遙感信息模型在線可視化定制和自動化計算

冉全， 李國慶， 于文洋， 張連翀

(1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球?qū)嶒炇? 北京 100094； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.海南省地球觀測重點實驗室,三亞 572023)

遙感信息模型在線可視化定制和自動化計算

冉全1,2， 李國慶1,3， 于文洋1,3， 張連翀1,2

(1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球?qū)嶒炇? 北京 100094； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.海南省地球觀測重點實驗室,三亞 572023)

隨著可獲取遙感數(shù)據(jù)的增加和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)的在線自動一體化服務(wù)需求日益增長，而當(dāng)前尚無主流的基于服務(wù)鏈的遙感數(shù)據(jù)在線可視化及自動化計算平臺。該文基于B/S構(gòu)架，應(yīng)用工作流技術(shù)，提出了一種基于服務(wù)鏈的集數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、模型定制服務(wù)及信息發(fā)布服務(wù)于一體的遙感信息模型(remote sensing information models，RSIM)在線可視化定制和自動化計算的解決方案，使用戶在友好的Web界面中可以一體化地按需完成從數(shù)據(jù)選擇、模型設(shè)計到模型實現(xiàn)的動態(tài)過程?；谶b感數(shù)據(jù)各處理模塊的可復(fù)用性，快速構(gòu)建并實現(xiàn)了RSIM，是對遙感數(shù)據(jù)在線可視化定制和自動化服務(wù)的一次有益嘗試。

服務(wù)鏈； 遙感信息模型(RSIM)； 可視化定制； 自動化計算； 工作流

0 引言

遙感數(shù)據(jù)的處理服務(wù)已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向社會化和高級定制化[1-3]。遙感信息模型(remote sensing information models，RSIM)是一種在遙感數(shù)據(jù)和遙感信息間建立聯(lián)通橋梁的科學(xué)分析方式，如何實現(xiàn)遙感信息模型的高級定制及自動化計算對于遙感數(shù)據(jù)處理的社會化服務(wù)具有重要的研究意義[4]。而在遙感數(shù)據(jù)到遙感信息轉(zhuǎn)變的過程中，很多處理模塊均具有可復(fù)用性，按照遙感信息應(yīng)用需求，數(shù)據(jù)處理可由多個處理模塊組合而成，為RSIM的快速社會化定制提供了可能。目前，實現(xiàn)一個RSIM的常用做法是用戶獨立實施各處理模塊[5]。但在缺少共享資源的情況下，對各處理模塊的反復(fù)實施，極大地降低了處理效率，是對人力物力等資源的重復(fù)浪費[2]。面對這種情況，如何實現(xiàn)各處理模塊的資源共享，同時自動化地滿足用戶的需求，是亟待解決的一個問題。解決問題的關(guān)鍵在于： 基于資源共享，通過服務(wù)鏈進(jìn)行分布式資源組織和調(diào)度，向用戶提供友好、高效的專業(yè)遙感影像處理及應(yīng)用服務(wù)。

本文針對以上問題，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，根據(jù)共享的理念，通過工作流將分布式的計算資源、數(shù)據(jù)資源及數(shù)據(jù)處理模塊等按需組織成特定順序執(zhí)行的服務(wù)鏈，來實現(xiàn)各部分資源間的鏈接和協(xié)作。與此同時，用戶可以通過一個直觀易操作的可視化流程定義工具，在瀏覽器的可視化界面中進(jìn)行RSIM工作流程的按需組織，定制用戶所需的RSIM服務(wù)鏈，通過采用自動化計算服務(wù)引擎實現(xiàn)該定制服務(wù)鏈的自動計算，并對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控管理。

相較于C/S構(gòu)架的系統(tǒng)，本研究基于B/S構(gòu)架，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于服務(wù)鏈的RSIM在線可視化定制及自動化計算平臺，用戶通過瀏覽器就能一體化的實現(xiàn)RSIM可視化定制、自動化計算及實時監(jiān)管等功能。

1 技術(shù)流程與組織結(jié)構(gòu)

1.1 技術(shù)流程

可視化定制以“所見即所得”的思想為原則，用戶可通過可視化的界面來構(gòu)建各個數(shù)據(jù)處理模塊的執(zhí)行流程[6]?？梢暬慕缑嬗欣谟脩舾玫乩斫夂驮O(shè)計RSIM的執(zhí)行流程，分析流程中存在的問題。另外，將可視化技術(shù)引入到RSIM的設(shè)計中不僅可以使遙感數(shù)據(jù)處理更加靈活，而且大大提高了數(shù)據(jù)處理模塊的可復(fù)用性[7]。在實現(xiàn)單個處理模塊功能的同時，還能通過組織已有的處理模塊來實現(xiàn)RSIM工作流程的構(gòu)建，從而降低各處理模塊的編寫復(fù)雜度，提高模型的實現(xiàn)效率?；诜?wù)鏈的RSIM可視化定制和自動化計算流程如圖1所示。

圖1 RSIM在線可視化定制和自動化計算流程

用戶可以在線查看已注冊可用的遙感處理模塊并可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行模塊選擇，如預(yù)處理、參數(shù)反演、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)拼接等。然后通過可視化編輯界面進(jìn)行模塊流程組織和必要的設(shè)置，包括參數(shù)設(shè)置及計算方式的設(shè)定。用戶定制好服務(wù)流程后，選擇輸入數(shù)據(jù)，就可以向服務(wù)器端提交模型工作流程的處理請求； 服務(wù)器端在接受請求后對請求進(jìn)行解析，通過自動化計算服務(wù)引擎進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和處理； 最后將處理結(jié)果以在線可視的方式返回給用戶，且提供下載地址供用戶下載使用。

1.2 RSIM服務(wù)鏈組織結(jié)構(gòu)

RSIM服務(wù)鏈?zhǔn)菍SIM業(yè)務(wù)流程中所需的分布式資源進(jìn)行動態(tài)鏈接，并通過工作流進(jìn)行全部或部分自動化計算。即根據(jù)設(shè)定的規(guī)則，將模型分解為一系列的處理模塊，調(diào)用所需資源，將文件、信息或任務(wù)從一個參與者傳遞到另一個參與者依次執(zhí)行[8]。首先需要按照模塊化的思想，針對現(xiàn)有的通用且獨立的遙感數(shù)據(jù)處理模塊，將其統(tǒng)一封裝成標(biāo)準(zhǔn)化模塊，把模型中每一個處理模塊都看成是模型的一部分，模型是一個模塊化的結(jié)構(gòu)； 再通過工作流將不同的標(biāo)準(zhǔn)化模塊按照特定順序進(jìn)行鏈接組織成RSIM的服務(wù)鏈，其組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 RSIM服務(wù)鏈組織結(jié)構(gòu)

用服務(wù)鏈組織RSIM，最主要的是把可共享的數(shù)據(jù)和算法資源發(fā)布為標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)后進(jìn)行鏈接使用，具體組織結(jié)構(gòu)大體可以分為3部分：

1)處理模塊的獲得和使用。在服務(wù)鏈組織前，根據(jù)用戶提供的處理模塊和輸入輸出接口描述，將其封裝為標(biāo)準(zhǔn)化資源，再發(fā)布為可執(zhí)行的計算服務(wù)，在注冊中心進(jìn)行注冊并形成處理模塊描述文件，供工作流調(diào)度使用。

2)RSIM的組織。從注冊中心獲取所有已注冊可用的處理模塊列表和接口描述信息，根據(jù)模型所需，將所需處理模塊按照指定順序進(jìn)行鏈接，并自動生成模型描述文件。該文件是自動化計算服務(wù)引擎進(jìn)行模型加載的重要文件。

3)RSIM的運(yùn)行。自動化計算服務(wù)引擎根據(jù)模型描述文件加載模型，將資源組織成服務(wù)鏈，并自動進(jìn)行所需服務(wù)和計算資源的調(diào)度，同時通過文件系統(tǒng)進(jìn)行后臺硬件設(shè)備及數(shù)據(jù)資源的調(diào)度。

2 關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案

針對RSIM在線可視化服務(wù)鏈定制的流程和RSIM服務(wù)鏈組織結(jié)構(gòu)，本文分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)點及其解決方案。

2.1 可視化定制的圖形界面

RSIM的可視化定制是指用戶可以通過可視化界面，將遙感處理模塊按照執(zhí)行順序組織成RSIM，并生成可供自動化計算服務(wù)引擎調(diào)用的模型描述文件。其中，可視化界面中最關(guān)鍵的技術(shù)就是對流程元素的創(chuàng)建。RSIM在線可視化定制的Web界面中，用戶每定義一個流程，都會自動生成相對應(yīng)的流程元素，可分為活動元素、起始元素和處理模塊元素3類，并對相應(yīng)的處理模塊接口進(jìn)行配置與鏈接。其具體說明見表1。

表1 流程元素的分類表

這3類流程元素是通過JointJS圖表庫來進(jìn)行創(chuàng)建的。JointJS是用于圖表和圖形的可視化和交互的現(xiàn)代HTML5 JavaScript庫?？梢员挥脕韯?chuàng)建靜態(tài)圖及完全交互式繪圖工具和集成開發(fā)工具，也可用來方便地創(chuàng)建各種可視化工具。其事件驅(qū)動機(jī)制與MVC架構(gòu)的自然結(jié)合，使JointJS易于與各種后端技術(shù)相結(jié)合。

以植被干旱監(jiān)測模型為例,該模型使用MOD09A1數(shù)據(jù)，利用歸一化水體指數(shù)(normalized difference water index，NDWI)來監(jiān)測旱情?？梢暬ㄖ平缑嫒鐖D3所示，從左部開始，沿箭頭順序，依次調(diào)用處理模塊。首先，通過數(shù)據(jù)選取頁面選擇模型輸入數(shù)據(jù)File1，通過向服務(wù)器發(fā)起請求，獲取文件File1(wget)，然后調(diào)用處理模塊AWI接口，進(jìn)行干旱指數(shù)反演，再將結(jié)果文件轉(zhuǎn)換成.tif格式并進(jìn)行多幅圖像鑲嵌處理(GeoMosaic)，接著進(jìn)行分級著色(color)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(translate)，生成可在Google Earth上顯示的.kml格式的處理結(jié)果，同時將結(jié)果返回至Web頁面，供用戶在線查看。圖中的Start，Complete和End為模型運(yùn)行的狀態(tài)，通過自動化計算服務(wù)引擎進(jìn)行監(jiān)控。除了這幾種狀態(tài)外，還有Running,Waiting及百分比狀態(tài)。由此可見，使用RSIM在線可視化定制不僅可以很方便地描述RSIM運(yùn)行流程，而且還可以實時了解模型運(yùn)行情況。

圖3 植被干旱監(jiān)測模型可視化界面

2.2可視化定制的流程

在可視化圖形界面中，RSIM定制主要是通過與服務(wù)器端交互，來獲取已注冊可用的處理模塊，然后完成對所需處理模塊的執(zhí)行順序及相鄰模塊間的參數(shù)傳遞關(guān)系設(shè)定。

針對參數(shù)傳遞問題，采取用戶手工選擇上一步驟處理模塊執(zhí)行后輸出參數(shù)與當(dāng)前步驟處理模塊的輸入?yún)?shù)間的對應(yīng)關(guān)系，要求每個輸出參數(shù)至少對應(yīng)于下一步的一個輸入?yún)?shù)，并且要保證該輸出參數(shù)和對應(yīng)輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)類型相同，確保處理模塊接口在數(shù)據(jù)類型上的匹配。在定制中需要選取每一步的處理模塊，然后在完成流程順序組織后對傳遞參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，最后流程定制完成會自動生成工作流描述文件，被用于后續(xù)自動化計算服務(wù)引擎解析。其流程如圖4所示。

圖4 RSIM可視化流程定制

2.3 模型描述文件

用戶在可視化定制的圖形界面中定制的RSIM，需要以某種形式化方式來進(jìn)行描述和存儲，即需要一個相應(yīng)的可以被人和機(jī)器理解的描述性流程文件。這個描述性流程文件就是本文中所定義的可被自動化計算服務(wù)引擎解析的模型描述文件。

本文中使用Karajan的規(guī)范語言來生成可被該自動化計算服務(wù)引擎所解析的XML文件[12]。該XML文件用來描述RSIM各處理模塊的調(diào)用接口、參數(shù)和調(diào)用順序，從而形成一個RSIM的可執(zhí)行工作流程。該XML文件即模型描述文件，其詳細(xì)描述如圖5所示。

圖5 模型描述文件

模型描述文件中主要包含2部分信息： 各處理模塊信息和處理模塊運(yùn)行順序結(jié)構(gòu)信息。處理模塊信息主要包括處理模塊的名稱、調(diào)用接口及其所需參數(shù)，通過“set”標(biāo)簽來設(shè)置，“provider”屬性用來指定處理模塊可執(zhí)行程序的位置； 處理模塊運(yùn)行順序結(jié)構(gòu)信息主要是處理模塊運(yùn)行及其方式設(shè)置，處理模塊運(yùn)行通過“execute”標(biāo)簽設(shè)定，由“sequential/parallel”標(biāo)簽來控制其運(yùn)行是否并行處理，其執(zhí)行順序是在“sequential/parallel”標(biāo)簽中按照“execute”標(biāo)簽從上到下的順序執(zhí)行，“sequential/parallel”標(biāo)簽可嵌套使用。

2.4 自動化計算服務(wù)引擎

用戶完成所需的RSIM定制后，系統(tǒng)會自動生成該模型的模型描述文件。為了對該模型文件進(jìn)行解析和動態(tài)執(zhí)行，引入了工作流引擎——Java CoG Karajan，其主要目的是根據(jù)模型描述文件，實現(xiàn)RSIM計算的實例化。

Karajan工作流引擎提供了定義、組織、映射和執(zhí)行工作流程的功能，能輕松表達(dá)并發(fā)性和執(zhí)行大規(guī)模計算任務(wù)，且其對于XML腳本語言有良好的支持，同時具備良好的跨平臺的特性[9-11]，通過該引擎可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、任務(wù)提交、自動執(zhí)行、監(jiān)控和管理用戶提交的計算任務(wù)，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 自動化服務(wù)引擎結(jié)構(gòu)

該自動化服務(wù)引擎負(fù)責(zé)工作流程執(zhí)行中部分或全部運(yùn)行控制。主要功能有:

1) 解析流程定義。根據(jù)模型描述文件進(jìn)行流程解析，獲得處理模塊的調(diào)用地址及參數(shù)。

2) 創(chuàng)建、刷新、暫停和終止流程實例。根據(jù)用戶需求，對于模型的各個模塊可以進(jìn)行創(chuàng)建、刷新、暫停和終止操作。

3) 維護(hù)運(yùn)行過程中工作流產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。在服務(wù)鏈整個運(yùn)行過程中，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，并提供檢查點、日志等多級容錯機(jī)制。

4) 監(jiān)控和管理工作流運(yùn)行過程。對于流程中的每一模塊的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)管。

2.5 系統(tǒng)架構(gòu)

針對以上的關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，結(jié)合RSIM的特點，提出了基于服務(wù)鏈的RSIM可視化定制的系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)自上而下可分為3層： 應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和資源層，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)架構(gòu)圖

資源層提供計算資源和數(shù)據(jù)資源，主要采用分布式架構(gòu)存儲遙感數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理模塊，并提供用于計算服務(wù)的高性能計算設(shè)備。

業(yè)務(wù)層主要是對數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化后的處理模塊發(fā)布為服務(wù)，通過自動化服務(wù)引擎進(jìn)行模型的計算和管理，是對模型的實例化。

應(yīng)用層(用戶界面)主要是用戶在Web界面按需選擇相應(yīng)的處理模塊來定制RSIM，也可以監(jiān)控模型運(yùn)行流程及管理已提交的任務(wù)。

3 應(yīng)用實例

本文通過工作流引擎將分散的遙感數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行集成和組織，把較為抽象的RSIM服務(wù)鏈轉(zhuǎn)換為具體的資源調(diào)度過程和可執(zhí)行的工作流。在該轉(zhuǎn)換過程中，主要是以友好的Web界面的形式為用戶提供了直觀、便捷、易用、高效的工作流程組織方式； 并采用CoG Karajan引擎實現(xiàn)了模型描述文檔的生成和解析，完成了從計算資源選擇、模型描述文檔生成、服務(wù)鏈組織到RSIM工作流執(zhí)行的一體化處理流程。

以全球植被變化監(jiān)測模型為例，用戶定制的模型工作流如圖8所示。

圖8 植被變化監(jiān)測模型的工作流

用戶在運(yùn)行該模型時，首先通過Web頁面，根據(jù)時間范圍選取模型輸入數(shù)據(jù)，該模型使用GIMMS AVHRR NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，空間分辨率為8 km，再通過自動化計算服務(wù)引擎進(jìn)行計算。在計算過程中，用戶可以在Web頁面中查看工作流的運(yùn)行流程及運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行結(jié)果以.tif和.kml格式輸出。全球植被變化監(jiān)測模型運(yùn)行結(jié)果如圖9所示，直觀地反映了2001—2006年1月上旬全球植被的覆蓋情況。

(a) 2001年 (b) 2002年 (c) 2003年

(d) 2004年 (e) 2005年 (f) 2006年

圖9 2001—2006年1月上旬全球植被覆蓋情況

Fig.9 Global vegetation coverage in early January from 2001 to 2006

在計算前，該圖像數(shù)據(jù)中除水體和無效值的DN值已被拉伸到[-1 000, 1 000]這個范圍，水體值為-10 000，無效值為-5 000。本文將該圖像數(shù)據(jù)的NDVI值歸一化到[-1, 1]范圍內(nèi)，并根據(jù)閾值進(jìn)行了圖像分級著色處理。其中： 當(dāng)NDVI值為正值時，NDVI值越大，表明植被覆蓋度越大，NDVI值均為0時，一般為裸土地(沒有植被或植被覆蓋度極低)，設(shè)0.7以上為高覆蓋度植被區(qū)，0以下為水體，在圖中不顯示。

圖9中每一副影像的源數(shù)據(jù)大小約為19.7 M，中間產(chǎn)生數(shù)據(jù)量約為79 M，總處理時間均在1 min以內(nèi)，用戶只需在線進(jìn)行待處理影像選擇，即可一體化的快速生產(chǎn)所需數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)的模型處理過程用時較長，需要在自行獲取遙感數(shù)據(jù)的前提下使用ENVI或PCI來預(yù)處理數(shù)據(jù)和建模計算，并使用ArcGIS對結(jié)果影像做可視化處理。即用戶在不編程實現(xiàn)的情況下，需要至少熟悉2種圖像處理工具，而在處理大量數(shù)據(jù)時，用戶需要花費大量時間和精力進(jìn)行多次重復(fù)性的手動操作。與此相比，基于Web的RSIM可視化定制系統(tǒng)實現(xiàn)了RSIM從定制到實現(xiàn)的一體化過程，避免大量重復(fù)性的工作，優(yōu)化了可視化定制界面及流程，有效提高了遙感數(shù)據(jù)處理及自動化計算的效率。

4 結(jié)語

本文針對遙感處理模塊的通用特征，為避免用戶在通用處理模塊上花費過多人力、物力資源，通過分析基于服務(wù)鏈的RSIM可視化定制和自動化計算過程中的關(guān)鍵技術(shù)，采用Web交互式界面和Karajan工作流實現(xiàn)了RSIM的定制和基于服務(wù)鏈的自動化計算，且得到了實際應(yīng)用和實施，在資源共享及模型自動化處理方面具有一定的優(yōu)勢，是對遙感影像在線自動化服務(wù)的一次有益嘗試。

對于基于服務(wù)鏈的RSIM可視化工作流定制和自動化計算，還有可改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展的地方： ①分布式多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的自動化獲取，方便用戶從數(shù)據(jù)選擇到運(yùn)行模型的一體化進(jìn)程的實現(xiàn)； ②RSIM自動化接入接口的提供，實現(xiàn)用戶所提供的處理模塊的標(biāo)準(zhǔn)化接入； ③在云環(huán)境下，如何實現(xiàn)分布式資源的調(diào)用及大規(guī)模數(shù)據(jù)計算。

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(責(zé)任編輯： 邢宇)

Online visual customization and automatic calculation of remote sensing information model

RAN Quan1,2， LI Guoqing1,3， YU Wenyang1,3， ZHANG Lianchong1,2

(1.CASKeyLabofDigitalEarthScience,InstituteofRemoteSensingandDigitalEarth,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.HainanLabofEarthObservation,Sanya572023,China)

With the increasing access to remote sensing data and the rapid development of network technology, remote sensing data on-line automatic integration of the service demand is growing, and there has been no satisfying online visual and automated computing platform for remote sensing data based on services chain so far. This research is based on B/S architecture and services chain as well as the workflow technology. The authors propose an integrated visual platform to store data, design model, compute model, distribute and display result information all in one stop. And Users can integrate the function from data selection, the model design to achieve model on demand in a friendly visual Web interface. Actually, this research is based on the reusability of remote sensing processing module, the goal is to quickly build and implement the process of remote sensing information models (RSIM)，and it is an effective attempt to achieve online automated service for remote sensing image.

services chain; remote sensing information models (RSIM); visual customization; automatic calculation; workflow

10.6046/gtzyyg.2017.01.33

冉全，李國慶，于文洋，等.遙感信息模型在線可視化定制和自動化計算[J].國土資源遙感，2017,29(1)：221-226.(Ran Q,Li G Q,Yu W Y,et al.Online visual customization and automatic calculation of remote sensing information model[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(1)：221-226.)

2015-08-14；

2015-09-14

“863”計劃項目“星機(jī)地綜合觀測定量遙感融合處理與共性產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)”(編號： 2013AA12A301)和中國科學(xué)院“一三五”規(guī)劃項目“全球環(huán)境資源空間信息系統(tǒng)——數(shù)字地球科學(xué)平臺”(編號： Y3SG0300CX)共同資助。

冉全(1991 -)，女，碩士研究生，主要從事高性能地學(xué)計算等方面的研究。Email： pollyran@hotmail.com。

于文洋(1974 -)，男，博士，副研究員，主要從事高性能地學(xué)計算等方面的研究。Email： wyyu@ceode.ac.cn。

TP 79

A

1001-070X(2017)01-0221-06