基于SOA架構(gòu)的遙感產(chǎn)品在線定制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

李若鷺，張靜，劉士彬，段建波

(中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094)

1 引 言

經(jīng)過(guò)近40多年的發(fā)展，遙感技術(shù)已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于推動(dòng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)進(jìn)步、環(huán)境改善和國(guó)防建設(shè)起到重大作用。與此同時(shí)，得益于航空和航天技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)正向三多(多傳感器、多平臺(tái)、多角度)和三高(高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)相分辨率)方向發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)量正以每天TB級(jí)的速度在增長(zhǎng)[1]。海量的遙感數(shù)據(jù)能夠在社會(huì)不同領(lǐng)域發(fā)揮不可替代的作用，然而，由于不同領(lǐng)域的需求多樣化，用戶需要應(yīng)用的算法模型的多樣性，如何能從海量的遙感數(shù)據(jù)中快速的生產(chǎn)出滿足用戶需求的產(chǎn)品便成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)的方法必須從海量的數(shù)據(jù)源中選擇所需要的數(shù)據(jù)，然后為了生產(chǎn)出滿意的產(chǎn)品則必須將多種的、復(fù)雜的遙感算法模型應(yīng)用到這些數(shù)據(jù)中。這種方式雖然可行，卻復(fù)雜繁瑣。而工作流技術(shù)作為現(xiàn)代企業(yè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程管理與過(guò)程控制的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，能夠?yàn)檫b感產(chǎn)品的生產(chǎn)定義一套統(tǒng)一的模型表達(dá)和實(shí)現(xiàn)，能夠快速地生產(chǎn)出所需的遙感產(chǎn)品[2]。Fearns Peter就曾提出過(guò)一個(gè)基于工作流技術(shù)的遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得非技術(shù)型的用戶可以方便地對(duì)海量的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)、處理和分析[3]。

目前雖然存在著有許多開(kāi)源的工作流產(chǎn)品，如fireflow、Willow、workflow、JBPM等，而且也有許多基于BPM的可視化和處理流程的研究和實(shí)現(xiàn)[4]，但如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能齊全的工作流系統(tǒng)依然存在著很大的挑戰(zhàn)。因?yàn)橐勒諅鹘y(tǒng)的軟件的架構(gòu)方法，系統(tǒng)往往會(huì)在構(gòu)建過(guò)程中變得緊密耦合而且難于擴(kuò)展和維護(hù)，遙感產(chǎn)品在線定制系統(tǒng)由于自身的復(fù)雜性也存在著同樣的問(wèn)題，所以本文引入SOA來(lái)解決軟件架構(gòu)不夠靈活的問(wèn)題。

企業(yè)服務(wù)總線(Service Oriented Architecture，SOA)最早于1996年被Gartner公司提出，旨在以服務(wù)的方式來(lái)架構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)，它將系統(tǒng)看成由服務(wù)的調(diào)用和服務(wù)的實(shí)現(xiàn)所組成[5]，為本文提出了一個(gè)架構(gòu)系統(tǒng)的新思路。本文將針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行探討和研究，結(jié)合SOA的思想，提出一個(gè)基于SOA架構(gòu)體系的遙感產(chǎn)品在線定制系統(tǒng)。

2 技術(shù)介紹

2.1 工作流技術(shù)

工作流的概念起源于生產(chǎn)組織和辦公自動(dòng)化領(lǐng)域，是針對(duì)日常工作中具有固定程序活動(dòng)而提出的一個(gè)概念，它是一種計(jì)算機(jī)化的過(guò)程表示模型，定義了完成整個(gè)過(guò)程所需要的各種參數(shù)，這些參數(shù)包括對(duì)過(guò)程中每一個(gè)單獨(dú)步驟的定義、步驟間執(zhí)行順序、條件以及數(shù)據(jù)流的建立、每一步驟由誰(shuí)負(fù)責(zé)以及每個(gè)活動(dòng)所需要的應(yīng)用程序[2]。工作流是計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作的一部分，它包含有兩個(gè)部分：工作流模型和工作流的實(shí)現(xiàn)[6]。工作模型即對(duì)工作流的抽象表示，由于工作流需要同時(shí)面對(duì)計(jì)算機(jī)環(huán)境和用戶，因此一個(gè)可以清晰表達(dá)工作流的模型是必不可少的，在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)中，這些模型多為流程圖的形式。工作流的實(shí)現(xiàn)則是將抽象的、圖形化的工作流模型映射為實(shí)際的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，即需要處理工作流各個(gè)步驟之間的通信以及確定系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間的協(xié)作，最終完成工作流所定義的程序活動(dòng)。

2.2 面向服務(wù)的架構(gòu)

面向服務(wù)的架構(gòu)(Service Oriented Architecture，SOA)最早由Gartner公司與1996年提出，Gartner將SOA定義為一個(gè)從接口定義開(kāi)始的軟件架構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由這些結(jié)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接口的實(shí)現(xiàn)以及接口的調(diào)用所實(shí)現(xiàn)[7-8]。它是一套結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的方法學(xué)，旨在降低系統(tǒng)內(nèi)的偶合程度。在此定義之下，接口、接口的實(shí)現(xiàn)、接口的調(diào)用分別理解為服務(wù)的描述、服務(wù)的實(shí)現(xiàn)以及服務(wù)的調(diào)用，它將整個(gè)系統(tǒng)看成是由服務(wù)所組成的[9]。在SOA架構(gòu)中，分布在網(wǎng)絡(luò)中的軟件資源都看成是服務(wù)，這些服務(wù)是從需求開(kāi)始的，而非從技術(shù)開(kāi)始。因此，SOA擺脫了面向技術(shù)的解決方案，朝著面向服務(wù)發(fā)展。同傳統(tǒng)架構(gòu)相比，SOA更有彈性，能夠更快地響應(yīng)業(yè)務(wù)需求，使得系統(tǒng)更加靈活。通過(guò)制定統(tǒng)一的服務(wù)接口，由服務(wù)的定義和服務(wù)的實(shí)現(xiàn)來(lái)構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)將使得整個(gè)系統(tǒng)擁有更大的靈活程度及敏捷性，極大地增加系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。

3 基于SOA架構(gòu)的遙感產(chǎn)品在線定制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功能的設(shè)計(jì)

從用戶的角度出發(fā)，希望通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)界面訪問(wèn)遙感產(chǎn)品在線定制系統(tǒng)，同時(shí)，用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的繪制生產(chǎn)流程圖來(lái)描述所需要的產(chǎn)品，系統(tǒng)會(huì)對(duì)這個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行驗(yàn)證、管理、執(zhí)行，并及時(shí)向用戶反饋執(zhí)行結(jié)果。因此，本文定義了一些基本的流程圖要素，這些要素可以組成復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)流程，如表1所示。

表1 流程圖基本組成元素表

一個(gè)復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)流程必須擁有一個(gè)開(kāi)始節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)或多個(gè)結(jié)束節(jié)點(diǎn)，而算法節(jié)點(diǎn)則表示是一個(gè)遙感算法模型。從精確定義上說(shuō)，遙感算法模型是指運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等多種方法，以及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感數(shù)據(jù)源進(jìn)行處理、分析、解譯等目標(biāo)的算法或者模型；而從廣義上說(shuō)，遙感算法模型包含輸入、輸出和處理的遙感數(shù)據(jù)過(guò)程，它是一個(gè)黑箱，用戶向其輸入算法參數(shù)，而得到處理結(jié)果，用戶并不關(guān)心算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。從某種意義上說(shuō)，一個(gè)用戶自定義的完整流程也可以被看作是一個(gè)算法節(jié)點(diǎn)，它同樣是由輸入?yún)?shù)得到輸出結(jié)果的過(guò)程，因此，在本系統(tǒng)中流程是可以嵌套的。也就是說(shuō)，一個(gè)定義良好的流程可以作為子流程在其他更加復(fù)雜的流程中充當(dāng)算法節(jié)點(diǎn)。這個(gè)特點(diǎn)也使定制復(fù)雜的流程變得簡(jiǎn)潔而且高效。

而流程執(zhí)行路由、分支、結(jié)合則是連接其他各個(gè)元素的元素，它們標(biāo)識(shí)了生產(chǎn)流程的執(zhí)行過(guò)程以及各個(gè)元素之間的關(guān)系。流程執(zhí)行路由連接各個(gè)其他元素，標(biāo)識(shí)著流程執(zhí)行的方向；分支節(jié)點(diǎn)則表示流程執(zhí)行在通過(guò)該節(jié)點(diǎn)之后將會(huì)分為多個(gè)執(zhí)行方向并行處理；結(jié)合節(jié)點(diǎn)則會(huì)將結(jié)合多個(gè)并行執(zhí)行的流程方向，將其結(jié)合為一個(gè)方向。

用戶可以利用這些基本的流程圖要素來(lái)繪制各種復(fù)雜的流程圖，這個(gè)流程圖能夠描述用戶的生產(chǎn)需求，而且能被系統(tǒng)識(shí)別并且最終執(zhí)行。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)出一個(gè)滿足以上需求的遙感產(chǎn)品定制系統(tǒng)，本文將遙感產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)模型分成流程模型、流程實(shí)例模型、算法模型和參數(shù)模型。一個(gè)數(shù)據(jù)模型定義了一類數(shù)據(jù)的組織存儲(chǔ)方式以及相關(guān)的操作方法。流程模型即用戶自定義流程的相關(guān)信息和操作；流程實(shí)例模型是一個(gè)具體流程被提交生產(chǎn)之后的信息表達(dá)；流程是由多個(gè)不同的處理算法組成的，因此算法模型則是存儲(chǔ)算法信息的數(shù)據(jù)模型；而參數(shù)模型則描述了某一個(gè)具體的算法輸入、輸出的參數(shù)信息。

而為了使系統(tǒng)本身不會(huì)隨著擴(kuò)展變得臃腫，本文將采用一種基于SOA的架構(gòu)，將這些數(shù)據(jù)模型相關(guān)的功能封裝起來(lái)，形成一個(gè)基礎(chǔ)服務(wù)層，對(duì)外僅表現(xiàn)為服務(wù)的調(diào)用接口，對(duì)內(nèi)則管理并且實(shí)現(xiàn)這些具體服務(wù)。通過(guò)建立此基礎(chǔ)服務(wù)層，把系統(tǒng)中重用性很高的功能都封裝為服務(wù)，而系統(tǒng)的其他部分則只需調(diào)用這些服務(wù)而不必考慮實(shí)現(xiàn)過(guò)程。因此，在此基礎(chǔ)服務(wù)層之上可以不斷擴(kuò)展系統(tǒng)功能的同時(shí)保持系統(tǒng)的靈活性。

如圖1所示，系統(tǒng)共分為3層：Web表現(xiàn)層、流程生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)層和基礎(chǔ)服務(wù)層。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

3.2.1 Web表現(xiàn)層

Web表現(xiàn)層即整個(gè)遙感產(chǎn)品定制系統(tǒng)的UI界面，是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口、整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)層模型。主要涉及到兩個(gè)主要的功能：業(yè)務(wù)邏輯模塊和在線流程制定模塊。

業(yè)務(wù)邏輯模塊負(fù)責(zé)為用戶提供統(tǒng)一的Web界面，使用戶可與遙感產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行交互，該模塊提供了一些基本功能來(lái)滿足用戶對(duì)自身信息的管理和維護(hù)，如查看用戶自定義的流程信息、添加算法等。

流程定制模塊向用戶提供繪制流程圖的功能，采用Flex實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的拖拽來(lái)自定義一個(gè)生產(chǎn)流程。該模塊同時(shí)會(huì)將圖形化的流程圖映射為流程數(shù)據(jù)模型并驗(yàn)證流程圖的合法性。

3.2.2 流程生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)層

流程生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)層，其核心功能是執(zhí)行用戶在客戶端定制的數(shù)據(jù)處理工作流程，該層由任務(wù)調(diào)度、解析流程信息、生產(chǎn)流程和反饋運(yùn)行狀態(tài)4個(gè)部分組成。它需要通過(guò)基礎(chǔ)服務(wù)層獲得需要處理的流程信息，然后通過(guò)任務(wù)調(diào)度模塊來(lái)對(duì)這些待處理流程進(jìn)行調(diào)度；在生產(chǎn)過(guò)程中，流程生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)層需要解析從基礎(chǔ)服務(wù)層獲取到的生產(chǎn)流程描述信息，將靜態(tài)的流程描述信息映射為一個(gè)可運(yùn)行的流程實(shí)現(xiàn)；之后，按照這個(gè)流程的實(shí)現(xiàn)來(lái)生產(chǎn)流程，即調(diào)用合適的遙感數(shù)據(jù)算法，將這些算法應(yīng)用到相應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)之上來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，得到產(chǎn)品數(shù)據(jù)；在整個(gè)生產(chǎn)的過(guò)程中，還需通過(guò)調(diào)用基礎(chǔ)服務(wù)層的相關(guān)服務(wù)來(lái)實(shí)時(shí)反饋流程的執(zhí)行狀態(tài)。該層主要解決如何運(yùn)用工作流技術(shù)實(shí)現(xiàn)描述性的工作流流程信息到具體的工作流運(yùn)行實(shí)現(xiàn)的映射。

3.2.3 基礎(chǔ)服務(wù)層

Web應(yīng)用層主要是用JAX-WS(Java API for XML Web Services)開(kāi)發(fā)的一系列Web Service，用于滿足其他之上的層所需的一些功能，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中重用度比較高的業(yè)務(wù)邏輯功能。Web服務(wù)層是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中的服務(wù)提供者，它將系統(tǒng)中的資源封裝成為服務(wù)。同時(shí)，向下它通過(guò)持久訪問(wèn)層與數(shù)據(jù)庫(kù)打交道，從而將系統(tǒng)的其他層與數(shù)據(jù)庫(kù)細(xì)節(jié)隔離開(kāi)來(lái)。由于其他層中的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能以及相關(guān)的流程信息的具體存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)功能封裝在此層中，因此其他層可以更加專注于本身業(yè)務(wù)邏輯的處理，而不必關(guān)注繁瑣的細(xì)節(jié)。作為一個(gè)SOA架構(gòu)體系中的服務(wù)層，基礎(chǔ)服務(wù)層為其上層提供了基礎(chǔ)的功能，并且負(fù)責(zé)管理基礎(chǔ)服務(wù)，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層。為系統(tǒng)提供全面的服務(wù)以及管理的便利性，根據(jù)遙感產(chǎn)品定制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，將整個(gè)基礎(chǔ)服務(wù)層分為4個(gè)模塊：算法服務(wù)，算法參數(shù)服務(wù)，流程服務(wù)和流程實(shí)例服務(wù)。這4個(gè)模塊分別提供了與相應(yīng)數(shù)據(jù)模型模型相關(guān)的功能：算法服務(wù)提供了注冊(cè)算法、查詢算法以及修改算法的功能；算法參數(shù)服務(wù)提供了對(duì)算法的輸入、輸出參數(shù)的類型進(jìn)行定制的功能，即某些算法可能需要參數(shù)為特定格式的圖像，可以通過(guò)算法參數(shù)服務(wù)來(lái)注冊(cè)新的參數(shù)類型；流程服務(wù)則管理所有的用戶流程，包括流程的存儲(chǔ)，流程的查詢檢索以及流程的修改等功能；流程實(shí)例服務(wù)為管理正在運(yùn)行的流程提供相應(yīng)的功能，主要提供用來(lái)查詢和控制正在運(yùn)行的流程實(shí)例的功能。

在這樣一個(gè)設(shè)計(jì)之中，基礎(chǔ)服務(wù)層將整個(gè)系統(tǒng)中涉及到底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)邏輯的功能作為服務(wù)提供給其他層次，是SOA架構(gòu)體系中的服務(wù)提供者。而上層的Web表現(xiàn)層和流程生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)層則是服務(wù)使用者，它們不用關(guān)心如何實(shí)現(xiàn)某一特定功能，只需要調(diào)用基礎(chǔ)服務(wù)層的相關(guān)服務(wù)來(lái)完成這一功能即可。此設(shè)計(jì)可以使得服務(wù)的使用者不用關(guān)心其職責(zé)之外的事，而達(dá)到職責(zé)的單一化來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的松耦合[10]。如Web表現(xiàn)層是用于顯示流程信息，并給用戶提供操作接口，它并不關(guān)心底層是如何存儲(chǔ)用戶流程信息的，這些底層的存儲(chǔ)功能都是由基礎(chǔ)服務(wù)層實(shí)現(xiàn)并且以Web Service的形式提供。

4 基于SOA架構(gòu)的遙感產(chǎn)品在線定制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境

本系統(tǒng)大部分由Java以及Java相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可以在任何操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)，考慮到運(yùn)行的可靠性，本文采用的操作系統(tǒng)是Ubuntu Linux。其中，Web表現(xiàn)層主要用Flex4以及SSH架構(gòu)(Structs+Sping+Hibernate)實(shí)現(xiàn)；生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)主要采用JBPM5.3實(shí)現(xiàn)；基礎(chǔ)服務(wù)層采用JAX-WS(Java API for XML Web Services)實(shí)現(xiàn)；后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用MYSQL；搭載整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的Web應(yīng)用服務(wù)器是Tomcat。從用戶的角度看這是一個(gè)B/S架構(gòu)的系統(tǒng)，只要擁有主流的瀏覽器即可訪問(wèn)系統(tǒng)。如表2所示。

表2 基本軟硬件配置環(huán)境一覽

4.2 系統(tǒng)的功能展示

圖2 系統(tǒng)界面預(yù)覽

系統(tǒng)的Web界面(圖2)，是用戶和系統(tǒng)之間的接口，它為用戶提供了遙感產(chǎn)品流程的在線定制、遙感算法的在線注冊(cè)與管理、產(chǎn)品流程的管理與查詢等功能，并能在線提交遙感產(chǎn)品流程，以驅(qū)動(dòng)后臺(tái)核心工作流引擎進(jìn)行實(shí)時(shí)生產(chǎn)。

圖3是用戶繪制的一個(gè)簡(jiǎn)單的遙感產(chǎn)品生產(chǎn)流程，開(kāi)始節(jié)點(diǎn)標(biāo)示著流程執(zhí)行的開(kāi)始，結(jié)束節(jié)點(diǎn)標(biāo)示著流程執(zhí)行的結(jié)束，中間兩個(gè)節(jié)點(diǎn)是組成該流程的兩個(gè)算法：NDVI算法和可視化NDVI算法。

用戶在繪制完成流程圖之后，系統(tǒng)將會(huì)驗(yàn)證流程圖的正確性，通過(guò)驗(yàn)證的流程圖即可進(jìn)入生產(chǎn)階段，在進(jìn)行生產(chǎn)之前，用戶應(yīng)該表明流程的輸入?yún)?shù)(在本例中即選擇預(yù)處理的遙感數(shù)據(jù))。而且用戶可以上傳需要處理的影像作為輸入?yún)?shù)。

圖3 流程繪制一覽圖

用戶提交生產(chǎn)的流程將會(huì)被系統(tǒng)后臺(tái)調(diào)度執(zhí)行，在流程的執(zhí)行過(guò)程中，系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)監(jiān)控界面，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控流程的執(zhí)行情況，如圖4所示，流程正執(zhí)行到NDVI的處理。在流程執(zhí)行結(jié)束后，生產(chǎn)結(jié)果將會(huì)向用戶反饋，目前本系統(tǒng)會(huì)像用戶發(fā)送一個(gè)URL地址，其中存儲(chǔ)了流程執(zhí)行的最終結(jié)果。

圖4 流程執(zhí)行過(guò)程監(jiān)控

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了基于工作流技術(shù)和SOA技術(shù)解決批量生產(chǎn)遙感產(chǎn)品的一種方式，通過(guò)構(gòu)建一個(gè)基于SOA的遙感產(chǎn)品在線定制系統(tǒng)，可以滿足不同行業(yè)需求快速的生產(chǎn)出所需的遙感產(chǎn)品。本文設(shè)計(jì)的基于SOA的遙感產(chǎn)品定制系統(tǒng)擁有極大的靈活和擴(kuò)展性，整個(gè)系統(tǒng)處于一種松耦合和易于擴(kuò)展的狀態(tài)；它為用戶提供了一個(gè)易于理解的流程描述模型，同時(shí)借助于JBPM工作流引擎能夠快速實(shí)現(xiàn)用戶定制的流程、生產(chǎn)出遙感產(chǎn)品。對(duì)有著不同需求的不同行業(yè)內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)批量化、自動(dòng)化生產(chǎn)有一定借鑒意義。

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