面向服務的空間數據共享技術研究

信息工程大學測繪學院 王連備 賁 進

北京望神州科技有限公司 吳 英

徠卡測量新技術應用專欄

面向服務的空間數據共享技術研究

信息工程大學測繪學院 王連備 賁 進

北京望神州科技有限公司 吳 英

一、面向服務與空間數據共享

1.面向服務的體系架構

面向服務的體系結構 (service-oriented architecture,SOA)是為解決網絡應用環境下分布式異構系統集成并進而實現資源共享問題而逐步發展起來的一種系統架構設計思想。它將傳統應用的不同功能單元封裝為符合Web Services技術體系的Web服務,服務之間通過明確定義的接口互相關聯。接口采用中立的方式進行定義,獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言。這使得系統中的服務可以以一種統一和通用的方式進行交互。

面向服務的體系架構包含三種角色：服務使用者(service consumer)、服務提供者(service provider)和服務注冊中心(service registry)。其中服務使用者是使用服務的客戶端,可能是客戶應用程序或另一個服務。它通過服務注冊中心查詢所需的服務,通過接口來綁定并請求服務;服務提供者是一個實現了某種功能服務實體,它接受和執行來自使用者的請求;服務注冊中心實現了服務的注冊,是服務發現的前提和基礎。

與傳統系統架構思想相比,面向服務的系統架構思想最大的特點是其用動態發現、動態綁定和執行的松耦合模式代替了傳統軟件組件之間的緊耦合方式,從而容易實現異構系統的集成和資源的共享。

2.OGC OW S

面向服務的系統架構思想引起了地理信息領域相關組織和機構的廣泛關注,基于面向服務的架構思想和Web Services技術實現空間數據的共享已成為一個重要的研究領域。

ISO/TC211明確提出了地理信息服務的概念并發布了《Geographic Infor mation-Services》(ISO 19119：2005)標準,對地理信息服務進行了詳細的定義和闡述。而開放地理信息聯盟 (Open Geospatial Consortium,OGC)則進一步結合Web Seriveces技術開展了空間數據資源集成和互操作問題的專門研究,提出了OWS(OGCWeb Services)框架。該框架是一個基于開放標準的在線信息服務框架,能夠無縫集成各種在線空間信息服務,使得各種分布式空間處理系統能夠通過X ML和HTTP技術進行交互,并為各種在線空間數據資源提供基于Web的發現、整合和互操作機制。

此外,OGC還定義了一系列支持空間數據共享的服務規范,包括網絡目錄服務 (catalogue service for theWeb,CS W)規范、Web要素服務 (Web feature service,WFS)規范、Web柵格服務 (Web coverage service,WCS)規范和Web地圖服務 (Web map service,WMS)規范等。OGC系列服務規范定義了在Web上共享數據和服務的標準接口。基于接口標準,WMS、WCS等空間數據服務可以作為任何一個支持該標準的客戶應用系統的數據源,換而言之,任何客戶應用都可以基于接口標準實現與空間數據服務的集成和互操作,從而屏蔽了對異構數據源訪問的復雜性,實現分布式異構空間數據的共享。

總的說來,面向服務的思想及Web Services技術的發展在空間地理信息領域產生了極大的影響,促使空間信息的應用模式從封閉的地理信息系統走向了標準、開放的地理信息服務。

二、面向服務的空間數據共享模式研究

空間數據共享技術的發展同樣也引起了產業界的關注和響應,OGC所定義的系列地理信息服務規范已經得到了許多地理信息軟件廠商的支持。ERDAS已在其推出的 APOLLO系列軟件中實現了OGC CS W、WMS和WCS等。

1.ERDAS APPLLO Essentials-SD I簡介

ERDASAPOLLO是集地理空間數據的處理、管理、發布和共享等各項功能為一體的系統級解決方案。其中 ERDAS APOLLO Essentials-SD I軟件提供了可管理和分發空間數據的基礎設施。在支持空間數據共享方面,該軟件具有如下特點。

(1)采用標準和開放的系統架構

ERDAS APOLLO Essentials-SD I完全兼容 OGC和 ISO等空間地理信息領域的相關標準,是一個支持服務互操作的平臺,允許數據所有者在其組織內部或與第三方以Web服務的方式實現數據共享。

(2)支持數據集成和互操作

能將空間數據發布為OWS,如WMS、WCS、WFS等。結合成熟的 G ML和 ISO 19115/19139元數據標準,使得 ERDASAPOLLO Essentials-SD I能夠和任何支持這些標準的客戶應用程序集成并實現互操作。

(3)支持對數據和服務的編目管理

SD I提供空間數據集及空間數據服務的注冊和編目管理,任何遵循OGC/ISO空間元數據標準的空間數據集和兼容OGC數據服務規范的服務都可以注冊到 ERDASAPOLLO Catalog服務中進行編目管理,任何兼容OGC CS W協議的客戶端都可以基于該服務進行數據和服務檢索。

2.基于 ERDAS APOLLO的空間數據共享

平臺設計

本文基于面向服務的思想,將數據共享過程中數據發現、數據獲取等行為抽象為服務,以 ERDAS APOLLO Essentials-SD I系列軟件為基礎,設計了空間數據共享平臺。該平臺采用面向服務的體系架構,分為應用層、空間數據服務層和數據資源層,如圖1所示。

圖 1 面向服務的空間數據共享平臺架構

數據資源層：由各種空間數據及其管理系統構成,在共享平臺中是原始數據源。

空間數據服務層：包括空間元數據服務和空間數據服務兩部分,在共享平臺中是數據使用者查詢和獲取數據的接口,是數據提供者提供數據的代理。

空間元數據服務層：包括數據集和數據服務的元數據注冊服務,以及數據集查詢服務。注冊服務由數據提供者使用,用于注冊和更新有關數據內容和數據服務的元數據;查詢服務由客戶應用程序調用,用于搜索滿足要求的數據及數據服務。

空間數據服務是數據所有者在線提供數據的具體形式,是數據使用者獲取數據的接口,由使用數據的客戶應用程序調用以獲取所需的數據。

為使共享平臺具有開放性和兼容性,空間數據服務層中的服務均遵循空間地理信息領域的相關標準。其中空間元數據服務基于APOLLO Essential-SD ICatalog軟件實現,該功能基于 OGC CS W規范實現且支持 ISO 19115/19139元數據標準。空間數據服務基于APOLLO Essentials-SD I,遵循OGC規范的WMS、WCS、WFS等服務標準。

應用層：由各種使用空間數據的行業應用程序構成,在共享平臺中是數據服務的使用者。

3.基于面向服務架構的空間數據共享模式

在上述共享架構下,空間數據共享的實現模式如圖2所示。

1)數據服務提供者向元數據服務 (APOLLO Catalog服務)注冊數據集元數據和數據服務元數據;

2)客戶應用程序向元數據服務發出數據查詢請求;

3)元數據服務 (APOLLO Catalog服務)搜索后向客戶應用程序返回滿足條件的數據服務 (WCS/ WMS/WFS服務)元數據;

4)客戶應用程序綁定數據服務并向數據服務發出數據請求;

5)數據服務從數據存儲系統中提取數據,按照OGC相應數據服務規范的要求對數據進行封裝后返回給客戶應用程序;

6)客戶應用程序解析服務響應消息,獲取所需的數據。

圖 2 基于面向服務架構的空間數據共享模式

三、試 驗

為驗證本文所提出的面向服務的空間數據共享模式的可行性,本文依據上述設計,依托 ERDAS APOLLO Essentials-SD I軟件實現了 CS W、WMS和WCS,同時基于OGC規范和 Geotools工具包設計和開發了客戶端軟件,以此為基礎構建了面向服務的空間數據共享實驗平臺,并基于該平臺進行了空間數據共享試驗,試驗環境如圖 3所示。

圖3 試驗環境

試驗所采用的數據為某地區 1∶20萬的矢量數據及 10m分辨率的 SPOT影像數據,上述兩類數據基于區域范圍劃分為了多個數據集。矢量數據集發布為WMS,影像數據集發布為WCS。依據OGC CS W規范核心元信息模型及 ISO 19115/19139元數據標準定義了數據集元數據和數據服務元數據并注冊到了試驗平臺的目錄服務中。

試驗中,客戶端將查詢參數封裝為符合OGC目錄服務接口規范的 SOAP消息,通過 HTTP協議發送給元數據服務 (Catalog Server);元數據服務查詢后將滿足條件的數據服務接口元數據封裝為 SOAP響應消息返回給客戶端。當需要矢量數據時,客戶端按照WMS接口操作的要求構造數據請求消息,通過 HTTP協議發送給WMS Server;需要影像數據時,客戶端按照WCS接口操作的要求構造數據請求消息,通過 HTTP協議發送給WCS Server;客戶端解析服務響應消息并獲取數據,其界面如圖 4所示。

圖 4 空間數據共享試驗客戶端界面截圖

四、結論及進一步的研究方向

試驗結果表明,依托Web Services技術跨平臺的特征及空間信息領域的相關標準,本文所提出的面向服務的空間數據共享模式能夠集成分布式、異構的空間數據資源,改善數據發現的效率,實現空間數據資源的有效共享。

試驗中發現,OGC WCS、WMS等數據服務協議基于XML和HTTP協議來傳輸空間數據,在傳輸遙感影像等大數據量數據集時的效率較低,進一步的研究將圍繞這一問題而展開。

(本專欄由徠卡測量系統和本刊編輯部共同主辦)