專利名稱：具有動態性的空間信息處理服務組合方法
技術領域：
本發明屬于網絡地理信息系統應用領域，特別涉及一種空間信息處理服務組合方 法。
背景技術：
近年來，面向服務的體系架構SOA作為一種新的信息架構，逐漸被引入到科學應 用研究中。在網絡承載的海量信息環境下，如果能夠智能地尋找和集成空間數據和服務， 幫助用戶構建復雜的空間信息處理流程，自動或半自動地從海量網絡數據中提取用戶所 需的信息與知識，將使得地球空間信息共享與應用服務進入一個全新的時代，極大地滿足 社會對公共空間信息的需求，促進地球空間信息科學的發展。在通用計算機領域，服務組 合的研究是一個研究熱點，有關文獻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(SffSWPC 2004) ；PeerJ. Web service composition as AI planning-a survey[R] · Technical Report. University of St. Gallen, Switzerland. 2005。工業界對服務組合的研究側重于利用工作流的方法。工作流是實現包括多個應用 程序交互的業務流程自動化的關鍵技術。由于基于Web的應用數量龐大，而且更新變化快， 傳統的工作流系統對于基于Web的應用有著局限性。目前有些專門針對網絡服務組合的語 言出現，例如BPEL4WS、WSCI、WSFL。為了實現自動服務組合，在人工智能領域，很多研究通 過人工智能規劃的方法來實現自動服務組合，許多人工智能規劃的方法都使用語義網技術 中的網絡服務本體語言OWL-S來描述網絡服務。語義網絡服務實現了對信息和服務的描述 和組織，有助于自動地確定服務與數據、服務與服務間的正確聯系，從而能夠自動地構建服 務鏈，解決用戶的問題。在地理信息領域，GEON利用開譜勒(KEPLER)系統進行空間信息服務的組合。 KEPLER系統提供了支持科學研究領域工作流的一個平臺，它提供了一個較高概念層次的工 作流設計模式，同時對用戶盡可能屏蔽了底層技術的復雜性。SEEK引入了語義網技術中網 絡本體語言OffL來建立組合的服務間輸入輸出數據結構的自動轉換。有些研究利用語義網 絡服務技術0WL-S、WSM0、WSDL-S實現空間信息網絡服務的語義描述。其它一些研究則側 重于通過往元數據中增加語義信息以服務于數據的查找。國內有不少學者則在國際開放 地理信息系統聯合會OGC提出的服務規范的基礎上，探討基于網絡服務的系統框架結構及 應用，對空間信息網絡服務的語義描述和空間信息網絡服務自動組合的研究尚處于起步階 段。有關文獻 Jaeger, Ε. , Altintas, I. , Zhang, J. , Ludascher, 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
3Ludascheri 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)。與通用計算機領域的服務組合方法相比，空間信息處理服務組合有其特殊性。空 間信息處理的數據通常是大批量，而且類型多樣；空間信息處理功能復雜多樣，往往對時間 和計算資源的消耗較大；地理領域的應用往往需要不同數據源的數據和復雜的處理功能。 因此服務的語義描述、組合方法的設計等都是目前研究的難點。雖然語義網絡服務技術和 人工智能規劃方法為服務組合提供了前景，如何將其在地理信息領域進行應用還有待進一 步研究。由于空間信息處理服務及其組合是近幾年網絡地理信息系統興起的一個新的研 究方向，目前已有的組合方法還停留在利用網絡服務組合語言對空間信息服務進行靜態組 合，沒有考慮組合的動態性。
發明內容
本發明目的在于解決現有技術不足，提供一種具有動態性的空間信息處理服務組 合方法。為實現上述目的，本發明提供一種基于流程規劃的空間信息處理服務半自動組合 方法，基于流程規劃實現空間信息處理服務組合，包括以下步驟，步驟一，基于本體描述語言OffL對空間信息處理服務的輸入輸出、功能、前提條件 及狀態改變進行語義描述，建立“空間數據類型”本體和“空間服務類型”本體，基于“空間 數據類型”本體和“空間服務類型”本體建立“空間服務模型”本體；其中空間信息處理服務的輸入輸出的語義描述利用“空間數據類型”本體中的實 體類表達，空間信息處理服務的功能的語義描述利用“空間服務類型”本體中的實體類表 達，“空間服務模型”本體是空間信息處理服務的輸入輸出和功能的組合表達，空間信息處 理服務的前提條件的語義描述為輸入空間數據的元數據要求，空間信息處理服務的狀態改 變的語義描述為輸出空間數據的元數據改變；步驟二，利用注冊中心注冊管理步驟一所得“空間數據類型”本體、“空間服務類 型”本體和“空間服務模型”本體；步驟三，通過開放的人機交互接口，向用戶提供注冊中心已注冊的“空間數據類 型”本體、“空間服務類型”本體和“空間服務模型”本體，返回用戶基于這些本體組合得到 的空間信息處理流程模型；步驟四，為空間信息處理流程模型查找匹配的空間信息處理服務，形成服務鏈。而且，基于網絡服務本體語言OWL-S中的控制流和數據流，結合“空間服務模型” 本體對已有的空間信息處理流程模型進行語義描述，然后保存作為一個復合的空間服務模 型；當步驟三返回用戶新組合得到的空間信息處理流程模型包括有之前所保存復合的空間服務模型時，步驟四的實現方式為，通過本體推理和語義匹配細化該空間信息處理流程模 型中復合的空間服務模型，得到原子的空間服務模型的結構化組合，然后利用與各原子的 空間服務模型匹配的空間信息處理服務，形成服務鏈。本發明提出了一種新的空間信息處理服務組合方法。這種發明以空間信息處理服 務的語義描述為基礎，通過語義匹配能夠更準確地建立空間信息處理服務之間的聯系。通 過對目錄登記信息元模型進行語義擴展能夠實現顧及語義的查找，提高查詢的查全率和查 準率，并能對已有的空間信息處理流程模型知識進行管理和復用。通過任務分解，將一個高 層次的服務模型細化為低層次的有限個服務組合，減少了搜索空間，降低了服務組合的不 確定性，有助于降低推理的復雜性。由于這種服務組合方法的動態性和智能性，對于在網絡 承載的海量信息環境下，通過智能構建空間信息處理流程，從海量網絡數據中提取用戶所 需的信息與知識，具有重要意義。
圖1是本發明實施例的系統結構圖；圖2是本發明實施例的空間信息處理服務語義描述示意圖；圖3是本發明實施例的目錄登記信息元模型及語義注冊擴展示意圖。
具體實施例方式本發明提供一種基于流程規劃的空間信息處理服務組合方法，包括以下步驟，步驟一，基于本體描述語言OffL對空間信息處理服務的輸入輸出、功能、前提條件 及狀態改變進行語義描述，建立“空間數據類型”本體和“空間服務類型”本體，基于“空間 數據類型”本體和“空間服務類型”本體建立“空間服務模型”本體。具體來說，其中空間信息處理服務的輸入輸出的語義描述利用“空間數據類型”本 體中的實體類表達，空間信息處理服務的功能的語義描述利用“空間服務類型”本體中的實 體類表達，“空間服務模型”本體是空間信息處理服務的輸入輸出和功能的組合表達，空間 信息處理服務的前提條件的語義描述為輸入空間數據的元數據要求，空間信息處理服務的 狀態改變的語義描述為輸出空間數據的元數據改變。本發明首先利用本領域常用的語義網本體描述語言OWL建立“空間數據類型”本 體和“空間服務類型”本體。空間信息處理服務輸入、輸出空間數據的本體描述可以參考了 空間數據主題關鍵字集合、ISO 19115地理信息元數據標準和地理注記語言規范GML規范， 定義了“空間數據類型”本體。“空間服務類型”本體的建立可以參考已有的空間服務分類， 例如ISO 19119地理信息服務分類和美國NASA GCMD服務關鍵字集合。空間服務的語義描 述可以采用了現有的語義網絡服務技術，例如基于OWL的網絡服務本體語言OWL-S對空間 信息處理服務進行語義表達，建立“空間服務模型”本體。圖2給出了坡度計算服務的語義描述，以便實施參考。坡度計算服務輸入 haslnput 為JftMi^禾呈 Terrain Elevation, ^iij hasOutput ^ ] Terrain Slope, 該服務輸入輸出數據的語義通過“空間數據類型”本體類標注，即語義標注Gemantic Annotations)，例如近紅外影像NIRImage、ETM影像植被指數ETMNDVI、紅波段影像 RedImage、地形高程^Terrain Elevation 和地形坡度 iTerrainSlope,這些類(classes)參考IS019115元數據實體(MD Metadata)進行屬性(properties)設置以描述其元數據。為了 表達坡度計算服務的操作Operation所代表的服務功能語義，通過“空間服務類型”本體類 進行語義標注，例如滑坡計算Landslide Susc印tibility、植被指數計算NDVI和坡度計算 Slope等，其中坡度計算Slope本體類用來標注坡度計算服務功能的語義；服務執行的語義 (即前提條件和狀態改變)通過元數據約束來表達，例如利用OWL-S中的前提條件表達語言 SPARQL描述輸入的高程數據格式format為GeoTiff，坐標參考系統ReferenceSystem為地 理坐標 EPSG :4326。工作流本體提供了一個有序子流程序列中控制流(Control Flow)和數據流(Data Flow)等工作流基本元素的本體類。控制流定義了流程如何按照控制進行，它關注活動執行 的順序。而數據流關注數據在活動間的交換，它定義了數據在流程中的傳輸。例如在OWL-S 中，控制流通過控制結構Control Construct (例如序列kquence，分解Split)來表達，數 據流通過使用一些類來明確輸入輸出的綁定，例如ValueOf類的實例注明一個子過程的輸 入來源于序列中前一個子過程的輸出。以圖中的滑坡預測分析流程為例，控制流決定了具 有不同的“空間服務類型”的空間信息處理服務(例如坡向Aspect、坡度Slope、土地覆蓋 類型Landcover、植被指數NDVI、滑坡計算Landslide Susceptibility)如何有序執行，而 數據流則可以定義不同的空間信息處理服務的輸入輸出“空間數據類型”如何關聯。步驟二，利用注冊中心注冊管理步驟一所得“空間數據類型”本體、“空間服務類 型”本體和“空間服務模型”本體。注冊中心屬于已有技術，常用于分布式網絡資源管理，實際資源并不放在注冊中 心。實施例使用OGC網絡目錄服務CSW的目錄登記信息元模型ebRIM規范，對ebRIM模型 進行擴展得到信息注冊模型，以實現對空間數據與服務的語義信息注冊。已有空間信息處 理流程模型和服務鏈也可以通過CSW來管理。圖3給出了對ebRIM模型擴展得到信息注冊 模型的高層示意圖，虛線部分代表了對該模型所進行的擴展。目錄信息登記模型的頂層類 是“注冊對象RegistryObject”。“屬性槽Slot”為“RegistryObject”實例提供了動態添 加屬性的方式。“服實例提供了對網絡服務元數據的注冊，網絡服務的實現可 以綁定到多種網絡協議上，因此“服務綁Service Binding”實例提供了網絡服務的綁定 信息，“服務krvice”實例通過“服務綁定serviceBindings”屬性可以關聯到多個“服務 綁定krvice Binding”實例。“組織Organization”實例記錄了資源提供者的信息。“數 據Dat必et”實例記錄了空間數據的注冊信息。ebRIM模型還定義了一些其它對象以支持 對不同資源信息的注冊。“關聯Association”實例記錄了 “注冊對象RegistryObject”的 對象之間一對一的關系，即“源對象sourceObject”與“目標對象targetObject”之間的關 系。“分類體系 Classif icatior^cheme” 提供了一種“分類節點 Classf icationNode” 組成 的樹狀結構方式對“注冊對象RegistryObject”實例進行分類(Classification)。語義信 息注冊的基本思想是使用ebRIM的Classificatior^cheme、Slot、Association等元素來記 錄OWL對應的類(classes)，屬性(properties)和相關的一些公理例如subclassOf。圖中0. . *表示O個到多個，單詞后加“S”也表示多個的情況，例如“slots”表示 多個屬性槽；虛線連接部分是代表對現有技術中的OGC CSff ebRIM所進行的擴展，包括以下 三部分(1)定義了一個新的類“流程模型ftOcess Model”來注冊空間信息處理流程模型。該定義通過繼承已有的ebRIM類“外部對象ExtrinsicObject”來描述。每個服務Service 對象通過描述describedBy關聯到一個空間服務模型ProcessModel。Process Model既可 以是原子的空間服務模型，也可以是復合的空間服務模型。當!Process Model是復合的空 間服務模型時，通過“流程模型!Process Model”的屬性槽“組合composedOf”可以關聯到 其組成的子模型序列。(2) “空間數據類型”和“空間服務類型”本體作為“分類體系 ClassificationScheme"注冊在CSW中，建立空間服務類型分類體系GeospatialService Types ClassificationScheme 和空間數據類型分類體系 Geospatial DataTypes ClassificatioMcheme。通過這兩個分類體系，就可以分別對“數據Dataset”和“服務 Service，，進行分類(classifiedBy)。(3)為空間信息處理服務的輸入輸出、前提條件及狀態改變的語義注冊建立屬 性槽。輸入輸出的語義通過“流程模型ftx)CeSS Model”的屬性槽“InputData輸入”和 "OutputData輸出”來記錄。狀態改變的語義與服務實例相關，因此在“服務krvice”的屬 性槽“preconditions前提條件”和“effects狀態改變”記錄。步驟三，通過開放的人機交 互接口，向用戶提供注冊中心已注冊的“空間數據類型”本體、“空間服務類型”本體和“空 間服務模型”本體，返回用戶基于這些本體組合得到的空間信息處理流程模型。注冊中心能夠支持開放的人機交互接口，ebRIM模型還能利用語義匹配實現對查 詢精度的提高。具體操作可以是，用戶操作互聯網連接的計算機；計算機通過開放的人機交 互接口，提供網頁顯示“空間數據類型”、“空間服務類型”和“空間服務模型”;用戶可以拖拉 不同的“空間數據類型”、“空間服務類型”、“空間服務模型”，進行結構化組合，形成空間信 息處理流程模型。具體實施時，可以采用成熟的AJAX技術，只需一臺聯入互聯網的PC，任何 人都可成為用戶。具體實施時，也可擴展參與平臺，智能手機、PDA、易PC等聯網設備均屬于 等同替換手段。通過用戶簡單地輔助控制，對于流程模型的生成直觀清晰，能夠降低自動服 務組合中的不確定性。步驟四，為空間信息處理流程模型查找匹配的空間信息處理服務，形成服務鏈。由于實施例中，空間信息處理服務在注冊中心中通過“描述describedBy”關聯到 “流程模型!Process Model”，因此可以通過該關聯為空間信息處理流程模型查找匹配的空 間信息處理服務。實際實施中，執行步驟一和步驟二建立好本體并注冊后，在用戶需要時才執行步 驟三和步驟四，利用本體建立空間信息處理流程模型和服務鏈。由于本體是面向多用戶多 次重復利用的，建立空間信息處理流程模型時利用已有成果，可以提高建立效率。建立空間 信息處理流程模型時，在“空間服務模型”本體基礎上集成了多個空間服務模型，因此本發 明提出保存已有的空間信息處理流程模型作為一個復合的空間服務模型，當步驟三返回用 戶新組合得到的空間信息處理流程模型時，如果新的空間信息處理流程模型包括有之前所 保存復合的空間服務模型，步驟四的實現方式并不是直接對新的空間信息處理流程模型查 找匹配的空間信息處理服務，而是通過本體推理和語義匹配細化，得到實現該空間信息處 理流程模型的原子的空間服務模型的結構化組合，然后利用與各原子的空間服務模型匹配 的空間信息處理服務，形成服務鏈。如果新的空間信息處理流程模型不包括有之前所保存 復合的空間服務模型，可視為其中包含的全部是原子的空間服務模型，一一查找匹配的空間信息處理服務即可。本體推理基于描述邏輯概念術語推理(TBOX Reasoning)中的包含推理 (Subsumption Reasoning)，判斷本體中不同概念之間的包含關系，可以使用現有技術中的 推理機。新空間信息處理流程模型中，可能包含了多個已有的空間信息處理流程模型。也 就是說，一個復合的空間服務模型可能只為新空間信息處理流程模型中的部份(稱為子流 程模型)提供參照。語義匹配時，首先進行功能的語義匹配，從已保存的復合的空間服務模 型中挑選與新空間信息處理流程模型中子流程模型功能上語義匹配的構成候選流程模型 集合，這樣可以初步降低候選復合的空間服務模型數量。然后再對候選流程模型集合中復 合的空間服務模型與新空間信息處理流程模型中子流程模型進行輸入輸出的語義匹配，結 果即為實現子流程模型的一組原子的空間服務模型，從而實現分解細化。通過對新空間信 息處理流程模型中的所有子流程模型進行分解細化，綜合分解細化結果得到實現頂層的新 空間信息處理流程模型的一組原子的空間服務模型。分解過程中匹配可使用過程模板。過 程模板根據空間信息處理服務的數據語義和功能語義定義。一個過程模板可以定義為一個 三元組(F，I，0)，其中F代表過程的功能語義描述，I是過程的輸入語義描述集合，0是過程 的輸出語義描述集合。若已有的空間信息處理流程模型是利用本發明所提供技術方案生成，可以直接作 為一類空間服務模型，用于組合實現新的空間信息處理流程模型。但考慮到可能有些已有 的空間信息處理流程模型采用其它的途徑構建，例如專家自己編輯處理流程腳本表達，即 已有的空間信息處理流程模型不是步驟三所得結果時，需要考慮與本發明所提供技術方案 生成的空間信息處理流程模型的表達一致性問題。本發明技術方案所采用OWL-S中的復 合流程(Composite Process)本體可以用來表達空間信息處理流程模型。一個Composite Process可以定義為一個具有控制流和數據流的有序子流程序列。通過使用已有的復合流 程(Composite Processes)，一個抽象的流程模型可以推理細化為子流程(還有可能進一 步細化)的結構化組合。因此，本發明建議統一基于OWL-S中的控制流和數據流，結合“空 間服務模型”本體(作為OWL-S中的子流程)對已有的空間信息處理流程模型進行語義描 述，然后保存作為一種復合的空間服務模型(作為OWL-S中的復合流程)。對于步驟三所得 用戶基于組合得到的空間信息處理流程模型，計算機在后臺自動將用戶設定的本體間關聯 轉化為基于OWL-S中的控制流和數據流的語義描述即可。對于其它途徑所得已有的空間信 息處理流程模型，需要重新基于OWL-S中的控制流和數據流，結合“空間服務模型”本體對 其它途徑得到的已有空間信息處理流程模型進行語義描述，然后保存作為一種復合的空間 服務模型。本發明的以上方法技術方案可以采用計算機軟件技術實現，也可以采用裝置形式 實現，為便于實施參考，本發明提供空間信息處理服務組合系統參見圖1，該系統支持對已 有的空間信息處理流程模型進行利用空間信息處理服務組合系統中包括知識庫、注冊中心和模型設計客戶端，所述知識庫用于建立“空間數據類型”本體、“空間服務類型”本體和“空間服務模 型”本體并保存，所建立本體注冊到注冊中心；并用于保存已有的管理空間信息處理流程模 型(保存為復合的空間服務模型)。
所述注冊中心用于注冊管理知識庫中的“空間數據類型”本體、“空間服務類型” 本體和“空間服務模型”本體，注冊管理知識庫中已有的管理空間信息處理流程模型，并提 供人機交互接口。實施例中，網絡環境下分布式空間信息處理服務和服務鏈作為圖3中的 “服務krvice”對象注冊，并通過“描述describedBy”關聯到相應的“空間服務模型”。注 冊中心提供了一個信息注冊模型，通過本體與信息注冊模型間的映射注冊管理知識庫中的 “空間數據類型”本體、“空間服務類型”本體和“空間服務模型”本體，通過模型與信息注冊 模型間的映射注冊管理知識庫中已有的管理空間信息處理流程模型。所述模型設計客戶端用于登錄注冊中心提供的人機交互接口，在注冊中心支持下 調用知識庫中的“空間數據類型”本體、“空間服務類型”本體和“空間服務模型”本體，支持 用戶組合這些本體生成空間信息處理流程模型(即進行頂層模型設計)；并參照在注冊中 心支持下從知識庫所調用復合的空間服務模型，自動細化空間信息處理流程模型得到實現 該模型的原子的空間服務模型的結構化組合(即進行任務分解)；在注冊中心支持下自動 獲取與原子服務模型匹配的空間信息處理服務，生成服務鏈；所得空間信息處理流程模型 存入知識庫，并和空間信息處理服務鏈一起在注冊中心注冊。具體實施時，知識庫和注冊中心可以采用服務器技術實現，模型設計客戶端可以 采用計算機網絡瀏覽器腳本技術實現。
權利要求
1.一種具有動態性的空間信息處理服務組合方法，其特征是基于流程規劃實現空間 信息處理服務組合，包括以下步驟，步驟一，基于本體描述語言OffL對空間信息處理服務的輸入輸出、功能、前提條件及狀 態改變進行語義描述，建立“空間數據類型”本體和“空間服務類型”本體，基于“空間數據 類型”本體和“空間服務類型”本體建立“空間服務模型”本體；其中空間信息處理服務的輸入輸出的語義描述利用“空間數據類型”本體中的實體類 表達，空間信息處理服務的功能的語義描述利用“空間服務類型”本體中的實體類表達，“空 間服務模型”本體是空間信息處理服務的輸入輸出和功能的組合表達，空間信息處理服務 的前提條件的語義描述為輸入空間數據的元數據要求，空間信息處理服務的狀態改變的語 義描述為輸出空間數據的元數據改變；步驟二，利用注冊中心注冊管理步驟一所得“空間數據類型”本體、“空間服務類型”本 體和“空間服務模型”本體；步驟三，通過開放的人機交互接口，向用戶提供注冊中心已注冊的“空間數據類型”本 體、“空間服務類型”本體和“空間服務模型”本體，返回用戶基于這些本體組合得到的空間 信息處理流程模型；步驟四，為空間信息處理流程模型查找匹配的空間信息處理服務，形成服務鏈。
2.根據權利要求1所述的空間信息處理服務組合方法，其特征是基于網絡服務本體 語言OWL-S中的控制流和數據流，結合“空間服務模型”本體對已有的空間信息處理流程 模型進行語義描述，然后保存作為一個復合的空間服務模型；當步驟三返回用戶新組合得 到的空間信息處理流程模型包括有之前所保存復合的空間服務模型時，步驟四的實現方式 為，通過本體推理和語義匹配細化該空間信息處理流程模型中復合的空間服務模型，得到 原子的空間服務模型的結構化組合，然后利用與各原子的空間服務模型匹配的空間信息處 理服務，形成服務鏈。
全文摘要
本發明提出了一種具有動態性的空間信息處理服務組合方法。這種發明以空間信息處理服務的語義描述為基礎，通過語義匹配能夠更準確地建立空間信息處理服務之間的聯系。通過對目錄登記信息元模型進行語義擴展能夠實現顧及語義的查找，提高查詢的查全率和查準率，并能對已有的空間信息處理流程模型知識進行管理和復用。通過任務分解，將一個高層次的服務模型細化為低層次的有限個服務組合，減少了搜索空間，降低了服務組合的不確定性，有助于降低推理的復雜性。由于這種服務組合方法的動態性和智能性，對于在網絡承載的海量信息環境下，通過智能構建空間信息處理流程，從海量網絡數據中提取用戶所需的信息與知識，具有重要意義。
文檔編號G06F17/30GK102073666SQ200910272890
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月24日 優先權日2009年11月24日
發明者樂鵬, 狄黎平, 龔健雅 申請人:武漢大學