基于WSRF的海洋遥感数据集成与共享机制设计与实现

2013-03-20宋平舰崔宾阁刘荣杰王瑞富张杰

海洋通报 2013年2期

宋平舰，崔宾阁，刘荣杰，王瑞富，张杰

（1.国家海洋局第一海洋研究所，山东青岛 266061；2.山东科技大学，山东青岛 266510）

遥感技术是海洋探测的重要技术手段，应用领域十分广泛，涉及海洋研究及应用的方方面面（李常亮，2009），在海洋研究、保护、开发和管理工作中已经得到了大量的应用。如利用卫星进行海域使用、海岛开发利用和岸线变迁监测。过去，光学卫星海洋应用多采用美国陆地卫星Landsat-5/7 TM 资料（陈凌云等，2005；杨琦等，2003；何宇华等，1998；恽才兴等，1991；樊斌等，1999）。近几年，随着SPOT-5、IKONOS、Quick-Bird 等高分辨率卫星的相继发射并投入商业应用，高分辨率遥感逐渐成为海洋环境调查的重要技术手段，可以获取更高精度的海岛位置、岸线、潮间带、植被、土地利用和湿地等信息（马毅等，2009），并在“我国近海海洋综合调查与评价”专项中进行了应用（国家海洋局908 办公室，2005）。另外，SAR 卫星影像不受云雾遮挡的影响，在对我国多云地区海洋或海岸带监测工作中也能发挥重要的作用（邵洁波等，1999；宋玮等，2004）。除这些卫星外，还有大量的海洋卫星，包括海洋水色卫星、海洋地形卫星和海洋动力环境卫星，能够监测海温、海浪（李静凯等，2012）等海洋环境要素，以及溢油（牟林等，2011；杨建强等，2011）、海冰、赤潮等海洋灾害，对全面掌握海洋的生态系统状况，指导人类总体规划和开发具有很重要的意义。

遥感技术的快速发展，使得目前可用的海洋遥感数据达到几十种，但是这些遥感数据的文件结构、存储格式都存在差异（Cao et al，2008），而且数据量巨大，随着业务化应用的开展，数据还会不断增长，这给集中式数据存储管理和数据共享带来了很大的压力。此外，有关遥感数据的存储机构不止一个，这使得数据存储地点、存储平台、管理机制、数据提供形式也都存在差异，而这种现状往往是很难改变的。使用传统的模式查找、共享和管理这些海量数据正变得越来越困难。

Web 服务资源框架（Web Services Resource Framework，WSRF），是一组Web Service 规范。其针对传统的Web Service 技术无状态的特点，通过对Web Service 规范的扩展，成为一个在Web 环境中能够处理有状态资源的规范，以便在提供Web Service 服务的时候可以保留资源信息，并且提供持久数据的方式。WSRF 能够有效地将无状态的Web 服务和有状态的资源进行分离，构建Web 服务和一个或多个状态资源间的关联关系（贾雄等，2012），能够有效解决多源、异构海洋遥感数据的集成与共享问题。

因此，本文探讨利用WSRF 网格服务技术构建一个具有可持续扩展能力海洋遥感数据平台的思路与机制，把各种自治、分布、异构的海洋遥感数据资源整合起来并提供统一的访问服务，从而使用户能够透明地共享、一体化地处理平台中的多源海量遥感数据。

1 基于WSRF 网格服务的数据集成与共享机制设计

网格服务具有跨平台、松耦合等优点。基于此，本文利用网格服务技术，将各种异构的、分布的遥感数据源，以及相应的数据处理算法、管理功能分别封装成网格服务，以网格服务的形式对外提供访问服务。通过这种方式，解决了不同平台间数据、算法的集成与共享，并通过标准的网格服务接口提供访问服务，解决了不同平台间遥感数据资源共享和互操作。并基于WSRF 对网格服务进行管理，通过管理网格服务来实现遥感数据资源的管理。在此基础上，建立了一个分布式遥感数据一体化管理、检索方共享平台，为用户查询提供统一的访问接口。通过元数据的集成和管理把物理上分散的遥感数据资源整合起来，对外提供不同级别的数据共享服务，用户通过登陆平台，透明的访问各物理节点中存放的遥感数据，而不必考虑数据实际的存储方案和操作系统平台等问题。

1.1 系统架构设计

海洋遥感数据集成与共享总体架构可分为数据层、服务层、服务管理层、应用层和表示层，如图1 所示。

图1 海洋遥感数据集成与共享总体分层架构图

（1）数据层

数据层包括服务及用户注册信息数据库，遥感图像元数据库，遥感图像及头文件、快视图。元数据描述了遥感图像的基本特征信息，也是检索遥感图像的重要依据，它们将在随后服务层的定义中被使用。数据源可以是关系数据库、文本文件和图像文件。

（2）服务层

服务层中包含3 种不同类型的服务：遥感图像元数据检索服务、元数据提取和管理服务、遥感图像归档服务。系统通过这些服务实现对分布在各部门异构数据进行集成与访问。元数据（包括快视图）检索服务，为用户查询遥感图像元数据提供统一的访问接口。根据用户选择的不同查询条件返回相应的查询结果集。元数据管理服务实现了遥感图像元数据的浏览、更新、删除功能，并能够对遥感图像元数据库中的元数据表进行创建、修改和浏览。遥感图像归档服务中又包括元数据提取服务、元数据归档服务以及遥感图像归档服务。

（3）服务管理层

服务管理层提供一个智能代理服务，能够实现对多个网格服务的并发调用（同时查询多个数据源），根据用户提出的查询请求，动态地发现和调用相匹配的服务，并对服务返回的结果进行分析和集成，并以统一的数据格式返回给用户。代理服务的动态发现和调用特性使得遥感图像资源的可以动态接入。服务资源管理服务的作用是对服务进行注册和浏览，并对服务信息进行修改和删除。每个服务的注册信息包括：服务的名称、发布人和发布时间、服务的位置和所属结点、服务描述、服务状态以及服务所属类别。服务注册信息被存储在服务注册信息数据库中。

（4）应用层

针对不同用户的应用需求，基于已注册的服务提供定制的服务组合接口，生成不同的查询条件来调用网格服务查询遥感图像数据，然后将查询结果返回表示层。如针对某个海岛或某个区域的遥感数据检索应用。

（5）表示层

表示层允许用户和管理员两种角色进入平台。用户可以通过应用层调用底层的元数据检索服务来查看遥感图像元数据及快视图，以及下载经授权的遥感图像文件。

管理员又分为站点管理员和系统管理员两种。站点管理员负责管理本部门网格服务注册，服务状态设置，遥感图像、快视图和元数据归档，FTP、Web 服务器和元数据库参数设置。系统管理员则负责整个平台的维护；包括管理员和用户注册信息确认、平台运行状态监控、遥感图像资源浏览、网格服务浏览等。

1.2 核心服务功能的设计

在海洋遥感数据集成与共享的整个体系中，有4 个核心的服务功能：遥感图像归档管理服务、遥感数据查询服务、用户及权限管理服务和服务资源管理服务，如图2 所示。

图2 海洋遥感数据集成与共享核心服务图

（1）遥感数据归档及管理服务

遥感图像的重要参数信息都是存放在图像文件的头部，如卫星、仪器、传感器、模式、条带号、行编号、西边界经度、东边界经度、北边界纬度、南边界纬度、中心日期时间等。因此，在将遥感图像归档之前，首先要从图像文件的头部将这些参数信息读出来。对于不同类型的卫星和传感器，参数的格式和提取方法也是不一样的。为了平台的可扩展性，可将每一种卫星和传感器的图像文件参数提取方法封装成一个网格服务。

所有用户都可以登录到网站进行遥感数据的归档和管理操作。在遥感数据归档时，首先读取用户指定的卫星和传感器信息，然后根据平台的XML配置文件调用对应的网格服务进行参数的提取工作。当新的遥感图像资源加入到平台中时，资源提供者只需要将图像文件的参数提取算法封装成网格服务，然后在全局资源目录中注册一下就可以使用了。

用户在进行遥感数据归档时，除了提取图像文件的参数信息，还需要同时提供遥感数据的快视图。快视图是由用户使用特定软件对图像文件转换得到的。用户在浏览遥感图像时，可以下载他所感兴趣的图像，下载过程跟其他软件或图片的下载是完全相同的。

元数据管理则是对已经归档的元数据所进行的一些管理和维护操作。

（2）遥感数据查询服务

查询方式可以有很多种，比如说根据经纬度范围、卫星、数据获取时间、图像云量（包括四角云量和平均云量）等条件进行查询。而针对不同类型的卫星，还可能有一些附加的查询条件，比如说对于SPOT 卫星，可以设置侧视角范围和传感器模式。

（3）用户及权限管理服务

系统管理员、站点管理员和普通用户是3 种不同级别的用户。系统管理员拥有添加用户和删除用户的权限，并且可以对整个共享平台进行管理和维护；站点管理员可以获取特定区域的图像数据，并且进行数据预处理、数据分幅、存盘归档等过程；普通用户可以查询并浏览某个范围和时间段内的图像数据。

（4）服务资源管理服务

各个站点部署的服务都是通过该模块进行统一管理和调用的。网格服务注册可以将一个站点的资源动态加入到共享平台中；网格服务浏览为系统管理员提供所有已注册服务的详细信息；系统管理员可以修改和删除已注册的服务；服务发现可以根据网格服务名称查找到相应服务的具体地址，从而为实现服务的动态调用提供支持。

图3 海洋遥感数据集成与共享核心服务接口关系图

2 海洋遥感数据集成与共享平台构建

遥感数据存储和管理的异构与差异不仅是单位与单位之间，在同一单位的部门之间甚至部门内部都广泛存在，为此，根据上述设计思路和方案构建一个部门级的海洋遥感数据共享平台：

2.1 平台软件环境

a.操作系统：Windows XP Professional。

b.网格服务平台：Gloubus。

c.程序语言：系统前台C#；服务源码使用Java 编写。

d.数据库服务系统：SQL Server 2000。

e.Web 服务器：IIS 5.1，Tomcat 5.0。

2.2 平台网络拓扑结构

图4 是平台的网络拓扑结构图，主要由数据服务器、应用服务器、Web 服务器和客户端四部分组成。其中数据服务器分布在不同的部门，并对外提供访问接口。系统应用服务器负责接收Web 服务器发送的指令，对指令进行解析、分解，提交到各部门的数据服务器，并将执行结果反馈给Web服务器。Web 服务器用于部署Web 服务系统，负责提供对外的访问接口，并将处理结果反馈给客户端用户。

图4 共享平台网络拓扑结构

2.3 平台应用

基于上述思路，本文开发了基于WSRF 的海洋遥感数据集成与共享平台，通过服务实现多源、异构遥感资源的集成与管理，用户通过Web 浏览器即可访问不同存储节点上的遥感数据，如图5 所示。普通用户通过遥感数据元数据查询接口进入平台，根据卫星、传感器、影像获取时间和空间范围等条件进行查询，也可在地图中选择或在选项框中指定要查询的区域名称，地图可以进行放大、缩小，海洋背景信息也能够同步显示，以方便用户的使用，如图6 所示；查询结果即为覆盖海岛范围的遥感影像集合，如图7 所示。

图5 服务的注册与管理

图6 查询界面

图7 查询结果

3 结论和讨论

本文给出了基于WSRF 的海洋遥感数据集成与共享机制设计方案，并初步构建了一个部门级的遥感数据共享平台，从实践上看本方案能够消除存储异构所带来的影响，实现数据的一体化管理和查询。

进一步工作包括两个方面：一方面是优化现有平台的性能，如提高多用户并发访问的控制与响应时效，增强安全访问机制等；另一方面是扩充平台功能，如增加空间分析功能、增加遥感数据处理服务和专题产品制作服务，使之成为一个综合性的应用平台。

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