鄭作亞，仇林遙，潘一凡，周 彬，柳 罡

(中國電子科學研究院，北京 100041)

0 引 言

隨著空間信息技術、大數據和物聯網等新一代信息技術的快速發(fā)展，時空數據日益多元化，不同類型、不同來源、不同規(guī)格的數據并存；而且數據應用也呈現出多行業(yè)、多層級、多要素等個性化特點[1]。目前具有代表性的空間信息服務平臺主要有美國NASA EOS數據中心的EOSDIS、Google Earth Engine和歐空局的G-POD，均可提供空間信息的存儲管理、處理分析、整合應用、前沿研發(fā)和信息服務等工作，最大可能地實現資源的利用和共享[6-7]。

為推動衛(wèi)星數據應用向專業(yè)化、規(guī)模化、業(yè)務化的方向發(fā)展，我國國家部委力推衛(wèi)星數據應用平臺的建設，組建了多個國家級衛(wèi)星應用中心，建設了多個信息綜合處理與應用系統(tǒng)和網絡化綜合服務模式，如中國資源衛(wèi)星應用中心、中科院數字地球中心、環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應用中心、自然資源部國土衛(wèi)星遙感應用中心、國家衛(wèi)星海洋應用中心、國家氣象衛(wèi)星中心、國防科工局高分衛(wèi)星中心、天地圖系統(tǒng)、高分專項民用系統(tǒng)等。同時，為挖掘空間信息數據的商業(yè)潛力，國內各互聯網、保險、金融、航天、電子等企業(yè)也正在開拓基于空天大數據分析的新型商業(yè)模式，如中國航天科工集團有限公司的航天云網、中國科學院地理空間數據云、中科遙感的遙感集市等。但目前我國空間信息服務的共享服務也面臨著一些問題，如數據資源管理分散、數據開放共享力度不夠、系統(tǒng)架構不兼容、技術體系不健全、產業(yè)應用生態(tài)尚未形成、綜合服務能力薄弱等[1]。解決這些問題的關鍵是要搭建一個擁有統(tǒng)一系統(tǒng)架構、完整技術體系、多樣化應用的開放性空間信息服務平臺[2]。鑒于此，本文基于天基信息網絡模式提出地面信息港系統(tǒng)架構設計和服務模式探討，以期構建一種新型時空信息服務體系，用于實現時空數據和信息的共享分發(fā)和多樣化、定制化應用，提升時空信息服務能力。

1 地面信息港能力需求

地面信息港是基于天基信息網絡進行數據、信息和服務匯聚、分發(fā)的樞紐[8]。地面信息港將依托天基信息網絡匯聚多源異構時空數據，通過搭建分布式云公共基礎設施環(huán)境，部署統(tǒng)一服務開放平臺，實現“網絡+遙感/地理信息/定位導航”的信息融合，集散行業(yè)信息應用產品。地面信息港將提供“超市、實驗室、工場”等服務模式，著力拓展二三級空間信息服務市場空間，打造新型時空數據服務樞紐[9]。地面信息港主要應具備以下能力：

(1)多源異構時空數據統(tǒng)一存管能力

面向天基、空基、地基異構傳感器數據，能夠提供統(tǒng)一的存儲平臺，為上層業(yè)務運行提供數據檢索管理、推送服務等能力。

(2)異構算法模型集成運行能力

遙感等空間信息數據在各行業(yè)的應用已十分廣泛，相關系統(tǒng)、算法、模型成果復雜異構，地面信息港可提供統(tǒng)一的標準與接口，具備將異構系統(tǒng)的現有成果進行一體化集成能力，滿足各行業(yè)空間信息服務所需的計算分析和支持第三方應用程序的二次開發(fā)與集成。

(3)面向行業(yè)業(yè)務的流水線定制能力

空間信息服務產品的生成主要是基于對遙感影像等數據的預處理、通用處理、融合分析、專題標繪、產品生產等流水線加工，但由于不同行業(yè)數據的來源不同、處理與分析方法各異、生產的產品形態(tài)多樣，地面信息港應建立可動態(tài)擴展、組合、定制的裝配流水線，面向不同行業(yè)用戶的產品需求提供定制化的數據加工生產流程，滿足各行業(yè)空間信息服務的需要。

(4)新興技術的交叉應用與驗證能力

地面信息港將新興技術應用到空間信息服務領域，將云計算、人工智能、區(qū)塊鏈、大數據等技術應用到數據存管、處理、分析、分發(fā)等環(huán)節(jié)，解決空間數據共享分發(fā)過程中的認證、自主安全和分析服務過程中的自動化、智能化等問題。

2 地面信息港總體架構

2.1 系統(tǒng)架構

依托天基信息網絡，構建“物理分布，邏輯統(tǒng)一”的地面信息港，聚合數據、整合資源、按需同步，實現天基分布式信息資源向地面信息港聚合，為政府、行業(yè)、企業(yè)和公眾等各類用戶提供一致、可靠、高效的天地協同時空信息服務，最終形成國家輻射狀的時空信息服務體系[8,10]。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 地面信息港系統(tǒng)架構設計

地面信息港依托地基節(jié)點網、連接天基骨干節(jié)點和接入節(jié)點接入融合各類感知類衛(wèi)星及其他分布式時空信息資源，以多中心形式聯合提供網絡與通信、定位授時與導航增強、遙感與地理信息等服務，形成功能分布、邏輯一體的服務體系。

地面信息港業(yè)務應用在統(tǒng)一的應用集成框架下按需調用資源，實現云端服務和本地服務的集成，支撐各類應用系統(tǒng)的構建。地面信息港面向政府、行業(yè)、企業(yè)、公眾等各類用戶，基于公共基礎設施和服務開放平臺，提供業(yè)務化、定制化應用服務，保障用戶端對時空服務的使用需求，提供多樣化的信息服務保障模式和多源時空信息集成增值的能力[11]。

2.2 技術架構

地面信息港按照“突出共用、整合通用、強化應用”的理念，分為“三層三縱”技術架構，即公共基礎設施、通用服務開放平臺、專用業(yè)務應用系統(tǒng)三個層次，以及縱向貫穿三層的標準規(guī)范、安全保密體系和運維管理體系[12]。其技術架構如圖2所示。

圖2 地面信息港技術架構設計

(1)公共基礎設施

依托天基信息網絡和地面互聯網，提供跨域的計算存儲集群，實現地面信息港的容災備份和集中管控，采用軟件定義計算、存儲、網絡等手段，提取所有硬件資源并將其匯集成資源池，形成虛擬的基礎設施層，支持安全高效自動地為應用按需分配資源，形成靈活、彈性、高效和可靠IT服務的計算環(huán)境，為地面信息港多源時空數據在遙感、測繪、導航、偵查等領域的綜合應用提供強大的計算、存儲、網絡支撐能力。

(2)服務開放平臺

(a)時空數據存管

建立數據體系是地面信息港進行時空數據一體化接入、管理、處理、分析和發(fā)布的基礎，有助于建立統(tǒng)一的數據時空模型，實現多源異構數據的有效集成與融合。時空數據存管平臺主要提供數據接入、數據預處理、數據存儲以及數據分析等功能，實現對統(tǒng)一資源目錄數據、導航與授時數據、基礎地理信息數據、對地觀測數據、專題庫數據等資源的組織和運用。

(b)服務集成管理

服務集成與管理是對各類業(yè)務應用中共用性、支撐性組件的標準化封裝，旨在實現服務與應用分離，在數據統(tǒng)一存儲和管理的基礎上，通過服務接口，為上層業(yè)務應用提供服務總線、應用支撐服務、模型算法庫和集成開發(fā)環(huán)境及可視化系統(tǒng)，實現統(tǒng)一的、高效的數據和應用服務支撐。服務集成管理平臺可提供地理信息、時空基準、遙感等基礎服務，圖像處理、目標識別等高級服務，并通過業(yè)務編排實現氣象、災害、環(huán)境、空間規(guī)劃等專題服務。

(3)業(yè)務應用層

通過對多數據源、多時相的時空信息的統(tǒng)一組織、存儲、處理和管理，組合服務開放平臺層提供的各類模塊、算法以及通用服務，按照行業(yè)用戶應用需求，構建形成業(yè)務應用系統(tǒng)，包括災害評估、自然資源監(jiān)測、海洋信息管理、綜合PNT服務、國防動員應急指揮、智慧旅游等多種類型的應用。

(4)運維管理

融合大規(guī)模集群監(jiān)控領域先進技術，采用模塊化軟件體系架構、層次化設計路線、插件式基礎架構，實現一體化的設備、網絡、數據和應用系統(tǒng)管理平臺，從運維、運行、運用三個層面實現大數據全方位運維管理。

(5)安全保密

針對大規(guī)模網絡化地面信息港安全防御需求，構建以大數據云平臺為核心，覆蓋云基礎設施安全、數據安全、應用安全、終端安全多層級的“云+端+邊界”全方位的安全防護體系，實現縱深聯動防御與天基信息服務體系的融合[13]。

(6)標準規(guī)范

參考國標和行業(yè)標準，結合地面信息港總體架構設計，開展地面信息港標準體系分析梳理，按照“框架先行、分類實施、迭代完善”的推進思路，研究建立開放的標準體系框架，提出標準梳理、框架研究、標準制修訂建議與措施等。地面信息港將構建覆蓋基礎設施、基礎平臺、業(yè)務應用、開發(fā)等方面的統(tǒng)一標準規(guī)范體系。

2.3 拓撲架構

地面信息港是整個天基信息網絡服務體系的核心，按照分布式的架構在全國重要省市地區(qū)進行規(guī)劃，以輻射狀形式面向地區(qū)特點提供相關時空信息服務能力[10]。地面信息港間采用一體化的管理方式保證數據的一致性和完整性，節(jié)點間主要通過地基節(jié)點網或者互聯網專線互聯互通，按需進行數據變化的增量傳遞，保持多節(jié)點間重要共享數據的一致性。

3 地面信息港服務模式

為實現地面信息港的持續(xù)化運營，本文基于技術架構分析設計了三種商業(yè)服務模式[14-15]，即超市模式、實驗室模式和工場模式。超市模式主要面向數據或服務資源需求用戶；實驗室模式主要面向高?；蚩蒲袡C構用戶；工場模式主要面向政府或企業(yè)用戶。

3.1 “超市”模式

“超市”模式是地面信息港提供的一種最簡單直接的時空信息服務模式。地面信息港將分散式、碎片化、標準不齊、類型各異的時空信息數據資源和行業(yè)專業(yè)處理算法模塊進行整合，形成專題產品處理生產能力。用戶群體為提出定制化服務需求的地方政府、行業(yè)部門和有關企事業(yè)單位，為其提供數據資源服務和專題產品的定制服務。其中按需定制特定區(qū)域特定行業(yè)的專題產品，可通過“請求—響應”的機制完成單次任務的服務，也可進行“任務規(guī)劃—定時推送”的機制完成特定時間內的成套專題產品定向推送服務，服務流程示意見圖3。

圖3 “超市”模式使用視圖

針對時空數據的獲取，地面信息港系統(tǒng)“超市”模式的實現流程為：

(1)政府/行業(yè)/企業(yè)/個人用戶瀏覽各自終端的元數據目錄，并輸入一定的查詢條件，檢索是否有所需的數據提供者；

(2)根據檢索結果，可以選擇數據提供者，轉接到提供者門戶，協助用戶注冊并提交數據請求；

(3)如果需求，可進一步選擇數據配套的產品生產，并設置時間序列、周期、范圍、產品內容的約束。

(4)用戶完成訂單支付后，服務端將向用戶一次性或定期推送生產的數據成品，支持相關行業(yè)分析應用。

3.2 “實驗室”模式

地面信息港提供一套標準化的服務開發(fā)接口和服務注冊部署流程，高校、科研院所、業(yè)務單位用戶可將自己的研發(fā)模塊和數據進行上傳，通過測試后可作為應用資源提供給第三方用戶，形成線上資源交易平臺；各類用戶可在線上選擇可用的數據與應用資源進行組合，完成特定易用需求的功能實現與產品產出。其使用模式如圖4所示。

圖4 “實驗室”模式使用視圖

地面信息港的“實驗室”模式向用戶分發(fā)的服務主要有數據產品服務、軟件應用服務和資源封裝發(fā)布服務。

(1)數據產品服務

地面信息港以數據產品服務的形式向用戶提供各類型數據產品，包括各類包裝后的影像數據、專題地圖數據、矢量地圖數據等。

(2)軟件應用服務

地面信息港以在線處理服務的形式通過向用戶開放使用各類業(yè)務模塊，免安裝通過web瀏覽器完成業(yè)務操作，實現遠程在線業(yè)務運行和產品生產。

(3)資源封裝與發(fā)布服務

面向科研院所、高校、行業(yè)技術人員開放地面信息港應用服務統(tǒng)一封裝接口，提供數據與算法資源的自動封裝與發(fā)布服務。

3.3 “工場”模式

“工場”模式是地面信息港提供的一種更高層次的應用支撐能力，為行業(yè)用戶提供軟硬一體的解決方案。行業(yè)時空信息提供者將各自所能提供的信息在地面信息港系統(tǒng)注冊并接入保存，系統(tǒng)根據用戶需求和業(yè)務要求進行升級改造，提供定向的數據加工能力，將各種不同用戶提供的需求，根據特定規(guī)則進行加工，生成滿足特定任務的時空信息專題產品并發(fā)布共享，以及提供功能服務、高性能計算服務等，從而實現服務增值?！肮觥蹦Ｊ饺鐖D5所示。

圖5 “工場”模式使用視圖

“工場”模式主要為不同行業(yè)的公眾用戶或政府機構提供定制化的產品生產與最終產品提交的全過程。主要為政府/行業(yè)/大眾提供面向不同應用的數據產品、軟件產品、應用服務產品以及行業(yè)解決方案四類產品。工場模式以產品工廠形式進行產品共享、交易以及服務應用，產品涵蓋由內部研發(fā)人員生產的自營產品和外部服務商(創(chuàng)客)提供的第三方產品。工場模式的服務功能包括產品定制和定制化生產。

(1)產品定制

不同行業(yè)/區(qū)域/大眾用戶根據各自的行業(yè)應用，向地面信息港提出各自不同的行業(yè)產品定制需求。產品定制主要提供如下兩種類型的產品定制。

(a)通用產品。如海量遙感初級數據產品，基礎地理信息地圖產品、PNT數據產品等。

(b)非通用產品。主要為針對用戶行業(yè)應用，需要以產品工廠再生產制造的數據產品。如針對應急部門的應急救災專題地圖，針對交通部門的道路流量分析等。

(2)定制化生產

在用戶制定好產品的定制需求后，地面信息港作為產品工廠進行產品定制化生產。

4 結 語

天基信息網絡是國家面向未來的新一代信息基礎設施重要組成部分，地面信息港是基于天基信息網絡重要的空間信息服務樞紐，也是實現網絡信息增值服務的重要平臺。地面信息港將按照統(tǒng)一的標準架構，集成多源空間數據和應用軟件資源，通過分布式節(jié)點分布，為各類用戶提供多源空間數據的統(tǒng)一存儲與管理、專業(yè)處理/融合共享、定制化/綜合化的信息應用服務，推進全國一體的輻射狀國家時空信息服務體系建設，未來可為軍隊、國家部委、地方政府、垂直行業(yè)等各類用戶，國家應急管理、減災防災、自然資源監(jiān)測、公共安全、環(huán)境監(jiān)測、智慧城市等行業(yè)的網絡信息服務領域提供一致、可靠、高效的天地協同時空信息服務。