鄭文武　劉曉燕　鄧美容　鄧運員　胡最

摘要：環(huán)境教育資源異地、異構(gòu)特征是實現(xiàn)資源共享的主要因素，鑒于環(huán)境教育資源與地理位置的聯(lián)系密不可分，基于地理信息服務網(wǎng)格的共享模式是當前技術(shù)環(huán)境下實現(xiàn)環(huán)境教育資源共享的有效途徑。以地理信息為框架，探索了新型的環(huán)境教育資源組織和管理方案，對數(shù)據(jù)集成方案以及索引、緩存策略進行深入研究，并構(gòu)建了環(huán)境教育資源網(wǎng)格服務，通過實驗測試表明系統(tǒng)具有較快的響應速度，能夠滿足環(huán)境教育資源共享需求，利用緩存技術(shù)能夠有效提升系統(tǒng)服務性能。

關鍵詞：網(wǎng)格；資源共享；環(huán)境教育；地理信息服務

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）01-0094-05

1 概述

教育資源共享是促進教育均衡發(fā)展的重要途徑，要求利用信息技術(shù)發(fā)展的新成果，為教師和學生提供更便捷、高效、準確的教育資源[1]。國家教育部通過各級精品課程的建設，初步形成了教育資源共享體系，并期望通過精品課程資源共享項目的執(zhí)行，構(gòu)建國家級和省級的教育資源共享平臺，這表明政府管理者已經(jīng)充分認識到了教育資源共享的重要性，并著力提煉優(yōu)質(zhì)教育資源，提高教育資源的利用率。環(huán)境教育是提升公民環(huán)境素質(zhì)的必要途徑，在當前環(huán)境問題嚴重的背景下，環(huán)境教育顯得尤為重要[2]。由于環(huán)境教育需要的教學素材復雜多樣，采用傳統(tǒng)的教學方法很難讓受教育對象產(chǎn)生共鳴。為了提高環(huán)境教育質(zhì)量，國外采取了學校教育和戶外實踐教學相結(jié)合的模式，國內(nèi)主要采用建立環(huán)境教育基地的形式開展環(huán)境教育[3，4]。無論采用國外的經(jīng)驗，還是通過環(huán)境教育基地的帶動，都不能實現(xiàn)全民的環(huán)境教育。網(wǎng)絡是傳播知識的新平臺，通過網(wǎng)絡資源共享，能夠解決環(huán)境教育過程中缺乏素材的問題，縮小城市和鄉(xiāng)村環(huán)境教育發(fā)展差距，從而實現(xiàn)全民的環(huán)境教育提升。

網(wǎng)絡上存在的環(huán)境教育資源多種多樣，其中以文檔資源、圖片資源和視頻資源為數(shù)較多，資源的多源異構(gòu)特征是導致資源難以快速、準確的檢索和下載的主要原因，因此需要應用新型網(wǎng)絡共享技術(shù)，構(gòu)建資源整合平臺，形成環(huán)境教育資源虛擬管理和服務系統(tǒng)。網(wǎng)格是整合和管理網(wǎng)絡上多源、異構(gòu)資源的新技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)上信息交流和資源共享的新途徑，也是當前信息技術(shù)研究的熱點[5，6]。地理信息服務網(wǎng)格是網(wǎng)格技術(shù)支持下的地理信息服務新模式[7-10]，是由異地多源的地理信息資源、存儲設備和相關軟件組成的虛擬整體，能夠為用戶提供更快速、更準確、更全面、更可靠的地理信息[11]。由于環(huán)境教育資源主要反映區(qū)域環(huán)境問題，與地理位置有著密不可分的聯(lián)系，研究以地理信息為框架，基于地理信息服務網(wǎng)格的環(huán)境教育資源共享模式具有重要的技術(shù)價值和現(xiàn)實意義。

2 地理信息服務網(wǎng)格框架下的環(huán)境教育資源存儲體系

環(huán)境教育資源具有地域性，與地理信息密切相關，因此以地理信息為框架，組織和管理環(huán)境教育資源是可行的。當前地理信息服務數(shù)據(jù)多采用直接附屬存儲方式，存在存取效率低、擴展性差的缺陷[12]?？紤]到環(huán)境教育資源既包含地理數(shù)據(jù)，也包含包括文檔、視頻、動畫等多媒體數(shù)據(jù)，存儲時既要考慮地理數(shù)據(jù)的有效集成，也要考慮多媒體數(shù)據(jù)的集成。

2.1 環(huán)境教育資源數(shù)據(jù)集成方案

主要采用元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中間件方式實現(xiàn)環(huán)境教育資源數(shù)據(jù)集成。對于多媒體數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)中的屬性數(shù)據(jù)，采用元數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)集成。對于空間數(shù)據(jù)中的幾何數(shù)據(jù)，由于包含了多種文件類型，如shape、Mif、coverage等格式，主要采用中間件處理方式，在設計中間件時重點考慮了屬性數(shù)據(jù)完整性，采用非拓撲結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)集成。

2.2 基于OGSA-DAI的數(shù)據(jù)訪問

由于環(huán)境教育數(shù)據(jù)存儲存在多源、異構(gòu)等特點，具有較大的復雜性，需要構(gòu)建新型的訪問機制，因此，該文基于面向服務的思想，利用開放網(wǎng)格下的數(shù)據(jù)訪問與集成技術(shù)（OGSA-DAI），以網(wǎng)格服務的形式提供環(huán)境教育資源訪問接口。

基于OGSA-DAI的數(shù)據(jù)訪問需首先配置網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務，網(wǎng)格數(shù)據(jù)服務配置的XML結(jié)構(gòu)為：

jdbc：oraclehin：@localhost：1014：LIKEDB

其中，relationmetadata標簽描述相關數(shù)字資源的元數(shù)據(jù)，用以向用戶反饋數(shù)據(jù)語義、格式和元數(shù)據(jù)；dataResource標簽描述數(shù)據(jù)源信息，如磁盤驅(qū)動器、服務器端口號、數(shù)據(jù)庫名稱等。

最后，編輯/server-config.wsdd文件，在服務組注冊器中加入網(wǎng)格服務工廠。

2.3 環(huán)境教育資源數(shù)據(jù)索引策略

為了使索引算法滿足環(huán)境教育數(shù)據(jù)異構(gòu)特點，實現(xiàn)幾何數(shù)據(jù)的有效索引，該文采用一種自適應雙層網(wǎng)格索引方法，該方法通過建立兩級網(wǎng)格索引，對地理數(shù)據(jù)的圖幅進行縮影，能夠保證在幾何要素分級顯示時快速定位，加快了資源檢索效率。索引過程分為3步：首先，判斷幾何數(shù)據(jù)圖幅是否規(guī)則，不規(guī)則采用網(wǎng)格樹索引，規(guī)則的采用網(wǎng)格索引；然后，對索引進行編碼；最后，實現(xiàn)網(wǎng)格索引。

2.4 環(huán)境教育資源數(shù)據(jù)緩存策略

數(shù)據(jù)緩存技術(shù)包括服務器緩存和客戶端緩存，主要應用于單源數(shù)據(jù)。在網(wǎng)格環(huán)境下可以使用分布式緩存技術(shù)，根據(jù)客戶端是否存在數(shù)據(jù)，如果存在，則直接不從數(shù)據(jù)庫下載，如果部分存在，則只下載缺失部分。在地理數(shù)據(jù)的緩存淘汰時，選擇了臨時緩存和常用緩存相結(jié)合的策略，臨時緩存采用先進先出策略，常用緩存來源于臨時緩存，臨時緩存升級為常用緩存的條件是臨時緩存的使用頻率，當常用緩存裝滿時，計算緩存數(shù)據(jù)使用頻數(shù)，將頻數(shù)最小的數(shù)據(jù)移入臨時緩存。

3 環(huán)境教育資源網(wǎng)格服務的構(gòu)建

Web Service技術(shù)為網(wǎng)格環(huán)境下的信息服務提供了有效途徑，OGSA（Open Grid Service Architecture）提供了構(gòu)建網(wǎng)格服務的框架模型，它采用Web服務框架，支持許多開發(fā)工具和擴展服務，并且通過注冊和發(fā)現(xiàn)支持服務的動態(tài)組合。OGSA定義了兩種實現(xiàn)方式：OGSI（Open Grid Service Infrastructure，開放網(wǎng)格基礎設施）和WSRF（Web Service Resource Framework，服務器資源框架），相比OGSI，WSRF保證了接口和操作對數(shù)據(jù)的通用性，對資源和服務進行較好的區(qū)分，因此，該文基于WSRF構(gòu)建環(huán)境教育資源網(wǎng)格服務。

3.1 技術(shù)路線

基于WSRF構(gòu)建環(huán)境教育資源網(wǎng)格服務的技術(shù)路線見圖1，由3部分組成：

1） 封裝地理信息、多媒體編輯組件，將地理信息和多媒體數(shù)據(jù)的編輯功能、數(shù)據(jù)庫引擎等封裝成為COM+組件，并進行注冊。

2） 將封裝了的COM+組件包裝成為標準的Web Service，以便于服務的發(fā)布。

3） 使用WSRF.NET工具對Web Service服務進行轉(zhuǎn)換。

3.2 網(wǎng)絡要素服務的實現(xiàn)

網(wǎng)絡要素服務是為客戶端提供數(shù)據(jù)服務，用戶通過它獲取網(wǎng)格中的數(shù)據(jù)資源。為了解決網(wǎng)格環(huán)境下異構(gòu)數(shù)據(jù)的互操作問題，首先需定義數(shù)據(jù)互操作接口，并使用XML技術(shù)對接口和數(shù)據(jù)進行封裝，因此，網(wǎng)絡要素服務構(gòu)建主要任務是接口和參數(shù)的XML實現(xiàn)，對于地理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采用GML實現(xiàn)。由于GML格式地理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大，且不易建立索引，數(shù)據(jù)存儲時不采用GML格式，在Web環(huán)境下需要將地理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行GML轉(zhuǎn)換。為了與開放地理空間信息聯(lián)盟（OGC）定義的數(shù)據(jù)類型相一致，在服務組件中構(gòu)建地理數(shù)據(jù)類，用以實現(xiàn)服務器中的地理數(shù)據(jù)的GML解析，同時也實現(xiàn)了GML格式數(shù)據(jù)向服務器內(nèi)部格式的轉(zhuǎn)換。

3.3 網(wǎng)絡地圖服務的實現(xiàn)

地圖是瀏覽、檢索、展示環(huán)境教育資源的框架和媒介，網(wǎng)絡服務構(gòu)建時應重點考慮網(wǎng)絡地圖服務的實現(xiàn)技術(shù)。網(wǎng)絡地圖服務規(guī)范是OGC有關網(wǎng)絡服務的重要內(nèi)容，其目的是通過定義網(wǎng)絡地圖互操作規(guī)范，將來自于本地或網(wǎng)絡的地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以圖像形式可視化。

網(wǎng)絡地圖服務定義了三個操作：GetCapabilities、GetMap和GetFeatureInfo。其中，GetCapabilities操作用于獲取服務元數(shù)據(jù)，GetMap用于獲取地圖圖像，可以是PNG、GIF、JPG或SVG等格式，GetFeatureInfo用于獲取要素特征信息。

GetCapabilities的定義包括Service和Capability兩個部分，Service部分確定在某一個具體服務器中調(diào)用服務的類型，定義為：

WMS

環(huán)境教育地圖資源共享

1000

500

Capability指定服務器功能，包括能夠支持哪些操作，操作的輸出以及操作的URL前綴，包含了Request元素、Exception元素、Layer元素。

4 資源服務性能測試與分析

4.1 測試環(huán)境

數(shù)據(jù)存儲服務器6臺，其中3臺用于存儲地圖資源，3臺用于存儲其他格式教育資源，元數(shù)據(jù)服務器1臺，負載平衡服務器1臺，交換機1臺，服務器CPU為Intel Core2 Duo 2160，2G內(nèi)存，千兆網(wǎng)卡，服務器操作系統(tǒng)采用Linux；客戶端為4臺安裝Windows XP操作系統(tǒng)的PC。

4.2 測試數(shù)據(jù)

使用了地圖數(shù)據(jù)和其他教學資源數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)類型見表1。

[數(shù)據(jù)類型＼&文件數(shù)/個＼&數(shù)據(jù)量/G＼&MODIS影像數(shù)據(jù)（空間分辨率1km）＼&1＼&2＼&MODIS影像數(shù)據(jù)（空間分辨率500m）＼&2＼&8＼&MODIS影像數(shù)據(jù)（空間分辨率250m）＼&16＼&16＼&TM影像（空間分辨率30m）＼&100＼&60＼&IKNOS影像（空間分辨率4m）＼&20＼&10＼&地形數(shù)據(jù)（DEM，分辨率1000m）＼&1＼&0.1＼&地形數(shù)據(jù)（DEM，分辨率25m）＼&200＼&1.0＼&全球政區(qū)圖＼&1＼&0.02＼&1：100萬地名數(shù)據(jù)＼&40＼&0.03＼&1：25萬地名＼&800＼&0.08＼&視頻文件（480P）＼&80＼&16G＼&Flash文件＼&100＼&0.2＼&PPT文件＼&500＼&12＼&JPG圖片＼&10000＼&1.2＼&總計＼&11861＼&126.63＼&]

4.3服務性能測試

4.3.1 響應速度測試

依托于帶寬為10m的校園網(wǎng)絡環(huán)境，進行了4臺終端的并發(fā)測試，每個終端同時生成16個線程向服務機群請求數(shù)據(jù)，記錄每次相應時間，結(jié)果見表2。

表2 服務響應效率

[操作次數(shù)＼&響應時間/ms＼&總耗時/ms＼&1＼&1330＼&2240＼&2＼&1220＼&1800＼&3＼&1280＼&1900＼&4＼&1560＼&2870＼&5＼&160＼&1236＼&6＼&120＼&1178＼&7＼&10＼&112＼&8＼&10＼&125＼&]

機群對請求響應較快，最慢的響應為1.33s，可以預計在當前服務器配置環(huán)境下，機群能夠支持64個以上用戶的并發(fā)訪問。第7、8次操作的響應時間為10，這是由于機群和客戶端緩存作用，說明緩存技術(shù)能夠大幅地提高服務器響應效率。其中第4次響應時間最長，總耗時接近3s，其原因為第4次操作涉及到對異構(gòu)地圖資源的查詢操作，需要耗費較多的服務器機時，也說明，系統(tǒng)服務性能主要取決于地圖服務的性能。

4.3.2 地圖服務響應測試

地圖服務返回的圖像格式為PNG格式，圖像大小400×300像素。測試結(jié)果見表3。

表3 地圖服務響應時間（ms）

[操作＼&終端1＼&終端2＼&終端3＼&終端4＼&1＼&2812＼&1，039＼&1，964＼&2，025＼&2＼&1，504＼&2，151＼&1，711＼&2，101＼&3＼&1，587＼&1，901＼&1，757＼&1，126＼&4＼&1，621＼&1，381＼&1，185＼&1，913＼&5＼&1，230＼&1，850＼&1，435＼&1，253＼&6＼&1，747＼&1，674＼&1，404＼&1，357＼&]

地圖服務響應較快，皆低于3s的用戶最大忍受時間，平均響應時間為1.672s，這說明本文提出的地圖服務構(gòu)建方案技術(shù)可行，能夠解決網(wǎng)格環(huán)境下跨平臺異構(gòu)地理數(shù)據(jù)的互操作和Web Service服務無狀態(tài)的問題。系統(tǒng)啟動時需要根據(jù)用戶的請求鏈接數(shù)據(jù)庫，導致了系統(tǒng)對首次服務響應的時間較長，但也沒有超過3s，是可以接受的。

5 結(jié)論

在國家大力推進教育公平的背景下，應用新型信息技術(shù)實現(xiàn)教育信息資源的有效共享具有緊迫性和重要的現(xiàn)實意義。網(wǎng)格技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為教育信息資源的共享提供了可靠的應用環(huán)境，將網(wǎng)格技術(shù)應用于環(huán)境教育資源共享本身也是對網(wǎng)格技術(shù)應用的深化。該文對環(huán)境教育資源網(wǎng)格系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)進行了初步嘗試，并對網(wǎng)格系統(tǒng)設計方案進行了測試和分析，結(jié)果表明，構(gòu)建資源網(wǎng)格服務系統(tǒng)具有較快速響應速度，響應時間皆低于3s，且利用緩存技術(shù)能夠有效提升系統(tǒng)服務性能。

系統(tǒng)更快速響應，用戶才能獲得更好的服務體驗。因此，要構(gòu)建支持更快速響應的網(wǎng)格平臺，除了在提升硬件設備性能外，還需要在網(wǎng)格服務調(diào)度、地圖服務模式和P2P技術(shù)的應用等方面，進行深入研究。

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