摘   要： 提出了采用網(wǎng)格中間件技術(shù)解決面向分布式空間數(shù)據(jù)庫的查詢問題,，設計并實現(xiàn)了一個網(wǎng)格中間件系統(tǒng)OGSA-SDQP,。給出了該系統(tǒng)的設計思想，重點研究了其中的空間數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換,、空間數(shù)據(jù)集成,、空間操作函數(shù)擴展、空間數(shù)據(jù)查詢流程等關(guān)鍵技術(shù),，給出了系統(tǒng)實現(xiàn)及查詢性能測試,。實驗結(jié)果表明,OGSA-SDQP能夠高效處理網(wǎng)格環(huán)境下的分布式空間數(shù)據(jù)查詢。
關(guān)鍵詞： 網(wǎng)格,；分布式,；空間數(shù)據(jù)查詢；OGSA-SDQP

    空間數(shù)據(jù)庫用于存儲空間和屬性數(shù)據(jù),，其數(shù)據(jù)模型和查詢語言能支持空間數(shù)據(jù)類型和空間索引,，并且提供空間查詢和其他空間分析的方法。現(xiàn)實環(huán)境中,，由于GIS隸屬單位地域差異及異構(gòu)GIS數(shù)據(jù)庫的存在,，空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅地域分散，而且數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性[1],，因而空間數(shù)據(jù)共享一直是GIS研究領(lǐng)域的一個很有挑戰(zhàn)性的問題,。
    實現(xiàn)不同空間數(shù)據(jù)庫的信息共享和集成，必須解決不同的通信協(xié)議,、不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、不同的操作系統(tǒng)、不同的數(shù)據(jù)庫和其他應用服務帶來的異構(gòu)性[2],。網(wǎng)格是在網(wǎng)絡之上運行的以實現(xiàn)資源共享和協(xié)作為目標的軟件基礎(chǔ)設施,，提供了一種集成的資源和服務環(huán)境。網(wǎng)格技術(shù)具有高性能計算、資源共享,、互操作性,、服務管理、高可靠性,、安全性等特性[3],，它的迅猛發(fā)展為實現(xiàn)分布式空間信息的訪問和操作提供了新的思路。開放網(wǎng)格服務框架OGSA(Open Grid Service Architecture)是以服務為中心的框架結(jié)構(gòu),，在網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)中有廣泛的影響力,。開放網(wǎng)格服務框架下的分布式查詢處理器OGSA-DQP(Open Grid Service Architecture-Distributed Query Processor)符合OGSA框架，解決了一般數(shù)據(jù)的分布式異構(gòu)的問題,，但是它不能有效地集成空間數(shù)據(jù),，因為空間數(shù)據(jù)種類繁多，數(shù)據(jù)格式各異,，獲取時段各不相同,，存在多種比例尺、多種空間參考系和多種投影類型[4],。為此,，針對網(wǎng)格環(huán)境下的分布式空間數(shù)據(jù)集成問題,，以OGSA-DQP為基礎(chǔ)研究并開發(fā)了一個中間件系統(tǒng),，開放網(wǎng)格服務框架下的分布式空間查詢處理器OGSA-SDQP(Spatial DQP)，能夠高效地處理分布式空間數(shù)據(jù)查詢,。
1 OGSA-SDQP設計思想
    空間數(shù)據(jù)具有分布式異構(gòu)的特點,，OGSA-SDQP首先屏蔽了其異構(gòu)性，然后在此基礎(chǔ)上集成了不同的空間數(shù)據(jù)源,。OGSA-SDQP支持并擴展了空間操作函數(shù),。
    數(shù)據(jù)庫之間具有異構(gòu)性，為了有效集成來自不同數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù),，需要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)類型,。OGSA-SDQP用Java語言實現(xiàn)，需要將SQL數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的Java數(shù)據(jù)類型[5],。對于常規(guī)的數(shù)據(jù)類型,，不同數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品之間的語義差別不大，例如：SQL數(shù)據(jù)類型中的VARCHAR,、CHAR,、LONGVARCHAR對應Java數(shù)據(jù)類型中的java.lang.String和char[]；SQL數(shù)據(jù)類型中的INTEGER對應Java數(shù)據(jù)類型中的int,。但是空間數(shù)據(jù)具有存儲格式多樣性的特點,各個數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)類型不相同,Java中也沒有表示空間數(shù)據(jù)的類型,。在OGSA-SDQP中，空間數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成一致的數(shù)據(jù)類型，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)類型的統(tǒng)一,。
    在面向分布式空間數(shù)據(jù)源的SDQP查詢中,，組合查詢被解析為針對不同數(shù)據(jù)源的子查詢，子查詢通過數(shù)據(jù)服務獲取查詢結(jié)果,，在SDQP中將不同數(shù)據(jù)源返回的結(jié)果轉(zhuǎn)換成一致的數(shù)據(jù)類型后進行組裝,，并返回給請求用戶。
    OGSA-SDQP支持空間操作函數(shù),。單數(shù)據(jù)源查詢過程中,，提交到數(shù)據(jù)服務的查詢串被完整地推送到后端數(shù)據(jù)庫執(zhí)行查詢，后端數(shù)據(jù)庫支持的查詢函數(shù)都可以嵌入在查詢語句中提交給數(shù)據(jù)服務并獲得查詢結(jié)果,。對于數(shù)據(jù)表中包含的空間信息,，查詢語句可以根據(jù)嵌入的查詢函數(shù)經(jīng)后端數(shù)據(jù)庫處理后返回計算結(jié)果。而對于多源數(shù)據(jù)的分布式查詢,，需要在查詢語句推送前對應不同數(shù)據(jù)源拆分為相應的查詢子句,。在查詢子句返回數(shù)據(jù)結(jié)果之后，根據(jù)嵌入在OGSA-SDQP內(nèi)部的基于標量函數(shù)拓展的空間分析函數(shù),，對結(jié)果進行處理,、合并，返回給服務請求客戶端,。
2 OGSA-SDQP關(guān)鍵技術(shù)
2.1空間數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換
    系統(tǒng)使用的兩個空間數(shù)據(jù)庫PostGIS和Beyondb都支持空間數(shù)據(jù),。Beyondb是項目組其他成員在開源項目Ingres的基礎(chǔ)上進行空間擴展生成的支持空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。目前,，OGSA-SDQP僅支持矢量空間數(shù)據(jù),。
    首先，將空間數(shù)據(jù)庫的基本信息提交給OGSA-SDQP,，這些信息主要包括數(shù)據(jù)庫的URI,、數(shù)據(jù)庫的驅(qū)動程序JDBC等。由于每個空間數(shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)類型各不相同,，PostGIS的空間數(shù)據(jù)類型是PG_Geometry,，Beyondb的空間數(shù)據(jù)類型是ST_Geometry，OGSA-SDQP根據(jù)每個空間數(shù)據(jù)庫的JDBC,，將Geometry類型解析為通用文本W(wǎng)KT(Well-Known Text)類型,。WKT格式是對幾何體編碼的一個結(jié)構(gòu)化文本格式，可以像操作字符串一樣對WKT進行操作,。通過將不同的空間數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為WKT的方式,，屏蔽了不同空間數(shù)據(jù)類型的異構(gòu)性。
    空間數(shù)據(jù)的類型轉(zhuǎn)換如圖1所示,，當用戶提交查詢操作時,，OGSA-SDQP主要利用兩個行為Activity將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成結(jié)果集ResultSet的形式，SQLQuery和TupleToWebRowSetCharArrays。它們處在一個工作流中,，SQLQuery的輸出是TupleToWebRowSetCharArrays的輸入,。ResultSet是Java對象，不適合網(wǎng)絡傳輸,，在傳輸前將其轉(zhuǎn)換成WebRowSet格式[6],，OGSA-SDQP接收到數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)換回ResultSet格式。ResultSet中的空間數(shù)據(jù)類型是空間數(shù)據(jù)庫自己定義的類型,，OGSA-SDQP將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WKT格式,，空間數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換是空間數(shù)據(jù)集成的前提。

2.2 空間數(shù)據(jù)集成
    空間數(shù)據(jù)集成是將分布式數(shù)據(jù)庫構(gòu)成一個大的虛擬的數(shù)據(jù)庫,，屏蔽數(shù)據(jù)庫之間的異構(gòu)性,，為用戶提供統(tǒng)一、透明的訪問接口,。通過下面的語句可以從兩個空間數(shù)據(jù)庫中一次查詢出鐵路信息和公路信息并返回一個結(jié)果集:select rail. geom from beyondb_railway_pln rail union all select road.geom from postgis_road_pln road,。
　 為了向用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖，屏蔽底層數(shù)據(jù)庫的位置信息和平臺差異,，實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的無縫連接,。虛擬表與數(shù)據(jù)源的映射關(guān)系如圖2所示，OGSA-SDQP首先建立了一張?zhí)摂M表,，虛擬表中定義了虛擬表名,、虛擬字段名等屬性。然后,，又建立了一張?zhí)摂M關(guān)系表來維持虛擬表名與實際表名,、虛擬字段名與實際屬性之間的映射關(guān)系,，虛擬表中的一個屬性可以對應0個或多個數(shù)據(jù)源對象的屬性[7],。OGSA-SDQP循環(huán)每個數(shù)據(jù)源結(jié)果集的行，再循環(huán)每行的字段,，根據(jù)映射關(guān)系查找該字段在虛擬表中的位置,，然后根據(jù)位置信息，將數(shù)據(jù)插入虛擬表,。

2.3空間操作函數(shù)擴展
　 在數(shù)據(jù)訪問與集成處理過程中,，行為(Activity)是基本工作模塊，每類行為負責完成一項特定的數(shù)據(jù)查詢,、轉(zhuǎn)換,、傳輸?shù)忍幚砣蝿誟8]。OGSA-SDQP提供了行為的擴展接口,，用戶通過該接口可以定義自己的行為,。
    OGSA-SDQP提供服務行為拓展機制，可供拓展的函數(shù)類型為標量函數(shù)與聚合函數(shù)兩類。聚合函數(shù)從選擇列數(shù)據(jù)中提取出代表一種趨勢的值或者匯總值,，并聚合列得到結(jié)果集,，返回的數(shù)據(jù)類型對應于該列或者傳遞到函數(shù)中的值，如COUNT,、MAX,、SUM等。標量函數(shù)指的是基于輸入值定義類型返回單個數(shù)據(jù)值,。聚合函數(shù)針對通用數(shù)據(jù)類型進行操作,，而空間分析過程需要針對空間數(shù)據(jù)表中每條記錄包含的幾何字段進行計算，因此拓展空間分析函數(shù)主要基于標量函數(shù)的形式拓展,。
    JTS Topology Suite是一系列Java API,，它完成了Java對幾何對象、空間拓撲的核心操作算法[9],。為了豐富用戶的個性化操作,，利用OGSA-SDQP的擴展功能和JTS Topology Suite，添加了一些支持矢量數(shù)據(jù)的空間操作,，包括緩沖區(qū)計算,、凸外包框計算和空間相交計算等。
2.4空間數(shù)據(jù)查詢流程
    OGSA-SDQP是一個基于服務的分布式查詢處理器,，它可以一次對多個數(shù)據(jù)服務進行并行查詢,。OGSAS-DQP分布式查詢的實現(xiàn)需要兩個重要服務的支持：空間網(wǎng)格分布式查詢服務SGDQS(Spatial Grid Distributed Query Service)和空間網(wǎng)格查詢評估服務SGQES(Spatial Grid Query Evaluator Service)[10]。
    SGDQS負責創(chuàng)建SDQP服務,，生成數(shù)據(jù)資源實體的表結(jié)構(gòu)schema,，對查詢計劃進行編譯、優(yōu)化,、分解,、制定查詢計劃，并將分解后的查詢發(fā)送給SGQES,。另外SGDQS還負責與用戶的交互,，接受用戶提交的請求，返回查詢結(jié)果給用戶,。
    SGQES是查詢計劃的分支,，是查詢的執(zhí)行節(jié)點，它在SGDQS制定好查詢計劃后動態(tài)生成,，每個查詢計劃分支對應一個SGQES服務,，SGQES直接與數(shù)據(jù)資源和其他SGQES交互，并將執(zhí)行結(jié)果返回給SGDQS,。SGQES使用經(jīng)SGDQS分解的SQL語句進行查詢訪問,。圖3說明了一次查詢進行的數(shù)據(jù)流程,，其中數(shù)據(jù)服務資源SDSR(Spatial Data Service Resource) 標識和承載其數(shù)據(jù)庫的URI地址，充分屏蔽了異構(gòu)性,，實現(xiàn)了透明訪問[11],。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及實驗
3.1系統(tǒng)環(huán)境
    部署了PostGIS和Beyondb兩個數(shù)據(jù)庫服務器。在WindowsXP操作系統(tǒng)上的Beyondb數(shù)據(jù)庫中存放了長沙市的鐵路數(shù)據(jù),在虛擬機Ubuntu操作系統(tǒng)上的PostGIS中部署了長沙市的公路數(shù)據(jù),。系統(tǒng)的服務器部分OGSA-SDQP部署在Ubuntu下,。客戶端分別部署在WindowsXP和Ubuntu下,。
3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)方式
    該系統(tǒng)分為服務器和客戶端兩個部分,。服務器是空間擴展后的OGSA-SDQP,支持空間數(shù)據(jù)類型和空間操作；客戶端包括注冊,、查詢,、空間渲染、導出四個模塊,，這四個模塊為用戶提供了接口,，用戶可以根據(jù)需要選擇其中幾個模塊建立自己的圖形化系統(tǒng)。其中空間渲染模塊和導出模塊的實現(xiàn)上使用了開源項目Geotools,。Geotools是Java語言編寫的開源GIS工具包,，提供各種GIS算法、各種數(shù)據(jù)格式的讀寫和顯示,，可以實現(xiàn)地圖的可視化,。
3.3 實驗結(jié)果
    通過OGSA-SDQP訪問空間數(shù)據(jù)庫，既可以像以前一樣訪問單個數(shù)據(jù)庫來獲取空間信息,，如圖4(a),、圖4(b)所示，也可以通過集成查詢,，將鐵路和公路一次讀取并顯示出來,，看起來就像是對一個數(shù)據(jù)庫進行操作一樣，如圖4(c)所示,；還可以對獲取的空間數(shù)據(jù)進行操作,，圖4(d)是對鐵路的外包框操作,，圖4(e)是對公路做緩沖區(qū)操作,，圖4(f)求鐵路和公路的交點。

    測試OGSA-SDQP的性能如圖5所示,。橫軸表示查詢的數(shù)據(jù)量,，縱軸表示查詢時間。先分別對兩個空間數(shù)據(jù)庫進行查詢,，將它們的查詢時間相加,，再與OGSA-SDQP的查詢時間做比較,。實驗發(fā)現(xiàn)，由于采用并行查詢,，OGSA-SDQP在查詢記錄較小時,，基本上與單獨查詢的時間一致。隨著數(shù)據(jù)量的增大,，耗費的資源也隨之增大,，因此在查詢數(shù)據(jù)量大時集成查詢所需時間會比單獨查詢時間更長，但總體上還是小于累計的時間,。OGSA-SDQP的性能取決于網(wǎng)格服務器的性能和各個數(shù)據(jù)庫服務器的性能,。

    針對空間數(shù)據(jù)分布式異構(gòu)的特點，使用網(wǎng)格技術(shù),，構(gòu)建了分布式多源異構(gòu)空間信息的集成訪問環(huán)境OGSA-SDQP,。在該環(huán)境下，用戶可以采用并發(fā)的方式同時訪問多個空間數(shù)據(jù)源,；擴展了空間操作功能,，支持對查詢結(jié)果的處理。最后,，通過實驗證明了該系統(tǒng)在集成查詢中的性能優(yōu)勢,。
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