基于数据网格的地理空间信息协作共享系统研究

摘要

地理空间数据在很多研究领域(包括地质、气象、农业、全球气候变化、灾害监测控制等)以及经济与社会活动中发挥着越来越重要的作用，目前已经有相当多的公共与私有组织采用遥感、实地监测、模拟计算等各种手段获取了大量的地理空间数据，并且存放在分布于世界各地的地理空间数据中心。然而如何有效地利用这些在地域上分布的海量地理空间数据仍然存在相当多的问题。 地理空间科学是跨领域的交叉学科，地理空间科学的研究通常需要对大量、多种类型的数据与信息进行处理。地理空间数据体积庞大，且具有分布性、多源性、数据结构与格式的多样性等特点，所以需要一种行之有效的方法对分布的海量地理空间数据进行管理与利用，以减轻搜索、整合与预处理科学计算所需地理空间数据的负担。另一方面，目前大多数存档地理空间数据为原始数据或者经过初步预处理的标准数据，然而这些数据并不能被地理空间领域用户直接使用，他们所需的是包含有地理空间信息以及知识的高层地理空间数据。一种能够让用户利用已有的地理空间数据与服务资源按需定制高层数据的机制能够在很大程度上促进对地理空间数据的利用。 本文探讨了网格技术在地理空间科学领域的应用。本文将网格技术与地理空间科学领域的相关技术与标准相结合，设计并实现了基于数据网格的地理空间信息协作共享系统。本文的研究主要集中在以下几个方面： 1)结合地理空间科学领域的特点，对五层沙漏网格模型进行扩展，阐述了地理空间数据网格体系结构。 2)基于OGC CSW规范，结合ebXML与地理空间科学领域的相关标准(ISO19115、ISO 19119、ECS等)，设计并实现了地理空间信息网络目录服务，提供对分布式地理空间数据与服务元数据信息的注册、管理与查询功能。 3)将网格技术与OGC Web服务技术相结合，设计了地理空间数据网格系统。该网格系统能够对分布海量地理空间数据进行集成与管理，为用户提供对分布式地理空间数据的统一、通用、可按需定制的获取机制。 4)基于SOA技术，阐述了虚拟地理空间数据的概念。借助于虚拟地理空间数据，地理空间领域的专家用户与普通用户可以方便地进行领域知识的共享。 5)基于本文所设计的地理空间数据网格，设计了虚拟地理空间数据系统，用于创建、实例化与生成虚拟地理空间数据实例。 6)利用Globus Toolkit，在真实的广域网环境中实现并部署了基于数据网格的地理空间信息协作共享系统，验证了本文阐述的相关概念与体系结构设计。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1地理空间科学

1.1.1地理空间数据与信息的特征

1.1.2地理空间互操作技术

1.2网格技术

1.2.1网格技术历史

1.2.2 Globus Toolkit

1.2.3网格带来了什么

1.2.4 Web Services Resource Framework(WSRF)

1.3网格技术在地理空间科学领域的应用

1.4研究目标

第二章地理空间数据网格的体系结构

2.1地理空间数据网格体系结构

2.1.1构造层(Fabric)：局部控制的接口

2.1.2连接层(Connectivity)：安全便捷的通讯

2.1.3资源层(Resource)：共享单个资源

2.1.4汇集层(Collective)：协调各种资源

2.1.5应用层(Applications)：充分发挥网格的潜力

2.2本章小结

第三章地理空间信息网格目录服务

3.1 OGC网络目录服务规范(Catalogue Service-Web profile，CSW)

3.1.1地理空间信息元数据查询语言

3.1.2 OGC网络目录服务访问接口

3.1.3 CSW基本元数据信息模型

3.2地理空间信息网络目录服务元数据信息模型

3.2.1 ebXML Registry Information Model

3.2.2基于ebRIM的扩展地理空间信息网络目录服务元数据信息模型

3.2.3地理空间信息网络目录服务元数据信息模型

3.2.4地理空间信息分类系统

3.3地理空间数据来源与获取方式描述

3.4地理空间信息网络目录服务通用性与互操作性

3.4.1元数据查询语言

3.4.2 OGC核心可查询属性与元数据信息模型的映射关系

3.4.3 OGC核心可返回属性与元数据信息模型的映射关系

3.5本章小结

第四章虚拟地理空间数据

4.1基本概念

4.1.1地理空间数据类型与地理空间数据分类系统

4.1.2地理空间服务类型与地理空间服务分类系统

4.2地理空间处理操作模型与地理空间树(Geo-tree)

4.2.1基本概念

4.2.2抽象地理空间服务模型示例——Landslide Abstract Model

4.2.3抽象地理空间服务模型与地理空间服务类型的关系

4.2.4抽象地理空间服务模型的优点

4.3抽象地理空间服务模型的建立与描述

4.4从虚拟地理空间数据到真实地理空间数据

4.4.1抽象地理空间服务模型的实例化

4.5地理空间信息网络目录服务元数据信息模型的扩展

4.5.1用于建立地理空间服务抽象模型的服务分类系统

4.5.2用于构建具体服务模型的地理空间服务实例操作元数据描述

4.6本章小结

第五章基于数据网格的地理空间信息协作共享系统设计

5.1基于数据网格的地理空间信息协作共享系统结构

5.2基于数据网格的地理空间信息协作共享系统组件

5.2.1门户Portal

5.2.2地理空间信息网络目录服务

5.2.3数据传输服务

5.2.4地理空间数据获取服务

5.2.5地理空间数据操作处理服务

5.2.6地理空间数据Replica管理服务

5.2.7地理空间数据网格资源优化选择服务

5.2.8虚拟地理空间数据子系统

5.3地理空间信息协作共享系统的典型应用实例

5.4本章小结

第六章基于数据网格的地理空间信息协作共享系统实现

6.1地理空间数据网格的成员组织

6.2网格硬件环境

6.3地理空间数据网格的建立

6.3.1虚拟组织(VO)构成

6.3.2地理空间数据资源

6.3.3地理空间信息协作共享系统组件的部署

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1论文总结

7.2进一步的工作展望

第八章附录

附录1

附录2

附录3

附录4

参考文献

博士期间发表的论文

博士期间参与的科研项目

致谢