鄭文武　劉曉燕　鄧美容　鄧運(yùn)員　胡最

摘要：環(huán)境教育資源異地、異構(gòu)特征是實(shí)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(wù)網(wǎng)格的共享模式是當(dāng)前技術(shù)環(huán)境下實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)集成方案以及索引、緩存策略進(jìn)行深入研究，并構(gòu)建了環(huán)境教育資源網(wǎng)格服務(wù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度，能夠滿(mǎn)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(wù)性能。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格；資源共享；環(huán)境教育；地理信息服務(wù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）01-0094-05

1 概述

教育資源共享是促進(jìn)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(xué)生提供更便捷、高效、準(zhǔn)確的教育資源[1]。國(guó)家教育部通過(guò)各級(jí)精品課程的建設(shè)，初步形成了教育資源共享體系，并期望通過(guò)精品課程資源共享項(xiàng)目的執(zhí)行，構(gòu)建國(guó)家級(jí)和省級(jí)的教育資源共享平臺(tái)，這表明政府管理者已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)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(dāng)前環(huán)境問(wèn)題嚴(yán)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(xué)素材復(fù)雜多樣，采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法很難讓受教育對(duì)象產(chǎn)生共鳴。為了提高環(huán)境教育質(zhì)量，國(guó)外采取了學(xué)校教育和戶(hù)外實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的模式，國(guó)內(nèi)主要采用建立環(huán)境教育基地的形式開(kāi)展環(huán)境教育[3，4]。無(wú)論采用國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，還是通過(guò)環(huán)境教育基地的帶動(dòng)，都不能實(shí)現(xiàn)全民的環(huán)境教育。網(wǎng)絡(luò)是傳播知識(shí)的新平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源共享，能夠解決環(huán)境教育過(guò)程中缺乏素材的問(wèn)題，縮小城市和鄉(xiāng)村環(huán)境教育發(fā)展差距，從而實(shí)現(xiàn)全民的環(huán)境教育提升。

網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致資源難以快速、準(zhǔn)確的檢索和下載的主要原因，因此需要應(yīng)用新型網(wǎng)絡(luò)共享技術(shù)，構(gòu)建資源整合平臺(tái)，形成環(huán)境教育資源虛擬管理和服務(wù)系統(tǒng)。網(wǎng)格是整合和管理網(wǎng)絡(luò)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(dāng)前信息技術(shù)研究的熱點(diǎn)[5，6]。地理信息服務(wù)網(wǎng)格是網(wǎng)格技術(shù)支持下的地理信息服務(wù)新模式[7-10]，是由異地多源的地理信息資源、存儲(chǔ)設(shè)備和相關(guān)軟件組成的虛擬整體，能夠?yàn)橛脩?hù)提供更快速、更準(zhǔn)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(wèn)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(wù)網(wǎng)格的環(huán)境教育資源共享模式具有重要的技術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

2 地理信息服務(wù)網(wǎng)格框架下的環(huán)境教育資源存儲(chǔ)體系

環(huán)境教育資源具有地域性，與地理信息密切相關(guān)，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(dāng)前地理信息服務(wù)數(shù)據(jù)多采用直接附屬存儲(chǔ)方式，存在存取效率低、擴(kuò)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(dòng)畫(huà)等多媒體數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)時(shí)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(shí)現(xiàn)環(huán)境教育資源數(shù)據(jù)集成。對(duì)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(shí)現(xiàn)集成。對(duì)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(lèi)型，如shape、Mif、coverage等格式，主要采用中間件處理方式，在設(shè)計(jì)中間件時(shí)重點(diǎn)考慮了屬性數(shù)據(jù)完整性，采用非拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成。

2.2 基于OGSA-DAI的數(shù)據(jù)訪問(wèn)

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

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

jdbc：oraclehin：@localhost：1014：LIKEDB

其中，relationmetadata標(biāo)簽描述相關(guān)數(shù)字資源的元數(shù)據(jù)，用以向用戶(hù)反饋數(shù)據(jù)語(yǔ)義、格式和元數(shù)據(jù)；dataResource標(biāo)簽描述數(shù)據(jù)源信息，如磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、服務(wù)器端口號(hào)、數(shù)據(jù)庫(kù)名稱(chēng)等。

最后，編輯/server-config.wsdd文件，在服務(wù)組注冊(cè)器中加入網(wǎng)格服務(wù)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(mǎn)足環(huán)境教育數(shù)據(jù)異構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)幾何數(shù)據(jù)的有效索引，該文采用一種自適應(yīng)雙層網(wǎng)格索引方法，該方法通過(guò)建立兩級(jí)網(wǎng)格索引，對(duì)地理數(shù)據(jù)的圖幅進(jìn)行縮影，能夠保證在幾何要素分級(jí)顯示時(shí)快速定位，加快了資源檢索效率。索引過(guò)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(shù)索引，規(guī)則的采用網(wǎng)格索引；然后，對(duì)索引進(jìn)行編碼；最后，實(shí)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(wù)器緩存和客戶(hù)端緩存，主要應(yīng)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(hù)端是否存在數(shù)據(jù)，如果存在，則直接不從數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)，選擇了臨時(shí)緩存和常用緩存相結(jié)合的策略，臨時(shí)緩存采用先進(jìn)先出策略，常用緩存來(lái)源于臨時(shí)緩存，臨時(shí)緩存升級(jí)為常用緩存的條件是臨時(shí)緩存的使用頻率，當(dāng)常用緩存裝滿(mǎn)時(shí)，計(jì)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(shí)緩存。

3 環(huán)境教育資源網(wǎng)格服務(wù)的構(gòu)建

Web Service技術(shù)為網(wǎng)格環(huán)境下的信息服務(wù)提供了有效途徑，OGSA（Open Grid Service Architecture）提供了構(gòu)建網(wǎng)格服務(wù)的框架模型，它采用Web服務(wù)框架，支持許多開(kāi)發(fā)工具和擴(kuò)展服務(wù)，并且通過(guò)注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)支持服務(wù)的動(dòng)態(tài)組合。OGSA定義了兩種實(shí)現(xiàn)方式：OGSI（Open Grid Service Infrastructure，開(kāi)放網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)施）和WSRF（Web Service Resource Framework，服務(wù)器資源框架），相比OGSI，WSRF保證了接口和操作對(duì)數(shù)據(jù)的通用性，對(duì)資源和服務(wù)進(jìn)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(wù)。

3.1 技術(shù)路線(xiàn)

基于WSRF構(gòu)建環(huán)境教育資源網(wǎng)格服務(wù)的技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)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(kù)引擎等封裝成為COM+組件，并進(jìn)行注冊(cè)。

2） 將封裝了的COM+組件包裝成為標(biāo)準(zhǔn)的Web Service，以便于服務(wù)的發(fā)布。

3） 使用WSRF.NET工具對(duì)Web Service服務(wù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.2 網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)是為客戶(hù)端提供數(shù)據(jù)服務(wù)，用戶(hù)通過(guò)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(wèn)題，首先需定義數(shù)據(jù)互操作接口，并使用XML技術(shù)對(duì)接口和數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，因此，網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)構(gòu)建主要任務(wù)是接口和參數(shù)的XML實(shí)現(xiàn)，對(duì)于地理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采用GML實(shí)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(chǔ)時(shí)不采用GML格式，在Web環(huán)境下需要將地理數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行GML轉(zhuǎn)換。為了與開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟（OGC）定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型相一致，在服務(wù)組件中構(gòu)建地理數(shù)據(jù)類(lèi)，用以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器中的地理數(shù)據(jù)的GML解析，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了GML格式數(shù)據(jù)向服務(wù)器內(nèi)部格式的轉(zhuǎn)換。

3.3 網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的實(shí)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(luò)服務(wù)構(gòu)建時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)規(guī)范是OGC有關(guān)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的重要內(nèi)容，其目的是通過(guò)定義網(wǎng)絡(luò)地圖互操作規(guī)范，將來(lái)自于本地或網(wǎng)絡(luò)的地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以圖像形式可視化。

網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)定義了三個(gè)操作：GetCapabilities、GetMap和GetFeatureInfo。其中，GetCapabilities操作用于獲取服務(wù)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(gè)部分，Service部分確定在某一個(gè)具體服務(wù)器中調(diào)用服務(wù)的類(lèi)型，定義為：

WMS

環(huán)境教育地圖資源共享

1000

500

Capability指定服務(wù)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(wù)性能測(cè)試與分析

4.1 測(cè)試環(huán)境

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器6臺(tái)，其中3臺(tái)用于存儲(chǔ)地圖資源，3臺(tái)用于存儲(chǔ)其他格式教育資源，元數(shù)據(jù)服務(wù)器1臺(tái)，負(fù)載平衡服務(wù)器1臺(tái)，交換機(jī)1臺(tái)，服務(wù)器CPU為Intel Core2 Duo 2160，2G內(nèi)存，千兆網(wǎng)卡，服務(wù)器操作系統(tǒng)采用Linux；客戶(hù)端為4臺(tái)安裝Windows XP操作系統(tǒng)的PC。

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

使用了地圖數(shù)據(jù)和其他教學(xué)資源數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)類(lèi)型見(jiàn)表1。

[數(shù)據(jù)類(lèi)型＼&文件數(shù)/個(gè)＼&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(wàn)地名數(shù)據(jù)＼&40＼&0.03＼&1：25萬(wàn)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(jì)＼&11861＼&126.63＼&]

4.3服務(wù)性能測(cè)試

4.3.1 響應(yīng)速度測(cè)試

依托于帶寬為10m的校園網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，進(jìn)行了4臺(tái)終端的并發(fā)測(cè)試，每個(gè)終端同時(shí)生成16個(gè)線(xiàn)程向服務(wù)機(jī)群請(qǐng)求數(shù)據(jù)，記錄每次相應(yīng)時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 服務(wù)響應(yīng)效率

[操作次數(shù)＼&響應(yīng)時(shí)間/ms＼&總耗時(shí)/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(jī)群對(duì)請(qǐng)求響應(yīng)較快，最慢的響應(yīng)為1.33s，可以預(yù)計(jì)在當(dāng)前服務(wù)器配置環(huán)境下，機(jī)群能夠支持64個(gè)以上用戶(hù)的并發(fā)訪問(wèn)。第7、8次操作的響應(yīng)時(shí)間為10，這是由于機(jī)群和客戶(hù)端緩存作用，說(shuō)明緩存技術(shù)能夠大幅地提高服務(wù)器響應(yīng)效率。其中第4次響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)，總耗時(shí)接近3s，其原因?yàn)榈?次操作涉及到對(duì)異構(gòu)地圖資源的查詢(xún)操作，需要耗費(fèi)較多的服務(wù)器機(jī)時(shí)，也說(shuō)明，系統(tǒng)服務(wù)性能主要取決于地圖服務(wù)的性能。

4.3.2 地圖服務(wù)響應(yīng)測(cè)試

地圖服務(wù)返回的圖像格式為PNG格式，圖像大小400×300像素。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 地圖服務(wù)響應(yīng)時(shí)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(wù)響應(yīng)較快，皆低于3s的用戶(hù)最大忍受時(shí)間，平均響應(yīng)時(shí)間為1.672s，這說(shuō)明本文提出的地圖服務(wù)構(gòu)建方案技術(shù)可行，能夠解決網(wǎng)格環(huán)境下跨平臺(tái)異構(gòu)地理數(shù)據(jù)的互操作和Web Service服務(wù)無(wú)狀態(tài)的問(wèn)題。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要根據(jù)用戶(hù)的請(qǐng)求鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)，導(dǎo)致了系統(tǒng)對(duì)首次服務(wù)響應(yīng)的時(shí)間較長(zhǎng)，但也沒(méi)有超過(guò)3s，是可以接受的。

5 結(jié)論

在國(guó)家大力推進(jìn)教育公平的背景下，應(yīng)用新型信息技術(shù)實(shí)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(shí)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(yīng)用環(huán)境，將網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境教育資源共享本身也是對(duì)網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用的深化。該文對(duì)環(huán)境教育資源網(wǎng)格系統(tǒng)的構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行了初步嘗試，并對(duì)網(wǎng)格系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了測(cè)試和分析，結(jié)果表明，構(gòu)建資源網(wǎng)格服務(wù)系統(tǒng)具有較快速響應(yīng)速度，響應(yīng)時(shí)間皆低于3s，且利用緩存技術(shù)能夠有效提升系統(tǒng)服務(wù)性能。

系統(tǒng)更快速響應(yīng)，用戶(hù)才能獲得更好的服務(wù)體驗(yàn)。因此，要構(gòu)建支持更快速響應(yīng)的網(wǎng)格平臺(tái)，除了在提升硬件設(shè)備性能外，還需要在網(wǎng)格服務(wù)調(diào)度、地圖服務(wù)模式和P2P技術(shù)的應(yīng)用等方面，進(jìn)行深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李顯軍.論教育資源共享[J].成都教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，16（8）：24-29.

[2] 申秀英，劉沛林.加強(qiáng)農(nóng)村環(huán)境教育的必要性與途徑[J].教育評(píng)論，2009（4）：45-48.

[3] 汪大燕，羅晉華.教育資源共享文獻(xiàn)綜述[J].2009（2）：89-90.

[4] 張虹波，李玉順.教育資源共享環(huán)境及共享機(jī)制建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀研究[J]. 中國(guó)電化教育，2009 （11）： 68-73.

[5] 陳廣學(xué)，張東，張德，等.網(wǎng)格技術(shù)與空間信息共享和服務(wù)[J].測(cè)繪科學(xué)，2005，30（l）：42-44.

[6] 都志輝，陳渝，劉鵬. 網(wǎng)格計(jì)算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[7] 駱劍承，周成虎等，基于中間件技術(shù)的網(wǎng)格GlS體系結(jié)構(gòu)閉，地球信息科學(xué)，2002（3）.

[8] 沈占鋒，駱劍承，蔡少華，等.網(wǎng)格Gls的應(yīng)用架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)閉，地球信息科學(xué)2003，15（4）

[9] Ai JunChen，LiPing Di，Ya Xingwei.GRID computing enabled geospatial catalogue web service[C]. ASPRS 2005 Annual Conference，2005：3-5.

[10] 陳靜，向隆剛，龔健雅.基于虛擬地球的網(wǎng)絡(luò)地理信息集成共享服務(wù)方法[J].中國(guó)科學(xué)：地球科學(xué)，2013，43（11）：1770-1780.

[11] 劉勇，李成名.面向業(yè)務(wù)用戶(hù)的地理信息服務(wù)語(yǔ)義集成方法研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2011，36（1）：92-95.

[12] 胡海燕.環(huán)境教育基地建設(shè)運(yùn)行的實(shí)踐與探索——上海浦東新區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站環(huán)境教育基地案例分析[J].環(huán)境教育，2011：49-50.