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海洋数据共享平台关键技术研究与开发_图文

天津大学 硕士学位论文 海洋数据共享平台关键技术研究与开发 姓名:李杰 申请学位级别:硕士 专业:计算机应用 指导教师:王文俊 20080501

摘要
海洋观测数据具有网格状、多维数、含有地理信息等特点,不同种类的海 洋观测数据之间具有强烈的语义、语法异构性。本文针对海洋观测数据特点, 对海洋数据共享平台框架中的多种技术进行了研究与开发,实现了一套针对海洋 观测数据的数据共享方案。 论文对已有的“海洋信息网格共享平台”架构进行了修改,增加了数据标准 化层与海洋观测本体两部分内容。根据数据标准化层规范,平台使用国际通用的 海洋科学数据格式——-NetCDF格式作为平台标准数据格式,并在本层基于 NetCDF数据格式开发了多种数据操作服务,实现了对于NetCDF数据各种基本 操作以及支持各种应用程序的数据适配服务。 海洋观测本体实现了海洋观测数据的跨领域共享与海洋观测知识的无歧义 表达。本体中系统的描绘了海洋观测数据分类模型与海洋机构模型,为下一步 制定海洋观测数据元数据标准的提供实验依据。 根据所设计的数据共享平台框架,本文设计并实现了天津海洋观测数据展示 平台。平台使用NetCDF数据格式,通过数据标准化层与核型服务层所实现的服 务,开发了多种海洋信息产品,包括实时数据产品、统计分析产品、同化产品、 辅助航行产品。并利用ArcGIS将各种产品进行可视化展示,生成了包括时间序 列图、实时序列图、海洋标量场图、海洋矢量场图等多种海洋特效。

关键词:数据共享NetCDF海洋观测本体数据模型

ABSTRACT

Different types of mal ine observation data with the characteristics of grid-like,

multi—dimensional and including geographic information,have semantics and
observmion
syntax heterogeneous.According to



s仃ong

sense

of

the characteristics of marine


data,this paper designed

and

implemented

set

of

data

sharing

technology through NetCDF data

format. platform”,this
to

On the basis of the original“Ocean Information Grid sharing paper constructed


new marine data sharing of five

platform,compared

the original

platform
observing

which consists

layers,data standardization

layer and marine

ontology

had been added into the new platform.

The paper standardized data format of the which iS widely used several
on

international

platform by using NetCDF data format marine science.Furthermore,the paper
data
adapter services around supporting

developed

data

operation services and the in the data

NetCDF data applications.

format

standardization layer

for various

In order to realize data sharing among heterogeneous marine observation data,

the

paper constructed a marine observing

ontology.Marine

observation ontology

described the marine observation data sorting model systematically which provided experiment

foundation

for the implementation of establishing the marine observation
next step.

metadata criterion in the
Based
on

the work done above,the project of Tianjin marine data sharing

platform

had been accomplished.According to the

data

criterion

established

in the

platform,project realized
NetCDF data

multi kinds of marine observation data products by using GIS service.

format and presented the results of the products visually by

KEY Model

WORDS:Data

Sharing,7 NetCDF,Ontology of Marine Observation,Data

独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表

或撰写过的研究成果,也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中
作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名:

签字日期:02年f月乡日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解墨盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检
索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明)

学位论文作者签名:

导师签名:嘞. 堋贸’
导师签名: 签字日期:

签字日期:

p扩年‘月乡日

p多年/月多日

第一章绪论

第一章绪论

1.1问题的提出及背景
进入二十一世纪以来,国家越来越重视对于海洋领域的开发建设,兴建了一

大批海洋工程项目,这些项目涉及海洋行政管理、海洋灾害预测、海洋环境保护
等各个方面,极大的提高了我们利用海洋的能力。但是随着项目建设的深入开展, 业务领域的逐步拓宽,海洋系统建设出现了越来越多的业务独立,数据重叠的“信

息孤岛’’,这不符合海洋领域数据共享、业务协同、资源优化配置的要求。
为了解决海洋领域当中所出现的这些问题,有必要将数据共享相关技术应用

到海洋领域。随着Web服务、本体、语义网技术的到来,出现了越来越多的数
据共享方法,这些方法一定程度上在某些应用内解决了这些问题。但是由于海洋 领域应用的特殊性,实现海洋领域数据共享还存在很大的困难。 总的说来当前我国海洋领域应用系统主要包括如下几方面特点: 一、 海洋应用跨领域

目前海洋信息化建设中,跨领域的应用比比皆是,不同领域的数据使用不同 标准的数据表达方式,经常出现相同概念表达不同含义或者同一含义使用不同的 表达方式等现象,即语义异构。因此如何针对海洋领域当中的跨领域应用的情况,

解决数据共享问题成为海洋数据共享的关键内容。
语义异构带来一种直接的后果就是使得所采用的数据共享方法无法理解各 个异构数据源的语义。这是因为传统的数据集成本身并不具有逻辑推理能力,不 能分析出某些逻辑等价、继承关系。因此需要在海洋领域数据共享实现过程中使 用一种无歧义的标准规范对各种异构数据内容进行定义。 二、 数据格式复杂

目前海洋信息系统常用的数据格式包括电报码、XML格式文件、文本、数 据库等。如此众多的数据格式使得对于海洋信息系统的数据共享方法必须提供多 种访问接口。这不但带来了数据集成困难,而且也增加了海洋数据融合的困难。

三、

海洋信息化与海洋科学的数据不统一

海洋信息化、数字化是海洋建设的一个重要方面,但是经过在上海、天津等 地方的实际观察发现,海洋信息化建设很难与海洋科学有机的结合。目前海洋信 息化建设中所涉及的数据类型全部属于通用的数据格式,即基于文本或数据库的

数据格式,而海洋科学领域所使用的例如NetCDF、Grid等更加专业的数据格式
很少出现在海洋信息化当中。

第一章绪论

这种不统一很大程度上降低了信息化的可用性和针对性,各种开发的海洋信

息系统所依赖的并不是海洋科学当中的原始数据,而是经过加工的间接数据,这
无疑增大了信息系统的应用成本,而且也很难满足海洋专业人员的要求。
四、

数据归属复杂

数据共享的目的是使用户可以根据自己的需要获取相应的数据。但是这种数 据获取的方式的前提是用户对这部分数据具有访问权限。复杂的数据归属关系必 然增加数据共享的难度。

我国海域广阔,沿海遍布着大大小小多个海洋机构,而由于体制等原因,我
国海洋数据分别属于不同的海洋机构。各个机构之间的数据缺乏统一的安排和协 调,因此数据共享必须考虑用户对数据访问权限的规定。

1.2本文主要工作
针对海洋领域应用系统的特殊性,本文以海洋数据共享为主要研究目标,在 原有的研究基础之上,进行了相关的研究与开发工作。 本文的主要工作具体如下: 一、 继承了原有的研究成果“海洋信息网格数据共享平台框架”,构造了 新的海洋数据共享平台框架,新框架中加入了数据标准化层与海洋观测 本体两部分内容。 二、

构造了海洋观测本体,对海洋观测活动当中的各种概念实现了无歧
义的表达。本体中还包含海洋观测数据分类与海洋机构的模型,实现了 对海洋观测数据与海洋机构的系统性分类。

三、

使用国际上海洋科学领域通用的NetCDF数据格式作为海洋信息系 统数据格式标准。开发了针对NetCDF数据格式的数据操作服务,实现 了海洋信息系统、国际海洋信息化标准、海洋科学三者的有机结合。

四、

设计并实现了多种海洋数据共享平台所包括的服务,其中包括数据 适配服务、GIS服务、元数据服务、地理信息资源获取服务等内容。

五、

完成了天津海洋观测数据展示平台项目,通过开发天津海洋观测数 据展示平台,实践了所提出的数据共享方法,验证了NetCDF数据作为 海洋信息系统标准格式的可行性。



第一章绪论

1.3本文工作内容在海洋数据共享平台中位置
论文提出的海洋数据共享平台框架是以原有的研究成果“海洋网格信息共享
平台框架”为基础的。原先研究成果“海洋网格信息共享平台框架’’以Globus Toolkit4为开发环境,将海洋数据共享平台分为五层架构,实现了网格环境下的 海洋信息资源共享。

应用及门户
》 <

工具与SDK




网格管理服务
> <

核心服务
j (

海洋信息资源

图1-1海洋数据共享平台框架变化图

图1.1中左边原先“五层"模型,右边为本文提出的海洋数据共享平台框架。 在原有“五层"框架基础上,本文增加了数据标准化层、与海洋观测本体两部分 内容。通过增加这两部分内容,清晰的定义了海洋观测活动对象,完善了平台对 观测数据标准的定义。 右图中的应用及门户、核心服务、数据标准化、海洋观测本体为本文在平台 中的主要工作内容。图中应用及门户部分为平台应用内容,将在第六章着重讲解; 核心服务与数据标准化部分属于系统服务内容将在第五章着重讲解;海洋观测本 体部分将在第四章着重讲解。

1.4论文的结构
本文共分为七章:
第一章

绪论。概要性的描述本文的研究背景,需要解决的问题,以及
文章的主要内容。本章是全文内容的概述。 海洋数据共享相关研究。介绍了海洋数据共享领域相关技术与

第二章

第一章绪论

研究现状。
第三章 海洋数据共享平台框架。描述新的共享平台总体框架,与重点 介绍新加入的数据标准化。 第四章 共享平台海洋观测本体。详细介绍所构造的海洋观测本体及其 构造过程。 第五章 共享平台核心模块设计与实现。描述了所实现的总体框架中的 各个模块。 第六章


天津海洋观测数据展示平台应用。介绍了天津海洋观测数据展 示平台所实现的各种应用与实现方法。

第七章

总结与展望。总结了本文的主要内容,并展望下一步工作的重 点和方向。



第二章海洋数据共享相关研究

第二章海洋数据共享相关研究

2.1数据共享技术 2.1.1数据集成
数据集成【l】是数据共享的主要实现方式,能否科学、合理地集成各种异构数 据源已经成为当前科学计算的关键问题。这些异构数据源于各种应用程序、数据 容器以及遗产系统。随着数据获取能力的提高,我们所获得的数据量日益庞大, 对于数据共享的要求与日剧增【2】。 参考文献[3]中描述了一种经典的数据集成方法,其核心方法是建立一种可 以描述各个异构数据源的概念模型,当用户进行查询时,首先对这个概念模型进 行查找,由概念模型负责将用户的请求映射为具体的数据源查询。例如,使用
DataBase

Schema作为各个异构数据源的概念模型【4】,在Schema中描述数据源地

址信息和访问接口,当用户需要获得某些数据内容时,则对Schema内容进行查 询,根据元数据内容与异构数据源地址的对应关系,定位所需数据的具体位置, 通过地址访问异构数据源获得所需数据。

2.1.2本体(ontology)
本体(ontology)原来是一个哲学的概念,被哲学家用来描述事物的本质。后来 知识工程学者借用了这一概念,在开发知识系统时用于领域知识的获取。本体在

由蒂姆?伯纳斯.李提出的语义网七层模型中本体处于第四剧5】【6】。其目标是捕获
相关领域的知识,提供对该领域知识的共同理解,确定该领域内共同认可的词汇, 并给出这些词汇(术语)和词汇间相互关系的明确定义。一个典型的本体定义了类 (class)、类之间的关系(relation)以及具有推理能力的一组推理规贝lj(rules)[71。 在计算机界,1 998年Studer提出的本体的定义【8】得到了广泛认可,该定义体 现了本体的四层含义: >概念模型(conceptualization):指通过抽象客观世界中的现象的相关概念 而得到的模型 >明确(explicit):指概念和概念的约束都有明确的和无歧异的定义 >形式化(formal):是本体能通过本体语言,使得计算机可读,并可以被计

第二章海洋数据共享相关研究

算机处理 >共享(share)-指本体体现的共同认可的知识,反映的是相关领域内的公 认的概念集

2.1.3

GML与KML标准

GML是由OGC(Open GIS Consortium)提出的基于xml的中立于任何厂商的 地理信息编码规范,用于地理信息的传输、存储与发布。它建立在W3C系列标准 之上,以一种互联网上容易共享的方式来描述、表达地理对象的空间和非空间属 性pJ。GML中使用的关键概念源
OpenGIS Abstract

Specification和ISO 1 9 1 00系

列规范。GML提供了各种不同类型的对象来描述地理现象,这些对象包括要素 (Feature)、坐标参考系(Coordinate
Reference

System)、几何(Geometry)、拓

扑(Topology)、时间(Time)、测量单位(Unit ofMeasure)和一般值(Generalized
Values)。

KML是Keyhole标记语言(Keyhole Markup Language)的缩写,是一种采 用XML语法与格式的语言,用于描述和保存地理信息(如点、线、图像、多 边形和模型等)。最早开发KML的是Keyhole,Google在2004年并购Keyhole后利 用KML打造了Google Earth,为用户提供透过网络浏览全球的平面或3D地理信息 的应用服务。Google Earth和Google Maps处理KML文件的方式与网页浏览

器处理HTML和XML文件的方式类似,像HTML一样,KML使用包含名
称、属性的标签(tag)来确定显示方式【l 01。

2.1.4

WEB服务与SOA

SOA(Service.Oriented Architecture),面向服务架构,是一种服务架构模型, 它通过定义服务接口的方式将离散分布在网络中的应用组件进行分布式部署、组 合和使用【111 02]。SOA接口采用中立方式定义,独立于服务实现的硬件平台、操 作系统和编程语言,这使得调用各种服务可以通过统一的方式进行。SOA具有如 下主要特性:


SOA服务提供平台独立的自描述XML文档。 SOA服务采用消息进行通讯。 正是SOA的优良特点使得它成为当今Web服务构建的标准。 w曲服务【13】是一种自包含、自解释、模块化的应用,能够被发布、定位,并 且从Web上的任何位置进行调用,是SOA的一种实现形式。w曲服务实现的核心


第二章海洋数据共享相关研究

是定义良好的接口。接口所用的描述语言WSDL是一种用XML进行自描述的语
言,这也是SOA核心所在。Wreb服务实现一个中立平台,以获得服务,客户端只 需要获得服务接口描述,就可以方便地调用服务。 目前,Wreb服务已经成为构建数据共享平台的关键技术之一,它为数据共享 平台的应用与资源之间提供一种平台无关的互操作方式【141。w曲服务的这些特点 使得它对于构建海洋数据共享平台具有重要作用。

2.1.5 ESB
Service

企业服务总线(Enterprise

Bus,ESB)[15】【16】是构建基于面向服务体系

结构(SOA)解决方案时所使用基础架构的关键部分,是由中间件技术实现并支持
SOA的一组基础架构功能。ESB支持异构环境中的服务、消息,以及基于事件 的交互,并且具有适当的服务级别和可管理性。简而言之,ESB提供了连接企业

内部及跨企业间新的和现有软件应用程序的功能,以一组丰富的功能启用管理和
监控应用程序之间的交互。在SOA分层模型中,ESB用于组件层以及服务层之间, 它能够通过多种通信协议连接并集成不同平台上的组件将其映射成服务层的服 务。

2.2海洋数据共享技术
2.2.1

NetCDF数据格式
Form)[17】【181网络通用数据格式,由大气研

NetCDF(Network Common Data

究大学协会(UCAR)在其Unidata(http://my.unidata.ucar.edu)项目中提出。它是一

种自描述的通用数据格式。由于其非常灵活,可以表达矩阵数据格式,因此非常
适合存储科学数据,在地球、海洋、大气科学中得到广泛应用。 NetCDF数据具有如下特性:


自描述性:每个NetCDF数据文件不仅包含数据。还包含对数据各种属 性即元数据具的描述。

>结构独立性:NetCDF数据文件不依赖于计算机和操做系统,是一种独 立结构的数据文件。 >随机访问性:可以随机访问数据集中的任意一部分数据。

>可追加性:对于新数据,可以直接追加在原有数据结尾,而不需要重写

第二章海洋数据共享相关研究

文件。 >可共享性:可以使多用户同时对文件进行操作。 NetCDF数据结构中的数据存储部分类似于高级语言中数组的概念,用公 式来说就是v【x】【y】【...】=value【19【20】。其中x、y在NetCDF中称为维(Dimension),

数组名v郁letCDF中称为变量(Variable)。而除了数据存储部分,NetCDF还包括
元数据部分,用来对数据外部环境进行说明,例如数据作者、数据计量单位等, 我们称这些描述数据外部环境的内容为属性(Attribute)。维、变量、属性三者构 成了NetCDF数据的主要存储结构。 目前三十个国家约500个组织机构正在使用NetCDF文件,其中包括NOAA
(National Oceanic Atmospheric Administration),NOSA(National Aeronautics and Space Administration)LANL(The global National Laboratory)等权威机构。
oceall

modeling effort

at

Los Alamos

2.2.2元数据与FGDC
元数据是描述数据的数据。最初定义元数据的目的是为了便于阅读数据库, 理解数据库中记录的含义。但是元数据的概念发展到今天,已经超出了它原有的 意义。元数据的定义【21】是:元数据是描述一个具体的资源对象,并能对这个对象 进行定位、管理,且有助于它的发现与获取的数据。可见,元数据已经成为资源 发现与管理的基础。它的功能包括:资源描述、检索、定位、管理、评估与交互。 元数据的定义需要遵从一定的标准【22】【231,描述不同类型资源的元数据其标 准也不相同。例如,描述地理信息的元数据要清晰的描述地理图层的关键属性。 在各类元数据定义标准中,最具影响力的是美国联邦地理数据委员会(Federal
Geographical Data Committee,FGDC)。

FGDC成立于1990年,由来自16个机构的17位专家组成。该组织1994年 8月通过并发布了第一版地理空间数据【24】【25】的元数据内容标准CSDGM。此后又 于1997年完成了第二版CSDGM。虽然CSDGM标准是针对地理信息资源而定义, 但是一些核心的理念值得借鉴。在CSDGM标准中,规定了三种性质的子集、实 体和元素。这三种性质是:必需的,即必需提供的信息;一定条件下必需的,即 如果正在建立的元数据包含某子集、某个实体,或某个元素说明的特征,则必需 提供的信息;可选的,即该信息是可选的,由用户决定是否将其包含在元数据文 件中。

第二章海洋数据共享相关研究

2.2.3

ArcMarine模型
Marine【26】是一个针对海洋GIS领域的地理信息数据模型。它i扫Oregon Institute和ESRI

Arc

State University、Duke University、NOAA the Danish Hydrologic

共同研发。研发工作开始于2001年,主要实现了三个GIS领域的数据模型需要。

>提供一个通用的地理信息数据模型,以方便用户在ArcGIS等产品中集
成,管理,存储查询海洋数据。 >提供一个标准化的模版用来进行海洋领域应用程序得开发。 >提供一个新的geodatabase数据结构,这种结构更加易于理解,便于使 用。
Arc

Marine可以作为海洋GIS用户I掏geodatabase模版[27】,它和所有其他模版
data

一样,是一个结构化的数据对象。这些数据对象是多个特征数据集(feature set)、特征类(feature classes)、对象类(object classes)、和关系类(relationship

classes)

的集合。一个特征数据集是一个具有相同空间参考的特征类集合。空间参考是数 据库几何学定义中的一部分。同一数据集必须采用同一空间参考系。在 geodatabase中,所有的对象(object)都代表一个现实世界的对象,例如浮标和 灯塔,并且被存储在关系数据库表中。对象类并没有地理上的对应,而通过关系 类它们可以关联到地理信息。相反所有geodatabase中的特征都是拥有确定空间位 置的地理对象。特征(feature)从本质上说就是一个对象,但是在它的关系数据

库表中也包含一个集合或者形状列。Arc Marine geodatabase可以存储任意大小的
数据集,无论数据集的大小,在ArcSDE的帮助下都可以实现。

2.3相关项目研究现状
2.3.1 IoOS

IOOS(Integrated Ocean Observing

System)[28】[2叼是由美国海军和国家海洋

大气局发起的永久的集成海洋观测系统,它的目的是提高海洋监测效率,统一当 前分散在各部门的海洋观测系统,将这些观测系统进行整合,提供面向全国的海 洋监测服务。 IOOS框架是一个由用户驱动的,双向流程的综合性框架,它分为三个子系 统,分别是:海洋环境监测子系统、数据管理通信子系统、建模分析子系统。其 中用户是系统的起始点,也是系统服务的对象。系统以满足用户需求为目的,受 用户需求的驱动,通过各个层次之间的指令流和数据流,互相配合,协同工作,


第二章海洋数据共享相关研究

满足用户的需要。

2.3.2

DMAC
and

DMAC(Data Management

Communications)即数据管理和通信,它是美国 System)项目的分阶段子系统,主要负责海洋

IOOS(Integrated Ocean Observing

数据的传输和通讯【301。 在IOOS系统中,数据通过各种途径获得,例如:漂移的海上浮标,固定在 船下的装置,漂在海中的实验装置,固定在光缆或者平台上的装置,空间卫星, 建立在海平面的实验室等。另外,这些数据的获得又有多种形式,例如:在固定 点获取单参数或者多重参数测量结果,通过网络获取数据量达数GB的四维数据 集合等。因此发现和整理繁杂多样的数据成为整个lOOS项目的重点,其中心就 在于DMAC子系统对数据的处理能力。 DMAC定义了一套共同遵守的、通用的标准、规程和软件工具的互操作框 架,其功能包括:(1)对系统内部统一认可的数据集的描述(Metadata);(2)搜索 和发现系统相关的数据集、数据产品的能力以及进行数据处理的能力(Data Discovery);(3)与用户应用端进行数据传输和交互的能力(Data Transport);(4)通 过普通的网页浏览器评价数据特征的能力(Uniform
On-line

Browse);(5)安全存储

数据和元数据并且随时检索的能力(Data ArcmvO。其中,元数据是DMAC的核 心,是系统发现和调用资源的基础。

2.3.3 OIUON
ORION(Ocean Research Interactive 0bservatory Networks)[3 H海洋交互观测

网,研究性海洋观测项目,专注于融合最新的科学、技术、教育、宣传于海洋观 测中。O砒ON能够提供高频率的、连续的、大规模空间范围内的测量来满足物 理、化学、地理等海洋相关学科间联系的需要,提供空间一致的数据以研究海洋 发展过程,并对其进行建模。0RJON不仅是一个研究项目,它更为科学家、教


育者和普通公众对海洋的交互、连续访问提供了一个平台。其子项目OOI(Ocean
Observatories

Initiative)探索利用最先进的海洋观测技术,为ORION项目设计、

测试、部署先进的海洋观测设备。全球科学家都可以通过互联网访问OOI获得的 观测数据,开展地震与海啸发生机制、渔业与沿海资源管理以及海洋对气候系统 影响等课题的深入研究。

10

第二章海洋数据共享相关研究

2.3.4^僵A嗄I

lVIMI(Marine Metadata Interoperation)海洋元数据互操作是由美国NSF、 SURA、ONR;glNOAA-CSC组织资助的一项海洋科学项目132]。该项目于2004年 启动,其目的是实现海洋领域数据共享。 MMI提供一个开放的资源共享平台,任何组织和个人都可以将与海洋相关 的信息资源注册到MMI中,而MMI将利用自己的平台为用户注册的资源做广 泛的宣传,以便其它组织可以发现和利用这些资源。同时,MMI还是一个海洋 信息协作平台,注册用户可以向MMI提出申请,MMI将会为其创建一个用户组 或资源共享空间,用户可以通过这个共享空间实现与其它用户的交流。

2.3.5

MarineXML

MarineXML是由欧盟资助的一项海洋信息标准化项卧33】,该项目2003年启
动,其目标是验证XML技术在提高海洋信息部门之间,特别是海洋观测部门之 间数据互操作性中所起的作用。MarineXML由来自世界各地的、不同领域的机构 参与以保证所开发的海洋XML可以满足各方面的需要。目前,项目的工作集中 于开发一个海洋数据本体框架原型以实现互操作,在原型系统中验证数据互操作 的性能,开发并改进海洋标记语言MML原型。

2.4本章小结

本章分析了海洋数据共享平台的发展现状,列举了共享平台当中所应用的主 要技术,比较了海洋数据共享技术与传统数据共享技术的差异。本章是海洋数据 共享平台设计、实现的理论基础。

第三章海洋数据共享平台框架

第三章海洋数据共享平台框架

3.1共享平台框架在海洋观测体系中的位置

海洋数据共享平台框架是由数据标准规范、系统安全标准规范、业务应用 系统、网络通信平台、信息共享平台管理与公共协作平台六部分构成,这几部 分相互联系,是海洋数据共享平台不可分割的有机整体,向上为海洋应急、海 洋科学、海洋公共服务、海洋信息几类海洋示范应用提供必须的支持,向下整 合分布式海洋观测资源、计算资源、地理信息资源、海洋信息产品与海洋信息 系统等资源,其结构如图3-!所示。

r’曩旷。■r‘■r‘●r

。(海洋应急系筝)@洋科学系考@洋公共服务系旁@洋信息系旁
零 曩





海洋数据共享平台框架


数 据 标 准 规


业务应用系统 C 实时数据)C统计分析产品) <弼化产品)C 辅助决策D C 预报产品
{王 j工 {工






i计算辍朋络有无线通讯网络(包括VPDN—IPSEC等方式;
卫星数据传输;GPS通用定位系统; 服务器系统软件(数据库系统GIS地理信息系统)

系 统 安 企 土

歹信息共享平台管理与资源整合平台
资源共享整合与系统协作



——一,

——一/





\———~



\—~——~
海洋信息系统

}分布式海洋观测资浏/计算资源/

地理信息资源I|海洋信息产品Uj L—___—_—4一

图3.1海洋观测体系结构图

12

第三章海洋数据共享平台框架

3.1.1数据标准与系统安全规范
数据标准规范规定平台中数据采集、整理、索引等一系列与数据有关的操作 所必须遵守的规范与标准,它主要包含两层要求:一是数据格式,采用国际上普 遍使用的NetCDF数据格式,减少异构数据所带来的数据应用的影响。二是数据 交换标准,根据上海、天津等处的实地调查,构建了海洋观测本体,形式化的表 达了海洋观测领域知识,定义了数据表达标准词语,从语义的层面解决了异构数 据带来的影响。

系统安全是确保平台系统稳定、正常运行的保障。系统安全贯穿于平台的各
个层面。海洋信息共享安全体系采用代理认证服务的方式,审核外部用户认证请 求。用户通过申请表向认证服务代理发出认证请求。发送的申请经过网格管理员

审批,网格管理员具有用户审批和权限设定的权力。管理员可以在网格管理门户 中设定审批方式,包括自动审批和邮件审批,自动审批指管理员事先设定一个审
核标准,由代理根据这个标准自动审批用户请求,邮件审批指用户申请表通过邮

件发送给管理员,管理员通过邮件审批用户申请。审批生成用户证书,作为用户
在网格中的唯一标识规定用户在海洋信息共享网格中的权限。

3.1.2业务应用系统
业务应用系统是平台的核心部分,它是与最终用户业务需求联系最为紧密的 部分。通过底层网络通信平台,与信息共享平台管理与资源整合子平台的支持, 它实现了各种海洋领域业务功能,包括实时数据以及同化产品、统计分析产品、 预报产品等海洋数据产品。 实时数据包括各种岸基设备、离岸设备、遥感设备所产生的各种数据信息, 提供对海洋观测数据的发布、查询、展示功能。通过发布的服务为用户数据提供 查询接口。 统计分析产品是对某一特定海域观测数据按照某一标准进行统计分析并生 成相应的统计分析专题图。例如台湾海峡水温年度变化专题图。 同化产品是将不同内容、不同海域、不同时间、不同观测精度的数据融合成 为一种基于同一标准的规范的数据形式。它是海洋领域最常见的一种数据处理方 式。通过同化产品可以生成各种场图,例如温度场图,流场图等。本文采用了 NetCDF数据作为最终的数据格式,利用NetCDF数据的的多维结构,以及可扩 展、自描述等特性,进行数据同化处理,形式上与国际接轨。 预报产品是根据当前的观测数据,通过各种计算模型,计算出未来的海洋各

第三章海洋数据共享平台框架

个要素状态。

3.1.3网络通信平台 网络通信平台是连接各个海洋机构相关部门,以及相关部门与各个数据源之 间的有线、无线数据、图像通道,以及各个海洋机构内部的有线、无线数据、图
像通信端设备和系统软件。网络通信平台支撑业务应用系统运行。网络通信平台 能够满足数据、图文等信息传输,具有高性能,高可靠性、高安全性等特点。支 持宽带卫星应用与GPS定位系统。

3.1.4信息共享平台管理与资源整合
该平台实现海洋资源的整合以及与其他系统的协作。资源整合是指将各种异 构分布海洋资源通过元数据服务,数据转换服务、导航服务,数据获取服务等整 合成为一种通用的、共享的海洋资源。由于海洋科学是一门综合学科,它涉及包 括海洋在内的多个专业内容,因此海洋数据共享平台除了需要满足海洋领域所需 要的各种服务,还需要通过公共协作机制实现跨领域的不同信息系统间协同工 作。

3.2海洋共享平台总体架构
海洋数据共享平台总体架构如图3.2所示,包括了海洋信息资源层、数据标 准化层、核心服务层、服务管理层、工具与SDK层、应用与门户层等多个层次, 以及海洋观测本体。应用及门户层是开发业务应用程序的容器,也是用户使用和 访问海洋信息系统的入口;工具与SDK层部署着为领域应用程序开发者提供的 统一接口的集成函数和标准函数接口;服务管理层集成平台管理核心组件,实现 平台对服务管理功能;核心服务层将与资源管理相关的功能模块抽象、提取出来, 提供应用无关的核心服务;数据标准化层实现对异构数据的标准化处理。包含本 文在海洋本体的基础之上开发的一些NetCDF数据格式的操作服务,这些服务使 得数据共享平台能够很好的支持NetCDF数据格式,实现数据格式与国际接轨; 海洋信息资源层容纳了海洋领域各种基础信息资源,是所有服务与应用的基础。 这六个层次上下衔接,组成一个不可分割的整体。

14

第三章海洋数据共享平台框架

与原有五层框架相比,新框架增加了海洋数据标准化层与海洋本体两部 分。NetCDF数据格式对原有的异构数据格式提出了一个标准的数据格式规范。 通过实现的一系列服务,可以方便的实现异构数据与NetCDF数据之间的转换

过程。海洋观测本体描述了海洋观测活动所涉及的各种概念之间的关系,定义
了各种概念的标准名称,消除了“语义“层次上的数据异构,为构建海洋观测 数据元数据,实现了海洋观测平台数据交换标准提供了研究依据。

服务

安全服务

信息资源共享与协同服务


管理

代理认证服务 复制服务 虚拟组织 元数据管理 安全l l任务管理调度GRAM 资源发现MDS

核心 服务

匦臣画亟匾垂习隔

标准化匦垂垂圃巨亟垂圃匡亟垂圃
数据 海洋信
息资源
图3.2海洋数据共享平台架构图

第三章海洋数据共享平台框架

3.2.1应用及门户
目前海洋信息领域主要存在海洋监测数据、信息产品、辅助决策三类应 用。海洋监测是指通过遥感卫星、地波雷达、大型浮标、石油平台基、测报船 舶和安放在海底的海床基、水质站等监测设备,实现对区域海洋环境的立体、 实时监测和信息处理。信息产品是指利用海洋监测得到的数据,通过一系列对 数据的分析、处理,使用图形化的方式呈现数据的内容。辅助决策是指通过可 视化显示当前移动观测设备所处位置水文气象数据与附近可能遇到的危险源,

为移动设备操控人员设计最佳运动轨迹,避免可能遇到的风险提供决策依据,
保证移动观测设备正常有序运行。 门户是海洋数据共享平台的重要组成部分,是用户访问共享平台的接口。 f-jp分为业务应用门户与平台管理门户。业务应用门户容纳各种海洋信息共享 业务,满足各种海洋应用的需要。平台管理门户对平台环境进行统一管理,实 现平台的用户管理、门户布局等功能。

3.2.2工具及SDK 该层为应用及门户层提供应用开发工具、环境、SDK开发包。所包含的标
准接口函数集为上层门户和应用提供方便的接口,服务集成API在服务服务管理 层的基础上为上层调用提供统一的服务集成功能,上层应用只要了解集成服务入 口就可以获得综合性服务。

3.2.3服务管理
服务管理实现平台中多个资源的协同工作与执行,负责平台中数据共享环境 的管理,这一层主要负责协调和调用下层核心服务层中与通用操作相关的逻辑服 务。服务管理主要包含安全服务和信息资源共享与协同服务两类。 >安全服务是数据共享平台的保障。 平台采用代理认证方式,构建海洋信息

共享安全体系,具体内容如3.1.1所示。 >信息资源共享与协同服务实现海洋信息共享业务功能。它通过资源发现、复 制管理、虚拟组织等方式建立上层应用与下层资源之间的桥梁,通过访问分 布在各处的海洋异构信息资源为用户提供“一站式"服务,通过信息资源共 享服务,使得整个海洋体系如同一个信息资源整体,任何注册到共享节点中 的应用和用户都可以在它们的权限范围内访问其它节点上的信息资源。

16

第三章海洋数据共享平台框架

3.2.4核心服务
核心服务层是海洋信息共享平台的核心,是上面所述的各种应用,服务的具 体实现和基础。这里主要包括:安全认证服务、任务管理调度服务、邮件服务、 目录服务、资源发现MDS、元数据服务、GIS服务、地理信息资源获取服务和 本体服务。原有的研究成果已经实现了其中的部分服务。 >安全认证服务通过认证代理服务器调用,主要实现为用户颁发证书和生成密 钥,并通过比对用户名,密码对用户登录信息进行确认。 >任务管理调度服务负责管理调度各种业务作业。实现任务的最优化执行方 案,提高平台利用率,保证任务按时完成。

>邮件服务是办公自动化赖以实现的重要服务,通过平台提供的邮件服务,实
现部门之间、人员之间的指令下达、任务说明、工作汇报。


目录服务是数据获取和发现的重要手段。目录服务通过关联元数据库中的记 录为资源代理提供数据和各种服务资源的位置以及访问这些资源的方式。除 此之外,目录服务也为数据转储过程的日志信息和服务调用的日志信息提供 索引。

>资源发现MDS负责为各个任务寻找所需资源。它通过元数据服务与目录服 务查询最为匹配的资源,满足任务需要。 >GIS服实现海洋信息系统所依赖的地图功能以及和地图有关的各种各样的操 作。本文使用了基于Web服务的第三方GIS平台软件ArcGIS。使用ArcGIS Server发布实现地图功能的Web服务。通过获得描述地图服务的UDDI,获 得地图组件,实现地图功能与相关操作。 >地理信息资源获取服务实现了获取已经发布的GIS服务。例如获取GIS服务 中的地图、地理信息数据操作等服务。 >本体服务针对语义互操作和语义浏览。当某个应用程序需要进行跨领域或跨 平台的信息查询时,应用程序通过调用本体服务,搜索该应用领域本体库, 获取相关概念的描述,实现消除语义差异的互操作浏览。

3.2.5数据标准化
数据标准化层规范底层异构数据内容,为上层提供统一、规范的数据格式。 本层采用国际上海洋科学通用的NetCDF数据格式为标准的数据格式,并针对 NetCDF格式开发了多个数据标准化操作服务,其中包括NetCDF元数据提取服 务、NetCDF数据集操作服务、数据适配服务、数据转换服务。

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第三章海洋数据共享平台框架

本层在OpenGIS与ISO标准下实现了三种NetCDF数据格式相关的操作服 务,分别是NetCDF元数据提取服务,NetCDF数据集操作服务与数据适配服务。 这三种服务逐层扩展,每一种服务都在底层服务之上构建了功能更加复杂、支持 内容更加广泛的新服务。其总体结构如图3.3所示。

数据适配 NetCDF数据集操作 NetCDF元数据提取
海洋本体
OpenGIS lSO

丁丁

』上

NetCDF文件
图3.3 NetCDF相关服务层次结构

>NetCDF元数据提取服务是其他两种服务的核心,其功能是提取NetCDF文 件当中的维、标量、属性等要素,并利用XML语法对NetCDF文件进行描 述。它是对NetCDF文件的半结构文本化处理,通过将NetCDF数据文件描 述为XML格式的数据,使得NetCDF格式的可以更好的在SOA、网格等环 境中传输。 >NetCDF数据集操作服务继承NetCDF元数据提取服务,其功能是对已经提 取的NetCDF数据集内容进行各种操作,包括对维、变量、全局属性与变量 属性的修改、删除、重命名等元数据基本操作,以及为了满足用户横向数据 比较的需要而开发的提取多个数据集的部分数据组成一个“虚拟”数据集的 操作。 >数据适配服务的作用是提取NetCDF数据内容,封装为各个不同服务、组织 所需要的数据格式。数据适配服务的实现非常灵活,本文通过创建的海洋本 体构建了与NetCDF目标数据格式紧密对应的海洋观测模型,通过提取模型 中的数据,可以非常灵活地实现提取NetCDF数据内容。 >数据转换服务就是将各种异构数据内容转换为NetCDF数据。其目的是统一 原有异构数据,为其他针对NetCDF数据格式的服务提供一个标准的数据环 境。 >数据访问服务负责连接各种异构数据源,实现对各种异构数据内容的获取。 由于海洋观测数据种类众多,必须为每一种异构数据分别实现各自的数据访 问服务。

第三章海洋数据共享平台框架

3.2.6分布的资源
海洋资源位于平台框架的最下层,它们是平台所实现各种服务的基础。目前 海洋信息资源种类繁多,分布广泛。就目前的应用而言,主要资源包括分布式海 洋观测资源、海洋信息系统、计算资源、地理信息资源、海洋信息产品。 >分布式海洋观测资源包括各种类型海洋监测数据、海洋观测设备以及其 他与海洋观测相关的资源。这些分布式海洋观测资源源于不同海洋观测 设备,属于不同海洋观测机构,具有不同的类型。 >海洋信息系统是指已经建设的在用或者遗产系统。管理、共享这些信息 系统在各自领域提供的不同类型的信息服务是海洋数据共享平台的目 的。 >地理信息资源指涉及海洋领域的地图和相关资源,主要包括各个海洋中 心的各种格式的海洋地图。 >海洋信息产品是为用户提供的,满足用户不同种类应用需要的图形化信 息产品。目前海洋信息产品主要包括海洋统计产品、同化产品、实测产 品等。

3.2.7海洋观测本体
海洋观测本体是对海洋观测活动概念的详细描述,它包含海洋观测活动、海
洋观测机构、海洋观测数据等多个概念、关系、属性、公理等对象,并且为海洋 观测活动中的各个对象都制定了标准的名称。海洋观测本体包含对海洋观测数 据的系统化分类:依照海洋观测数据格式特点,将海洋观测数据分为点、线、面、 网四类,并为每一种类都详细划分了与某种具体海洋观测活动类型相对应的子类 型,这对于我们制定海洋观测数据元数据,制定海洋数据交换标准具有重要作用。

3.3本章小结

本章在原有的研究成果的基础上,分别从内部结构与外部联系两方面描述了

海洋数据共享平台。平台整合各种海洋信息资源,通过各个子平台的相互作用,
对外部各种应用提供支持。平台内部包含六个层次与海洋观测本体七部分,其中 海洋观测本体贯穿其他六层,为平台跨领域应用提供数据交换标准。

19

第四章共享平台海洋观测本体

第四章共享平台海洋观测本体

4.1本体模型

海洋观测本体描述了海洋观测活动中所涉及的各种概念、关系、属性、公理 等知识。随着海洋开发的深入进行,海洋观测活动越来越频繁,其所起的海洋科 学研究基础性地位也得到了明确的体现,因此本文根据作者在上海、天津等地方 的调查研究,实际考察了大量的海洋观测活动,比较了多种观测数据,构造了海 洋观测本体。构建海洋观测本体可以提供一个基本的语义框架,通过标识领域内 的概念,制定一套规范的专业词汇和业务术语,界定这些词汇和术语的内涵以及

相互之间的关系,给出对该业务领域知识的抽象,并基于OWL语言对这些概念
及概念间的关系进行规范描述,形成基于本体的应急业务知识库,可以为海洋观 测知识的语义标识和语义浏览提供一个良好的基础设施,为各级海洋行政管理机 构和涉海部门提高海洋观测能力,提高观测数据共享程度提供服务。

4.1.1海洋观测本体概念模型
根据海洋观测领域所涉及到的内容,可以将本体中所涉及到的概念分为如下 几个大类其结构图如图4.1所示: >观测任务是指由某些机构所执行的某次海洋观测活动。通过存在于海洋 中的多种观测设备,产生观测数据。它是本体建模的核心环节,其他主 要要素通过不同属性与观测任务相联系。可以说它是导出其他概念的出 发点。 >观测数据是指每次观测任务中所产生的各种不同用途的数据内容。每一 次观测活动会产生多份观测数据。它通过hasData属性与观测任务相联 系。 >数据类型描述了各种观测数据的具体类型定义。它通过hasDataType属 性与观测数据相联系。它包括四种大的观测数据类型,分别是点(Point)、 线(Line)、面(Area)、网(Mesh)。

第四章共享平台海洋观测本体

图4.1海洋观测本体概念模型

>海洋观测设备是观测任务中所依赖的用来产生观测数据的设备。它通过 hasDevice属性与观测数据相联系。每一份数据都对应一个观测设备。 观测设备分为三大类,分别是离岸观测设备(DepartingDevice)、岸基观 测设备(CoastDevice)与遥感设备(RemoteSensingDevice)。 >观测角色包含赋予海洋机构在海洋观测活动中所具有的特定权力和展 现出来的能力。权力取决于机构在其参与的观测活动中担任的职位,可 以被赋予和撤回。能力是机构自身的属性,不会被解除,即使角色的角

色改变了,该机构仍然具有能力。权力和能力可以组成更复杂的角色。
把任务分配给具体角色而不是特定机构可以解决机构更替、职能转变的 问题。 >机构类型描述了海洋相关机构的具体类型情况,通过hasRole属性与角 色相联系。它包括两种机构类型,分别是海洋行政机构与职能中心机构。 其中海洋行政机构负责海洋观测活动的管理等工作,而职能中心机构负 责海洋观测活动的具体实施。 >任务规范是海洋观测活动中所必须遵守的约束与标准。它通过 accordingTo属性与海洋观测活动相关联。 >任务规范类型描述了任务规范的具体类型定义。它包括三种具体规范类 型,分别是技术方案、法律法规与国家文件。

2l

第四章共享平台海洋观测本体

4.1.2海洋数据类型模型
数据类型是观测数据跨领域应用的基础,也是海洋本体中最重要也最为复杂

的一部分内容。图4.2描述了海洋观测模型的数据类型,对与各个类型当中所需
要的属性进行了无歧义的定义。这种数据类型的定义以及本体当中对不同异构数 据内容所进行的各种概念之间关系的定义,使得我们可以清楚的从各种字段名不 同的异构数据文件中提取我们所需要的数据内容,并通过数据适配服务取得我们 所需要的目标数据格式。

图4.2海洋观测数据类型模型

海洋观测数据类型从总体上分为四个大类,分别是点、线、面、网。就目前

我们所处的三维空间来看,这四大类覆盖了我们所处空间的所有空间组成内容,
因此可以认为这种分类是全面的。同样海洋观测活动就是在现有海洋空间内部进 行的,所以这四种分类方式也覆盖了海洋空间的全部空间组成。各个大类下面针 对海洋不同种类的观测活动,具体的划分了海洋观测活动的种类。 一、 点类型是观测活动中最基本的观测形式,任何其他的观测形式都可 以认为是一系列连续点的观测,点包含四种具体类型分别是瞬时点、位 置点、位置序列、时间序列。 >瞬时点是指只在单次的观测活动中测得的数据值,而在每次观测活动中 所取的位置数据不固定。通常这种观测活动的目的是通过取得一系列的 样本点来获取某一片海域的海水特性。例如CTD(conductive
depth)、XBT(expendable temperature

bathythermograph)等活动。

第四章共享平台海洋观测本体

>位置点是点序列中的原始观测类型,因为任何点都具有位置属性。任何 一次对海水的取样活动都可以认为是在某一位置点的观测活动。例如某 个浮标,或者某些位置固定的观测设备所产生的观测数据均属于此类。 >位置序列是在同一时间由各个不同位置的观测点的数据所组成观测类 型。它类似于一个波形图,图的两个轴分别是位置与观测值。例如剖面 图,描述的就是不同深度位置的观测数据值。 >时间序列与位置序列类似,它是由某一固定位置在不同时间所产生的连

续观测数据,类似于波动图,图的两轴分别是时间与观测值。例如温度、
深度等时间序列类型。 二、 线类型从微观角度上说就是由一系列点组成的观测内容,但是它更 关注于线的整体情况,而位置序列则更关注于点,这是它与位置序列的 区别。线类型包括四种基本类型,分别是:

>位置线,同位置点类似,它是线类型中最一般的类型,任何其他线类型
如果不考虑其特殊性,都可以归入位置线类型。例如一根电线,一根管 道等。 >轮廓线,是描述海洋中某些对象的切面轮廓的数据类型。例如海底轮廓 线、海沟轮廓线等。 >海岸线,是比较具体的一种线类型数据,它描述了海岸位置、走向等海 岸线相关内容。 >时间持续线,是描述运动轨迹的一种数据类型。例如某些观测船轨迹, 某些运动观测设备轨迹等。 三、 面类型包含两种观测类型,分别是位置面与时间持续面。

>位置面描述某一位置上的“面¨隋况。它是面中的基本观测类型。
>时间持续面描述某一面随着时间的变化情况,例如海洋事故益油面时随 着时间油在发生扩散,移动等变化,以及发生赤潮海域的变化情况等。

四、

网类型描述某一水体的情况,它描述某一三维水体范围内的海洋观 测活动。分为规则插值面、非规则插值面与立体网。

4.1.3海洋机构类型模型
海洋机构模型是研究海洋数据归属的前提,它是海洋数据的获取访问、元数 据服务等内容的前提,可以保证数据被合法的用户使用,保证数据安全性。 海洋机构是海洋观测活动的直接或间接的负责单位,是海洋观测活动的主

第四章共享平台海洋观测本体

体。海洋机构分类结构如图4.3所示,可以分为三类,分别是科研机构例如国家 海洋局第一、二、三研究所,职能中心机构例如国家海洋局信息中心、技术中心 等与行政管理机构例如国家海洋局、东海分局等。同时各个行政机构又具有各自 的行政区域。

图4-3海洋机构类型模型

行政区域是指海洋机构的管辖范围,有明确的地理政治区域边界。行政区域 是一个枚举类型,它包括国家级、省市级、地方级和区域级等多个级别。

4.2海洋观测本体模型构造

本文采用protege3.1作为本体编辑工具,使用owl作为本体描述语言,分别 从公理、概念/类、关系/属性,以及注释等几方面实现了海洋观测本体。

4.2.1公理实现
公理是无需证明的正确的假设,公理也是逻辑表达与语义推理的前提,本体 中的公理主要描述类、属性、实例之间客观存在的一些关系。本文基于OWL实

现了以下几个主要的公理:类的存在公理、子类关系公理、等价关系公理、排他
关系公理以及实例关系公理等。 >类的存在公理,表示本体中最基本的概念(类)可以通过一个名称唯一

确定。OWL利用rdf:ID定义类的名称,并假设这个类的存在为公理。
例如:<owl:Class rdf:ID=”OBSProcess’’/>。

>子类关系公理,表示某个类是另一个类的子集。OWL使用RDF
中的rdfs:subClassOf属性描述子类关系。例如:

Schema

第四章共享平台海洋观测本体

>等价关系公理,表示某个类和另一个类是等价的。OWL使用 owl:equivalentClass属性描述等价关系。例如:
<owl:Class

rdfiabout=”海洋观测活动”>

<owl:equivalentClass rdfiresource=”ObsProcess’’/>
</owl:Class>

>排他关系公理,表示某个类和另一个类完全不相同,即两个类之间没有

>实例关系公理,表示类的实例和类之间的关系,类似于面向对象中的对 象和类之间的关系。例如:

4.2.2概念/类实现
概念是本体模型最基本的组成部分,在OWL中,概念也称为类。类的表现 形式有许多种,最基本的有以下六类:简单类、枚举类、对属性制约的类、由类 的交集定义的类、由类的并集定义的类以及由类的补集定义的类。应急预案领域 本体中各种类的实现如下: >简单类,是OWL中最基本的类。例如:表示“观测活动”这个类用如 下代码实现:
<owl:Class

rdfiabout=”海洋观测活动”>

<owl:equivalentClass rdf:resource=”ObsProcess”/> </owl:Class>

>枚举类,是类的实例的集合,OWL中用rdfiparseType=”Collection”描述 枚举类型的类,用owl:one of描述集合中的每个实例,且集合中必须将 所有实例枚举完备。例如:按照观测数据的不同内容,可以将观测数据 分为点、线、面、网四种观测数据,用如下代码实现:

第四章共享平台海洋观测本体

>对属性制约的类,属性制约的情况有两种,分别是对属性值(value

constraints)的制约和属性值个数(cardiIlal时constraints)的制约。属性值被
制约指该类的某个属性的取值范围被限制,它又可以分为以下三种情 况:所有属性值都被限制(owl:allValuesFrom)、至少一个属性值被限制 (owl:someValuesFrom)以及含某个制约的属性值(owl:hasValue)。这三种 情况在海洋观测本体模型中都没有出现。属性值的个数被制约指对类的 特定的属性值进行个数的限制,它又可以分为以下三种情况:限制值的 最多数目(owl:maxCardinality)、限制值的最少数目(owl:minCardinality) 以及指定值的数目(owl:Cardinality)。例如,海洋领域某次观测活动至少 有一个组织对它负责,用如下代码实现:

4.2.3关系/属性实现
本体中的关系一般是指概念之间、概念与实例之间或概念与属性之间的交 互、映射或者关联,形式上定义为11维笛卡尔乘积的子集:R:C1xC2×…xCn。 在OWL中,关系也称为属性,是描述两个项(类、实例、数据类型、子属性等)

之间的一种二元关系。.OWL按照描述属性的数据类型将属性分为两类:对象属
性和数据属性。

>对象属性将主体所属类的个体和客体所属类的个体联系起来。例如:
hasOrganization描述了某一海洋观测活动由某一组织负责参与关系。在

OWL中,对象属性用RDF的rdf:Property类的子类owl:ObjectProperty

第四章共享平台海洋观测本体

类描述; >数据属性将主体所属类的个体和某一数据类型联系起来。例如:x、Y、 z、t、value分别描述了某一观测数据所必须具备的经度、维度、深度/ 高度、时间、值等内容,其数据类型均为是字符串型(string)。在OWL 中,数据属性用RDF的rdf:Property类的子类owl:DatatypeProperty类描 述。 属性的域(rdfs:domain)描述了该属性的主体可以是哪些类或类的实例,与之 相对应,属性的取值范围(rdfs:range)描述了该属性的客体可以是哪些类或类的实 例。属性的域(domain)和取值范围(range)都既可以有一个值也可以有多个值。例

如,属性occupies描述了“应急人员”担任一定的“应急角色",代码如下,其
dP<owl:unionOfrdf:parseType=”Collection”>表示其范围(range)有多个值,例如 如下代码:

本文开发的应急预案的领域本体模型定义了以下一些主要的对象属性: >hasDevice表示某次海洋观测活动必须具备某种观测设备。 ≯hasOBSData表示某次观测活动将要生成观测数据。 >hasOrganization表示某次观测活动由某些海洋机构负责。 >hasRole与occupidedBy互为逆属性,hasRole表示某个观测机构必须在 观测活动中具备某种角色,occupidedBy表示某中角色需要有某个机构 担任。 >accordingTo表示某次观测活动必须符某些任务规范。 >hasObsType表示某次观测类型都具有自己的不同的观测类型,例如盐度

观测、温度观测、深度观测等。
>hasDataType表示观测数据必须具备数据类型。 本文开发的应急预案的领域本体模型还定义了以下一些主要的数据属性:

27

第四章共享平台海洋观测本体

>x表示观测数据当中必须存在的经度位置,其类型为String。

>Y表示观测数据当中必须存在的维度位置,其类型为String。
>z表示观测数据当中必须存在的深度/高度位置,其类型为String。 >t表示观测数据当中必须存在的时间描述,其类型为String。 >value表示观测数据当中必须存在的数据值,其类型为String。

4.2.4注释实现
添加注释是在任何代码编写过程中必不可少的,本体编码也是如此。添加注 释可以使得类或属性的含义更加明确、具体。在本体的编码过程中,既可以对类 添加注释又可以对属性添加注释,分别介绍如下:

>类的注释,例如:为类“OBSProcess"添加注释,用于解释OBSProcess
的含义海洋观测活动,代码如下;

>属性的注释,例如:为属性hasRole添加注释,用于指明该属性的含义

4.3本章小结
本章描述了海洋观测本体模型与本体的实现方法。详细介绍了海洋本体模型

第四章共享平台海洋观测本体

当中所涉及到的各种具体概念、关系、属性、公理等对象。通过构造海洋观测本 体,制定了海洋观测活动中所涉及对象的标准写法,实现了海洋观测活动相关知

识的无歧义表达。特别介绍了海洋观测数据与海洋机构的系统化分类。通过本体
的构造为海洋共享平台构造了一种跨领域应用的基础。

第五章共享平台核心模块设计与实现

第五章共享平台核心模块设计与实现

本章针对第三章提出的海洋共享平台框架,具体实现框架中描述的各个模 块。本文针对原有研究成果中没有实现的各种服务进行研究,以NetCDF数据为
主要研究对象,以数据标准化为突破口,实现了平台核心服务层与数据标准化层 中的多种服务。其中5.1至5.3节为数据标准化层内容,5.4至5.6节为核心服务 层内容。

5.1

NetCDF元数据提取服务
NetCDF元数据提取服务的功能是提取NetCDF文件当中的维、标量、属性

等要素,并利用XML语法对NetCDF文件进行描述。它是对NetCDF文件的半 结构文本化处理,通过将NetCDF数据文件描述为XML格式的数据,使得NetCDF 格式的数据可以更好的在SOA、网格等环境中传输。



图5-1 NetCDF元数据描述实现结构

NetCDF类描述一个NetCDF文件,每一个NetCDF文件包含多个维、‘变量、 与属性。每一个变量也拥有自己的变量属性,用来描述变量的作用、计量单位等

信息内容。变量和属性也包括存储类型信息。
NetCDF元数据提取服务主要函数如表5—1所示:

第五章共享平台核心模块设计与实现

表孓1 NetCDF元数据提取服务主要函数

函数
static

功能
open(String

所属类
NetCDF

NetcdfFile

打开NetCDF数据文件,将 NetCDF文件内容读入内存当 中,是其他函数实现的前提。

location)

public pubfic

void close() list getDimensions0

关闭NetCDF数据文件 返回NetCDF文件当中的所有 维对象

NetCDF NetCDF

public

List getVariablesO

返回NetCDF文件当中的所有 变量对象

NetCDF

public

List getGlobalAttributesO

返回NetCDF当中的所有全局 属性对象

NetCDF

pubfic

String getDimensionNameO

返回维名称 返回维的长度 判断维是否为无限长度 返回变量名 读出变量中的数据 得到全部属性名称 返回属性名 返回全部属性值

Dimension
Dimension Dimension Variable Variable Variable Attribute Attribute

public im getLengthO
pubfic pubfic

boolean isUnlimitedO String getVariableNameO Array read0

pubfic

pubfic List getAttributesO
pubfic

String getAttributeName()

public Array

getValues()

5.2

NetCDF数据集操作服务
NetCDF数据集操作服务继承NetCDF元数据操作服务,其结构如图5-2所

示,类中的前缀nc表示此类属于NetCDF元数据服务,ncd前缀表示此类属于数
据集操作服务。数据集操作提供了如下几种 >修改、删除元数据:可以对NetCDF文件中维、变量、属性等所有元数 据内容进行修改、删除操作。



>修改,删除Variable属性:可以对Variable的各种属性进行修改、删除 操作。 >重组Variable数据:可以根据需求,提取多个Variable当中的部分数据 内容,组成一个“虚拟的”数据集。图5-2中ned变量继承了n变量,

第五章共享平台核心模块设计与实现

通过添加的起始位置,与增量可以获得某个NetCDF文件中的部分数据。 而变量可以包含多个变量的数据,因此可以将多个存在的NetCDF文件 中的数据组成一个统一的数据变量。

图5-2数据集操作实现结构

NetCDF数据集操作新增函数如表5.2:
表5-2 NetCDF数据集操作新增函数

函数
pubfic void deleteAttributes(String pubHc void renameAttributes

功能
name)

所属类
NetCDF NetCDF

删除全局属性 重命名全局变

(String
pubⅡc

Newname)

量 删除变量属性
NetCDF

void deleteVariableAttributes

(String
public

name)

void renameVariableAttributes

重命名变量属
Newname)

Variable

(String

性 读取某一部分 变量数据
Variable

pubHc Array read(int[】origin,int[]shape)

public

void deleteDimension(String void renameDimension(String

name) Newname)

删除维 重命名维

Dimension Dimension

pubHc

32

第五章共享平台核心模块设计与实现

5.3数据适配服务开发

数据适配服务是建立在NetCDF元数据提取服务与NetCDF数据集操作服务 的基础之上。它通过解析按照用户需要建立的XML格式描述的NetCDF数据集 文档获得用户所需的数据内容。 图5.3描述了数据适配服务的实现方式,图的右边是一个使用XML语法描 述的标准的NetCDF文件。其中父节点程为<NetCDF>,父节点包含三个子节点, 分别是NetCDF文件所包含的三个要素,维、属性、变量,每一个子节点下面有 各自所包含的数据内容。图的右边为多个数据存储对象,其作用是获得并存储由 NetCDF数据文件所提取出的内容,这些通过解析XML文件,获得XML文件中 对应标签的数据。这些数据通过不同的数据文件写操作生成用户所需要的数据格 式。图中包含三层对应关系:

<,10n舀tu如>

图5—3数据适配服务实现方式

>抽取维:不同的数据内容具有不同的维数,绝大多数海洋观测数据包含 四维,分别是经度。维度、时间、值。因此当我们需要XML文件中提 取地理信息数据时,必然涉及到提取对数据各个维数的描述内容,因为 通过维数的查询可以使得我们获得所需数据各个维数的具体名称。例如 用户需要以电报码的格式获取某一时间、某一点的温度值,则首先需要 通过查询<dimension>标签获得海洋数据维数的内容,然后通过所查到的

第五章共享平台核?15,模块设计与实现

维数内容,获得所要查询具体数据或者属性的变量名称。

>抽取属性:属性对应包含两种一种是全局属性,一种是变量属性,变量
属性通过在维中所察到的名称进行查询。全局属性包含内容很广,这就 需要我们通过查找海洋观测本体中的描述进行查询。

>抽取变量数据:变量是数据的容器,每一个变量都包含各自的一组数据
值,数据在文件中顺序存储在一片连续的的空间内,因此对数据的查询 使用数组数据存储地址映射公式确定数据在连续空间当中的具体位置。

5.4实现数据访问服务
数据访问服务用来提取各种不同的数据格式的内容,并可以按照需要生成 XML格式文件。由于海洋观测数据分布广泛,且数据格式具有较大的异构性。 因而,针对每种格式的海洋观测数据定义一个相应的数据转换服务。这些服务都 部署在WebService服务器上。

首先,在部署Web服务的工程中,建立一个保存异构数据的中间类一一
lnspectDataBean.jaⅧ。接下来,为了实现各种观测数访问,需要在WebService 服务器上定义一个将lnspectDataBean中存储的临时数据转换为XML格式文件

的类TranslateToXml.java。该类定义了一个数据转换方法:
pubBc String toXml(1nspectDataBean inspectdatabean)throws IOException

该方法将数据存储中间对象inspectdatabean中的数据读出,转化为标准的 XML表达,再将XML封装为String对象,以便在网格环境中传输。

5.4.1电报码文件访问服务
海洋观测电报码文件访问服务telexAccess实现对海洋观测电报码文件的解 析和读取。服务描述语言片段如下:

第五章共享平台核心模块设计与实现

该服务定义了海洋观测电报码文件访问操作:
public String

telexQuery(String searchCondition)

该操作首先解析请求searchCondition,获得年、月、日、时刻、站点名和目 标系统D等条件,搜索存储在目标系统文件夹中的海洋观测电报码数据,将数 据读出并临时存在lnspectDataBean中,然后调用数据转换方法toXml,将封装为 String对象的XML数据返回给用户/应用程序。该服务操作描述语言片段如下:

一<wsdl:operation name=”telexQuery“> <wsdlsoap:operation soapAction=“”,> 一<wsdl:input

name=”telexQueryRequest">

<wsdlsoap:body encodingStyle=饧ttp://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/"

namespace=“http://telex.耽bService.esdata.net”use="encoded”胁
</wsdl:input> 一<wsdl:output

name=盯telexQueryResponse">

<wsdlsoap:body encodingStyle="http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/’’ namespace=t'hap:// use="encoded“f> </wsdl:output> </wsdhoDeration> 192.168.8.144:808l 7∞.iSfservices/telexAccess

5.4.2数据库访问服务
海洋观测数据库访问服务databaseAccess实现对海洋观测数据库的读取和访 问。该服务定义了海洋观测数据库访问操作:
public String dataBaseQuery(String searchCondition)

该操作首先解析请求searchCondition,获得搜索条件和对应的搜索值,并获 得目标数据库的访问方式,搜索找出符合条件的海洋观测数据,将数据读出并临 时存在lnspectDataBean中,然后调用数据转换方法toXml,将封装为String对 象的XML数据返回给用户/应用程序。

5.4.3

XML数据访问服务

海洋观测XML文件访问服务xmlAccess实现对海洋观测XML文件的读取和

第五章#享平自#o模*设*%实现

访问。该服务定义了海洋观测XML文件访问操作: publicStringxmlQuery(String searehCondiiionj 该操作首先解析请求searchCondition,获得年、月、日、时刻、站点名和目 标系统IP,搜索存储在目标系统文件夹中的海洋观测XML数据.将数据读出并 封装为String对象,结果返回给用广,应用程序。

5.5实现GIS服务
GIS服务的作用为海洋共享平台提公地图功能与相关的地图操作,它是平台 可视化展示组件,显示背景地图以及各种信息产品的效果,提供更加人性化的访
问界面。GIS服务通过GIS服务管理器将Shp格式的各种地图发布成Web服务, 客户端通过获取其WSDL(web服务描述语言)描述获得服务。除了GIS可以将

Shp文件发布成地图服务,也可以将地图数据的一些工具发布为Web服务。
下图是GIS服务WSDL的部分,描述了GIS所提供的部分操作:

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图540lS服务WSDL中的部分operation

第五章共享平台核心模块设计与实现

5.6实现地理信息资源获取服务

通过GIS服务将地理信息资源发布之后,需要地理信息资源获取服务来GIS 服务所发布的服务。其核心代码如下:

首先创建一个连接到GIS服务的连接connNamc,之后对这个连接进行配置,

设置URL以及其他连接属性,最后通过连接到目标服务,获得服务的资源,获
得所需的图层对象。

5.7本章小结

本章按照第三章提出的海洋数据共享平台框架,实现了介绍了所实现的海洋 数据共享平台的多个模块,其中重点是开发了数据标准化层与核心服务层的各个 服务。

第六章天津海洋观测数据展示平台应用

第六章天津海洋观测数据展示平台应用

天津海洋观测数据展示平台是与国家海洋技术中心合作开发的一套军民两
用海洋观测数据展示平台。平台涉及多种复杂海洋观测数据类型,通过GIS地理 信息系统将各种数据图形化展示。同时需要为移动观测设备制定运动路线,实时 监控移动设备运行环境状态,保证设备正常运行。

6.1系统架构

天津海洋观测数据展示平台根据海洋数据共享平台设计,采用NetCDF数据 格式为平台标准数据格式,利用海洋数据共享平台提供的数据适配服务将多种异 构数据转换为NetCDF数据格式,并通过NetCDF元数据服务与数据集操作服务 实现对NetCDF的数据内容编辑。平台利用海洋数据共享平台的GIS服务实现地 图支持,利用地理信息获取服务获得GIS服务发布的图层,平台架构如图6.1所 示。

平台实现了海洋数据共享平台中的数据访问、信息产品、以及辅助决策应用。
其中信息产品包括时序图、温度场图等标量场图、海流场图等矢量场图。 海洋观测数据共享平台主体包括六部分,分别是核心服务组件、海洋观测数 据集成框架、应用程序服务器、用户授权访问控制、GIS服务与元数据服务。

6.1.1海洋观测数转标准化
海洋观测数据标准化模块在海洋观测要素本体的基础上,通过数据适配服 务、NetCDF元数据服务与NetCDF元数据操作服务,将各种异构数据转化为术 语定义清晰,不存在“语义”异构的标准NetCDF数据,为数据共享平台提供一 个标准的数据环境。

第六章天津海洋观测数据展示平台应用

图6-1天津海洋观测数据展示平台架构

6.1.2核心服务组件
核心服务组件是平台为用户提供的所有服务的集合。平台实现了信息产品服
务、信息发布服务、移动设备信息服务等。信息产品服务是利用海洋观测数据转 换模块生成的统一格式的NetCDF数据制作各种海洋观测信息产品,包括实时数 据产品、统计分析产品、预报产品、同化产品等。信息发布服务是利用元数据服 务将观测数据分类整理、存储,并为使用数据的用户提供数据基于WEB的展示 控件。移动设备信息服务是为保障海洋上一些移动观测设备正常运行所提供的信

息服务。可以实时显示移动设备所处海域海洋要素状况,移动设备运动轨迹,设
备附近危险源等。

6.1.3

GIS服务

GIS服务是平台可视化展示的重要组成部分。各种服务效果全部需要通过 GIS服务提供的地图进行最终显示。GIS服务不但提供一系列地图相关的操作,

例如地图放大、地图缩小、地图平移、漫游导航等基本功能,还提供支持对于
NetCDF数据的格式支持。GIS服务采用Web Service架构,其使用的功能通过 WSDL进行描述,发布为web服务,提高了系统的稳定性。

39

第六章天津海洋观测数据展示平台应用

6.1.4元数据服务
元数据服务,即将元数据的基本操作封装成Web服务。在网格环境中,当 用户添加一个数据源或服务的时候,需要对核心的元数据库进行修改,增加自 己的资源描述,以便平台用户可以发现新的注册资源。同样,当一个用户回收 自己的资源时,也需要删除元数据库中的相应记录。但是有一点需要明确的 是,平台用户对于元数据的修改有严格的权限控制,首先,只有较高权限的用 户可以对元数据库进行操作。其次,用户(管理员用户除外)只能对自己添加到 元数据库中的记录进行修改,对其它用户添加的元数据库记录只有访问的权
限。

6.1.5用户授权访问控制
用户授权访问控制是系统安全性的保证。因为海洋观测数据包含许多涉及国 家安全、用户权益的数据内容,因此必须针对不同用户制定不同访问策略。我们 使用安全认证机制保证系统安全性,对系统用户进行分类,不同用户分配不同权 限,保证系统使用安全。

6.1.6应用程序服务器
应用程序服务器是系统向外界提供服务的容器,它将核心服务组件所提供的

各种服务,通过web方式向外界提供统一的访问接口,用户通过各Web访问方
式对系统提供的各种服务进行访问。

6.1.7异构海洋资源
与海洋观测数据共享平台相连的分别是各类异构海洋观测数据与和最终用 户密切相关的浏览器。各类异构海洋观测数据包括台站数据、地波雷达数据、浮 标数据、海床基数据、观测船数据、遥感数据,基本包含了目前所有常见的海洋 观测数据种类。多种多样的海洋观测数据类型决定了其数据格式的千差万别。目 前常见的存储格式包括基于文本的电报码、XML文件以及国际上流行的NetCDF 数据格式等。因此在进行数据集成框架设计时必须采取针对多种异构数据的通用 方法。

第六章天津海洋观测数据展示平台应用

6.1.8用户与用户接口
系统用户包括两类,除了需要获取数据的普通信息共享用户之外,还包括某 些特殊用户,同普通用户相比他们可以得到的数据更精确,并且能够获得某些特
殊的数据共享服务,例如某些涉及军事的海洋观测数据服务。因此在用户授权访 问控制中必须充分考虑不同用户的需求,为不同的用户提供不同级别的数据服 务。

6.2实测产品

6.2.1用户选择条件
实测产品是海洋信息系统中最常见的一种应用方式,几乎出现在任何一套海 洋信息系统之中。实测产品的功能是根据用户提供的查询条件,以图形化的方式 返回用户所需要的观测数据内容。本文实现了时间序列图与实时图两种形式的实 测产品。 实测产品采用MVC+DAO模式与JSF框架实现。用户通过下拉列表选择查 询条件,查询条件包括时间、台站名称、经纬度以及图形类型。用户选中的查询 条件通过JSF框架下的faces.config.xml配置文件与后台实体bean相关联。其配 置文件代码片段如下如下:

41

第六章*津海洋‰测鼓堰展示平台&用

其中SelectResult对应corn

iems

ProductsSeleclResul这个类。这个类是一个

实体beant包含time、station、Ion、lat、type等字段,用来保存用户在下拉列表 中所选条件。SelectCondition对应com
iems

SelectCondifion这个类。这个类拥有

一个返回类型为Map的方法,此方法返回出现在下拉列表中的选项。通过JSF

框架使用配置文件关联前台与后台的方式,可以降低系统的耦台程度,

矧6-2实测产品选择条件

保证平台稳定、健壮。选择条件界面如图6-2所示。

根据用户的查询条件,采用DAO方式实现具体的数据访问。涉及如下文件:
≯Respropegies;数据源配置文件,负责记录数据源位置、名称、访问方 式等崮定内容。 'ResConfigjava:用来获取配置文件中各个配置信息。 ≯ObservationFileLocatorjava:数据源定位模块,根据用户输入的查询信 息定位到具体的数据源。 ≯ObscrvationDataDAO.java:数据操作模块,在数据源内查找数据返回结
果。

6.2.2时序图
系统实现了时间序列图与实时图两种类型的产品。

时序图是述海洋中某个固定位置在一段时间内某项海洋要素值变化情况的 海洋产品。其形式类似于物理学的波动图,其横轴为时『日J.纵轴为观测值。平台
采用JFreeChart开源API作为产品制作工具。JFreeChar【支持多种类型的图片制

第六章*漳≈#月目数《Ri}台&月

作,其中包括时间序列类型。通过org.jfree 列图。时序图效果如图6-3所示。

chart

ChartFactoty工厂娄的静态雨数

createTimeSeriesChart(chartName,”时间",chartType,dataSet.true,true,true)自]建序



删删07年12爿15日堑2们7年t2月惦日^!r时序蟹




¨了刮引
孙、竹./

_

_







引//0/U\
、』
实现中的主要类为ChartServicelmpl.java它包括两个函数分别为:
》private void

creatCbart=(XYDataset dataSct,Stri衅jpgHome,String chartType){}:该函数具体实现图片生成功能,需要提

chartName,Stfng

的参数为,包含观测观测数据的数据集dataSet、图片生成位置JpgHome, 图片名称chartName与图片类型chartType。其中图片类型描述的是出现 在生成产品中的Logo内容。
≯public String

getChartURL(String

stationName,String

dataType,File

dataPathHome)f}该雨数是用户调用图片生成服务的入口,其参数是台 站名stationName、图片类型da'mType与文件路径dataPathHome。文件 路径当中包含有时间信息。该函数最终返回一个所生成图片的保存位置

url,通过调用叫使用http协议即可访问到所生成的图片内容。

6.2.3实时图
实时图可以即时显示从某类观测设备上返回的数据内容。它反应海洋观测数

第六章天津海洋m测数据&示平台R用

据的连续变化趋势,用来实时监测海洋各种要素的状态。 实时图从本质上说也属于时序图,其构造函数相同,见6.3 2。通过时序图 的history-count属性可以设定其图片上数据更新时间,产生实时效果,其效果如 图6-4所示。

国6-4海洋观测数据实时图

6.3统计分析产品

统计分析产品显示海洋中某海域在一段时间内的的平均数值并产生相应的

弩题图。系统实现了海表风速、表面流速、海面盐度、海面气温、海面气压、相
对温度六种统计分析产品。统计分析产品效果如图6-5所示。

第六章^津海洋观测&据R示平自^用

—!!生j!型生—!!!一j!!!!生

罔6-5海洋观测数据统计分析产品

海洋々题图内容使用Matlab工具进行制作,不属于本文研究内容

其中condition变量获得Hlml文件中的选择条件,并通过setectjsp函数确定 相应的显示产品页面。

6.4同化产品

本文实现了标量场与矢量场两类同化产品。标量场用来显示温度、盐度、深 度等场效果;矢量场包括流场、风场等场效粜。这种场数据既包含数据大小,又 包含方向。

第六章*肄海洋m测#据展示平台应用

6.4.1标量场图
海洋当中的温度场、盐度场、海流场等均属于场图。海洋场图是一种观测面 类型,其方法是在海洋中的各种网格观测数据基础之上,通过插值法形成一种连
续的纹理数据效果。其散果如图6-6所示。

阿6-6海洋表面温度场图

采用ESRI公百l开发的arcobjects,来实现基于GIS服务的场圉产品制作,其 主要代码如下:

其中的MakeNetCDFRaster是实现将NeICDF转换为栅格图层的一个功能娄, 其中需要NetCDF数据集变量、维以及保存图层路径作为输入条件。GeoProeessor 是由arcobjects环境提供的种处理各种GIS数据模型的工具,负责具体实施图 层的生成,其生成结果是一个栅格图层文件,之后需要调用地理信息资源资源访 问服务(见5,6节)将图层添加到地图服务中。

第六章i津海#月Ⅻ数镕E示}台&月

6.4.2矢量场图
矢量场数据与与标量场数据产生方式类似,其不同之处在于在选择数据变量

的过程中除了需要选择标量场所规定的数据内容,还需要选择“方向”变量。其
效果如图6-7所示。

。…}d口g■4月※#*月

£Ⅺ

6.5移动设备辅助决策
移动观测设备辅助决策的作用是为观测设备制定各种晟佳航行线路、规避风

险提供参考。它能及时显示笄种航行途中的水文气象状态以及附近可能遇到的风
险源,并通过GIS服务在地图中显示。 图6-8为天津海洋观测数据展示平台移动设备辅助决策实现效果。图中右边 是所获得的地图服务.用来显示移动设备运动轨迹,右边表格显示移动观测设备 所处位置的海洋要宿状态。移动设备按照预设航线运动,并根据所处位置的海水 状态实时调整运动路线。

第六章*律*洋m剥#据&i平自&用

幽6-8移动设备辅助决策图

移动观测设备实现采用AJAX技术。通过JSF框架中的Listener监听器实现 对前台各种事件的相应,并将舰船当前结果通过封装为XML文件.返回给前台,

Listener传递四个参数moviagGraphics,formld,mapld。由于每次JavaScript
向所有的Listener发送其参数,园此每个参数必须有一个唯一的标识符作为其标

志,后台Listener判断此标识符是否符合自己功能,对符合自身功能的参数进行 响应。在此段代码中movingGraphics是此参数作用的唯一标识符。
此段代码还包含一个ur,dateMoving()雨数,此甬数是对Listener返回的xml 什进行处理,将xml文件中的信息在前台页面进行展示,使用
xml getElementsByTagName(“10n”)item(0)firstChild

nodeValu语句对xml文件中

的内容进行提取。使用document getElementByld(…’)innerHTML语句将所需要的 html代码写入前台页面中的规定位置。

第六章天津海洋观测数据展示平台应用

6.6平台实现环境
图6-9描述了天津海洋观测数据展示平台实现环境,平台实现分为三个层次。 底层是各种数据服务器,包括地理信息数据库与各种通用数据库服务器,中间是 各种Web服务器,包括GIS服务器与平台Web服务管理服务器。其中GIS服务 器由一组服务器组成,这些服务器分别服务则实现GIS服务所必需的SOC与 SOM服务。Web服务器负责发布系统开发的一些与分布式服务。最上层为应用 程序服务器,为用户访问平台提供使用接口。

地理信息数据库

地理信息数据库

通用数据服务器

图6-9天津海洋观测数据展示平台实现环境

平台具体环境部署如表6.1所示:

49

第六章天津海洋观测数据展示平台应用

表6.3平台系统环境说明

服务器名称
应用程序服务器 GIS服务器I GIS服务器2 GIS服务器3 WEB服务管理服务器

服务器地址
192.168.8.5 192.168.8.6 192.168.8.7 192.168.8.8 192.168.8.9

内容和功能描述
提供应用程序访问接口。 提供GIS服务SOC管理 提供GIS服务SOC管理 提供GIS服务SOM管理 部署数据共享平台核心服务,如, 服务集成器,服务管理器。

地理信息数据库1 地理信息数据库2

192.168.8.i0 192.168.8.11

存储Gcodatabase数据库 存放基本地图数据 存储数据库与数据文件。另外,

通用数据服务器

192.168.8.12

元数据库也部署在这台机器上。

6.7本章小结

本文描述了天津海洋观测数据展示平台的设计与实现内容。按照设计的天津 海洋观测数据展示平台架构,通过数据标准化层与核心服务层所提供的相关服务 与操作,平台实现了实测产品、同化产品、统计分析产品与辅助决策四种海洋信 息产品,这些产品完全构建在NctCDF数据格式之上。

第七章总结与展望

第七章总结与展望

海洋数据共享平台是一个庞大的系统工程,本文以解决海洋数据共享为核心 内容,以构建海洋数据共享平台为实现手段,以海洋观测数据为主要研究对象, 以数据格式为突破点,采用NetCDF数据格式为平台标准数据格式,构造了一系 列支持NetCDF格式的数据标准化服务。 利用开发的数据标准化服务与其他相关的核心服务,完成了天津海洋观测数 据展示平台项目。在项目中实现了多种海洋专业领域应用,实现了包括统计分析 产品、预报产品、实测产品、辅助决策等海洋信息产品,这些产品全部是构建在 NetCDF数据格式基础之上。通过天津海洋观测数据展示平台的实践,调整、优 化了所可开发的各种服务,并且项目当中所实现的各种应用也极大的丰富了数据 共享平台的应用内容,使得数据共享平台更加科学、实用。

下一步将会继续沿着本文的工作内容进行研究工作,主要体现在两方面:
>细化本体:本文所构建的本体是根据作者的多个实际项目经验,通过天津、 上海两处实地调研得出的结果,但是还是具有缺少上位本体,以及概念细化 不够等问题。下一步准备在SUMO上位本体的基础上对本体模型进行重新 的构造。 >使平台支持更多的数据:本文提出使用NetCDF数据格式作为数据标准格式, 使得海洋数据共享平台可以支持了海洋科学领域的专业数据格式。但是在海 洋领域还存在许多其他数据格式。下一步准备对海洋领域当中所常见的 GRID、CDF等数据格式进行开发,使得海洋数据共享平台可以支持这些数 据

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aroject

发表论文和参加科研情况说明

发表论文和参加科研情况说明

参与的科研项目:
[1]上海海洋灾害网格平台开发 [2]天津海洋观测数据展示平台 [3]福建海洋数据共享平台









两年的时光即将过去,虽然这是我在天津大学的第六个年头,但是这两年的 经历所带给我的收获比我本科四年多得多。要感谢的人很多但是最要感谢的非我 的导师王文俊教授莫属。学术上的收获令我受益匪浅,但更重要的是他所教授我 的做人的道理,这将会令我终生难忘。 感谢我的实验室戴维迪老师,他严谨的治学态度和科学的工作方法给我留下 了极为深刻的印象。不会忘记何老师在审阅学生的文档时如何细心的留下一条条 修改意见,也不会忘记何老师在回复学生的邮件时如何耐心的解答一个个问题。 感谢国家海洋技术中心的的周智海主任与徐金星工程师,他们对我的调研给 予了极大的支持,提供给我许多海洋一手资料,没有他们我的工作将难以看展。 感谢实验室杨鹏师兄以及刘远明、范协裕、尹芳、曾勇、杨茁、蒋宏伟、王 晓东、唐拯等同学,在实验室工作及撰写论文期间,他们对我的研究工作给予了 热情的帮助,在此向他们表达我深深的感激之情! 感谢刘洁、杨永生、王龙、齐贺等等同学,在研究生的这两年中,我们共同 分享欢乐、共同承担痛苦,我们互相帮助闯过了学习和生活中的各种难关! 感谢我的家人,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业,他们 的关心和爱护使我能够健康的成长,他们永远是我坚强的后盾,是我最爱的人! 最后,感谢百忙之中抽出时间来评阅我论文的老师们,感谢他们为我的论文 所付出的辛勤工作1

56

海洋数据共享平台关键技术研究与开发
作者: 学位授予单位: 李杰 天津大学

相似文献(1条) 1.期刊论文 李安虎.周玉斌.刘海行.卢铭 基于WebGIS的海洋科学数据共享平台的分析与设计 -海洋科学进展 2004,22(1)
根据国家自然科学基金委青岛海洋科学资料共享服务中心建设的实际情况,从需求分析、系统结构设计、数据建模以及实现技术等几个方面,详细介 绍了基于WebGIS的海洋科学数据共享平台建设的思路和方法.在建设过程中,采用用户界面层、业务逻辑层、数据库层的三层架构模式进行系统软件设计 ,提高了系统的可维护性;运用组件技术进行编码,实现了代码的封装性和可复用性;采用关系型数据库和Netcdf格式相结合来进行数据的存取,解决了海洋 数据结构复杂、格式不统一的问题,使查询变得更为方便;利用IDL和ION技术来开发WebGIS,实现了电子海图的漫游、数据查询以及数据统计结果输出.

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1518162.aspx 授权使用:上海海洋大学图书馆(shhydxtsg),授权号:d075cf6d-e952-4c05-b8a3-9e6100dd4cfb 下载时间:2011年1月4日