2015格网模型-GIS 理论与方法
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SUN Diak Array 102(1)，可用存储空间<30GB。
1998年
SUN Diak Array 102(1)、SUN A5000(2) 可用存储空间<200GB。
1998年
SUN Diak Array 102(1)、SUN A5000(4) 可用存储空间<220GB。
2003年
SUN Diak Array 102、SUN A5000(4) 、DELL NAS(1)、 STK 9176(1)、D178(1)可用 存储空间<9000GB。
计算机——格网？
地学——格网？
融合——空间信息网格
计算机领域——网格
• 网格是构建在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联 网、计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一 体 • 网格是一种基础设施，资源共享是它的基本特征，而网 格计算是在多个机构组成的动态虚拟组织（VO， Virtual Organization）间实现协作式资源共享和问题
• 精细农业可以充分利用资源，有效提高产量; • 精确感知是制定政策和优化决策的基础; • 精确打击是信息化作战的重要特色，它以很少的代价充分发扬火力 ，有效打击对手，减少不必要伤亡; • 精密工业则减少能源消耗、降低成本、提高产品质量。
• 精细化给人类带来巨大的利益。海量数据的快速处理伴随 庞大的科学工程和精细、动态、实时计算任务的增加，对 高效能计算机的需求也日益增长，但巨型计算机的生产总 是赶不上需求的增长，同时分散于各地的中小型计算机又 因开工不足而大量闲置。 • 如何像电力网一样充分发挥计算资源的作用，是当前急需 解决的问题?
• 因 特 网 面 临 的 十 大 难 题 (Nelson 2002):
• 身份识别;知识产权保护;个人隐私保护; • 新一代IP技术;下一代网络技术; • 无线传输技术 ; 电话网和因特网融合技术 ; 视频传输技术;
实例 2——时间标准
当前我们不是用一种公认的方式报时，而是有几种时间尺度 同时运转，相差可以大到30多秒。因月球引力使地球速度放 慢，不能像原子钟那样守时，所以我们的时钟不时地要停1秒 (称为闰秒)，好让地球赶上。第一个闰秒出现在1972年，最 近增加的第32个闰秒是1998年12月31日。这说明地球旋转正 在逐步放慢的事实。现有的几种时间尺度:
综合集成工程(Meta-synthetic Engineering)
• 综合集成的概念是上世纪 90年代初智能计算机研究受阻的形 势下提出的。在军事指挥领域，曾寄希望于以智能计算机代替人的大
脑实现指挥自动化的愿望当然也就不可能在可预见的时间内实现。于是 提出“走综合集成之路”的指导思想(钱学森 1990，王锤 等 1993)。
2006年
SUN A5000(4) 、DELL NAS (1)、DELL SE220(1)、3510(1)、 STK 9176(1)、 D178(1)、HDS AMS200(2)可用存储空间<28000GB。
1、信息发展需求
科学技术的进步迅速地改变着人类生存环境与交流 方式，在经济、文化、科学、教育和军事各领域逐渐 出现了一些新的信息需求。
地理领域——网格？
1)基于多面体划分的地理网格
以整个地球表面为研究背景的网格划分一般 采用规则的划分方式，基本方法是利用球体的内 接正多面体作为划分的基础
2)基于地理坐标划分的地理网格
地理坐标划分方法简单、方便，目前 各种数据结构和算法都是基于经纬度划分 设计的(Sahr，White等 2003)，下图是采 用10°×10°网格对全球进行经纬度划分 的示意图
要求——？？
这些新需求的共同特点是要将正确的信息，在准确的时间， 精确的地点，传递给被确认的便用者。
具体说，应该具备下述的条件:
• 有足够详细度并能及时更新的信息资源，包括地理空间基 础数据库和多种专题数据库及其管理系统; • 高效的宽带网，解决视频传输; • 基于全球的地理空间坐标系(地理基础框架); • 准确的时间标准(授时系统); • 快速处理海量数据的计算环境;
CERN’s Large Hadron Collider
1800 Physicists, 150 Institutes, 32 Countries
100 PB of data by 2010; 50,000 CPUs?
地理领域——网格？
网格通常是指对地理空间的划分，有的称为 “地理格网”、“地理网格”、“空间网格” 等。
实例 3——指挥系统(美军)
1、当前战场情报和各种空间数据采集、存储、管理、查询和检索功能 没有充分开发出来。还不能满足作战指挥在空间分析、预测预报 、决策支持等方面的需求; 2、初期的指挥系统尚不能实时提供结论性专题数据及结论性专题图像 ，而这些信息对作战、指挥的保障是十分重要的。 3、由于部门利益和市场利润的影响，各种系统都有各自的技术标准， 都建立自己的软件体系，它们通用功能相似，专用功能不强，且 难于互通和二次开发。 4、战场态势信息和空间信息本质上是随机的、分散的。它由各地区各 部门来收集和管理，异地互相传输、计算、分析这些资源成为必 然的要求。但受目前的计算能力、网络带宽、数据融合技术的限 制，各指挥系统还不能胜任这些工作。
环境等可视化的保障能力，成为检验系统能否实用的指标。
• 作为一个工程任务的综合集成难度非常之大，是因为它是多 学科、多技术的融合与渗透而不是简单的设备和功能的集成; • 更烦人的是它要触动传统的管理体制和指挥体系。
认知和行为的精细化
• 精细化或精确化是人类认识和改造客观存在的深化，也是 发展的必然趋势。
2、存在问题？？
但是我们现有的信息环境与保障能力还远远不能满足这一要 求，不论国内国外都存在严重的缺陷:
• 从地理空间基础数据到个部门、行业、学科的专题数 据严重不足，缺乏统一标准，内容陈旧;
• 网络功能不强，系统缺乏统一标准; • 没有全球为基础的地理坐标系;
• 时间尺度不一，隐含潜在的危险;
• 计算能力有限，计算资源浪费严重;
3、产生背景
• 网格就是在这样的背景下提出的。它是想用一种术语来 概括信息时代的一种环境，一种技术的也是人文的环境 。 • 在这个环境中，多元/源信息可以超越时/空的限制而为 用户提供最满意的服务。它将所有的数据、信息与空间 地理位置联系起来，实现全球数据和信息的互连互通， 实现跨地区的远程互操作。 • 这里的核心问题是一个为信息化服务的新环境或新平台 ，因此起个什么名称并不重要。
知识网格是一体化的智 能知识处理平台，消除 知识孤岛
信息网格是一体化的智 能信息处理平台，消除 信息孤岛 计算网格是系统层，为 信息网格和知识网格提 供基础设施
1.关于网格 2.计算网格 I.应用 Blueprint 3.分布超级计算应用 4.实时广域分布仪器系统 5.数据密集计算 6.遥沉浸（Teleimmersion） II.程序设计工具 7.应用性工具 8.编译器、语言、以及数据库 9.基于对象的途径 10.高性能块件（Commodity）计算 III.服务 11.Globus系统 12.高性能调度器 13.高吞吐量的资源管理器 14.仪器和测量 15.性能分析和可视化 16.安全、核算、和确保 IV.基础设施 17.计算平台 18.网络协议 19.服务的网络质量 20.操作系统和网络界面 21.网络设施 22.从基础研究到实际设施的测试环境
• 协调世界时——民用计时的尺度，1972年以来己增加了32个闰秒。 • 国际原子钟时——用于科学目的，比协调世界时快32秒。 • GPS时——美国全球定位系统采用的时间尺度。它计入1980年前的 闰秒但不计1980年后的闰秒，因此GPS对比协调世界时快 13秒，比 国际原子钟慢19秒。
实例 3——指挥系统(美军)
主要内容
1
格网建模方法 格网应用计算 研究进展交流
2
3
1、格网建模方法总结
经纬度 模型 多面体 模型 自适应 模型
三维扩 展模型
经纬度模型
经纬度格网是应用最早的、最常规的科学查询和空间剖分方法之一。 它非常符合人们的习惯（由于以经纬度表示的坐标系统已被人们广泛采 用），也便于用一般的显示设备进行制图或表达。 所以，现存的许多数据格式、处理算法和系统软件大都是以经纬度格网为 基础的。
• 综合集成有三个主要特点:(1)系统是巨型的;(2)多学科交叉;(3) 人一机协作。军事信息化作战系统 (例如美国的C4ISR系统就是较为成
功的一个，但由于集成度不够，还有赖于下面谈到的网格方法来补救)。
• 在巨系统中提供良好的人 —机交互环境是发挥人的主导作用 的关键——在大型指挥决策系统中提供电子地图、公用态势图、虚拟
由于这 5 项最基础性的信息环境的缺陷，导致全球性信息化 建设进程迟缓，烟囱林立，效能低下。 下面我们仅以部分实例来说明现有的信息保障能力与环境。
实例 1——因特网
• 2002 年因特网年会主题是“因特网的 十字路口”。 10 年来，因特网的技术 与管理之间的矛盾空前尖锐：
• 一方面，它已成为信息的支柱和生活的核 心； • 但另一方面，它又成为混乱动荡的代名词 。
我们曾选用过很多术语来表述一些最重要或最基础性的东西，如框架 (Frame)、基础设施(Infrastructure)、系统(System)、网络(Net)等等， 但是为了突出这一新环境的特点选用了区别于以往的术语网格(Grid)。
4、网格的概念与特征
地学领域和计算机科学领域中，网格的内涵和 研究内容是不同的；
RS文件数据库 （ASM近线存储系统） GIS/RS文件类型 （磁带库、磁带机）
近线数据成果
5.1
离线数据成果 合 计 58.1TB。
37
1、信息发展需求
数据量
16TB
6TB 4TB 2TB
1000GB
200GB 100GB 0 1995 1996
1998
2003
2006
时间
1、信息发展需求
硬件环境 1995年和1996年
协作环境 (Collaboration Environment)
身居不同地点的多个人可以在一个虚拟环境中相聚， 一起讨论、交流共同关心的问题。这个环境是互感知的( 眼下还是以视、听为主)和互操作的。这种超越时空限制 的环境已在虚拟会场、远程教育和异地诊断、治疗甚至是 手术等方面获得较为成功的应用。
• 美军的各种对地观测系统，特别是各种指控系统各自 为政和缺少统一标准的现状特别突出，不能互通的各 种C3I系统就有128个。 • 当前在轨卫星约 700 个，一半是美国的，其中110 个为 军用，分别用于导航、通信、测地、侦察、预警等等 ，但互不通用。美国通信卫星很多，海军1个，空军l 个，国防部3个，试验卫星l个，各军兵种之间不能通 用，在近年美国发动的两场战争中充分暴露了问题的 严重性。
1998年7月 Ian Foster出版GRID专著
for a New Computing Infrastructure
GRID 网格
新型计算机体系结构的蓝图
网格计算
在计算机科学领域，网格计算（grid computing）把地理 上广泛分布的各种计算资源互连在一起，形成强大的计算资源
An Example Virtual Organization:
求解
网格分类
计算网格——强调计算能力获取、管理等的网格； 数据网格——强调数据存储、管理、传输、处理的网 格； 信息网格——强调信息存储、管理、传输、处理的网 格； 服务网格——强调应用服务集成的网格； 知识网格——强调知识存储、管理、传输、处理的网 格； 语义网格——强调语义解析的网格，实现语义互操作；
全球离散格网建模、应用 与研究进展
赵学胜
中国矿业大学（北京） 2015.12.11
0 导言
• 信息发展需求 • 存在问题？ • 产生背景 • 格网概念与特征
1、信息发展需求
基础地理信息数据成果统计
源自文库数据成果分类 数据量（TB) 数据存储平台
GIS/RS文件数据 在线数据成果 16
关系型数据库 （Oracle8i+SDE）
灾害预测和防护
• 能准确预测灾害 ( 自然灾害、突发传染病、恐怖行为等等 ) 发 生的地点、时间和趋势，并有效地组织御防和救护，是当前 各国十分关注的大事。 • 灾害的全球性趋势日益明显，突发性加大，现有的各种信息 系统、定位搜索技术、防护装备和应急预案的制定等准备工 作虽有重大进展，但仍然缺少整体的、实时的认知、指挥和 支援的能力。
1998年
SUN Diak Array 102(1)、SUN A5000(2) 可用存储空间<200GB。
1998年
SUN Diak Array 102(1)、SUN A5000(4) 可用存储空间<220GB。
2003年
SUN Diak Array 102、SUN A5000(4) 、DELL NAS(1)、 STK 9176(1)、D178(1)可用 存储空间<9000GB。
计算机——格网？
地学——格网？
融合——空间信息网格
计算机领域——网格
• 网格是构建在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联 网、计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一 体 • 网格是一种基础设施，资源共享是它的基本特征，而网 格计算是在多个机构组成的动态虚拟组织（VO， Virtual Organization）间实现协作式资源共享和问题
• 精细农业可以充分利用资源，有效提高产量; • 精确感知是制定政策和优化决策的基础; • 精确打击是信息化作战的重要特色，它以很少的代价充分发扬火力 ，有效打击对手，减少不必要伤亡; • 精密工业则减少能源消耗、降低成本、提高产品质量。
• 精细化给人类带来巨大的利益。海量数据的快速处理伴随 庞大的科学工程和精细、动态、实时计算任务的增加，对 高效能计算机的需求也日益增长，但巨型计算机的生产总 是赶不上需求的增长，同时分散于各地的中小型计算机又 因开工不足而大量闲置。 • 如何像电力网一样充分发挥计算资源的作用，是当前急需 解决的问题?
• 因 特 网 面 临 的 十 大 难 题 (Nelson 2002):
• 身份识别;知识产权保护;个人隐私保护; • 新一代IP技术;下一代网络技术; • 无线传输技术 ; 电话网和因特网融合技术 ; 视频传输技术;
实例 2——时间标准
当前我们不是用一种公认的方式报时，而是有几种时间尺度 同时运转，相差可以大到30多秒。因月球引力使地球速度放 慢，不能像原子钟那样守时，所以我们的时钟不时地要停1秒 (称为闰秒)，好让地球赶上。第一个闰秒出现在1972年，最 近增加的第32个闰秒是1998年12月31日。这说明地球旋转正 在逐步放慢的事实。现有的几种时间尺度:
综合集成工程(Meta-synthetic Engineering)
• 综合集成的概念是上世纪 90年代初智能计算机研究受阻的形 势下提出的。在军事指挥领域，曾寄希望于以智能计算机代替人的大
脑实现指挥自动化的愿望当然也就不可能在可预见的时间内实现。于是 提出“走综合集成之路”的指导思想(钱学森 1990，王锤 等 1993)。
2006年
SUN A5000(4) 、DELL NAS (1)、DELL SE220(1)、3510(1)、 STK 9176(1)、 D178(1)、HDS AMS200(2)可用存储空间<28000GB。
1、信息发展需求
科学技术的进步迅速地改变着人类生存环境与交流 方式，在经济、文化、科学、教育和军事各领域逐渐 出现了一些新的信息需求。
地理领域——网格？
1)基于多面体划分的地理网格
以整个地球表面为研究背景的网格划分一般 采用规则的划分方式，基本方法是利用球体的内 接正多面体作为划分的基础
2)基于地理坐标划分的地理网格
地理坐标划分方法简单、方便，目前 各种数据结构和算法都是基于经纬度划分 设计的(Sahr，White等 2003)，下图是采 用10°×10°网格对全球进行经纬度划分 的示意图
要求——？？
这些新需求的共同特点是要将正确的信息，在准确的时间， 精确的地点，传递给被确认的便用者。
具体说，应该具备下述的条件:
• 有足够详细度并能及时更新的信息资源，包括地理空间基 础数据库和多种专题数据库及其管理系统; • 高效的宽带网，解决视频传输; • 基于全球的地理空间坐标系(地理基础框架); • 准确的时间标准(授时系统); • 快速处理海量数据的计算环境;
CERN’s Large Hadron Collider
1800 Physicists, 150 Institutes, 32 Countries
100 PB of data by 2010; 50,000 CPUs?
地理领域——网格？
网格通常是指对地理空间的划分，有的称为 “地理格网”、“地理网格”、“空间网格” 等。
实例 3——指挥系统(美军)
1、当前战场情报和各种空间数据采集、存储、管理、查询和检索功能 没有充分开发出来。还不能满足作战指挥在空间分析、预测预报 、决策支持等方面的需求; 2、初期的指挥系统尚不能实时提供结论性专题数据及结论性专题图像 ，而这些信息对作战、指挥的保障是十分重要的。 3、由于部门利益和市场利润的影响，各种系统都有各自的技术标准， 都建立自己的软件体系，它们通用功能相似，专用功能不强，且 难于互通和二次开发。 4、战场态势信息和空间信息本质上是随机的、分散的。它由各地区各 部门来收集和管理，异地互相传输、计算、分析这些资源成为必 然的要求。但受目前的计算能力、网络带宽、数据融合技术的限 制，各指挥系统还不能胜任这些工作。
环境等可视化的保障能力，成为检验系统能否实用的指标。
• 作为一个工程任务的综合集成难度非常之大，是因为它是多 学科、多技术的融合与渗透而不是简单的设备和功能的集成; • 更烦人的是它要触动传统的管理体制和指挥体系。
认知和行为的精细化
• 精细化或精确化是人类认识和改造客观存在的深化，也是 发展的必然趋势。
2、存在问题？？
但是我们现有的信息环境与保障能力还远远不能满足这一要 求，不论国内国外都存在严重的缺陷:
• 从地理空间基础数据到个部门、行业、学科的专题数 据严重不足，缺乏统一标准，内容陈旧;
• 网络功能不强，系统缺乏统一标准; • 没有全球为基础的地理坐标系;
• 时间尺度不一，隐含潜在的危险;
• 计算能力有限，计算资源浪费严重;
3、产生背景
• 网格就是在这样的背景下提出的。它是想用一种术语来 概括信息时代的一种环境，一种技术的也是人文的环境 。 • 在这个环境中，多元/源信息可以超越时/空的限制而为 用户提供最满意的服务。它将所有的数据、信息与空间 地理位置联系起来，实现全球数据和信息的互连互通， 实现跨地区的远程互操作。 • 这里的核心问题是一个为信息化服务的新环境或新平台 ，因此起个什么名称并不重要。
知识网格是一体化的智 能知识处理平台，消除 知识孤岛
信息网格是一体化的智 能信息处理平台，消除 信息孤岛 计算网格是系统层，为 信息网格和知识网格提 供基础设施
1.关于网格 2.计算网格 I.应用 Blueprint 3.分布超级计算应用 4.实时广域分布仪器系统 5.数据密集计算 6.遥沉浸（Teleimmersion） II.程序设计工具 7.应用性工具 8.编译器、语言、以及数据库 9.基于对象的途径 10.高性能块件（Commodity）计算 III.服务 11.Globus系统 12.高性能调度器 13.高吞吐量的资源管理器 14.仪器和测量 15.性能分析和可视化 16.安全、核算、和确保 IV.基础设施 17.计算平台 18.网络协议 19.服务的网络质量 20.操作系统和网络界面 21.网络设施 22.从基础研究到实际设施的测试环境
• 协调世界时——民用计时的尺度，1972年以来己增加了32个闰秒。 • 国际原子钟时——用于科学目的，比协调世界时快32秒。 • GPS时——美国全球定位系统采用的时间尺度。它计入1980年前的 闰秒但不计1980年后的闰秒，因此GPS对比协调世界时快 13秒，比 国际原子钟慢19秒。
实例 3——指挥系统(美军)
主要内容
1
格网建模方法 格网应用计算 研究进展交流
2
3
1、格网建模方法总结
经纬度 模型 多面体 模型 自适应 模型
三维扩 展模型
经纬度模型
经纬度格网是应用最早的、最常规的科学查询和空间剖分方法之一。 它非常符合人们的习惯（由于以经纬度表示的坐标系统已被人们广泛采 用），也便于用一般的显示设备进行制图或表达。 所以，现存的许多数据格式、处理算法和系统软件大都是以经纬度格网为 基础的。
• 综合集成有三个主要特点:(1)系统是巨型的;(2)多学科交叉;(3) 人一机协作。军事信息化作战系统 (例如美国的C4ISR系统就是较为成
功的一个，但由于集成度不够，还有赖于下面谈到的网格方法来补救)。
• 在巨系统中提供良好的人 —机交互环境是发挥人的主导作用 的关键——在大型指挥决策系统中提供电子地图、公用态势图、虚拟
由于这 5 项最基础性的信息环境的缺陷，导致全球性信息化 建设进程迟缓，烟囱林立，效能低下。 下面我们仅以部分实例来说明现有的信息保障能力与环境。
实例 1——因特网
• 2002 年因特网年会主题是“因特网的 十字路口”。 10 年来，因特网的技术 与管理之间的矛盾空前尖锐：
• 一方面，它已成为信息的支柱和生活的核 心； • 但另一方面，它又成为混乱动荡的代名词 。
我们曾选用过很多术语来表述一些最重要或最基础性的东西，如框架 (Frame)、基础设施(Infrastructure)、系统(System)、网络(Net)等等， 但是为了突出这一新环境的特点选用了区别于以往的术语网格(Grid)。
4、网格的概念与特征
地学领域和计算机科学领域中，网格的内涵和 研究内容是不同的；
RS文件数据库 （ASM近线存储系统） GIS/RS文件类型 （磁带库、磁带机）
近线数据成果
5.1
离线数据成果 合 计 58.1TB。
37
1、信息发展需求
数据量
16TB
6TB 4TB 2TB
1000GB
200GB 100GB 0 1995 1996
1998
2003
2006
时间
1、信息发展需求
硬件环境 1995年和1996年
协作环境 (Collaboration Environment)
身居不同地点的多个人可以在一个虚拟环境中相聚， 一起讨论、交流共同关心的问题。这个环境是互感知的( 眼下还是以视、听为主)和互操作的。这种超越时空限制 的环境已在虚拟会场、远程教育和异地诊断、治疗甚至是 手术等方面获得较为成功的应用。
• 美军的各种对地观测系统，特别是各种指控系统各自 为政和缺少统一标准的现状特别突出，不能互通的各 种C3I系统就有128个。 • 当前在轨卫星约 700 个，一半是美国的，其中110 个为 军用，分别用于导航、通信、测地、侦察、预警等等 ，但互不通用。美国通信卫星很多，海军1个，空军l 个，国防部3个，试验卫星l个，各军兵种之间不能通 用，在近年美国发动的两场战争中充分暴露了问题的 严重性。
1998年7月 Ian Foster出版GRID专著
for a New Computing Infrastructure
GRID 网格
新型计算机体系结构的蓝图
网格计算
在计算机科学领域，网格计算（grid computing）把地理 上广泛分布的各种计算资源互连在一起，形成强大的计算资源
An Example Virtual Organization:
求解
网格分类
计算网格——强调计算能力获取、管理等的网格； 数据网格——强调数据存储、管理、传输、处理的网 格； 信息网格——强调信息存储、管理、传输、处理的网 格； 服务网格——强调应用服务集成的网格； 知识网格——强调知识存储、管理、传输、处理的网 格； 语义网格——强调语义解析的网格，实现语义互操作；
全球离散格网建模、应用 与研究进展
赵学胜
中国矿业大学（北京） 2015.12.11
0 导言
• 信息发展需求 • 存在问题？ • 产生背景 • 格网概念与特征
1、信息发展需求
基础地理信息数据成果统计
源自文库数据成果分类 数据量（TB) 数据存储平台
GIS/RS文件数据 在线数据成果 16
关系型数据库 （Oracle8i+SDE）
灾害预测和防护
• 能准确预测灾害 ( 自然灾害、突发传染病、恐怖行为等等 ) 发 生的地点、时间和趋势，并有效地组织御防和救护，是当前 各国十分关注的大事。 • 灾害的全球性趋势日益明显，突发性加大，现有的各种信息 系统、定位搜索技术、防护装备和应急预案的制定等准备工 作虽有重大进展，但仍然缺少整体的、实时的认知、指挥和 支援的能力。