在空间信息科学领域中，空间数据信息被喻为是地理信息系统(GIS)的“血液”，GIS承担着海量空间数据信息的组织与管理的重要任务。计算机网络技术和分布式计算技术的迅猛发展为地理信息系统向大众化、分布式、网络化的空间信息服务的演变提供了技术基础。空间信息的多样性、动态性、异构性、海量性、分布性等都对传统环境下空间信息服务提出了新的挑战，同时也为GIS的理论与技术的发展向更高目标的迈进创造了机遇。　　 网格的出现和发展为空间信息资源的有效利用和共享提供了一个可靠的环境，网格是在网络之上运行的以实现资源共享和协作为目标的软件基础设施，它提供了一种集成的资源和服务的环境。这里网格集成的东西包括计算能力、数据信息和知识、软件、人等各种相关的资源和服务。现阶段空间信息资源的整体利用率较低，长期积累下来的各种信息资源形成无法共享的“信息孤岛”，在进行决策管理时难以通过数据获得分析处理的结果和信息，网格计算为解决空间信息服务领域存在的一些难点问题带来了希望。高性能并行计算是提高空间信息服务效率的有效方法，而网格是提供高性能并行计算的有力武器。通过共享资源、协作以及并行计算，网格技术可以集成计算能力，提供有效集群和负载平衡，支持多用户空间操作的协同，可以解决空间信息服务中的诸如计算能力不足、缺乏协作等问题。　　 随着网格计算的发展，网格环境下的GIS逐渐成为GIS领域的一个重要的研究方向和热点。网格GIS利用网格计算优势，可实现空间数据和GIS服务的分布式高度共享，GIS信息与GIS功能的协同工作。各个网格节点通过中间件发布自己的信息资源，并同时利用其他网格节点上的资源，使得用户可以不必关心数据的格式以及数据的存放位置等问题，快速高效的处理GIS计算和分析等业务。国内外网格环境下的GIS领域研究，主要集中在网格GIS体系结构、地理信息标准、GIS互操作语义、网格地图服务框架、网格GIS中间件技术等方面。对网格环境下的海量空间数据存储与优化管理、跨图幅的组织与处理、多源空间数据的装载与整合、网格环境下的空间数据协同工作、网格环境下的索引技术等GIS本身技术的研究反而力度不够，但这些恰恰是网格GIS得以实现的关键技术问题。当网格GIS的体系架构、协议标准、服务系统等研究日渐成熟，网格GIS的实现还要依赖于GIS关键技术的研究。其中网格空间数据管理和快速访问作为基础核心技术之一，其实现的关键取决于高效的网格空间数据索引机制与空间运算策略。空间索引机制与空间运算策略作为网格GIS和海量空间数据库的一项关键技术，其性能的优劣直接影响到空间数据库和地理信息系统的整体性能。成熟高效的空间信息索引技术和空间运算策略，能有效的管理异构、分布的海量空间数据，保证系统并行性能和较高的资源利用率。因此，对网格环境下的空间信息索引机制与空间运算策略的研究是一项具有重要意义的探索性工作。　　 本文是在国家“十一五”高新技术研究发展计划(863计划)重点项目“网格地理信息系统软件及其重大应用”(项目编号：2007AA120503)、“十一五”国家863地球观测与导航技术领域专题：“面向矢量数据的分布式空间分析运算模型研究与软件开发”(项目编号：2006AA122218)和国家自然科学基金项目：“网格环境下空间信息索引机制与搜索策略研究”(项目编号：40771165)资助下，结合信息领域高性能计算网格环境，研究分布式海量矢量空间数据高效检索与分析运算等一批核心和关键技术。　　 本论文的研究目标是建立网格环境下的空间信息搜索与空间运算体系，在对已有的空间信息索引数据模型研究的基础上，设计网格环境下的索引框架。空间信息运算策略需要根据请求建立搜索任务，考虑对象分布、映射和负载均衡，引入空间信息并行化搜索处理技术，将搜索分解成为网格中多个节点的并行搜索。在空间信息索引框架的基础上的，结合空间信息索引管理策略，考虑到索引更新开销和空间利用率，研究大规模索引的管理机制，以使空间数据索引机制具有良好的可用性、扩展性和负载均衡性。通过并行计算来解决大型的空间运算问题，研究并提出空间相关的空间运算任务分解策略，以“数据索引+并行计算+计算机网络”的模式为实现分布式并行空间运算提供保障。　　 全文沿着传统GIS理论与技术的研发路线，从网格计算环境、网格空间信息服务、网格计算环境下的空间索引机制、网格环境下的空间运算策略以及网格环境下的分布式空间信息查询语言多个层面深入分析和论述了网格GIS中的基础理论和关键技术问题。　　 本文首先系统地分析和总结了GIS技术发展的概况以及趋势，概述了本文的研究背景和研究目的，分析了网格GIS得以实现的关键技术，结合国内外网格环境下空间信息索引和空间运算策略的研究现状，给出了本论文研究的技术路线和组织结构。接着介绍了基于空间信息服务的矢量数据的高效查询与运算的体系结构，讨论了网络环境下的空间信息服务的几种模式，提出基于空间信息的高效查询与运算架构，并详细讨论了各层包含的内容并分析了其中的关键问题。　　 在对已有的空间信息索引数据模型研究的基础上，分析了现有的分布式空间索引在网格计算环境下应用时存在的缺点和不足：　　 (>)大部分分布式空间索引没有考虑靠近索引根服务器节点的负载问题，而该问题是设计分布式索引树时的关键。　　 (>)靠近根节点的非叶节点被数据库事务访问的概率越大，其成为热点的可能性越大；　　 (>)树的叶节点进行分裂或是合并时，通常会影响该节点邻近的节点，最坏的情况下，整棵索引树都需要做相应调整；　　 因此为了解决以上问题，本文提出一种适合网格计算环境的新型索引树结构框架GDR-H，结合索引管理方案，利用空间信息并行搜索策略模型，建立了网格环境下的空间信息搜索体系。GDR-H框架继承于经典的R树索引，每个服务器上的矢量数据由R树索引进行组织。GDR-H解决了大部分分布式空间索引没有考虑靠近索引根服务器节点的负载问题：即越靠近根的服务器节点其接收到的查询消息越多，负载越大，靠近根节点的非叶节点被数据库事务访问的概率越大，其成为热点的可能性越大。在最坏的情况，所有的查询消息都要先经过根节点所在的服务器节点，这在实际应用过程中是不可以接受的。GDR-H的设计利用分布于服务器节点的平衡二叉树对网格环境下的海量矢量数据进行组织，存取GDR-H的应用程序维护该分布式索引树的一个镜像，在插入空间实体的操作过程中，应用程序通过镜像评估找到最适合插入该空间实体的服务器节点，而不是每次都从根节点去插入空间实体。　　 在GDR-H框架中，我们建立了GDR-H中服务器节点的分配策略。服务器节点的分配策略允许我们对无共享的框架中的节点进行定位，这意味GDR-H索引框架关注了计算和存储的负载均衡，且避免了利用“超级节点”或分级拓扑网络等集中式的全局目录。网络中暂时没有新的服务器节点加入时，该策略允许将填充满的服务器节点的部分空间实体数据转移到其他负载小的服务器节点中。　　 在空间相关的“分发-回收”模式的研究中，本文研究了空间运算任务分解策略和空间数据分配方法。建立了空间运算任务分解策略、共享数据复制策略、基于负载的数据划分策略、Master-Worker模式的动态负载调度策略，研究了空间信息服务的聚合管理机制和协同处理机制，讨论了网格空间信息服务注册模型，组成了网格计算环境下的空间运算体系。　　 在国家863项目的支持下，基于网格计算平台，构建了一个分布式空间信息高效查询与分析运算系统——网格环境下的矢量空间数据分析运算系统GVSAS，介绍了GVSAS的全局任务调度器、资源同步管理器、目录服务同步管理、元服务管理、GVSAS的功能库，最后以实际应用空间数据对GVSAS的性能进行了测试，并以国土资源信息集成平台建设为例介绍了GVSAS的应用。该平台把分散在各地的计算机资源用高速网络连接起来，用专门设计的中间件把计算、数据、软件等资源有机地粘合在一起，以Web界面形式接受各地用户提出的计算和服务请求，并将之分配到合适的结点上运行。国土资源信息集成平台的开发应用了当今IT前沿技术，采用新一代地质领域数据模型建模技术和国际、国家行业等标准协议，通过国土资源科学数据及其服务的统一描述、发现和整合，实现国土资源信息化建设成果无缝集成与转化，形成对国土资源多级、多源、异构、海量空间数据进行统一服务的信息平台，并与国土资源信息集成与共享平台整合接入，为国家、企业和个人提供个性化的服务。各个国土资源信息结点通过中间件发布自己的信息资源，并同时利用其他结点上的资源，使得用户可以不必关心数据的格式以及数据的存放位置等问题，快速高效的处理GIS计算和分析等业务，它是一个在广域范围内的空间信息无逢集成和协同处理系统。　　 在文章的最后是对系统的进一步完善和后续的研究工作展望，全文采用的理论研究方法和关键技术的实现方案有利于形成一套较为完整的研究体系，以指导针对网格GIS及其关键技术的研究与实践工作。