地理信息系统的高级技术课件

第七部分地理信息系统的高级技术（二）第七部分地理信息系统的高级技术（二）1第二十一章数字工程与空间信息基础设施随着计算机网络技术和GIS技术的发展，人们期待建立更大范围、更多层次、满足更多需求的、内容丰富的地理信息共享与交换网络。并以此为工具或平台，来研究解决人们关注的全球、地区或地方内的资源、环境、经济、社会等诸多问题。“数字地球”、“数字城市”、“数字企业”、“数字农业”等数字工程的提出，以及“空间信息基础设施”的建设正是为实现这一目的而采取的技术步骤和措施。第二十一章数字工程与空间信息基础设施随着计算机网络技术和G2第一节数字地球的概念一、“数字地球”的涵义“数字地球”是集多种现代信息技术为一体的计算机信息系统。关于“数字地球”概念的描述很多，有技术层面的，也有印象层面的。如“数字地球”是关于地球的虚拟表达，并使人们能够探索和作用于关于地球的海量的自然与文化信息集合；“数字地球”是一个共享经过地理参考处理的地理数据的环境，它是基于OpenGIS标准和因特网传输这些数据的等，这些都是技术性的表述。

第一节数字地球的概念一、“数字地球”的涵义3第一节数字地球的概念再如，“数字地球”可以提供这样场景，一个学童来到地方博物馆的数字地球展览厅，他戴上数字头盔，看到了从太空飞来的地球，使用数据手套，对地球进行放大操作，随着分辨率越来越高，先看到了各大洲，继而看到了一些国家、地区、城市乃至最后看到了独立的房屋、树木或其它自然、人工地物。他正在寻找自己感兴趣的区域，就象坐在魔毯上，通过了三维虚拟地形，…。他在为他的家庭在假期到黄石国家公园旅行做准备。如为他所看到的内容制定旅行路线计划。事实上，他可以在离开家乡之前，就进行一次从头到尾的虚拟旅行。这是一种印象层面的表述。第一节数字地球的概念再如，“数字地球”可以提供这样场景，一4第一节数字地球的概念从上面的描述可知，数字地球具有这样的涵义，是一个多分辨率、多空间尺度的、虚拟表达的三维星球；具有海量的地理空间编码数据；可以使用无级放大率进行放大；在空间内的活动是不受限制的，而且在时间空间也是如此。第一节数字地球的概念从上面的描述可知，数字地球具有这样的涵5第一节数字地球的概念二、“数字地球”的技术框架和结构从地理信息系统技术角度讲，“数字地球”就是对地球的在时间尺度基础上的各大地球系统模型的虚拟表达和操作。这些地球系统模型包括实体地球（从地心到地壳）、海洋（包括其他大型水体）、大气（特别是对流层）、电离层（空间气象）、生物圈（包括人类）、低温层（特别是极地地区）等。图21-1描述了这些模型系统之间的关系。第一节数字地球的概念二、“数字地球”的技术框架和结构6第一节数字地球的概念各大地球系统之间的关系第一节数字地球的概念各大地球系统之间的关系7数字地球的概念数字地球的框架结构数字地球的概念数字地球的框架结构8第二节空间数据基础设施空间数据基础设施（SpatialDataInfrastructures，SDI）是建设“数字地球”、“数字城市”等数字工程的信息化基础建设内容。继1991年美国首次提出建设“信息高速公路”计划后，先后于1994年、1998年提出了建设“空间信息基础设施”、“数字地球”的建设计划。被称为推动全球空间信息化合作建设的三步曲。第二节空间数据基础设施空间数据基础设施（SpatialD9第二节空间数据基础设施一、空间数据基础设施的概念空间数据基础设施是指为描述地球上地理要素或现象的分布及其属性的所有地理信息组合，以及对这些地理信息的获取、处理、存储、分发、使用、集成、融合以及互操作等目的，建立一个共享的空间信息框架的建设计划，包括所需的设备、技术、政策、标准、体系结构和人力资源等内容。第二节空间数据基础设施一、空间数据基础设施的概念10第二节空间数据基础设施按照SDI所支持的空间信息共享范围，SDI可分为全球空间数据基础设施（GlobeSpatialDataInfrastructures，GSDI）、区域空间数据基础设施（RegionalSpatialDataInfrastructures，RSDI）、国家空间数据基础设施（NationalSpatialDataInfrastructures，NSDI）和地方空间数据基础设施（LocalSpatialDataInfrastructures，LSDI）四个层次第二节空间数据基础设施按照SDI所支持的空间信息共享范围，11第二节空间数据基础设施第二节空间数据基础设施12

GlobalNationalRegionalLocalGlobalSDILevels空间信息基础设施

GlobalNationalRegiona13第二节空间数据基础设施SDI的信息传输基础是信息基础设施（InformationInfrastructures），所服务的对象是数字地球、数字城市等数字工程。它们共同组成了空间信息网络化共享与交换体系的完整内容。信息基础设施是以建设通信网络为主要目的，以光纤、卫星、微波、程控电话、无线移动等为通信传输方式的信息化基础设施建设计划。其中空间数据集是这个共享与交换体系建设主题对象。GSDI与NSDI的数据集及其关系：第二节空间数据基础设施SDI的信息传输基础是信息基础设施（14第二节空间数据基础设施SDI的数据集第二节空间数据基础设施SDI的数据集15第二节空间数据基础设施NSDI的数据集包括核心基础框架数据、设施系统数据、环境数据、社会及经济统计数据、地学数据等。而GSDI的数据集则是通过对它们的概括和集成而获得。第二节空间数据基础设施NSDI的数据集包括核心基础框架数16第二节空间数据基础设施二、空间数据基础设施的框架结构SDI是通过分布在全球范围各地的空间数据的交换站点（Clearinghouse），以门户网站或地图服务目录的形式实现空间数据的共享和交换的（图21-6）。其中交换站点的类型和内容可能因专业领域或机构提供服务的目的不同有所差别。提供服务的站点需向上级站点进行注册。第二节空间数据基础设施二、空间数据基础设施的框架结构17第二节空间数据基础设施SDI的服务模型11.19第二节空间数据基础设施SDI的服务模型11.1918地理信息系统的高级技术课件19地理信息系统的高级技术课件20SDICatalogAccessWebClientClearinghouseServersGateway(s)UserZ39.50protocolHTTPprotocolServiceRegistryWebServerOneSearchacrossmanyserversMetadataisthekeySDICatalogAccessWebClearingh21LocalGovernmentsFederalGovernmentStateGovernmentsTribalGovernmentsCivilianSectorDoDCommercialSectorLocalUsersDoDUsersTribalUsersStateUsersNationalPolicyMakersCommercialUsersCivilianUsersInternationalUsersFederalUsersGeospatialOne-StopPortalOtherstandards-basedportalsreplicatedaccesspoints未来模型LocalGovernmentsFederalGover22当前模型DataProducerDataProducerDataProducerDataProducerDataProducerDataProducerDataUserDataUserDataUserDataUserDataUserDataUserDataUserNSDIGatewayPortalPortalPortalPortal当前模型DataProducerDataProducer23第二节空间数据基础设施SDI的框架结构被公认为是一个三层结构。即由数据资源层构成基础层，各种类型的网络服务构成中间服务层，各种用户构成最高层：第二节空间数据基础设施SDI的框架结构被公认为是一个三层结24第二节空间数据基础设施SDI的框架结构第二节空间数据基础设施SDI的框架结构25第二节空间数据基础设施资源层是由数据的专业生产者通过多种数据采集方式采集的，并以数据库的方式提供给网络用户使用的各类数据集。服务层主要是由软件中间件以及相关服务机制共同组成的面向网络用户提供数据服务、数据处理与分析服务的服务系统。用户层则主要由对空间数据有共享和交换需求的各类群体组成的数据消费阶层。一般来讲，SDI的建设重点是资源层和服务层，它们构成提供各类信息服务的基础部分。而用户层的建设是与具体的应用相联系的，它的建设一般不作为SDI建设计划的核心内容。但它是建设数字地球、数字城市等的必要内容。第二节空间数据基础设施资源层是由数据的专业生产者通过多种数26第二节空间数据基础设施三、空间数据基础设施的建设内容一般来讲，SDI的建设重点是资源层和服务层，它们构成提供各类信息服务的基础部分。而用户层的建设是与具体的应用相联系的，它的建设一般不作为SDI建设计划的核心内容。但它是建设数字地球、数字城市等的必要内容。第二节空间数据基础设施三、空间数据基础设施的建设内容27第二节空间数据基础设施SDI的技术核心内容包括标准、框架、数据集、元数据、站点目录以及合作建设机制等。它们的关系可由图21-8说明。SDI的核心内容第二节空间数据基础设施SDI的技术核心内容包括标准、框架、28第二节空间数据基础设施交换站点通过网络系统为数据的生产者和提供者提供服务，是联系二者之间的桥梁。可提供数据发现、数据分发、数据搜索的统一界面、数据咨询及数据的广告等功能。技术标准包括数据内容和数据管理两个方面。前者包括数据分类、数据集成等，后者包括元数据和数据传输等。框架和数据集是其主要内容，框架由通信和计算机网络及其相关软件组成，构成SDI的支撑。而合作机制则是实现最终目的的保证，包括数据汇集机制、数据分发机制、运行机制、合作关系机制等。第二节空间数据基础设施交换站点通过网络系统为数据的生产者和29第二十二章空间信息网格如果说空间数据基础设施强调空间数据的共享与交换的宏观（技术的、政策的）概念的话，空间信息网格（SpatialInformationGrid，SIG）则要具体得多。对比发现，可以认为空间信息网格更多的是从技术层面讨论实现空间数据共享与交换的的实质内容，空间信息网格是对空间数据基础设施的技术延伸。第二十二章空间信息网格如果说空间数据基础设施强调空间数据的30第一节空间信息网格的概念一、空间信息网格的含义空间数据基础设施提出的交换站点在SIG中被看作网络结点，由这些分布在全球各地的各类结点形成的网络称之为网格。它是以空间信息传输、服务和计算为内容的特点的，因此也称为空间信息网格。网格的含义可解释为，网格是信息社会的网络基础设施，它把整个因特网整合成一台巨大的超级虚拟计算机，实现互联网上所有资源的互联互通，完成计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等智能共享的一种新兴的技术。第一节空间信息网格的概念一、空间信息网格的含义31第一节空间信息网格的概念网格由数据网格、信息服务网格、计算网格共同组成：网格的组成第一节空间信息网格的概念网格由数据网格、信息服务网格、计算32第一节空间信息网格的概念二、网格的体系结构网格的体系结构由三层构成，即网格结构层、网格服务层和格络应用层：第一节空间信息网格的概念二、网格的体系结构33第一节空间信息网格的概念网络的体系结构第一节空间信息网格的概念网络的体系结构34第一节空间信息网格的概念网格系统之间的通信是使用经过整合和升级了的因特网协议。由GGG(GreatGlobeGrid)协议取代WWW(WorldWideWeb)协议：第一节空间信息网格的概念网格系统之间的通信是使用经过整合和35第一节空间信息网格的概念网格协议第一节空间信息网格的概念网格协议36第一节空间信息网格的概念构造层（Fabric），提供共享的资源，它们是物理或逻辑实体。连接层（Connectivity），它是网格中网络事务处理通信与授权控制的核心协议。资源层(Resource)，对单个资源实施控制，实现资源注册、资源分配和资源监视。汇集层(Collective)

，资源汇集，供虚拟组织的应用程序共享、调用。提供目录服务、日程安排、资源代理、资源监测诊断、网格启动、负荷控制、账户管理等多种功能。应用层（Applications），通过各层的API调用相应的服务，再通过服务调用网格上的资源来完成任务。需要构建支持网格计算的库函数。第一节空间信息网格的概念构造层（Fabric），提供共享的37第一节空间信息网格的概念三、网格的关键技术网格研究和实现的关键技术包括：1、网格结点网格结点就是网格计算资源的提供者，它包括高端服务器、集群系统、MPP系统大型存储设备、数据库等。这些资源在地理位置上是分布的，系统具有异构特性。2、宽带网络系统宽带网络系统是在网格计算环境中，提供高性能通信的必要手段。通信能力的好坏对网格计算提供的性能影响甚大，要做到计算能力“即连即用”必须要高质量的宽带网络系统支持。用户要获得延迟小、可靠的通信服务也离不开高速的网络。第一节空间信息网格的概念三、网格的关键技术38地理信息系统的高级技术课件39网格拓扑结构的类型网格拓扑结构的类型40第一节空间信息网格的概念3、资源管理和任务调度工具计算资源管理工具要解决资源的描述、组织和管理等关键问题。任务调度工具其作用是根据当前系统的负载情况，对系统内的任务进行动态调度，提高系统的运行效率。它们属于网格计算的中间件。4、监测工具高性能计算系统的峰值速度可达百万亿次/秒。但是实际的运算速度往往与峰值速度有很大的距离，其主要原因在于高性能并行计算机的并行程序与传统的串行程序有很大差异。而高性能计算应用领域的专家对编程技术并不擅长，很难充分利用各种计算资源。如何帮助使用人员充分利用网格计算中的资源，这就要靠性能分析和监测工具。这对监视系统资源和运行情况十分重要。第一节空间信息网格的概念3、资源管理和任务调度工具41第一节空间信息网格的概念5、应用层的可视化工具网格计算的主要领域是科学计算，它往往伴随着海量的数据，面对浩如烟海的数据想通过人工分析得出正确的判断十分困难。如果把计算结果转换成直观的图形信息，就能帮助研究人员摆脱理解数据的困难，这就要研究能在网格计算中传输和读取的可视化工具。并提供友好的用户界面。第一节空间信息网格的概念5、应用层的可视化工具42第二节空间信息网格的计算一、网格的计算分类根据马森大学的研究，网格计算可分为：集中式任务管理系统、分布式任务管理系统、分布式操作系统、参量分析、资源监测/预测以及分布式计算接口。现有的网格计算技术方案主要集中在第一、二类。属于集中式任务管理系统的有Sun公司的GridEngine、LSF（LoadSharingFacility）、PBS（PortableBatchSystem）等；属于分布式任务管理系统的有Globus、Legion和NetSolve等。集中式系统由一台计算机统一调度任务，分布式系统任务的加载和运行控制由网格中每台计算机自行完成。第二节空间信息网格的计算一、网格的计算分类43第二节空间信息网格的计算二、网格计算的基本功能网格计算至少需要具备三种基本功能：1、任务管理

用户通过该功能向网格提交任务、为任务指定所需资源、删除任务并监测任务的运行状态。2、任务调度

用户提交的任务由该功能按照任务的类型、所需资源、可用资源等情况安排运行日程和策略。3、资源管理

确定并监测网格资源状况，收集任务运行时的资源占用数据。第二节空间信息网格的计算二、网格计算的基本功能44第二节空间信息网格的计算

四、网格计算的形式

网格计算有四种形式。1、企业计算企业计算是“以实现大型组织内部和组织之间的信息共享和协同工作为主要需求而形成的网络计算技术”，其核心是Client/Server计算模型和相关的中间件技术。第二节空间信息网格的计算四、网格计算的形式45第二节空间信息网格的计算

2、网格计算网格计算(GridComputing）是网络计算的另一个具有重要创新思想和巨大发展潜力的分支。最初，网格计算研究的目标是希望将超级计算机连接成为一个可远程控制的元计算机系统（MetaComputers）；现在，这一目标已经深化为建立大规模计算和数据处理的通用基础支撑结构，将网络上的各种高性能计算机、服务器、PC、信息系统、海量数据存储和处理系统、应用模拟系统、虚拟现实系统、仪器设备和信息获取设备（如传感器）集成在一起，为各种应用开发提供底层技术支撑，将Internet变为一个功能强大、无处不在的计算设施。第二节空间信息网格的计算2、网格计算46第二节空间信息网格的计算3、对等计算对等计算（Peer-to-Peer，简称P2P）是在Internet上实施网络计算的新模式。在这种模式下，服务器与客户端的界限消失了，网络上的所有节点都可以“平等”共享其他节点的计算资源。4、普及计算普及计算（ubiquitouscomputingorpervasivecomputing）强调人与计算环境的紧密联系，使计算机和网络更有效地融入人们的生活,让人们在任何时间、任何地点都能方便快捷地获得网络计算提供的各种服务。第二节空间信息网格的计算3、对等计算47第二十三章空间数据的互操作第二十三章空间数据的互操作48第一节空间数据互操作的概念一、空间数据互操作的含义数据转换方法仅仅是从数据角度考虑互操作，是数据的集成，而没有考虑数据处理方面的因素。因此还不能达到真正的互操作。GIS互操作是在异构数据库和分布计算的情况下出现的。对系统而言，系统能彼此更安全地获取和处理对方的信息；对用户而言，用户能方便地查询到所需的信息，并能方便地使用各种不同类型和格式的数据；对信息管理者来说，他们能很好地管理信息，为用户服务，并将资源充分地提供给用户。第一节空间数据互操作的概念一、空间数据互操作的含义49第一节空间数据互操作的概念GIS互操作中需解决的两个重要问题是，如何互操作异构的空间信息，如何互操作空间信息服务软件。因此，互操作可解释为以在线的方式分析和显示来自分布式数据源的数据。由于系统构建和信息构建的原因，来自分布式数据源的数据出现了结构方面的信息异构和系统异构（图23-1）。这种异构直接导致了空间信息相互操作的障碍。第一节空间数据互操作的概念GIS互操作中需解决的两个重要问50第一节空间数据互操作的概念异构与互操作第一节空间数据互操作的概念异构与互操作51第一节空间数据互操作的概念由于GIS产品在服务接口上的各异性和局限性，它很难满足Internet上空间信息互操作的需求，这样Internet用户与空间信息资源之间就出现了两大鸿沟：信息获取鸿沟和信息理解鸿沟。信息获取鸿沟表现为空间信息资源没有直接连接到Internet上。由于历史原因或出于信息管理或信息安全考虑，空间信息提供者不能或不想把空间信息直接连接到Internet上。信息理解鸿沟表现为用户无法理解空间信息。这与GIS厂商的纵向产品线密切相关，即一个GIS产品会从数据管理、数据传输到数据表现全方位地向用户提供服务。而不同的GIS产品有不同的接口，它所管理的空间信息也是各不相同的。于是，Internet用户只能依赖特定的GIS产品去访问特定的空间信息资源。第一节空间数据互操作的概念由于GIS产品在服务接口上的各异52第一节空间数据互操作的概念二、互操作技术的发展互操作技术根据关注的领域和关注类型，已经发展到了第三代。其领域包括系统、数据、信息、知识等，在类型上是语义的异构问题。其各个阶段的情况见表：第一节空间数据互操作的概念二、互操作技术的发展53第一节空间数据互操作的概念第一节空间数据互操作的概念54第一节空间数据互操作的概念三、互操作的层次结构互操作根据内容和水平可构成由低到高的层次结构（表23-2）。其中以获取信息级别的企业级互操作水平最高层次，实现网络环境下的分布式计算为最低层次。第一节空间数据互操作的概念三、互操作的层次结构55第一节空间数据互操作的概念第一节空间数据互操作的概念56第一节空间数据互操作的概念网络、硬件、软件是指从技术上如何实现GIS互操作，它包括：网络协议、文件系统传输、远程过程调用、分布计算平台、软件规程等，它们的正确配置是实现GIS互操作的基础。数据库和GIS层实现不同系统之间数据上的互操作，但是真正的信息互操作不仅仅应该是数据互操作，更应该是语义及含义上的互操作，客户对数据和处理资源的访问是实时的，并且所获得的结果是可以预测的。企业层是GIS中最高层次的互操作，实际上也就是我们通常所称的信息共享。它包括企业之间和信息部门之间的互操作，涉及政策、法规、经济等因素。第一节空间数据互操作的概念网络、硬件、软件是指从技术上如何57第一节空间数据互操作的概念OGC关于互操作模型的描述（图23-2）。该模型描述了互操作从数据到分析显示的过程。第一节空间数据互操作的概念OGC关于互操作模型的描述（图258第一节空间数据互操作的概念OGC的互操作模型第一节空间数据互操作的概念OGC的互操作模型59第一节空间数据互操作的概念根据这个模型，在C/S体系结构上，按照任务在客户机上分配的情况，可构成瘦客户端、中客户端和胖客户端（图23-3）。瘦客户端的数据处理任务主要由服务器端承担，客户端仅作为数据显示终端使用。中客户端在任务分配上负载比较平衡，双方各承担一定任务，但对客户机的要求较高。胖客户机数据显示和处理均由客户端承担，服务器只提供数据服务，缺点是网络数据传输的压力较大。第一节空间数据互操作的概念根据这个模型，在C/S体系结构上60第一节空间数据互操作的概念客户端任务分配第一节空间数据互操作的概念客户端任务分配61第一节空间数据互操作的概念四、开放式的互操作GIS结构第一节空间数据互操作的概念四、开放式的互操作GIS结构62第二节互操作的实现技术一、互操作问题的研究思路因特网环境中空间信息异构问题可以从句法和语义两个不同的层次研究。句法上的差异，不同的空间信息资源可以采用不同存储格式，而同一类存储格式也可能有版本的差异。语义上的差异，不同的空间信息资源可以采用不同的概念体系表示，而同一个概念体系中的概念也可能有同型异义或同义异型的现象。第二节互操作的实现技术一、互操作问题的研究思路63第二节互操作的实现技术二、实现互操作的技术当前实现互操作的主要技术有，使用GML（GeographyMarkupLanguage，GML）编码和传输地理空间数据；使用WFS（WebFeatureServer，WFS）在特征元素水平提取和处理数据；使用SVG（ScalableVectorGraphics，SVG）在Web上以矢量形式显示由GML传输的数据。第二节互操作的实现技术二、实现互操作的技术64第二节互操作的实现技术1、关于GMLGML是OGC的一个关于地理对象的模型、编码、传输和存储的标准。GML提供了一些描述空间特征和及它们在GML框架中的对应属性。包括描述特征的方案、坐标参考系统、几何体、拓扑关系、时态、量测单位等。第二