地理空间信息网格中间件功能设计与组件模型

中间件是地理空间信息网格的关键技术之一.研究的目的是为用户提供具有统一编程接口的虚拟机器,支持复杂应用问题的求解和广域网上各类资源的共享.设计地理空间信息网格中间件要具备资源动态监测、屏蔽节点异构、优化资源选择和协同计算等功能.地理空间信息网格中间件的组建模型包括:资源监测组件、计算服务组件、网格安全组件、容错服务组件、信息服务组件和应用调度组件.     

网格GIS体系结构及其实现技术

网格 GIS是实现广域网络环境中空间信息共享和协同服务的分布式 GIS软件平台和技术体系。将地理上分布、系统异构的各种计算机、空间数据服务器、大型检索存储系统、地理信息系统、虚拟现实系统等 ,通过高速互连网络连接并集成起来 ,形成对用户透明的虚拟的空间信息资源的超级处理环境就是网格地理信息系统。本文在分析网络空间数据特征的基础上 ,提出了网格 GIS的 5层体系结构模型,分析了空间(元)数据标准、空间服务标准、分布空间对象技术、构件与构件库技术、基于框架的互操作技术、中间件技术等 ,它们是实现该系统的关键技术。     

栅格地理计算并行算子对区域计算算法并行化的可用性分析——以多流向算法为例

栅格地理计算并行编程库的研发有助于实现对栅格地理计算算法的并行化。在现有的研究中,Qin 等(2014)设计并初步研发的栅格地理计算并行算子(PaRGO),在设计思路上能较好地隐藏与并行编程软硬件环境相关的复杂细节,实现栅格地理计算通用步骤的并行化,且较其他类似思路的编程库而言,PaRGO能兼容多种常用的并行计算平台,具有明显优势。但PaRGO目前在设计上仅直接支持本地、邻域及全局计算特点的栅格地理计算算法并行化,对于更为复杂的区域计算特点算法并行化的支持能力尚未探究。对此,本文选取栅格数字地形分析中具有区域计算特点、递归设计的多流向算法为算例,利用PaRGO进行并行化设计、实现及测试,以计算时间、相对加速比和相对并行效率为定量指标。通过可运行性和并行性能进行评价,结果表明:PaRGO虽然不能直接支持对递归的多流向算法进行并行化,但在根据多流向计算的原理将该递归算法转变为非递归的设计之后,可将算法由原区域计算改造为邻域迭代计算,就能利用PaRGO 实现并行化,并得到较好的并行效果。在集群环境下,MPI版本并行程序的并行效果优于MPI/OpenMP混合版本。     

GIS栅格化分辨率计算器的实现与应用

栅格数据是空间信息的主要表示形式之一,空间信息栅格化实质上就是根据一系列采样点,按照一定栅格大小(分辨率)对所描述对象进行重建,核心问题是格网分辨率大小的确定。然而,目前,流行的地理信息系统软件在栅格数据分辨率的确定上,具有一定任意性和盲目性。本文针对连续空间对象和不连续空间对象栅格化的需求,从数据本身特征出发,以奈奎斯特采样定理和最小可视元理论为依据,以计算机处理能力为约束条件,研究了连续空间对象、不连续空间对象栅格化过程中的栅格分辨率确定方法,并给出了常用的矢栅转换、地形数据、遥感影像数据、散点数据等栅格化过程中的适宜分辨率计算公式。在此基础上,开发了ArcGIS环境下的栅格分辨率计算器插件。实验结果表明,根据数据本身特性所确定分辨率要优于GIS系统所提供的分辨率。     

主动式地理信息系统的实现与应用

提出分布式环境下,由于空间数据表达对象的分布性、数据来源分布性和空间信息服务对象的分布性特征,决定了空间信息服务技术系统--GIS具有分布式的特点,另一方面空间信息服务在许多应用领域又具有实时性要求,这两个特点产生了一个矛盾,也就是空间信息服务系统的分布性特征与信息服务的实时性要求的矛盾。为了解决空间信息服务系统的分布性特征和信息服务的实时性之间矛盾,本文首次提出了主动空间信息服务的思想和概念,并在此基础上提出了实现主动空间信息服务的支持技术--主动式地理信息系统的概念,以分布式地理信息系统的单个节点为例,提出了主动式地理信息系统的软件体系结构和主动服务的规则,主动式地理信息系统节点(GIS)包括一个传统的地理信息系统、一个事件驱动知识库和一个事件监视器三部分构成;主动功能的实现需要是由事件监视器监视相关事件的发生,并依据事件驱动知识库中的主动服务规则执行相应的功能。提出了主动式地理信息系统中基本事件和事件表达式、事件运算的方法以及复杂事件的表达等,对主动服务的实现途径以及关键技术进行了研究。结合某企业综合资源GIS系统的研究对主动式地理信息系统的体系结构、实现途径和关键技术等进行了试验,实验结果表明,主动式地理信息系统可以有效地提供实时空间信息服务。     

分布式栅格空间数据库引擎设计与实现

栅格空间数据库引擎RasSDE是实现海量栅格数据的分布式查询和高效管理的关键。提出一种面向对象的栅格空间数据组织模型,设计了分布式四层RasSDE的体系结构,分析了数据库服务层、应用接口层、应用层等相关技术,讨论了RasSDE核心组件OMSAC开放多数据源空间数据访问组件的架构,给出了基于RasSDE的中国海监飞机扫描仪图像处理及三维仿真平台应用系统实例,系统实现面向对象的栅格空间数据组织、统一的海量栅格空间数据管理以及分布式栅格空间数据计算等主要目标。对RasSDE和ArcSDE的磁盘读写、网络传输综合性能对比试验表明,RasSDE的栅格数据网络传输效率比ArcSDE的要高,可以满足海量栅格空间数据传输的要求。     

面向虚拟地理环境的空间信息共享研究

虚拟地理环境作为一种基于地理研究并提供地学分析的三维可视化的地理空间信息平台,需要解决物理存储分散、数据格式多样的空间信息资源的共享问题。本文研究了虚拟地理环境下的空间信息及其元数据的组织管理方式,定义面向对象思想定义简单的空间信息对象实体,通过对其进行迭代和组合来表达复杂空间信息对象,设计出具有元数据信息的空间信息对象XML描述方案。研究了如何构建集中式的空间信息对象管理与分布式的空间信息服务相结合的空间信息共享体系架构,通过提供对空间信息对象的浏览、分析、操作的Web服务,使得虚拟地理环境在网络中进行资源交换、信息共享、协同工作以及提供决策能得以实现。     

跨平台嵌入式数字地图可视化中间件设计与应用

本文在分析嵌入式环境下平台差异和计算、存储与显示等资源有限对数字地图可视化限制性的基础上,基于中间件思想,提出了跨嵌入式操作系统平台的数字地图可视化中间件EMD_MW（Embedded Map Display_MiddleWare）,设计了操作系统抽象层、服务框架层和功能层中间件体系结构。利用操作系统抽象层,提取与数字地图可视化相关的操作系统消息转发和图形图像绘制接口进行抽象,屏蔽了不同嵌入式操作系统之间的异构性;利用服务框架层屏蔽了数据存储差异性,扩展了基本图形绘制接口;通过功能层提供数字地图显示各类接口,并详细阐述了EMD_MW的抽象层、服务框架和功能层的设计和实现,给出了基于EMD_MW的几种工程应用。本文设计的跨平台嵌入式数字地图可视化中间件,已在多个嵌入式地理信息应用系统中得到检验,表明该中间件具有良好的跨平台特性,较好地解决了不同嵌入式平台下的数字地图显示问题。     

面向服务的地理信息公共服务平台研究

信息技术的日益发展,使得异构信息资源不断涌现,如何将这些异构信息进行集成成为迫切需要解决的问题。为了解决异构地理空间信息源的共享问题,本文研究了一种面向服务的地理信息共享模式,采用符合OGC标准的WFS、WMS等建立各种标准的服务,使得用户不但可以在网络上方便地调用各种地理空间信息,还可以通过标准的接口将各种标准的数据服务和功能服务与自己的应用系统进行集成,以及将来自不同软件提供的接口的数据进行共享。以武汉市为例,开发并实现了面向服务的地理空间信息公共服务平台,说明了通过标准的服务接口访问服务的方法,该平台在武汉市政务专网上得到了广泛应用。     

一种与地图服务结合的栅格瓦片计算模型

随着遥感影像数据的快速增长,对于栅格数据高效的信息处理和价值挖掘方式提出了更大的挑战,传统地图服务聚焦于内容的共享与可视化,缺乏对影像实时分析处理功能。本研究以地图服务的形式实现了对栅格瓦片数据实时分析处理能力,将云优化的GeoTIFF（Cloud Optimized GeoTIFF,COG）作为数据组织方式,设计了分布式协同预取策略,实现了栅格瓦片数据的冷热加载,优化了从云端读取影像数据的效率。在栅格瓦片数据高效加载的基础下,提出了一种基于表达式的栅格瓦片处理模型,通过对表达式转换建模为计算工作流,在地图服务的请求中实现对栅格瓦片的实时处理,对存储在云端的海量遥感数据进行快速分析,实现原始数据到数据产品的直接可视化转换。针对全量数据参与的场景,使用合适的重采样数据进行简化计算,以满足地图服务的实时性。使用了NDVI、地物分类、植被覆盖度三类不同复杂度模型,在地图服务中对Landsat 8影像进行了实时计算分析。实验结果表明,该处理模型能对栅格瓦片进行有效分析,且能进行分布式扩展,在高并发场景下能够提供稳定的地图服务能力,适应各层级尺度的计算,对未来地图服务的发展提供了一种新思路。     

基于网格服务的遥感图像并行融合

图像融合是一项计算密集型的操作,对计算机系统的性能要求很高,硬件的发展远赶不上计算需求的增长,传统的遥感图像处理方式已经不能很好地适应新的资源共享模式,故软件方面的改进是必然的选择。网络技术的发展,使网络带宽有了很大的提高,大量的遥感图像通过网络发布成可在线获取的共享资源,利用网络和这些资源能大幅提升融合处理的速度。网格是网络的进一步延伸,是一个变化性较大的动态系统,资源的动态变化是网格的重要特征,数据的更新、节点的加入或离开、节点负载的变化、网络性能的变化等都会影响网格服务的性能,只有及时地掌握这些动态,并根据情况实时进行调整,才能保证较高的执行效率。基于网格服务的遥感图像并行融合的设计,在网格环境下,通过对资源和服务状态属性的分析,生成最优化的方案进行并行处理,可提供高效的遥感图像融合处理服务。     

Research and application of mineral resources assessment by weights of evidence model based on SIG

Geological data are usually of the characteristics of multi-source, large amount and multi-scale. The construction of Spatial Information Grid overcomes the shortages of personal computers when dealing with geological data. The authors introduce the definition, architecture and flow of mineral resources assessment by weights of evidence model based on Spatial Information Grid (SIG). Meanwhile, a case study on the prediction of copper mineral occurrence in the Middle-Lower Yangtze metallogenic belt is given. The results show that mineral resources assessement based on SIG is an effective new method which provides a way of sharing and integrating distributed geospatial information and improves the efficiency greatly.     

Research and application of mineral resources assessment by weights of evidence model based on SIG

Geological data are usually of the characteristics of multi-source, large amount and multi-scale. The construction of Spatial Information Grid overcomes the shortages of personal computers when dealing with geological data. The authors introduce the definition, architecture and flow of mineral resources assessment by weights of evidence model based on Spatial Information Grid （SIG）. Meanwhile, a case study on the prediction of copper mineral occurrence in the Middle-Lower Yangtze metallogenic belt is given. The results show that mineral resources assessement based on SIG is an effective new method which provides a way of sharing and integrating distributed geospatial information and improves the efficiency greatly.     

网格计算核心技术浅析

介绍了网格系统的特点和几种主要的网格体系结构,分析了网格系统中高速通信、安全、资源管理、任务管理与任务调度等核心技术.针对资源管理技术在网格系统中的重要性,作了较为详细的讨论并且提出了一种类似于搜索引擎机制的方法来组织网格资源,构造局部网格系统,各局部网格系统可以通过P2P技术互连,从而建立更大的网格系统,实现系统的可扩充性.     

空间信息网格SIG:新一代的空间信息基础设施和服务框架

空间信息数据量大、处理复杂、难以共享的问题对其研究和应用提出了挑战。空间信息网格(Spatial Information Grid,SIG)作为创新性的网络空间信息基础设施和技术体系,集成并拓展信息网格、空间信息系统、Web服务等前沿技术,以"服务"为中心,实现一体化、智能化的空间信息获取、存储、组织、分发、分析处理、集成与应用,实现基于网络的空间信息资源共享与空间信息服务。     

高分辨率遥感影像目标分类与识别研究进展

高分辨率遥感影像的目标分类与识别,是对地观测系统进行图像分析理解,以及自动目标识别系统提取目标信息的重要手段。本文综述了当前国内外在可见光、红外、合成孔径雷达和合成孔径声纳等遥感影像的目标分类与识别的关键技术和最新研究进展。首先,讨论了高分辨率遥感影像的目标分类与识别问题的主要研究层次和内容;其次,深入分析了高分辨率遥感影像目标分类与识别,在滤波降噪、特征提取、目标检测、场景分类、目标分类和目标识别的关键技术及其所存在的问题;最后,结合并行计算、神经计算和认知计算等技术,讨论了目标分类与识别的可行性方案。具体包括：（1）高性能并行计算在高分辨率遥感图像处理的主流技术,并给出了基于Hadoop+OpenMP+CUDA的高分辨率遥感影像混合并行处理架构;（2）深度学习对于提升目标分类和识别精度的应用前景,以及基于深度神经网络的多层次遥感影像目标识别方法;（3）认知计算在解决遥感影像大数据不确定性分析的模型与算法,并讨论了层次主题模型的多尺度遥感影像场景描述方案。此外,根据媒体神经认知计算的相关研究,探讨了遥感影像大数据的目标分类和识别的发展趋势和研究方向。     

空间信息格网框架体系和关键技术分析

空间信息格网 (SIG)是格网 (Grid)技术在数字城市等地球信息应用服务领域中的具体应用。本文首先分析了格网兴起的背景以及国内外在格网领域的研究进展 ,然后建立了格网三层体系结构 ,提出了格网操作系统中基于 XML 的格网资源描述语言的资源管理方法和多层格网节点分治式格网任务调度管理方法 ,最后提出了基于空间智能体的空间信息格网的体系结构 ,并且探讨了空间信息格网中空间信息连通性和一致性、空间信息格网的智能化等一系列重点问题。     

面向城市应用的多源遥感影像服务平台设计与实现

 本文对面向城市应用的多源遥感影像服务平台的系统目标、系统流程、功能模块和关键技术进行了分析。通过遥感影像数据源、管理方式和业务流程的分析,设计了多源遥感影像数据的逻辑组织模型,建立了海量多源遥感影像库。本文详细阐述了系统的影像预处理、影像数据管理、影像数据应用服务和安全权限控制四大功能模块,并分析了系统架构、多源遥感影像元数据的自动抽取、影像数据的快速检索和影像数据高效在线应用服务的关键技术。为保证系统的高安全性、实时性与可靠性,采用部署在局域网内的客户机/服务器与浏览器/服务器的混合体系结构。实验表明,本文的研究成果实现了海量多源遥感影像数据的统一高效管理、快速检索、高效浏览及与其他子系统的无缝集成,为城市应用提供了便捷的影像数据服务,有利于进一步发挥影像资料的作用。     

基于ODC的国产卫星影像存储与应用研究

随着地球观测进入大数据时代,传统的数据管理技术已经难以适应大数据需求, Open Data Cube （ODC）作为新型的开源的地球观测数据管理与分析平台,适合进行时间序列数据的高性能计算和探索性数据分析,是亚大区域综合地球观测系统AOGEOSS的重要技术支撑平台。但当前ODC对国产卫星影像支持不友好,缺乏自动化管理和数据组织工具,使用ODC进行国产卫星影像数据管理的技术不成熟。因此,本文以高分一号卫星影像为例,通过开发ODC_GFTool中间件和自定义高分卫星影像产品格式探索ODC框架下国产影像数据自动化管理流程,最后以鄱阳湖为试验区,进行了基于ODC框架的水体提取应用实验,论证了ODC框架下国产卫星数据存取的可行性,研究结果表明相较于传统的数据处理工具ODC具有明显的效率优势,能够为AOGEOSS基础设施建设和国产卫星影像数据管理提供一定的参考。