基于网格环境的空间信息服务集成毕业论文

1、论文题目：基于网格环境的空间信息服务集成摘 要计算机网络技术和分布式计算技术的迅猛发展为地理信息系统向大众化、分布式、网络化的空间信息服务的演变提供了技术基础。目前对于空间信息服务的研究，主要是以Web Service为技术基础，依据OGC制定空间信息服务的一些规，如WMS，WFS，WCS等。它们在实现空间信息共享与互操作方面起到了一定的作用，但是在对海量分布式空间数据的处理以与为用户提供一体化和透明的服务方法上遇到了许多难以克服的困难，同时在提供计算能力、协同能力、等方面也多有不足。其关键问题在于OGC服务是无状态的，无法记录服务的具体操作容、服务地址时间等，不利于服务链的构建和互操作。网格

2、技术1的出现和发展为空间信息资源的有效利用和共享提供了一个可靠的环境,为解决空间信息服务领域存在的一些难点问题带来了希望。通过共享资源、协作以与并行计算，网格技术可以集成计算能力，提供有效集群和负载平衡，支持多用户空间信息资源操作的协同，解决空间信息服务中的诸如计算能力不足、缺乏协作、由于缺乏状态而不能很好的回溯操作2等问题。本文从网格基础技术出发，对网格环境下的空间信息服务共享进行了研究，主要的工作有：1. 网格技术依赖web service，本文深入研究web service的实现技术，对WSDL,UDDI,SOAP等规进行了本质探讨。2. 在分析网格技术和WSRF规的基础上，提出了一种遵

3、循WSRF技术规的空间信息服务资源封装方法，把OGC服务改造成服务与资源分离的形式，设计实现了网格服务封装系统。3. 在网格环境下探讨了空间服务工作流的实现，尝试处理服务服务之间的互操作。4. 空间信息服务网格共享平台Lgrid的开发设计。关键词：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目录1绪论51.1研究背景51.2国外研究现状61.3

12、研究目标与容72空间信息服务关键技术82.1网络空间信息服务概述82.2 WebService技术92.3 OGC空间信息服务132.4 目录服务与目录接口规172.5目前空间信息服务技术的不足与缺陷192.6本章小结203网格相关技术203.1网格技术概述203.2基于WSRF规的网格服务框架223.3 网格资源发现和监控服务263.4 资源分配管理与调度293.6网格数据服务313.7 本章小结344利用WSRF框架的OGC服务实现354.1空间信息网格364.2基于WSRF框架的空间信息服务研究374.3 OGC服务的网格化技术424.5网格空间服务互操作与工作流技术505网格空间信息服

13、务集成平台Lgrid555.1系统概述555.2 系统总体设计565.3网格空间信息服务访问与集成575.4网格空间信息服务自动化生成模块605.5网格空间数据访问集成与分布式查询645.6本章小结66参考文献671绪论1.1研究背景21世纪网格计算已经成为一项逐渐成熟的技术，不同的人会给出不同的定义。2001年，Ian Foster从抽象的层次上给出了网格的较为宽泛的定义，认为网格主要涉与到动态、多机构的虚拟组织协调的资源共享和问题解决，关键的概念是在一组参与者(提供者和消费者)之间协商资源共享的安排并利用所得资源实现特定目标的能力2。实际上，网格计算的定义很简单:使用网格计算技术，可以将一

14、组服务器、存储系统和网络组合成一套大的系统，并提供高质量的服务。对终端用户或者应用，网格计算象一个巨大的虚拟计算系统。再进一步的分析，网格技术允许组织、使用无数的计算机共享计算资源，来解决问题。被解决的问题可能会涉与到数据处理、网络或者数据存储。这个由网格技术结合在一起的系统，可能是在同一个房间，也可能是分布在世界各地，运行在不同的硬件平台，不同的操作系统，隶属于不同的组织。它需要标准，开放的，目标统一的协议和接口。网格是在网络之上运行的软件基础设施，网络是网格的物理基础，网格是网络基础上的高级应用。网格的实质，就是共享与协作，即在多个机构动态形成的虚拟组织中共享资源和协同解决问题。社会需求和

15、技术进步推动了GSI系统走向空间信息服务。Web服务技术使得空间信息服务具有灵活的体系结构，能够在系统之间实现互操作4。但是面对计算密集型或者数据密集型的空间信息应用，例如海量分布式空间信息的搜索和影像处理服务还是显得无能为力，缺乏计算力;另外应对大量的用户并发访问，无法提供快捷的服务，缺乏有效集群和负载均衡;缺乏多用户协同空间操作的能力;空间信息服务缺乏移动服务的能力。这些都需要新的技术提供支持，网格的出现为空间信息服务领域解决这些问题带来了希望。高性能并行计算是提高空间信息服务效率的有效方法，而网格是提供高性能并行计算有力武器。通过共享资源、协作以与并行计算，网格技术可以集成计算能力，提供

16、有效集群和负载均衡，支持多用户空间操作的协同，解决空间信息服务中的诸如计算能力不足、缺乏协作等问题。网格在空间信息服务中的应用研究，主要是研究在空间信息领域引入网格概念和技术，建立面向服务的体系结构以与利用网格基础设施改善空间信息服务，提高服务效率，计算能力，提供协同和迁移能力，整合有限的空间信息资源，实现资源的有效共享和协同5。1.2国外研究现状近来在GIS和网格两个领域都已经有了相当大的发展,但将两个领域相结合还是一个比较新的研究领域。美国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)会议曾提出将网格技术作为地理科学应用的网络基础设施15。中科院地理所的“面向网络的空间信息组织、智能计算与综合建模技术”项目使用高性能计算网格技术解决资源共享问题6。而美国橡树岭(Oak Ridge)国家实验室计算科学中心的G.Mahinthakumar和F. Hoffman、田纳西大学的W. Hargrove和北伊利诺斯大学的T.Karonis等人在1999年ACM/IEEE主办的超级计算年会上介绍了他们利用GT2元计算环境“开发多变元、非层次的地理集群应用”则完全是面向高性能计算的。美国爱荷华大学物理与天文系的S. Wang、B.

18、Knosp和J. Ni1等人采用一种新的途径结合GIS和网格计算技术,通过在网格信息服务加引入GIS的可视化、查询、分析功能以向网格应用提供有地理参照的信息和知识7。在空间信息领域，将网格服务和地理信息服务进行融合的研究相对比较少。尤其是在OGC网络服务在最新的WSRF框架下进行网格化，国外的相关研究还不是很深入。国外进行相关研究的有美国印第安纳大学的计算科学系(Indiana University Computer Science Department)，该系的社区网格实验室(Community Grid Lab)主持的CrisisGrid项目研究了符合Grid Service规的遵循OGC

19、标准的WMS和WFS服务；美国乔治梅森大学(George Mason University)的高级信息技术标准实验室（Laboratory for Advanced Information Technology and Standards）与NASA对地观测系统联合研究了海量观测数据的信息服务共享。该实验室研制了Geobrain中间件，通过该工具可以将OGC服务进行网格化封装，实现在网格环境共享空间信息服务21。日本网格技术研究中心(Grid Technology Research Center)的GeoGrid项目在网格环境下研究了地理信息处理工作流(WPS)互操作技术，并进行了火山观测数据

20、和处理分析服务的集成操作实验。针对如何有效整合广域网络环境下的空间信息资源才能够有利于空间信息的共享与利用，德仁院士提出空间信息多级网格理论8，将立足于对地球空间的划分、空间数据的组织以与检索等技术的网格概念和广域网上整体资源的整合与利用的网格概念加以结合，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结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。中科院资源与环境信息系统国家重点实验室承担的,主题为"面向网络的空间信息组织、智能计算与综合建模技术"的863项目,研究在网格计算技术支持下,以空间信息网格(SIG)20体系为

21、指导,探索以空间信息网格中间件为基础的新一代网格地理信息系统(Grid-GIS)的结构与组织体系,开展联邦空间数据库、空间计算环境和虚拟地理环境前沿技术研究,并开发适用于网格计算体系的GIS中间件,实现面向网络大型GIS的技术突破与创新,为中国GIS跨越式发展提供新的技术途径。1.3研究目标与容1.3.1研究目标本文尝试将网格技术与地理空间领域的标准与技术相结合，以促进对海量分布式地理空间数据与服务资源的管理与利用，并为地理空间领域用户提供进行资源与知识共享的系统平台。探索在WSRF网格框架下的空间信息服务实际是对OGC服务的网格封装，为服务增加状态属性资源，解决OGC服务的瞬时性问题。利用强

22、类型的网格服务生成工具，支持更多的数据类型兼容不同架构的网格服务，使网格服务有更好的跨平台性。利用网格技术与OGC WebSevrices的结合将可以发挥二者的优势，有利于空间信息服务资源与空间信息数据资源的共享。1.3.2研究容论文围绕“基于网格环境的空间信息服务集成”这一主题展开，研究了基于网格的空间信息服务体系结构，以与在地图服务、空间信息搜索、空间信息服务协同以与空间数据共享中的应用，本文主要研究容如下:(1) OGC服务规信息的解析与获取研究已知OGC服务访问与应用地址的基础上，通过方向解析，获取OGC服务元数据信息。(2)基于网格环境下WSRF框架的空间信息服务体系结构研究。研究空

23、间信息服务应用网格技术的模式和基于网格的空间信息服务体系的结构。(3) 网格环境下OGC空间信息服务的集成与管理研究网格技术与OGC Web地图服务结合的方式、在此基础上探讨地图服务的网格化封装技术、网格地图服务的实现技术以与多网格地图服务的客户端技术。(4)基于网格的空间信息协同服务与工作流研究面对群体用户，研究基于地理信息共同协调与合作的工作群体成员间的协同工作，研究工作群体成员如何基于空间信息协同工作。初步研究基于网格的空间信息服务工作流，探索OGC服务在网格环境下的互操作。2 空间信息服务关键技术2.1网络空间信息服务概述地理空间信息服务技术的产生与应用无疑是GIS的又一次革命，它使得

24、分布的GIS数据和服务能够集成在一起，同时为Web GIS系统间以与Web GIS与其它应用的集成和互操作带来了新的解决方案，为空间数据的共享提供了新思路。WEB服务与空间信息应用的结合形成了地理空间信息Web服务。空间信息WEB服务允许发现、访问、集成、分析和可视化多种在线空间数据和空间处理服务。作为OGC(Open GIS Consortium)互操作计划(interoperability Program)的容之一，OGC提出了面向空间信息的在线分析、处理和集成的Web服务(OGC Web Services，OWS)体系9。它描述了一个分布式的空间服务环境，即“ Spatial Web”，

25、通过这个环境，不同的空间信息Web服务形成了一个动态的开放互操作的服务链，从而支持动态的空间分析和应用程序的创建。空间信息Web服务正在逐渐成为新的空间信息在线发布方式。2.2 WebService技术2.2.1 Web Service特点现阶段对空间信息服务的研究,大都基于Web Service来进行,它很好地实现了空间信息共享与互操作16。因此，要理解空间信息服务的概念，首先就要了解WebService。Web Service的定义如下：一个Web Service就是一个可以被URI识别的软件应用，用它的接口和绑定可以被XML描述与发现，并且可以通过基于Internet的协议直接支持与其他

26、基于XML消息的软件应用的交互。Web Service标准正在W3C（WWW Consortium）部以与其他的标准体部被定义，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。Web Service描述了一种新出现的、重要的分布式计算式，和DCE（DistributedComputing Environment）、CORBA（Common Object Request Broker Architecture）、JAVA RMI等方法不同，它更强调基于单个INTERNET标准（XML）来解决异构分布计算的问题

27、10。WebService具有三个主要特点，分别是互操作性、普遍性、廉价性。1）互操作性：一个Web Service可以与其它Web Service进行交互，多个服务共同工作，完成用户请求的操作。可以说是为人服务的，WebService是为软件服务的。Web Service由于使用标准的XML语言因而是与平台无关、语言无关的，WebService可以使用任何程序设计语言写成，因此开发者不需要更改自己的开发环境就能开发供他人使用的Web Service。新的WebService中可以使用已有的WebService，而不考虑原来的WebService的实现语言以与运行环境等具体实现细节。这就意味着

28、我们的客户端可以用C+编写在windows下运行，而WebService使用Java编写而运行在linux下。2）普遍性：WebService使用 和XML进行通信，任何支持这些技术的设备都可以拥有和访问WebService。WebService不仅在计算机网络上出现，而且将在、汽车、家用电器等设备中出现。现在主要的供应商都宣布支持SOAP和周边Web Service技术，Web Service将普遍地存在于社会生活的各个领域。将来，使用Web Service，我们就能够通过网络在异地指挥家中的电器设备工作，进行诸如煮饭、加温、降温等操作。由于大部分Web Service使用 传输消息(像服务

29、请求和响应)，那么如果想建立一个Internet围的程序，这是一个主要的优点，因为大部分Internet's的代理和防火墙都不会破坏 的传输(不像CORBA会在穿过防火墙时遇到麻烦)3）廉价性：Web Service供应商提供的免费工具箱能够让开发者快速创建和部署自己的Web服务，其中的某些工具箱还可以让已有的组件方便地成为Web Service，这样就降低了Web Service的开发费用，同时也加快了开发速度。例如，微软的.NET平台就以支持Web Service为目标，因此用Visual C#编写的组件很容易作为Web Service发布和使用。Web Service是独立的、模

30、块化的应用，能够通过网络，特别是WWW来描述、发布、定义定位与调用。Web Service的体系结构包含三个角色：服务提供者（ServiceProvider）、服务请求者（Service Requestor）、服务注册器（Service Registry）；角色之间主要有三个操作：发布（Publish）、查找（Find）、绑定（Bind）。典型的应用过程如图2.2.1：服务提供者开发一个Web Service，然后将服务的描述注册到服务注册器上来发布服务；服务请求者则在服务注册器中查找被发布服务的描述记录，通过绑定就可以使用这项服务了。UDDI发布服务（统一描述、发现和集成），查找所需的服务时

31、需要使用UDDI和WSDL，绑定服务时需要使用WSDL和SOAP。一个典型完整的Web Service调用的全部调用步骤如图4-1。在三个操作中，绑定操作是最重要的，它包含了服务的实际使用，服务之间互操作的问题也常常出现在这一环节。通过服务提供者与服务请求者对SOAP规的支持，解决了送往服务器的请求信息的格式化和服务器本身的响应信息的格式化，从而实现了服务之间无缝的互操作性。图2.1 Web Service实现过程Fig.2.1 Web Service implementation process2.2.2 XML与GML可扩展标记语言（Extensible Markup Language，X

32、ML)是Internet上数据交换的标准，在 WebService中实现信息表达，用于SOAP、WSDL和UDDI。Web服务区别于以往商务集成解决方案的关键在于它使用了XML技术。可以说，XML是Web服务的基础，Web服务家族里的其他任何一种技术，都以某种方式使用XML。XML己经成为描述“异质系统交换信息”的一个标准解决方案11。XML具有简单性，自描述性，开放标准等具有重要价值的优秀特性。地理标志语言(GML)是由OGC定义的XML格式，用来表达地理信息要素。GML提供一个表达地理信息要素的语言模型，同时可以用来在Internet上进行数据交换。利用GML可以存储和发布各种特征的地理信

33、息，并控制地理信息在web浏览器中的显示。地理空间互联网络作为全球信息基础架构的一部分，已成为Internet上技术追踪的热点。许多公司和相关研究机构通过Web将众多的地理信息源集成在一起，向用户提供各种层次的应用服务，同时支持本地数据的开发和管理。GML可以在地理空间Web领域完成了同样的任务。GML技术的出现是地理空间数据管理方法的一次飞跃。 2.2.3 SOAP简单对象访问协议(simple Objeet Aeeess protoeol，SOAP)12是描述消息传递的协议，它规定了服务调用时请求信息与响应信息的格式，SOAP是服务提供者、服务注册表和服务申请者相互通信的工具，它

34、基于XML，用于在网络应用之间交换结构化信息。一个Web服务部件一经建立，首先要用50”来向服务注册表发布其服务描述。此后，服务注册表、服务申请者和服务提供者之间的所有交互都将通过SOAP来完成。另外，由于SOAP使用通用的传输协议(主要是 )，而防火墙很少限制 数据，s0AP可以很容易通过防火墙，其他专用的分布式计算协议如CORSA等是不可能做到的。这也是它成功的关键2.2.4 WSDLWSDL 指网络服务描述语言 (Web Services Description Language)，用于服务描述， WebService是自描述的。WSDL规定了有关Web服务描述的标准，使Web服务供应者

35、能够精确指定他所提供的服务的技术细节。它不仅可以描述服务代码所处的位置和运行方式，而且可以提供更高层次的信息，例如该服务涉与的业务类型和关键字等信息。服务申请者通过服务描述提供的信息调用该服务13。WSDL文档可以分为两部分，如图2.2.4。顶部分由抽象定义组成，而底部分则由具体描述组成。抽象部分以独立于平台和语言的方式定义SOAP消息，它们并不包含任何随机器或语言而变的元素。这就定义了一系列服务，截然不同的都可以实现。随而异的东西如序列化便归入底部分，因为它包含具体的定义。图2.2 WSDL文档结构图Fig. 2.2 WSDL document structure diagram2.2.5

36、UDDIUDDI（Universal Description, Discovery and Integration）统一描述、发现和集成协议，是为解决Web服务的发布和发现问题而制订的新一代基于Internet的电子商务技术标准14。它包含一组基于Web的、分布式的Web服务信息注册中心的实现标准，以与一组使企业能将自己提供的Web服务注册到该中心的实现标准。UDDI利用SOAP消息来查找和注册Web服务。并为应用程序提供了一系列接口来访问注册中心。图 2.3 UDDI 的分层 Web 服务协议栈Fig. 2.3 UDDI layered Web Service Stack如图1中所示，UDD

37、I包含于完整的Web服务协议栈之，而且是协议栈基础的主要部件之一，支持创建、说明、发现和调用Web服务。UDDI构建于网络传输层和基于SOAP的XML消息传输层之上。诸如Web服务描述语言（Web Services Description Language，WSDL）之类的服务描述语言提供了统一的XML词汇（与交互式数据语言（Interactive DataLanguage，IDL）类似）供描述Web服务与其接口使用。您可以通过添加分层的功能搭起整个基础，比如使用Web服务流程语言（Web Services Flow Language，WSFL）的Web服务工作流描述、安全性、管理和服务质量功

38、能，从而解决系统可靠性和可用性问题56。2.3 OGC空间信息服务OGC（Open Geospatial Consortium，开放地理信息联盟），是一个非盈利的志愿的国际标准化组织，引领着空间地理信息标准与定位基本服务的发展目前在空间数据互操作领域，基于公共接口访问模式的互操作方法是一种基本的操作方法。通过国际标准化组织（ISO/TC211）或技术联盟（如OGC）制定空间数据互操作的接口规，GIS软件商开发遵循这一接口规的空间数据的读写函数，可以实现异构空间数据库的互操作。基于 （Web）XML的空间数据互操作是一个很热门的研究方向，主要涉与Web Service的相关技术。OGC和ISO/

39、TC211共同推出了基于Web服务（XML）的空间数据互操作实现规Web Map Service，Web Feature Service，Web Coverage Service以与用于空间数据传输与转换的地理信息标记语言GML。图 2.4 .OGC Web Service(WMS,WFS,WCS)Fig. 2.4 .OGC Web Service(WMS,WFS,WCS)2.3.1网络地图服务规WMS网络地图服务（WMS）18能够根据用户的请求返回相应的地图（包括PNG，GIF，JPEG等栅格形式或者是SVG和WEB CGM等矢量形式）。WMS支持网络协议 ，所支持的操作是由URL定义的。W

40、MS有三个重要操作GetCapabilities，GetMap，GetFeatureinfo。1. GetCapabilities返回服务级元数据。2. GetMap返回一个地图影像。3. GetFeatureinfo返回显示在地图上的某些特殊要素的信息。还有一些其它操作如DescribeLayer，GetLegendGraphic，GetStyles，SetSytles。事实上用传统的观点来解释，GetMap获得的就是在桌面程序中画在控件上的里的结果，是数据的表现17。GetFeatureInfo更容易理解，它和几乎所有的桌面程序上都用的Info按钮功能一样，都是用来获得屏幕坐标某处的信息，

41、GetFeatureInfo中的参数是屏幕坐标、当前视图围等，在一定程度上也方便了客户端的编写。GetFeatureInfo可以同时返回多个图层中的要素信息，这一点和ArcGIS Desktop等也都是一样的。WMS还包括一些GetLegend之类的返回图例信息的请求，也是完全按照桌面既有的标准定义的。2.3.2网络要素服务规WFSWeb 要素服务（WFS）19支持对地理要素的插入，更新，删除，检索和发现服务。该服务根据 客户请求返回GML数据。其基础接口是：GetCapabilities，DescribeFeatureType，GetFeatureGetCapabilities功能与WMS一

42、样。DescribeFeatureType返回要素结构，以便客户端进行查询和其他操作。GetFeature可根据查询要求返回一个符合GML规的数据文档。GetFeature是最重要的接口。其它接口如Transaction 它不仅能提供要素读取，同时支持要素在线编辑和事务处理。WFS对应于常见桌面程序中的条件查询功能，WFS通过OGC Filter构造查询条件，支持基于空间几何关系的查询，基于属性域的查询，当然还包括基于空间关系和属性域的共同查询。在Web上，WFS的请求不是以SQL实现的，而是通过Filter XML来实现，可扩展性更强。WFS所返回的是查询的结果集，从某种程度上说，区别于WM

43、S的“数据的表现”，WFS的结果集是由完整的Schema定义和约束的结果集，以GML为载体。这个结果集，类似于桌面程序查询结果的数据表。2.3.3网络覆盖服务规WCSWeb覆盖服务（WCS）提供的是包含了地理位置信息或属性的空间栅格图层，而不是静态地图的访问。根据 客户端要求发送相应数据，包括影像，多光谱影像和其它科学数据。有二个重要操作GetCapabilities，GetCoverage:GetCapabilities返回一个描述服务和XML文档，从中可获取覆盖的数据集合。GetCoverage是在GetCapabilities确定查询方案和需要获取的数据之后执行，返回覆盖数据。还有可选操

44、作DescribeCoverageType。2.3.4网络互操作服务规WPSWPS是OGC组织提出的一种地理互操作服务，为它定义了标准接口，使得空间处理步骤的发布、用户对这些处理的发现和绑定更加容易。“处理”是指操作空间参考数据的算法、计算或者模型。“发布”意味着可以获得机器可读的绑定信息和人可读的元数据，从而运行服务发现和使用。WPS通过网络向客户端提供任何一种GIS功能，包括预编译的计算或是基于空间参考数据的计算模型。WPS提供了从简单的操作如抽取一个空间参考numbers到复杂的操作如全球气候编号模型，WPS需要的数据既可以从网络获取，也可以从服务器获取。接口规提供了一种机制，能够确认计

45、算需要的空间参考数据、初始化服务，并管理计算结果使用户获取。WPS的目标是能提供矢量和栅格数据的处理。WPS的互操作处理过程如图所示。图2.5 OGC WPS互操作架构Fig. 2.5 OGC WPS interoperability frameworkWPS规被设计成允许服务提供者列出web处理过程，如多边形叠加，因此用户不需要特别了解潜在的部结构或API就可以输入数据和执行操作。WPS接口将过程步骤、描述的输入输出、客户端如何请求操作的执行和如何处理操作的输出等都统一标准化。WPS接口定义了三个操作，这三个操作可以被用户请求和，由WPS服务器和所有服务器实现所有的必要规。这三个操作分别是：

46、GetCapabilities-此操作允许用户请求和获取描述某个服务器执行能力的服务元数据文档。GetCapabilities操作通过WPS接口提供了每个过程的名称和通用描述。这个操作也支持客户端-服务器交互的规版本的流通。DescribeProcess-此操作允许用户请求和获取运行在服务实例的过程的详细信息，包括需要的输入、允许的格式和输出。Execute-此操作允许用户通过输入参数和得到返回结果，执行WPS实现的一个具体过程。这些操作与OGC的web服务有很多相似之处，包括WMS,WFS和WCS。图1是概括WPS接口的简单UML图表。这种类图表表示了WPS接口类从OGCweb服务接口类中继

47、承了GetCapabilities操作，并且添加了DescribeProcess和Execute操作。图 2.6 WPS接口UML图Fig. 2.6 UML diagram of WPS interface2.4 目录服务与目录接口规OGC WebService借助于网络服务技术，制定了一系列相关标准与规，致力于在地域上分布的地理空间数据与服务的互操作与共享。其中的网络目录服务规(CSW)制定了用于发布与访问地理空间数据、服务以与相关资源信息元数据的网络目录服务接口(interface)。为了实现OGC网络目录服务不同实现的互操作，OGC网络目录服务规制定了一系列相关的基本规则，所有OGC网络

48、目录服务的实现必须遵循规中制定的基本规则。这些规则涉与几个方面，包括:地理空间信息元数据查询语言、基本元数据信息模型与服务访问接口。OGC网络目录服务访问接口支持Hypertext Transferprotoeol( )协议。OGC网络目录客户端与服务之间的交互是通过标准 协议的“请求一响应”模式实现，也就是说，客户端通过 协议向网络目录服务发送请求，并期望以 协议接收到来自于网络目录服务送回的请求结果或者错误异常信息。OGC网络目录服务访问接口包含7个用于客户端对服务进行访问的操作(Operation)，包括:GetCapabilities、DeseribeReeord、GetDomain、

49、GetRecords、GetRecordById、Harvest与介即tansaction。其中GetCapabilities、DescribeRecord、GetRecord与GetRecordById为OGC网络目录服务实现的必选操作，其余为可选操作。图 2.7 目录服务接口Fig. 2.7 Directory Services Interface这7种操作分为3类。第一类是基本服务操作(ServiceOperations)，基本服务操作是所有OGCWebServices系列服务都包含的操作，客户端可以借助于基本服务操作获取目标OGC网络服务的功能描述，基本服务操作只包含GetCapabi

50、lities操作;第二类是查询操作，包含DeseribeReeord、GetDomain、GetReeords与GetRecordById，客户端借助于查询操作获得OGC网络目录服务的元数据信息模型以与从OGC网络目录服务中搜索信息;第三类操作是管理操作，包含Harvest与Transaction，用于对服务中的信息进行增加、修改或删除。GetCaPabilities操作使得客户端可以在运行时(runiime)动态获得目标OGC网络目录服务的元数据信息。一个成功GetCaPabilities操作的返回是一个包含目标服务元数据信息的XML文档。该文档包含Servieeldentifieation

51、、ServieeProvider、operationsMetadata以与FiltereeCapabilities四个部分。servieeIdentification包含与该OGC网络目录服务实现有关的元数据信息，比如服务名称、版本、关键字等;Servieeprovider描述了服务提供者的信息;operationsMetadata详细的描述了服务接口元数据，包含每一个操作的访问地址、访问方法、参数等;Filter-CaPabilities包含该服务所支持的过滤功能，即搜索功能70。DescribeRecord操作使得客户端可以在运行时动态获得网络目录服务所采用的元数据信息模型。利用GetC即

52、abilities操作，客户端可以获得网络目录服务元数据信息模型中所包含的所有类型，而利用DescribeRecord操作，客户端可以获得元数据信息模型中每一种类型的详细定义。客户端可以利用GetDomain操作在运行时获得某一元数据记录元素取值的允许围。通常情况下GetDomain返回的取值围要比该元素数据类型所定义的取值围要小。GetRecords操作是网络目录服务最主要的操作。在资源发现的通用模型中所包含的最主要方法包含两个操作:搜索(search)与呈现(present)。OGC网络目录服务规中定义的GetRecords操作，基于 协议的“请求一返回”模式将搜索与呈现两种操作融合在一起

53、。客户端在GetRecords操作的请求中指定搜索的目标元数据类型、搜索条件以与元数据结果返回形式，对网络目录服务进行查询。GatRecordByld是资源搜索通用模型中的呈现操作，它用于从网络目录服务中获取由某一标识(identifier)所指定的元数据记录。Transactinn操作用于创建、修改和删除目标网络目录服务中的元数据记录。Transaction操作采用“推(push)”的方式在目标网络目录服务中创建新的元数据。2.5目前空间信息服务技术的不足与缺陷在WWW网络环境下，空间信息服务以WebService方式实现，在各自的WebServer注册，服务之间松散耦合，不能构成在一个统一

54、组织环境下的协同和共享。网格环境下地理空间信息服务布置在各个节点，有统一的资源发现和监控机制27。WSRF通过使用ServiceGroup来限制访问权限和提供可用服务注册表。ServiceGroup是一个WS-Resource，它将指向其他WS-Resources和纯Web服务的指针成组在一起，利用服务资源可以起到监控服务动作的作用。目前OGC制定的GIS服务规中，采用的是标准 的get/post方法传递消息，由于该协议是无状态无连接的协议，其每次连接只处理一个请求，服务器处理完客户的请求并收到客户的应答后，即断开连接，使得事务处理没有记忆能力。这些标准 固有的限制使得现有的OGC服务大多只能

55、完成单一任务，使得各个GIS服务之间相互独立，应用集成度不高。随着网格技术的发展，为空间信息获取与处理提供了新的技术途径基于WSRF规的GIS服务。在WSRF网格框架下的空间信息服务，为服务增加状态属性资源，有效的解决OGC服务的瞬时性问题。2.6本章小结本章对空间信息服务做了简单介绍，研究了OGC核心服务的体系架构和主要功能，论述了webservice技术的支撑xml、soap、uddi、wsdl等关键技术，还对网络服务目录的机制进行了探讨，最好指出了现有空间信息服务的不足和网格在空间信息服务中优势。3 网格相关技术3.1网格技术概述从广义上讲，网格就是一个集成的计算与资源环境，或者说是一个

56、计算资源池。网格能够充分吸纳各种计算机资源，并将它们转化为一种随处可得的，可靠的，标准的同时还是经济的计算能力。除了各种类型的计算机，这里的计算机资源还包括网络通信能力、数据资料、仪器设备甚至是人等各种相关资源。从狭义的角度讲，网格被称为计算网格(computational grid)，即主要用于解决科学与计算问题的网格，它的资源指的仅是计算机资源。网格计算(grid computing)是指基于网格问题的求解，它将分布的计算源组织起来协同解决复杂的科学与工程计算问题。网格计算的概念是研究人员为了解决当今的一些科学难题而提出的，它是一种利用互联网或专用网络把地理上广泛分布的各种计算资源互连在一

57、起的技术，这些计算资源包括超级计算机、计算机集群、存储系统和可视化系统等。3.1.1网格定义与特点网格技术是在现有的概念和技术的基础上提出来的，随着分布式计算等其它计算技术的发展和相关标准的提出和完善，以与人们对网格认识的进一步深化，网格体系结构也在逐步的演进。五层沙漏模型是Ian Forster等在网格发展的早期阶段提出来的一种网格体系结构。后来，在以IBM为代表的工业界的影响下，在网格体系结构中引入Web Service技术，提出了目前广泛流行的开放网格服务体系结构OGSA(Open Grid Services Architecture)。OGSA在较高的层次上对网格的整体结构和服务进行了

58、抽象的定义，为网格的构建绘制了一幅蓝图，但对于具体各部分的功能和实现，以与相关的协议则没有进行定义。开放网格服务基础设施OGSI(Open Grid Service Infrastructure)基于OGSA标准，对网格环境中使用的各种服务之间的接口和协议进行了标准化。Web服务资源框架WSRF(Web Service Resource Framework)是在吸收Web服务的最新发展之后，对OGSI的重构和演进。3.1.2网格中间件Globus体系结构Globus项目是目前国际上最有影响的网格计算项目之一，最初的目的是希望把个高性能计算中心通过高性能网络连接起来，方便大学和研究机构使用，提高高性能计机的使用效率。目前Globus项目和商业计算领域的Web服务技术融合在一起，希望不仅局限于科学计算领域，而且能够通过对各商业应用进行广泛的、基础性的网格环境支持，实现更方便的信息共享和互操作，从而对商业模式、工作方式和生活方式产生深远的影响Globus对