基于天基信息网络的地面信息港系统架构及服务模式研究

郑作亚，仇林遥，潘一凡，周 彬，柳 罡

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引 言

随着空间信息技术、大数据和物联网等新一代信息技术的快速发展，时空数据日益多元化，不同类型、不同来源、不同规格的数据并存；而且数据应用也呈现出多行业、多层级、多要素等个性化特点[1]。目前具有代表性的空间信息服务平台主要有美国NASA EOS数据中心的EOSDIS、Google Earth Engine和欧空局的G-POD，均可提供空间信息的存储管理、处理分析、整合应用、前沿研发和信息服务等工作，最大可能地实现资源的利用和共享[6-7]。

为推动卫星数据应用向专业化、规模化、业务化的方向发展，我国国家部委力推卫星数据应用平台的建设，组建了多个国家级卫星应用中心，建设了多个信息综合处理与应用系统和网络化综合服务模式，如中国资源卫星应用中心、中科院数字地球中心、环保部卫星环境应用中心、自然资源部国土卫星遥感应用中心、国家卫星海洋应用中心、国家气象卫星中心、国防科工局高分卫星中心、天地图系统、高分专项民用系统等。同时，为挖掘空间信息数据的商业潜力，国内各互联网、保险、金融、航天、电子等企业也正在开拓基于空天大数据分析的新型商业模式，如中国航天科工集团有限公司的航天云网、中国科学院地理空间数据云、中科遥感的遥感集市等。但目前我国空间信息服务的共享服务也面临着一些问题，如数据资源管理分散、数据开放共享力度不够、系统架构不兼容、技术体系不健全、产业应用生态尚未形成、综合服务能力薄弱等[1]。解决这些问题的关键是要搭建一个拥有统一系统架构、完整技术体系、多样化应用的开放性空间信息服务平台[2]。鉴于此，本文基于天基信息网络模式提出地面信息港系统架构设计和服务模式探讨，以期构建一种新型时空信息服务体系，用于实现时空数据和信息的共享分发和多样化、定制化应用，提升时空信息服务能力。

1 地面信息港能力需求

地面信息港是基于天基信息网络进行数据、信息和服务汇聚、分发的枢纽[8]。地面信息港将依托天基信息网络汇聚多源异构时空数据，通过搭建分布式云公共基础设施环境，部署统一服务开放平台，实现“网络+遥感/地理信息/定位导航”的信息融合，集散行业信息应用产品。地面信息港将提供“超市、实验室、工场”等服务模式，着力拓展二三级空间信息服务市场空间，打造新型时空数据服务枢纽[9]。地面信息港主要应具备以下能力：

(1)多源异构时空数据统一存管能力

面向天基、空基、地基异构传感器数据，能够提供统一的存储平台，为上层业务运行提供数据检索管理、推送服务等能力。

(2)异构算法模型集成运行能力

遥感等空间信息数据在各行业的应用已十分广泛，相关系统、算法、模型成果复杂异构，地面信息港可提供统一的标准与接口，具备将异构系统的现有成果进行一体化集成能力，满足各行业空间信息服务所需的计算分析和支持第三方应用程序的二次开发与集成。

(3)面向行业业务的流水线定制能力

空间信息服务产品的生成主要是基于对遥感影像等数据的预处理、通用处理、融合分析、专题标绘、产品生产等流水线加工，但由于不同行业数据的来源不同、处理与分析方法各异、生产的产品形态多样，地面信息港应建立可动态扩展、组合、定制的装配流水线，面向不同行业用户的产品需求提供定制化的数据加工生产流程，满足各行业空间信息服务的需要。

(4)新兴技术的交叉应用与验证能力

地面信息港将新兴技术应用到空间信息服务领域，将云计算、人工智能、区块链、大数据等技术应用到数据存管、处理、分析、分发等环节，解决空间数据共享分发过程中的认证、自主安全和分析服务过程中的自动化、智能化等问题。

2 地面信息港总体架构

2.1 系统架构

依托天基信息网络，构建“物理分布，逻辑统一”的地面信息港，聚合数据、整合资源、按需同步，实现天基分布式信息资源向地面信息港聚合，为政府、行业、企业和公众等各类用户提供一致、可靠、高效的天地协同时空信息服务，最终形成国家辐射状的时空信息服务体系[8,10]。系统架构如图1所示。

图1 地面信息港系统架构设计

地面信息港依托地基节点网、连接天基骨干节点和接入节点接入融合各类感知类卫星及其他分布式时空信息资源，以多中心形式联合提供网络与通信、定位授时与导航增强、遥感与地理信息等服务，形成功能分布、逻辑一体的服务体系。

地面信息港业务应用在统一的应用集成框架下按需调用资源，实现云端服务和本地服务的集成，支撑各类应用系统的构建。地面信息港面向政府、行业、企业、公众等各类用户，基于公共基础设施和服务开放平台，提供业务化、定制化应用服务，保障用户端对时空服务的使用需求，提供多样化的信息服务保障模式和多源时空信息集成增值的能力[11]。

2.2 技术架构

地面信息港按照“突出共用、整合通用、强化应用”的理念，分为“三层三纵”技术架构，即公共基础设施、通用服务开放平台、专用业务应用系统三个层次，以及纵向贯穿三层的标准规范、安全保密体系和运维管理体系[12]。其技术架构如图2所示。

图2 地面信息港技术架构设计

(1)公共基础设施

依托天基信息网络和地面互联网，提供跨域的计算存储集群，实现地面信息港的容灾备份和集中管控，采用软件定义计算、存储、网络等手段，提取所有硬件资源并将其汇集成资源池，形成虚拟的基础设施层，支持安全高效自动地为应用按需分配资源，形成灵活、弹性、高效和可靠IT服务的计算环境，为地面信息港多源时空数据在遥感、测绘、导航、侦查等领域的综合应用提供强大的计算、存储、网络支撑能力。

(2)服务开放平台

(a)时空数据存管

建立数据体系是地面信息港进行时空数据一体化接入、管理、处理、分析和发布的基础，有助于建立统一的数据时空模型，实现多源异构数据的有效集成与融合。时空数据存管平台主要提供数据接入、数据预处理、数据存储以及数据分析等功能，实现对统一资源目录数据、导航与授时数据、基础地理信息数据、对地观测数据、专题库数据等资源的组织和运用。

(b)服务集成管理

服务集成与管理是对各类业务应用中共用性、支撑性组件的标准化封装，旨在实现服务与应用分离，在数据统一存储和管理的基础上，通过服务接口，为上层业务应用提供服务总线、应用支撑服务、模型算法库和集成开发环境及可视化系统，实现统一的、高效的数据和应用服务支撑。服务集成管理平台可提供地理信息、时空基准、遥感等基础服务，图像处理、目标识别等高级服务，并通过业务编排实现气象、灾害、环境、空间规划等专题服务。

(3)业务应用层

通过对多数据源、多时相的时空信息的统一组织、存储、处理和管理，组合服务开放平台层提供的各类模块、算法以及通用服务，按照行业用户应用需求，构建形成业务应用系统，包括灾害评估、自然资源监测、海洋信息管理、综合PNT服务、国防动员应急指挥、智慧旅游等多种类型的应用。

(4)运维管理

融合大规模集群监控领域先进技术，采用模块化软件体系架构、层次化设计路线、插件式基础架构，实现一体化的设备、网络、数据和应用系统管理平台，从运维、运行、运用三个层面实现大数据全方位运维管理。

(5)安全保密

针对大规模网络化地面信息港安全防御需求，构建以大数据云平台为核心，覆盖云基础设施安全、数据安全、应用安全、终端安全多层级的“云+端+边界”全方位的安全防护体系，实现纵深联动防御与天基信息服务体系的融合[13]。

(6)标准规范

参考国标和行业标准，结合地面信息港总体架构设计，开展地面信息港标准体系分析梳理，按照“框架先行、分类实施、迭代完善”的推进思路，研究建立开放的标准体系框架，提出标准梳理、框架研究、标准制修订建议与措施等。地面信息港将构建覆盖基础设施、基础平台、业务应用、开发等方面的统一标准规范体系。

2.3 拓扑架构

地面信息港是整个天基信息网络服务体系的核心，按照分布式的架构在全国重要省市地区进行规划，以辐射状形式面向地区特点提供相关时空信息服务能力[10]。地面信息港间采用一体化的管理方式保证数据的一致性和完整性，节点间主要通过地基节点网或者互联网专线互联互通，按需进行数据变化的增量传递，保持多节点间重要共享数据的一致性。

3 地面信息港服务模式

为实现地面信息港的持续化运营，本文基于技术架构分析设计了三种商业服务模式[14-15]，即超市模式、实验室模式和工场模式。超市模式主要面向数据或服务资源需求用户；实验室模式主要面向高校或科研机构用户；工场模式主要面向政府或企业用户。

3.1 “超市”模式

“超市”模式是地面信息港提供的一种最简单直接的时空信息服务模式。地面信息港将分散式、碎片化、标准不齐、类型各异的时空信息数据资源和行业专业处理算法模块进行整合，形成专题产品处理生产能力。用户群体为提出定制化服务需求的地方政府、行业部门和有关企事业单位，为其提供数据资源服务和专题产品的定制服务。其中按需定制特定区域特定行业的专题产品，可通过“请求—响应”的机制完成单次任务的服务，也可进行“任务规划—定时推送”的机制完成特定时间内的成套专题产品定向推送服务，服务流程示意见图3。

图3 “超市”模式使用视图

针对时空数据的获取，地面信息港系统“超市”模式的实现流程为：

(1)政府/行业/企业/个人用户浏览各自终端的元数据目录，并输入一定的查询条件，检索是否有所需的数据提供者；

(2)根据检索结果，可以选择数据提供者，转接到提供者门户，协助用户注册并提交数据请求；

(3)如果需求，可进一步选择数据配套的产品生产，并设置时间序列、周期、范围、产品内容的约束。

(4)用户完成订单支付后，服务端将向用户一次性或定期推送生产的数据成品，支持相关行业分析应用。

3.2 “实验室”模式

地面信息港提供一套标准化的服务开发接口和服务注册部署流程，高校、科研院所、业务单位用户可将自己的研发模块和数据进行上传，通过测试后可作为应用资源提供给第三方用户，形成线上资源交易平台；各类用户可在线上选择可用的数据与应用资源进行组合，完成特定易用需求的功能实现与产品产出。其使用模式如图4所示。

图4 “实验室”模式使用视图

地面信息港的“实验室”模式向用户分发的服务主要有数据产品服务、软件应用服务和资源封装发布服务。

(1)数据产品服务

地面信息港以数据产品服务的形式向用户提供各类型数据产品，包括各类包装后的影像数据、专题地图数据、矢量地图数据等。

(2)软件应用服务

地面信息港以在线处理服务的形式通过向用户开放使用各类业务模块，免安装通过web浏览器完成业务操作，实现远程在线业务运行和产品生产。

(3)资源封装与发布服务

面向科研院所、高校、行业技术人员开放地面信息港应用服务统一封装接口，提供数据与算法资源的自动封装与发布服务。

3.3 “工场”模式

“工场”模式是地面信息港提供的一种更高层次的应用支撑能力，为行业用户提供软硬一体的解决方案。行业时空信息提供者将各自所能提供的信息在地面信息港系统注册并接入保存，系统根据用户需求和业务要求进行升级改造，提供定向的数据加工能力，将各种不同用户提供的需求，根据特定规则进行加工，生成满足特定任务的时空信息专题产品并发布共享，以及提供功能服务、高性能计算服务等，从而实现服务增值。“工场”模式如图5所示。

图5 “工场”模式使用视图

“工场”模式主要为不同行业的公众用户或政府机构提供定制化的产品生产与最终产品提交的全过程。主要为政府/行业/大众提供面向不同应用的数据产品、软件产品、应用服务产品以及行业解决方案四类产品。工场模式以产品工厂形式进行产品共享、交易以及服务应用，产品涵盖由内部研发人员生产的自营产品和外部服务商(创客)提供的第三方产品。工场模式的服务功能包括产品定制和定制化生产。

(1)产品定制

不同行业/区域/大众用户根据各自的行业应用，向地面信息港提出各自不同的行业产品定制需求。产品定制主要提供如下两种类型的产品定制。

(a)通用产品。如海量遥感初级数据产品，基础地理信息地图产品、PNT数据产品等。

(b)非通用产品。主要为针对用户行业应用，需要以产品工厂再生产制造的数据产品。如针对应急部门的应急救灾专题地图，针对交通部门的道路流量分析等。

(2)定制化生产

在用户制定好产品的定制需求后，地面信息港作为产品工厂进行产品定制化生产。

4 结 语

天基信息网络是国家面向未来的新一代信息基础设施重要组成部分，地面信息港是基于天基信息网络重要的空间信息服务枢纽，也是实现网络信息增值服务的重要平台。地面信息港将按照统一的标准架构，集成多源空间数据和应用软件资源，通过分布式节点分布，为各类用户提供多源空间数据的统一存储与管理、专业处理/融合共享、定制化/综合化的信息应用服务，推进全国一体的辐射状国家时空信息服务体系建设，未来可为军队、国家部委、地方政府、垂直行业等各类用户，国家应急管理、减灾防灾、自然资源监测、公共安全、环境监测、智慧城市等行业的网络信息服务领域提供一致、可靠、高效的天地协同时空信息服务。