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2006年>
第四期GIS服务和GIS服务链研究
来源：国土资源部信息中心 作者：贾文珏 发布时间：2007.04.18
摘要:随着空间信息技术和网络技术的不断发展，GIS服务和GIS服务链已经成为新一代地理信息系统的发展方向。本文对GIS服务和GIS服务链的定义、研究现状、分类、特点进行了深入研究，指出了GIS服务和GIS服务链对国土资源信息化工作的后示和思考，给出了国土资源GIS服务接口划分原则。
关键词:GIS服务;GIS服务链;OGC Web Service;国土资源信息化
中图分类号:P23 文献标识码:A 文章编号:4481一（2006）04-0033-06
1 引言
空间信息在各领域的厂泛应用以及网络技术的发展，不断推动GIS（地理信息系统)由封闭、紧耦合的单机系统向开放、松耦合的GIS 服务发展，GIS服务已经成为新一代的地理信息系统的发展方向。目前，现有的GIS服务大多只能完成单一任务，如地址查询、地图数据服务(WMS )等，客户所需的功能往往需要组合若干GIS服务才能实现，服务链就是针对GIS服务组合提出的概念。目前对网络GIS服务链的研究大多还处于理论和原型阶段，但(GIS服务链的思想对国土资源洁息化工作有很好的指导意义。本文首先深入研究了GIS服务和GIS服务链的概念、分类、特点、研究现状，然后指出了GIS服务链给国土资源信息化工作带来的启示和思考。
2 GIS服务
2.1 GIS服务的定义
在面向服务构架中，服务是自包含、模块化的软件实体，具有网络可寻址的粗粒度接口，服务的位置对于服务请求者是透明的，可以被功态发现绑定。服务是松散藕合的，强调互操作，可以按照某种方式与组件、应用程序或其它服务组合。
ISO/TC2l1中给出了服务、操作和接口的定义，并给出了者之间的关系(ISO19119):
①服务:由实体通过接曰提供的明确功能;②接口:体现一个实体行为特征的具有名称的操作集;③操作:调用某个对象可实现的转换或查询的描述，操作具有名称和参数列表。
接口的集成形成服务，其目的是为用户提供有价值的功能，接口中操作的集成与接口的定义，目的是为了软件可重用。
GIS服务可以定义为:网络环境下的一组与地理信息相关的软件功能实体，通过接口暴露封装的功能。GIS服务包括GIS数据服务和GIS功能服务，GIS数据服务通过接口向外提供空间数据，GIS功能服务通过接口向外提供空间数据处理功能。
2.2 GIS服务的分类
GIS服务根据服务提供的内容不同，可以划分为GIS数据服务和GIS功能服务、数据服务通过服务接口向外提供空间数据，功能服务通过接口向外提供对空间数据的操作和处理功能，实现空间数据的增值。
GIS功能服务和GIS数据服务一起构成了GIS服务链集成的服务基础。OGG的OWS启动项目中定义的一系列GIS数据服务的接口定义，如WMS、
WFS、WCS,得到GIS业界的广泛认可和采纳，为GIS功能服务接口的定义提供了经验和参考。目前对GIS功能服务接口的研究刚刚起步，尚不成熟,OGG的Web处理服务(Web Processing Service (WPS) Specification)提供了空间数据操作和计算的总体模型，但是没有定义具体的功能服务接口和参数(OGG 05-007 ) 。GIS功能服务是通过网络向外提供GIS处理功能的Web服务，与传统的GIS服务相比，它的数据可以来源于网络，经过功能服务的处理后，将结果数据通过网络发送给用户。因此GIS功能服务的特点是服务处理的数据既可以来自本地数据，也可以来自网络或者其它GIS数据服务。GIS功能服务的处理结果可以通过网络返回给调用的用户或应用服务。分布式GIS功能服务的特点要求其接口定义与现有GIS系统和GIS服务中的功能操作(服务)接口定义不同。
3 GIS服务链
3.1 服务链定义
服务链的概念是在ISO/TC211和OGG联合推出的ISO19119一服务体系结构规范中提出的，服务链的定义为:服务序列，在该序列每个相连的服务对中，第一个服务行为是产生第二个服务行为的必要条件。
3.2 服务链模式分析
在ISO19119中根据用户对服务链的控制能力，将地理信息服务链划分三种类型：透明链、不透明链和半透明链:
①用户自定义(透明)链:用于管理工作流。
②集成服务(不.、透明)链:用户调用一个服务，由该服务去执行服务链，用户不了解单个服务。
③流程管理(半透明)链:用户调用一个用来控制服务链的工作流管理服务，用户了解单个服务。
3.2.1 透明GIS服务链分析
(1)描述
在透明链中，由用户定义和控制服务的执行顺序，对于用户，细节没有被隐藏，完全由用户控制，因此要求用户具有查找和组合服务的知识。用户必须具有发现和评估服务的能力确定执行特定任务所需的服务;用户需要了解每个服务的详细信息，包括服务的输人输出参数、服务的功能以及必须满足的前提条件等；用户必须能够设计一个可执行的有效服务链，单个服务问的输入和输出必须相匹配，如果不匹配，要求用户有能力查找并加入一个中继服务;用户监控透明链的执行，在透明链中的服务在执行中失败的情况下，用户有能力修改服务链。
(2)实现方式
透明链对用户的知识要求最高，技术上实现起来相对简单有两种实现方法，一种是用户直接调用执行，一种是嵌套调用执行。第一种方法要求用户根据知识查找和发现所需服务，确定服务执行顺序，用户依据确定的执行顺序分别调用服务，前面服务执行的结果作为后面服务的输入，用户可以保留中间结果:第二种方法允许用户在服务调用中嵌套对其它服务的调用，服务链首光调用被嵌套的服务(如果被嵌套的服务调用中也包含嵌套调用，以此原则迭代调用)，将返回的结果作为嵌套调用服务的输入参数。
(3)特点
由于透明链对于用户的要求过高，只适合专业用户，不适合于普通用户。即使是专业用户，也需要投入大量时间到服务注册中心查找和发现听需服务，由于用户查找的范围和查找时间有限，不能保证查找到的服务是满足特定任务所需的最佳服务。另外透明链没有对服务流程的描述机制，业务流程和服务的执行混合在一起，不利于服务链的重用。
3.2.2 不透明GIS服务链分析
(l)描述
不透明服务链又叫做集成服务链。在集成服务链中，所有的服务聚集在一起，并以单个聚集服务的形式出现，由聚集服务处那隐藏在其中的所有单个服务的协作问题。用户不知道在聚集服务背后隐藏的一系列服务，集成服务具有绝对控制功能。用户依赖聚集服务来执行预先定义好的服务链。
(2)实现方式
不透明服务链大多是针对特定应用预先定义业务流程和服务链中服务调用的先后次序(Bernard L,2003)。根据业务逻辑与应用逻辑是否分离不透明服务链中的集聚服务有两种实现方法:独立聚集服务实现和基于工作流的集聚服务实现。独立集聚服务不需要将业务逻辑建模，只要根据特定应用要求，查找服务注册中心，选择能够满足应用要求的若干服务， 确定服务调用的顺序，负责将用户的输入转化为对服务的调用请求，按照指定的顺序执行调用，并将服务链执行结果返回给用户。第二种方法:基于工作流的集聚服务实现方法，克服了这个不足。该方法引入了工作流技术，工作流技术最大的优点是实现了应用逻辑和过程逻辑的分离，在逻辑上屏蔽了不同资源的异构性，工作流方式为集聚服务的实现提供了一种灵活的方式。工作流技术的核心组成部分是工作流建模语言和工作流执行引擎。
(3)特点
集聚服务减少了用户工作量，由聚集服务处理所有与服务链执行相关的细节问题，同时也降低了客户端的灵活性以及用户对服务链中的服务的控制能力。集聚服务的设计和实现针对特定的应用要求，用户看不到集聚服务的内部，也不能根据自己的需要改变集聚服务的内容，对于用户来说，集聚服务和简单服务没有差别。集聚服务适合对常用的、经典的应用模式建模，这些应用模式经过大量实践的验证，是类似问题的最好的解决方案。但是集聚服务不能满足用户灵活多变的动态组合服务的要求。
3.2.3 半透明GIS服务链分析
(1)描述
在半透明链模式中，存在一个流程服务，由它控制服务链的执行，用户可以监控链的执行。流程服务可以使用工作流引擎服务实现。用户调用一个用来控制服务链的工作流管理服务用户了解单个服务。ISO19119中指出该模式的一个主要的特征是在用户执行之前，已存在一个预先定义的服务。因此该模式要求用户预先指定工作流程，并将指定的工作流程送入工作流引擎执行，通过工作流管理系统监控工作流中服务的执行，在需要的时候用户可以与工作流中的执行服务进行交互。
(2)实现方式
半透明地理信息服务链利用工作流技术实现、半透明链要求用户顶先定义好服务流程，然后送入工作流引擎解释执行，工作流引擎执行服务链，将结果返回给用户。
(3)特点
半透明链通过工作流技术，可以获得工作流技术带来的业务逻辑与应用逻辑分离的优点，与不透明服务链相比，半透明链还利用了功作流管理系统的监控功能，具有监控工作流中的服务的能力。半透明链通过工作流技术，可以获得工作流技术带来的业务逻辑与应用逻辑分离的优点，与不透明服务链相比，半透明链利用工作流管理系统的监控功能，其有监控工作流中的服务的能力，是三种服务链中最为灵活，功能最强的一种。
半透明链要求用户预先定义工作流程，要求用户掌握工作流的知识，熟悉工作流建模语言，能够使用工作流建模语言构建满足需要的业务流程。这对于希望通过组合地理信息Web服务来使用空间信息的广大普通用户，要求较高。
3.2.4 三种服务链比较分析
服务链的类型是根据用户对服务链的控制能力不同而划分，但是无沦是透明链还是半透明链，都必须预先定义服务链业务流程，对用户的知识要求高。实现动态的GIS服务的集成，必须要解决如下几个问题:
（1)GIS服务的功态发现和选择;
(2)业务流程的动态组合;
(3)业务流程的自动执行与服务监控
GIS服务的动态发现要求能够根据用户的要求和喜好自动查找服务注册中心(UDDI)，选择所需服务，这个过程不需要用户干预或较少干预，由程序自动完成。动态Web服务发现替代了用户查找服务注册中心的方式，节省了用户的大量时间。而且由程序查找比用户自己查找的范围更广泛，结果更准确、在上述分析的透明链、不透明链和半透明链中都需要用户亲自查找选择服务(不透明服务链中由集聚服务的开发者查找选择服务)，都不能实现动态服务的自动发现(见表1)。不能实现动态服务发现和选择的根本原因不是服务链的实现形式差异，而是现有的服务注册中心(UDDI)是一种面向用户的信息发布和查找平台，这种平台提供的信息是供人阅读和理解的，是计算机不能理解，因此在现有UDDI的基础设施上不能实现动态服务发现和组合，需要对UDDI进行语义的扩展，通过一种计算机可以理解的方式描述和发布服务信急。
与其它Web技术相比，Web服务技术是面向服务间自动交互的，而不是面向人机交互。在现有的Web服务体系结构中，对于服务接口的标准描述( WSDL )以及基于XML的标准的传输协议SOAP是服务自动执行的有力保障。因此，Web服务技术保证了服务具有自动执行的能力。
业务流程的自动执行与服务执行监控取决于服务链的种类，对于透明链，如果实现时采用用户直接调用执行方式，由用户完全控制服务链中服务的运行顺序和服务的状态，对于业务流程来说不是自动执行的;如果使用嵌套调用方式，则业务流程被认为是自功执行的。对于不透明工作链，业务流程隐含在集聚服务中，集聚服务的执行过程就是业务流程的自动执行过程，但是集聚服务内部服务的执行状态对用户是不透明的，因此用户没有对服务的监控能力。对于半透明链，由工作流管理系统实现服务业务流程的自功执行和服务运行监控，充分利用了工作流技术的优势。
4 GIS服务链给国土资源信息化带来的启示
4.1 启示
我国海员的国土资源基础信息数据库和应用系统由于建立的时间不同，数据获取渠道不同，支撑软件平台多样，数据形式差异，具有显著的异质异构等特点，无法直接进行应用系统之间的数据共享和互联互通。随着国土资源信息化的全面展开和现代信息社会的发展数据共享和互操作的呼声越来越高。GIS服务和GIS服务链为国土资源数据共亨和应用系统之间的互操作提供了新的解决思路和手段。通过开放标准的空间数据服务接口，可以共享国土资源数据库，使之为国家宏观决策、国土资源业务管理以及社会公共服务提供数据支持，同时，利用空间数据功能服务接口，开放应用系统核心功能，减少数据孤岛，打破系统间的壁垒，使各应用系统能够互联协作完成特定任务，充分利用已有系统资源，减少重复开发工作。
4.2 国土资源GIS服务接口定义原则
对于空间信息功能服务接口定义，目前研究刚刚起步，尚不成熟，OGC的Web处理服务(WPS -Web Processing Service Specification)提供了空间数据操作和计算的总体模型，但是没有定义具体的功能服务接口和参数(OGC 05-007)。在目前国土资源信息系统和平台建设中要具有开放的服务观念，在实际中不断探索和积累国土资源空间信息功能服务接口定义方法，探索具有国土资源行业特色的开放的接口标准。本文提出了以下空间信息功能服务接口定义基本原则。
(1)功能服务与数据松耦合
为了克服GIS功能服务与数据的紧密耦合限制GIS功能服务使用范围的缺点，服务接口定义中，应采用功能服务和数据相剥离的方式，功能服务处理的数据不再内置于服务内部, 而是来自服务接口参数灵话的接口参数使得功能服务处理的数据既可以来自本机，也可以来自网络或是其它数据服务。功能服务与数据的分离使得功能服务足内外界提供特定处理功能的独立服务实体，处理的数据可以由用户指定，也可以来自其它数据服务，增大了功能服务的灵活性和使用范围。
(2)功能服务接口空间数据参数尽量采用的GML。
GIS功能和服务数据的分离，要求功能服务处理的数据能够通过功能服务接口参数传递、由于分布式GIS功能服务部署在网络上，所需的处理数据通过网络传输，因此需要一种能够满足分布式异构网络环境下的空间数据的编码和交换格式，为功能服务提供处理数据将服务请求和响应规范化为基于XML文档的形式，取代服务清求者和服务提供者之间传递的数据对象和函数，提高GIS Web服务的交流和实现的跨平台性。XML的描述方法公开封装在而向对象技术中的隐藏信息,同时又隐藏了实现细节开发过程的简化将产生更加可靠的服务，并且这些服务具备科能化集成到分布式计算系统中的能力。OGC推出的GML是基于XML的地理信息传输和交换的编码方式，具有跨平台、跨语言的特点，因此，在GIS功能服务接口定义中，数据应尽献参数采用XML编码方式，具有天然的跨平台能力，可以屏蔽数据服务内部的平台异构和格式异构。GML的推出，解决了由于没有统一网络交换编码而造成的功能与数据内部紧耦合以及由于数据格式不同而造成的功能服务之间的封闭。GML采用ASCⅡ码表示，使用标鉴描述数据的语义，与二进制GIS数据格式相比，GML表示的空间数据文件较大，在网络上传输耗费时间较多。但GML文件压缩比较大，目前国内外对GML文档的压缩及索引的研究工作已经开始展开。GML在3.0版本推出后，其几何模型进行了大量扩展，较之1.0和2.0发生了较大变化，表达能力得到了很大提高，但是也增加了复杂性，不如 1.0和2.O版本简洁，同时1.O和2.0中有些标记也不再被支持，因此GML不同版本的GML文档解析工作存在一些问题。
（3)功能服务的划分粒度-面向大众和网络的粗粒度变划分
服务的粒度越高,服务的抽象程度越高，服务接口越贴近用户，易于用户理解和使用;服务的粒度越细，服务的越具体，服务接口越贴近底层系统组件，不易于用户理解和使用。对于专业用户，粒度小拥有更多的灵活性。对于普通用户，由于具备的专业知识较少，因此，比较适合粒度大的服务。专业用户可以利用专业知识，将粒度小的服务组合成实现特定功能的服务链模板，供普通用户使用。普通用户可以将专业用户组成的服务模板看成一个集聚服务，不必关心其内部结构。功能服务粒度划分另外一个不得不考虑的问题是网络速度和运行效率。与单机系统不同，运行在网络上的GIS服务需要较多的网络传输时间，必须要面对网络不稳定等多种网络异常，因此，网络GIS服务的粒度划分不宜过细，否则造成服务链的流程过于复杂，服务调用中出现错误的风险大大增加。
5 结束语
GIS服务和GIS服务链是GIS、网络技术、工作流技术不断发展的产物，为网络空间信息共享和互操作提供了新的手段，已经成为新一代地理信息系统的发展方向。GIS服务和GIS服务链为国土资源信息共享提供了新的理论和方法，在国土资源信息化建设中，应借鉴和利用GIS服务和服务链的思想，大力提升国土资源信息共享的能力。
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Research of GIS Service and GIS Service Chain
Jia Wenjue
Infornmtion Center. Ministry of land and Resources, Beijing 100812
Abstract: with the development of geospatial information technology and Internet.GIS service chain are becoming the new reaesrch focus on next generation Geospatial Information System. Based on the analysis of the definition. research status
category and characteristics of GIS service and GIS service chain, this paper point out the illumination for the work of land and resources informatization and introduce the interface definition principles of the GIS services for land and resources.
Keywords: GIS Service; GIS Service Chain;OGC Web Service;Land and Resources in informatization
