摘要：地理（地球）空间信息以地图形式在纸介质上表示已有几千年的历史。当电子计算机问世后，由于电子计算机更方便、准确、高效地处理空间信息，人们自然地想到了“地图数字化”道路，开始以离散而且有拓扑关系的点串来描述点、线、面、体各种空间要素。
1 问题的提出
地理（地球）空间信息以地图形式在纸介质上表示已有几千年的历史。当电子计算机问世后，由于电子计算机更方便、准确、高效地处理空间信息，人们自然地想到了“地图数字化”道路，开始以离散而且有拓扑关系的点串来描述点、线、面、体各种空间要素。1963年，加拿大测绘学家R.T．汤姆林森（H .T. Tomlinson）博士首次提出了地理信息系统这一术语，并且建立了世界上第一个GIS一加拿大地理信息系统（CGIS)，这标志着地理信息系统的诞生。自诞生以来，GIS从不成熟走向成熟，从纯粹的研究走向实际应用。地理信息系统在过去的10年里得到了很大的发展，在处理空间信息的拓扑关系、存储非结构化数据方面，传统的GIS都已经比较成熟。
然而，传统的空间信息系统没能很好地解决空间信息的共享和利用问题。与一般的信息不一样，空间信息具有关系复杂、非结构化、数据量大、多比例尺、随时间变化等特点。然而，在实际应用中，由于不同行业、不同部门有不同内容的专业信息，空间数据的生产、维护都分散在不同的单位进行，很难进行全部统一集中。因此，比较可行的办法是各个行业、部门相对集中地分而治之，通过合理的技术途径
，为其他部门提供服务。
在现有的互联网基础上空间信息的研究与应用已有较多的成果。但事实证明，由于技术上的局限性，它们无法满足对极端密集的空间数据进行极其复杂的仿真、分析、共享、传输、访问等操作的需求。当前众多的互联网应用主要基于web技术（如IETF和W3C标准协议TCP/IP、HTTP、SOAP等，信息交换语言有HTML、XML等）,web技术的普遍应用已经深得人心。但随着更多种类和更加复杂的用户交互模型的出现，传统的B/S或C/S结构的信息交互方式已经不能满足人们对快速、方便、安全、准确地获取信息的需求，主要表现在以下三个方面：①基于www的互联网络尚有大量的处理器、存储能力和网络带宽的闲置；②web方式的信息共享机制本身存在一些欠缺，造成了人们通过互联网获取信息的不便；③www方式的互联网络缺乏有效的安全管理机制。
Web技术在这些方面的不足恰恰为网格技术提供了用武之地，例如提供超级计算能力、闲置带宽利用、集成信息服务、“一步登录”（single sign-on）、提供有保障的服务质量等。要解决空间信息的共享问题，必须从根本上研究适合于空间信息共享的基础理论和方法，从空间信息的表示、数据的组织和管理、共享和服务模式上提出有别于目前空间信息系统的一套体系框架。网格技术与空间信息技术结合，有望解决共享和服务模式方面的问题。在地理空间信息技术中引入网格概念和技术，建立面向服务的，以空间信息采集、集成、服务为日标的体系结构——空间信息网格，将是空间信息技术发展史上的一次重大革命。加快建立国家空间信息网格，整合有限的空间信息资源，实现资源共享与协同使用，最大程度地满足当今社会对空间信息服务的需求，将是摆在科技工作者面前的迫切需要解决的重大课题，也是空间信息技术发展赋予我们的重要历史使命。
2 空间信息网格的特点
网格是科技界为解决当今世界许多科学难题提出的新概念，它是建立在互联网和网络基础上的。传统的互联网实现了计算机硬件技术上的连通，万维网实现了基于互联网的网页的联通，而网格是继互联网之后的又一次重大科技进步，它代表了一种先进的技术和基础设施。网格技术的目标是实现网络虚拟环境上所有资源的共享和协同工作，消除资源孤岛和信息孤岛。
空间信息网格（Spatial Information Grid, SIG）是一种汇集和共享地理上分布的海量空间信息资源，对其进行一体化组织与处理，从而具有按需服务能力的、强大的空间数据管理和信息处理能力的空间信息基础设施。空间信息网格是一个分布的网络化环境，连接空间数据资源、计算资源、存储资源、处理工具和软件以及用户，能够协同组合各种空间信息资源，完成空间信息的应用与服务。在这个环境中，用户可以提出多种数据处理的请求，确保来自任何空间信息源的空间信息（any resource)，经过处理能在任何时候（anytime）发送并服务于在任何地点（anywhere）任何有需求而且有相应权限的最终用户（anyone)。
空间信息网格技术是一个前沿的研究领域，它涉及多学科和各种技术的相互渗透、相互支撑。空间信息网格作为一种新兴的技术，正处在不断发展和变化当中，它有很多独特的特征：
（1）空间信息网格能够提供资源共享，消除信息孤岛，实现应用程序的互连互通。网格与计算机网络不同，计算机网络实现的是一种硬件的连通，而网格能实现应用层面的连通。
（2）空间信息网格实现了协同工作，把分布在不同地理位置的计算机、数据库、实验设备等异构资源统统连接起来，通过网格调度程序进行协同工作，实现资源利用效率的最大化。
（3）空间信息网格是基于国际的开放技术标准，这跟以前很多行业、部门或者公司推出的软件产品不一样。
（4）空间信息网格的数据资源存储是异构的、分布的，而目空间数据的类型一般来说是海量的、多类型的。
（5）空间信息网格可以提供动态的服务，能够适应变化。网格上的各种资源的动态变化（增加或减少）时时刻刻改变着网格的规模，网格具有自适应性。
3 空间信息网格的体系结构
空间信息网格是在计算能力服务、宽带传输和超大规模数据存储等网格支撑环境基础上建立的一个多层次的空间应用服务体系。网格的体系结构是网格的核心技术，只有建立了合理的网格体系结构，才能设计和建造好网格，才能使网格有效地发挥作用。提起网格体系结构，不得不提福斯特（Foster）最早提出的最具代表性的网格体系结构——五层沙漏结构。五层沙漏结构（Five-Level SandglassArchitecture，简称FLSA)，是一种以“协议”为中心的结构，强调协议在网格的资源共享和互操作中的地位。五层沙漏结构将网格从下到上划分为五层，分别是构造层、连接层、资源层、汇聚层和应用层。
五层沙漏结构虽然简单，但人们在研究中发现，在许多情况下，复杂的服务或应用很难分
解为标准而低级的基本协议，而且人们在解决问题时也不习惯于按照协议的方式来进行。鉴于五层沙漏结构的不足，在以IBM为代表的工业界的影响下，Foster等专家考虑到Web技术的发展和影响后，结合Web Services提出了开放网格服务体系（Open Grid service Architecture ,OGSA）。
开放网格服务体系OGSA包括两大关键技术，即网格技术和Web Services技术，它是在五层沙漏结构的基础上，结合Web Services技术提出来的，解决了两个重要问题——标准服务接口的定义和协议的识别。在OGSA中，所有一切请求和操作都可以看作是服务，因此网格就可以看作是可扩展的网格服务的集合，即可以表示为网格=｛网格服务｝。OGSA把网格软件Globus的标准与当前流行的Web Serviced标准结合起来，以Web Serviced的方式为用户提供网格服务。OCSA中的网格服务可以简单地定义如下：网格服务＝接口／行为＋服务数据，服务数据表示网格服务实例的信息。
应用OGSA的过程中，该规范的缺陷也逐渐显露出来。OGSA基础结构规范过分强调网格服务和Web服务的差别，而且没有对资源和服务进行区分，导致了两者之间不能更好地融合在一起。为了解决OGSA基础结构规范和Web服务之间存在的矛盾，2004年l月，Globus联盟和IBM发布了Web Services资源框架（Web Services Resource Framework，简称WSRF）。
新的网格标准草案WSRF中，把OGSA基础结构规范转换成了6个用于扩展Web Services的规范。采取将web Services扩展为支持有状态服务的策略来构建开放式网格基本结构。考虑到网格服务的有状态和Web服务的无状态，WSRF将Web服务与有状态资源进行分离，规定资源是有状态的，服务是无状态的，提出Web服务资源的概念，有效地解决了这一矛盾。WSRF意味着网格和Web Services融合，也从另一力一面说明SIG采用万维网体系构架符合网格技术的发展趋势。
WSRF与web services有紧密的联系。图1反映了WSHF与Web Services之间的关系。
Web Services的实现通过一系列的技术规范来完成的，包括SOAP、UDDI、WSDL、XML等。Web Services是基于当前网络标准协议而建立起来的，其主要功能协议包括消息传递、服务描述、工作流描述、服务发现与集成四个部分。同时，也要求自上而下的服务质量管理和安全性保证机制。Web Services通过Web入口进行访问，提供XML接口，利用Web Services注册器进行注册与定位，并支持系统间的松散藕合连接的一套协议规范和机制。而网格技术的本质是在分布、异构的资源基础上实现资源共享和协同工作，因而Web Services的协议和特性就为网格技术的实现提供了良好的支撑环境。从本质上而言，WSRF是一组Web Services规范，它从特定的消息交换和XML规范的角度，定义了web Services资源（WS-Resource)方法的表现形式。这些规范（详见表l）可以用来构建Web Services和一个或者多个有状态的资源之间的关联关系。
4 目前研究的重点
SIG是现代信息技术的集大成。空间信息网格是要利用现有的网络基础设施、协议规范、Web和数据库技术，为用户提供一体化的智能信息平台，其目标是创建一种架构在OS和Web之上的基于Internet的新一代信息平台和软件基础设施。在这个平台上，信息的处理是分布式、协作和智能化的，用户可以通过单一入口访问所有信息。信息网格追求的最终目标是能够做到服务点播（Service on Demand）和一步到位的服务（One Click Is Enough）。因此，空间信息网格计算结点的构建、信息的连通性和信息互操作、元信息管理及安全技术等是目前空间信息网格研究的重点。
4.1网格计算结点的构建
地理空间信息网格计算结点的构建技术是重要的支撑技术。地理空间信息网格计算结点主要包括计算、通信、存储等多种技术组合。为了实现真正意义的资源共享，地理空间信息网格的接口技术是至关重要的。在接入网格的每个结点上应运行一个支持网格机制的网格管理软件，利用此软件将网格分布于不同地点、松散置放的资源相对紧密地联系起来。网格管理软件应定义一系列标准接口，所有实体只要遵循网格管理软件定义的标准接口，就可以方便地接入网格，成为地理空间信息网格的一个部分。网格管理软件应包括从硬件到应用几乎所有的协议、标准、规范、实现程序、检验等等，与中间件相比，无论是内涵还是外延，都要远远超出前者。
4.2空间信息语义互操作
不同领域中广泛存在的信息语义冲突，
极大地限制了空间信息资源的共享和交流。建立空间信息语义网格，把不同领域里已经存在的空间信息系统有机地集成为一个无缝虚拟的逻辑组织，进而将其扩展并与其他领域的信息系统集成和融合。在利用现有的空间信息基础设施、空间信息网络协议规范的基础上，需引入描述空间信息语义的本体系统，为用户提供基于语义的一体化空间信息应用服务的信息平台。在这个平台上，空间信息处理是基于语义和分布式协作的，用户可以在空间信息的语义层上从单一的逻辑门户透明地对所有空间信息资源实现基于语义的访问。最终把Internet上的空间信息服务站点在语义层上连接起来，实现基于语义的集成和互操作。
4.3元数据管理
良好的表示、存储、访问和使用大量资源信息是空间信息网格运行的基本前提。由于空间信息网格中的各种资源在物理上是健分布的，因此需要使用元数据来命名、描述、收集、组织和管理。空间信息网格中的所有元数据构成元数据目录。该目录应为空间数据的统一管理打下基础，为空间信息网格中的各种实体对象建立统一逻辑视图，为用户身份认证、数据定位、访问控制、数据复制等提供支持。元数据目录应采用具有良好扩展性的层次分布式结构，保证空间信息网格在不断发展的情况下，仍能提供高效的元数据服务。
4.4安全机制
由于地理空间信息网格与网络有着密切的关联性，而网络的开放性又在客观上导致了网上信息的窃取、篡改、伪装身份、非法占用等都有成为现实的可能，因此，计算机网络遇到的安全问题和安全威胁，地理空间信息网格也同样会遇到。如用户认证、访问控制、内部泄漏、非法入侵，以及数据方面（数据精度保证、数据完整性、数据不可否认性、数据保密性等）的问题。此外，地理空间信息网格还要面对自身特征带来的安全威胁。地理空间信息网格的充分共享性特征、虚拟抽象性特征、有机集成性特征、合理协商性特征以及多方参与性特征等决定了该系统除了需要网络通信技术、存储技术、网络协议技术支持外，还有地理空间信息网格自身的接口技术。地理空间信息网格的接口技术相对于一般的计算机接口技术来说要复杂得多。之所以如此，是因为在地理空间信息网格资源上还要运行用户程序，这既是地理空间信息网格的优势和特点所在，但也带来了安全问题。随着地理空间信息网格的构建、节点的增加、规模的扩大和应用的普及，注册用户会越来越多，安全问题也会越发显现出来，因此对地理信息网格安全机制的研究也就显得越发重要。
5 结束语
网格代表了新一代互联网的发展方向。网格计算的兴起，将改变传统的client/server和client/cluster结构，形成新的Pervasive/grid（普适计算／网格计算）体系结构，成为下一代Internet的计算模式，构成信息技术产业新的增长点。空间信息网格是实现空间数据资源有机集聚与全面连通的核心与基础，是建设数据网格的本质与主体内容，数据网格与计算网格共同形成新一代网格环境的基础设施。随着研究的深入，空间信息网格技术的发展必将对地理信息系统的发展产生深远的影响。可以认为，网格技术的应用及空间信息网格建立，将使空间信息科学领域的前沿问题获得根本性的突破，并对数字地球、数字城市、公众空间信息服务和电子政务等重大应用目标产生全面和重大的影响。
