语义网络服务

12.2.3　语义网络服务

在网络服务领域，可以定义两个级别的互操作:语法互操作和语义互操作(Percivall，2002)。前者建立服务间技术层面上的链接以传递数据，但不考虑对数据的解释。后者则确保当数据、服务链接在一起时，数据和服务是被正确理解的。目前空间信息服务的标准接口侧重于语法上的互操作，对于语义上的互操作尚未考虑。语义网与网络服务的结合，提供了语义网络服务(Semantic Web Service)技术。语义网络服务实现了对信息和服务的描述和组织，有助于自动地确定服务与数据、服务与服务间的正确联系，从而能够自动地构建服务链，解决用户的问题。从这个角度来看，可以考虑利用语义网络服务技术来支持空间信息服务，特别是空间信息处理服务，在语义层次上的互操作。

12.2.3.1　空间信息处理服务的语义描述

已有的语义网络服务技术，包括基于OWL的网络服务本体语言(OWL based Web Service Ontology，OWL-S)、网络服务建模本体(Web Service Modeling Ontology，WSMO)、语义网络服务框架(Semantic Web Services Framework，SWSF)、网络服务语义(Web Service Semantics，WSDL-S)和WSDL语义注记(Semantic Annotations for WSDL，SAWSDL)，虽然它们在逻辑语言的表达能力和描述的侧重点上不同，但都考虑了利用输入、输出、前提条件和状态改变(简称IOPE)来进行服务的语义描述。在应用人工智能规划方法的自动服务组合研究中，一个典型的特征是将服务区分为信息提供服务和状态改变服务(McIlraith等，2001;Sirin等，2004)。信息提供服务提供规划问题世界的状态信息，而状态改变服务则对规划问题世界的状态进行改变。在状态改变服务中前提条件和状态改变非常重要，关系到人工智能规划方法中如何对服务进行组合。

通常，空间信息处理服务实现空间数据处理和分析的算法。Lutz(2007)认为空间信息处理服务不改变外部世界状态，也不需要外部世界状态为前提条件，因此可以理解为信息提供服务。然而区分信息提供服务和状态改变服务首先需要明晰世界状态的定义，空间信息处理服务中对输入数据往往有一些约束，例如特定的数据文件格式、空间投影等，因此如果将世界状态作为元数据描述，空间信息处理服务可以描述为状态改变服务，前提条件为输入数据的元数据要求，状态改变为输出数据的元数据改变，这样空间信息处理流程的构建可以作为一个规划问题来解决。

空间信息领域的本体扮演着重要角色。本体是对共享概念的明确的形式化规范说明(Gruber，1993)。本体提供了相关领域内一套公共的词汇并定义了这些词汇的意义和它们间的关系。因此，本体有助于网络信息的语义为计算机所理解和处理。OWL是W3C推荐的标准网络本体描述语言。它能够用来建立本体并描述网络资源。对于输入输出数据的语义，使用“空间数据类型”本体描述。空间信息处理服务提供的处理功能也是服务语义描述中必须考虑的因素，通过“空间服务类型”本体来描述。建立“空间数据类型”和“空间服务类型”本体可以参考已有的空间信息领域的分类体系，例如美国NASA GCMD的科学关键字分类和服务关键字分类集合(Yue等，2007)。对于前提条件和状态改变，可以使用相关的SWRL、SPARQL语言来表达(Martin等，2008)。

图12.3给出了坡度计算服务的语义描述。该服务输入输出数据的语义通过“空间数据类型”本体类标注，例如Terrain Elevation和Terrain Slope;服务功能的语义通过“空间服务类型”本体类标注，例如Slope;服务执行的语义(即前提条件和状态改变)通过元数据约束来表达，例如利用OWL-S中的前提条件表达语言SPARQL描述输入的高程数据格式为GeoTiff，坐标参考系统为地理坐标EPSG:4326。图12.4给出了利用SPARQL描述坐标参考系统前提条件的样例。

图12.3　空间信息处理服务语义描述实例

图12.4　基于SPARQL的前提条件描述

在原子服务语义描述的基础上，结合工作流本体中数据流(例如OWL-S中的数据绑定ValueOf)和控制流本体类(例如OWL-S中的顺序结构Sequence)，就可以构建对服务链或复合服务的语义描述。为了实现服务语义描述到语法描述的映射，并进而通过语义描述及语义匹配建立服务链中不同服务输入输出语法描述之间的映射，需要建立服务绑定。OWL-S中提供了服务概要(Service Profile)、服务模型(Service Model)和服务绑定(Service Grounding)本体，前两者提供了对服务IOPE的描述，后者则对服务语义描述和语法描述之间的映射提供了方法(图12.5)。

图12.5　基于OWL-S的空间信息处理服务描述样例

12.2.3.2　智能构建空间信息处理流程的通用架构

在语义网络服务的基础上，Yue等(2006和2009)提出智能构建空间信息处理流程的通用架构，如图12.6所示。在该架构中，智能构建空间信息处理流程划分为三个阶段。

图12.6　智能构建空间信息处理流程的通用架构

第一个阶段是空间信息处理流程模型的构建。即构建一个包括数据流和控制流的抽象服务组合模型。该阶段利用空间数据和服务本体辅助建模，建模的手段可以多样化，例如基于服务有向图的路径查找方法(路径规划)、利用已有的流程模型细化高层次抽象模型的任务分解方法(流程规划)。

在路径规划中，根据服务的语义描述及服务间的匹配构建网络服务有向图，在此基础上查找输入输出匹配的一个或多个服务序列(即路径)。每条路径提供了对现实世界问题的一个逻辑解决方案。路径的选择取决于语义控制和不同的性能指标。语义控制包括路径的正确性和链接的服务间语义匹配程度。通常需要构建多个模型提供备选方案以替换实例化和运行过程中不可行的方案。

在流程规划中，参考人工智能规划方法中的层次任务网络规划方法(HTN)，制定满足地球空间信息服务的流程建模方法。用户可以根据应用需求利用“空间数据类型”和“空间服务类型”构建一个顶层流程模型。OWL-S中的Composite Process本体可以用来表达流程模型。一个Composite Process可以定义为一个具有控制流和数据流的有序子过程序列。在OWL-S中，控制流通过Control Construct(例如Sequence，Split)来表达，数据流通过使用一些类来明确输入输出的绑定(例如ValueOf)。通过使用已有的OWL-S复合过程(Composite Processes)，顶层流程模型可以推理细化为子过程(有可能进一步细化)的结构化组合。任务分解的最终目标是找到可以实现顶层组合模型的一组原子过程。

建模的过程中用到基于OWL的推理。OWL的逻辑表达基础是描述逻辑(Description Logic)(Baader和Nutt 2003)。在描述逻辑中，有两种推理:基于概念术语的推理(TBOX Reasoning)和基于实例断言的推理(ABOX Reasoning)。前者用来判断概念之间的关系，例如包含关系(Subsumption)或等价关系(Equivalent)，后者用来判断个体之间及个体与概念之间的关系。空间信息处理流程构建中利用本体建模时语义匹配基于的是概念之间的推理，因此使用TBOX Reasoning。

第二个阶段是模型实例化阶段。空间信息处理流程模型被实例化成一个可执行的服务链。利用语义网络服务技术中的服务绑定技术实现从服务语义描述到服务语法描述的绑定，例如利用OWL-S服务绑定中的XSLT转换。该阶段利用语义支持的注册中心绑定实际数据，例如结合OGC网络目录服务(Catalogue Services for Web，CSW)的目录登记信息元模型ebRIM规范，对ebRIM模型进行扩展以实现对空间数据与服务的语义信息注册，利用语义匹配实现对查询精度的提高，已有空间信息处理流程模型和服务链也可以通过CSW来管理。

当模型与实际的数据通过语义匹配绑定后，抽象服务绑定的空间信息处理服务实例往往对数据还存在一些元数据约束，例如只支持特定的数据格式，特定的坐标空间参考等。服务序列中只有始端服务的输入数据有详细的元数据信息，要实现对服务序列中间的服务进行前提条件的检查，就必须在执行服务链之前建立模拟的元数据传递改变过程，即元数据追踪，以确定服务链是否可执行。

对服务前提条件的检查实际上是对数据实例的检查，因此推理使用了ABOX Reasoning。当前提条件不满足时，一些数据转换服务，包括数据格式转换服务、坐标转换服务、数据重采样/内插/重新划分格网服务等，可以自动加入服务链中以保证服务链的有效性。此外，服务实例的选择中还可以根据服务质量信息(Quality of Service，QoS)选择具体的服务地址。

第三个阶段是服务链的执行阶段。利用支持网络服务的工作流引擎执行服务链。执行的结果可以向上反馈，帮助调整前两个阶段的结果。

智能化构建空间信息处理流程的架构能够响应OGC中的用户自定义(透明)链、基于工作流(半透明)链、集成(不透明)链这三种类型的服务链。在不透明的情况下，用户只需提出自己所需的空间数据产品，空间信息处理流程模型可以自动构建、实例化并执行产生用户所需的产品，例如路径规划方法。在比较复杂的实际应用中，人工辅助控制对于空间信息处理流程模型的生成更为实用，能够降低自动服务组合中的不确定性。因此用户可以参与到模型的构建中，并检查自动生成的可执行服务链，例如流程规划方法，这种情况归为半透明。用户也可以手动构建服务链，即透明链构建方法，直接进入服务链的执行阶段。