謝 斌,俞 樂(lè),張登榮

(杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院,杭州 310036)

基于 GIS服務(wù)鏈的遙感影像分布式融合處理

謝 斌,俞 樂(lè),張登榮

(杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院,杭州 310036)

提出了基于Web服務(wù)技術(shù)、OGC規(guī)范和工作流技術(shù),以實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的、具備流程編排能力的地理空間處理服務(wù)鏈框架,用于支持復(fù)雜的在線空間處理任務(wù)。在該框架基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)在線遙感影像融合處理示例。該示例展示了利用OGCWCS、W PS,W SDL,UDD I和BPEL4W S等成熟的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)構(gòu)建 G IS服務(wù)鏈,使得客戶應(yīng)用程序能夠基于Web服務(wù)定制、部署,實(shí)現(xiàn)在線的地理空間處理能力。

G IS服務(wù)鏈;目錄服務(wù);UDD I;W PS;BPEL4W S;遙感影像融合

0 引言

遙感平臺(tái)的發(fā)展使得空間數(shù)據(jù)量巨增,空間數(shù)據(jù)的海量特性,以及不同平臺(tái)下的異構(gòu)性和分布性,使得對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一訪問(wèn)和共享仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。XMLW eb服務(wù)技術(shù)為跨操作系統(tǒng)、硬件平臺(tái)以及編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與互操作提供了便利,基于該技術(shù)的空間信息數(shù)據(jù)及處理服務(wù)日益增多[1]。但是,這些服務(wù)通常是孤立的應(yīng)用程序,不同的服務(wù)提供商專注于不同的應(yīng)用目的[2]。為了實(shí)現(xiàn)地理空間信息的復(fù)雜處理任務(wù),需要將分布式的地理數(shù)據(jù)和處理服務(wù)鏈接起來(lái)。通過(guò)編排、組裝單個(gè)地理空間信息服務(wù)來(lái)創(chuàng)建高層次的地理空間處理任務(wù),正逐漸改變著地理空間應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及部署方式[3]。地理空間 Web服務(wù)組合的研究已成為新的研究熱點(diǎn)[4-6]。

針對(duì)構(gòu)建復(fù)雜的地理處理任務(wù),本文提出基于Web服務(wù)技術(shù)、OGC規(guī)范和工作流技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)與平臺(tái)無(wú)關(guān)的、具備流程編排能力的地理空間處理服務(wù)鏈框架。基于該框架能夠提供地理信息處理服務(wù)鏈,進(jìn)行在線遙感影像融合,便于研究人員在Web環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并獲取結(jié)果。以多光譜和全色遙感影像在線融合處理為例,驗(yàn)證基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語(yǔ)言 (BPEL4W S)[7]構(gòu)建 GIS服務(wù)鏈,并完成復(fù)雜融合處理流程的能力。

1 地理空間數(shù)據(jù)與處理服務(wù)

1.1 WCS服務(wù)及其空間索引實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù) (WCS)是一種支持地理空間影像數(shù)據(jù)交換、采用 Coverages格式在網(wǎng)絡(luò)上傳輸圖像數(shù)據(jù)的服務(wù)。Coverages代表隨空間和時(shí)間變化的數(shù)字地理信息,例如遙感圖像。OGCWCS為空間數(shù)據(jù)共享提供了標(biāo)準(zhǔn)的Web發(fā)布接口,規(guī)定了服務(wù)操作接口必須滿足的標(biāo)準(zhǔn),但并沒(méi)有對(duì)實(shí)現(xiàn)的具體方法做出限制,因此可以根據(jù)不同功能和性能需求構(gòu)建不同應(yīng)用場(chǎng)景的服務(wù)接口。

空間索引的目的是為了在 GIS系統(tǒng)中快速定位所選中的空間要素,從而提高操作的速度和效率。本文在遵循 OGCWCS規(guī)范的基礎(chǔ)上,在 V isual Studio.NET 2005中對(duì)WCS服務(wù)進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。服務(wù)端提供對(duì)空間數(shù)據(jù)的索引,包括空間影像分割和索引的建立 (基于 XML文檔的四叉樹(shù)),數(shù)據(jù)索引主要是由 GetCoverage操作調(diào)用并返回結(jié)果給客戶端。

GetCoverage數(shù)據(jù)索引主要包括請(qǐng)求解析(RequestParser)、建立空間索引 (Data Index)、索引數(shù)據(jù) (ReadHead,ReadPiece)以及影像合成(Im ageM aker)。RequestParser類主要用于解析參數(shù),把圖層 (Layer)、綁定框 (BBOX)、長(zhǎng)寬 (W idth/Length)、格式 (Form at)等參數(shù)解析出來(lái),用于后面的數(shù)據(jù)索引及返回的數(shù)據(jù)格式確定;Data Index類完成對(duì)整個(gè)文件 (夾)的索引管理,先根據(jù)圖層名(Layer)確定用戶所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)層名,根據(jù)請(qǐng)求域長(zhǎng)寬與綁定框的比值來(lái)確定分辨率文件夾,再根據(jù)綁定框來(lái)確定此文件夾下文件的大小及其所請(qǐng)求的范圍;ReadHead和 ReadPiece類讀取空間數(shù)據(jù),并傳給 Im ageM aker類進(jìn)行影像合成;Im ageM aker類用于對(duì)獲取到的影像文件進(jìn)行拼接,并根據(jù)請(qǐng)求解析的影像格式 (Form at)返回給用戶所需的影像。具體流程如圖 1所示。

圖 1 GetCoverage空間數(shù)據(jù)索引流程Fig.1 Work flow of spatial index in GetCoverage

1.2 WPS服務(wù)粒度劃分

Web過(guò)程服務(wù) (W PS)是 OGC針對(duì)日益增加的基于網(wǎng)絡(luò)的空間數(shù)據(jù)處理需求提出的一項(xiàng)Web服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)可以包裝任何類型的對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的功能,這些功能的實(shí)現(xiàn)可以簡(jiǎn)單如兩個(gè)空間數(shù)據(jù)之間的相減,也可以復(fù)雜如全球氣候的變化模型[8]。

W PS服務(wù)的粒度(地理處理功能的復(fù)雜度)不能太粗,也不能過(guò)細(xì):太粗,會(huì)產(chǎn)生許多重復(fù)編碼,在增加了編程工作量的同時(shí),也降低了服務(wù)的復(fù)用性和靈活性;過(guò)細(xì),則降低子功能的語(yǔ)意信息,增加子功能之間的通信成本,從而降低整個(gè)工作流的效率。現(xiàn)實(shí)中的空間數(shù)據(jù)處理應(yīng)用一般都非常復(fù)雜,為了分散和簡(jiǎn)化應(yīng)用邏輯,提高服務(wù)可重用性,單個(gè)處理服務(wù)都不可能做得非常復(fù)雜,服務(wù)功能的分解和最小服務(wù)單元的設(shè)計(jì)也非常重要。在這里我們討論遙感圖像處理功能的分解問(wèn)題,并將本次研究所需用到的處理包裝為W PS服務(wù),這些服務(wù)將在后面用到。

針對(duì)不同的應(yīng)用,對(duì)W PS服務(wù)粒度的劃分可能會(huì)不同。但是,一般情況下都會(huì)有一個(gè)普適的標(biāo)準(zhǔn)。W PS定義中對(duì)處理的解釋是:任何可施加于空間數(shù)據(jù)上的算法、計(jì)算和/或模式。從中可以得到提示,即可以采用算法作為粒度劃分的基本單位。因?yàn)椴煌乃惴ㄐ枰煌木幋a實(shí)現(xiàn),基本上不存在重復(fù)編碼的現(xiàn)象;算法還不失語(yǔ)意信息,可以通過(guò)語(yǔ)意對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)查找,符合語(yǔ)意Web服務(wù)的條件。

2 目錄服務(wù)

統(tǒng)一描述發(fā)現(xiàn)和集成 (UDD I)規(guī)范[9],便于組織和個(gè)人管理 Web服務(wù)資源。UDD I規(guī)范為 Web服務(wù)定義了一系列標(biāo)準(zhǔn)用于服務(wù)的發(fā)布、搜索及綁定。它提供了一個(gè)可交互的基礎(chǔ)架構(gòu),使得開(kāi)發(fā)者和管理者基于 UDDI可以方便地實(shí)現(xiàn)目錄服務(wù),用于發(fā)現(xiàn)合適的地理數(shù)據(jù)和處理服務(wù)。Microsoft UDD ISDK是微軟為 UDDI規(guī)范提供的開(kāi)發(fā)工具包。對(duì)于 Microsoft.NET框架開(kāi)發(fā)者,利用該 SDK可以創(chuàng)建客戶端方便地與 UDDI服務(wù)器 (如 Windows Server2003提供的 UDD I服務(wù)組件)進(jìn)行通信,用于發(fā)布和發(fā)現(xiàn)Web服務(wù)[10]。

所有地理空間信息服務(wù)在 UDD I中心注冊(cè),用于進(jìn)一步查找和綁定。注冊(cè)方法有兩種:一種是利用UDD I瀏覽器管理界面 (如 IE)進(jìn)行人工注冊(cè);另一種是利用 UDD ISDK API在程序中自動(dòng)注冊(cè)。SDK提供的查詢類主要包括 Find Business、Find Service和Find T Model。利用這 3類查詢提供的 send函數(shù)可以獲取 Business、Service和 TM odel列表,這些列表包含了服務(wù)的描述信息,用戶可根據(jù)這些信息進(jìn)行服務(wù)的選擇。在獲取到具體的服務(wù)之后,需要綁定到消費(fèi)者以便進(jìn)行調(diào)用。SDK中的Microsoft.Uddi.Binding命名空間提供了綁定功能,其中 Binding Template類用來(lái)創(chuàng)建遠(yuǎn)程Web服務(wù)調(diào)用的實(shí)例化。

基于 UDD I實(shí)現(xiàn)目錄服務(wù)處理流程如圖 2所示。

圖 2 目錄服務(wù)處理流程Fig.2 Work flow of catalog service

3 GIS服務(wù)鏈

3.1 BPEL4W S

工作流及其建模技術(shù)和工具的發(fā)展,為分解復(fù)雜問(wèn)題和重建處理流程提供了便利。特別是BPEL4W S[7]的出現(xiàn),使得工作流與Web服務(wù)的結(jié)合為Web方式下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分析提供了技術(shù)基礎(chǔ)。BPEL4W S是專為整合Web服務(wù)而制定的一項(xiàng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),利用 BPEL4W S組合Web服務(wù),能夠創(chuàng)造出復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。

BPEL4WS是目前Web服務(wù)業(yè)務(wù)流建模語(yǔ)言中較成熟和較全面的一種語(yǔ)言。BPEL4W S通過(guò)編排一組Web服務(wù)操作的執(zhí)行順序來(lái)定義業(yè)務(wù)流程,它包括服務(wù)類型定義和業(yè)務(wù)流程定義兩個(gè)部分。前者主要是Web服務(wù)使用的一些類型定義,如數(shù)據(jù)類型、消息類型、端口類型及伙伴鏈接類型等;后者主要定義業(yè)務(wù)流程本身,其中包括變量、相關(guān)性、活動(dòng)、伙伴鏈接及端點(diǎn)引用等流程元素。圖 3是利用BPEL4W S語(yǔ)言對(duì)地理空間服務(wù)進(jìn)行編排組成工作流的示例,所用W CS為前文所述的服務(wù)。

圖 3 地理空間處理服務(wù)流程編排Fig.3 GIS services chain based on the BPEL 4W S

3.2 工作流控制模型

為了使位于不同位置的遙感圖像處理服務(wù)協(xié)同工作,本研究首先基于 BPEL4W S對(duì)處理流程進(jìn)行建模,再由執(zhí)行引擎按照工作流程規(guī)范定義來(lái)執(zhí)行。具體步驟包括:

接受客戶端請(qǐng)求,調(diào)用相應(yīng)的 BPEL業(yè)務(wù)流程模板,將用戶選取或自定義的工作流轉(zhuǎn)換為BPEL4W S文檔。

工作流引擎負(fù)責(zé)解釋流程文檔,并對(duì)流程服務(wù)進(jìn)行部署,然后執(zhí)行工作流,鏈接服務(wù),獲取結(jié)果。

對(duì)于復(fù)雜的處理過(guò)程,需要通過(guò)應(yīng)用邏輯控制層進(jìn)行間接調(diào)用。因此,對(duì)于遙感圖像處理過(guò)程采用工作流的方式來(lái)組織。模型包含:工作流程庫(kù)、流程定義編輯和流程處理 3個(gè)部分。

流程庫(kù)中預(yù)先定義好的流程一般為一些通用的遙感圖像處理流程,這些預(yù)定義流程都保留了算法接口,可以讓用戶選擇處理中用到的具體算法。工作流定義編輯提供給用戶自定義處理流程的接口。通過(guò)與服務(wù)注冊(cè)中心通信,獲取可以使用的服務(wù)列表,并將這些服務(wù)暴露給用戶,然后用戶選擇其中的某些服務(wù)組合成所需的處理流程。編輯完成后,用戶提交流程,流程定義編輯會(huì)生成一個(gè) XML文檔,并將其發(fā)送到流程處理模塊。用戶自定義和編輯的工作流文檔可以保存在本地機(jī)器上,發(fā)送到服務(wù)器上的 XML文檔不會(huì)以文件的方式保留下來(lái)。流程處理負(fù)責(zé)解析流程文檔,將原始 XML文檔組織成符合BPEL4W S標(biāo)準(zhǔn)的格式,然后再發(fā)送到工作流引擎,由工作流引擎執(zhí)行工作流。整個(gè)流程執(zhí)行完成,會(huì)返回一個(gè)Web鏈接,用戶可以通過(guò)這個(gè)鏈接獲得處理的結(jié)果,并選擇是否下載到本地。處理的結(jié)果會(huì)作為臨時(shí)文件保存在服務(wù)器端,在用戶進(jìn)行下一步動(dòng)作 (保存或關(guān)閉瀏覽器)之后,流程處理會(huì)將臨時(shí)結(jié)果從服務(wù)器上刪除。

當(dāng)用戶對(duì)遙感圖像進(jìn)行復(fù)雜處理時(shí),通過(guò)以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn):

(1)查找應(yīng)用邏輯控制層的流程庫(kù),看是否有預(yù)定義好的流程,有則進(jìn)入步驟 (3),沒(méi)有則進(jìn)入步驟(2);

(2)選取所需的簡(jiǎn)單服務(wù),創(chuàng)建新流程,完成后進(jìn)入步驟(4);

(3)編輯預(yù)定義流程,完成后提交;

(4)部署流程,等待調(diào)用;

(5)工作流引擎調(diào)用流程,并返回結(jié)果。

4 在線影像融合實(shí)例

基于小波包分析方法[11],以 Beijing-1多光譜影像和全色影像融合為例。在測(cè)試?yán)又?所有地理空間數(shù)據(jù)由分布式系統(tǒng)提供WCS服務(wù),融合處理變換方法也封裝為W PS服務(wù),并能夠在線發(fā)現(xiàn)和獲取。對(duì)于整個(gè)融合處理過(guò)程,需要鏈接空間數(shù)據(jù)和處理服務(wù)組成在線影像融合服務(wù)鏈 (圖 4)。BPEL4W S用來(lái)編排流程定義文檔,并交付工作流引擎執(zhí)行且返回一個(gè)Web鏈接,用戶可以通過(guò)這個(gè)鏈接獲取融合結(jié)果。

圖 4 遙感影像融合處理服務(wù)鏈(IP地址表示分布式的地理數(shù)據(jù)和地理處理服務(wù)的位置;1～8表示處理順序)Fig.4 GIS services chain for remote sensing image fusion

此實(shí)例表明了組織和執(zhí)行基于 BPEL4W S構(gòu)建的服務(wù)鏈進(jìn)行在線空間數(shù)據(jù)處理的能力,而且提供的數(shù)據(jù)和處理服務(wù)遵循OGC規(guī)范。

5 結(jié)語(yǔ)

基于 OGCWCS、W PS以及 BPEL4W S工作流技術(shù),將地理空間數(shù)據(jù)和處理服務(wù)組織為服務(wù)鏈。在此基礎(chǔ)上,在Web環(huán)境下利用分布的地理空間數(shù)據(jù)和處理服務(wù)實(shí)現(xiàn)了在線遙感影像融合處理。盡管原型系統(tǒng)只提供了有限的處理功能,但各種服務(wù)完全基于OGC規(guī)范,具備進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的、開(kāi)放式在線分析系統(tǒng)的功能。今后,將加強(qiáng)對(duì)本體論和語(yǔ)義推理應(yīng)用到Web服務(wù)的查找和匹配、Web服務(wù)的自動(dòng)綁定策略及基于語(yǔ)義的流程自動(dòng)構(gòu)建等問(wèn)題的研究。

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(責(zé)任編輯:刁淑娟)

Distributed Fusion Process for Remotely Sensed Images Based on G IS Services Chain

XIE Bin,YU Le,ZHANG Deng-rong
(Institute of Remote Sensing and Earth Sciences,Hongzhou Normal University,Hangzhou 310036,China)

In this paper,we propose a framework of G IS service chain for geodata and geoprocessing web services to handle comp lex geospatial tasks in web environment using XML web service,OGC standard and work flow techniques.An online image fusion web service is developed as an example based on the framework.This web service allows different images can be fused on-line.The prototype system integrated industry standards,including Web services,OGCWCS,OGCW PS,WSDL and BPEL4W S,allow s invoke geoprocessing functionality in a platform and language independent manner on the Internet.

G IS service chain;Catalog service;UDDI;W PS;BPEL4W S;Remote sensing image fusion

謝 斌 (1983-),男,博士,主要從事遙感圖像處理、GIS空間數(shù)據(jù)共享與互操作方面的研究。

TP 393

A

1001-070X(2011)01-0138-05

2010-02-03;

2010-04-20

國(guó)家 863項(xiàng)目“自治的策略驅(qū)動(dòng)型空間信息協(xié)同服務(wù)技術(shù)”(編號(hào):2009AA 12Z212)資助。