面向服務(wù)的空間數(shù)據(jù)共享技術(shù)研究

信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院 王連備 賁 進(jìn)

北京望神州科技有限公司 吳 英

徠卡測(cè)量新技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)欄

面向服務(wù)的空間數(shù)據(jù)共享技術(shù)研究

信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院 王連備 賁 進(jìn)

北京望神州科技有限公司 吳 英

一、面向服務(wù)與空間數(shù)據(jù)共享

1.面向服務(wù)的體系架構(gòu)

面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu) (service-oriented architecture,SOA)是為解決網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下分布式異構(gòu)系統(tǒng)集成并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源共享問(wèn)題而逐步發(fā)展起來(lái)的一種系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)思想。它將傳統(tǒng)應(yīng)用的不同功能單元封裝為符合Web Services技術(shù)體系的Web服務(wù),服務(wù)之間通過(guò)明確定義的接口互相關(guān)聯(lián)。接口采用中立的方式進(jìn)行定義,獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言。這使得系統(tǒng)中的服務(wù)可以以一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互。

面向服務(wù)的體系架構(gòu)包含三種角色：服務(wù)使用者(service consumer)、服務(wù)提供者(service provider)和服務(wù)注冊(cè)中心(service registry)。其中服務(wù)使用者是使用服務(wù)的客戶端,可能是客戶應(yīng)用程序或另一個(gè)服務(wù)。它通過(guò)服務(wù)注冊(cè)中心查詢所需的服務(wù),通過(guò)接口來(lái)綁定并請(qǐng)求服務(wù);服務(wù)提供者是一個(gè)實(shí)現(xiàn)了某種功能服務(wù)實(shí)體,它接受和執(zhí)行來(lái)自使用者的請(qǐng)求;服務(wù)注冊(cè)中心實(shí)現(xiàn)了服務(wù)的注冊(cè),是服務(wù)發(fā)現(xiàn)的前提和基礎(chǔ)。

與傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)思想相比,面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)思想最大的特點(diǎn)是其用動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)綁定和執(zhí)行的松耦合模式代替了傳統(tǒng)軟件組件之間的緊耦合方式,從而容易實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的集成和資源的共享。

2.OGC OW S

面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)思想引起了地理信息領(lǐng)域相關(guān)組織和機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注,基于面向服務(wù)的架構(gòu)思想和Web Services技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的共享已成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

ISO/TC211明確提出了地理信息服務(wù)的概念并發(fā)布了《Geographic Infor mation-Services》(ISO 19119：2005)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)地理信息服務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)的定義和闡述。而開(kāi)放地理信息聯(lián)盟 (Open Geospatial Consortium,OGC)則進(jìn)一步結(jié)合Web Seriveces技術(shù)開(kāi)展了空間數(shù)據(jù)資源集成和互操作問(wèn)題的專(zhuān)門(mén)研究,提出了OWS(OGCWeb Services)框架。該框架是一個(gè)基于開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的在線信息服務(wù)框架,能夠無(wú)縫集成各種在線空間信息服務(wù),使得各種分布式空間處理系統(tǒng)能夠通過(guò)X ML和HTTP技術(shù)進(jìn)行交互,并為各種在線空間數(shù)據(jù)資源提供基于Web的發(fā)現(xiàn)、整合和互操作機(jī)制。

此外,OGC還定義了一系列支持空間數(shù)據(jù)共享的服務(wù)規(guī)范,包括網(wǎng)絡(luò)目錄服務(wù) (catalogue service for theWeb,CS W)規(guī)范、Web要素服務(wù) (Web feature service,WFS)規(guī)范、Web柵格服務(wù) (Web coverage service,WCS)規(guī)范和Web地圖服務(wù) (Web map service,WMS)規(guī)范等。OGC系列服務(wù)規(guī)范定義了在Web上共享數(shù)據(jù)和服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)接口?；诮涌跇?biāo)準(zhǔn),WMS、WCS等空間數(shù)據(jù)服務(wù)可以作為任何一個(gè)支持該標(biāo)準(zhǔn)的客戶應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源,換而言之,任何客戶應(yīng)用都可以基于接口標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)與空間數(shù)據(jù)服務(wù)的集成和互操作,從而屏蔽了對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)源訪問(wèn)的復(fù)雜性,實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的共享。

總的說(shuō)來(lái),面向服務(wù)的思想及Web Services技術(shù)的發(fā)展在空間地理信息領(lǐng)域產(chǎn)生了極大的影響,促使空間信息的應(yīng)用模式從封閉的地理信息系統(tǒng)走向了標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放的地理信息服務(wù)。

二、面向服務(wù)的空間數(shù)據(jù)共享模式研究

空間數(shù)據(jù)共享技術(shù)的發(fā)展同樣也引起了產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注和響應(yīng),OGC所定義的系列地理信息服務(wù)規(guī)范已經(jīng)得到了許多地理信息軟件廠商的支持。ERDAS已在其推出的 APOLLO系列軟件中實(shí)現(xiàn)了OGC CS W、WMS和WCS等。

1.ERDAS APPLLO Essentials-SD I簡(jiǎn)介

ERDASAPOLLO是集地理空間數(shù)據(jù)的處理、管理、發(fā)布和共享等各項(xiàng)功能為一體的系統(tǒng)級(jí)解決方案。其中 ERDAS APOLLO Essentials-SD I軟件提供了可管理和分發(fā)空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施。在支持空間數(shù)據(jù)共享方面,該軟件具有如下特點(diǎn)。

(1)采用標(biāo)準(zhǔn)和開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)

ERDAS APOLLO Essentials-SD I完全兼容 OGC和 ISO等空間地理信息領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),是一個(gè)支持服務(wù)互操作的平臺(tái),允許數(shù)據(jù)所有者在其組織內(nèi)部或與第三方以Web服務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

(2)支持?jǐn)?shù)據(jù)集成和互操作

能將空間數(shù)據(jù)發(fā)布為OWS,如WMS、WCS、WFS等。結(jié)合成熟的 G ML和 ISO 19115/19139元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),使得 ERDASAPOLLO Essentials-SD I能夠和任何支持這些標(biāo)準(zhǔn)的客戶應(yīng)用程序集成并實(shí)現(xiàn)互操作。

(3)支持對(duì)數(shù)據(jù)和服務(wù)的編目管理

SD I提供空間數(shù)據(jù)集及空間數(shù)據(jù)服務(wù)的注冊(cè)和編目管理,任何遵循OGC/ISO空間元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的空間數(shù)據(jù)集和兼容OGC數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范的服務(wù)都可以注冊(cè)到 ERDASAPOLLO Catalog服務(wù)中進(jìn)行編目管理,任何兼容OGC CS W協(xié)議的客戶端都可以基于該服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)和服務(wù)檢索。

2.基于 ERDAS APOLLO的空間數(shù)據(jù)共享

平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文基于面向服務(wù)的思想,將數(shù)據(jù)共享過(guò)程中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)獲取等行為抽象為服務(wù),以 ERDAS APOLLO Essentials-SD I系列軟件為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了空間數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。該平臺(tái)采用面向服務(wù)的體系架構(gòu),分為應(yīng)用層、空間數(shù)據(jù)服務(wù)層和數(shù)據(jù)資源層,如圖1所示。

圖 1 面向服務(wù)的空間數(shù)據(jù)共享平臺(tái)架構(gòu)

數(shù)據(jù)資源層：由各種空間數(shù)據(jù)及其管理系統(tǒng)構(gòu)成,在共享平臺(tái)中是原始數(shù)據(jù)源。

空間數(shù)據(jù)服務(wù)層：包括空間元數(shù)據(jù)服務(wù)和空間數(shù)據(jù)服務(wù)兩部分,在共享平臺(tái)中是數(shù)據(jù)使用者查詢和獲取數(shù)據(jù)的接口,是數(shù)據(jù)提供者提供數(shù)據(jù)的代理。

空間元數(shù)據(jù)服務(wù)層：包括數(shù)據(jù)集和數(shù)據(jù)服務(wù)的元數(shù)據(jù)注冊(cè)服務(wù),以及數(shù)據(jù)集查詢服務(wù)。注冊(cè)服務(wù)由數(shù)據(jù)提供者使用,用于注冊(cè)和更新有關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容和數(shù)據(jù)服務(wù)的元數(shù)據(jù);查詢服務(wù)由客戶應(yīng)用程序調(diào)用,用于搜索滿足要求的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)服務(wù)。

空間數(shù)據(jù)服務(wù)是數(shù)據(jù)所有者在線提供數(shù)據(jù)的具體形式,是數(shù)據(jù)使用者獲取數(shù)據(jù)的接口,由使用數(shù)據(jù)的客戶應(yīng)用程序調(diào)用以獲取所需的數(shù)據(jù)。

為使共享平臺(tái)具有開(kāi)放性和兼容性,空間數(shù)據(jù)服務(wù)層中的服務(wù)均遵循空間地理信息領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其中空間元數(shù)據(jù)服務(wù)基于APOLLO Essential-SD ICatalog軟件實(shí)現(xiàn),該功能基于 OGC CS W規(guī)范實(shí)現(xiàn)且支持 ISO 19115/19139元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。空間數(shù)據(jù)服務(wù)基于APOLLO Essentials-SD I,遵循OGC規(guī)范的WMS、WCS、WFS等服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用層：由各種使用空間數(shù)據(jù)的行業(yè)應(yīng)用程序構(gòu)成,在共享平臺(tái)中是數(shù)據(jù)服務(wù)的使用者。

3.基于面向服務(wù)架構(gòu)的空間數(shù)據(jù)共享模式

在上述共享架構(gòu)下,空間數(shù)據(jù)共享的實(shí)現(xiàn)模式如圖2所示。

1)數(shù)據(jù)服務(wù)提供者向元數(shù)據(jù)服務(wù) (APOLLO Catalog服務(wù))注冊(cè)數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)服務(wù)元數(shù)據(jù);

2)客戶應(yīng)用程序向元數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)出數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求;

3)元數(shù)據(jù)服務(wù) (APOLLO Catalog服務(wù))搜索后向客戶應(yīng)用程序返回滿足條件的數(shù)據(jù)服務(wù) (WCS/ WMS/WFS服務(wù))元數(shù)據(jù);

4)客戶應(yīng)用程序綁定數(shù)據(jù)服務(wù)并向數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求;

5)數(shù)據(jù)服務(wù)從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)中提取數(shù)據(jù),按照OGC相應(yīng)數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范的要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝后返回給客戶應(yīng)用程序;

6)客戶應(yīng)用程序解析服務(wù)響應(yīng)消息,獲取所需的數(shù)據(jù)。

圖 2 基于面向服務(wù)架構(gòu)的空間數(shù)據(jù)共享模式

三、試 驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所提出的面向服務(wù)的空間數(shù)據(jù)共享模式的可行性,本文依據(jù)上述設(shè)計(jì),依托 ERDAS APOLLO Essentials-SD I軟件實(shí)現(xiàn)了 CS W、WMS和WCS,同時(shí)基于OGC規(guī)范和 Geotools工具包設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了客戶端軟件,以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了面向服務(wù)的空間數(shù)據(jù)共享實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并基于該平臺(tái)進(jìn)行了空間數(shù)據(jù)共享試驗(yàn),試驗(yàn)環(huán)境如圖 3所示。

圖3 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)所采用的數(shù)據(jù)為某地區(qū) 1∶20萬(wàn)的矢量數(shù)據(jù)及 10m分辨率的 SPOT影像數(shù)據(jù),上述兩類(lèi)數(shù)據(jù)基于區(qū)域范圍劃分為了多個(gè)數(shù)據(jù)集。矢量數(shù)據(jù)集發(fā)布為WMS,影像數(shù)據(jù)集發(fā)布為WCS。依據(jù)OGC CS W規(guī)范核心元信息模型及 ISO 19115/19139元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義了數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)服務(wù)元數(shù)據(jù)并注冊(cè)到了試驗(yàn)平臺(tái)的目錄服務(wù)中。

試驗(yàn)中,客戶端將查詢參數(shù)封裝為符合OGC目錄服務(wù)接口規(guī)范的 SOAP消息,通過(guò) HTTP協(xié)議發(fā)送給元數(shù)據(jù)服務(wù) (Catalog Server);元數(shù)據(jù)服務(wù)查詢后將滿足條件的數(shù)據(jù)服務(wù)接口元數(shù)據(jù)封裝為 SOAP響應(yīng)消息返回給客戶端。當(dāng)需要矢量數(shù)據(jù)時(shí),客戶端按照WMS接口操作的要求構(gòu)造數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息,通過(guò) HTTP協(xié)議發(fā)送給WMS Server;需要影像數(shù)據(jù)時(shí),客戶端按照WCS接口操作的要求構(gòu)造數(shù)據(jù)請(qǐng)求消息,通過(guò) HTTP協(xié)議發(fā)送給WCS Server;客戶端解析服務(wù)響應(yīng)消息并獲取數(shù)據(jù),其界面如圖 4所示。

圖 4 空間數(shù)據(jù)共享試驗(yàn)客戶端界面截圖

四、結(jié)論及進(jìn)一步的研究方向

試驗(yàn)結(jié)果表明,依托Web Services技術(shù)跨平臺(tái)的特征及空間信息領(lǐng)域的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),本文所提出的面向服務(wù)的空間數(shù)據(jù)共享模式能夠集成分布式、異構(gòu)的空間數(shù)據(jù)資源,改善數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的效率,實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)資源的有效共享。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),OGC WCS、WMS等數(shù)據(jù)服務(wù)協(xié)議基于XML和HTTP協(xié)議來(lái)傳輸空間數(shù)據(jù),在傳輸遙感影像等大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)集時(shí)的效率較低,進(jìn)一步的研究將圍繞這一問(wèn)題而展開(kāi)。

(本專(zhuān)欄由徠卡測(cè)量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)