基于 SOA 架構(gòu)的碳通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

任小麗，何洪林,2*，王曉鋒，劉寶付，張黎,2

1. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100101

2. 中國科學(xué)院大學(xué)，資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100190

3. 北京市農(nóng)林科學(xué)院國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097

4. 北京星天科技有限公司，北京 100015

渦度相關(guān)通量觀測技術(shù)已成為生態(tài)系統(tǒng)與大氣間物質(zhì)和能量交換觀測的主要方法，基于該方法已形成全球和多個區(qū)域性的通量觀測網(wǎng)絡(luò)，為分析生態(tài)系統(tǒng)對全球變化的響應(yīng)和適應(yīng)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。全球通量觀測網(wǎng)絡(luò) (FLUXNET) 在過去 20 多年飛速發(fā)展，目前已有 900 多個觀測站點(diǎn)，7000 多個站點(diǎn)年數(shù)據(jù)[2-3]，該數(shù)據(jù)能夠幫助理解全球主要植被型的碳水交換狀況，為不同生態(tài)系統(tǒng)類型跨站點(diǎn)比較和集成分析提供了前所未有的機(jī)會，也為全球生態(tài)系統(tǒng)碳收支及其對氣候變化的響應(yīng)研究提供了有價值的數(shù)據(jù)。已有研究利用機(jī)器學(xué)習(xí)等算法將站點(diǎn)通量數(shù)據(jù)升尺度得到區(qū)域尺度的碳通量數(shù)據(jù)[4-7]；利用站點(diǎn)或區(qū)域通量數(shù)據(jù)對生態(tài)遙感模型和過程模型進(jìn)行參數(shù)化和驗證，降低模型模擬結(jié)果的不確定性，進(jìn)而更準(zhǔn)確地分析生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)[4,8-10]?？梢姡坑^測數(shù)據(jù)是生態(tài)系統(tǒng)模型校驗和區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)碳收支模擬分析及其對氣候變化響應(yīng)研究的基礎(chǔ)，研究結(jié)果是否準(zhǔn)確直接依賴于通量觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，包括準(zhǔn)確性和完整性。

由于渦度相關(guān)技術(shù)自身的局限性、環(huán)境和氣象條件等問題經(jīng)常造成通量觀測數(shù)據(jù)的異?；蛉笔?，因此觀測數(shù)據(jù)在使用前需要進(jìn)行一系列的校正和插補(bǔ)等處理[11-13]。另外，通量觀測只能得到凈生態(tài)系統(tǒng)碳交換量 (NEE, net ecosystem exchange of CO2)，而NEE是總生態(tài)系統(tǒng)碳交換量 (GEE, gross ecosystem exchange of CO2) 和生態(tài)系統(tǒng)呼吸 (Reco, ecosystem respiration) 的差值，如果模型模擬的 GEE 和 Reco 同時高估或低估相同的量，這個誤差則不能通過 NEE 的觀測值和模擬值比對檢測出來，因此有必要對 NEE 進(jìn)行拆分處理，而且將 NEE 拆分之后能夠更好地理解 NEE 年際變異及其不同站點(diǎn)間差異的原因[12]?？梢?，通量觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、插補(bǔ)和拆分非常重要。為將科學(xué)家從繁瑣的數(shù)據(jù)處理中解放出來，將精力主要放在科學(xué)研究上，而不是重復(fù)性的數(shù)據(jù)處理工作上；同時增強(qiáng)不同站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)之間的可比性，便于區(qū)域尺度上的碳收支分析，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了幾種通量數(shù)據(jù)處理軟件，例如 Eddypro (eddy covariance processing software)，EDIRE (eddy-cov reprocesisng)，TK2/3(Turbulence Knight) 等。這些軟件雖然涵蓋了國際主流的通量數(shù)據(jù)處理流程和算法，但均是英文版的桌面系統(tǒng)，使用之前需要進(jìn)行安裝和系統(tǒng)學(xué)習(xí)，并且在應(yīng)用于我國通量數(shù)據(jù)處理之前，需要進(jìn)行具體處理步驟和算法的篩選及參數(shù)的確定。

中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò) (ChinaFLUX)創(chuàng)建于 2001 年，經(jīng)過十幾年的發(fā)展已從最初的 6個臺站擴(kuò)展到 70 個左右，積累了大量的長期聯(lián)網(wǎng)通量觀測數(shù)據(jù)[1,14,15]；并于 2008 年研發(fā)了一套基于MATLAB 的桌面版 CO2通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)通量觀測數(shù)據(jù)處理工作中存在的處理過程繁瑣、方法不統(tǒng)一、處理不及時等問題，很大程度上提升了通量數(shù)據(jù)處理的效率，已經(jīng)被多個 ChinaFLUX 臺站所安裝使用[16]。經(jīng)過幾年的應(yīng)用實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)自身的一些局限性，例如由于該系統(tǒng)是基于 C/S (客戶端/服務(wù)器) 架構(gòu)的 Windows 單機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，用戶需要在本地安裝并運(yùn)行客戶端應(yīng)用程序，系統(tǒng)運(yùn)行效率依賴于用戶的軟硬件平臺，并且在同一時段僅允許單個用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理操作；另外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理算法間耦合程度較高，當(dāng)處理過程中某個算法需要修改時，所有的客戶端程序均要進(jìn)行相應(yīng)的升級更新。因此，如何解決這些問題，從而方便用戶快速高效地處理通量數(shù)據(jù)以便將其及時投入科研應(yīng)用，就成為ChinaFLUX 面臨的重要課題。

近年來，隨著面向服務(wù)的體系架構(gòu) (SOA，Service-Oriented Architecture) 和 Web 服務(wù) (Web services) 技術(shù)的不斷發(fā)展，與平臺和編程語言無關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其屏蔽了不同軟件平臺之間的差異，實(shí)現(xiàn)了跨平臺的互操作；無論是在IT領(lǐng)域，還是在科學(xué)研究領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[17-28]。SOA 建立在Web 服務(wù)的基礎(chǔ)上，是建立分布式信息系統(tǒng)的一種方法；Web 服務(wù)是 SOA 最核心的抽象手段，將具體業(yè)務(wù)組件化為一系列相對獨(dú)立且可重用的業(yè)務(wù)服務(wù)，業(yè)務(wù)流程則由服務(wù)組裝而成。與傳統(tǒng)方法相比，SOA具有松耦合的特點(diǎn)，使得應(yīng)用組件獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)、編程語言和其它基礎(chǔ)設(shè)施。因此，本研究詳細(xì)討論了將 SOA 的體系架構(gòu)應(yīng)用到通量數(shù)據(jù)處理上，設(shè)計并建立標(biāo)準(zhǔn)、通用的通量數(shù)據(jù)處理 Web 服務(wù)集，進(jìn)而根據(jù) ChinaFLUX 通量數(shù)據(jù)處理流程，開發(fā)基于 SOA 架構(gòu)的在線通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。從而提供一個便于共享、即時可用的通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)，用戶只需一個 Web 瀏覽器即可隨時隨地在線處理通量數(shù)據(jù)，解決已有通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)存在的問題。

1 碳通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)在設(shè)計和開發(fā)之前，首先要對業(yè)務(wù)流程進(jìn)行需求分析，本研究中業(yè)務(wù)流程即碳通量觀測數(shù)據(jù)的處理流程。ChinaFLUX 根據(jù)國內(nèi)通量觀測站點(diǎn)的實(shí)際情況，參考國內(nèi)外相關(guān)研究，包括 FLUXNET、AmeriFLUX、EuroFLUX 和 AsiaFLUX 等通量數(shù)據(jù)處理流程，研制了一套標(biāo)準(zhǔn)的 ChinaFLUX 30 min CO2通量數(shù)據(jù)處理流程[1,13,29]，該流程主要包括觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制、缺失數(shù)據(jù)插補(bǔ)以及碳通量分解和統(tǒng)計等主要過程。根據(jù)這一流程，設(shè)計了以下系統(tǒng)處理流程圖 (圖 1)，具體包括：

(1) 前期數(shù)據(jù)匹配：將原始 30 min 通量和氣象觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式，并進(jìn)行時間上的匹配。

(2) 通量和氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理：計算得到通量數(shù)據(jù)處理的輔助數(shù)據(jù)，例如為了區(qū)分白天和夜間 NEE，需要根據(jù)站點(diǎn)經(jīng)緯度和日序計算日出日落時間；并根據(jù)經(jīng)驗對氣象和通量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的閾值剔除。

(3) 氣象數(shù)據(jù)插補(bǔ)：對缺失的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，獲取完整時間序列氣象數(shù)據(jù)。

(4) 碳通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：這是通量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵過程，用于糾正地形、水熱條件等對 CO2通量觀測的影響，并剔除 CO2通量觀測過程中的異常數(shù)據(jù)，具體包括 9 個步驟，分別為坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)、WPL校正、儲存項計算、降水對應(yīng)的通量數(shù)據(jù)剔除、通量閾值剔除、通量異常值剔除、夜間 NEE 負(fù)值剔除、U* 校正、非生長季白天 NEE 負(fù)值剔除。針對不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，需要的處理步驟不盡相同，例如對于草地、農(nóng)田等低矮植被不需要進(jìn)行儲存項計算。因此每個步驟均需設(shè)置跳過功能。

(5) 碳通量數(shù)據(jù)插補(bǔ)和分解：由于通量觀測數(shù)據(jù)存在異?；蛉笔В虼?CO2通量數(shù)據(jù)時間序列不完整，需要利用有效通量數(shù)據(jù)結(jié)合氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，進(jìn)而得到完整時間序列的 NEE 數(shù)據(jù)；并結(jié)合半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯?NEE 分解為 GEE 和 Reco。

(6) 碳通量和氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計：將插補(bǔ)和拆分后的NEE、GEE、Reco 通量數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)從30 min 尺度統(tǒng)計到日、月和年尺度上。

圖1 通量數(shù)據(jù)處理流程Fig. 1 The flowchart of flux data processing

2 碳通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 Web 服務(wù)接口設(shè)計

通量數(shù)據(jù)處理的 Web 服務(wù)接口在設(shè)計上遵循盡可能簡單的原則，把復(fù)雜的處理邏輯封裝在 Web 服務(wù)內(nèi)部，將輸入和輸出參數(shù)定義為簡單的基本數(shù)據(jù)類型，而運(yùn)算所需的復(fù)雜數(shù)據(jù)類型則在算法內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到。由于通量數(shù)據(jù)處理算法是由 MATLAB 的 M語言編寫的，所以首先要對算法進(jìn)行整理和標(biāo)準(zhǔn)化，對其輸入輸出進(jìn)行系統(tǒng)梳理。之后使用 MATLAB Builder JA 工具將 M 程序封裝成 Java 類 (Jar 包)，進(jìn)而采用 Apache Axis2 和 XFire 將其發(fā)布為 Web 服務(wù)(圖 2)。這樣既發(fā)揮了 MATLAB 強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，又發(fā)揮了 Java 的 Web 開發(fā)優(yōu)勢。除了通量數(shù)據(jù)處理 Web 服務(wù)之外，同時設(shè)計了基于 MATLAB 的可視化 Web 服務(wù)，用于結(jié)果數(shù)據(jù)可視化展示，方便用戶即時在線查看和分析通量數(shù)據(jù)處理情況。

2.2 基于 SOA 架構(gòu)的系統(tǒng)總體設(shè)計

圖3 是通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖，Web service 的使用便利了系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，通量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵函數(shù)無需用 Java 編寫，只需調(diào)用相應(yīng)的Web service 即可；對于有多種處理算法的步驟均提供了多個 Web service，用戶可以選擇適合自己數(shù)據(jù)的算法進(jìn)行處理。系統(tǒng)主要包括 MATLAB 數(shù)據(jù)處理、Web Service 組件接口、通量數(shù)據(jù)處理執(zhí)行引擎以及Web 交互四個功能模塊，模塊之間的交互關(guān)系如圖 3所示。

(1) MATLAB 數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊主要承擔(dān)著執(zhí)行具體通量數(shù)據(jù)處理流程的任務(wù)。通量數(shù)據(jù)處理流程的各算法是由 MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)的，MATLAB 負(fù)責(zé)后臺計算，從 Web Service 接到命令后，運(yùn)行相應(yīng)的通量數(shù)據(jù)處理算法，處理完成之后將結(jié)果返回給Web Service 接口。

(2) Web Service 組件接口模塊：通量數(shù)據(jù)處理主業(yè)務(wù)邏輯根據(jù)通量數(shù)據(jù)處理步驟 Web Service 的WSDL 文件調(diào)用對應(yīng)的 Web Service，Web Service組件接口模塊接到調(diào)用信息后，把文件和參數(shù)信息全部轉(zhuǎn)化為 MATLAB 可調(diào)用的數(shù)據(jù)類型，之后通過 MATLAB Builder JA 創(chuàng)建的 Java 類調(diào)用相應(yīng)的MATLAB 數(shù)據(jù)處理程序，完成 Java 程序與 MATLAB程序之間的交互。

(3) 通量數(shù)據(jù)處理執(zhí)行引擎模塊：該模塊是系統(tǒng)的核心部分，主要由部署于其中的通量數(shù)據(jù)處理引擎及輔助訪問的外圍中間件構(gòu)成。該模塊接收來自用戶交互模塊的業(yè)務(wù)請求，負(fù)責(zé)解析請求的相關(guān)信息，并進(jìn)行流程實(shí)例化和執(zhí)行控制、任務(wù)調(diào)度等。執(zhí)行引擎模塊接收用戶請求信息后，根據(jù) Web 服務(wù)定義的一系列組件接口，來調(diào)配相應(yīng)的通量數(shù)據(jù)處理 Web 服務(wù)，然后等待 Web 服務(wù)返回結(jié)果數(shù)據(jù)，收集結(jié)果數(shù)據(jù)之后，再傳回到前端 JSP 展現(xiàn)層。

(4) Web 交互模塊：Web 交互模塊以 Web 頁面的方式提供給用戶，是系統(tǒng)對用戶的唯一接口。該模塊基于 Web 設(shè)計和開發(fā)，提供給用戶實(shí)時的通量數(shù)據(jù)處理平臺，用戶可以使用自己的通量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線的處理，數(shù)據(jù)處理執(zhí)行過程中，還可以即時地查看和下載程序運(yùn)行的中間結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和歸檔保存，以供以后做進(jìn)一步的分析與研究。

圖2 Web 服務(wù)接口設(shè)計Fig. 2 The design of Web Services

圖3 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig. 3 The schematic structure of the online flux processing system

3 碳通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用實(shí)例

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于 SOA 架構(gòu)，因此不依賴于特定的硬件平臺、操作系統(tǒng)、編程語言等；服務(wù)器搭建在中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò) (Chinese Ecosystem Research Network, CERN) 綜合中心的云平臺上，用云平臺的虛擬機(jī)作為服務(wù)器，便于管理和擴(kuò)容。圖 4 是系統(tǒng)主頁面，為了推廣使用，已作為一個工具嵌入到中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)科研信息化環(huán)境中，左邊是數(shù)據(jù)處理的具體步驟，右邊是數(shù)據(jù)處理的具體頁面。

系統(tǒng)提供了一個可以在線、實(shí)時進(jìn)行通量數(shù)據(jù)處理的門戶，用戶只需使用通用的 Web 瀏覽器即可進(jìn)行通量數(shù)據(jù)處理。進(jìn)行完每一項數(shù)據(jù)處理后，系統(tǒng)都會實(shí)時返回給用戶數(shù)據(jù)處理結(jié)果，用戶可以下載相應(yīng)的結(jié)果數(shù)據(jù)?？梢暬彩窍到y(tǒng)的一部分，給用戶提供了一個快速查看數(shù)據(jù)的工具，通過每步中間結(jié)果數(shù)據(jù)的可視化，用戶可以根據(jù)經(jīng)驗來判斷數(shù)據(jù)情況，選擇合適的方法，如果有問題可回到上一步嘗試另一種方法重新處理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括MATLAB 與 Java 混合編程以及 Web services 封裝與發(fā)布。

圖4 碳通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)主頁面Fig. 4 The homepage of the online flux processing system

(1) Java 和 MATLAB 混合編程

鑒于 MATLAB 在矩陣運(yùn)算和科學(xué)計算上的優(yōu)勢，通量數(shù)據(jù)處理各流程的算法是由 MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)的，而通量數(shù)據(jù)在線處理平臺是由 Java 語言開發(fā)的，因此兩種語言之間需要進(jìn)行通信和相互轉(zhuǎn)換。MATLAB 提供了將 M 程序轉(zhuǎn)換成 Java 或 .NET程序的工具，這些工具有 MATLAB Builder JA (面向Java 語言) 或 MATLAB Builder NE (面向 .NET 框架)等。本系統(tǒng)采用的是 MATLAB Builder JA 來將通量數(shù)據(jù)處理的 M 程序轉(zhuǎn)化成 Java 類，方便 Java 語言調(diào)用。MATLAB Builder JA 并不能把任意M程序轉(zhuǎn)換成 Java 類，待轉(zhuǎn)換的 M 程序必須符合轉(zhuǎn)換條件，因此首先需要將 MATLAB 通量數(shù)據(jù)處理各算法改寫成MATLAB Builder JA 工具可以調(diào)用的形式，以便成功地轉(zhuǎn)換和打包。

(2) Web service 封裝與發(fā)布

Web Service 是使應(yīng)用程序可以與平臺和編程語言無關(guān)的方式進(jìn)行相互通信的技術(shù)，屏蔽了不同軟件平臺的差異，實(shí)現(xiàn)了跨平臺的互操作?；?Java 的Web 服務(wù)開發(fā)工具有很多，我們采用的是 Apache Axis2和 XFire，都是 Java 的開源框架，支持大多數(shù) Web 服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，是連接 POJO (簡單 Java 對象)和 SOA 的橋梁，可以將 POJO 通過非常簡單的方式發(fā)布成 Web服務(wù)；降低了SOA系統(tǒng)的開發(fā)難度，為科研系統(tǒng)轉(zhuǎn)向SOA 架構(gòu)提供了一種簡單可行的方式。本文將通量數(shù)據(jù)處理的逐個步驟均進(jìn)行了 Web service 封裝和發(fā)布。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本研究以 ChinaFLUX 千煙洲亞熱帶常綠人工針葉林通量觀測站 2010 年 30 min 數(shù)據(jù)處理為例，對系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用測試。千煙洲通量觀測站 (26°44'52"N，115°03'47"E，110.8 m) 位于江西省泰和縣，在 CERN的千煙洲試驗站內(nèi)，具有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候特征，年均氣溫和降水量分別為 17.9℃ 和 1485.1 mm；通量塔周圍近 1 km2范圍內(nèi)森林覆蓋率高達(dá) 90%，林分為 1985 年前后開始營造的人工林[30,31]。

(1) 數(shù)據(jù)上傳和預(yù)處理：首先根據(jù)用戶指南準(zhǔn)備通量和氣象數(shù)據(jù)，相應(yīng)的閾值文件通過查看數(shù)據(jù)情況確定。整理完畢之后通過上傳頁面逐項將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器；接著將數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束時間以及站點(diǎn)經(jīng)緯度輸入系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理；完成之后進(jìn)入閾值剔除頁面，對通量和氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的質(zhì)量控制。

(2) 氣象數(shù)據(jù)插補(bǔ)：氣象數(shù)據(jù)插補(bǔ)完成之后，需要通過可視化功能查看每個氣象變量的插補(bǔ)效果；如圖 5 中的冠層空氣平均溫度，可以看出季節(jié)變異比較合理，夏季高冬季低，數(shù)值也在合理范圍內(nèi)。通量數(shù)據(jù)的插補(bǔ)和拆分效果直接依賴于氣象數(shù)據(jù)，因此需逐變量查驗完畢之后再進(jìn)入下一步。

(3) 通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制：由于該通量站的植被類型是位于亞熱帶的常綠林，沒有明顯的生長季和非生長季，因此不需要剔除非生長季白天 NEE 負(fù)值，只需進(jìn)行其他 8 個步驟的質(zhì)量控制。圖 6 展示了通量閾值剔除之后 NEE 的效果圖，可以看出將 NEE 設(shè)定在-3～3 mg/m2/s 之間是比較合理的；夏季白天 NEE (紅點(diǎn)) 出現(xiàn)了相對低值，這是由于千煙洲雨熱不同季，夏季存在季節(jié)性干旱導(dǎo)致的[32]。

(4) 通量數(shù)據(jù)插補(bǔ)和拆分：非線性插補(bǔ)所用的光響應(yīng)方程是 Michaelis-Menten 方程；呼吸方程系統(tǒng)提供了兩種：只考慮溫度影響的 Lloyd & Taylor 模型和同時考慮溫度和水分影響的 Van’t Hoff 模型。由于千煙洲存在季節(jié)性干旱[32]，因此選用了同時考慮水分對呼吸影響的 Van’t Hoff 模型。

(5) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計：最后一步數(shù)據(jù)匯總得到了千煙洲通量站 2010 年 30 min、日、月和年四個尺度的通量和氣象完整時間序列數(shù)據(jù)；圖 7 展示了月尺度的NEE、GEE 和 Reco 數(shù)據(jù)。通過可視化檢查完畢各項數(shù)據(jù)之后，將通量和氣象統(tǒng)計結(jié)果數(shù)據(jù)下載下來存檔。

圖5 氣象數(shù)據(jù)插補(bǔ)Fig. 5 The interpolation of meteorological data

圖6 通量數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 (以閾值剔除為例)Fig. 6 The quality control of flux data (take threshold control for example)

圖7 通量數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig. 7 The statistics of flux data

4 結(jié)語

本文將 SOA 應(yīng)用于 ChinaFLUX 通量數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)，利用 Web Service 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 ChinaFLUX 通量數(shù)據(jù)處理算法的封裝，開發(fā)了基于 SOA 的通量數(shù)據(jù)在線處理系統(tǒng)，支持用戶實(shí)時在線處理通量數(shù)據(jù)，使得通量數(shù)據(jù)處理更便捷。相比基于 MATLAB 的桌面版通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有以下幾方面優(yōu)勢：第一，用戶不需要安裝 MATLAB 客戶端程序，只需一個 Web 瀏覽器即可在不同操作系統(tǒng)上進(jìn)行通量數(shù)據(jù)處理。第二，系統(tǒng)支持多用戶同一時段進(jìn)行通量數(shù)據(jù)處理，提高了數(shù)據(jù)處理效率。第三，由于核心的數(shù)據(jù)處理功能是在服務(wù)器端進(jìn)行的，所以數(shù)據(jù)處理效率不依賴于用戶的軟硬件平臺，只依賴于服務(wù)器的配置，而服務(wù)器搭在云平臺上，保證了處理效率。第四，如果需要對某個通量數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行修改或升級，只需修改 Web 服務(wù)類，客戶端不需要做任何改動。目前，已有部分臺站用戶在使用，未來希望能夠推廣到更多臺站，方便臺站通量數(shù)據(jù)處理的同時，可以幫助發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可能存在的問題，從而進(jìn)一步不斷發(fā)展完善。

致謝

感謝 ChinaFLUX 及千煙洲通量觀測站的老師為本文提供通量觀測數(shù)據(jù)。

[1] 于貴瑞, 張雷明, 孫曉敏. 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡(luò)(ChinaFLUX)的主要進(jìn)展及發(fā)展展望. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2014, 33(7): 903-917.

[2] Baldocchi D, Falge E, Gu LH, et al. FLUXNET: A new tool to study the temporal and spatial variability of ecosystem-scale carbon dioxide, water vapor, and energy flux densities. Bulletin of the American Meteorological Society, 2001, 82(11): 2415-2434.

[3] Chu H, Baldocchi DD, John R, et al. Fluxes all of the time? A primer on the temporal representativeness of FLUXNET. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences, 2017, 122(2): 289-307.

[4] Beer C, Reichstein M, Tomelleri E, et al. Terrestrial Gross Carbon Dioxide Uptake: Global Distribution and Covariation with Climate. Science, 2010, 329(5993): 834-838.

[5] Jung M, Reichstein M, Margolis HA, et al. Global patterns of land-atmosphere fluxes of carbon dioxide, latent heat,and sensible heat derived from eddy covariance, satellite,and meteorological observations. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 2011, 116(G3): G00J07.

[6] Tramontana G, Ichii K, Camps-Valls G, et al. Uncertainty analysis of gross primary production upscaling using Random Forests, remote sensing and eddy covariance data.Remote Sensing of Environment, 2015, 168: 360-373.

[7] Tramontana G, Jung M, Schwalm CR, et al. Predicting carbon dioxide and energy fluxes across global FLUXNET sites with regression algorithms. Biogeosciences, 2016,13(14): 4291-4313.

[8] Bonan GB, Lawrence PJ, Oleson KW, et al. Improving canopy processes in the Community Land Model version 4 (CLM4) using global flux fields empirically inferred from FLUXNET data. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences, 2011, 116.

[9] Peng SS, Ciais P, Chevallier F, et al. Benchmarking the seasonal cycle of CO2 fluxes simulated by terrestrial ecosystem models. Global Biogeochemical Cycles, 2015,29(1): 46-64.

[10] Zhang Y, Xiao XM, Wu XC, et al. Data Descriptor:A global moderate resolution dataset of gross primary production of vegetation for 2000-2016. Scientific Data,2017, 4.

[11] Falge E, Baldocchi D, Olson R, et al. Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange.Agricultural and Forest Meteorology, 2001, 107(1): 43-69.

[12] Reichstein M, Falge E, Baldocchi D, et al. On the separation of net ecosystem exchange into assimilation and ecosystem respiration: review and improved algorithm.Global Change Biology, 2005, 11(9): 1424-1439.

[13] 李春, 何洪林, 劉敏, 等. ChinaFLUX CO2通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與應(yīng)用. 地球信息科學(xué), 2008, 10(5): 557-565.

[14] Yu GR, Ren W, Chen Z, et al. Construction and progress of Chinese terrestrial ecosystem carbon, nitrogen and water fluxes coordinated observation. Journal of Geographical Sciences, 2016, 26(7): 803-826.

[15] Yu GR, Wen XF, Sun XM, et al. Overview of ChinaFLUX and evaluation of its eddy covariance measurement.Agricultural and Forest Meteorology, 2006, 137(3-4): 125-137.

[16] 何洪林, 張黎, 黎建輝, 等. 中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支集成研究的e-Science 系統(tǒng)構(gòu)建. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2012,27(2): 246-254.

[17] Bosin A, Dessì N, Pes B. Extending the SOA paradigm to e-Science environments. Future Generation Computer Systems, 2011, 27(1): 20-31.

[18] Granell C, Díaz L, Gould M. Service-oriented applications for environmental models: Reusable geospatial services.Environmental Modelling & Software, 2010, 25(2): 182-198.

[19] Granell C, Miralles I, Rodriguez-Pupo LE, et al.Conceptual Architecture and Service-Oriented Implementation of a Regional Geoportal for Rice Monitoring. Isprs International Journal of Geo-Information, 2017, 6(7).

[20] Krishnan S, Bhatia K. SOAs for scientific applications:Experiences and challenges. Future Generation Computer Systems, 2009, 25(4): 466-473.

[21] Papajorgji P. An architecture for developing serviceoriented and component-based environmental models.Ecological Modelling, 2004, 179(1): 61-76.

[22] Vannan SKS, Cook RB, Holladay SK, et al. A Web-Based Subsetting Service for Regional Scale MODIS Land Products. Ieee Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 2009, 2(4): 319-328.

[23] Li X, Di L, Han W, et al. Sharing geoscience algorithms in a Web service-oriented environment (GRASS GIS example). Computers & Geosciences, 2010, 36(8): 1060-1068.

[24] Zhu YQ, Pan P, Fang SF, et al. The development and application of e-Geoscience in China. Information Systems Frontiers, 2016, 18(6): 1217-1231.

[25] Wen YN, Chen M, Yue SS, et al. A model-service deployment strategy for collaboratively sharing geoanalysis models in an open web environment. International Journal of Digital Earth, 2017, 10(4): 405-425.

[26] 張旭, 曾宣皓, 陳艷, 等. 基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的自然保護(hù)區(qū)e-Science環(huán)境的研究. 科研信息化技術(shù)與應(yīng)用, 2009,2(4): 52-60.

[27] 許哲平, 崔金鐘, 覃海寧, 等. 中國生物多樣性e-Science平臺設(shè)想和建設(shè). 科研信息化技術(shù)與應(yīng)用, 2010, 1(3):3-13.

[28] 宋東澤, 羅萬明, 閻保平. 一個生態(tài)傳感網(wǎng)的Web處理服務(wù)平臺. 科研信息化技術(shù)與應(yīng)用, 2015, 6(2): 37-46.

[29] 劉敏, 何洪林, 吳楠, 等. 基于 Web Service 和科學(xué)工作流技術(shù)的碳通量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)研究. 科研信息化技術(shù)與應(yīng)用, 2013, 4(2): 50-58.

[30] Ren XL, He HL, Moore DJP, et al. Uncertainty analysis of modeled carbon and water fluxes in a subtropical coniferous plantation. Journal of Geophysical Research:Biogeosciences, 2013, 118(4): 1674-1688.

[31] 任小麗, 何洪林, 劉敏, 等. 基于模型數(shù)據(jù)融合的千煙洲亞熱帶人工林碳水通量模擬. 生態(tài)學(xué)報, 2012, 32(23):7313-7326.

[32] Sun XM, Wen XF, Yu GR, et al. Seasonal drought effects on carbon sequestration of a mid-subtropical planted forest of southeastern China. Science in China Series D-Earth Sciences, 2006, 49(Supp.Ⅱ): 110-118.