云中的地理空间服务

强调

• 云中的地理空间服务，用于空间数据获取和处理。
• 交互UML图，表示对OGC服务的请求和响应。
• 具有开源软件和OGC标准实现的多层体系结构。
• 挑战：为将来的WPS实施指定潜在的地理空间过程。
• 从桌面和专有Web应用程序到云中的开放GIS系统。

抽象

通过为地理空间数据提供语义规范并以这种方式实现数据共享和互操作性，数据语义在空间数据基础架构中发挥着极其重要的作用。通过在上述数据上实时应用复合地理空间过程，可以在网上直接生成有价值的地理信息，并适用于对研究和行业界具有重要意义的各种地理活动。云计算可以启用地理空间处理，因为除其他外，云计算是指提供按需处理服务的高效计算资源。在这种情况下，我们尝试为基于开放地理空间标准的Web应用程序提供设计和架构框架。除了地理空间处理之外，我们的方法还包括 数据采集​​服务，在处理遥感和类似领域的卫星图像和应用程序时尤其重要。结果，通过建立一个通用框架，云中所有可用的数据和地理处理，可以合并适当的服务，以产生针对特定需求的解决方案。

关键词

空间云计算,地理空间网络服务,网页处理服务,云GIS

介绍

过去十年中，语义Web的主要目标之一是创建一个通用框架，该框架允许共享和重用数据，并且最重要的是，可以自动处理数据。在空间数据的情况下，地理空间语义网会识别地理空间信息的哪些部分需要接收语义规范以实现互操作性（Kuhn，2005）。语义互操作性是指在计算机系统之间具有明确，共享含义的数据传输。在空间数据方面，一旦促进了它们的可用性和可访问性，它们便符合空间数据基础架构（SDI）的标准（Nebert，2004年）。

除了开发和部署SDI所需的软件组件外，还需要一系列允许这些组件之间进行交互的技术标准（Steiniger和Hunter，2012年）。其中包括由开放地理空间联盟（OGC）定义的地理空间标准，其中包括处理数据表达的标准，例如基于可扩展标记语言（XML）的地理标记语言（GML），数据标识（例如用于Web（CSW）和数据提供服务，例如Web映射/功能/覆盖服务（WMS / WFS / WCS）。对于Internet上的数据处理，OGC于2005年发布了Web处理服务（WPS）规范（Schut，2007年）。），以便通过基于超文本传输​​协议（HTTP）的标准化服务接口提供空间过程（Foerster和Stoter，2006年）。OGC Web服务（OWS）接口实现标准（Whiteside，2007年）中指定了所有或多个标准共有或应共有的许多方面。由于OWS标准是为了将地理空间数据和服务与基于Web的分布式应用程序集成而开发的，因此它们对最热门的Web主题“云计算”产生了很高的期望，因此它们已经为云准备就绪（McKee等，2011）。）。在有史以来的第一个符合OGC的云服务中（Baranski等，2009），通过将云中实施的WPS与本地实施的WPS进行比较，评估了云计算的可扩展性功能。此外，在将SDI与Cloud Computing集成方面还花费了大量精力：Schäffer等人研究了对基本概念的全面分析以及基于云的SDI的设计和测试。（2010），而Baranski等。（2011年）通过结合使用本地和公共IT基础架构的混合云来满足INSPIRE指令（欧洲委员会，2007年）设定的服务质量要求。

值得注意且不断更新的OGC WPS规范实施是52°北地理空间开源软件倡议（52 North，2013）和ZOO开放WPS平台（Fenoy等人，2012），而现有的服务器GIS平台已嵌入了此类功能。人们可以在实现地理空间处理服务的广泛专业知识中找到大量用例，主要是通过重用共享的库，例如水资源管理应用程序（Díaz等，2007）。还提出了尝试通过森林火灾评估用例将WPS集成到地理空间大众市场应用程序中的建议（Foerster等，2009）。）。最近有一些重要的实现，其中包含地理处理服务聚合。在发生炸弹威胁的情况下，引入了用于调用所有其他涉及服务的术语Composite-WPS（Stollberg和Zipf，2007年）。除了服务定义和聚合之外，进一步的工作还包括建立语义互操作性，以便以有意义的方式实现服务之间的数据交换并减少人工干预（Manso和Wachowicz，2009年）。在这种情况下，已经引入了用于空间数据基础架构的透明的纵向和横向语义支持层（Janowicz等人，2010年）。最后，我们提到了最近对符合OGC WPS标准的可用服务器进行调查并评估其实现的尝试（Lopez-Pellicer等人，2011年），以及有关最新架构和管理技术的概述。地理处理网（Zhao等，2012）。

理想情况下，可以通过WPS实施执行任何地理空间过程并且所涉及的空间数据符合SDI标准的支持云的系统可以满足按需提供有价值的地理信息的需求。在这样的系统中，首先必须定义可以产生所需地理信息的精确地理信息系统（GIS）功能。

在本文中，我们尝试为基于开放地理空间标准的Web应用程序提供设计和架构框架。除地理空间处理外，我们的方法还包括必不可少的数据采集服务，尤其是在处理遥感领域的卫星图像和应用程序时。无论如何，无论确切的应用领域是什么，首先都必须获取感兴趣区域（AOI）的栅格数据集。因此，在确定涉及所研究案例的数据分析任务的网络处理服务之前，还需要一组图像数据采集网络处理程序（Evangelidis等，2012）。）。通过引入共享的Web服务来实现主要的数据采集任务，例如数据发现，验证和下载，实现了由此引入的图像“采集”阶段（美国地质调查局，2010年）。然后，图像“分析”阶段可能包含网络处理服务，该服务执行与图像显示，子集和重新投影有关的基本功能，以及与光谱增强有关的转换功能，例如有助于植被映射或矿物勘探的带比以及图像减法。提供跟踪随时间变化的功能。

评论

审查数据搜索和获取服务

近年来，由于网络技术能力的不断提高，政府机构已经提供了地球观测（EO）数据。确定了几个提供数据搜索，订购和下载选项的Web门户，例如：一世）

NASA的地球观测系统数据和信息系统（EOSDIS，2013年）是探索和管理多源NASA的地球数据的核心功能。关于数据搜索和获取，有几种方法可以发现感兴趣的数据，它们是：来自MODIS，OMI，AIRS和MLS仪器的近实时数据产品，来自陆地大气的EOS的近实时功能（LANCE ）¹ ; 来自全球变更主目录（GCMD）²的目录级别信息，该信息提供了按特定兴趣领域（例如农业，大气等），仪器，平台，提供者，项目等的搜索功能；跨数据中心通过Reverb ³搜索，一种客户Web服务，用于从所有EOS信息交换所（ECHO）元数据馆藏中搜索和订购跨学科数据，即使没有EO数据知识和经验的用户也可以使用该服务；使用ECHO元数据存储库⁴和NASA数据中心特定的搜索工具和服务^5的定制客户端软件已经开发出来，以便为特定类型的数据客户端（例如USGS Earth Explorer ^6）的用户提供独特的服务。ii）

欧洲航天局（ESA）地球网在线门户网站⁷，提供从ESA EO任务（ERS-1，ERS-2，Envisat，GOCE，SMOS，CryoSat ），第三方任务（TPM），ESA 的EO数据搜索和请求服务战役，GMES空间组件（GSC）以及来自许多任务和工具的样本和辅助数据。数据浏览可以按任务和仪器进行，也可以按地球主题，类型和处理级别进行。iii）

加拿大航天局提供搜索和下载开放访问数据^8的功能，这些数据包括加拿大的Landsat影像和EO数据。可以通过自由文本格式进行数据搜索，并可以按组织，数据类型和主题等进行过滤。iv）

印度空间研究组织（ISRO）的国家遥感中心（NSRC）通过Bhuvan为印度分发了ISRO卫星产品的开放EO数据档案（Resourcesat-1：Ortho AWiFS和LISS III数据； IMS-1：HySI光谱合并数据）。地理位置⁹。v）

阿根廷国家空间活动委员会（CONAE）提供了在不同访问和下载状态下的目录图像数据搜索¹⁰。vi）

巴西国家空间研究所（INPE）可以对图像产品（CEBERS，Landsat，MODIS TERRA，MODIS AQUA，Resourcesat-1）进行目录搜索，并且还提供注册后的图像数据获取功能¹¹。

此外，在有关通过网络进行EO数据访问和管理的文献中可以找到一些项目/计划（Lee等，2011）：一世）

数字地球社区项目（GENESI-DEC）旨在通过单个访问点（使用简单的Web门户和Web服务¹²）为全世界的用户社区提供对EO数据的访问。ii）

用于地球观测应用程序的按需网格处理（G-POD）计划提供了一个基于网格的平台，用户可以在其中搜索可用的数据产品（ERS-1和ERS-2卫星以及Envisat ASAR和MERIS传感器），还可以利用平台的工具和算法来处理所选数据¹³。iii）

全球地球观测网格（GEO网格，2013年）项目为全球地球科学界提供了一个平台，其中包括一系列服务，可通过地理门户¹⁴访问遥感（ASTER； MODIS）和地质数据。iv）

全球地球观测系统系统（GEOSS）旨在开发用于EO数据访问的国际基础设施，并以此方式为九个社会福利领域（灾害管理，健康，能源，气候，水等）的广泛用户提供决策支持工具，天气，生态系统，农业和生物多样性）。GEOSS通用基础结构（GCI）通过地球观测小组（GEO，2013）的网络界面为最终用户提供了访问，搜索和使用数据，信息，工具和服务的便利。v）

EUROGEOSS项目是欧洲对GEOSS的贡献，并通过单一接入点EuroGEOSS Broker ¹⁵提供了初始运行能力，用于干旱，林业和生物多样性这三个战略领域的欧洲环境地球观测系统。

审查地理空间处理接口的实现

空间数据服务标准已被全面记录并应用于众多研究和商业项目（Sayar等，2006；Tu和Abdelguerfi，2006；Yang等，2007；Chang和Park，2006）。试图确定有助于实施OGC WPS接口规范标准的现有开源或专有软件产品（OGC，2013年）。一些软件产品是专门为实现WPS接口标准而开发的，而另一些软件产品是为不同目的而开发的，后来在WPS上下文中采用并合并了功能。基于每个已识别软件的功能及其在WPS接口实现中的作用，采用了以下软件分类：•

客户端软件为用户提供了图形用户界面（GUI），使他们能够浏览有关WPS服务器功能和所提供进程的信息，发出请求并从服务器接收响应。客户端软件提供了显示已处理输出的环境。•

服务器软件包括通过Internet开发和提供WPS服务器所需的所有核心功能。WPS服务器充当处理所有客户端请求和响应的访问点。通常，WPS服务器软件与其他类型的软件集成在一起，例如库，插件和桌面GIS处理模块，以便处理通过客户端请求传递的输入参数，并通过输出将响应返回给客户端。•

库是类和其他模块的集合，可以通过编程语言进行操作，链接到现有软件并创建处理模块。通过在WPS的上下文中操作库，可以从头开始构建整个客户端软件，将WPS服务器链接到Web服务器软件并开发流程。•

在WPS的上下文中，桌面GIS软件可以充当胖客户端和/或通过其包含的处理模块提供其所有处理功能。

表1中列出的软件产品直接通过其包含的组件或通过为此目的开发的插件间接为WPS实施做出了贡献。这些软件组件还可以支持不同的平台，并可以通过各种常见的编程语言进行操作和扩展。

表1。为OGC WPS规范标准的实施做出贡献。

PROJECT	TYPE	SUPPORT
Name	Provider download URL	Client	Server	Library	GIS	Open Source	Languages	Platforms
52o North WPS	52 North http://52north.org/		√			√	Java, Python, R	Windows, Mac OS X, Linux
ArcGIS Server	ESRI http://www.esri.com		√				.NET, Java	Windows, Solaris, Linux, VMWare
Deegree WPS	lat/lon GmbH http://www.deegree.org/		√			√	Java	Windows, Mac OS X, Linux, BSD, UNIX
disy Cadenza Professional	disy informations systeme GmbH http://www.disy.net/	√					Java	Windows, Linux, Java
disy Cadenza Web	disy informations systeme GmbH http://www.disy.net/	√	√				Java	Windows, Linux, Java
disy GISterm Professional	disy informations systeme GmbH http://www.disy.net/	√					Java	Windows, Linux, Java
disy GISterm Web	disy informations systeme GmbH http://www.disy.net/	√	√				Java	Windows, Linux, Java
Erdas Apollo Professional	ERDAS Inc. http://www.sterling-software.uk.com/	√	√				Java, C++	Windows, Linux, Solaris
GDAL/OGR	OGC http://www.gdal.org/			√		√	C++	Windows, Linux, Mac OS X
GeoMedia SDI Portal	Intergraph http://portal.ingr.briseide.eu/sdiportal/	√					.NET, ExtJS, Javascript	Windows
Geoserver	OpenGeo http://geoserver.org/		√			√	Java	Windows, Mac OS X, Linux, BSD, UNIX
Geoshield Project	IST-SUPSI https://sites.google.com/site/geoshieldproject/	√	√			√	Java	Any
GeoTools	OpenGeo, Geosolutions, Refractions Research, LISAsoft http://www.geotools.org/			√		√	Java	Any
GNIS Server	LBS Plus co. Ltd.	√	√				Java	Java
GRASS GIS	GRASS development Team http://grass.osgeo.org/	√			√	√	C, C++, Python, Unix shell, Tcl	Windows, Mac OS X, Linux, Solaris, SGI IRIX, HP UX, BSD, UNIX
HSLayers	HS-RS http://hslayers.org/			√		√	Javascript	Any
Liquid XML Data Binder	Liquid Technologies http://www.liquid-technologies.com/xml-data-binding.aspx	√	√			√	C++, C#, Java, VB.NET, VB6	Windows, Linux, Solaris, HP UX
Maplink Pro	Envitia http://www.maplinkpro.com/	√	√			√	C++, .NET, COM	windows, Linux, Solaris, VxWorks
Netgis Server	NETCAD http://netcad-netgis-server-enterprise-cvs.software.informer.com/		√				.NET, Java, C#, Delphi, VB, Javascript	Windows
OpenGeo Suite	OpenGeo http://opengeo.org/products/suite/	√	√			√	C, Java, Javascript	Windows, Mac OS X, Linux, Skygone Cloud, Amazon EC2
Openlayers	OpenGeo http://opengeo.org/technology/openlayers/			√		√	Javascript	Any
PyWPS	OGC, HS-RS http://pywps.wald.intevation.org/		√			√	Python, jython	Any
QuantumGIS	Faunalia http://www.qgis.org/	√			√	√	C++, Python	Windows, Mac OS X, Linux, BSD, UNIX
Rasdaman	rasdaman GmbH http://www.rasdaman.com/		√			√	C++, Java, rasql	Linux, Solaris, Mac OS X, Windows, HP-UX, SGI IRIX
uDig	Refractions Research http://udig.refractions.net/	√				√	Java	Windows, Mac OS X, Linux
WPS.NET	BRGM – http://swing.brgm.fr/dataaccess/wps/generic		√			√	.NET	Windows
WPSint	OGC http://wpsint.tigris.org/	√				√	Java	Windows, Linux, VMWare
ZOO-Project	ZOO-Project http://www.zoo-project.org/		√			√	C, C++, Python, Java, PHP, Perl, Fortran, Javascript	LINUX, Windows, Mac OS X

下面简要介绍了上述WPS实现的一些值得注意的情况：

52°北免费和开源地理空间软件倡议始于2004年，在研究与开发社区中组织，涉及广泛的协作软件开发过程。北纬52°的地理处理社区提供标准化的软件和原型实现，旨在实现在空间数据基础架构中处理地理数据。North 52 WPS包括兼容OGC的基于Java的开源实现，这些实现充当Java Tomcat Servlet容器的插件以及开源客户端（例如uDig，Jump和OpenLayers）的插件。

ZOO是2009年根据MIT / X-11许可发布的WPS开源项目。它在对开发人员友好的框架中实现了OGC WPS，该框架允许创建和链接WPS服务。它的主要目标是收集现有的开放源代码库，并使它们以标准化方式进行通信，而且还通过提供一种创建新Web服务的简便方法来简化最终开发人员的工作。ZOO由功能强大的服务器端C内核组成，这使得管理和链接以不同编程语言编码的Web服务成为可能。越来越多的基于各种开源库的示例Web服务套件以及能够调用和链接ZOO服务的服务器端JavaScript API，使得流程的开发和链接变得更加容易（Fenoy等人，2012）。

PyWPS（Python Web处理服务）是一个项目，其主要目的是使基于GRASS的处理可用于Web客户端。它于2006年开始开发，并根据GNU通用公共许可证（GNU / GPL）的条款发布。PyWPS可以看作是一个翻译库，它接收符合OWS标准的传入请求，将它们分派给GRASS或使用Python开发的任何其他工具，然后返回结果。该项目基于简单的CGI脚本构建，该脚本提供了用于定义要执行的请求过程的输入和输出的适当功能。流程本身由Process类实现，并由强制方法execute执行，该方法可以直接使用GRASS模块（Cepicky和Becchi，2007年）。

Deegree项目是一个基于标准的Java框架，用于实现主要地理空间IT标准并提供传感器和处理服务的空间数据基础架构。它诞生于2002年，根据GNU较宽松通用公共许可证（LGPL）发行，经过多次升级已成为OSGeo项目。

最近实施WPS的其他出色的商业解决方案包括但不限于ERDAS APOLLO 2010和ESRI ArcGIS Server。APOLLO中的WPS启用了名为IMAGINE的建模器引擎，该引擎提供了以图形方式设计复杂空间模型和算法的功能，可以创建链接的空间模型工作流并为消费者最终用户发布这些工作流。ESRI于2006年引入了类似的功能，称为Model Builder，该功能在其最新的GIS服务器版本中支持WPS服务，任何支持WPS的客户端都可以使用该服务。

设计与建筑

情境

我们演示了一个用例场景，其中最终用户可以执行图像搜索和获取以及图像处理功能。图像获取是通过交互式地图服务（例如Google地图）执行的，其中可以通过提交多边形或点形状要素的坐标来定义AOI。然后，将检查可用的图像数据及其元数据，最终用户将能够下载所需的光栅图像文件。这样就可能有一个详细列表，其中包含可用的处理服务及其描述，可以将其应用于下载的栅格文件。出于演示目的，已选择了主要遥感项目中使用的流行基本功能和转换功能。

我们的方案系统通过将每个图像带分配给三种原色（红色，绿色，蓝色）或单个带（灰度）显示之一来提供对栅格数据的图像合成处理。它还提供了图像子设置处理功能，以便使用查询框工具将图像描绘到所需的研究区域，并进行图像重新投影，以便将图像转换为另一个坐标系以与其他数据集成。系统提供的转换功能包括：-

谱带比的计算有助于植被图或矿物勘探。结果，创建了新的主题带，以指示植被指数表现情况下该地区的植被。-

在多时间图像（例如，不同年份的相同区域的图像）的情况下，使用带减法的简单变化检测功能。结果是一个新的带，指示特定时间段内的变化。

设计

图1所示的UML序列图通过一系列由适当功能指定并依赖于通用请求-响应结构的Web服务，描述了系统组件之间的交互。该系统由两个定义明确，离散且集成的引擎组成：（a）“数据采集引擎”，它允许用户通过查询和检索其元数据信息来发现遥感数据，并启用下载过程，以及，（ b）“分析引擎”，它有助于图像数据的处理和转换。以下交互表示标准化服务的实现，其中的一些或全部可能会参与各种用例场景，并在六个步骤中进行了简要介绍：（1）

客户端向WMS服务器发送请求，以检索交互式地图服务，该服务允许通过适当的地图层定义所需的AOI。（2）

将消息发送到CSW服务器，以请求有关先前定义的AOI的可用卫星图像和元数据信息。系统返回包含可用图像数据和元数据的目录。（3）

随之而来的请求被分派到WCS服务器，该服务器又启用了卫星图像下载。（4）

下载图像后，用户将请求发送到WPS请求处理程序，以获取有关可用服务的功能和Analysis Engine流程的元数据信息。（5）

在发现提供的分析功能之后，用户将请求发送到分析引擎，以执行对卫星图像的基本处理，例如图像组成分析，使用查询框进行子设置，重新投影或执行转换处理以例如带比例和图像减法。（6）

WPS请求处理程序接收这些请求，并将它们定向到WPS处理引擎。WPS处理引擎的模块处理请求的输入并产生响应，该响应通过WPS请求处理程序返回给客户端。

建筑

系统体系结构是一种典型的多层客户端-服务器体系结构，经过定制，可以满足建议的系统要求，并强调各个独立组件之间的开放性和互操作性。图2说明了一种可能的实现方案，其中在表1所示的评论中确定了选定的开源软件组件。它还包含实现OGC Web服务标准接口的服务器。该特定说明的显着特殊之处在于，所涉及的空间数据可能源自符合适当OGC Web服务的数据提供者。可以通过实现WPS标准的服务器来提供满足地理空间处理要求的其他类型的服务，并且整个设置包括用于地理空间云计算的框架。以下是系统体系结构层的简要说明。

客户端层包含软件，这些软件通过（a）瘦客户端（例如基于浏览器的Web应用程序），（b）胖客户端（例如独立的GIS应用程序）和（c）应用程序，为最终用户提供可视化空间信息的功能。在移动设备上运行。此外，客户端还可以显示交互式地图并对其进行操作，例如缩放和查询，以及通过标准化目录服务发现并绑定到共享数据。最后，客户提供所有必要的工具，以识别系统的地理处理能力，撰写地理空间处理请求并接收所请求的地理信息。

应用层包含系统执行的核心服务，并且还促进了客户端和数据提供者之间的接口。在此层的顶层，承载Web（地图/目录/流程）服务并向应用程序服务器定向请求和响应的Web服务器被视为系统的访问点。应用服务实施开放的OGC标准，包括：•

目录服务器应用程序保留有关不同来源提供的数据和过程的公开元数据信息的记录。由于云中有大量空间数据，并且是遵循在OGC Web服务体系结构上定义的发布-查找-绑定服务框架的标准方法，因此这是系统的必要部分。•

为客户提供空间数据的数据服务器应用程序，按照标准化的服务形式分类，例如在地图图像中是Web地图服务（WMS），在矢量数据中是Web特征服务（WFS）和Web Coverage服务（WCS） ）（对于网格数据）。•

处理服务器应用程序，它提供地理空间过程的存储库，并允许客户端通过实施WPS标准将其应用于空间数据。客户可以请求每个过程的描述，为处理服务提供输入参数，在边界框中指定特定区域，并为输入提供复杂的值，例如XML结构和二进制数据。这些输入由处理模块操纵，这些模块可以是GIS软件（例如Grass）提供的现有工具，也可以是新开发的工具。需要处理服务器和处理模块之间的内部通信接口，根据先前引入的UML序列图，该接口可实现WPS请求处理程序组件。

数据层由保存空间数据及其信息的提供者组成。系统使用该层以便检索数据并将其用作标准化服务以进行进一步操作。数据提供者可以是国际组织（例如USGS），文件系统和数据库管理系统。

结论

交互OML图代表OGC Web服务的请求和响应，提供了利用云中地理空间服务的系统的完整设计概述。Web处理服务可能因具体情况而异，因此包含云中任何已实施地理空间过程的全局图将非常有帮助。然后，就需要合并适当的服务以为特定用例场景提供解决方案。

到目前为止，Web-GIS应用程序通常会利用WPS实现，这些实现涉及最终用户提供的矢量或栅格数据。利用SDI上的地图和目录服务来检索AOI的栅格数据集，在适用于遥感和相关专业领域的用例场景中很常见，因为其中大多数都包括栅格发现和获取服务。在建议的系统架构中，云技术功能使合并来自各种数据提供者的数据服务并将地理空间处理分配给其他处理服务提供者成为可能。

地理信息的需求从一个特定的科研领域到另一个领域都不尽相同，开发实现地理空间过程的现有接口是为了满足特定领域的特定需求。因此，对于涉及需要GIS功能的任何领域的专家来说，挑战是要确定对地理信息和产生它的相关地理过程的需求，并将其包含在将来的WPS实施中。

地理空间Web服务使得集成在不兼容平台中的计算机系统以及操纵不同格式的空间数据结构成为可能。因此，可以从桌面和专有Web应用程序迁移到提供实时地理处理服务并按需生成地理信息的开放系统。

致谢

The authors wish to acknowledge financial support provided by the Research Committee of the Technological Educational Institute of Central Macedonia under grant SAT/GS/230113-8/01.

参考文献

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0098300413002719