基礎數據，包括圖件、人口統計資料、國民經濟發展資料、產業發展資料，這些數據分布在不同的部門內，因此迫切需要將現有的信息資源以一種最方便、最有效的方法提供給規劃編制者。網格技術為這種數據消費者迫切需要大量空間數據，而空間數據生產者擁有海量數據卻無法有效提供數據的矛盾解決提供了一個通道，在將來的信息網格框架下，各個部門都是信息網格上的一個節點，因此每個部門就可以通過信息網格獲取這些異構的數據，無疑將促進各部門的工作效率，實現協同辦公和提高對地質災害等緊急事件的快速反應和決策能力。
2.2 處理國土業務海量數據
當前國土資源業務中處理的信息量非常大，例如，要實現耕地動態監測，必須有強大的耕地遙感專題影像的處理能力，特別是要做到能夠利用遙感技術准確實時地對耕地利用情況進行動態監測，從每季度監測一次到每月監測一次，甚至每周監測一次，及時對違法用地現象進行處理。由於遙感影像的數據量通常很大，少的幾百MB，多的幾個GB，處理起來是非常消耗計算資源的，特別是超大幅的高解析度遙感影像。受數據處理能力的限制，傳統遙感影像處理往往採取分幅處理的方法，而且各個處理環節往往分開進行，造成遙感影像處理周期過長。遙感影像處理周期過長的一個嚴重後果是等遙感影像處理完成之後，對實際應用已經沒有太大意義。大量的遙感影像只能成為歷史檔案，而不能及時地輔助政府決策。雖然超級計算機可以解決這個問題，但是由於計算機的成本限制了信息共享的實現。目前，各級國土資源部門各自購買了大量各種類型的計算機。這些計算機絕大多數時候CPU資源處於空閑狀態，造成了極大的資金浪費。如果能夠利用網格計算技術把這些計算資源「收集」起來，「聚沙成塔」，就能夠為國土資源部門提供超大規模的計算力，使耕地遙感專題影像處理實時化，那麼國土資源主管部門就可以對耕地利用情況進行實時監測，及時制止違法佔地現象。國土資源部也可以動態了解耕地利用情況，防止下級部門的虛報、瞞報等問題。實際上，一些國家在這個方面已經做出了一些有益的嘗試，地球系統網格（Earth System Grid，ESG）、美國航空航天局（NASA）的信息動力網格（In-formation Power Grid，IPG）項目就是採用網格計算技術來處理全球觀測（FOS）計劃的超大規模遙感影像。
2.3 提供優質的信息服務
國土資源信息化建設的基礎是數據共享，目的是信息服務，而國土資源服務提供的很大一部分信息是空間信息。新一代的網格結構體系－開放網格服務體系結構（Open Grid Services Agricultures，OGSA）為實現優質的信息服務提供了可能。OGSA是在5 層沙漏結構的基礎上結合Web Services提出了新一代的網格結構。在OCSA中一切（計算資源、存儲資源、網路、程序、資料庫、儀器設備等）都抽象為服務（Services）。在充分考慮網格的異構分布特性的基礎上，OCSA對Web Services進行了擴展，提出了動態服務（即網格服務）的概念。通過定義標準的服務介面把服務實現、資源所在地和物理資源屏蔽，不僅解決了異構網格環境的互操作問題，而且真正實現了服務的虛擬化。而現階段對空間信息服務的研究大都基於Web Services來進行，它雖然很好地實現了空間信息分布異構數據共享與互操作，但它只是為Web環境下訪問資源提供的一種標准介面。基於Web Services的空間信息服務方法，在對海量數據的處理和為用戶提供一體化及完全透明的服務方法上遇到了許多難以克服的困難。網格服務中，分布異構數據的共享與互操作已經成為一個基本特徵，必將隨著網格的建立迎刃而解。此外，空間信息網格可以實現一體化服務。雖然當前的空間信息模型對用戶提出的訪問與處理需求可以通過並發並行及先後分離的多個環節來共同完成，但對用戶而言，卻不是通過一次請求便可以實現，空間信息網格服務中將很方便地實現這一點。最後，空間信息網格服務將向用戶提供三維可視化的訪問與操作介面。因為在網格中，所有的信息與應用都建立在空間位置信息的基礎上並與之關聯，從而所用用戶對所有數據訪問與應用請求都能通過虛擬模擬的空間地理位置來操作，所以，能夠為用戶提供真正三維可視化服務。
網格是網路應用需求不斷增加的必然的產物，雖然網格技術近年來由於各國政府和企業的重視已取得了很大的進步，也有一些相關的應用，但總體來講，網格的發展還處於初期階段。把網格技術應用於國土資源信息化建設，是對數字國土的擴展，網格技術的發展，必將對數字國土的發展帶來深遠的影響。
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