CN102073666B

CN102073666B - 具有动态性的空间信息处理服务组合方法

Info

Publication number: CN102073666B
Application number: CN2009102728900A
Authority: CN
Inventors: 乐鹏; 龚健雅; 狄黎平
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2029-11-24
Also published as: CN102073666A

Abstract

本发明提出了一种具有动态性的空间信息处理服务组合方法。这种发明以空间信息处理服务的语义描述为基础，通过语义匹配能够更准确地建立空间信息处理服务之间的联系。通过对目录登记信息元模型进行语义扩展能够实现顾及语义的查找，提高查询的查全率和查准率，并能对已有的空间信息处理流程模型知识进行管理和复用。通过任务分解，将一个高层次的服务模型细化为低层次的有限个服务组合，减少了搜索空间，降低了服务组合的不确定性，有助于降低推理的复杂性。由于这种服务组合方法的动态性和智能性，对于在网络承载的海量信息环境下，通过智能构建空间信息处理流程，从海量网络数据中提取用户所需的信息与知识，具有重要意义。

Description

具有动态性的空间信息处理服务组合方法

技术领域

本发明属于网络地理信息系统应用领域，特别涉及一种空间信息处理服务组合方法。

背景技术

近年来，面向服务的体系架构SOA作为一种新的信息架构，逐渐被引入到科学应用研究中。在网络承载的海量信息环境下，如果能够智能地寻找和集成空间数据和服务，帮助用户构建复杂的空间信息处理流程，自动或半自动地从海量网络数据中提取用户所需的信息与知识，将使得地球空间信息共享与应用服务进入一个全新的时代，极大地满足社会对公共空间信息的需求，促进地球空间信息科学的发展。在通用计算机领域，服务组合的研究是一个研究热点，有关文献：Rao J，Su X.A survey of automated web service compositionmethods[C].In：Proceedings of the First International Workshop onSemantic Web Services and Web Process Composition(SWSWPC 2004)；PeerJ.Web service composition as AI planning-a survey[R].Technical Report.University of St.Gallen，Switzerland.2005。

工业界对服务组合的研究侧重于利用工作流的方法。工作流是实现包括多个应用程序交互的业务流程自动化的关键技术。由于基于Web的应用数量庞大，而且更新变化快，传统的工作流系统对于基于Web的应用有着局限性。目前有些专门针对网络服务组合的语言出现，例如BPEL4WS、WSCI、WSFL。为了实现自动服务组合，在人工智能领域，很多研究通过人工智能规划的方法来实现自动服务组合，许多人工智能规划的方法都使用语义网技术中的网络服务本体语言OWL-S来描述网络服务。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。

在地理信息领域，GEON利用开谱勒(KEPLER)系统进行空间信息服务的组合。KEPLER系统提供了支持科学研究领域工作流的一个平台，它提供了一个较高概念层次的工作流设计模式，同时对用户尽可能屏蔽了底层技术的复杂性。SEEK引入了语义网技术中网络本体语言OWL来建立组合的服务间输入输出数据结构的自动转换。有些研究利用语义网络服务技术OWL-S、WSMO、WSDL-S实现空间信息网络服务的语义描述。其它一些研究则侧重于通过往元数据中增加语义信息以服务于数据的查找。国内有不少学者则在国际开放地理信息系统联合会OGC提出的服务规范的基础上，探讨基于网络服务的系统框架结构及应用，对空间信息网络服务的语义描述和空间信息网络服务自动组合的研究尚处于起步阶段。

有关文献：Jaeger，E.，Altintas，I.，Zhang，J.，

B.，Pennington，D.，and Michener，W.，2005.A Scientific Workflow Approachto Distributed Geospatial Data Processing using Web Services[C]，17thInternational Conference on Scientific and Statistical DatabaseManagement(SSDBM’05)；Bowers，S.，and

B.，2004.AnOntology-Driven Framework for Data Transformation in ScientificWorkflows[C].In Proc.of the Intl.Workshop on Data Integration in theLife Sciences(DILS)；Roman D，Klien E，Skogan D.SWING-a semantic webservices framework for the geospatial domain[C]，Terra Cognita 2006；Lemmens R，Wytzisk A.Integrating Semantic and Syntactic Descriptionsto Chain Geographic Services[J].IEEE Internet Computing，2006.10(5))；Lutz M，Klien E.Ontology-based retrieval of geographic information[J]，International Journal of Geographical Information Science，2006.20(3)。

与通用计算机领域的服务组合方法相比，空间信息处理服务组合有其特殊性。空间信息处理的数据通常是大批量，而且类型多样；空间信息处理功能复杂多样，往往对时间和计算资源的消耗较大；地理领域的应用往往需要不同数据源的数据和复杂的处理功能。因此服务的语义描述、组合方法的设计等都是目前研究的难点。虽然语义网络服务技术和人工智能规划方法为服务组合提供了前景，如何将其在地理信息领域进行应用还有待进一步研究。由于空间信息处理服务及其组合是近几年网络地理信息系统兴起的一个新的研究方向，目前已有的组合方法还停留在利用网络服务组合语言对空间信息服务进行静态组合，没有考虑组合的动态性。

发明内容

本发明目的在于解决现有技术不足，提供一种具有动态性的空间信息处理服务组合方法。

为实现上述目的，本发明提供一种基于流程规划的空间信息处理服务半自动组合方法，基于流程规划实现空间信息处理服务组合，包括以下步骤，

步骤一，基于本体描述语言OWL对空间信息处理服务的输入输出、功能、前提条件及状态改变进行语义描述，建立“空间数据类型”本体和“空间服务类型”本体，基于“空间数据类型”本体和“空间服务类型”本体建立“空间服务模型”本体；

其中空间信息处理服务的输入输出的语义描述利用“空间数据类型”本体中的实体类表达，空间信息处理服务的功能的语义描述利用“空间服务类型”本体中的实体类表达，“空间服务模型”本体是空间信息处理服务的输入输出和功能的组合表达，空间信息处理服务的前提条件的语义描述为输入空间数据的元数据要求，空间信息处理服务的状态改变的语义描述为输出空间数据的元数据改变；

步骤二，利用注册中心注册管理步骤一所得“空间数据类型”本体、“空间服务类型”本体和“空间服务模型”本体；

步骤三，通过开放的人机交互接口，向用户提供注册中心已注册的“空间数据类型”本体、“空间服务类型”本体和“空间服务模型”本体，返回用户基于这些本体组合得到的空间信息处理流程模型；

步骤四，为空间信息处理流程模型查找匹配的空间信息处理服务，形成服务链。

而且，基于网络服务本体语言OWL-S中的控制流和数据流，结合“空间服务模型”本体对已有的空间信息处理流程模型进行语义描述，然后保存作为一个复合的空间服务模型；当步骤三返回用户新组合得到的空间信息处理流程模型包括有之前所保存复合的空间服务模型时，步骤四的实现方式为，通过本体推理和语义匹配细化该空间信息处理流程模型中复合的空间服务模型，得到原子的空间服务模型的结构化组合，然后利用与各原子的空间服务模型匹配的空间信息处理服务，形成服务链。

本发明提出了一种新的空间信息处理服务组合方法。这种发明以空间信息处理服务的语义描述为基础，通过语义匹配能够更准确地建立空间信息处理服务之间的联系。通过对目录登记信息元模型进行语义扩展能够实现顾及语义的查找，提高查询的查全率和查准率，并能对已有的空间信息处理流程模型知识进行管理和复用。通过任务分解，将一个高层次的服务模型细化为低层次的有限个服务组合，减少了搜索空间，降低了服务组合的不确定性，有助于降低推理的复杂性。由于这种服务组合方法的动态性和智能性，对于在网络承载的海量信息环境下，通过智能构建空间信息处理流程，从海量网络数据中提取用户所需的信息与知识，具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例的系统结构图；

图2是本发明实施例的空间信息处理服务语义描述示意图；

图3是本发明实施例的目录登记信息元模型及语义注册扩展示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于流程规划的空间信息处理服务组合方法，包括以下步骤，

步骤一，基于本体描述语言OWL对空间信息处理服务的输入输出、功能、前提条件及状态改变进行语义描述，建立“空间数据类型”本体和“空间服务类型”本体，基于“空间数据类型”本体和“空间服务类型”本体建立“空间服务模型”本体。

具体来说，其中空间信息处理服务的输入输出的语义描述利用“空间数据类型”本体中的实体类表达，空间信息处理服务的功能的语义描述利用“空间服务类型”本体中的实体类表达，“空间服务模型”本体是空间信息处理服务的输入输出和功能的组合表达，空间信息处理服务的前提条件的语义描述为输入空间数据的元数据要求，空间信息处理服务的状态改变的语义描述为输出空间数据的元数据改变。

本发明首先利用本领域常用的语义网本体描述语言OWL建立“空间数据类型”本体和“空间服务类型”本体。空间信息处理服务输入、输出空间数据的本体描述可以参考了空间数据主题关键字集合、ISO 19115地理信息元数据标准和地理注记语言规范GML规范，定义了“空间数据类型”本体。“空间服务类型”本体的建立可以参考已有的空间服务分类，例如ISO 19119地理信息服务分类和美国NASA GCMD服务关键字集合。空间服务的语义描述可以采用了现有的语义网络服务技术，例如基于OWL的网络服务本体语言OWL-S对空间信息处理服务进行语义表达，建立“空间服务模型”本体。

图2给出了坡度计算服务的语义描述，以便实施参考。坡度计算服务输入hasInput为地形高程Terrain Elevation，输出hasOutput为地形坡度Terrain Slope，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，即语义标注(Semantic Annotations)，例如近红外影像NIRImage、ETM影像植被指数ETMNDVI、红波段影像RedImage、地形高程Terrain Elevation和地形坡度TerrainSlope，这些类(classes)参考ISO19115元数据实体(MD Metadata)进行属性(properties)设置以描述其元数据。为了表达坡度计算服务的操作Operation所代表的服务功能语义，通过“空间服务类型”本体类进行语义标注，例如滑坡计算Landslide Susceptibility、植被指数计算NDVI和坡度计算Slope等，其中坡度计算Slope本体类用来标注坡度计算服务功能的语义；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Format为GeoTiff，坐标参考系统ReferenceSystem为地理坐标EPSG：4326。

工作流本体提供了一个有序子流程序列中控制流(Control Flow)和数据流(Data Flow)等工作流基本元素的本体类。控制流定义了流程如何按照控制进行，它关注活动执行的顺序。而数据流关注数据在活动间的交换，它定义了数据在流程中的传输。例如在OWL-S中，控制流通过控制结构Control Construct(例如序列Sequence，分解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类的实例注明一个子过程的输入来源于序列中前一个子过程的输出。以图中的滑坡预测分析流程为例，控制流决定了具有不同的“空间服务类型”的空间信息处理服务(例如坡向Aspect、坡度Slope、土地覆盖类型Landcover、植被指数NDVI、滑坡计算Landslide Susceptibility)如何有序执行，而数据流则可以定义不同的空间信息处理服务的输入输出“空间数据类型”如何关联。

步骤二，利用注册中心注册管理步骤一所得“空间数据类型”本体、“空间服务类型”本体和“空间服务模型”本体。

注册中心属于已有技术，常用于分布式网络资源管理，实际资源并不放在注册中心。实施例使用OGC网络目录服务CSW的目录登记信息元模型ebRIM规范，对ebRIM模型进行扩展得到信息注册模型，以实现对空间数据与服务的语义信息注册。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。图3给出了对ebRIM模型扩展得到信息注册模型的高层示意图，虚线部分代表了对该模型所进行的扩展。目录信息登记模型的顶层类是“注册对象RegistryObject”。“属性槽Slot”为“RegistryObject”实例提供了动态添加属性的方式。“服务Service”实例提供了对网络服务元数据的注册，网络服务的实现可以绑定到多种网络协议上，因此“服务绑定Service Binding”实例提供了网络服务的绑定信息，“服务Service”实例通过“服务绑定serviceBindings”属性可以关联到多个“服务绑定Service Binding”实例。“组织Organization”实例记录了资源提供者的信息。“数据DataSet”实例记录了空间数据的注册信息。ebRIM模型还定义了一些其它对象以支持对不同资源信息的注册。“关联Association”实例记录了“注册对象RegistryObject”的对象之间一对一的关系，即“源对象sourceObject”与“目标对象targetObject”之间的关系。“分类体系ClassificationScheme”提供了一种“分类节点ClassficationNode”组成的树状结构方式对“注册对象RegistryObject”实例进行分类(Classification)。语义信息注册的基本思想是使用ebRIM的ClassificationScheme、Slot、Association等元素来记录OWL对应的类(classes)，属性(properties)和相关的一些公理例如subclassOf。

图中0..*表示0个到多个，单词后加“s”也表示多个的情况，例如“slots”表示多个属性槽；虚线连接部分是代表对现有技术中的OGC CSW ebRIM所进行的扩展，包括以下三部分：

(1)定义了一个新的类“流程模型Process Model”来注册空间信息处理流程模型。该定义通过继承已有的ebRIM类“外部对象ExtrinsicObject”来描述。每个服务Service对象通过描述describedBy关联到一个空间服务模型ProcessModel。Process Model既可以是原子的空间服务模型，也可以是复合的空间服务模型。当Process Model是复合的空间服务模型时，通过“流程模型Process Model”的属性槽“组合composedOf”可以关联到其组成的子模型序列。

(2)“空间数据类型”和“空间服务类型”本体作为“分类体系ClassificationScheme”注册在CSW中，建立空间服务类型分类体系GeospatialService Types ClassificationScheme和空间数据类型分类体系Geospatial DataTypes ClassificationScheme。通过这两个分类体系，就可以分别对“数据Dataset”和“服务Service”进行分类(classifiedBy)。

(3)为空间信息处理服务的输入输出、前提条件及状态改变的语义注册建立属性槽。输入输出的语义通过“流程模型Process Model”的属性槽“InputData输入”和“OutputData输出”来记录。状态改变的语义与服务实例相关，因此在“服务Service”的属性槽“preconditions前提条件”和“effects状态改变”记录。步骤三，通过开放的人机交互接口，向用户提供注册中心已注册的“空间数据类型”本体、“空间服务类型”本体和“空间服务模型”本体，返回用户基于这些本体组合得到的空间信息处理流程模型。

注册中心能够支持开放的人机交互接口，ebRIM模型还能利用语义匹配实现对查询精度的提高。具体操作可以是，用户操作互联网连接的计算机；计算机通过开放的人机交互接口，提供网页显示“空间数据类型”、“空间服务类型”和“空间服务模型”；用户可以拖拉不同的“空间数据类型”、“空间服务类型”、“空间服务模型”，进行结构化组合，形成空间信息处理流程模型。具体实施时，可以采用成熟的AJAX技术，只需一台联入互联网的PC，任何人都可成为用户。具体实施时，也可扩展参与平台，智能手机、PDA、易PC等联网设备均属于等同替换手段。通过用户简单地辅助控制，对于流程模型的生成直观清晰，能够降低自动服务组合中的不确定性。

由于实施例中，空间信息处理服务在注册中心中通过“描述describedBy”关联到“流程模型Process Model”，因此可以通过该关联为空间信息处理流程模型查找匹配的空间信息处理服务。

实际实施中，执行步骤一和步骤二建立好本体并注册后，在用户需要时才执行步骤三和步骤四，利用本体建立空间信息处理流程模型和服务链。由于本体是面向多用户多次重复利用的，建立空间信息处理流程模型时利用已有成果，可以提高建立效率。建立空间信息处理流程模型时，在“空间服务模型”本体基础上集成了多个空间服务模型，因此本发明提出保存已有的空间信息处理流程模型作为一个复合的空间服务模型，当步骤三返回用户新组合得到的空间信息处理流程模型时，如果新的空间信息处理流程模型包括有之前所保存复合的空间服务模型，步骤四的实现方式并不是直接对新的空间信息处理流程模型查找匹配的空间信息处理服务，而是通过本体推理和语义匹配细化，得到实现该空间信息处理流程模型的原子的空间服务模型的结构化组合，然后利用与各原子的空间服务模型匹配的空间信息处理服务，形成服务链。如果新的空间信息处理流程模型不包括有之前所保存复合的空间服务模型，可视为其中包含的全部是原子的空间服务模型，一一查找匹配的空间信息处理服务即可。

本体推理基于描述逻辑概念术语推理(TBOX Reasoning)中的包含推理(Subsumption Reasoning)，判断本体中不同概念之间的包含关系，可以使用现有技术中的推理机。

新空间信息处理流程模型中，可能包含了多个已有的空间信息处理流程模型。也就是说，一个复合的空间服务模型可能只为新空间信息处理流程模型中的部份(称为子流程模型)提供参照。语义匹配时，首先进行功能的语义匹配，从已保存的复合的空间服务模型中挑选与新空间信息处理流程模型中子流程模型功能上语义匹配的构成候选流程模型集合，这样可以初步降低候选复合的空间服务模型数量。然后再对候选流程模型集合中复合的空间服务模型与新空间信息处理流程模型中子流程模型进行输入输出的语义匹配，结果即为实现子流程模型的一组原子的空间服务模型，从而实现分解细化。通过对新空间信息处理流程模型中的所有子流程模型进行分解细化，综合分解细化结果得到实现顶层的新空间信息处理流程模型的一组原子的空间服务模型。分解过程中匹配可使用过程模板。过程模板根据空间信息处理服务的数据语义和功能语义定义。一个过程模板可以定义为一个三元组(F，I，O)，其中F代表过程的功能语义描述，I是过程的输入语义描述集合，O是过程的输出语义描述集合。

若已有的空间信息处理流程模型是利用本发明所提供技术方案生成，可以直接作为一类空间服务模型，用于组合实现新的空间信息处理流程模型。但考虑到可能有些已有的空间信息处理流程模型采用其它的途径构建，例如专家自己编辑处理流程脚本表达，即已有的空间信息处理流程模型不是步骤三所得结果时，需要考虑与本发明所提供技术方案生成的空间信息处理流程模型的表达一致性问题。本发明技术方案所采用OWL-S中的复合流程(Composite Process)本体可以用来表达空间信息处理流程模型。一个Composite Process可以定义为一个具有控制流和数据流的有序子流程序列。通过使用已有的复合流程(Composite Processes)，一个抽象的流程模型可以推理细化为子流程(还有可能进一步细化)的结构化组合。因此，本发明建议统一基于OWL-S中的控制流和数据流，结合“空间服务模型”本体(作为OWL-S中的子流程)对已有的空间信息处理流程模型进行语义描述，然后保存作为一种复合的空间服务模型(作为OWL-S中的复合流程)。对于步骤三所得用户基于组合得到的空间信息处理流程模型，计算机在后台自动将用户设定的本体间关联转化为基于OWL-S中的控制流和数据流的语义描述即可。对于其它途径所得已有的空间信息处理流程模型，需要重新基于OWL-S中的控制流和数据流，结合“空间服务模型”本体对其它途径得到的已有空间信息处理流程模型进行语义描述，然后保存作为一种复合的空间服务模型。

本发明的以上方法技术方案可以采用计算机软件技术实现，也可以采用装置形式实现，为便于实施参考，本发明提供空间信息处理服务组合系统参见图1，该系统支持对已有的空间信息处理流程模型进行利用：

空间信息处理服务组合系统中包括知识库、注册中心和模型设计客户端，

所述知识库用于建立“空间数据类型”本体、“空间服务类型”本体和“空间服务模型”本体并保存，所建立本体注册到注册中心；并用于保存已有的管理空间信息处理流程模型(保存为复合的空间服务模型)。

所述注册中心用于注册管理知识库中的“空间数据类型”本体、“空间服务类型”本体和“空间服务模型”本体，注册管理知识库中已有的管理空间信息处理流程模型，并提供人机交互接口。实施例中，网络环境下分布式空间信息处理服务和服务链作为图3中的“服务Service”对象注册，并通过“描述describedBy”关联到相应的“空间服务模型”。注册中心提供了一个信息注册模型，通过本体与信息注册模型间的映射注册管理知识库中的“空间数据类型”本体、“空间服务类型”本体和“空间服务模型”本体，通过模型与信息注册模型间的映射注册管理知识库中已有的管理空间信息处理流程模型。

所述模型设计客户端用于登录注册中心提供的人机交互接口，在注册中心支持下调用知识库中的“空间数据类型”本体、“空间服务类型”本体和“空间服务模型”本体，支持用户组合这些本体生成空间信息处理流程模型(即进行顶层模型设计)；并参照在注册中心支持下从知识库所调用复合的空间服务模型，自动细化空间信息处理流程模型得到实现该模型的原子的空间服务模型的结构化组合(即进行任务分解)；在注册中心支持下自动获取与原子服务模型匹配的空间信息处理服务，生成服务链；所得空间信息处理流程模型存入知识库，并和空间信息处理服务链一起在注册中心注册。

具体实施时，知识库和注册中心可以采用服务器技术实现，模型设计客户端可以采用计算机网络浏览器脚本技术实现。

Claims

1.一种具有动态性的空间信息处理服务组合方法，其特征是：基于流程规划实现空间信息处理服务组合，包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的空间信息处理服务组合方法，其特征是：基于网络服务本体语言OWL-S中的控制流和数据流，结合“空间服务模型”本体对已有的空间信息处理流程模型进行语义描述，然后保存作为一个复合的空间服务模型；当步骤三返回用户新组合得到的空间信息处理流程模型包括有之前所保存的复合的空间服务模型时，步骤四的实现方式为，通过本体推理和语义匹配细化该空间信息处理流程模型中复合的空间服务模型，得到原子的空间服务模型的结构化组合，然后利用与各原子的空间服务模型匹配的空间信息处理服务，形成服务链。