对地观测传感网信息服务模型与方法

对地观测传感网 (Earth Observation Sensor Web) 就是执行地球观测任务的集成化观测网，又可称为 (地理) 空间传感网 (Geo Spatial Sensor Web)，它是对地观测传感器与传感器网络与互联网结合的信息系统。对地观测传感网的发展与全球对地观测集成系统(GEOSS——Global Earth Observing System of Systems) 以及美国国家科学基金会 (Na-tional Science Foundation，NSF) 资助建立的国家级电子基础设施计划 (Cyber Infrastruc-ture，CI) 密切相关。

GEOSS的十年执行计划目标是准备在现有的对地观测基础框架上建立的分布式系统，该体系结构模型将在现有系统基础上逐步建立一套由分布式系统构成的系统，每个系统将包括一个观测组件，一个数据处理和存档组件以及一个数据交换和分发组件。CI则提出了一种宽广的整合性技术以支持逐渐复杂的大尺度合作性科学议题，它支持先进的、基于因特网的数据获取、存储、管理、集成、挖掘、可视化以及其他计算和信息处理服务。在科学应用上，CI是一种有效的技术解决方案，可以将数据、计算机和人三者结合起来，从而获得先进的科学理论和知识。同时，CI也包括了计算机操作、设备维护、软件开发、标准和规范制定，以及提供安全和用户支持等其他关键服务的技术人员和组织机构。

在这两大背景下发展起来的对地观测传感网，其目标就是利用传感网这种新数据采集、查询、处理方法和系统来进行基于应用和科学目的的环境事件的地球感知，从而促进基于空间的地球科学研究和应用。它具有传感网的所有特性，所有的传感器资源都是以Web为中心的，无论是现实的传感器还是以传感器标准接口提供数据和信息的数据系统或仿真模型，都可以成为网络上可访问的真实传感器或虚拟传感器。所有的地球观测数据和信息资源都可以统一在Web服务架构下，所有的传感器都可以通过标准服务接口进行访问。因此，对地观测传感网可以极大提高地球观测资源的使用性、互操作性、灵活性以及共享性。

对地观测传感网不仅仅包括可网络获取的传感器和无线通信基础设施，还包括构筑在两者基础之上的面向领域的各种应用。对地观测传感网从下至上分为如图1-10所示的3层: 传感器层、通信层，以及信息层。

图1-10 对地观测传感网层次结构

传感器层是对地观测传感网的基础。该层包括各种类型的传感器。这些异构传感器可以部署于任意空间位置，通过与物理世界观测对象之间的各种交互来采集所需的观测数据。目前，已经有多于100种物理、化学和生物属性可以通过地球观测传感器进行观测。

通信层控制着数据或命令在传感器层内部和信息层内部以及两层之间的传输。它应该包括各种媒介、协议、拓扑关系等。该层可以是因特网、卫星、手机或基于无线通信的网络等。该层配置受特定空间环境研究的需要和限制的影响。

信息层是对地观测传感网的核心，它通过各种基于标准接口的Web服务来存储、分发、交换、管理、显示和分析各种感知资源，感知资源包括传感器，传感器位置，传感器实时、近实时或存档测量，对传感器的命令和控制，以及与用户应用相关的传感器测量和其他信息科学模型。传感网的信息层随数据传输和访问命令、数据使用和数据用户的不同而存在巨大差异性和多样性。互操作性是传感网信息层的关键。用户应该可以无缝访问和使用传感网异构感知资源，支持不同来源的数据进行合并和整合。这三层密切相关，由下至上共同构成了对地观测传感网。

我们认为，对地观测传感网 (Earth Observation Sensor Webs) 是一体化全球对地观测集成系统 (GEOSS) 的核心，体现了智慧地球 (Smart Planet) 的理念，它具有全面的事件感知能力、强大的协同观测能力、高效的数据处理能力和智能的决策支持能力，具有以下三大内涵。

(1) 从系统科学角度出发，它是集成化的协同感知网 (Sensing Web)。对地观测传感网将各种传感器资源组成对地观测传感网，可以形成一个自组织的动态协同观测系统，每个传感器节点都具有独立的事件感知和观测能力，为了某种观测目标，所有节点又可以动态地整合起来作为一个整体，形成全局观测系统，有效地解决目前观测平台间传感器、数据、信息不能互补的瓶颈问题，实现自主的、任务可定制的、动态适应并可重新配置的观测系统。它作为一种新型观测模式能够动态组织多种观测资源，隔离具体观测平台、地面处理系统和决策支持系统之间的紧密依赖关系，实现灵性的可伸缩观测系统架构，从而灵活构建满足多种应用需求的观测网络环境，提高观测资源的使用效率，发挥观测资源的聚焦效能，并为用户提供个性化和普适化的观测资源使用环境。

(2) 从计算角度而言，它是网络化的服务网 (Service Web)。传感网目前的定义虽然比以往更强调以网络为中心，并包含了传感数据和信息，但是并没有包括虚拟的传感器。而从计算角度看，虚拟传感器和真实存在的物理传感器并没有任何差别。因此，从计算角度出发，根据面向服务的构架和Web服务环境，传感网可以定义为“一组遵循特定传感器行为和接口规范的互操作的Web服务”。从这个意义上，任何包含算法或仿真模型的Web服务都可以成为传感网里的一个传感器，只要这个Web服务遵循了标准规范接口和操作。这样的传感器可以称为虚拟传感器。并且从这个定义角度出发，我们可以根据遵循的规范来划分不同的传感网。例如，遵循了OGC SWE规范的可以被称为OGC传感网，而遵循了IEEE规范的则被称为IEEE传感网。根据这种定义，所有Web服务的特性对于互联网使能的传感器都适用，例如动态性、灵活性、即插即用、自描述和可扩展等。同时，该定义表明每个互联网使能的传感器产生的数据和信息都是可以共享的，并且传感网服务也是可以进行相互链接的。

(3) 从应用角度而言，它是可互操作的模型网 (Model Web)。对地观测传感网可以认为是沟通“异构传感器系统”、“模型与仿真”和“决策支持系统”之间的桥梁，它能提供传感器、观测和模型的标准化描述，为多粒度、不对称、高动态复杂网络环境下多用户任务和可变传感器资源提供一致性理解，为综合定量应用模型的建立与精化、应用模型驱动与优化观测奠定基础。(www.xing528.com)

从以上对地观测传感网的描述，可以看出对地观测传感网定义随着人们认识的深入以及应用范围的扩展而不断进化。目前对地观测传感网定义都开始明确以万维网为中心，其特征包含了以下八个方面:

(1) 网络传感器类型多样化。随着传感器技术的发展，目前出现的传感器类型多种多样，无论是空中的远程传感器 (如卫星、太空船、无人机等)，位于地面的各种原位传感器 (如温度传感器、湿度传感器、摄像头等)，还是水下传感器; 无论是真实存在的各种传感器还是各种具有传感器行为的计算机仿真系统等虚拟传感器等，都可以通过万维网进行访问。

(2) 传感网资源具有共享性。对地观测传感网是一个分布式的开放式系统，支持各种服务和资源共享。

(3) 传感网服务具有互操作性。通过各种标准化行为和接口可以对Web上各种传感器资源 (数据、模型、分析) 和服务进行共享性访问。数据和信息的无缝传输，应用的相互调用，有助于完成逻辑上统一的任务。传感网的一个节点可以与其他传感网节点交换信息并进行交互。这包括: 在传感网内整合地面和空间装置并实现这些装置之间的实时交互。此外，传感网也是Internet的一部分，支持实时信息查询。这要求传感网支持以数据为中心的路由和内部网络处理。

(4) 传感网具有动态实时性。传感网可以通过动态的任务定制来请求访问目标观测，能够实时获取数据和信息服务。这改变了过去空间观测数据的静态性特点，尤其适合与一些与时间紧密相关的事件观测。例如，对于森林火灾、海啸地震等具有时间连续性的灾害性事件跟踪观测。

(5) 传感网具有自治性。具有通过自治性操作和动态的重配置进行适应性反馈的能力。传感网不仅可以接受外部人类用户的命令和配置，而且自身具有自治性特点。当传感器节点失效、增加、或链接可靠性发生变化时，可以根据情况不断动态调整操作行为和传感器节点配置从而促使观测满足需求。

(6) 传感网具有可扩展性。每个传感器节点都是一个相对独立的小系统，但又可以通过各种标准接口进行整合，成为一个更大的系统，发挥更大的功能以共同实现特定的观测需求，并且能够容纳以后新出现的具有一致标准接口的传感器节点，从而进一步扩大传感网。

(7) 传感网具有灵活性。首先，每个传感器的空间部署位置十分灵活。各种真实或虚拟的传感器可以根据观测的需求灵活的部署于任意空间，这使得观测覆盖范围较之以前大大增加，极大拓展了人类的空间访问能力，尤其是一些以前人类难以到达的地点。其次，每个传感器节点都具有即插即用性，整个传感网中可以根据用户需求调整传感器节点间的不同组合以完成不同的任务。

(8) 传感网系统具有智能性。它可以根据当前网络状况、环境状况以及科学目标等任务需要不断优化网络拓扑、网络带宽、电能消耗、数据优先性等资源的使用。这是传感网与一般的数据采集系统最重要的区别: 传感网不仅仅具有采集数据的功能，其采集的数据是应基于用户需求的，甚至是根据需求进行处理后的数据。因此，其智能性体现为: ①基于对各种现状 (网络状况、环境状况等) 的充分了解，优化资源配置; ②根据预先定义的任务需要和科学目标优化数据流; ③通过网络内部的处理产生满足用户需要的答案而不是简单返回原始观测数据。

总而言之，对地观测传感网可以更加充分合理地利用观测资源，满足日益多样的观测需求，使人们能够透明、高效、可定制地使用观测资源，从而真正实现网络环境下多传感器资源的动态管理、事件智能感知、多平台系统耦合、和空间信息实时服务，从已有的地球空间信息 (4A—Anytime，Anywhere，Anything and Anyone) 服务转变为灵性 (4R—Right Time，Right Information，Right Place and Right Person) 服务。