任維政， 鄧中亮， 徐連明

（北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876）

計算網(wǎng)格是網(wǎng)格的系統(tǒng)層，它為應(yīng)用層（信息網(wǎng)格、知識網(wǎng)格等）提供系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施。信息網(wǎng)格研制一體化的智能信息處理平臺，消除信息孤島，使得用戶能方便地發(fā)布、處理和獲取信息。知識網(wǎng)格研制一體化的智能知識處理平臺，消除知識孤島，使得用戶能方便地發(fā)布、處理和獲取知識。不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的空間信息技術(shù)確實難以適應(yīng)目前的發(fā)展，網(wǎng)格計算對GIS的挑戰(zhàn)是顯而易見的[1]。

在市場和技術(shù)雙重驅(qū)動之下，LBS（location based service）即基于位置的服務(wù)迅速發(fā)展起來。LBS 是定位技術(shù)、移動通訊技術(shù)、GIS 技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其有廣義和狹義之分。狹義地說，LBS 業(yè)務(wù)是通過無線通信網(wǎng)絡(luò)獲取無線用戶的位置信息，在地理信息系統(tǒng)平臺的支持下提供相應(yīng)服務(wù)的一種無線增值業(yè)務(wù)。廣義地說，只要是基于位置的信息服務(wù)均屬于位置服務(wù)[2]。LBS 的巨大魅力在于通過固定或移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送GIS 功能和基于位置的信息，從而在任何時間應(yīng)用到任何人、任何位置和任何設(shè)備上[3]。

校園作為以學(xué)生和教師為主的群體學(xué)習(xí)、工作和生活的場所，有很多潛在的與位置信息相關(guān)的服務(wù)項目，同時又是數(shù)字化、信息化比較發(fā)達(dá)的區(qū)域。因此，在“數(shù)字校園”基礎(chǔ)上開展的LBS 服務(wù)，既有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，又具有代表性和可擴(kuò)展性，是LBS 服務(wù)的一個很好的試驗田。本文從網(wǎng)格與GIS 融合的角度，在對網(wǎng)格GIS 的整體結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，針對數(shù)字校園LBS 的自身特點提出了基于網(wǎng)格GIS 的數(shù)字校園LBS 體系結(jié)構(gòu)模型，并成功地應(yīng)用于北京大學(xué)和北京郵電大學(xué)的“數(shù)字校園”演示平臺中。

1 網(wǎng)格GIS 數(shù)據(jù)組織與訪問機(jī)制

要解決空間信息的共享問題，必須從根本上研究適合于空間信息共享的基礎(chǔ)理論和方法，從空間信息的表示、數(shù)據(jù)的組織和管理、共享和服務(wù)模式上提出有別于目前空間信息系統(tǒng)的一套體系框架。網(wǎng)格技術(shù)與空間信息技術(shù)結(jié)合，有望解決共享和服務(wù)模式方面的問題，而適應(yīng)空間信息網(wǎng)格的數(shù)據(jù)表示、組織方法則是需要研究的重點內(nèi)容之一。

網(wǎng)格GIS 軟件體系平臺是匯集和共享空間信息資源一體化組織與處理，具有按需服務(wù)能力的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。平臺的目標(biāo)是提供一體化的空間信息獲取、處理與應(yīng)用服務(wù)的基本解決方案，以及智能化的空間信息處理平臺和基本應(yīng)用環(huán)境。網(wǎng)格GIS 軟件平臺的研究為協(xié)調(diào)基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)的收集、管理、分發(fā)和共享的基礎(chǔ)設(shè)施提供技術(shù)支撐，保證空間信息基礎(chǔ)設(shè)施所涵蓋的各系統(tǒng)之間能有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和功能集成，提升空間信息資源的整體應(yīng)用水平[4]。

網(wǎng)格GIS 軟件體系平臺通過由下而上的層次使得分布的計算和數(shù)據(jù)資源在網(wǎng)格環(huán)境下可以充分地訪問和集成，并將面向地理信息的Web服務(wù)向網(wǎng)格服務(wù)提升，整合各方面資源，形成數(shù)據(jù)、計算共享的研究環(huán)境[5]。同時根據(jù)異構(gòu)系統(tǒng)間信息共享和服務(wù)的需要, 通過各種協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)將空間信息系統(tǒng)在分布式環(huán)境下互連，在網(wǎng)格GIS 體系框架下將空間信息資源、地理信息服務(wù)及空間數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行匯集、共享和協(xié)同處理。

針對空間信息處理技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)格GIS 軟件平臺體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，將集中在現(xiàn)有的空間信息資源的有效組織與管理，以及對空間信息資源的快速處理方面[6]。其中，網(wǎng)格GIS 系統(tǒng)框架下的空間數(shù)據(jù)服務(wù)以及數(shù)據(jù)資源的訪問與集成在網(wǎng)格GIS 體系中占據(jù)重要位置，圖1 所示是空間數(shù)據(jù)訪問與集成及數(shù)據(jù)服務(wù)模塊在網(wǎng)格GIS 體系框架結(jié)構(gòu)中的組織結(jié)構(gòu)。

圖 1 空間信息網(wǎng)格的數(shù)據(jù)組織與訪問機(jī)制

由圖1 可以看出，地理空間數(shù)據(jù)訪問與集成以及數(shù)據(jù)服務(wù)與網(wǎng)格GIS 體系結(jié)構(gòu)的組織方式相互對應(yīng)，層與層之間有著嚴(yán)格的關(guān)聯(lián)依賴關(guān)系。海量地理空間數(shù)據(jù)資源是整個體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，作為空間信息處理與共享的基礎(chǔ)，涉及已有空間數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備可進(jìn)行數(shù)據(jù)的在線實時更新。網(wǎng)格空間數(shù)據(jù)訪問與集成中間件為系統(tǒng)服務(wù)層提供數(shù)據(jù)提取的環(huán)境，將分布式數(shù)據(jù)集成后提交給服務(wù)層對外提供訪問接口。網(wǎng)格系統(tǒng)服務(wù)層借助Globus Toolkit 或Vega GOS 等網(wǎng)格環(huán)境支持對數(shù)據(jù)服務(wù)的訪問進(jìn)行控制與授權(quán)管理、全局用戶管理、統(tǒng)一資源管理，并且提供元信息服務(wù)、文件管理服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、日志和審計服務(wù)等基本面向網(wǎng)格的系統(tǒng)服務(wù)。領(lǐng)域支撐層為空間數(shù)據(jù)提供GIS 通用分析與操作的接口中間件，包括空間查詢、統(tǒng)計分析、專題制圖等通用操作，并將現(xiàn)有空間專題信息處理功能進(jìn)行網(wǎng)格化提升，提高軟件復(fù)用程度。位于組織結(jié)構(gòu)頂層的應(yīng)用層為用戶提供網(wǎng)格GIS 前端，作為應(yīng)用層模塊，UStudio系統(tǒng)原型可以完成通用制圖及發(fā)布功能并且可以加載網(wǎng)格環(huán)境下的Web 地圖服務(wù)，集成與處理分布式的地理數(shù)據(jù)資源。

針對地理空間數(shù)據(jù)庫的訪問和集成方式，整個體系嵌入符合開放網(wǎng)格服務(wù)架構(gòu)OGSA 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問和集成中間件DAI 存取來自網(wǎng)格節(jié)點上各個分散數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訪問與集成中間件可以將異構(gòu)數(shù)據(jù)源提供的空間數(shù)據(jù)在網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)注冊表上登記，調(diào)用網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務(wù)工廠GDSF（Grid Data Service Factory）來創(chuàng)建數(shù)據(jù)服務(wù)GDS（Grid Data Service），并以Web 服務(wù)的方式為數(shù)據(jù)訪問提供統(tǒng)一的調(diào)用接口，利用SOAP 消息實現(xiàn)客戶機(jī)和服務(wù)器之間的通信。針對不同數(shù)據(jù)源的集成與分布式查詢等操作中，DAI 的內(nèi)部機(jī)制還屏蔽了如數(shù)據(jù)庫驅(qū)動、數(shù)據(jù)格式以及客戶端傳輸機(jī)制等技術(shù)細(xì)節(jié)，以透明訪問的方式提供用戶功能調(diào)用接口[7]。

2 數(shù)字校園LBS 體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)格計算是在分布式并行計算和網(wǎng)絡(luò)高性能計算的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并解決了分布式并行計算中價格昂貴、基于特定網(wǎng)絡(luò)、普及困難的問題而成為當(dāng)前國際研究的熱點[8]。網(wǎng)格GIS是在網(wǎng)格計算環(huán)境中的GIS應(yīng)用，它以網(wǎng)格計算為基礎(chǔ)，充分結(jié)合其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢，形成了一套具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢的數(shù)據(jù)管理模式。

網(wǎng)格GIS數(shù)字校園LBS體系結(jié)構(gòu)框架如圖2所示，以服務(wù)作為整合、管理、訪問LBS中的信息資源的基本元素，自下而上，包括4個層次，即定位層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)構(gòu)建在網(wǎng)格計算的環(huán)境基礎(chǔ)上，物理結(jié)構(gòu)由網(wǎng)格結(jié)點及各種中間件組成，它們通過相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)彼此連接。系統(tǒng)的主要功能由網(wǎng)格結(jié)點及其不同功能的中間件完成。

圖 2 網(wǎng)格GIS數(shù)字校園LBS體系架構(gòu)框圖

為了實現(xiàn)校園內(nèi)無盲區(qū)的基于位置信息的服務(wù)，定位層采用將GPS 定位與ZigBee 定位相結(jié)合的混合定位技術(shù)。GPS 定位用于室外開闊區(qū)域的定位，ZigBee 定位用于室內(nèi)及GPS 無法覆蓋區(qū)域的定位。

數(shù)據(jù)層通過合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)的查詢和調(diào)用速度，并且對一些數(shù)據(jù)備份以供統(tǒng)計研究。傳感器節(jié)點信息數(shù)據(jù)是對傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的實時記錄，同時針對節(jié)點的物理位置、剩余能量、喚醒頻率等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，不但可以輔助監(jiān)控決策子系統(tǒng)的運算，而且利用所儲存的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型。模型數(shù)據(jù)包括室內(nèi)外地理信息模型、重要地點和事件導(dǎo)航模型和重要事件信息發(fā)布模型。

服務(wù)層由多個服務(wù)器組成，這些服務(wù)器可以是分開的硬件設(shè)施，也可以放在集中的一個或幾個服務(wù)器上。其中，I/O 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器負(fù)責(zé)終端服務(wù)請求的分發(fā)和接口的返回；網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)及安全方面的事務(wù)；認(rèn)證服務(wù)器用于用戶身份認(rèn)證管理；計費服務(wù)器進(jìn)行計費管理；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲導(dǎo)航數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)以及被監(jiān)控終端的位置數(shù)據(jù)；定位服務(wù)器得到終端的位置信息；導(dǎo)航服務(wù)器用于進(jìn)行導(dǎo)航及相關(guān)的計算；WebGIS 服務(wù)器提供基于Internet的GIS 服務(wù)。

應(yīng)用服務(wù)層包括移動服務(wù)終端和固定服務(wù)終端兩種類型，主要功能是為用戶提供基于位置的各種操作和服務(wù)的信息交流平臺。服務(wù)終端的主要功能有實時定位、地圖顯示、重要地點查詢與導(dǎo)航、重要人員查詢與導(dǎo)航、重要信息實時發(fā)布等功能。

移動服務(wù)終端主要包括GPS定位模塊、CPU控制核心模塊、Zigbee定位通信模塊和GPRS通信模塊四部分，可以供用戶隨身攜帶，在GPS工作區(qū)（如室外開闊地）移動終端以GPRS的方式與監(jiān)控中心進(jìn)行信息通信，當(dāng)進(jìn)入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位導(dǎo)航區(qū)（GPS工作盲區(qū)）根據(jù)實際需要可以選擇通過GPRS的方式或Zigbee協(xié)議方式與監(jiān)控中心進(jìn)行信息通信。

固定服務(wù)終端（即信息亭）安裝在服務(wù)區(qū)域的重要地點，因其地理信息是事先已知的，所以不需要額外增加定位裝置，主要包括PC機(jī)控制核心模塊、Internet通信模塊兩大部分。在條件允許的情況下，固定服務(wù)終端建議通過有線（或無線）Internet網(wǎng)與監(jiān)控中心進(jìn)行信息通信。如果沒有Internet網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，也可以通過GPRS的方式或Zigbee協(xié)議方式與監(jiān)控中心進(jìn)行信息通信。

系統(tǒng)為了區(qū)分室內(nèi)外的不同應(yīng)用，采用了GPRS、ZigBee 和Internet 三種網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)的擴(kuò)展和應(yīng)用需求的不斷增加，系統(tǒng)的通信模式可能還會增加。因此，為本系統(tǒng)制定了相應(yīng)的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)字校園LBS 實現(xiàn)

在網(wǎng)格系統(tǒng)環(huán)境構(gòu)造的基礎(chǔ)上，以數(shù)字北大為依托搭建了驗證原型系統(tǒng)，將原型系統(tǒng)中的各種應(yīng)用以Web服務(wù)的方式發(fā)布到網(wǎng)格系統(tǒng)中，在一個宏觀范圍內(nèi)對整個校園進(jìn)行服務(wù)、管理、評價和規(guī)劃。在應(yīng)用層，移動終端采用的選擇裝有Windows Pocket PC系統(tǒng)的PDA，配有GPS定位模塊和Zigbee通訊模塊，在PDA上使用Arcpad 6.0開發(fā)了終端LBS服務(wù)系統(tǒng)，使終端一方面能夠自主定位與導(dǎo)航，同時也可以通過終端系統(tǒng)請求服務(wù)中心提供LBS服務(wù)。在GPS工作區(qū)（如室外開闊地）移動終端使用GPS定位，以GPRS的方式與監(jiān)控中心進(jìn)行信息通信，當(dāng)進(jìn)入室內(nèi)Zigbee網(wǎng)絡(luò)時，根據(jù)實際需要可以選擇通過GPRS的方式或Zigbee協(xié)議方式與監(jiān)控中心進(jìn)行信息通信。移動終端的主要功能有實時定位、地圖顯示、重要地點查詢與導(dǎo)航、發(fā)起服務(wù)請求以及接收服務(wù)結(jié)果等功能。固定服務(wù)終端采用信息亭的方式提供服務(wù)。信息亭安裝在服務(wù)區(qū)域的重要地點，能夠通過WebGIS來獲取系統(tǒng)的定位、導(dǎo)航等服務(wù)。數(shù)據(jù)層包括元數(shù)據(jù)、柵格影像數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)、用戶信息數(shù)據(jù)以及外部數(shù)據(jù)等。

LBS 服務(wù)中心的終端監(jiān)控情況如圖3 所示，移動終端位置觸發(fā)式景點介紹如圖4 所示。本系統(tǒng)主要有4 個方面的特點：① 系統(tǒng)具有可擴(kuò)充性, 能夠為不同特色、不同規(guī)模的校園提供一個易用的、穩(wěn)定的、具有良好擴(kuò)展性的平臺；②系統(tǒng)具有自適應(yīng)性, 能根據(jù)特定用戶的應(yīng)用目的、定位精度和響應(yīng)時間要求選擇不同的定位方式、服務(wù)內(nèi)容和顯示界面；③ 系統(tǒng)具有兼容性, 能集成其他的位置服務(wù)系統(tǒng), 擴(kuò)充移動定位的服務(wù)范圍和內(nèi)容；④ 系統(tǒng)具有有效性，從應(yīng)用目的出發(fā)以用戶為中心設(shè)計出友好易用簡潔的服務(wù)界面提高系統(tǒng)的有效性。

圖 3 LBS服務(wù)中心的終端監(jiān)控

圖 4 移動終端位置觸發(fā)式景點介紹

4 結(jié) 論

本文提出的基于網(wǎng)格GIS技術(shù)支持下的數(shù)字校園LBS體系框架和空間信息網(wǎng)格的數(shù)據(jù)組織與訪問機(jī)制，結(jié)合中間件技術(shù)及Web Services技術(shù)對數(shù)字校園的整個系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，并結(jié)合實際需求實現(xiàn)了其驗證原形。結(jié)果顯示，網(wǎng)格GIS技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字校園LBS的方法是可行的，特別是涉及大量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)綜合處理與協(xié)同決策時，基于網(wǎng)格GIS技術(shù)的數(shù)字校園LBS將是一個很好的選擇。由于數(shù)字校園LBS建設(shè)中涉及大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、圖、表，如何采用先進(jìn)的方法手段，使得系統(tǒng)在使用這些數(shù)據(jù)及圖表時達(dá)到“智能處理”的程度是仍需努力解決的問題之一，同時也將是衡量網(wǎng)格GIS系統(tǒng)的智能性、自主性的重要指標(biāo)，它關(guān)系著網(wǎng)格GIS系統(tǒng)在數(shù)字校園LBS中的發(fā)展問題。

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