基于WSRF的海洋遙感數據集成與共享機制設計與實現

宋平艦，崔賓閣，劉榮杰，王瑞富，張杰

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.山東科技大學，山東 青島 266510）

遙感技術是海洋探測的重要技術手段，應用領域十分廣泛，涉及海洋研究及應用的方方面面（李常亮，2009），在海洋研究、保護、開發和管理工作中已經得到了大量的應用。如利用衛星進行海域使用、海島開發利用和岸線變遷監測。過去，光學衛星海洋應用多采用美國陸地衛星Landsat-5/7 TM 資料（陳凌云等，2005；楊琦 等，2003；何宇華 等，1998；惲才興 等，1991；樊斌 等，1999）。近幾年，隨著SPOT-5、IKONOS、Quick-Bird 等高分辨率衛星的相繼發射并投入商業應用，高分辨率遙感逐漸成為海洋環境調查的重要技術手段，可以獲取更高精度的海島位置、岸線、潮間帶、植被、土地利用和濕地等信息（馬毅等，2009），并在“我國近海海洋綜合調查與評價”專項中進行了應用（國家海洋局908 辦公室，2005）。另外，SAR 衛星影像不受云霧遮擋的影響，在對我國多云地區海洋或海岸帶監測工作中也能發揮重要的作用（邵潔波等，1999；宋瑋等，2004）。除這些衛星外，還有大量的海洋衛星，包括海洋水色衛星、海洋地形衛星和海洋動力環境衛星，能夠監測海溫、海浪（李靜凱等，2012） 等海洋環境要素，以及溢油（牟林 等，2011；楊建強 等，2011）、海冰、赤潮等海洋災害，對全面掌握海洋的生態系統狀況，指導人類總體規劃和開發具有很重要的意義。

遙感技術的快速發展，使得目前可用的海洋遙感數據達到幾十種，但是這些遙感數據的文件結構、存儲格式都存在差異（Cao et al，2008），而且數據量巨大，隨著業務化應用的開展，數據還會不斷增長，這給集中式數據存儲管理和數據共享帶來了很大的壓力。此外，有關遙感數據的存儲機構不止一個，這使得數據存儲地點、存儲平臺、管理機制、數據提供形式也都存在差異，而這種現狀往往是很難改變的。使用傳統的模式查找、共享和管理這些海量數據正變得越來越困難。

Web 服務資源框架（Web Services Resource Framework，WSRF），是一組Web Service 規范。其針對傳統的Web Service 技術無狀態的特點，通過對Web Service 規范的擴展，成為一個在Web 環境中能夠處理有狀態資源的規范，以便在提供Web Service 服務的時候可以保留資源信息，并且提供持久數據的方式。WSRF 能夠有效地將無狀態的Web 服務和有狀態的資源進行分離，構建Web 服務和一個或多個狀態資源間的關聯關系（賈雄等，2012），能夠有效解決多源、異構海洋遙感數據的集成與共享問題。

因此，本文探討利用WSRF 網格服務技術構建一個具有可持續擴展能力海洋遙感數據平臺的思路與機制，把各種自治、分布、異構的海洋遙感數據資源整合起來并提供統一的訪問服務，從而使用戶能夠透明地共享、一體化地處理平臺中的多源海量遙感數據。

1 基于WSRF 網格服務的數據集成與共享機制設計

網格服務具有跨平臺、松耦合等優點。基于此，本文利用網格服務技術，將各種異構的、分布的遙感數據源，以及相應的數據處理算法、管理功能分別封裝成網格服務，以網格服務的形式對外提供訪問服務。通過這種方式，解決了不同平臺間數據、算法的集成與共享，并通過標準的網格服務接口提供訪問服務，解決了不同平臺間遙感數據資源共享和互操作。并基于WSRF 對網格服務進行管理，通過管理網格服務來實現遙感數據資源的管理。在此基礎上，建立了一個分布式遙感數據一體化管理、檢索方共享平臺，為用戶查詢提供統一的訪問接口。通過元數據的集成和管理把物理上分散的遙感數據資源整合起來，對外提供不同級別的數據共享服務，用戶通過登陸平臺，透明的訪問各物理節點中存放的遙感數據，而不必考慮數據實際的存儲方案和操作系統平臺等問題。

1.1 系統架構設計

海洋遙感數據集成與共享總體架構可分為數據層、服務層、服務管理層、應用層和表示層，如圖1 所示。

圖1 海洋遙感數據集成與共享總體分層架構圖

（1） 數據層

數據層包括服務及用戶注冊信息數據庫，遙感圖像元數據庫，遙感圖像及頭文件、快視圖。元數據描述了遙感圖像的基本特征信息，也是檢索遙感圖像的重要依據，它們將在隨后服務層的定義中被使用。數據源可以是關系數據庫、文本文件和圖像文件。

（2） 服務層

服務層中包含3 種不同類型的服務：遙感圖像元數據檢索服務、元數據提取和管理服務、遙感圖像歸檔服務。系統通過這些服務實現對分布在各部門異構數據進行集成與訪問。元數據（包括快視圖） 檢索服務，為用戶查詢遙感圖像元數據提供統一的訪問接口。根據用戶選擇的不同查詢條件返回相應的查詢結果集。元數據管理服務實現了遙感圖像元數據的瀏覽、更新、刪除功能，并能夠對遙感圖像元數據庫中的元數據表進行創建、修改和瀏覽。遙感圖像歸檔服務中又包括元數據提取服務、元數據歸檔服務以及遙感圖像歸檔服務。

（3） 服務管理層

服務管理層提供一個智能代理服務，能夠實現對多個網格服務的并發調用（同時查詢多個數據源），根據用戶提出的查詢請求，動態地發現和調用相匹配的服務，并對服務返回的結果進行分析和集成，并以統一的數據格式返回給用戶。代理服務的動態發現和調用特性使得遙感圖像資源的可以動態接入。服務資源管理服務的作用是對服務進行注冊和瀏覽，并對服務信息進行修改和刪除。每個服務的注冊信息包括：服務的名稱、發布人和發布時間、服務的位置和所屬結點、服務描述、服務狀態以及服務所屬類別。服務注冊信息被存儲在服務注冊信息數據庫中。

（4） 應用層

針對不同用戶的應用需求，基于已注冊的服務提供定制的服務組合接口，生成不同的查詢條件來調用網格服務查詢遙感圖像數據，然后將查詢結果返回表示層。如針對某個海島或某個區域的遙感數據檢索應用。

（5） 表示層

表示層允許用戶和管理員兩種角色進入平臺。用戶可以通過應用層調用底層的元數據檢索服務來查看遙感圖像元數據及快視圖，以及下載經授權的遙感圖像文件。

管理員又分為站點管理員和系統管理員兩種。站點管理員負責管理本部門網格服務注冊，服務狀態設置，遙感圖像、快視圖和元數據歸檔，FTP、Web 服務器和元數據庫參數設置。系統管理員則負責整個平臺的維護；包括管理員和用戶注冊信息確認、平臺運行狀態監控、遙感圖像資源瀏覽、網格服務瀏覽等。

1.2 核心服務功能的設計

在海洋遙感數據集成與共享的整個體系中，有4 個核心的服務功能：遙感圖像歸檔管理服務、遙感數據查詢服務、用戶及權限管理服務和服務資源管理服務，如圖2 所示。

圖2 海洋遙感數據集成與共享核心服務圖

（1） 遙感數據歸檔及管理服務

遙感圖像的重要參數信息都是存放在圖像文件的頭部，如衛星、儀器、傳感器、模式、條帶號、行編號、西邊界經度、東邊界經度、北邊界緯度、南邊界緯度、中心日期時間等。因此，在將遙感圖像歸檔之前，首先要從圖像文件的頭部將這些參數信息讀出來。對于不同類型的衛星和傳感器，參數的格式和提取方法也是不一樣的。為了平臺的可擴展性，可將每一種衛星和傳感器的圖像文件參數提取方法封裝成一個網格服務。

所有用戶都可以登錄到網站進行遙感數據的歸檔和管理操作。在遙感數據歸檔時，首先讀取用戶指定的衛星和傳感器信息，然后根據平臺的XML配置文件調用對應的網格服務進行參數的提取工作。當新的遙感圖像資源加入到平臺中時，資源提供者只需要將圖像文件的參數提取算法封裝成網格服務，然后在全局資源目錄中注冊一下就可以使用了。

用戶在進行遙感數據歸檔時，除了提取圖像文件的參數信息，還需要同時提供遙感數據的快視圖。快視圖是由用戶使用特定軟件對圖像文件轉換得到的。用戶在瀏覽遙感圖像時，可以下載他所感興趣的圖像，下載過程跟其他軟件或圖片的下載是完全相同的。

元數據管理則是對已經歸檔的元數據所進行的一些管理和維護操作。

（2） 遙感數據查詢服務

查詢方式可以有很多種，比如說根據經緯度范圍、衛星、數據獲取時間、圖像云量（包括四角云量和平均云量） 等條件進行查詢。而針對不同類型的衛星，還可能有一些附加的查詢條件，比如說對于SPOT 衛星，可以設置側視角范圍和傳感器模式。

（3） 用戶及權限管理服務

系統管理員、站點管理員和普通用戶是3 種不同級別的用戶。系統管理員擁有添加用戶和刪除用戶的權限，并且可以對整個共享平臺進行管理和維護；站點管理員可以獲取特定區域的圖像數據，并且進行數據預處理、數據分幅、存盤歸檔等過程；普通用戶可以查詢并瀏覽某個范圍和時間段內的圖像數據。

（4） 服務資源管理服務

各個站點部署的服務都是通過該模塊進行統一管理和調用的。網格服務注冊可以將一個站點的資源動態加入到共享平臺中；網格服務瀏覽為系統管理員提供所有已注冊服務的詳細信息；系統管理員可以修改和刪除已注冊的服務；服務發現可以根據網格服務名稱查找到相應服務的具體地址，從而為實現服務的動態調用提供支持。

圖3 海洋遙感數據集成與共享核心服務接口關系圖

2 海洋遙感數據集成與共享平臺構建

遙感數據存儲和管理的異構與差異不僅是單位與單位之間，在同一單位的部門之間甚至部門內部都廣泛存在，為此，根據上述設計思路和方案構建一個部門級的海洋遙感數據共享平臺：

2.1 平臺軟件環境

a.操作系統：Windows XP Professional。

b.網格服務平臺：Gloubus。

c.程序語言：系統前臺C#；服務源碼使用Java 編寫。

d.數據庫服務系統：SQL Server 2000。

e.Web 服務器：IIS 5.1，Tomcat 5.0。

2.2 平臺網絡拓撲結構

圖4 是平臺的網絡拓撲結構圖，主要由數據服務器、應用服務器、Web 服務器和客戶端四部分組成。其中數據服務器分布在不同的部門，并對外提供訪問接口。系統應用服務器負責接收Web 服務器發送的指令，對指令進行解析、分解，提交到各部門的數據服務器，并將執行結果反饋給Web服務器。Web 服務器用于部署Web 服務系統，負責提供對外的訪問接口，并將處理結果反饋給客戶端用戶。

圖4 共享平臺網絡拓撲結構

2.3 平臺應用

基于上述思路，本文開發了基于WSRF 的海洋遙感數據集成與共享平臺，通過服務實現多源、異構遙感資源的集成與管理，用戶通過Web 瀏覽器即可訪問不同存儲節點上的遙感數據，如圖5 所示。普通用戶通過遙感數據元數據查詢接口進入平臺，根據衛星、傳感器、影像獲取時間和空間范圍等條件進行查詢，也可在地圖中選擇或在選項框中指定要查詢的區域名稱，地圖可以進行放大、縮小，海洋背景信息也能夠同步顯示，以方便用戶的使用，如圖6 所示；查詢結果即為覆蓋海島范圍的遙感影像集合，如圖7 所示。

圖5 服務的注冊與管理

圖6 查詢界面

圖7 查詢結果

3 結論和討論

本文給出了基于WSRF 的海洋遙感數據集成與共享機制設計方案，并初步構建了一個部門級的遙感數據共享平臺，從實踐上看本方案能夠消除存儲異構所帶來的影響，實現數據的一體化管理和查詢。

進一步工作包括兩個方面：一方面是優化現有平臺的性能，如提高多用戶并發訪問的控制與響應時效，增強安全訪問機制等；另一方面是擴充平臺功能，如增加空間分析功能、增加遙感數據處理服務和專題產品制作服務，使之成為一個綜合性的應用平臺。

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