面向森林生態(tài)學(xué)研究的Web處理服務(wù)系統(tǒng)①

高仕源，羅萬明，羅 澤，白曉航，于景華

1(中國科學(xué)院 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心，北京 100190)

2(中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

3(中國科學(xué)院 沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，沈陽 110016)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是陸地上最大的生物群落，是人類社會(huì)賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是哺育人類的搖籃，是人類不可或缺的戰(zhàn)略資源.全球5個(gè)國家擁有超過50%的森林資源，中國位列其中.由于我國國土面積廣大、人口眾多，森林分布不均勻、人均占有量少，根據(jù)國家林業(yè)局在2014年2月發(fā)布的《中國森林資源簡況——第八次全國森林資源清查》結(jié)果顯示，我國人均森林面積占有量只有世界人均占有量的四分之一，并且面臨著林業(yè)生物災(zāi)害頻發(fā)、森林資源采伐使用不盡合理的局面[1].

當(dāng)前國內(nèi)有一些研究森林生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)工作的高校、科研機(jī)構(gòu)，收集了一些森林資源數(shù)據(jù)并建立了一些學(xué)科模型，但相關(guān)研究工作普遍處于單機(jī)化運(yùn)行，普遍存在科研人員重復(fù)構(gòu)建計(jì)算模型、搭建計(jì)算環(huán)境的問題.為了減少此類重復(fù)性工作，提高數(shù)據(jù)和功能的共享與互操作，開放地理信息系統(tǒng)聯(lián)盟OGC(Open Geospatial Consortium)提出了可擴(kuò)展的能無縫集成各種在線空間信息處理和位置服務(wù)的框架OWS(OGC Web Services)[2，3].作為OWS 規(guī)范中面向共享的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)(Web Processing Service)利用Web Services 技術(shù)跨平臺(tái)、跨語言的特性，能夠提供異構(gòu)平臺(tái)的無縫銜接技術(shù)手段，通過封裝專業(yè)性強(qiáng)、具有學(xué)科特色的模型，并對(duì)外提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口，其他科研機(jī)構(gòu)和個(gè)人可以調(diào)用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)，獲得相應(yīng)處理結(jié)果，實(shí)現(xiàn)一處構(gòu)建開發(fā)、處處重復(fù)使用的目的[4-6].

在東北森林屏障帶生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)的研究工作當(dāng)中，采集了大量森林經(jīng)緯度、坡度、坡向信息，喬木、灌木、草木的胸徑、高度、蓋度等數(shù)據(jù)，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)研究相應(yīng)學(xué)科模型，通過分析模型計(jì)算結(jié)果，對(duì)東北森林屏障帶進(jìn)行評(píng)估與規(guī)劃.本文根據(jù)OWS 規(guī)范中的網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用Web Service 技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)面向森林生態(tài)學(xué)研究的Web處理服務(wù)系統(tǒng).客戶端通過向目標(biāo)服務(wù)端提交符合網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)規(guī)范的請(qǐng)求，獲取該服務(wù)端所提供的網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)列表、網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)描述文檔，根據(jù)返回信息將待處理數(shù)據(jù)提交至服務(wù)端，利用相應(yīng)模型進(jìn)行處理，獲得模型處理結(jié)果.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)整體分為兩部分:客戶端程序和服務(wù)器端程序.客戶端作為服務(wù)請(qǐng)求端，通過網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器，即網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)提供者所暴露的三個(gè)接口:GetCapabilities、DescribeProcess、Execute，發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)器在業(yè)務(wù)邏輯層根據(jù)request 請(qǐng)求參數(shù)對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行分發(fā)，調(diào)用相應(yīng)邏輯模塊進(jìn)行處理.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖2 網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)UML 序列圖

1.1 接口層設(shè)計(jì)

接口層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)客戶端調(diào)用并由服務(wù)器執(zhí)行的以下操作:GetCapabilities 操作允許客戶端請(qǐng)求有關(guān)服務(wù)器提供的功能和處理能力的信息，DescribeProcess 操作允許客戶端請(qǐng)求服務(wù)器提供的選定進(jìn)程的詳細(xì)元數(shù)據(jù)信息、Execute 操作允許客戶端執(zhí)行由進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、期望的數(shù)據(jù)輸入輸出格式組成的執(zhí)行過程，見圖2.

①GetCapabilities 操作

GetCapabilities 操作的請(qǐng)求用來獲取目標(biāo)服務(wù)器功能的描述性文檔，請(qǐng)求參數(shù)包括強(qiáng)制和可選參數(shù)兩部分，如表1所示.

GetCapabilities 操作的響應(yīng)返回描述該服務(wù)器功能的XML 文檔，同樣包括強(qiáng)制和可選參數(shù)兩部分，如表2所示.

表1 GetCapabilities 操作的請(qǐng)求參數(shù)

表2 GetCapabilities 操作的響應(yīng)文檔參數(shù)

②DescribeProcess 操作

DescribeProcess 操作的請(qǐng)求用來獲取服務(wù)器上一個(gè)或多個(gè)處理服務(wù)的完整描述信息，該描述信息包括輸入輸出參數(shù)和格式.請(qǐng)求參數(shù)包括強(qiáng)制參數(shù)及可選參數(shù)，具體信息如表3.

DescribeProcess 操作的響應(yīng)是一個(gè)Process-Descriptions data 結(jié)構(gòu)的XML 文檔，按照請(qǐng)求中所包含標(biāo)識(shí)符(Identifier)將一個(gè)或多個(gè)處理服務(wù)的描述封裝XML 文檔返回.主要的強(qiáng)制參數(shù)及可選參數(shù)如表4所示.

表3 DescribeProcess 操作的請(qǐng)求參數(shù)

表4 DescribeProcess 操作的響應(yīng)文檔參數(shù)

③Executes 操作

Execute 操作允許客戶端使用輸入?yún)?shù)值去調(diào)用服務(wù)器中指定處理服務(wù)，從而得到返回結(jié)果.與前兩個(gè)操作不同，該操作強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)HTTP POST 請(qǐng)求，可選實(shí)現(xiàn)HTTP GET 請(qǐng)求，一般不實(shí)現(xiàn)HTTP GET 請(qǐng)求.

Execute 操作的請(qǐng)求參數(shù)如表5所示.

表5 Execute 操作的請(qǐng)求參數(shù)

Execute 操作的響應(yīng)文檔參數(shù)如表6所示.

表6 Execute 操作的響應(yīng)參數(shù)

1.2 業(yè)務(wù)邏輯層設(shè)計(jì)

在服務(wù)器端，業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)處理客戶端對(duì)不同接口的調(diào)用請(qǐng)求.當(dāng)接收到GetCapabilities 請(qǐng)求時(shí)，向模型庫請(qǐng)求所有模型的標(biāo)識(shí)符和簡單描述，并將獲得的信息封裝為X M L 響應(yīng)文檔返回；當(dāng)接收到DescribeProcess 請(qǐng)求時(shí)，根據(jù)標(biāo)識(shí)符的值向模型庫請(qǐng)求與該標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)的算法完全描述，并將相關(guān)信息封裝成ProcessDescriptions 響應(yīng)文檔返回；當(dāng)接收到Execute 請(qǐng)求時(shí)，將DataInputs 下Input 參數(shù)作為輸入，解析為系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)類型，根據(jù)標(biāo)識(shí)符的值請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的模型，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果封裝成響應(yīng)文檔返回.

1.3 數(shù)據(jù)處理層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行類型匹配、轉(zhuǎn)化及校驗(yàn)，并對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換.由于網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)需要接收和返回除整型、浮點(diǎn)型、字符型等基本數(shù)據(jù)類型外的矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域數(shù)據(jù)類型，因此在將數(shù)據(jù)提交到模型庫執(zhí)行前有必要對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換.同理，當(dāng)需要返回復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)時(shí)，也需要對(duì)模型處理結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)化.

2 模型庫構(gòu)建

2.1 地形模型

經(jīng)緯度、海拔、坡度等地形數(shù)據(jù)，對(duì)野外生態(tài)環(huán)境觀測(cè)與保護(hù)有著重要作用.

本系統(tǒng)構(gòu)建的地形模型，通過輸入數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)和經(jīng)緯度得到給定位置海拔等信息.

數(shù)字高程模型是一組包含地表相關(guān)情況的有序數(shù)列，是數(shù)字地形模型(Digital Terrain Model，DTM)的一個(gè)分支[7].其包含了平面坐標(biāo)及高程值兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，主要有三種類型的數(shù)據(jù):規(guī)則格網(wǎng)、不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)、等高線型，現(xiàn)常用規(guī)則格網(wǎng)型數(shù)據(jù).數(shù)字地形模型可以通過如下公式表示:

當(dāng)m取值為1時(shí)，表示數(shù)字高程模型，即:

其中，Xi，Yi表示表面坐標(biāo)，Zi是該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的高程值.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自于“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站在線計(jì)算服務(wù)，“DEM 高程數(shù)據(jù)切割”模塊中90 m 分辨率SRTM數(shù)據(jù).

2.2 群叢分類模型

群叢是植被分類的基本單位，相當(dāng)于植物分類中“種”的分類等級(jí)，進(jìn)行群叢分類是了解一個(gè)地區(qū)植被特征最基本、最重要方法之一[8-10].

在該模型中，需要了解樣地劃分以及樣地內(nèi)所有胸徑大于1 cm的木本植物.通常在生態(tài)學(xué)中，用重要值(Important Value，IV)表示物種在樣地群落中的相對(duì)重要性[11]，計(jì)算公式如下:

式中，P表示物種相對(duì)多度，SDBH表示物種相對(duì)胸高斷面積.根據(jù)樣方劃分與樣方內(nèi)各物種重要值形成二維矩陣.

目前學(xué)界常用的是雙向指示種分析法(Two-Way INdicator SPecies ANalysis，TWINSPAN)，是基于指示種分析法的改進(jìn)算法[12]，算法流程如下:

算法1. TWINSPAN 算法1)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互平均排序(Reciprocal Averaging，RA).2)在形成的第一排序軸以軸心為中心將所有樣方劃分為正負(fù)兩組.3)選擇排序軸兩端的種作為指示種(indicator species)，其指示意義的大小用指示值(indicator value)來衡量:D(i)=|n1(i)/N1-n2(i)/N2| (i=1,2,···,p)其中，D(i)為種i的指示值，N1 和N2 分別表示步驟2中正負(fù)組中的樣方數(shù)，n1(i)和n2(i)分別表示種i 在正負(fù)組中出現(xiàn)的樣方數(shù).4)根據(jù)選擇的指示種計(jì)算樣方的指示分(indicator score)，并按指示得分將樣方分組，選擇適當(dāng)?shù)拈撝祵臃椒譃檎?fù)兩組.比較相互平均排序的結(jié)果，如果不完全一致，將排序軸中心向兩側(cè)擴(kuò)展出的中性帶(indifferent zone)中錯(cuò)分類的調(diào)整過來.5)重復(fù)上述過程，直到每個(gè)組內(nèi)樣方數(shù)降到設(shè)定值，分類結(jié)束.

2.3 生物量模型

森林生物量是指在某一時(shí)刻在單位面積內(nèi)存在的所有林木有機(jī)質(zhì)總量.由于森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的狀態(tài)特征，是研究全球碳循環(huán)、森林系統(tǒng)碳儲(chǔ)量等生態(tài)問題研究的基礎(chǔ)，因此了解森林生物量有十分重要的意義[13].目前可以測(cè)定樹木生物量的方法有皆伐法、平均木標(biāo)準(zhǔn)木法、徑級(jí)標(biāo)準(zhǔn)木法和異速生長模型法等，其中直接測(cè)量獲得的生物量最為準(zhǔn)確.但是由于該方法需要耗費(fèi)大量人力物力，且對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定破壞，不能對(duì)整個(gè)調(diào)查區(qū)域內(nèi)的林木進(jìn)行全部砍伐，因此普遍采用生物量模型法進(jìn)行森林生物量的估算.

在建立生物量模型的過程中，主要考慮與生物量計(jì)算有關(guān)且易獲取的林木特征統(tǒng)計(jì)量.根據(jù)既有的研究成果以及實(shí)際采集林木特征數(shù)據(jù)，采用以下生物量計(jì)算模型[14-16]:

其中，α、β、γ是模型參數(shù)，D是林木的胸徑，H是樹高.考慮到不同用戶對(duì)不同林木使用的α、β、γ系數(shù)不盡相同，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)允許用戶自行輸入相應(yīng)數(shù)值.

2.4 物種多樣性模型

本文所研究的物種多樣性主要是指森林生態(tài)系統(tǒng)中，植物物種多樣性問題，主要表征了該生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、衡量其植物資源的豐富度，可以為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)估、未來發(fā)展的預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持.

本文實(shí)現(xiàn)了以下指數(shù)進(jìn)行物種多樣性評(píng)估[17-20]:

①物種豐富度指數(shù)

Margalef 指數(shù):

②物種多樣性指數(shù)

Simpson 指數(shù):

ShannonWiener 指數(shù):

③物種均勻度指數(shù)

Pielou 指數(shù):

其中，S是樣地內(nèi)物種總數(shù)，N為所有物種的個(gè)體總數(shù)，Ni為物種i在樣地內(nèi)的物種個(gè)體數(shù).

3 系統(tǒng)展示

本系統(tǒng)界面如圖3所示，根據(jù)前文所述主要有三部分功能:GetCapabilities 操作對(duì)應(yīng)的獲取網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)信息功能、DescribeProcess 操作對(duì)應(yīng)的獲取處理服務(wù)信息、Execute 接口對(duì)應(yīng)的模型計(jì)算應(yīng)用.數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧省部分森林樣地調(diào)查數(shù)據(jù).

圖3 系統(tǒng)界面

選擇獲取服務(wù)基本信息，系統(tǒng)會(huì)彈出當(dāng)前系統(tǒng)基本信息及可提供所有處理服務(wù)的描述信息，如圖4所示.

圖4 服務(wù)描述信息

根據(jù)業(yè)務(wù)需要選擇查看某個(gè)或多個(gè)處理服務(wù)的具體信息，包括服務(wù)標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)的輸入輸出格式等信息，如圖5.

圖5 處理服務(wù)詳細(xì)信息

根據(jù)業(yè)務(wù)需要選擇所需模型，查看計(jì)算結(jié)果.在地形模型中，在下拉列表選擇某一地區(qū)數(shù)據(jù)，通過輸入一個(gè)數(shù)字高程數(shù)據(jù)集DEM 和給定位置的經(jīng)緯度，獲取到該點(diǎn)的海拔以及整個(gè)DEM 數(shù)據(jù)集包含區(qū)域內(nèi)的最高海拔、最低海拔、平均海拔等數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示.

圖6 地形模型計(jì)算結(jié)果

在群叢分類模型中，同樣選擇某一樣地?cái)?shù)據(jù)集，通過向后臺(tái)發(fā)送樣方和物種的二元數(shù)據(jù)，后臺(tái)根據(jù)前文所述的TWINSPAN 算法的相關(guān)原理，經(jīng)過計(jì)算后返回該樣地劃分的各個(gè)樣方所屬群叢種類結(jié)果，前端自動(dòng)彈出相應(yīng)計(jì)算結(jié)果.

在生物量模型中，選擇某一物種數(shù)據(jù)集，輸入α、β、γ的取值，客戶端會(huì)將返回結(jié)果組裝成echarts 進(jìn)行展示，可以自行選取以折線圖、柱狀圖等形式進(jìn)行顯示.如圖8所示.

圖7 群叢分類模型計(jì)算結(jié)果

圖8 生物量模型計(jì)算結(jié)果

在物種多樣性模型中，選擇需要查看的樣地編號(hào)，服務(wù)器將調(diào)取該樣地的所有林木的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出各評(píng)估指數(shù)返回給客戶端進(jìn)行展示.如圖9所示.

4 總結(jié)

面向森林生態(tài)學(xué)研究的Web處理服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)OGC 相關(guān)規(guī)范，以Web Service 技術(shù)為基礎(chǔ)，整合相關(guān)森林生態(tài)學(xué)模型，改變傳統(tǒng)單機(jī)獨(dú)立重復(fù)開發(fā)與部署模型計(jì)算環(huán)境的方式，將計(jì)算模型集中化、網(wǎng)絡(luò)化，通過提供網(wǎng)絡(luò)處理服務(wù)的方式，減少了研究人員重復(fù)開發(fā)生態(tài)學(xué)模型和搭建相應(yīng)處理環(huán)境的時(shí)間及精力.

系統(tǒng)各層之間松耦合度，以及模型庫中各模型相互獨(dú)立，方便今后系統(tǒng)的改進(jìn)和拓展.未來將進(jìn)一步增加生態(tài)學(xué)研究模型，并研究拓展系統(tǒng)可處理的空間數(shù)據(jù)類型.

圖9 群叢分類模型計(jì)算結(jié)果