基于OGC SOS標準的多傳感器觀測數據共享方法研究*

苗立志，黃潤汕，周亞，焦東來，2

（1.南京郵電大學地理與生物信息學院，南京210023；2.南京郵電大學泛在網絡健康服務系統(tǒng)教育部工程研究中心，南京210023；3.南京郵電大學通信與信息工程學院，南京210023）

基于OGC SOS標準的多傳感器觀測數據共享方法研究*

苗立志1，2*，黃潤汕1，周亞3，焦東來1，2

（1.南京郵電大學地理與生物信息學院，南京210023；2.南京郵電大學泛在網絡健康服務系統(tǒng)教育部工程研究中心，南京210023；3.南京郵電大學通信與信息工程學院，南京210023）

針對傳感器網絡之間缺乏互操作性和互通性等問題，構建了傳感器觀測服務的共享數據模型，建立了傳感器觀測數據共享數據庫，基于OGC SOS標準規(guī)范，提出了傳感器觀測數據共享框架，部署了三層網絡模型的SOS服務器，屏蔽了傳感器網絡、信息交換方式和通信格式的異構性問題，實現了對多傳感器間觀測數據的互操作與共享的支持，并以不同傳感器的不同觀測屬性的數據為例進行了實驗，實驗表明本文的共享方法能夠實現傳感器觀測數據的共享與集成應用。

傳感器網絡；數據共享；傳感器觀測服務；空間數據互操作

隨著物聯網的興起，傳感器網絡技術業(yè)已成為國際相關研究的熱點。美國宇航局于2001年提出了傳感網（Sensor Web）的概念，認為傳感網是一個由可相互通信的、空間分布的、用于監(jiān)控和探測新環(huán)境的傳感器節(jié)點組成的系統(tǒng)［1］。在美國地質調查局2006年規(guī)劃的今后10年的6大重點科學發(fā)展方向及3大技術中，也指出必須采納的技術其中之一就是基于遙感與傳感器網絡的環(huán)境感知技術［2］。隨著傳感器網絡在地學領域應用研究的逐步深入，越來越多的傳感器用于對地理信息觀測數據的采集。目前，在國際上一些領域組織和研究者相繼針對傳感網展開了一系列的研究，如開放地理空間聯合會（Open Geo?spatial Consortiums：OGC）作為地理空間信息共享領域的倡導者，開展了傳感網啟動項目（Sensor Web Enablement：SWE）［3］，其體系結構能夠通過通用的接口和編碼創(chuàng)建網絡可訪問的傳感器，為集成由網絡連接起來的傳感器和傳感器系統(tǒng)提供了可能［4］。

目前許多研究者針對傳感器應用與采集信息發(fā)布方面開展了諸多研究，例如：Moodley等在分析了OGC SWE啟動項目所存在的不足之后，基于該項目和多代理系統(tǒng)，提出了一個傳感網代理平臺框架，該框架是一個三層的體系結構，包括傳感器層、知識層和決策層?；谠摽蚣?，開發(fā)了一個高級火災信息系統(tǒng)原型，來準實時的基于衛(wèi)星進行火情信息的監(jiān)測［5］。近幾年來，我國也制定了諸多措施來推動傳感網的發(fā)展，例如：龔健雅等［6］在地理空間服務網中，將傳感網服務平臺作為整個體系結構的一個層，專門用來對各種各樣的傳感器進行注冊、計劃和監(jiān)控，如衛(wèi)星、飛機等，這充分說明了在地理空間服務網中，傳感網是一個非常重要的組成部分；陳能成等［7］基于NASA所提供的EO-1 SWE測試項目，建立了傳感器觀測服務注冊原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現從海量的EO-1歷史高光譜觀測數據中進行快速管理和搜索；Shen等［8］將傳感網用于網絡GIS中，將其作為系統(tǒng)的數據源，提出了面向傳感網的Web地理信息系統(tǒng)分布式體系結構，包括傳感網層、網絡地理信息系統(tǒng)層和客戶端層，并將該體系結構用于汶川震后堰塞湖水位的實時監(jiān)測；蔣永國［9］基于Sensor Web研究了面向海洋觀測數據集成的海洋傳感網原型系統(tǒng)的構建方法。另外，在洪水監(jiān)測［10］、水庫大壩安全監(jiān)測［11］、土壤碳通量測定［12］、城市噪聲監(jiān)測［13］以及社區(qū)衛(wèi)生保健監(jiān)護［14］等方面也有相關傳感器應用的研究，這些應用都將產生大量的傳感器數據。然而，上述傳感器數據只能通過其系統(tǒng)的專門應用進行訪問和獲取。目前大多數地學傳感系統(tǒng)不是領域專門應用就是僅僅為了數據采集目的，并不能幫助普通的終端用戶使用大量的、日益增長的傳感器地學觀測數據。為了實現地球觀測衛(wèi)星采集數據的準確查找，以促進衛(wèi)星數據的共享與重用，CHEN和Hu等人［10，15，16］提出了傳感器觀觀測數據元數據模型，該模型主要面向地球觀測衛(wèi)星傳感器數據。

從2003年起，開放地理空間聯盟（OGC：Open Geospatial Consortium）和國際標準化組織地理信息工作組（ISO/TC211）一直致力于推廣傳感網（Sensor Web）［17］，并制定了一些有關傳感器、傳感器網絡的標準和執(zhí)行規(guī)范，開展了相關的傳感網啟動項目，有關傳感網標準和規(guī)范的實現、執(zhí)行皆依賴于此。最新的傳感網框架共包含2個信息模型和2個服務實現規(guī)范：觀測與測量（O&M）［18］、傳感器模型語言（SensorML）［19］和傳感器觀測服務（SOS）［20］、傳感器規(guī)劃服務（SPS）［21］、。這些規(guī)范描述了應用程序和服務如何能夠通過Web來訪問所有類型的傳感器，因此，將上述信息模型和服務實現規(guī)范協同在一起，通過Web可以發(fā)現訪問、控制接入Internet的傳感器資源，實現傳感器資源的訪問與共享［20］。

圖1中是原位傳感器網絡的一般類型，已經部署好的各種類型的傳感器組成了一個小網絡，小網絡之間進行組合可以成為一個大網絡，并通過某些服務使得這些傳感器的數據得到應用。無論是從靜態(tài)傳感器（如水質傳感器）或動態(tài)傳感器（如遙感衛(wèi)星），由傳感器組成的觀測系統(tǒng)為地球空間系統(tǒng)貢獻了大量的地理空間數據。然而，傳感器網絡之間缺乏互操作性和互通性，特定的傳感器網絡或服務系統(tǒng)只能被特定的應用程序/客戶端訪問，導致傳感器數據之間不能互相訪問。由于傳感器網絡的異構性、信息交換方式和通信格式各不相同，要實現一種通用且高效靈活的傳感器觀測數據獲取服務異常困難［22］。

圖1 原位傳感器網絡一般類型［23］

依據OGC O&M規(guī)范的基本觀測模型，本文構建了傳感器觀測服務的數據模型，建立了傳感器觀測數據共享數據庫，基于OGC SOS標準規(guī)范，部署了三層網絡模型的SOS服務器，屏蔽了傳感器網絡、信息交換方式和通信格式的異構性問題，使其支持多傳感器間觀測數據的互操作與共享。

1 傳感器觀測服務

SOS（Sensor Observation Service，傳感器觀測服務）是OGC于2007年推出的關于傳感器的規(guī)范之一，是構成OGC傳感器網絡標準的一部分，被定義為發(fā)現和實時檢索固定或移動的遠程傳感器接口，目的是提供一種標準的方式實現對遙感、現場監(jiān)測、固定或移動等所有傳感器系統(tǒng)的信息獲取。具體而言，SOS提供了管理部署的傳感器和傳感器獲取的數據的API，主要包括四個方面的操作：核心操作（GetCapabilities、DescribeSenseor、GetObservation）、增強操作擴展（GetObservationByID、GetFeatureOfIn?terest）、事務擴展（InsertSensor、DeleteSensor、InsertO?bservation）和結果處理擴展（InsertResult、InsertRe?sultTemplate、GetResultTemplate和GetResult）。

SOS可提供大范圍的傳感器互操作觀測，能夠實時控制單個傳感器、傳感器平臺和傳感器網絡，在實現傳感器的管理和傳感器觀測數據獲取的同時，通過三個核心操作實現觀測數據的互操作與共享，解決因傳感器種類繁多而彼此之間數據兼容性差的問題。其中，GetCapabilities操作提供了訪問SOS服務元數據的方法；DescribeSenseor從傳感器觀測服務中獲得使用SensorML或TML編碼的傳感器特征的詳細描述信息；GetObservation操作提供了訪問傳感器觀測服務以及通過基于時空查詢進行過濾的測量數據，其響應可為O&M觀測、一個觀測集中的元素或一個觀測集［17］。

2 多傳感器觀測數據共享

2.1 數據庫組織

對于傳感器觀測數據來說，一般包括五個部分的內容：時間、地點、傳感器、觀測屬性和觀測值。依據圖2中O&M規(guī)范的基本觀測模型［18，24］，為實現多傳感器間觀測數據的共享，傳感器觀測服務的數據模型E-R圖，如圖3所示。

圖2 O&M基本觀測模型的UML對象圖

圖3 SOS數據模型ER圖

整個數據模型共包括feature_of_interest、foi_off、proc_foi、observation、quality、offering、phen_off、com?posite_phenomenon、com_phen_off table、phenome? non、proc_phen、proc_off、request_phenomenon、re?quest、observation_template等15個表組成，其分別作用如表1所示。

表1 SOS數據存儲模型表

2.2 SOS數據共享框架體系結構

為實現多傳感器間觀測數據的共享與互操作，基于OGC SOS標準，構建了多傳感器觀測數據共享框架體系結構及其工作流程，如圖4所示。整個體系結構共分為4層：①用戶交互層，也可稱為客戶端層，是該體系結構與用戶交互的部分，主要用于用戶構建符合OGC SOS標準的特定查詢條件，可以選擇在共享系統(tǒng)注冊的傳感器服務器、觀測站點、傳感器ID以及觀測屬性等一系列信息，包括觀測數據時間段、空間范圍等條件。完成發(fā)送諸如GetCapa?bilities、DescribeSenseor、GetObservation等HTTP觀測數據請求，以及對返回傳感器數據集結果的文本顯示，同時用戶能夠通過數據庫操作模塊交互添加數據庫中沒有的觀測數據源，不斷豐富該體系的傳感器觀測數據源。②網絡服務器層是相關網絡信息的承載部分，負責接收來自用戶交互層的傳感器觀測數據相關的HTTP請求，并將其傳輸至應用服務器層。③應用服務器層，也可稱為事物邏輯層，是該體系結構的核心部分，主要負責完成對客戶端GetCapabilities、DescribeSenseor、GetObservation等HTTP觀測數據請求片段的合法性校驗，該校驗依據OGC SOS標準的模式文件等，請求合法性得到驗證后將發(fā)送至適合的操作監(jiān)聽模塊，通過相關操作的解析模塊完成對請求的解析。而，響應編碼模塊是為了實現對傳感器觀測數據響應結果依據OGC Sensor ML規(guī)范進行重新編碼，返回至客戶端。④數據層，是該體系結構的基礎層，它存儲了所有傳感器的觀測數據，將對接收的各種SOS服務請求操作做出響應。其中，網絡服務器、應用服務器和數據庫三部分組成了一個完整的OGC SOS服務器系統(tǒng)，可以支持來自網絡的任意SOS數據請求，無需使用任何客戶端軟件，僅需網絡瀏覽器即可實現傳感器觀測數據獲取，從而實現多源異質傳感器觀測數據的共享與互操作。

圖4 多傳感器觀測數據共享框架

3 實例驗證

3.1 原型系統(tǒng)

基于上述體系結構，開發(fā)了傳感器觀測數據共享原型系統(tǒng)，如圖5所示。在該系統(tǒng)中，用戶可以通過對所需觀測數據的元數據信息設置過濾條件，包括提供觀測數據共享的SOS服務器、觀測站點、傳感器、位置信息、時間信息和屬性信息等。獲取其對應的CSW（Catalog Service for the Web：網絡目錄服務）記錄，再根據CSW與OGC SOS的有機無縫集成，實現對地理信息數據OGC SOS服務的獲取。以實現對來自不同SOS服務器的不同傳感器觀測數據之間的共享與集成應用，并可將多種傳感器觀測數據進行相關性分析，如表2所示，r（10）=0.97，p=0＜0.05，海水導電性和海水鹽度值之間存在顯著的正相關關系。對于同一站點同一傳感器的不同屬性數據的互操作分析，圖6、圖7分別是美國阿拉巴馬州的莫比爾縣海面上的某個點（41.5868°N，71.411°W）在2014-06-19日00：00：00至00：54：00時間段的海水鹽度變化和導電性動態(tài)變化圖，由圖中曲線可以看出：隨著海水鹽度的降低，其導電性也會降低，反之亦然，驗證了表2中二者存在的正相關關系，且符合物理現象規(guī)律。

圖5 傳感器觀測數據共享原型系統(tǒng)

圖6 海水鹽度值動態(tài)變化圖

圖7 海水導電性動態(tài)變化圖

表2 海水導電性與鹽度值相關性分析

為驗證不同站點不同傳感器屬性數據間的互操作，選取了美國布法羅城兩個不同觀測站點的數據：NY-Station ID：9063020站點（42.8774°N，78.8905°W）和Buffalo，Greater Buffalo International Airportstation_id：KBUF 站 點（42.93998°N，78.73604°W），前一個站點觀測空氣溫度，后一個站點觀測大氣壓，請求2015-06-03日00：54：00至23：54：00時間段的空氣溫度和大氣壓傳感器觀測數據，對兩組數據進行相關性分析如表3所示，其中r（24）=-0.82，p=0＜0.05，空氣溫度和大氣壓有較強的負相關關系，其動態(tài)變化圖分別如圖8、圖9所示，由圖中曲線可以看出：隨著溫度的升高，大氣壓降低；反之溫度越低，大氣壓越大。

表3 空氣溫度與大氣壓觀測數據相關性分析

圖8 氣壓變化動態(tài)變化圖

圖9 空氣溫度動態(tài)變化圖

4 小結

隨著物聯網時代的到來和傳感器技術的發(fā)展，傳感器數據將越來越多且具多樣化，傳感器因為其種類繁多而數據兼容性不足的問題日益突出，本文分別應用了不同站點的不同傳感器觀測數據和同一站點的不同傳感器數據兩種具備相關性的屬性數據，基于SOS標準提出了一種傳感器數據互操作與共享應用的方法，構建了傳感器數據共享體系架構，部署構建了一個可發(fā)布傳感器觀測服務的系統(tǒng)，從數據的觀測采集、處理到共享發(fā)布進行了研究實現，為多種傳感器的集成應用和傳感器觀測數據的共享提供了方法參考，為物聯網技術的發(fā)展提供借鑒。

在后續(xù)研究中，我們計劃將構建傳感器客戶端采集數據以共享存儲模式實時傳輸，并存儲至共享數據庫的方法模塊，進一步完善系統(tǒng)的傳感器觀測數據的互操作與共享應用。

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苗立志（1981-），男，山東蒼山人，副教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為傳感器觀測數據共享、地理信息共享與空間數據互操作、分布式地理空間信息處理，miaolz@njupt.edu.cn；

黃潤汕（1991-），男，廣東揭陽人，南京郵電大學地理與生物信息學院本科生，主要研究方向為傳感器觀測數據共享；

周 亞（1990-），男，江蘇鹽城人，南京郵電大學通信與信息工程學院碩士研究生，主要研究方向為分布式地理空間信息處理，zhouynupt@qq.com；

焦東來（1977-）男，河北安國人，博士，副教授，碩士生導師。主要研究方向為地理信息共享與互操作、地圖符號及可視化、嵌入式系統(tǒng)空間信息可視化研究，jiaodonglai@njupt.edu.cn。

An Optimized Framework to Support Multi-Sensors Observation Data Sharing Based on OGC SOS*

MIAO Lizhi1，2*，HUANG Runshan1，ZHOU Ya3，JIAO Donglai1，2
（1.College of Geographical and Biological Information，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China；2.Engineering Research Center of Ubiquitous Network Health Service System of Ministry of Education，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China；3.College of Telecommunications&Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003）

As sensor web technologies developing，more and more sensor observation data are acquired by various transducers.However，interoperation and intercommunity between sensor networks cannot be achieved because of the heterogeneity of network and communication formats.So，how to improve the observation data utilization be?comes a challenge.Focusing on the interoperation and sharing of distributed sensor observation data resources，a da?ta model of sensor observation service is constructed and sensor observation data sharing database is also built to store the sensor observation data.Furthermore，a three-layer network model of SOS server is proposed and devel?oped to address the issues of sensor networks heterogeneity by describing the information interchange and communi?cation formats based on OGC SOS standards specification.This framework implements the observation data interop?eration and sharing between multiply observations properties of diverse sensors.Different observation properties among diverse sensors are used as an example to demonstrate the validity，feasibility of the proposed model and framework.

sensor web；data sharing；sensor observation service；spatial data interoperability

P208；TP212.9

A

1004-1699(2015)10-1545-07

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.10.022

項目來源：國家自然科學基金項目（41101359，41471329）

2015-03-25 修改日期：2015-07-06