面向服务的空间数据共享技术研究
面向服务的空间数据共享技术研究
王连备1，贲进1,尚东3，吴英，2
（1.信息工程大学测绘学院，河南 郑州 450052；2.北京望神州科技有限公司,北京 100085；3。徕卡测量系统贸（北京）有限公司）
摘要：针对空间数据共享中存在的“信息孤岛”问题，提出了面向服务的数据共享模式。设计了兼容OGC规范的 空间数据共享架构，基于 ERDAS APOLLO Essentials－SDI软件构建了空间数据共享平台并基于该平台进行了数据共享实验。实验结果表明，该模式在技术上是可行的，能够集成分布式异构的 空间数据资源并改善数据发现的效率。
关键词：面向服务，空间数据，数据服务，数据发现，数据共享
Research on Spatial Data Sharing based on SOA
WANG Lian-bei1, BEN Jin1, Wu Ying2
(Institute of Surveying and Mapping, Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China; Beijing Digital LandView Technology Company Limited, Beijing 100085)
Abstract: Aiming at the problem of “Isolated Information Islands” in spatial data sharing, this paper presents a SOA-based data sharing pattern. A spatial data sharing architecture which is compatible with the OGC specifications is designed. A spatial data sharing platform is built based on software of ERDAS APOLLO Essentials－SDI. Then, data sharing tests are implemented on the platform. The result shows that the SOA-based Sharing pattern can integrate distributed heterogeneous spatial data resources and improve efficiency of the data discovery.
Keywords: SOA, Spatial Data, Data Service, Data Discovery, Data Sharing
1引言
空间信息是用来表述地球表面与空间位置有关的各种事物特征与属性的信息。作为科学数据的重要组成部分，空间数据的共享不仅对国家经济发展具有重 要意义，而且是国家进行重大决策的迫切需要，也是我国形成高水平科研成果的重要基础。而在我国，随着各种对地观测计划的实施，以遥感影像为主题的空间信息 越来越多，但空间数据利用率却较低。主要原因在于数据主要局限在生产部门或行业内部，各种空间数据管理系统之间无法互联，形成了一个个散乱的“信息孤岛” [1,2]。由此产生了一方面研究或应用部门无法得到急需的数据，另一方面大量宝贵的数据却在束之高阁，因而无法充分发挥其应有价值的现象。这在客观上造 成了极大的浪费，因此，如何集成现有的各类地理上分布的、异构的空间数据资源，实现快速有效地数据检索、数据发现和数据共享，已成为目前亟待研究解决的问 题。
2面向服务与空间数据共享
2.1 面向服务的体系架构
面向服务的体系结构（service-oriented architecture，SOA）是为解决网络应用环境下分布式异构系统集成并进而实现资源共享问题而逐步发展起来的一种系统架构设计思想。它将传统应 用的不同功能单元封装为符合Web Service技术体系的Web服务，服务之间通过明确定义的接口互相关联。接口采用中立的方式进行定义，独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语 言。这使得系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。
面向服务的体系架构包含三种角色[3]：服务使用者（Service Consumer）、服务提供者（Service Provider）和服务注册中心（Service Registry），如图1所示。
图1.面向服务体系架构中的角色及协作关系[3]
其中服务使用者是使用服务的客户端，可能是客户应用程序或另一个服务。它通过服务注册中心查询所需的服务，通过接口来绑定并请求服务；服务提供者是一个实现了某种功能服务实体，它接受和执行来自使用者的请求；服务注册中心实现了服务的注册，是服务发现的前提和基础。
与传统系统架构思想相比，面向服务的系统架构思想最大的特点是其用动态发现、动态绑定和执行的松耦合模式代替了传统软件组件之间的紧藕合方式，从而容易实现异构系统的集成和资源的共享。
2.2 OGC OWS
面向服务的系统架构思想引起了地理信息领域相关组织和机构的广泛关注，基于面向服务的架构思想和Web Service技术实现空间数据的共享已成为一个重要的研究领域。
ISO/TC211明确提出了地理信息服务的概念并发布了《Geographic information－Services》（ISO 19119:2005）标准，对地理信息服务进行了详细的定义和阐述。而OGC（Open Geospatial Consortium，开放地理信息联盟）则进一步结合Web Serivece技术开展了空间数据资源集成和互操作问题的专门研究，提出了OWS（OGC Web Services）框架[4]。该框架是一个基于开放标准的在线信息服务框架，能够无缝集成各种在线空间信息服务，使得各种分布式空间处理系统能够通过 XML和HTTP技术进行交互，并为各种在线空间数据资源提供基于Web的发现、整合和互操作机制。
此外， OGC还定义了一系列支持空间数据共享的服务规范，包括网络目录服务(Catalogue Services for the Web，CSW)规范、Web要素服务规范（Web Feature Service ,WFS）、Web栅格服务规范（Web Coverage Service, WCS）和Web地图服务规范（Web Map Service, WMS）等。OGC系列服务规范定义了在Web上共享数据和服务的标准接口。基于接口标准，WMS、WCS等空间数据服务可以作为任何一个支持该标准的客 户应用系统的数据源，换而言之，任何客户应用都可以基于接口标准实现与空间数据服务的集成和互操作，从而屏蔽了对异构数据源访问的复杂性，实现分布式异构 空间数据的共享。
总的说来，面向服务的思想及Web Service技术的发展在空间地理信息领域产生了极大的影响，促使空间信息的应用模式从封闭的地理信息系统走向了标准、开放的地理信息服务。
3面向服务的空间数据共享模式研究
空间数据共享技术的发展同样也引起了产业界的关注和响应，OGC所定义的系列地理信息服务规范己经得到了许多地理信息软件厂商的支持。ERDAS已在其推出的APOLLO 系列软件中实现了OGC CSW、WMS和WCS等服务。
3.1 ERDAS APPLLO Essentials-SDI简介
ERDAS APOLLO是集地理空间数据的处理、管理、发布和共享等各项功能为一体的系统级解决方案[5]。其中ERDAS APOLLO Essentials－SDI软件提供了可管理和分发空间数据的基础设施。在支持空间数据共享方面，该软件具有如下特点：
（1）采用标准和开放的系统架构
ERDAS APOLLO Essentials-SDI完全兼容OGC和ISO等空间地理信息领域的相关标准，是一个支持服务互操作的平台，允许数据所有者在其组织内部或与第三方以Web服务的方式实现数据共享。
（2）支持数据集成和互操作
能将空间数据发布为OGC Web服务，如WMS、WCS、WFS等。结合成熟的GML和ISO 19115/19139元数据标准，使得ERDAS APOLLO Essentials－SDI能够和任何支持这些标准的客户应用程序集成并实现互操作。
（3）支持对数据和服务的编目管理
SDI提供空间数据集及空间数据服务的注册和编目管理，任何遵循OGC/ISO空间元数据标准的空间数据集和兼容OGC 数据服务规范的服务都可以注册到ERDAS APOLLO Catalog服务中进行编目管理，任何兼容OGC CSW协议的客户端都可以基于该服务进行数据和服务检索。
3.2 基于ERDAS APOLLO 的空间数据共享平台设计
本文基于面向服务的思想，将数据共享过程中数据发现、数据获取等行为归类为服务，以ERDAS APOLLO Essentials－SDI系列软件为基础，设计了空间数据共享平台。该平台采用面向服务的体系架构，分为应用层、空间数据服务层和数据资源层，如图2 所示。
图2.面向服务的空间数据共享平台架构
数据资源层：由各种空间数据及其管理系统构成，在共享平台中是原始数据源。
空间数据服务层：包括空间元数据服务和空间数据服务两部分，在共享平台中是数据使用者查询和获取数据的接口，是数据提供者提供数据的代理。
空间元数据服务包括数据集和数据服务的元数据注册服务，以及数据集查询服务。注册服务由数据提供者使用，用于注册和更新有关数据内容和数据服务的元数据；查询服务由客户应用程序调用，用于搜索满足要求的数据及数据服务。
空间数据服务是数据所有者在线提供数据的具体形式，是数据使用者获取数据的接口，由使用数据的客户应用程序调用以获取所需的数据；
为使共享平台具有开放性和兼容性，空间数据服务层中的服务均遵循空间地理信息领域的相关标准。其中空间元数据服务基于APOLLO Essential-SDI Catalog软件实现，该功能基于OGC CSW规范实现且支持ISO 19115/19139元数据标准。空间数据服务基于APOLLO Essentials－SDI，遵循OGC规范的WMS、WCS、WFS等服务标准。
应用层：由各种使用空间数据的行业应用程序构成，在共享平台中是数据服务的使用者。
3.3基于面向服务架构的空间数据共享模式
在上述共享架构下，空间数据共享的实现模式如图3所示：
图3.基于面向服务架构的空间数据共享模式
（1）数据服务提供者向元数据服务(APOLLO Catalog服务)注册数据集元数据和数据服务元数据；
（2）客户应用程序向元数据服务发出数据查询请求；
（3）元数据服务(APOLLO Catalog服务)搜索后向客户应用程序返回满足条件的数据服务（WCS/WMS/WFS服务）元数据；
（4）客户应用程序绑定数据服务并向数据服务发出数据请求；
（5）数据服务从数据存储系统中提取数据，按照OGC相应数据服务规范的要求对数据进行封装后返回给客户应用程序；
（6）客户应用程序解析服务响应消息，获取所需的数据。
4实验
为验证本文所提出的面向服务的空间数据共享模式的可行性，本文依据上述设计，依托ERDAS APOLLO Essentials－SDI软件实现了目录服务、WMS服务和WCS服务，同时基于OGC规范和Geotools工具包设计和开发了客户端软件，以此为 基础构建了面向服务的空间数据共享实验平台，并基于该平台进行了空间数据共享实验，实验环境如图4所示。
图4.实验环境
实验所采用的数据为某地区1:20万的矢量数据及10米分辨率的SPOT影像数据，上述两类数据基于区域范围划分为了多个数据集。矢量数据集发 布为WMS服务，影像数据集发布为WCS服务。依据OGC CSW规范核心元信息模型及ISO 19115/19139元数据标准定义了数据集元数据和数据服务元数据并注册到了实验平台的目录服务中。
实验中，客户端将查询参数封装为符合OGC目录服务接口规范的SOAP消息，通过HTTP协议发送给元数据服务（Catalog Server）；元数据服务查询后将满足条件的数据服务接口元数据封装为SOAP响应消息返回给客户端。当需要矢量数据时，客户端按照WMS接口操作的要 求构造数据请求消息，通过HTTP协议发送给WMS Server；需要影像数据时，客户端按照WCS接口操作的要求构造数据请求消息，通过HTTP协议发送给WCS Server；客户端解析服务响应消息并获取数据，其界面如图5所示。
图5.空间数据共享实验客户端界面截图
5、结论及进一步的研究方向
实验结果表明，依托Web Service技术跨平台的特征及空间信息领域的相关标准，本文所提出的面向服务的空间数据共享模式能够集成分布式、异构的空间数据资源，改善数据发现的效率，实现空间数据资源的有效共享。
实验中发现，OGC WCS、WMS等数据服务协议基于XML和HTTP协议来传输空间数据，在传输遥感影像等大数据量数据集时的效率较低，进一步的研究将围绕这一问题而展开。
参考文献
[1]于雷易.基于空间数据网格的空间数据共享技术研究[D].武汉：武汉大学，2004.
[2]王泽根.主动空间信息服务技术研究[J].测绘学报，2006,35(4): 379-384.
[3] Ali Arsanjani. Service-oriented modeling and architecture [EB/OL].[2004-11-09] http://www.ibm.com/developerworks/webservices/library/ws-soa-design1/.
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[5] ERDAS. ERDAS APOLLO[EB/OL].[2010-3-18]
http://www.landview.cn/download/ERDAS%20APOLLO.pdf
[6] OGC 07-07-067r5. Web Coverage Service (WCS) Implementation Standard[EB/OL]. Version 1.1.2.Open Geospatial Consortium，Inc.2008.
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[8]孙庆辉,王家耀,钟大伟,李少梅. 空间信息服务模式研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2009,(3):344-347.
作者简介：王连备（1974-），男，讲师、博士研究生，研究方向为影像空间信息系统；贲进，副教授、博士；
通讯作者：王连备
通讯地址：郑州市陇海中路66＃ 信息工程大学测绘学院遥感信息工程系450052
电话：13598099008 E-MAIL：wlbzhm@gmail.com
