论地球空间信息服务技术的发展

论地球空间信息服务技术的发展

一、引　　言

地理信息系统在面向部门的专业应用不断拓展的同时，已开始向社会化大众化应用发展，GIS从传统意义上的地理信息系统(Geographic Information System)拓展为地理信息科学(Geographic Information Science)、地理信息系统和地理信息服务(Geographic Information Service)等多个方面，地理信息系统的数据也从传统意义上的矢量数据扩展到包含矢量、影像、数字高程模型、三维空间目标，可量测的立体影像数据等多源地球空间数据。

地球空间信息网络化社会化应用的一个显著技术特征是地球空间信息网络共享服务技术。随着计算机技术和地球空间信息技术的发展，地球空间信息网络服务将呈现三个阶段发展过程:地球空间数据网络服务;地球空间数据与处理功能的网络服务;地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务。

地球空间数据网络服务是指空间数据提供商将空间数据的元数据和空间数据库在网上的注册中心进行注册，用户可以通过网络查询和下载数据，或通过网络联接和操纵空间数据库的数据。地球空间数据网络服务只能提供现有的数据和结果，或通过简单查询得到所需要的空间信息，不能对空间数据进行在线加工处理。地球空间数据与处理功能的网络服务除了前面所述的空间数据网络服务的能力以外，还可以提供地球空间数据处理功能的网络服务，即GIS和遥感软件提供商将地球空间数据处理的软件进行改造，使之能够方便在网上的注册中心进行注册，用户可以通过网络查询、调用和链接软件，并配合网上的空间数据进行在线处理，得到用户所需要的结果。地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务除了提供地球空间数据与处理功能的网络服务外，还与遥感传感器和地面接收系统联接，将遥感传感器和地面接收系统在网上的注册中心进行注册，用户可以通过网络查询遥感传感器和地面接收系统的参数和运行状态，并根据需要对传感器和地面接收系统进行规划调度，实时得到遥感数据，并通过在线的处理软件进行实时处理，实时得到用户所需要的结果。地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务即是对地观测传感器网络所要达到的目标。

本文将详细介绍和阐述地球空间信息网络服务的各个阶段的技术特征、当前发展状况以及技术难点，以此提炼出我们需要研究的问题。

二、地球空间数据网络服务技术

基于网络的地球空间数据服务技术目前主要包括以下三种服务:

(1)地球空间数据在线查询服务，如Internet上提供的电子地图查询网站或影像查询网站，像Google Map、MapPoint、Go2Map、Google Earth、Virtual Earth等，用户可以在网上查询得到与空间相关的各种信息。

(2)基于元数据的空间数据分发服务，如许多地理信息中心建立的数据服务网站，用户可以在网上查询得到地理信息中心提供的数据内容与质量等信息，并通过网络购买和下载数据或通过其他方式得到数据。

(3)基于Web Service技术的异构地球空间数据集成与共享服务，不同的数据供应商和数据需求部门都在服务中介(注册服务中心)进行注册登记，系统主动为双方提供服务。

前两项技术都是点对点提供的服务，技术实现比较简单，目前的技术已经完全成熟。第三种方法可以包含前两种服务，因为它涉及第三方和地球空间数据的共享与集成，技术相对比较复杂，目前正在发展和实现之中。下面主要介绍基于Web Service技术的异构地球空间数据集成与共享服务技术。

在基于Web的地球空间数据服务集成与共享体系中，基础角色主要有三种:地球空间数据供应者、服务中介和地球空间数据需求者。这三者之间围绕地球空间数据的分发服务主要发生三种交互操作:地球空间数据发布、地球空间数据查找、地球空间数据分发服务绑定。

(1)地球空间数据发布:是指地球空间数据供应者对其地球空间数据及服务能力按照规范进行描述，并进行发布的过程。

(2)地球空间数据查找:是指地球空间数据需求者在分布式地球空间数据分发服务网络体系中对所需要的地球空间数据、服务及服务接口进行查找、定位的过程。

(3)地球空间数据分发服务绑定:是指地球空间数据需求者使用地球空间数据分发服务描述中的服务接口进行访问、调用的过程。

其服务模型如图1所示。

这里涉及两项重要的技术，一是地球空间数据的注册与目录服务，它是指地球空间数据分发服务网络系统对地球空间数据元数据进行分布式注册、管理及目录维护，元数据查询、发现与服务绑定等;二是异构地球空间数据的集成与互操作。第一项技术可以利用计算机及网络领域已有的技术和工具，如UDDI等技术，并适当加以扩充，即可解决。第二项是本领域特有的技术，需要研究专门的技术和标准。

图1　地球空间数据服务模型

为了实现异构地球空间数据网络共享集成与互操作，ISO/TC211、OGC和FGDC等标准化组织制定了系列标准和规范，包括网络地图服务规范(Web Map Service，WMS)(OGC 2004b)、网络地理要素服务规范(Web Feature Service，WFS)(OGC 2005d)、网络地理覆盖服务规范(Web Coverage Service，WCS)(OGC 2003)等数据服务规范;为了便于网络数据描述和传输，OGC和ISO/TC211共同推出地理标记语言(Geographic Markup Language，GML)(ISO 19136 OGC 2004c)规范。这些规范为实现网络环境下异构地球空间数据共享与互操作奠定了技术基础。

地球空间数据网络服务技术已经基本成熟，所涉及的规范也比较完善。武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室在国家“十五”863重点项目支持下已经实现了基于网络地图服务(WMS)、网络地理要素服务(WFS)、网络地理覆盖服务(MCS)规范的矢量、影像、DEM数据的网络共享服务，并实现了GeoStar、GeoSurf、MapGIS、SuperMap、Arc/Info、MapInfo等异构地理信息系统的在线互操作。图2为以上几个系统在广域网环境下分别提供的不同数据层网络服务地理信息的集成。

图2　异构地理信息系统的信息集成与在线互操作

三、地球空间数据与处理功能的网络服务

地球空间数据网络服务解决了空间数据网络共享与互操作的问题，但是它只对已有数据提供服务，没有在线加工处理能力。它的进一步发展是建立空间数据与处理服务的共享与互操作环境，在网络环境下集成数据与处理服务来满足用户对空间信息与知识的需求。为了使系统具有互操作能力，需要建立两个基于标准的互操作环境:空间数据共享环境和空间信息处理服务共享环境。

空间数据共享环境由一系列的支持查找和获取分布式数据的标准接口组成。在该环境下，空间数据服务和应用可以以一种标准的方式获取不同组织提供的异构数据。构成该环境的接口标准是前面所述的OGC的数据服务规范，包括WFS、WCS、WMS等。数据的编码标准采用GML。

空间信息服务共享环境由一系列支持空间信息服务描述、发现、绑定、调用和组合的标准组成。该环境允许智能空间知识系统通过对基于标准的服务进行查找和组合以动态地产生用户需要的空间信息和知识。对这些标准的需求与对主流网络服务标准的需求类似，因此通用网络服务领域内的一些标准可以在该环境中采用。

地球空间数据处理功能的网络服务技术除了Web Service技术作为支撑以外，有三项核心技术需要研究:一是地球空间数据处理功能模块的划分和接口的定义;二是处理功能模块的在线组合方法和工作流的定义;三是当我们要求实现地球空间数据处理功能模块的自动组合和工作流自动定义时，需要研究地球空间数据处理服务的本体和语义。

关于地球空间数据处理功能模块的划分和接口的定义，目前ISO/TC211和OGC等标准化组织都做了一些工作，颁布了一些标准。最基础的一个标准是ISO19119，它标识和定义了用于地理信息处理服务接口，以及定义与开放系统环境(OSE)模型之间的关系。ISO19119给出了地理信息处理服务分类，但是对地球空间数据处理功能模块的划分还是初步的，它划分了几大类处理服务，包括地理信息人机交互服务、地理模型/信息管理服务、地理工作流/任务管理服务、地理信息处理服务(包括空间处理、专题处理、时间处理、元数据处理)、地理信息通讯服务、地理信息系统管理服务。地理信息人机交互服务又包括目录浏览器、地理数据—结构浏览器、地理信息浏览器、地理信息电子表格浏览器、服务编辑器、链定义编辑器、工作流制定管理器、地理要素编辑器、地理要素符号编辑器、要素综合编辑器等。其他处理服务也包含了一系列处理功能。每一项处理功能都可以设计一个规范标准，定义具体的功能和相应的接口等内容。但是到目前为止，只有OGC定义了坐标转换和地图投影等几个规范。所以要实现地球空间数据处理功能网络服务还有大量标准化的工作要做。

关于地球空间信息处理功能模块的在线组合方法和工作流的定义，目前还有一系列研究工作要做。地球空间信息处理服务链接有三种模式:一是用户定义的链接，它是由用户定义和控制单个服务的执行过程和顺序，对用户而言，细节没有被隐藏，因此这个模式也称为透明链接，如图3所示。二是工作流管理链接，这个模式中链的执行是通过工作流服务来管理，在链接过程中用户主要是观察对用户透明的单个服务的执行过程，因而其别名是半透明链接，如图4所示。三是聚集服务，在这个模式中，服务只作为单个服务，它能处理隐藏在聚集服务中的所有单个服务的组合，用户意识不到在聚集服务之后隐藏了服务集，因而此服务的别名为不透明链接，如图5所示。地球空间信息处理服务的透明链接已基本解决，工作流管理链接模式和聚集服务的模式正在研究之中。

要实现地球空间信息处理的聚集服务，研究解决地球空间信息处理的本体和语义等科学和技术问题是必须的，它需要建立空间元数据本体和空间信息处理服务的本体，并要解决服务链自动组合、空间数据与处理服务语义匹配、空间信息服务评价与优化等系列问题。。一种基于语义网的地球空间信息聚集服务系统体系结构如图6所示。

图3　用户定义的链接服务(透明服务)

图4　工作流管理的链接服务(半透明服务)

建立了地球空间数据和处理功能的网络服务技术体系，就可以将各种地球空间数据和处理软件模块在网上进行注册，用户可以通过网络发现、查找、绑定和链接各种服务，使用户能够直接得到所需要的空间信息和地学知识。当然，在这个过程中要解决信息安全、数据和软件使用版权认证等系列问题。一个比较完整的地球空间数据和处理功能的网络服务技术体系如图7所示。

图5　聚集服务(不透明服务)

图6　基于语义网的地球空间信息智能服务系统原型

图7　地球空间数据和处理功能的网络服务技术体系结构

四、地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务

利用前面所述的两项技术用户可以通过网络获取和处理已有的空间数据，但当数据源满足不了用户需求时，无能为力。地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务除了提供地球空间数据与处理功能的网络服务外，还与遥感传感器和地面接收系统联接，用户可以通过网络查询遥感传感器和地面接收系统的参数和运行状态，当用户发现现有数据满足不了需要，可以根据传感器和地面接收系统运行状态和用户需求进行规划调度，实时得到遥感数据，并通过在线的处理软件进行实时处理，得到用户所需要的结果。

地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务系统是在网络上运行的天、空、地一体化地球空间数据获取、信息处理、知识发现和智能服务的新一代整体集成的实时/准实时空间信息系统(李德仁，2005)，它亦是传感器网络所追求的目标。

建立地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务系统主要任务是:

(1)借助天、空、地各类传感器，实现全天候、全天时、全方位的全球空间数据获取;

(2)借助由卫星通信、数据中继网、地面有线与无线计算机通信网络组成的天地一体化信息网络，实现从传感器直到应用服务端的无缝交链;

(3)在网络上将传感器、计算资源、网络资源、处理软件、空间数据进行注册，实现空间数据定量化、自动化、智能化和实时化的在线处理，实现从数据到信息和知识的升华;

(4)通过网络对各类不同用户提供空间信息灵性服务，将最有用的信息以最快的速度和最便捷的方式送给最需要的用户。

地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务所涉及技术包括传感器网络与信息网络的交链技术，天、空、地多传感器实时定位定姿技术，对地观测数据快速智能处理技术和前面所述的地球空间数据与处理网络服务技术等。图8是传感器网络示意图。图9是地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务系统逻辑结构示意图。相比前面两项技术，地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务技术还处于一般性的研究和探讨阶段，还没有完全成熟的技术、系统和标准，还有大量的问题需要研究。

图8　传感器网络示意图(陶闯，约克大学)

图9　地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务系统逻辑结构示意图

五、结语

地球空间信息网络服务技术是遥感图像处理和地理信息系统发展的一个新的阶段和一项新的技术。本文比较详细地描述和分析了地球空间数据网络服务，地球空间数据与处理功能的网络服务，地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务三个发展阶段的技术特征、发展状况以及技术难点，并以此提炼出我们需要研究的问题。当前，地球空间数据网络服务技术已经比较成熟，标准和规范可以基本满足要求，剩余的问题是推广应用。地球空间数据与处理功能的网络服务的部分技术已基本成熟，特别是用户定义的链接服务技术达到了实用水平，相关的标准化组织也颁布了一些标准，有些研究机构推出了一些原型系统。地球空间数据实时获取、处理与应用一体化的网络服务技术是地球空间信息网络服务的最高阶段和发展方向，目前还处于研究探索阶段，还有大量的问题有待研究。这三项技术是循环渐进和不断发展的过程，前面的技术完全可以用于后者，所以，将它们称为地球空间信息网络服务的三个发展阶段更为适宜。

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(合著者:龚健雅)

(测绘通报，2008(5))