摘  要： 針對(duì)異構(gòu)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交互困難的問(wèn)題，提出基于NetCDF的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換格式，定義海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交互規(guī)范，實(shí)現(xiàn)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)靈活裝載和隨機(jī)訪問(wèn)?；诖耍O(shè)計(jì)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)框架，通過(guò)分層架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)用戶“一站式”訪問(wèn)。最后，開發(fā)原型系統(tǒng)加以驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞: 觀測(cè)數(shù)據(jù); NetCDF; 數(shù)據(jù)交換

    隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，人類探測(cè)海洋的能力日益提升，近年來(lái)，國(guó)家越來(lái)越重視海洋領(lǐng)域的開發(fā)建設(shè)，實(shí)施了大批海洋工程項(xiàng)目，提高了利用海洋的能力。但是，在利用海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)踐中，數(shù)據(jù)交互困難越顯突出，主要體現(xiàn)在如下方面：
    (1)數(shù)據(jù)格式復(fù)雜。當(dāng)前海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)常用的數(shù)據(jù)格式包括電報(bào)碼、XML格式文件、文本、數(shù)據(jù)庫(kù)等。不同的數(shù)據(jù)格式要求信息系統(tǒng)提供不同的訪問(wèn)方式，增加了海洋數(shù)據(jù)融合的困難。
    (2)海洋應(yīng)用與海洋科學(xué)數(shù)據(jù)存在差異。當(dāng)前數(shù)字海洋所規(guī)范的數(shù)據(jù)格式多為文本或者數(shù)據(jù)庫(kù)文件，但是在預(yù)報(bào)計(jì)算、分析等海洋科學(xué)領(lǐng)域所使用的大多為專業(yè)格式數(shù)據(jù)，如NetCDF、Grid等，這種格式的不統(tǒng)一給數(shù)據(jù)交互帶來(lái)困難。
    (3)數(shù)據(jù)分布廣泛，我國(guó)海域廣闊，沿海遍布著大大小小多個(gè)海洋機(jī)構(gòu)，不同機(jī)構(gòu)掌握一定的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，缺乏統(tǒng)一的安排和協(xié)調(diào)，也造成海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)共享困難。
    本文針對(duì)我國(guó)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交互存在的實(shí)際困難，提出一套解決方案，在構(gòu)建基于NetCDF通用觀測(cè)數(shù)據(jù)交換格式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，并在天津海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)展示平臺(tái)項(xiàng)目中進(jìn)行驗(yàn)證。
1 相關(guān)研究
    近年來(lái)，針對(duì)海洋領(lǐng)域數(shù)據(jù)交換和集成，有許多研究機(jī)構(gòu)做了大量工作，取得了豐富的研究成果。美國(guó)海軍和國(guó)家海洋大氣局實(shí)施開發(fā)了IOOS[1-2](Integrated Ocean Observing System)項(xiàng)目，目的是統(tǒng)一分散在各部門的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，提供共享信息，IOOS框架采用分層設(shè)計(jì)，并以用戶需求為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)各層間的數(shù)據(jù)流整合，達(dá)到觀測(cè)數(shù)據(jù)集成的目的。IOOS的分段子系統(tǒng)DMAC[3](Data Management and Communications)則主要負(fù)責(zé)海洋數(shù)據(jù)的傳輸和通訊，DMAC定義了一套共同遵守的、通用的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)互操作框架。海洋交互觀測(cè)網(wǎng)ORION[4](Ocean Research Interactive Observatory Networks)項(xiàng)目為科學(xué)家、教育者和普通公眾對(duì)海洋的交互、連續(xù)訪問(wèn)提供了一個(gè)平臺(tái)。美國(guó)NSF、SURA、ONR和NOAA-CSC等組織資助了海洋元數(shù)據(jù)互操作項(xiàng)目MMI [5](Marine Metadata Interoperation)提供了一個(gè)開放的資源共享平臺(tái)，便于組織和個(gè)人將與海洋相關(guān)的信息資源注冊(cè)到MMI中，然后進(jìn)行共享。由歐盟資助的MarineXML項(xiàng)目[6]則用于驗(yàn)證XML技術(shù)在提高海洋信息部門之間，特別是海洋觀測(cè)部門之間數(shù)據(jù)互操作性中所起的作用。該項(xiàng)目開發(fā)并改進(jìn)海洋標(biāo)記語(yǔ)言MML。
    上述項(xiàng)目從不同角度解決海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的交換與共享，但是上述項(xiàng)目沒(méi)有搭建起海洋應(yīng)用與海洋科研之間的信息共享橋梁，此外，上述項(xiàng)目沒(méi)有為用戶提供一個(gè)屏蔽數(shù)據(jù)共享細(xì)節(jié)的界面，本文設(shè)計(jì)的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)則更多地從用戶易用的角度給出協(xié)同應(yīng)用與科研的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)信息共享解決方案。
2 基于NetCDF的交換數(shù)據(jù)格式定義
    NetCDF（Network Common Data Form）[7-8]網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式由UCAR在其Unidata項(xiàng)目中提出。NetCDF利用矩陣方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具有自描述性、結(jié)構(gòu)獨(dú)立性、隨機(jī)訪問(wèn)性、可追加性、可共享性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋觀測(cè)領(lǐng)域存儲(chǔ)和交換數(shù)據(jù)。根據(jù)我國(guó)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用需求，定義基于NetCDF的海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)格式，如圖1所示。

    基于NetCDF的海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)定義領(lǐng)域內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)交換的一般標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)交換數(shù)據(jù)，使得具有普遍異構(gòu)性的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)以一種通用標(biāo)準(zhǔn)樣式被各類web服務(wù)所調(diào)用，解決數(shù)據(jù)交互困難的問(wèn)題。海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)所定義的格式包括六部分內(nèi)容。
    (1)ObservationData（觀測(cè)數(shù)據(jù)）：建立海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，用于標(biāo)識(shí)一個(gè)交換數(shù)據(jù)文件，其中，id為數(shù)據(jù)標(biāo)簽，name為數(shù)據(jù)解釋，ObservationData建立的交換數(shù)據(jù)文件包含一個(gè)維度，多個(gè)變量；
    (2)Dimension（維度）：解釋海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)形式，一個(gè)海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)文件包含唯一一組維度定義，Dimension給出交換數(shù)據(jù)各數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的排列，本文給出維度的固定格式，包括：數(shù)據(jù)層次說(shuō)明（level）、緯度（latitude）、經(jīng)度（longitude）和時(shí)間（time）；
    (3)Variables（變量）：對(duì)于維度中各參數(shù)的說(shuō)明，包括參數(shù)名、對(duì)應(yīng)參數(shù)類型以及參數(shù)的取值；
    (4)DataType（數(shù)據(jù)類型）：通用數(shù)據(jù)類型說(shuō)明；
    (5)Attributes（屬性）：變量所包含的屬性說(shuō)明，其組成為屬性名（name）、屬性類型（type）、屬性值（value），屬性是海洋交換數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)說(shuō)明，解釋包含作者、生成時(shí)間、數(shù)據(jù)來(lái)源等信息；
    (6)Data（數(shù)據(jù)）：海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)內(nèi)容，所定義的數(shù)據(jù)內(nèi)涵與變量中聲明的數(shù)據(jù)標(biāo)簽一致。
    圖2利用實(shí)例說(shuō)明海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)形式。

3 海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)架構(gòu)
    在定義海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)格式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)架構(gòu)，為海洋異構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)交互提供一個(gè)可行框架，實(shí)現(xiàn)不同觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，為用戶屏蔽異構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取的細(xì)節(jié)和過(guò)程。
    海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)采用層次架構(gòu)，按照業(yè)務(wù)邏輯將功能封裝為服務(wù)模塊，按照模塊在平臺(tái)中所處的角色的不同將模塊劃分到不同的業(yè)務(wù)層，同層模塊間功能彼此獨(dú)立，海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。按照通用程度的不同，海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)劃分為數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層、核心服務(wù)層和應(yīng)用層。

3.1 數(shù)據(jù)處理層
    數(shù)據(jù)處理層包括適配器和數(shù)據(jù)管道。適配器屏蔽分布在不同數(shù)據(jù)源之間的通信協(xié)議的差異，為平臺(tái)收發(fā)數(shù)據(jù)提供一致的消息轉(zhuǎn)發(fā)接口，不同適配器提供不同通信機(jī)制。數(shù)據(jù)管道則包含多種組件，用于執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸中涉及的不同任務(wù)，如數(shù)據(jù)加密/解密等。
3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層
    數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換層是海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)的核心，其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換引擎主要完成不同異構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)向統(tǒng)一交換數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。該模塊首先通過(guò)與異構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)源聯(lián)通的適配器讀入異構(gòu)數(shù)據(jù)，然后按照統(tǒng)一交換數(shù)據(jù)的格式要求將異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，為用戶提供一致的數(shù)據(jù)內(nèi)容。
3.3 核心服務(wù)層
    核心服務(wù)層為數(shù)據(jù)交換平臺(tái)提供核心服務(wù)功能，包括可接入服務(wù)、UDDI服務(wù)和消息路由服務(wù)?？山尤敕?wù)通過(guò)各種消息通信模式（單向、請(qǐng)求/應(yīng)答和輪詢）將觀測(cè)業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)包裝成平臺(tái)可以訪問(wèn)的功能。UDDI服務(wù)提供分布在各處的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)和服務(wù)的列表。消息路由服務(wù)則事先在Web Service消息中設(shè)置相應(yīng)的字段，由字段內(nèi)容來(lái)決定觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸路徑的選擇。
3.4 應(yīng)用層
   應(yīng)用層是平臺(tái)和用戶交互的接口，用戶通過(guò)應(yīng)用層接口向平臺(tái)提出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，通過(guò)任務(wù)轉(zhuǎn)換，平臺(tái)為用戶提供一致的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容。
4 應(yīng)用實(shí)例
    為了驗(yàn)證海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)設(shè)計(jì)的可行性，開發(fā)了天津海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，是一套與國(guó)家海洋技術(shù)中心合作開發(fā)的軍民兩用海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)展示平臺(tái)。平臺(tái)涉及多種復(fù)雜海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)類型，通過(guò)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，為用戶提供觀測(cè)數(shù)據(jù)展示。
    圖4所示為天津海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)展示平臺(tái)實(shí)現(xiàn)界面。其中，左側(cè)為數(shù)據(jù)查詢界面，用戶通過(guò)查詢界面向平臺(tái)提出海洋溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求，平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將符合要求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式，并以可視化方式展示，(如圖4右側(cè))。

    本文從海洋觀測(cè)異構(gòu)數(shù)據(jù)交換與共享出發(fā)，定義基于NetCDF的海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)格式，設(shè)計(jì)基于此的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)架構(gòu)，并開發(fā)原型系統(tǒng)對(duì)上述研究進(jìn)行驗(yàn)證。
    經(jīng)過(guò)原型系統(tǒng)實(shí)踐驗(yàn)證，本文給出的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)共享解決方案可以有效地解決分布在不同資源位置的異構(gòu)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的交互和共享，并為用戶提供屏蔽信息共享細(xì)節(jié)過(guò)程的接口，返回統(tǒng)一的觀測(cè)數(shù)據(jù)。
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