基于OGC SOS标准的多传感器观测数据共享方法研究*

苗立志，黄润汕，周亚，焦东来，2

（1.南京邮电大学地理与生物信息学院，南京210023；2.南京邮电大学泛在网络健康服务系统教育部工程研究中心，南京210023；3.南京邮电大学通信与信息工程学院，南京210023）

基于OGC SOS标准的多传感器观测数据共享方法研究*

苗立志1，2*，黄润汕1，周亚3，焦东来1，2

（1.南京邮电大学地理与生物信息学院，南京210023；2.南京邮电大学泛在网络健康服务系统教育部工程研究中心，南京210023；3.南京邮电大学通信与信息工程学院，南京210023）

针对传感器网络之间缺乏互操作性和互通性等问题，构建了传感器观测服务的共享数据模型，建立了传感器观测数据共享数据库，基于OGC SOS标准规范，提出了传感器观测数据共享框架，部署了三层网络模型的SOS服务器，屏蔽了传感器网络、信息交换方式和通信格式的异构性问题，实现了对多传感器间观测数据的互操作与共享的支持，并以不同传感器的不同观测属性的数据为例进行了实验，实验表明本文的共享方法能够实现传感器观测数据的共享与集成应用。

传感器网络；数据共享；传感器观测服务；空间数据互操作

随着物联网的兴起，传感器网络技术业已成为国际相关研究的热点。美国宇航局于2001年提出了传感网（Sensor Web）的概念，认为传感网是一个由可相互通信的、空间分布的、用于监控和探测新环境的传感器节点组成的系统［1］。在美国地质调查局2006年规划的今后10年的6大重点科学发展方向及3大技术中，也指出必须采纳的技术其中之一就是基于遥感与传感器网络的环境感知技术［2］。随着传感器网络在地学领域应用研究的逐步深入，越来越多的传感器用于对地理信息观测数据的采集。目前，在国际上一些领域组织和研究者相继针对传感网展开了一系列的研究，如开放地理空间联合会（Open Geo⁃spatial Consortiums：OGC）作为地理空间信息共享领域的倡导者，开展了传感网启动项目（Sensor Web Enablement：SWE）［3］，其体系结构能够通过通用的接口和编码创建网络可访问的传感器，为集成由网络连接起来的传感器和传感器系统提供了可能［4］。

目前许多研究者针对传感器应用与采集信息发布方面开展了诸多研究，例如：Moodley等在分析了OGC SWE启动项目所存在的不足之后，基于该项目和多代理系统，提出了一个传感网代理平台框架，该框架是一个三层的体系结构，包括传感器层、知识层和决策层。基于该框架，开发了一个高级火灾信息系统原型，来准实时的基于卫星进行火情信息的监测［5］。近几年来，我国也制定了诸多措施来推动传感网的发展，例如：龚健雅等［6］在地理空间服务网中，将传感网服务平台作为整个体系结构的一个层，专门用来对各种各样的传感器进行注册、计划和监控，如卫星、飞机等，这充分说明了在地理空间服务网中，传感网是一个非常重要的组成部分；陈能成等［7］基于NASA所提供的EO-1 SWE测试项目，建立了传感器观测服务注册原型系统。该系统可以实现从海量的EO-1历史高光谱观测数据中进行快速管理和搜索；Shen等［8］将传感网用于网络GIS中，将其作为系统的数据源，提出了面向传感网的Web地理信息系统分布式体系结构，包括传感网层、网络地理信息系统层和客户端层，并将该体系结构用于汶川震后堰塞湖水位的实时监测；蒋永国［9］基于Sensor Web研究了面向海洋观测数据集成的海洋传感网原型系统的构建方法。另外，在洪水监测［10］、水库大坝安全监测［11］、土壤碳通量测定［12］、城市噪声监测［13］以及社区卫生保健监护［14］等方面也有相关传感器应用的研究，这些应用都将产生大量的传感器数据。然而，上述传感器数据只能通过其系统的专门应用进行访问和获取。目前大多数地学传感系统不是领域专门应用就是仅仅为了数据采集目的，并不能帮助普通的终端用户使用大量的、日益增长的传感器地学观测数据。为了实现地球观测卫星采集数据的准确查找，以促进卫星数据的共享与重用，CHEN和Hu等人［10，15，16］提出了传感器观观测数据元数据模型，该模型主要面向地球观测卫星传感器数据。

从2003年起，开放地理空间联盟（OGC：Open Geospatial Consortium）和国际标准化组织地理信息工作组（ISO/TC211）一直致力于推广传感网（Sensor Web）［17］，并制定了一些有关传感器、传感器网络的标准和执行规范，开展了相关的传感网启动项目，有关传感网标准和规范的实现、执行皆依赖于此。最新的传感网框架共包含2个信息模型和2个服务实现规范：观测与测量（O&M）［18］、传感器模型语言（SensorML）［19］和传感器观测服务（SOS）［20］、传感器规划服务（SPS）［21］、。这些规范描述了应用程序和服务如何能够通过Web来访问所有类型的传感器，因此，将上述信息模型和服务实现规范协同在一起，通过Web可以发现访问、控制接入Internet的传感器资源，实现传感器资源的访问与共享［20］。

图1中是原位传感器网络的一般类型，已经部署好的各种类型的传感器组成了一个小网络，小网络之间进行组合可以成为一个大网络，并通过某些服务使得这些传感器的数据得到应用。无论是从静态传感器（如水质传感器）或动态传感器（如遥感卫星），由传感器组成的观测系统为地球空间系统贡献了大量的地理空间数据。然而，传感器网络之间缺乏互操作性和互通性，特定的传感器网络或服务系统只能被特定的应用程序/客户端访问，导致传感器数据之间不能互相访问。由于传感器网络的异构性、信息交换方式和通信格式各不相同，要实现一种通用且高效灵活的传感器观测数据获取服务异常困难［22］。

图1 原位传感器网络一般类型［23］

依据OGC O&M规范的基本观测模型，本文构建了传感器观测服务的数据模型，建立了传感器观测数据共享数据库，基于OGC SOS标准规范，部署了三层网络模型的SOS服务器，屏蔽了传感器网络、信息交换方式和通信格式的异构性问题，使其支持多传感器间观测数据的互操作与共享。

1 传感器观测服务

SOS（Sensor Observation Service，传感器观测服务）是OGC于2007年推出的关于传感器的规范之一，是构成OGC传感器网络标准的一部分，被定义为发现和实时检索固定或移动的远程传感器接口，目的是提供一种标准的方式实现对遥感、现场监测、固定或移动等所有传感器系统的信息获取。具体而言，SOS提供了管理部署的传感器和传感器获取的数据的API，主要包括四个方面的操作：核心操作（GetCapabilities、DescribeSenseor、GetObservation）、增强操作扩展（GetObservationByID、GetFeatureOfIn⁃terest）、事务扩展（InsertSensor、DeleteSensor、InsertO⁃bservation）和结果处理扩展（InsertResult、InsertRe⁃sultTemplate、GetResultTemplate和GetResult）。

SOS可提供大范围的传感器互操作观测，能够实时控制单个传感器、传感器平台和传感器网络，在实现传感器的管理和传感器观测数据获取的同时，通过三个核心操作实现观测数据的互操作与共享，解决因传感器种类繁多而彼此之间数据兼容性差的问题。其中，GetCapabilities操作提供了访问SOS服务元数据的方法；DescribeSenseor从传感器观测服务中获得使用SensorML或TML编码的传感器特征的详细描述信息；GetObservation操作提供了访问传感器观测服务以及通过基于时空查询进行过滤的测量数据，其响应可为O&M观测、一个观测集中的元素或一个观测集［17］。

2 多传感器观测数据共享

2.1 数据库组织

对于传感器观测数据来说，一般包括五个部分的内容：时间、地点、传感器、观测属性和观测值。依据图2中O&M规范的基本观测模型［18，24］，为实现多传感器间观测数据的共享，传感器观测服务的数据模型E-R图，如图3所示。

图2 O&M基本观测模型的UML对象图

图3 SOS数据模型ER图

整个数据模型共包括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个表组成，其分别作用如表1所示。

表1 SOS数据存储模型表

2.2 SOS数据共享框架体系结构

为实现多传感器间观测数据的共享与互操作，基于OGC SOS标准，构建了多传感器观测数据共享框架体系结构及其工作流程，如图4所示。整个体系结构共分为4层：①用户交互层，也可称为客户端层，是该体系结构与用户交互的部分，主要用于用户构建符合OGC SOS标准的特定查询条件，可以选择在共享系统注册的传感器服务器、观测站点、传感器ID以及观测属性等一系列信息，包括观测数据时间段、空间范围等条件。完成发送诸如GetCapa⁃bilities、DescribeSenseor、GetObservation等HTTP观测数据请求，以及对返回传感器数据集结果的文本显示，同时用户能够通过数据库操作模块交互添加数据库中没有的观测数据源，不断丰富该体系的传感器观测数据源。②网络服务器层是相关网络信息的承载部分，负责接收来自用户交互层的传感器观测数据相关的HTTP请求，并将其传输至应用服务器层。③应用服务器层，也可称为事物逻辑层，是该体系结构的核心部分，主要负责完成对客户端GetCapabilities、DescribeSenseor、GetObservation等HTTP观测数据请求片段的合法性校验，该校验依据OGC SOS标准的模式文件等，请求合法性得到验证后将发送至适合的操作监听模块，通过相关操作的解析模块完成对请求的解析。而，响应编码模块是为了实现对传感器观测数据响应结果依据OGC Sensor ML规范进行重新编码，返回至客户端。④数据层，是该体系结构的基础层，它存储了所有传感器的观测数据，将对接收的各种SOS服务请求操作做出响应。其中，网络服务器、应用服务器和数据库三部分组成了一个完整的OGC SOS服务器系统，可以支持来自网络的任意SOS数据请求，无需使用任何客户端软件，仅需网络浏览器即可实现传感器观测数据获取，从而实现多源异质传感器观测数据的共享与互操作。

图4 多传感器观测数据共享框架

3 实例验证

3.1 原型系统

基于上述体系结构，开发了传感器观测数据共享原型系统，如图5所示。在该系统中，用户可以通过对所需观测数据的元数据信息设置过滤条件，包括提供观测数据共享的SOS服务器、观测站点、传感器、位置信息、时间信息和属性信息等。获取其对应的CSW（Catalog Service for the Web：网络目录服务）记录，再根据CSW与OGC SOS的有机无缝集成，实现对地理信息数据OGC SOS服务的获取。以实现对来自不同SOS服务器的不同传感器观测数据之间的共享与集成应用，并可将多种传感器观测数据进行相关性分析，如表2所示，r（10）=0.97，p=0＜0.05，海水导电性和海水盐度值之间存在显著的正相关关系。对于同一站点同一传感器的不同属性数据的互操作分析，图6、图7分别是美国阿拉巴马州的莫比尔县海面上的某个点（41.5868°N，71.411°W）在2014-06-19日00：00：00至00：54：00时间段的海水盐度变化和导电性动态变化图，由图中曲线可以看出：随着海水盐度的降低，其导电性也会降低，反之亦然，验证了表2中二者存在的正相关关系，且符合物理现象规律。

图5 传感器观测数据共享原型系统

图6 海水盐度值动态变化图

图7 海水导电性动态变化图

表2 海水导电性与盐度值相关性分析

为验证不同站点不同传感器属性数据间的互操作，选取了美国布法罗城两个不同观测站点的数据：NY-Station ID：9063020站点（42.8774°N，78.8905°W）和Buffalo，Greater Buffalo International Airportstation_id：KBUF 站 点（42.93998°N，78.73604°W），前一个站点观测空气温度，后一个站点观测大气压，请求2015-06-03日00：54：00至23：54：00时间段的空气温度和大气压传感器观测数据，对两组数据进行相关性分析如表3所示，其中r（24）=-0.82，p=0＜0.05，空气温度和大气压有较强的负相关关系，其动态变化图分别如图8、图9所示，由图中曲线可以看出：随着温度的升高，大气压降低；反之温度越低，大气压越大。

表3 空气温度与大气压观测数据相关性分析

图8 气压变化动态变化图

图9 空气温度动态变化图

4 小结

随着物联网时代的到来和传感器技术的发展，传感器数据将越来越多且具多样化，传感器因为其种类繁多而数据兼容性不足的问题日益突出，本文分别应用了不同站点的不同传感器观测数据和同一站点的不同传感器数据两种具备相关性的属性数据，基于SOS标准提出了一种传感器数据互操作与共享应用的方法，构建了传感器数据共享体系架构，部署构建了一个可发布传感器观测服务的系统，从数据的观测采集、处理到共享发布进行了研究实现，为多种传感器的集成应用和传感器观测数据的共享提供了方法参考，为物联网技术的发展提供借鉴。

在后续研究中，我们计划将构建传感器客户端采集数据以共享存储模式实时传输，并存储至共享数据库的方法模块，进一步完善系统的传感器观测数据的互操作与共享应用。

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苗立志（1981-），男，山东苍山人，副教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为传感器观测数据共享、地理信息共享与空间数据互操作、分布式地理空间信息处理，miaolz@njupt.edu.cn；

黄润汕（1991-），男，广东揭阳人，南京邮电大学地理与生物信息学院本科生，主要研究方向为传感器观测数据共享；

周 亚（1990-），男，江苏盐城人，南京邮电大学通信与信息工程学院硕士研究生，主要研究方向为分布式地理空间信息处理，zhouynupt@qq.com；

焦东来（1977-）男，河北安国人，博士，副教授，硕士生导师。主要研究方向为地理信息共享与互操作、地图符号及可视化、嵌入式系统空间信息可视化研究，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

项目来源：国家自然科学基金项目（41101359，41471329）

2015-03-25 修改日期：2015-07-06