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(xué)，山東 青島 266510）

遙感技術(shù)是海洋探測(cè)的重要技術(shù)手段，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，涉及海洋研究及應(yīng)用的方方面面（李常亮，2009），在海洋研究、保護(hù)、開發(fā)和管理工作中已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用。如利用衛(wèi)星進(jìn)行海域使用、海島開發(fā)利用和岸線變遷監(jiān)測(cè)。過去，光學(xué)衛(wèi)星海洋應(yīng)用多采用美國陸地衛(wèi)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(wèi)星的相繼發(fā)射并投入商業(yè)應(yīng)用，高分辨率遙感逐漸成為海洋環(huán)境調(diào)查的重要技術(shù)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(diào)查與評(píng)價(jià)”專項(xiàng)中進(jìn)行了應(yīng)用（國家海洋局908 辦公室，2005）。另外，SAR 衛(wèi)星影像不受云霧遮擋的影響，在對(duì)我國多云地區(qū)海洋或海岸帶監(jiān)測(cè)工作中也能發(fā)揮重要的作用（邵潔波等，1999；宋瑋等，2004）。除這些衛(wèi)星外，還有大量的海洋衛(wèi)星，包括海洋水色衛(wèi)星、海洋地形衛(wèi)星和海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，能夠監(jiān)測(cè)海溫、海浪（李靜凱等，2012） 等海洋環(huán)境要素，以及溢油（牟林 等，2011；楊建強(qiáng) 等，2011）、海冰、赤潮等海洋災(zāi)害，對(duì)全面掌握海洋的生態(tài)系統(tǒng)狀況，指導(dǎo)人類總體規(guī)劃和開發(fā)具有很重要的意義。

遙感技術(shù)的快速發(fā)展，使得目前可用的海洋遙感數(shù)據(jù)達(dá)到幾十種，但是這些遙感數(shù)據(jù)的文件結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)格式都存在差異（Cao et al，2008），而且數(shù)據(jù)量巨大，隨著業(yè)務(wù)化應(yīng)用的開展，數(shù)據(jù)還會(huì)不斷增長，這給集中式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理和數(shù)據(jù)共享帶來了很大的壓力。此外，有關(guān)遙感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)不止一個(gè)，這使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地點(diǎn)、存儲(chǔ)平臺(tái)、管理機(jī)制、數(shù)據(jù)提供形式也都存在差異，而這種現(xiàn)狀往往是很難改變的。使用傳統(tǒng)的模式查找、共享和管理這些海量數(shù)據(jù)正變得越來越困難。

Web 服務(wù)資源框架（Web Services Resource Framework，WSRF），是一組Web Service 規(guī)范。其針對(duì)傳統(tǒng)的Web Service 技術(shù)無狀態(tài)的特點(diǎn)，通過對(duì)Web Service 規(guī)范的擴(kuò)展，成為一個(gè)在Web 環(huán)境中能夠處理有狀態(tài)資源的規(guī)范，以便在提供Web Service 服務(wù)的時(shí)候可以保留資源信息，并且提供持久數(shù)據(jù)的方式。WSRF 能夠有效地將無狀態(tài)的Web 服務(wù)和有狀態(tài)的資源進(jìn)行分離，構(gòu)建Web 服務(wù)和一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)資源間的關(guān)聯(lián)關(guān)系（賈雄等，2012），能夠有效解決多源、異構(gòu)海洋遙感數(shù)據(jù)的集成與共享問題。

因此，本文探討利用WSRF 網(wǎng)格服務(wù)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)具有可持續(xù)擴(kuò)展能力海洋遙感數(shù)據(jù)平臺(tái)的思路與機(jī)制，把各種自治、分布、異構(gòu)的海洋遙感數(shù)據(jù)資源整合起來并提供統(tǒng)一的訪問服務(wù)，從而使用戶能夠透明地共享、一體化地處理平臺(tái)中的多源海量遙感數(shù)據(jù)。

1 基于WSRF 網(wǎng)格服務(wù)的數(shù)據(jù)集成與共享機(jī)制設(shè)計(jì)

網(wǎng)格服務(wù)具有跨平臺(tái)、松耦合等優(yōu)點(diǎn)?；诖?，本文利用網(wǎng)格服務(wù)技術(shù)，將各種異構(gòu)的、分布的遙感數(shù)據(jù)源，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法、管理功能分別封裝成網(wǎng)格服務(wù)，以網(wǎng)格服務(wù)的形式對(duì)外提供訪問服務(wù)。通過這種方式，解決了不同平臺(tái)間數(shù)據(jù)、算法的集成與共享，并通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格服務(wù)接口提供訪問服務(wù)，解決了不同平臺(tái)間遙感數(shù)據(jù)資源共享和互操作。并基于WSRF 對(duì)網(wǎng)格服務(wù)進(jìn)行管理，通過管理網(wǎng)格服務(wù)來實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)資源的管理。在此基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)分布式遙感數(shù)據(jù)一體化管理、檢索方共享平臺(tái)，為用戶查詢提供統(tǒng)一的訪問接口。通過元數(shù)據(jù)的集成和管理把物理上分散的遙感數(shù)據(jù)資源整合起來，對(duì)外提供不同級(jí)別的數(shù)據(jù)共享服務(wù)，用戶通過登陸平臺(tái)，透明的訪問各物理節(jié)點(diǎn)中存放的遙感數(shù)據(jù)，而不必考慮數(shù)據(jù)實(shí)際的存儲(chǔ)方案和操作系統(tǒng)平臺(tái)等問題。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

海洋遙感數(shù)據(jù)集成與共享總體架構(gòu)可分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、服務(wù)管理層、應(yīng)用層和表示層，如圖1 所示。

圖1 海洋遙感數(shù)據(jù)集成與共享總體分層架構(gòu)圖

（1） 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括服務(wù)及用戶注冊(cè)信息數(shù)據(jù)庫，遙感圖像元數(shù)據(jù)庫，遙感圖像及頭文件、快視圖。元數(shù)據(jù)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(jù)，它們將在隨后服務(wù)層的定義中被使用。數(shù)據(jù)源可以是關(guān)系數(shù)據(jù)庫、文本文件和圖像文件。

（2） 服務(wù)層

服務(wù)層中包含3 種不同類型的服務(wù)：遙感圖像元數(shù)據(jù)檢索服務(wù)、元數(shù)據(jù)提取和管理服務(wù)、遙感圖像歸檔服務(wù)。系統(tǒng)通過這些服務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)分布在各部門異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成與訪問。元數(shù)據(jù)（包括快視圖） 檢索服務(wù)，為用戶查詢遙感圖像元數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的訪問接口。根據(jù)用戶選擇的不同查詢條件返回相應(yīng)的查詢結(jié)果集。元數(shù)據(jù)管理服務(wù)實(shí)現(xiàn)了遙感圖像元數(shù)據(jù)的瀏覽、更新、刪除功能，并能夠?qū)b感圖像元數(shù)據(jù)庫中的元數(shù)據(jù)表進(jìn)行創(chuàng)建、修改和瀏覽。遙感圖像歸檔服務(wù)中又包括元數(shù)據(jù)提取服務(wù)、元數(shù)據(jù)歸檔服務(wù)以及遙感圖像歸檔服務(wù)。

（3） 服務(wù)管理層

服務(wù)管理層提供一個(gè)智能代理服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)網(wǎng)格服務(wù)的并發(fā)調(diào)用（同時(shí)查詢多個(gè)數(shù)據(jù)源），根據(jù)用戶提出的查詢請(qǐng)求，動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)和調(diào)用相匹配的服務(wù)，并對(duì)服務(wù)返回的結(jié)果進(jìn)行分析和集成，并以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式返回給用戶。代理服務(wù)的動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)和調(diào)用特性使得遙感圖像資源的可以動(dòng)態(tài)接入。服務(wù)資源管理服務(wù)的作用是對(duì)服務(wù)進(jìn)行注冊(cè)和瀏覽，并對(duì)服務(wù)信息進(jìn)行修改和刪除。每個(gè)服務(wù)的注冊(cè)信息包括：服務(wù)的名稱、發(fā)布人和發(fā)布時(shí)間、服務(wù)的位置和所屬結(jié)點(diǎn)、服務(wù)描述、服務(wù)狀態(tài)以及服務(wù)所屬類別。服務(wù)注冊(cè)信息被存儲(chǔ)在服務(wù)注冊(cè)信息數(shù)據(jù)庫中。

（4） 應(yīng)用層

針對(duì)不同用戶的應(yīng)用需求，基于已注冊(cè)的服務(wù)提供定制的服務(wù)組合接口，生成不同的查詢條件來調(diào)用網(wǎng)格服務(wù)查詢遙感圖像數(shù)據(jù)，然后將查詢結(jié)果返回表示層。如針對(duì)某個(gè)海島或某個(gè)區(qū)域的遙感數(shù)據(jù)檢索應(yīng)用。

（5） 表示層

表示層允許用戶和管理員兩種角色進(jìn)入平臺(tái)。用戶可以通過應(yīng)用層調(diào)用底層的元數(shù)據(jù)檢索服務(wù)來查看遙感圖像元數(shù)據(jù)及快視圖，以及下載經(jīng)授權(quán)的遙感圖像文件。

管理員又分為站點(diǎn)管理員和系統(tǒng)管理員兩種。站點(diǎn)管理員負(fù)責(zé)管理本部門網(wǎng)格服務(wù)注冊(cè)，服務(wù)狀態(tài)設(shè)置，遙感圖像、快視圖和元數(shù)據(jù)歸檔，F(xiàn)TP、Web 服務(wù)器和元數(shù)據(jù)庫參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)管理員則負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)的維護(hù)；包括管理員和用戶注冊(cè)信息確認(rèn)、平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、遙感圖像資源瀏覽、網(wǎng)格服務(wù)瀏覽等。

1.2 核心服務(wù)功能的設(shè)計(jì)

在海洋遙感數(shù)據(jù)集成與共享的整個(gè)體系中，有4 個(gè)核心的服務(wù)功能：遙感圖像歸檔管理服務(wù)、遙感數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、用戶及權(quán)限管理服務(wù)和服務(wù)資源管理服務(wù)，如圖2 所示。

圖2 海洋遙感數(shù)據(jù)集成與共享核心服務(wù)圖

（1） 遙感數(shù)據(jù)歸檔及管理服務(wù)

遙感圖像的重要參數(shù)信息都是存放在圖像文件的頭部，如衛(wèi)星、儀器、傳感器、模式、條帶號(hào)、行編號(hào)、西邊界經(jīng)度、東邊界經(jīng)度、北邊界緯度、南邊界緯度、中心日期時(shí)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(shù)信息讀出來。對(duì)于不同類型的衛(wèi)星和傳感器，參數(shù)的格式和提取方法也是不一樣的。為了平臺(tái)的可擴(kuò)展性，可將每一種衛(wèi)星和傳感器的圖像文件參數(shù)提取方法封裝成一個(gè)網(wǎng)格服務(wù)。

所有用戶都可以登錄到網(wǎng)站進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)的歸檔和管理操作。在遙感數(shù)據(jù)歸檔時(shí)，首先讀取用戶指定的衛(wèi)星和傳感器信息，然后根據(jù)平臺(tái)的XML配置文件調(diào)用對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格服務(wù)進(jìn)行參數(shù)的提取工作。當(dāng)新的遙感圖像資源加入到平臺(tái)中時(shí)，資源提供者只需要將圖像文件的參數(shù)提取算法封裝成網(wǎng)格服務(wù)，然后在全局資源目錄中注冊(cè)一下就可以使用了。

用戶在進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)歸檔時(shí)，除了提取圖像文件的參數(shù)信息，還需要同時(shí)提供遙感數(shù)據(jù)的快視圖。快視圖是由用戶使用特定軟件對(duì)圖像文件轉(zhuǎn)換得到的。用戶在瀏覽遙感圖像時(shí)，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(shù)據(jù)管理則是對(duì)已經(jīng)歸檔的元數(shù)據(jù)所進(jìn)行的一些管理和維護(hù)操作。

（2） 遙感數(shù)據(jù)查詢服務(wù)

查詢方式可以有很多種，比如說根據(jù)經(jīng)緯度范圍、衛(wèi)星、數(shù)據(jù)獲取時(shí)間、圖像云量（包括四角云量和平均云量） 等條件進(jìn)行查詢。而針對(duì)不同類型的衛(wèi)星，還可能有一些附加的查詢條件，比如說對(duì)于SPOT 衛(wèi)星，可以設(shè)置側(cè)視角范圍和傳感器模式。

（3） 用戶及權(quán)限管理服務(wù)

系統(tǒng)管理員、站點(diǎn)管理員和普通用戶是3 種不同級(jí)別的用戶。系統(tǒng)管理員擁有添加用戶和刪除用戶的權(quán)限，并且可以對(duì)整個(gè)共享平臺(tái)進(jìn)行管理和維護(hù)；站點(diǎn)管理員可以獲取特定區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分幅、存盤歸檔等過程；普通用戶可以查詢并瀏覽某個(gè)范圍和時(shí)間段內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)。

（4） 服務(wù)資源管理服務(wù)

各個(gè)站點(diǎn)部署的服務(wù)都是通過該模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)用的。網(wǎng)格服務(wù)注冊(cè)可以將一個(gè)站點(diǎn)的資源動(dòng)態(tài)加入到共享平臺(tái)中；網(wǎng)格服務(wù)瀏覽為系統(tǒng)管理員提供所有已注冊(cè)服務(wù)的詳細(xì)信息；系統(tǒng)管理員可以修改和刪除已注冊(cè)的服務(wù)；服務(wù)發(fā)現(xiàn)可以根據(jù)網(wǎng)格服務(wù)名稱查找到相應(yīng)服務(wù)的具體地址，從而為實(shí)現(xiàn)服務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)用提供支持。

圖3 海洋遙感數(shù)據(jù)集成與共享核心服務(wù)接口關(guān)系圖

2 海洋遙感數(shù)據(jù)集成與共享平臺(tái)構(gòu)建

遙感數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的異構(gòu)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(nèi)部都廣泛存在，為此，根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路和方案構(gòu)建一個(gè)部門級(jí)的海洋遙感數(shù)據(jù)共享平臺(tái)：

2.1 平臺(tái)軟件環(huán)境

a.操作系統(tǒng)：Windows XP Professional。

b.網(wǎng)格服務(wù)平臺(tái)：Gloubus。

c.程序語言：系統(tǒng)前臺(tái)C#；服務(wù)源碼使用Java 編寫。

d.數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)：SQL Server 2000。

e.Web 服務(wù)器：IIS 5.1，Tomcat 5.0。

2.2 平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 是平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、Web 服務(wù)器和客戶端四部分組成。其中數(shù)據(jù)服務(wù)器分布在不同的部門，并對(duì)外提供訪問接口。系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)接收Web 服務(wù)器發(fā)送的指令，對(duì)指令進(jìn)行解析、分解，提交到各部門的數(shù)據(jù)服務(wù)器，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給Web服務(wù)器。Web 服務(wù)器用于部署Web 服務(wù)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)提供對(duì)外的訪問接口，并將處理結(jié)果反饋給客戶端用戶。

圖4 共享平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 平臺(tái)應(yīng)用

基于上述思路，本文開發(fā)了基于WSRF 的海洋遙感數(shù)據(jù)集成與共享平臺(tái)，通過服務(wù)實(shí)現(xiàn)多源、異構(gòu)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(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的遙感數(shù)據(jù)，如圖5 所示。普通用戶通過遙感數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)查詢接口進(jìn)入平臺(tái)，根據(jù)衛(wèi)星、傳感器、影像獲取時(shí)間和空間范圍等條件進(jìn)行查詢，也可在地圖中選擇或在選項(xiàng)框中指定要查詢的區(qū)域名稱，地圖可以進(jìn)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(jié)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(wù)的注冊(cè)與管理

圖6 查詢界面

圖7 查詢結(jié)果

3 結(jié)論和討論

本文給出了基于WSRF 的海洋遙感數(shù)據(jù)集成與共享機(jī)制設(shè)計(jì)方案，并初步構(gòu)建了一個(gè)部門級(jí)的遙感數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，從實(shí)踐上看本方案能夠消除存儲(chǔ)異構(gòu)所帶來的影響，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一體化管理和查詢。

進(jìn)一步工作包括兩個(gè)方面：一方面是優(yōu)化現(xiàn)有平臺(tái)的性能，如提高多用戶并發(fā)訪問的控制與響應(yīng)時(shí)效，增強(qiáng)安全訪問機(jī)制等；另一方面是擴(kuò)充平臺(tái)功能，如增加空間分析功能、增加遙感數(shù)據(jù)處理服務(wù)和專題產(chǎn)品制作服務(wù)，使之成為一個(gè)綜合性的應(yīng)用平臺(tái)。

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