面向服務(wù)架構(gòu)的高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺

姜　俊　孫中平　王昌佐　游代安　曹　飛　張　雪

(環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京　100094)

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面向服務(wù)架構(gòu)的高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺

姜俊孫中平王昌佐游代安曹飛張雪

(環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京100094)

【摘要】針對環(huán)境應(yīng)用平臺建設(shè)過程中面臨的軟件復(fù)用程度低、開發(fā)效率低以及開發(fā)費用過高等問題，提出以面向服務(wù)架構(gòu)方式構(gòu)建高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺框架，并以功能插件模型和工作流模型構(gòu)建細粒度平臺服務(wù)，開展了功能插件框架設(shè)計、工作流框架設(shè)計及面向服務(wù)架構(gòu)框架等關(guān)鍵技術(shù)點研究，最后通過平臺實踐驗證了平臺設(shè)計的可行性。高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺實現(xiàn)了高分遙感影像數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、環(huán)境應(yīng)用專題產(chǎn)品制作以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)等方面的應(yīng)用，形成“天-空-地”一體化環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)化的協(xié)同應(yīng)用模式，為高分及其它多源遙感數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測中的有效應(yīng)用提供技術(shù)示范，全面提升了我國環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測能力和技術(shù)水平。

【關(guān)鍵詞】插件；工作流；面向服務(wù)架構(gòu)；軟件復(fù)用；高分環(huán)境遙感應(yīng)用

1引言

隨著高分辨衛(wèi)星數(shù)據(jù)的日益豐富與各行各業(yè)對高分數(shù)據(jù)應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，基于高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)模越來越大，復(fù)雜性也越來越高，尤其是面對web服務(wù)軟件開發(fā)，傳統(tǒng)的軟件開發(fā)技術(shù)與方法逐漸凸顯不足。高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)行業(yè)應(yīng)用要求系統(tǒng)開發(fā)能夠聚集不同來源的應(yīng)用模塊，提高軟件復(fù)用率，并且保持系統(tǒng)開放性，以適應(yīng)不斷擴充的新的衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用需求[1-4]。

高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺需要基于高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)環(huán)境行業(yè)應(yīng)用需求，集成高分圖像處理應(yīng)用示范系統(tǒng)、高分大氣環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范系統(tǒng)、高分水環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范系統(tǒng)、高分生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測應(yīng)用示范系統(tǒng)等不同單位開發(fā)的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，并且保持平臺可擴展性，以滿足不斷增加的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的利用與業(yè)務(wù)功能需求。

本文提出以面向服務(wù)架構(gòu)模式構(gòu)建高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺，并采用插件技術(shù)、工作流技術(shù)等方法增加模塊開發(fā)敏捷性，實現(xiàn)系統(tǒng)模塊的復(fù)用性，并保持示范平臺的可擴展性。

2相關(guān)技術(shù)原理

2.1SOA原理

SOA(面向服務(wù)架構(gòu))是一種設(shè)計原則規(guī)范，其目標在于以服務(wù)為基礎(chǔ)組件構(gòu)造系統(tǒng)邏輯，為復(fù)雜系統(tǒng)提供互操作性。它把具體的業(yè)務(wù)邏輯和流程屏蔽，暴露出用戶可用的行為集合。SOA是一種原則而非技術(shù)，其優(yōu)勢在于提供更好的代碼重用，擴展延伸性，同時降低與服務(wù)的耦合。SOA交互依賴于服務(wù)契約和數(shù)據(jù)契約，而并不關(guān)心服務(wù)的內(nèi)部實現(xiàn)。SOA具有以下特點：①可重用性，一個服務(wù)創(chuàng)建后可用于多個系統(tǒng)和業(yè)務(wù)流程。②松耦合性，每個服務(wù)都是獨立的，服務(wù)請求者到服務(wù)提供者的綁定也是松耦合的，因此，服務(wù)請求者只需要根據(jù)接口原則進行交互，不需要知道服務(wù)提供者實現(xiàn)的技術(shù)細節(jié)。③明確定義的接口，面向服務(wù)的一個重要目標就是互操作，服務(wù)交互原則必須是明確定義的，接口原則使得使用者只關(guān)心服務(wù)如何調(diào)用。④無狀態(tài)的服務(wù)設(shè)計，服務(wù)應(yīng)該是獨立無狀態(tài)的，不依賴于其他服務(wù)的上下文和狀態(tài)[5-6]。

2.2面向服務(wù)架構(gòu)層次

面向服務(wù)架構(gòu)層次如圖1所示。插件層是平臺具體功能的實現(xiàn)實體，每個插件封裝了一個細粒度功能。細粒度服務(wù)層是對插件層的封裝，每個插件可以看作是一個細粒度服務(wù)的實現(xiàn)。工作流層是根據(jù)平臺業(yè)務(wù)實現(xiàn)流程，對不同插件進行聚合，實現(xiàn)更大粒度的系統(tǒng)功能。服務(wù)整合層是對工作流進行封裝，形成服務(wù)提供給用戶。

圖1　面向服務(wù)架構(gòu)層次圖

3平臺架構(gòu)設(shè)計

3.1平臺分層設(shè)計

高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺基于面向服務(wù)架構(gòu)原理，采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖2所示。平臺以數(shù)據(jù)標準、接口標準等標準與規(guī)范為基礎(chǔ)，分為軟硬件資源層、數(shù)據(jù)資源層、插件資源層、工作流資源層、服務(wù)資源層和用戶層。

軟硬件資源層主要指支撐系統(tǒng)運行的軟件和硬件設(shè)備，主要包括服務(wù)器、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等必須的硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等支撐系統(tǒng)運行必備的軟件。數(shù)據(jù)資源層為平臺提供數(shù)據(jù)支撐，主要包括高分遙感影像數(shù)據(jù)庫，生態(tài)、大氣、水等專題產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，元數(shù)據(jù)庫、管理信息庫等支撐數(shù)據(jù)庫。插件資源層以平臺業(yè)務(wù)需求為根據(jù)，將功能簡單、復(fù)用度高的軟件資源封裝為插件，可重復(fù)調(diào)用，為上層的工作流資源層提供功能支撐，如用于大氣遙感監(jiān)測的SO2反演插件、NO2反演插件，用于水遙感監(jiān)測的水華提取插件、懸浮物濃度反演插件，用于生態(tài)遙感監(jiān)測的植被覆蓋度計算插件、景觀多樣性指數(shù)計算插件。工作流資源層是在插件資源層基礎(chǔ)上，對軟件代碼資源的粗粒度封裝，形成具有一定業(yè)務(wù)功能、復(fù)用度較高的工作流資源，如NO2專題圖制圖工作流、水華分布制圖工作流、自然保護區(qū)生態(tài)分類工作流等。服務(wù)資源層面對用戶，將環(huán)境遙感具體的業(yè)務(wù)邏輯和流程屏蔽，對工作流資源層進行封裝，形成服務(wù)提供給用戶，如燃煤電廠大氣遙感監(jiān)測服務(wù)、全天候水華遙感監(jiān)測服務(wù)、國家自然保護區(qū)遙感監(jiān)測服務(wù)等。用戶層是環(huán)境遙感監(jiān)測服務(wù)的使用者，主要分為環(huán)保系統(tǒng)內(nèi)用戶與公眾用戶兩大類。

圖2　高分環(huán)境平臺面向服務(wù)架構(gòu)

3.2平臺插件資源層設(shè)計

高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺插件框架：平臺主程序包含插件管理程序，負責插件的協(xié)調(diào)與調(diào)用。主程序可以根據(jù)需求動態(tài)調(diào)用插件，并實現(xiàn)插件的管理，如插件注冊、配置插件參數(shù)、管理插件基本屬性信息等。設(shè)計輕巧的主程序有利于軟件的部署與更新。插件接口集是主程序與插件交互的邏輯接口，包含了插件調(diào)用的規(guī)則與協(xié)議。主程序與插件各實現(xiàn)接口的一部分，共同完成插件的插入、調(diào)用和中止服務(wù)。插件層可以獨立調(diào)度平臺數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)平臺各個細粒度業(yè)務(wù)功能，如大氣校正、水花提取、PM2.5反演等。平臺框架提供了插件間的通信機制，保證了相互獨立的插件可以協(xié)調(diào)工作。由于插件機制具有可擴展、可復(fù)制、可定制等特點，高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺可以動態(tài)調(diào)整業(yè)務(wù)功能，使平臺開發(fā)與更新簡單化。

3.3平臺工作流資源層設(shè)計

高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺工作流框架：平臺以工作流封裝環(huán)境遙感細粒度服務(wù)，提供給服務(wù)子系統(tǒng)。工作流中的每個操作任務(wù)，由插件完成。用戶調(diào)用平臺環(huán)境遙感服務(wù)，制定相應(yīng)任務(wù)，工作流管理工具根據(jù)任務(wù)內(nèi)容配置功能插件，加載數(shù)據(jù)，設(shè)置任務(wù)調(diào)用順序，并將工作流執(zhí)行結(jié)果返回給用戶。平臺通過工作流管理工具管理工作流的注冊、調(diào)用接口和屬性參數(shù)信息等。平臺將常用的工作流設(shè)置為工作流模板，儲存在工作流模板數(shù)據(jù)庫，以便用戶使用。用戶也可以根據(jù)需求，實時制定動態(tài)工作流，加載特定插件，形成新的工作流內(nèi)容。工作流框架屏蔽了功能插件的具體實現(xiàn)，可以動態(tài)組合插件，實現(xiàn)特定服務(wù)，增加了系統(tǒng)的靈活耦合性，簡化了系統(tǒng)的建設(shè)與擴展。

4平臺應(yīng)用示范

高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺圍繞高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基于地表水、大氣和生態(tài)環(huán)境遙感參數(shù)定量反演關(guān)鍵技術(shù)和環(huán)境遙感監(jiān)測與評價方法的研究成果，以插件模型、工作流模型和面向服務(wù)架構(gòu)為基礎(chǔ)，建設(shè)基于高分衛(wèi)星的環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和支撐數(shù)據(jù)庫。高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺選擇在太湖流域示范區(qū)開展高分水環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用示范，在長三角城市群示范區(qū)開展高分大氣環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用示范，在三江源重要生態(tài)功能區(qū)示范區(qū)開展高分生態(tài)環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測應(yīng)用示范，實現(xiàn)高分遙感影像數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、環(huán)境應(yīng)用專題產(chǎn)品制作以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)等方面的應(yīng)用，形成“天-空-地”一體化環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)化的協(xié)同應(yīng)用模式，為高分及其它多源遙感數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測中的有效應(yīng)用提供技術(shù)示范，全面提升了我國環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測能力和技術(shù)水平。

一個典型的以GF1衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的水華分布產(chǎn)品生產(chǎn)服務(wù)。用戶選擇太湖地區(qū)高分數(shù)據(jù)，在工作流模板庫中選擇太湖_GF1-WFV-L1A_多光譜水華專題圖生產(chǎn)，創(chuàng)建工作流任務(wù)，系統(tǒng)以圖形界面顯示工作流執(zhí)行調(diào)用插件與執(zhí)行狀態(tài)，工作流執(zhí)行結(jié)束后，返回太湖水華分布圖。

5結(jié)語

本文針對軟件平臺建設(shè)中軟件復(fù)用率低、開發(fā)效率低下等問題，采用功能插件模型、工作流模型和面向服務(wù)架構(gòu)的基本思想設(shè)計構(gòu)建了高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺的基本框架，簡化了平臺建設(shè)任務(wù)，使平臺具有開放性和兼容性。高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺為建立我國“天-空-地”一體化環(huán)境監(jiān)測業(yè)務(wù)化運行系統(tǒng)提供技術(shù)基礎(chǔ)，為高分及其它多源遙感數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測中的有效應(yīng)用提供技術(shù)示范，為全面提升我國環(huán)境遙感動態(tài)監(jiān)測能力和技術(shù)水平、實現(xiàn)環(huán)境保護工作歷史性轉(zhuǎn)變提供技術(shù)支撐[7-10]。

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作者簡介：姜俊，博士，從事環(huán)境遙感、地理信息系統(tǒng)研究工作

通訊作者：游代安，正高級工程師，從事環(huán)境遙感、地理信息系統(tǒng)研究工作

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0077-03

Research of high resolution satellite environmental applicationplatformbasedonServiceOrientedArchitecture

JIANG JunSUN ZhongpingWANG ChangzuoYOU DaianCAO FeiZHANG Xue

(Satellite Environment Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing，10094)

Abstract：As to resolve the problems of the low level of functional reuse and the software development inefficiency in the development of software system，this paper presents a platform framework based on functional plugin framework，workflow framework and service oriented architecture to develop the high resolution satellite environmental application platform，then discuss the key technical points of these designs. The demonstration of the platform shows the practicability of these framework designs.

Keywords：plugin；workflow framework；service oriented architecture；software reuse；high resolution satellite environmental application

項目資助：“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”國家重大專項(05-Y30B02-9001-13/15-13)

引用文獻格式：姜俊等.面向服務(wù)架構(gòu)的高分環(huán)境應(yīng)用示范平臺[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(4)：77-79.