利用Web服務(wù)機(jī)制構(gòu)建艦載海洋綜合信息平臺(tái)

朱志明

(常州開(kāi)放大學(xué)，江蘇 常州213001)

0 引 言

海洋綜合信息平臺(tái)是最近出現(xiàn)的一種新型的、多功能的信息化海洋資源管理和環(huán)境監(jiān)視平臺(tái)，具有集成化程度高，功能多樣，實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，近年來(lái)被多個(gè)企業(yè)及政府應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)管，資源勘探，航運(yùn)管理等領(lǐng)域，取得了較好的效果。海洋綜合信息平臺(tái)的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)海洋管理數(shù)據(jù)匱乏，人員和資源開(kāi)銷(xiāo)大，實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，使得對(duì)于海洋的實(shí)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間管理成為可能［1－2］。

海洋安全對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)有著重要的意義，在廣闊的海域中，蘊(yùn)藏著豐富的漁業(yè)資源，石油資源和航道資源，無(wú)論對(duì)我國(guó)的能源戰(zhàn)略還是海上安全來(lái)說(shuō)，都有著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，南海、東海周邊海域摩擦沖突不斷，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和軍事利益不同程度受到了損失。造成這一現(xiàn)象的主要原因就在于，我國(guó)缺乏行之有效的手段，對(duì)海洋的各種資源和環(huán)境進(jìn)行高效的管理，多個(gè)部門(mén)之間的協(xié)調(diào)不暢，導(dǎo)致對(duì)于相關(guān)海域事態(tài)的發(fā)展缺乏及時(shí)的反饋，需要依靠較多的人力和船舶進(jìn)行實(shí)地勘探和考察，存在效率較低、時(shí)效性較差的問(wèn)題。

本文的目標(biāo)即在于利用Web服務(wù)機(jī)制［3］，對(duì)構(gòu)建艦載海洋綜合信息平臺(tái)的方法進(jìn)行研究，該平臺(tái)的功能主要有4個(gè)方面:1)集成多種數(shù)據(jù)的觀測(cè)和處理能力，如衛(wèi)星照片數(shù)據(jù)，模型仿真數(shù)據(jù)等;2)通過(guò)多種類(lèi)型數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，發(fā)掘數(shù)據(jù)的附加價(jià)值;3)為數(shù)據(jù)提供多種訪問(wèn)方式和可視化方法;4)為用戶提供可定制的，按需配置的功能和分析模型。

基于以上目的，本文對(duì)利用Web服務(wù)構(gòu)建艦載海洋綜合信息平臺(tái)的方法進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)平臺(tái)的基本框架和模塊結(jié)構(gòu)，研究實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能的關(guān)鍵技術(shù)，并采用實(shí)驗(yàn)證明本文提出的方法具有較好的可行性和豐富的功能性。最后，本文對(duì)下一步的工作進(jìn)行展望，給出該平臺(tái)的下一步發(fā)展方向，對(duì)今后各種海洋信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了良好的借鑒，同時(shí)也為我國(guó)領(lǐng)海的有效管理，提供一種行之有效的信息化手段。

1 綜合平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)

在本節(jié)中將對(duì)平臺(tái)的整體框架和各個(gè)模塊的功能進(jìn)行描述，本平臺(tái)采用B/S 模式工作組，組織為3 層模型，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合平臺(tái)基本框架Fig.1 The architecture of integrated platform

在本文設(shè)計(jì)的綜合信息平臺(tái)中，包含GIS服務(wù)器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器。Web服務(wù)器能夠?yàn)檫h(yuǎn)程客戶端的數(shù)據(jù)共享，提供一種非常有效的方法。Web服務(wù)器對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行翻譯，然后發(fā)送給GIS服務(wù)器，從而在GIS 系統(tǒng)的電子地圖上顯示合適的地圖文件，同時(shí)在GIS服務(wù)器中建立正確的模型。其中GIS服務(wù)器采用分布式的構(gòu)建方法，由一個(gè)服務(wù)對(duì)象管理模塊和多個(gè)服務(wù)對(duì)象容器組成。

1)數(shù)據(jù)服務(wù)器:數(shù)據(jù)服務(wù)器的功能為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的提取、處理、實(shí)時(shí)查詢(xún)和數(shù)據(jù)建模等功能。在數(shù)據(jù)服務(wù)器中所有的數(shù)據(jù)可以被分為3 種類(lèi)型:地理數(shù)據(jù)，擴(kuò)展數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)。其中地理數(shù)據(jù)是研究區(qū)域的水文、經(jīng)緯度、海拔等具體地理屬性值;擴(kuò)展數(shù)據(jù)包括Argo 數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)，海平面高度數(shù)據(jù)，海平面溫度數(shù)據(jù)，海平面鹽度數(shù)據(jù)和來(lái)自多個(gè)衛(wèi)星的潮汐數(shù)據(jù)等。以上數(shù)據(jù)類(lèi)型的元數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，一方面能夠用來(lái)對(duì)特定的數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行定義和描述，另一方面能夠按照規(guī)范的格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，進(jìn)而進(jìn)行有效的存儲(chǔ)。

2)Web服務(wù)器:Web服務(wù)器中駐留有用戶實(shí)際調(diào)用的Web 應(yīng)用和Web服務(wù)，這些應(yīng)用和服務(wù)以GIS 中的服務(wù)對(duì)象作為處理和操作對(duì)象。Web服務(wù)器的功能主要有4個(gè):首先，控制和處理數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)提取和數(shù)據(jù)輸出;第二，建立數(shù)據(jù)分析模型，并控制模型的運(yùn)行和結(jié)果的輸出;第三，為用戶提供良好的交互和監(jiān)控界面;第四，提供基于UDDI的Web服務(wù)注冊(cè)中心。當(dāng)用戶訪問(wèn)Web 客戶端或網(wǎng)站時(shí)，則Web服務(wù)器向用戶提供當(dāng)前可用的服務(wù)目錄，用戶可以利用相應(yīng)的工具調(diào)用或查看需要的服務(wù)。在整個(gè)服務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，客戶和Web服務(wù)器采用松耦合的模式進(jìn)行交互，有效地節(jié)省了系統(tǒng)資源的占用。

3)GIS服務(wù)器:GIS服務(wù)器是一種分布式的系統(tǒng)，有若干分布在不同位置的服務(wù)器組成。每個(gè)服務(wù)器均能夠獨(dú)立運(yùn)行各自的功能，例如管理、激活、刪除和調(diào)整分配給不同服務(wù)對(duì)象的資源等。服務(wù)對(duì)象是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是對(duì)服務(wù)作用對(duì)象的抽象，可以是具體的船舶、艦隊(duì)、資源等，也可以是抽象的通信信號(hào)，雷達(dá)回波等，服務(wù)對(duì)象運(yùn)行在GIS服務(wù)器中。服務(wù)器中運(yùn)行的具體應(yīng)用，利用GIS服務(wù)器中提供的多種工具，對(duì)服務(wù)對(duì)象進(jìn)行操作。由于本文提出的平臺(tái)框架基于Web服務(wù)，因此所有的服務(wù)對(duì)象均需要以Web服務(wù)的形式進(jìn)行封裝，同時(shí)GIS 系統(tǒng)的功能也需要通過(guò)Web服務(wù)與用戶交互。GIS服務(wù)器由服務(wù)對(duì)象管理模塊(SOM)和服務(wù)對(duì)象容器(SOC)組成。SOM 對(duì)分布于不同服務(wù)器中的服務(wù)對(duì)象集合進(jìn)行管理，SOC 存儲(chǔ)服務(wù)對(duì)象的實(shí)例。

2 系統(tǒng)工作流程

如圖2所示，用戶通過(guò)Web 終端或?yàn)g覽器登陸網(wǎng)站，通過(guò)目錄選取可用的服務(wù)和Web 應(yīng)用，將自身需求提交給Web服務(wù)器。Web服務(wù)器從各個(gè)GIS服務(wù)器中調(diào)用GIS 功能和服務(wù)對(duì)象，并利用Web服務(wù)器中的模型將各個(gè)服務(wù)對(duì)象進(jìn)行集成，在Web 應(yīng)用中使用。例如用戶需要查看南海某海域的漁船情況，GIS服務(wù)器1 運(yùn)行有漁業(yè)GIS 系統(tǒng)，GIS服務(wù)器2 運(yùn)行有海洋環(huán)境GIS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。則Web服務(wù)器分別從GIS服務(wù)器1 中調(diào)用漁業(yè)GIS 中的相關(guān)功能和漁船的服務(wù)對(duì)象，從GIS服務(wù)器2 中調(diào)用海洋環(huán)境GIS 中對(duì)應(yīng)海域的服務(wù)對(duì)象，結(jié)合數(shù)據(jù)服務(wù)器中的相關(guān)數(shù)據(jù)，則能夠在Web 應(yīng)用中綜合顯示對(duì)應(yīng)區(qū)域的海況和具體漁船情況。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 The workflow of the system

3 原型系統(tǒng)應(yīng)用

Web 客戶端采用C#語(yǔ)言，在.NET 平臺(tái)中進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用ArcGIS服務(wù)器作為數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的工具。ArcGIS服務(wù)器能夠以Web服務(wù)的方式創(chuàng)建、管理、分發(fā)GIS服務(wù)，從而支持桌面，移動(dòng)和Web 平臺(tái)上的地圖應(yīng)用。在本節(jié)中，我們將采用2個(gè)典型應(yīng)用，說(shuō)明本文提出的綜合信息平臺(tái)具有較好的可行性和可用性［4］。

3.1 實(shí)時(shí)Argo 數(shù)據(jù)可視化和分析

Argo (Array of temperature/salinity profiling floats)已經(jīng)逐漸成為全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)的主要工具。在Web 終端上，我們開(kāi)發(fā)了一款在線近實(shí)時(shí)的Argo 數(shù)據(jù)可視化和分析應(yīng)用。這一應(yīng)用用于向用戶展示Argo 浮標(biāo)所收集的數(shù)據(jù)、狀態(tài)，并對(duì)Argo 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，其主界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程圖Fig.3 The workflow of the system

以每天的頻率從中國(guó)Argo 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心下載Argo 數(shù)據(jù)，將下載的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為GIS 數(shù)據(jù)格式，然后將轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)封裝為Web服務(wù)。

3.2 遠(yuǎn)程傳感器監(jiān)測(cè)

遠(yuǎn)程傳感器監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為了一種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境的有效手段，用于考察海平面的鹽度、流速等，同時(shí)也用于監(jiān)測(cè)海平面附近的大氣情況。例如，當(dāng)前已經(jīng)部署的MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)傳感器網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)就用來(lái)使科研人員進(jìn)一步了解海洋在全球氣候變化中所起的重要作用。

本文采用1個(gè)月1 次的頻率，從網(wǎng)站http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/中下載MODIS SST 數(shù)據(jù)。為了能夠在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中顯示和集成處理該數(shù)據(jù)，必須對(duì)MODIS SST 數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，該過(guò)程如圖4所示，然后將預(yù)處理的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為GIS 數(shù)據(jù)格式 (geodatabase)。最后，被轉(zhuǎn)化完成的數(shù)據(jù)被封裝為Web服務(wù)提供給用戶使用。通過(guò)使用動(dòng)態(tài)Web 地圖服務(wù)，用戶可以使用通用Web瀏覽器查看海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，而不要安裝單獨(dú)的GIS 軟件包［5］。

通過(guò)以上的預(yù)處理過(guò)程，可以將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS 系統(tǒng)能夠理解和使用的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，其他類(lèi)型數(shù)據(jù)的處理過(guò)程與此類(lèi)似。

圖4 SST 預(yù)處理過(guò)程Fig.4 The pre-processing of SST data

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)海洋綜合信息平臺(tái)需求的深入研究，利用Web服務(wù)機(jī)制構(gòu)建了艦載的海洋綜合信息平臺(tái)，設(shè)計(jì)了該平臺(tái)的基本框架，并對(duì)其中的關(guān)鍵模塊，工作流程，使用機(jī)制等進(jìn)行了描述和研究，并依托實(shí)際案例，介紹了該信息平臺(tái)在具體應(yīng)用場(chǎng)景中所發(fā)揮的重要作用，證明了本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)一方面充分發(fā)揮了Web服務(wù)靈活、方便、可定制的特點(diǎn)，另一方面能夠綜合利用各種GIS 系統(tǒng)，完全發(fā)揮各種GIS 在功能上的優(yōu)勢(shì)，具有較好的可行性和可用性，為今后類(lèi)似平臺(tái)的構(gòu)建提供了重要參考。需要注意的是，本文提出的海洋綜合信息平臺(tái)，具有較為通用的架構(gòu)和功能，不僅適用于南海、東海海域，還能夠適用于我國(guó)的大部分海域，在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮作用。除此之外，為了進(jìn)一步維護(hù)我國(guó)的海洋利益，本文提出的平臺(tái)還有進(jìn)一步完善的地方，下一步的工作將主要從以下2個(gè)方面入手。

1)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與可視化

海洋環(huán)境的變化是一個(gè)受到多種因素影響的3－D 隨機(jī)變化過(guò)程，為了更加深入地研究海洋，理解在時(shí)間序列下，各種因素相互作用的機(jī)理，必須對(duì)特定時(shí)間海洋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行記錄，進(jìn)行建模，然后對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)這一時(shí)空變化過(guò)程進(jìn)行可視化。而3－D 可視化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的一種重要工具，通過(guò)實(shí)時(shí)采集海洋環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行3－D 數(shù)據(jù)建模和可視化，能夠使得研究人員更加深入地了解海洋變化的時(shí)空分布特征。

2)將平臺(tái)向云計(jì)算環(huán)境遷移

云計(jì)算技術(shù)是一種集約化、按需分發(fā)的IT 技術(shù)，具有靈活性好，資源利用率高等優(yōu)勢(shì)，并且逐漸成為IT 技術(shù)發(fā)展的一種關(guān)鍵技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)仍然采用傳統(tǒng)的B/S 架構(gòu)，其靈活性和可擴(kuò)展性仍然受到了較大的制約，在下一步的工作中，若能夠?qū)⒃撈脚_(tái)遷移到合適的云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行部署，則能夠大大減小本平臺(tái)的使用開(kāi)銷(xiāo)，并能夠集成更加豐富的功能，使得本平臺(tái)能夠滿足更加多樣化的需求。

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