空间知识网格体系架构及其实现技术探讨.pdf

1、第 32卷 第 1期2007年 1月测 绘 科 学Science of Surveying and Mapp ingVol132 No11Jan1作 者 简 介 : 关 丽 ( 1980 O) , 女 , 博 士研 究 生 , 主 要 从 事 遥 感 与 GIS理 论 与应 用 方 法 研 究 。EOmail: guanl191 nenu1edu1cn收 稿 日 期 : 2006O03O28基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(30370267)空 间 知 识 网 格 体 系 架 构 及 其 实 现 技 术 探 讨关 丽 , 王 平 , 刘 湘 南 ( 北 京 大 学 遥

2、 感 与 地 理 信 息 系 统 研 究 所 ,北 京 100871; 东 北 师 范 大 学 城 市 与 环 境 科 学 学 院 ,长 春 130024; 中 国 地 质 大 学 信 息 工 程 学 院 , 北 京 100083)【 摘 要 】 空 间 知 识 网 格 是 以 网 格 GIS的 基 础 设 施 、 空 间 数 据 网 格 、 空 间 信 息 网 格 (狭 义 )为 基 础 , 运 用 基 本 的 网格 服 务 建 立 的 智 能 、 高 效 、 协 作 的 决 策 支 持 平 台 。 空 间 知 识 网 格 具 有 以 服 务 为 核 心 、 基 于 开 放 的 技 术 标

3、准 和 协议 、 智 能 化 的 知 识 挖 掘 过 程 和 完 整 的 结 构 体 系 等 特 点 , 主 要 完 成 空 间 知 识 的 管 理 与 分 析 应 用 , 如 空 间 数 据 管 理 与操 作 、 空 间 分 析 与 计 算 、 地 图 编 制 和 遥 感 图 像 处 理 等 。 本 文 系 统 论 述 了 空 间 知 识 网 格 的 体 系 结 构 , 并 以 实 例 阐 述了 空 间 知 识 网 格 的 实 现 流 程 及 其 关 键 技 术 。【 关 键 词 】 空 间 知 识 ; 空 间 知 识 网 格 ; 网 格 GIS; 知 识 网 格 服 务【 中 图 分 类

4、号 】 TP311 【 文 献 标 识 码 】 A 【 文 章 编 号 】 1009O2307 (2007) 01O0043O041 引 言随 着 网 络 技 术 的 飞 速 发 展 , 空 间 知 识 的 有 效 管 理 、 共享 和 远 程 访 问 的 需 求 急 剧 增 加 , 现 有 的 空 间 数 据 管 理 体 系 、方 法 和 技 术 已 经 不 能 满 足 高 性 能 计 算 、 大 容 量 处 理 分 析 能力 的 需 求 , 如 何 把 地 理 上 分 布 、 系 统 异 构 的 多 种 计 算 资 源和 空 间 信 息 资 源 集 成 起 来 已 经 成 为 人 们 迫

5、切 关 心 的 问 题 1 。为 了 解 决 这 些 问 题 , 网 格 ( Grid)技 术 于 20世 纪 90年 代 初产 生 , 并 且 迅 速 发 展 为 高 性 能 计 算 领 域 中 的 一 个 新 的 研 究热 点 , 掀 起 了 第 三 代 IT浪 潮 2 。 以 Internet和 W EB为 代 表的 前 两 次 计 算 机 网 络 浪 潮 分 别 实 现 了 计 算 机 硬 件 和 网 页 的连 通 3 , 而 网 格 技 术 则 试 图 实 现 互 联 网 上 所 有 资 源 的 全 面连 通 4 。 网 格 是 国 家 级 高 性 能 计 算 和 信 息 服 务 的

6、 战 略 性 基础 设 施 5 , 它 利 用 高 速 国 际 互 联 网 或 专 用 网 络 将 地 理 上 分布 、 异 构 的 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 集 成 为 一 个 统 一 的 逻 辑 整 体 , 最 终实 现 在 网 络 环 境 上 的 资 源 共 享 和 协 同 工 作 6 。空 间 知 识 网 格 ( Spatial Knowledge Grid, SKG) 作 为 网 格GIS应 用 的 最 高 层 次 7 , 强 调 网 格 技 术 “ 以 服 务 为 中 心 ” 的特 点 ,

7、它 是 以 空 间 数 据 网 格 和 空 间 信 息 网 格 (狭 义 )为 基 础 ,以 提 供 空 间 数 据 分 析 的 网 格 服 务 为 核 心 而 建 立 的 一 个 智 能 、高 效 、 协 作 的 决 策 支 持 平 台 8 , 用 统 一 的 方 式 共 享 和 管 理 空间 网 格 上 分 布 式 异 构 式 的 空 间 资 源 9 。 随 着 对 网 格 GIS技 术研 究 的 深 入 , 空 间 知 识 网 格 越 来 越 受 到 重 视 , 成 为 网 格 GIS研 究 的 热 点 之 一 。 由 于 空 间 知 识 具 有 其 特 殊 性 , 所 以 空 间 知识

8、 网 格 的 体 系 架 构 和 实 现 技 术 有 别 于 普 通 的 知 识 网 格 。2 空 间 知 识 网 格 的 概 念空 间 知 识 网 格 是 网 格 GIS中 面 向 用 户 提 供 服 务 的 重 要 组成 部 分 , 它 是 以 网 格 GIS的 基 础 设 施 、 空 间 数 据 网 格 、 空 间信 息 网 格 (狭 义 )为 基 础 , 运 用 基 本 的 网 格 服 务 如 元 数 据 管 理服 务 、 安 全 服 务 、 资 源 管 理 服 务 等 去 建 立 更 具 体 的 分 布 式 知识 发 现 的 工 具 和 服 务 10 , 形 成 空 间 知 识 服

9、务 的 共 享 协 作 逻辑 整 体 。 SKG的 目 标 是 建 立 一 个 智 能 、 高 效 、 协 作 的 GIS决策 支 持 平 台 , 用 于 表 达 、 计 算 与 模 拟 复 杂 地 学 问 题 的 空 间 格局 与 空 间 过 程 。211 空 间 知 识 的 特 点空 间 知 识 网 格 研 究 空 间 知 识 的 组 织 、 管 理 和 分 析 方 法 ,因 而 空 间 知 识 自 身 的 特 点 直 接 影 响 到 空 间 知 识 网 格 的 架 构 及其 实 现 。 空 间 知 识 是 由 空 间 信 息 提 取 、 挖 掘 出 来 的 可 供 用 户直 接 采 用

10、的 知 识 , 凡 是 与 空 间 定 位 有 关 的 知 识 体 系 都 属 于 空间 知 识 的 范 畴 11 。 空 间 知 识 除 了 一 般 知 识 所 具 有 的 地 理 上分 布 和 系 统 异 构 的 特 征 外 , 还 具 有 动 态 性 、 多 源 性 、 海 量性 、 存 储 格 式 的 多 样 性 和 体 系 的 完 备 性 等 特 征 。空 间 知 识 是 时 态 数 据 , 要 满 足 时 态 数 据 存 储 和 处 理 的 需求 , 需 要 尽 可 能 地 整 合 分 布 式 存 储 资 源 和 计 算 资 源 为 一 个 虚拟 统 一 的 系 统 环 境 ; 空

11、 间 知 识 来 源 多 种 多 样 , 如 不 同 遥 感 平台 、 不 同 传 感 器 采 集 的 不 同 分 辨 率 的 遥 感 图 像 数 据 , 地 图 扫描 矢 量 化 数 据 及 野 外 利 用 各 种 测 量 仪 器 直 接 测 绘 的 数 据 , 信息 的 多 源 性 要 求 空 间 知 识 网 格 必 须 提 供 一 套 元 数 据 管 理 工具 ; 信 息 容 量 的 海 量 性 和 存 储 格 式 的 多 样 性 要 求 空 间 知 识 网格 提 供 基 于 空 间 信 息 资 源 的 数 据 访 问 服 务 。 另 外 , 空 间 知 识需 要 挖 掘 和 加 工 处

12、 理 , 它 不 同 于 一 般 的 空 间 信 息 , 更 强 调 体系 的 完 整 性 和 逻 辑 的 一 致 性 。 这 些 特 征 无 疑 加 大 了 空 间 信 息处 理 的 难 度 , 同 时 也 成 为 空 间 知 识 网 格 区 别 于 一 般 知 识 网 格的 根 本 所 在 。212 空 间 知 识 网 格 的 特 点21211 以 服 务 为 核 心网 格 GIS与 传 统 GIS一 个 最 重 要 的 区 别 是 网 格 GIS提 供给 用 户 的 不 仅 仅 是 具 体 的 软 件 或 硬 件 设 施 , 更 重 要 的 是 解 决问 题 的 服 务 , 这 一 点

13、在 空 间 知 识 网 格 上 得 到 了 最 大 限 度 的 体现 。 空 间 知 识 网 格 能 够 把 网 格 上 的 空 间 知 识 服 务 站 点 链 接 起来 提 供 服 务 点 播 ( Service On Demand)和 一 步 到 位 (One ClickIs Enough)的 服 务 12 , 提 供 针 对 空 间 信 息 的 各 种 服 务 , 如 基本 数 据 操 作 和 数 据 管 理 服 务 、 空 间 数 据 分 析 和 高 性 能 计 算 服务 、 地 图 编 制 服 务 和 遥 感 图 像 的 处 理 服 务 等 。21212 基 于 开 放 的 技 术

14、标 准 和 协 议由 于 空 间 知 识 网 格 是 在 基 本 的 网 格 服 务 如 元 数 据 管 理 服务 、 安 全 服 务 和 资 源 管 理 服 务 等 基 础 上 去 建 立 更 具 体 的 分 布式 知 识 发 现 的 工 具 和 服 务 , 因 此 空 间 知 识 网 格 继 承 了 基 础 网格 的 技 术 标 准 和 协 议 , 如 应 用 SOAP协 议 ( Simp le Object Ac2cess Protocol)来 完 成 服 务 触 发 , 应 用 W SDL语 言 (W eb ServiceDescrip tion Language)来 完 成 服 务

15、描 述 等 13 。 这 些 基 本 工 具实 现 了 空 间 资 源 分 布 、 动 态 、 异 构 等 特 性 的 屏 蔽 以 及 各 种 资源 的 共 享 、 集 成 和 互 操 作 , 为 空 间 知 识 网 格 提 供 了 透 明 的 、一 致 的 使 用 接 口 , 以 支 持 用 户 的 应 用 开 发 。21213 智 能 化 的 空 间 知 识 挖 掘 过 程空 间 知 识 网 格 在 大 量 空 间 数 据 集 中 进 行 数 据 挖 掘 , 用 以完 成 复 杂 的 科 学 研 究 和 高 性 能 计 算 , 这 区 别 于 其 他 层 次 的 网格 GIS, 也 是 空

16、 间 知 识 网 格 具 有 智 能 化 的 表 现 。 SKG节 点 可以 进 行 动 态 的 管 理 和 控 制 , 而 且 按 照 不 同 的 划 分 标 准 和 应 用模 式 , 各 个 节 点 将 对 应 不 同 的 层 次 和 自 主 权 , 可 以 设 置 个 人应 用 属 性 、 组 内 应 用 属 性 和 公 共 属 性 等 权 利 来 制 定 节 点 服 务的 应 用 策 略 。21214 空 间 知 识 体 系 的 完 备 性知 识 不 同 于 分 散 的 信 息 , 它 需 要 提 供 较 为 完 整 的 概 念 、原 理 、 规 则 和 方 法 , 把 知 识 有 效

17、 地 组 织 起 来 就 构 成 了 知 识 空间 14 。 在 空 间 知 识 的 范 畴 中 , 知 识 空 间 提 供 了 空 间 知 识 种类 、 知 识 水 平 以 及 知 识 存 储 的 位 置 信 息 。 知 识 空 间 对 于 空 间知 识 的 管 理 、 浏 览 和 知 识 的 入 库 是 非 常 重 要 和 必 要 的 , 它 以结 构 化 、 层 次 化 的 组 织 方 式 保 证 了 空 间 知 识 体 系 的 完 备 性 。213 知 识 空 间图 1 知 识 空 间 示 意 图在 空 间 知 识 的 范 畴中 , 三 维 知 识 空 间 包 括 空间 知 识 种 类

18、 、 知 识 水 平 以及 知 识 存 储 的 位 置 信 息 ,如 图 1所 示 。 前 两 维 用 于识 别 空 间 知 识 的 内 容 , 第三 维 是 知 识 存 储 的 位 置 信息 。 知 识 空 间 中 的 每 一 点表 示 一 种 拥 有 确 定 的 种类 、 水 平 和 位 置 信 息 的 知 识 。空 间 知 识 水 平 从 低 到 高 可 以 分 为 四 个 层 次 , 分 别 为 概 念级 、 原 理 级 、 规 则 级 和 方 法 级 。 概 念 级 包 括 名 词 或 词 组 的 基本 概 念 , 并 带 有 相 应 的 解 释 和 定 义 , 就 像 字 典 一

19、样 , 如 可 以查 找 “ 地 理 信 息 系 统 ” 或 者 “ 光 谱 ” 的 概 念 等 ; 原 理 级 是用 数 学 公 式 或 者 一 段 语 言 来 描 述 一 种 空 间 知 识 的 原 理 , 解 释概 念 之 间 的 联 系 , 还 包 括 一 些 专 门 性 地 理 知 识 , 如 可 以 在 知识 空 间 中 查 找 DTM和 DEM的 原 理 ; 规 则 级 反 映 了 原 理 之 间的 逻 辑 关 系 , 可 以 由 “ if then ” 形 式 给 出 , 如 元 胞自 动 机 中 元 胞 的 规 则 等 ; 方 法 级 则 是 指 解 决 问 题 的 方 法

20、, 这个 方 法 给 出 的 是 “ 问 题 解 决 方 案 ” 这 样 一 对 形 式 , 解 决 方案 可 能 是 多 步 骤 的 过 程 , 也 可 能 是 单 步 骤 的 过 程 , 可 能 是A rcGIS的 一 个 三 维 分 析 组 件 , 也 可 能 是 一 个 具 体 的 算 法 等 。在 空 间 知 识 网 格 中 , 知 识 种 类 可 以 分 为 地 理 常 识 数 据 、栅 格 数 据 、 矢 量 数 据 、 时 空 数 据 、 三 维 数 据 、 地 图 符 号 数据 、 遥 感 影 像 数 据 和 地 物 光 谱 数 据 等 类 型 。 每 个 知 识 种 类 可

21、能 包 括 几 个 子 类 , 每 个 子 类 还 可 能 包 括 几 个 小 的 子 类 。 每 个子 类 中 又 分 为 四 个 知 识 水 平 , 一 个 知 识 种 类 和 它 所 有 水 平 的子 类 共 同 组 成 一 个 知 识 种 类 的 层 。 按 照 人 们 关 心 知 识 水 平 的不 同 , 每 个 水 平 轴 的 条 件 可 以 按 比 例 降 低 为 低 水 平 , 也 可 以升 高 为 高 水 平 。 当 知 识 种 类 和 知 识 水 平 都 给 出 的 时 候 , 就 可以 正 确 地 找 到 知 识 内 容 , 如 在 遥 感 知 识 类 中 查 找 “ 光

22、 谱 ” 的概 念 。在 空 间 知 识 网 格 中 , 知 识 空 间 的 建 立 对 管 理 、 浏 览 知 识内 容 具 有 重 要 的 作 用 , 目 前 基 于 JAVA技 术 、 中 间 件 技 术 和W eb Service平 台 建 立 的 知 识 空 间 已 经 在 该 领 域 发 挥 了 显 著 的成 效 。 当 然 , 知 识 空 间 建 立 的 基 础 是 网 格 GIS的 基 础 设 施 ,如 各 节 点 GIS软 件 (如 A rc Info,Map Info等 ) 的 提 供 , 协 议 的提 供 以 及 各 个 空 间 数 据 库 、 遥 感 数 据 库 和 地

23、 物 光 谱 库 的 支持 等 。3 空 间 知 识 网 格 的 结 构 体 系空 间 知 识 网 格 是 一 种 进 行 分 布 式 高 性 能 空 间 知 识 发 现 的应 用 软 件 体 系 15 , 它 在 大 量 的 数 据 集 中 进 行 数 据 挖 掘 , 用以 完 成 复 杂 的 科 学 发 现 任 务 。 SKG体 系 由 基 础 知 识 库 、 基 础知 识 服 务 管 理 层 、 知 识 服 务 层 和 知 识 应 用 层 等 四 个 层 次 组成 , 如 图 2所 示 。图 2 空 间 知 识 网 格 体 系311 基 础 知 识 库基 础 知 识 库 包 括 分 布

24、式 空 间 基 础 知 识 库 、 空 间 知 识 元 数据 库 和 空 间 知 识 执 行 计 划 库 等 三 个 主 要 的 数 据 库 。 其 中 空 间基 础 知 识 库 包 括 地 理 常 识 数 据 、 栅 格 数 据 、 矢 量 数 据 、 时 空数 据 、 三 维 数 据 、 地 图 符 号 数 据 、 遥 感 数 据 、 地 物 光 谱 数 据等 知 识 。 空 间 知 识 元 数 据 库 ( Spatial Metadata Database)用 来存 储 空 间 知 识 元 数 据 信 息 。 由 于 各 行 各 业 (如 交 通 、 地 质 、 水文 、 林 业 等 )

25、 都 有 把 该 行 业 的 空 间 数 据 发 布 到 网 格 上 的 需要 , 因 此 出 现 在 网 格 上 的 数 据 种 类 是 多 种 多 样 的 , 包 括 结 构化 、 半 结 构 化 和 非 结 构 化 的 数 据 , 如 何 把 它 们 映 射 到 空 间 数据 库 中 的 数 据 实 体 是 首 先 需 要 解 决 的 问 题 。 空 间 元 数 据(Metadata)抽 象 了 空 间 数 据 对 象 描 述 16 , 使 得 各 种 空 间 数 据集 可 以 通 过 元 素 属 性 与 值 之 间 的 映 射 关 系 来 表 达 , 用 以 描 述有 关 地 理 信

26、息 的 内 容 、 质 量 、 位 置 和 其 他 特 征 , 帮 助 用 户 快速 理 解 和 定 位 数 据 , 其 目 的 是 为 知 识 的 访 问 提 供 相 关 的 数 据目 录 信 息 和 数 据 交 换 等 辅 助 信 息 。 空 间 知 识 执 行 计 划 库 是 负责 存 储 数 据 挖 掘 过 程 的 执 行 计 划 , 以 便 其 他 用 户 在 执 行 相 同任 务 的 时 候 调 用 该 执 行 计 划 。312 基 础 知 识 服 务 管 理 层该 层 提 供 空 间 知 识 网 格 上 分 布 式 知 识 发 现 的 定 义 、 计 算和 管 理 , 主 要 目

27、 的 是 对 所 有 计 算 资 源 的 元 数 据 、 数 据 挖 掘 工具 、 数 据 管 理 和 可 视 化 工 具 及 其 算 法 进 行 管 理 , 并 且 负 责 调用 满 足 用 户 应 用 要 求 的 可 用 网 格 资 源 。 基 础 知 识 服 务 管 理 层主 要 包 含 两 种 服 务 , 即 知 识 目 录 服 务 和 资 源 配 置 管 理 服 务 。知 识 目 录 服 务 主 要 负 责 描 述 知 识 网 格 中 用 到 的 知 识 和 工具 , 包 括 数 据 资 源 的 描 述 、 数 据 管 理 工 具 、 数 据 分 析 工 具 、数 据 可 视 化 工

28、 具 、 分 布 式 知 识 发 现 执 行 计 划 的 描 述 以 及 结 果的 描 述 。 其 中 , 分 布 式 知 识 发 现 执 行 计 划 是 一 个 知 识 网 格 应用 的 简 要 描 述 , 是 一 个 介 绍 性 的 图 表 , 主 要 阐 述 了 数 据 流 在数 据 资 源 、 数 据 管 理 工 具 、 可 视 化 工 具 和 结 构 储 存 的 作 用 过程 。 这 些 元 数 据 信 息 由 GML文 件 记 载 并 存 储 到 空 间 知 识 元数 据 库 中 17 。 一 般 的 数 据 管 理 、 分 析 和 可 视 化 工 具 已 经 在知 识 网 格 中

29、 存 在 , 要 想 使 他 们 在 知 识 发 现 时 可 用 , 必 须 把 相关 的 元 数 据 存 储 到 知 识 元 数 据 库 中 。资 源 配 置 管 理 服 务 负 责 查 找 执 行 计 划 与 可 用 资 源 之 间 最好 的 映 射 , 这 种 映 射 既 可 以 满 足 应 用 的 要 求 (如 计 算 能 力 、 存储 能 力 、 存 储 器 、 数 据 库 、 网 络 带 宽 和 反 应 时 间 ) , 又 可 以有 效 地 获 得 可 分 配 的 资 源 。 当 执 行 计 划 被 激 活 后 , 该 层 服 务自 动 运 行 。313 知 识 服 务 层该 层

30、主 要 完 成 合 成 、 确 认 和 执 行 分 布 式 知 识 发 现 的 计 算服 务 , 同 时 提 供 存 储 和 分 析 知 识 的 服 务 。 其 中 包 括 数 据 访 问服 务 、 工 具 算 法 访 问 服 务 、 执 行 计 划 管 理 服 务 和 结 果 表 达 服务 等 四 种 服 务 。44 测 绘 科 学 第 32卷 数 据 访 问 服 务 主 要 负 责 搜 索 、 选 择 、 提 取 、 转 换 和 传 输在 知 识 网 格 中 挖 掘 到 的 数 据 。 搜 索 和 选 择 服 务 建 立 在 知 识 目录 服 务 的 基 础 上 , 而 且 服 务 自 动

31、 将 搜 索 和 找 到 的 数 据 资 源 用数 据 管 理 工 具 进 行 分 析 。工 具 算 法 访 问 服 务 负 责 数 据 挖 掘 工 具 及 其 算 法 的 查 询 、选 择 和 下 载 。 在 执 行 这 些 操 作 之 前 , 记 录 工 具 和 算 法 有 效性 、 位 置 和 结 构 的 元 数 据 被 存 储 到 知 识 元 数 据 库 中 由 知 识 目录 服 务 进 行 管 理 。执 行 计 划 管 理 服 务 提 供 一 个 介 绍 性 的 图 表 , 主 要 描 述 了数 据 流 在 数 据 资 源 、 数 据 管 理 工 具 、 可 视 化 工 具 和 结

32、构 储 存的 作 用 过 程 。 用 户 可 以 用 可 视 化 工 具 直 接 合 成 一 个 分 布 式 知识 发 现 执 行 计 划 , 再 由 程 序 去 链 接 相 关 的 数 据 资 源 , 由 数 据访 问 服 务 和 工 具 算 法 访 问 服 务 负 责 形 成 不 同 的 结 果 。 执 行 计划 管 理 服 务 被 称 为 一 种 半 自 动 式 工 具 , 它 能 够 用 数 据 和 可 供用 户 选 择 的 程 序 建 立 不 同 的 执 行 计 划 。 执 行 计 划 存 储 在 知 识执 行 计 划 库 中 , 允 许 用 户 执 行 重 复 知 识 发 现 过

33、程 , 如 在 不 同时 间 内 对 相 同 数 据 资 源 做 定 期 分 析 , 或 者 用 相 同 的 执 行 计 划去 分 析 不 同 的 数 据 集 等 。结 果 表 达 服 务 是 知 识 发 现 过 程 中 的 重 要 步 骤 , 可 视 化 模型 能 够 帮 助 用 户 理 解 所 得 到 的 模 型 (如 聚 类 模 型 或 分 类 模 型等 ) , 同 时 该 服 务 提 供 AP I将 结 果 以 不 同 的 形 式 存 储 在 基 础知 识 数 据 库 中 , 并 将 结 果 元 数 据 存 储 在 知 识 元 数 据 库 中 由 知识 目 录 服 务 进 行 管 理

34、。314 知 识 应 用 层空 间 知 识 的 管 理 和 分 析 是 在 知 识 目 录 服 务 、 资 源 配 置 管理 服 务 、 数 据 访 问 服 务 、 工 具 算 法 访 问 服 务 、 执 行 计 划 管 理服 务 以 及 结 果 表 达 服 务 等 多 项 服 务 基 础 上 的 应 用 , 其 中 包 括空 间 数 据 操 作 与 管 理 、 空 间 分 析 与 计 算 、 地 图 编 制 服 务 和 遥感 图 像 处 理 等 。 空 间 数 据 操 作 与 管 理 应 用 主 要 涉 及 知 识 目 录服 务 、 资 源 配 置 管 理 服 务 和 数 据 访 问 服 务

35、 ; 空 间 分 析 与 计 算应 用 是 知 识 应 用 层 的 主 要 功 能 , 是 基 于 空 间 对 象 的 位 置 、 形态 和 关 系 等 特 征 的 分 析 和 处 理 技 术 , 其 目 的 是 获 得 符 合 需 求的 空 间 信 息 , 提 取 空 间 知 识 , 主 要 涉 及 工 具 算 法 访 问 服 务 和执 行 计 划 管 理 服 务 等 ; 地 图 编 制 服 务 和 遥 感 图 像 处 理 是 多 项服 务 的 综 合 应 用 , 是 基 于 空 间 数 据 操 作 与 管 理 、 空 间 分 析 与计 算 基 础 上 的 可 视 化 表 达 服 务 , 将

36、 操 作 分 析 结 果 以 最 优 化 、可 理 解 的 方 式 呈 现 给 用 户 。4 空 间 知 识 网 格 的 实 现 流 程在 空 间 知 识 网 格 中 建 立 一 个 简 单 的 自 学 习 过 程 , 以 说 明知 识 网 格 服 务 在 GIS分 布 式 知 识 管 理 及 应 用 上 的 特 点 和优 势 。不 同 的 资 源 构 成 了 空 间 知 识 网 格 中 的 若 干 节 点 , 在 空 间知 识 自 学 习 过 程 中 , 节 点 U是 用 户 登 陆 的 节 点 并 发 出 一 个 申请 , 即 需 要 一 个 空 间 知 识 分 类 器 ; 节 点 A上

37、提 供 可 用 的 各 类空 间 数 据 集 ; 节 点 S上 提 供 各 种 可 用 的 工 具 , 如 数 据 分 割 器P、 知 识 学 习 程 序 L等 ; 节 点 1 节 点 n提 供 存 储 空 间 来 执行 局 部 分 类 器 的 学 习 过 程 ; 节 点 Z上 完 成 局 部 分 类 器 的 合 并和 全 局 分 类 器 最 后 的 认 证 过 程 。 空 间 知 识 自 学 习 的 过 程 如 图3所 示 , 其 中 括 号 中 的 字 母 代 表 该 资 源 所 属 于 的 节 点 名 称 ,其 执 行 过 程 如 下 所 述 。第 一 步 : 网 格 用 户 登 陆 节

38、 点 U, 为 完 成 自 学 习 任 务 在 空间 知 识 网 格 中 搜 索 计 算 资 源 , 这 种 搜 索 由 知 识 目 录 服 务 来 完成 , 最 后 用 户 确 定 节 点 A中 的 计 算 资 源 和 节 点 S上 的 若 干 工具 为 自 己 所 需 要 的 资 源 , 然 后 用 节 点 1 节 点 n来 执 行 局部 学 习 过 程 , 最 后 在 节 点 Z上 进 行 学 习 器 的 合 并 及 确 认过 程 。第 二 步 : 网 格 用 户 应 用 执 行 计 划 管 理 服 务 来 建 立 自 学 习任 务 的 执 行 计 划 , 详 细 说 明 工 具 、 数

39、 据 以 及 算 法 执 行 方 面 的策 略 , 这 个 执 行 计 划 存 储 在 节 点 U的 知 识 执 行 计 划 库 中 。第 三 步 : 网 格 用 户 向 资 源 配 置 管 理 服 务 递 交 执 行 计 划 ,执 行 计 划 的 方 案 将 决 定 以 下 的 步 骤 。第 四 步 : 节 点 S上 的 知 识 分 割 器 P将 在 节 点 A上 运 行 ,学 习 器 L将 在 节 点 1 节 点 n上 运 行 , 包 括 程 序 的 下 载 和最 后 安 装 到 目 标 节 点 上 这 些 操 作 都 由 节 点 S上 的 工 具 算 法 访问 服 务 提 供 。第 五

40、步 : 在 节 点 A上 , 将 运 用 节 点 S上 的 知 识 分 割 器 P从 GIS知 识 数 据 集 中 提 取 数 据 集 TR1 TRn, 测 试 集 TS和确 认 集 VS, 然 后 把 数 据 集 TR1 TRn分 别 移 动 到 节 点 1 节 点 n上 , 把 TS和 VS移 动 到 节 点 Z上 , 这 些 数 据 的 提取 和 移 动 操 作 由 节 点 A上 的 数 据 访 问 服 务 提 供 。第 六 步 : 在 节 点 1 节 点 n上 , 学 习 程 序 L1 Ln将分 别 利 用 数 据 集 TR1 TRn来 建 立 节 点 的 局 部 分 类 器 Ci,他

41、 们 将 被 移 动 到 节 点 Z上 , 移 动 过 程 由 节 点 Z的 数 据 访 问 服务 提 供 。图 3 空 间 知 识 网 格 中 空 间 知 识 自 学 习 过 程 图第 七 步 : 在 节 点 Z上 , 合 并 节 点 提 供 的 局 部 分 类 器 C1 Cn, 建 立 测 试 分 类 器 TC, 由 TS和 VS最 后 确 认 全 局 空间 知 识 分 类 器 GC, 并 将 它 移 动 到 节 点 U上 的 基 础 知 识 数 据库 中 , 这 个 任 务 由 节 点 U上 的 结 果 表 达 服 务 提 供 。第 八 步 : 网 格 用 户 可 视 化 结 果 并 用

42、 结 果 表 达 工 具 评 价 最后 的 计 算 结 果 。在 整 个 知 识 自 学 习 过 程 中 , 充 分 体 现 了 网 格 技 术 “ 以 服务 为 中 心 ” 的 特 点 , 它 为 用 户 提 供 的 不 再 是 传 统 意 义 上 分布 、 异 构 的 数 据 集 、 具 体 工 具 集 和 各 类 程 序 , 而 是 将 这 些 地理 上 分 布 、 异 构 的 计 算 资 源 、 存 储 资 源 及 软 件 资 源 等 利 用 不同 层 次 的 SKG服 务 集 成 为 一 个 统 一 的 逻 辑 整 体 , 最 终 实 现 空间 资 源 在 网 格 环 境 下 的 协

43、 同 工 作 , 解 决 知 识 挖 掘 和 管 理 问题 。 整 个 自 学 习 流 程 利 用 “ 服 务 点 播 ” 和 “ 一 步 到 位 ” 的服 务 模 式 完 成 了 “ 知 识 分 类 器 ” 的 获 取 过 程 , 体 现 了 知 识 网格 智 能 化 的 特 点 。 其 中 涉 及 SKG体 系 中 多 种 服 务 种 类 , 如 数据 访 问 服 务 、 工 具 算 法 访 问 服 务 、 执 行 计 划 管 理 服 务 等 , 由于 这 些 网 格 服 务 都 是 基 于 开 放 的 技 术 标 准 和 协 议 , 实 现 了 空间 资 源 分 布 、 动 态 、 异

44、构 等 特 性 的 屏 蔽 和 各 种 资 源 的 共 享 、集 成 和 互 操 作 。 所 以 用 户 可 以 在 统 一 的 网 格 环 境 下 利 用 大 量空 间 数 据 集 进 行 数 据 挖 掘 , 完 成 复 杂 的 分 布 计 算 和 智 能 学 习过 程 。5 空 间 知 识 网 格 的 实 现 技 术空 间 知 识 网 格 体 系 建 立 在 网 格 工 具 集 和 服 务 的 基 础 上 ,所 以 可 以 应 用 不 同 的 方 法 在 网 格 工 具 集 和 服 务 中 开 发 出 来 ,如 应 用 Globus来 完 成 空 间 知 识 网 格 体 系 的 建 立 1

45、8 。 Globus工 具 包 主 要 实 现 四 个 方 面 的 内 容 : 网 格 安 全 、 网 格 信 息 获 取与 分 布 、 网 格 资 源 管 理 、 网 格 远 程 数 据 传 输 等 。 网 格 安 全 基础 设 施 ( Grid Security Infrastructure, GSI) 实 现 广 域 网 下 的 安全 认 证 和 加 密 通 信 , 它 提 供 单 点 登 陆 功 能 , 远 地 身 份 鉴 别 和数 据 传 输 加 密 功 能 , 是 网 格 计 算 安 全 性 的 核 心 部 分 ; Globus资 源 分 配 管 理 ( Globus Resour

46、ce A llocation Manager, GRAM )54 第 1期 关 丽 等 空 间 知 识 网 格 体 系 架 构 及 其 实 现 技 术 探 讨负 责 远 程 应 用 的 资 源 请 求 处 理 , 远 程 任 务 调 度 处 理 和 远 程 任务 管 理 , 是 网 格 计 算 环 境 的 任 务 执 行 中 心 ; 元 计 算 目 录 服 务(Metacomputing D irectory Service,MDS) 负 责 网 格 计 算 元 信 息的 发 现 、 注 册 、 查 询 、 修 改 等 工 作 , 是 对 网 格 计 算 环 境 的 一个 真 实 、 实 时

47、的 动 态 反 映 , 它 主 要 基 于 LDAP (L ightweightD i2rectory Access Protocol)协 议 , 是 网 格 计 算 环 境 中 的 信 息 服 务核 心 ; 全 局 二 级 存 储 服 务 ( Global Access to Secondary Storage,GASS) 简 化 了 应 用 程 序 对 远 程 文 件 I/O的 操 作 , 支 持 网 格计 算 环 境 远 程 I/O访 问 的 中 间 件 。 以 Globus等 网 格 计 算 基 础设 施 和 协 议 为 基 础 进 而 实 现 SKG的 具 体 应 用 。在 空 间

48、知 识 网 格 的 实 现 过 程 中 , GML语 言 ( GeographyMarkup Language)、 W eb Service平 台 和 中 间 件 发 挥 重 要 作 用 ,空 间 知 识 网 格 的 技 术 组 织 如 图 4所 示 。 GML是 中 间 件 之 间 实现 信 息 传 输 和 存 储 的 关 键 性 技 术 , 它 是 XML ( eXtensibleMarkup Language)的 扩 展 , 由 OGC公 司 组 织 并 发 行 的 可 用 于GIS网 络 间 通 信 的 一 种 高 效 语 言 , 用 来 存 储 和 传 输 空 间 地 理特 征 的

49、属 性 信 息 和 几 何 信 息 , 强 调 的 是 空 间 信 息 的 传 输 , 而不 强 调 地 理 特 征 的 可 视 化 。 W eb Service平 台 是 建 立 可 互 操 作的 分 布 式 应 用 程 序 的 新 平 台 , 即 在 进 行 网 络 间 通 信 时 , W ebService通 过 向 外 界 提 供 AP I来 完 成 网 络 间 的 各 种 操 作 。 W ebService主 要 由 GML, W SDL, SOAP, UDD I(Universal D iscov2ery,Descrip tion and Intergration) 等 几 种 协 议 组 成 , W eb Serv2ice服 务 符 合 网 格 计 算 中 应 用 的 平 台 无 关 性 、 位 置 无 关 性 和简 单 易 用 性 要 求 。 中 间 件 一 般 是 指 运 行 在 客 户 机 或 服 务 器 系统 上 的 一 种 独 立 的 系 统 软 件 或 服 务 程