网格环境上的地理计算模式

　　人类对于其赖以生存的自然环境的知识积累过程几乎与人类一样久远，而作为一门学科的地理学的出现，也可以追溯到古希腊。然而这种古老的特性并不会阻碍其接纳新的研究范式，也不拒绝现代观测和分析手段的使用。
　　技术的发展是推动近代地理学发展的一个重要因素。起源于二战期间的遥感技术为我们提供了全新的、大范围的地球观测视角，卫星和航天遥感的快速发展更使得人们每天都可以获得几乎遍及整个地球表面的陆地、海洋、大气、人类、生物等各个全层的海量信息。20世纪60年代发展起来的地理信息系统（Geographic Information System，GIS）和遥感影像处理系统为各种地理空间数据的获取、处理、存储、管理、分析和分发提供了重要的信息技术支撑。相比以前，地理工作者能够轻松地获得并处理丰富的地理数据和资料。20世纪70年代，美国逐步建立的GPS（Global Positoning System，全球定位系统）使得人们能够准确地确定自己的地理位置。2000年，美国总统克林顿签署GPS民用化法案，使得民用GPS能够提高到20m分辨率的精度。而后进一步开放，使得目前静态定位精度可以达到毫米级，而即使是公众手持的GPS也可以达到亚米（＜1m）级的空间精度。除了地理空间信息技术的长足进步以外，高性能计算技术、各种问题求解环境以及各种新算法的产生，更是使得复杂的、高时空分辨率的地理问题的求解成为可能。采用计算来对地理空间数据进行分析，对地理系统进行模拟已经成为新的研究范式，地理计算由此产生。
　　在地理空间信息技术和计算技术迅速发展的今天，一种新的计算环境也得到了广泛的重视和发展，这就是网格。网格计算环境作为一种全新的分布式计算环境，能够将地理上大范围分布的各种计算资源，包括处理器、存储空间、数据库、软件、网络等大量计算资源相互联通和协调，整合为一个有机的、可靠的系统以供科学研究和工程计算使用。
　　网格计算环境以大范围的资源共享、服务提供和互操作为重要特征。在这样的计算环境中，必须考虑的一个重要问题是各种计算资源如何有机地组合以完成特定的地理计算问题。为此，需要从两个重要方面进行细致的考察。一个是地理计算问题在各种计算资源的利用上有什么特点；另一个则是这些计算资源是如何联结、聚合和调度的。这就构成了计算模式的问题。地理计算模式的深入探讨，对于构建具有应用意义的地理计算问题的求解环境非常重要，或者说，对于构建网格的地理应用非常重要，这是本书写作的出发点。
　　本书的写作尽量避免对复杂的技术问题的探讨，这是因为，计算模式是针对网格的特点而进行的各种计算资源的配置和调度以便顺利完成各种地理计算工作，因此探讨的重点偏向于资源的联结和管理问题，而非系统的设计和实施等细节问题，写作过程中更多地采用的是文献综述、地理网格项目案例分析以及用例分析等方法。
　　·Ⅱ·网格环境上的地理计算模式
　　前言·Ⅲ·
　　全书分为8章。第1章对自1996年以来10届地理计算国际会议的论文进行了全面的回顾，梳理论文的内容和历届会议的关注重点，目的是理清地理计算的提出、发展和特点，并对其技术基础进行探讨。第2章从计算的角度出发讨论地理计算的分类体系，通过对各种内容的地理计算问题所需要的数据量、计算时间复杂性和所涉及的组织机构的多方性等三个方面的分析，提出了基于计算复杂性考虑的地理计算分类体系。第3章讨论计算和计算环境的概念，从计算模型以及保障计算模型的实施所涉及的各种计算资源及其管理出发，认为计算环境是特定的各种计算资源通过网络相互联结，能够根据给定目的对这些计算资源可靠地进行调度以完成计算任务的系统。本章还论述了主要的计算环境类型的构成和特点，并引出了网格计算环境。第4章从网格的特点、体系结构、服务体系等方面对网格进行了较为详细的讨论，重点突出网格是一种跨管理域的、地理上广域分布的弱耦合性分布式计算环境。本章还对主流的网格平台Globus Toolkit做了简要的介绍。对网格在科学研究和工程计算的应用，特别是在地理计算中的应用做了讨论。第5章对网格上的地理信息共享技术进行了研究，首先讨论的是Web GIS中最重要的三种地理信息服务：WMS、WFS和WCS；进一步通过两个重要的地理信息网格项目论述了实施地理信息网格服务的关键技术；最后介绍了ESG和上海TIG中的地理信息服务的开发和特点。第6章论述网格上的汇聚型地理计算，以一个空间决策问题的求解作为用例，详细地讨论了地理数据以及相应的处理、分析过程的汇聚过程，提出了若干重要的地理信息网格服务以及相应的客户端设计。第7章以一个计算复杂性较高的P-Median问题的求解为例，介绍了类似问题的区域分解以及在计算网格上的并行化策略实施，从而论述了Master-Worker计算模式在网格环境上实现的关键问题。第8章探讨了网格上的协同计算，介绍了一个应用广泛的网格协同系统——Access Grid，并以用例的形式来探讨协同计算的作用和特点。
　　本书是以作者的博士学位论文《网格计算环境中的空间分析计算模式》为基础完成的，该博士学位论文的完成得到了导师王铮研究员的悉心指导。而本书主要在地理计算、网格技术以及计算模式方面都做了扩展。在本书的完善和出版过程中，得到广州市教育局研究生学位点扶持建设项目经费支持。广州大学地理科学院陈健飞院长在本书的写作过程中给予了充分地支持，这是本书得以顺利完成的重要保障，借此对他表示衷心的感谢！另外，在本书的写作期间，作者所在学院的许多同事都在工作安排、实验条件等方面给予了诸多便利，在此一并表示感谢！
　　蔡砥（caidi@gzhueducn）

　　    地理计算是以计算科学和计算技术为依托的，解决复杂的地理学问题的一种研究方法。地理计算的产生和发展得益于信息技术的迅速发展。网格作为一种跨组织边界的计算资源共享和管理技术，为地理空间信息的共享和互操作、分析和建模模拟等都提供了更有深度和广度的可能。本书一方面深入地论述了地理计算的内容，并从计算的角度出发进行了分类。以此为基础，广泛地收集各种与地理计算有关的应用网格平台项目的设计、实施的案例，论述了在网格平台上开展地理计算的多种模式。  计算模式的研究是科学计算系统的一种基础性研究，本书可供从事地理信息系统、计量地理和地理计算领域的科研人员、系统分析设计人员以及高校教师和研究生参考使用。