本图片由作者提供 52
e-science 应用 基于传感器网络的自然保护区 e-science 环境的研究 1,2 张旭 1,2 曾宣皓 1,2 陈艳 3 李迪强 1. 中国林业科学研究院资源信息研究所, 北京 100091 2. 国家林业局林业遥感与信息技术重点开放性实验室, 北京 100091 3. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 北京 100091 摘要 : 基于自然保护区中的传感器网络, 本文提出了符合 SOA 体系架构和 OGC 的 SWE 规范的 e-science 环境系统框架, 给出了在 e-science 环境下传感器资源的注册 查找 访问以及数据管理的服务流程, 定义和分析了各类服务的功能和 e-science 环境的相关实现技术 关键词 : 自然保护区 ;e-science; 传感器网络 ;SOA; 网格 ;SWE Nature Reserve e-science s Environment Research Based on Sensor Web Zhang Xu 1,2, Zeng Xuanhao 1,2,Chen Yan 1,2, LI Diqiang3 1.Research Institute of Forest Resource Information Techniques, CAF, Beijing 100091 2.Key Laboratory for Forest Remote Sensing and Information Techniques of SFA, Beijing 100091 3.Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF, Beijing 100091 Abstract: In this paper, based on nature reserve s sensor web, an SOA and SWE of OGC based framework is proposed. It defines the services workflow for sensor resources registry,search,access and data management under the e-science environment, and analyzes the function of various services and related implement technologies for e-science. Keywords: Natural Reserves;e-Science; Sensor Web ;SOA ;Grid;SWE e-science 总第 7 期 53
1. 引言截至 2007 年底, 我国已经建立各种类型的自然保护区 2531 个, 总面积 152 万平方公里, 约占国土面积的 15.2% 其中, 国家级自然保护区 303 个, 面积占保护区总面积的 62%, 占国土面积的 10% 自然保护区为保护自然资源和生物多样性, 维护国土生态安全发挥了极其重要的作用 这些自然保护区有效地保护了我国 85% 的陆地生态系统类型 85% 的野生动物种群 65% 的高等植物群落以及 20% 面积的天然林, 它们都是我国生物多样性最丰富 生态功能最强 最急需重点保护的自然资源和生态系统 已经完成的全国野生动物 野生植物 大熊猫和湿地调查结果显示我国 40% 的天然湿地, 以及 85% 以上的珍稀野生动植物物种, 特别是 61% 的大熊猫 100% 的朱鹮等物种的野外种群, 都依靠自然保护区得到有效保护 自然保护区已成为我国疆域中生态环境最好的区域, 也是最有科学研究价值的区域 由于绝大多数自然保护区的核心区都是人迹罕至的地方, 利用常规手段难以获取持续的科学观测数据 同时, 由于各地科技基础条件的差异, 也造成科技资源分布及其不均衡 例如, 许多地方科研机构尤其是保护区内的科研所拥有大量基础科学数据, 却缺乏必要的数据分析与处理设 施等科技资源 ; 而条件较好的科研机构拥有先进的处理设施却又缺乏第一手数据资源 有的保护区在长期工作中采集了大量动植物标本, 但由于缺乏分类专家或专家不能亲临现场而无法鉴定物种, 造成许多宝贵的甚至珍稀的物种被湮没 一方面, 有些保护区长年积累了大量野外巡护记录 环境因子监测数据, 另一方面, 从事全球环境变化 物种分布 生态功能等研究的科学家却苦于数据匮乏难以顺利开展工作 利用智能传感器网络技术结合遥感 地理信息系统 全球卫星定位 分布式计算等技术, 构建面向自然保护区科研与监测管理服务的 e-science 环境必将成为我国自然保护区体系建设的重要内容 2. 国外相关领域发展趋势国际上, 一致认为自然保护区是生态科学研究的重要场所, 是生物多样性与生物种质资源保护 生态功能维护的根本措施和生态旅游的最佳地点 2003 年联合国列出了 102102 个保护区, 面积超过 1880 万平方公里, 相当于全球总面积的 12.65% 由于自然保护区对全球发展的重要性和占全球总面积的高比例, 因此国外在自然保护区研究方面, 十分强调跨地域 跨组织 跨学科的合作, 并且非常重视各种新技术的应用 自然保护区的研究近年得 到国际社会的高度重视 在全球生物多样性公约中明确提出, 为保护区开发 应用和转让适当的技术, 如栖息地修复和恢复 资源绘图 生物多样性调查 快速评估 监测和可持续利用等方面 ( 生物多样性公约第 VII/28 号决定 ) 鼓励采取新技术例如地理信息系统和遥感工具, 以便对保护区进行监测 自然保护区加强在评估技术 监测技术 风险评估 信息系统 遗传资源利用技术和能力建设等方面的共享, 以实现到 2010 年生物多样性丧失趋势得到遏制的目标 随着科学技术的不断发展, 许多信息技术如遥感技术已经应用到保护区的环境变化, 如美国的 Yosimite 保护区, 应用不同分辨率的遥感技术和地面定位监测对植被演替进行研究, 雷达遥感技术应用到美国沿海多个保护区进行迁徙鸟类的路径 时间和活动的联合研究, 虚拟现实和可视化技术应用到保护区的生态旅游和生态功能的研究 在美国的国家公园管理局组织建立了 GIS 信息分析平台和遥感解译标准, 确定了长期进行保护区生态监测的数据收集和工作开展的标准 自然保护区作为综合的生物学 生态学研究基地, 很多野外生态学研究新技术如全自动气象站 野外的生态环境数据收集系统 无线传感器网络等已开始应用到保护区的生态功能研究, 利用可视化的自动数据采集系统进行物候和保护区威胁监测, 带 54
e-science 应用 GPS 颈圈的野生动物来研究行为等生态学生物学习性, 探讨生境利用和保护战略, 为保护区管理服务, 为趋于生态监测和大范围长时间尺度生态研究服务 而如何建立基于多个自然保护区的为科学研究进行协调环境数据收集 不同尺度过程分析和物种变化趋势的系统是近年来国际自然保护区研究出现的新趋势 传感器网络 (Sensor Web, SW) 技术的应用也是国际上的研究热点 传感器网络为野外随机性的研究数据获取提供了方便, 比如 : 跟踪候鸟和昆虫的迁移, 研究环境变化对农作物的影响, 监测大气和土壤成分的变化等 2002 年 10 月美国 Intel 公司发布了 基于微型传感器网络的新型计算发展规划 Intel 将致力于微型传感器网络在环境监测 森林灭火等领域的应用 美国缅因州大鸭岛 (Great Duck island) 是世界上最大的海燕繁殖地,Intel 研究中心伯克利实验室和大西洋学院在大鸭岛建立了世界上最先进的生物监测无线网络 研究人员在岛上的许多海燕巢穴内安置了小型传感器, 观察海燕的活动, 这些传感器由温度 湿度 气压等芯片和红外线传感器组成 科学家们通过 Internet 在远程可以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视它们及其生存环境, 并且长时间搜集环境的变化资料 类似地, 传感器网络对森林火灾准确 及时地预报也有帮 助 由于无线传感器网络在无人值守的环境监测 灾害扑救等特殊领域, 具有传统技术无可比拟的优势, 基于无线传感器网络的森林火险实时监测预警技术在国外已经引起高度重视 这类技术不仅可以弥补基于 3S 的防火技术的不足之处, 而且比基于固定摄像装置的监控技术成本低, 部署方便, 更节省数据存储空间 在美国国家科学基金的资助下, 加州大学伯克利分校率先对无线传感器网络在森林火险监测中的应用进行了研究, 研制出了 FireBug 系统 该系统由环境传感器组成, 这些传感器用于采集温度 相对湿度和大气压力等数据 在每个传感器节点上设置一个类似于 GPS 的定位器, 这些节点通过基站与远程的数据库服务器通信, 用户可以通过 WEB 浏览器与该服务器通信 这个监控系统在美国圣弗兰西斯科附近的森林火灾监测实验中得到了实际应用, 系统的性能很令人满意 美国华盛顿大学的学者也对此展开了研究, 他们通过在无线传感器网络中使用移动智能体来查找火源, 使得该网络具有较大的灵活性来完成其它的任务 加拿大 Calgary 大学的学者开发的森林火灾实时监测与管理系统包含数据采集与处理系统 基于 GIS 的 Web 浏览器 该系统将热红外传感器 无线通信技术 惯性导航系统和火灾预测模型有效地结合起来, 能够分辨 5 米以内的火点, 并预测最可能的火灾蔓延方 向, 还能根据烟雾 光亮度等因素较准确地监测到火险 德国 英国等国家的学者对无线传感器网络在林火监测中的应用也做了许多研究 e-science 科研环境已经应用到自然保护区的研究 以物种分类研究活动为例, 现在正是重新重视资源保护和分类学的恰当时机 有人将信息技术的挑战比喻成是将数据从橱柜中解放出来 目前的现状是除了少量的分类数据, 许多的分类数据都是过时的或者不可靠的 大量的样本表示的是未经描述的或错误鉴别的物种 标本的整理就是要对标本重新进行鉴定, 信息化和共享不仅仅是加速对数据的获得, 而且也是加速分类学研究 可以想象实质上的专论 修订 植物志和动物志都应该是活的动态著作, 而不仅仅是静态的文件 建立在数字化基础上的分类学复兴是一个国际趋势 例如, 一个分类学者在另一城市的实验室使用远程显微镜方法实时鉴定一种标本 通过数字显微镜等信息技术产品的应用可以将分类学者带入一个全新的远程数字化标本馆 另外, 传统纸介质的分类学文献以前仅保存在少数几个大图书馆, 大多数欠发达地区或偏远地区的学者几乎不可能随时获得这些资料, 而电子化介质形式的文献则可以实时获得 目前, 通过美国等国家的国家科学基金会支持的全球生物多样性编目之机, 分类学者工作组正在加速此方面的工作 e-science 总第 7 期 55
因此,e-Science 中功能强大的分类研究平台可以将研究者 教育者以及各种各样的信息资源紧密联接起来, 数世纪以来社会在众多自然资源标本采集的投资现在可以得到回报 3. 自然保护区 e-science 环境的系统结构自然保护区 e-science 环境的应用目标是利用网格技术对分散在全国不同自然保护区中的传感器网络 (Sensor Web) 资源实现一体化管理与整合 通过自然保护区 e-science 环境提供的资源管理与调度机制, 为自然保护区的研究工作提供统一方式的数据服务支持, 在网络上实现对自然保护区生态系统的远程科学观测与监测, 实现跨区域的资源共享与协同工作 自然保护区 e-science 环境由传感器资源管理服务平台 传输网络和传感器网络构成 传感器资源管理服务平台是 e-science 环 境的核心, 担负对分散在不同自然保护区中的所有传感器资源以及传感器数据资源的目录管理 发现 访问和控制服务 传输网络包括广域网和保护区局域网, 广域网将分散在全国各地的多个自然保护区连为一体, 依托国家的 Internet 网络设施搭建 ; 保护区局域网是将分散在保护区内的多个传感器网络连接起来, 通常采用布设 WLAN 的方式搭建 每个传感器网络 (Sensor Web) 是由许多无线传感器组成, 其中无线传感器主要是由无线通讯模组 微控制器 传感器与电源所组成, 具有采集 处理 传输数据的功能 这些无线传感器 ( 组 ) 内嵌 Web Server 可通过 Web 方式进行智能访问和控制 如果没有 e-science 环境的统一管理, 这些传感器网络就像一个个信息孤岛, 不知道彼此的存在, 无法共享彼此的监测数据, 更无法相互协作完成跨区域的监测任务 此外, 不同的无线传感器网络, 可能会使用不同的网络传输协议 与架构 即使遵守特定的网络协议, 但因为不同厂家的传感器会使用不同的数据模型与控制格式, 所以种种异质性都使传感器资源缺乏统一的操作性和协同能力 自然保护区 e-science 环境就是要在传感器的资源描述 访问控制和数据格式等方面消除它们的异质性, 从而达到资源的一致化和共享 4. 自然保护区 e-science 环境的技术方案在自然保护区传感器网络系统中, 传感器是一种通过网络可操控 可访问的资源, 采用面向服务的系统架构 (SOA,Service- Oriented Architecture) 网格计算以及开放地理空间协会 ( O G C, O p e n G e o s p a t i a l Consortium) 的传感器网络整合框架 ( S W E, S e n s o r W e b Enablement) [1], 是可以较好地实现传感器资源的整合, 消除传感器访问和感测数据的异质性 图 1 自然保护区 e-science 环境结构图 4.1 体系结构本文提出的基于传感器网络的自然保护区 e-science 环境体系架构, 既遵循开放地理空间协会 (OGC,Open Geospatial Consortium) 的传感器网络整合框架 ( S W E, S e n s o r W e b Enablement), 又集成传感器网络以及分布式计算技术的平台 利用 WEB 技术实现通过标准的协议和应用程序接口访问传感器网 56
e-science 应用 络 从而使各种内嵌 Web Server 种监测研究和应用, 提供有用的的传感器 测量设备 图像设备开发工具 开发层主要由传感器以及传感器数据服务资源能够通编程框架 可视化工具 传感器过 Web 被发现 访问和应用 的配置工具以及第三方等开发工该传感器网络整合框架可具 这个较高层为传感器网络的划分为四个主要部分 : 基础架构应用 e-science 研究和系统管理层 服务层 开发层 应用层 提供工具 如图 2 所示 应用层是由自然保护区的各基础架构是由传感器元件 种应用和研究构成, 例如保护区嵌入式处理器与存储器 通信器生态系统监测研究 珍稀动物种件 嵌入式操作系统 嵌入式数群监测研究 保护区内自然灾害据库系统以及网格设施等组成 的预测研究 保护区森林防火监基础层的功能包括采集观测数测网络 传感器网络日常管理系据 初级的数据处理 传感器仿统等 应用层能过动态获取保护真和模拟 传输观测数据 网格区的数据和资源, 并且及时地预数据处理 测 预报监测情况 服务层是该架构的核心部分, 主要能实现如下功能 :Web 目 4.2 服务组件录服务 ; 传感器和观测数据的编为了克服异构传感器网码 ; 数据的采集 集合和存档 ; 络的连接和传感器资源的共传感器任务规划 通知和告警 ; 享, 研究界已经作了大量的研网格处理服务 其中的服务采用究工作, 并取得了许多研究成 OGC 定义的标准规范, 能够实现对果 2005 年, 开放地理空间联异构传感器源的支持 盟 ( O G C, O p e n G e o s p a t i a l 开发层主要的作用就是为了 Consortium) 提出了一种新型的更加方便和快速开发传感器的各传感器 Web 标准 (SWE,Sensor Web 图 2 基于传感器网络的自然保护区 e-science 环境体系结构 Enablement) 基于 SWE 的传感器网络应用通过使用简单对象应用协议 (SOAP: Simple Object Application Protocol) 和可扩展标记语言 ( X M L : e x t e n s i b l e M a r k u p Language), 可以支持异构传感器网络中描述 发现和调用相关的服务 基于传感器网络的自然保护区 e-science 环境体系架构的目标是 : 能够通过 Web 发现 访问 应用所有类型的接入 Internet 的传感器资源, 为构建 即插即用 的基于 WEB 的传感器网络提供一个标准的平台 该体系架构主要侧重于研究开发一个标准支持发现 交换和处理传感数据, 同时进行任务分配, 其主要作用是描述传感器系统和传感数据 ; 发现满足用户应用要求的传感系统 观测和观测处理方法 ; 测定传感器的测量能力和测量质量 ; 访问传感器参数 ; 获取实时的或存档的历史观测, 并将观测量用标准的编码方式进行编码封装 ; 给传感器分配传感任务以获取需求的观测量 ; 通知分配任务的处理结果和发生的告警 为了支持上述功能,SWE 共提供了 7 种标准规范, 包含信息模型的 3 个编码标准和服务的 4 个实现规范 [2] : (1) 观测与测量 (O&M, Observation & Measurement): 作用是描述传感观测和测量数据 该组件是一个标准模块, 采用 XML 方案 SWE 将观测 (Observation) e-science 总第 7 期 57
定义为一个带结果的事件, 每一个观测包含有一个方法来测定观测值 每个观测包含有一个时间戳 (2) 传感器建模语言 ( S e n s o r M L, S e n s o r M o d e l Language): 作用是描述传感器 传感器系统或传感处理方法, 为传感器的发现 传感观测的定位 低级别的传感观测的处理等提供必要的信息 该组件是一个标准模块, 采用 XML 方案 (3) 转换器标记语言 (TML, Transducer Markup Language): 作用是描述传感器系统内部以及传感器系统之间交互的信息 TML 是一个概念模型, 采用 XML 方案, 为 WEB 信息交互提供了统一的标准格式 (4) 传感器规划服务 (SPS, Sensor Planning Service): 作用是响应用户的需求, 对用户提交的传感数据请求的可行性进行判定, 分配传感器任务 其主要目的是实现一个互操作服务, 该组件是用户与传感器网络测量环境的中间媒介 通过这个服务, 客户能够判断从一个或多个传感器或模型中收集数据的可行性或向传感器提交收集数据的请求和配置服务 (5) 传感器观测服务 (SOS, Sensor Observation Service): 作用是响应用户的需求, 请求 过滤和获取传感测量数据以及传感系统信息 该组件是用户与传 图 3 传感器网络服务流程感数据库的中间媒介 通过这个服务, 客户能够获取和注册来自于一个或多个传感器的观测 传感器和平台的描述 (6) 传感器告警服务 (SAS, Sensor Alert Service): 作用是根据给定的条件, 判定来自传感器的数据是否构成告警, 如构成, 则将它封装为一个告警型通知 通过这个服务能够发布和订阅传感器或仿真系统的告警信息 (7)Web 通知服务 (WNS,Web Notification Service): 作用是异步的发送通知信息 ( 如告警通知 观测数据通知等信息 ) WNS 包含两种不同类型的通知 : 单向通信和双向通信, 前者给用户提供无应答的信息 ; 后者给用户提供信息后期望异步的应答 通过这个服务, 客户能够在一个或多 个其他服务之间执行同步或异步的对话 图 3 展示了在自然保护区 e-science 环境下的传感器网络服务的协作流程 用户通过客户端输入关键字通过传感器 Web 目录服务查找可用的传感器规划服务 目录服务响应用户请求, 将可用的规划服务地址返回给用户 当用户按照规划实例的条件向传感器数据观测规划发送请求, 该服务将确认规划的观测任务是否可行 如果观测任务的规划是可行的, 用户信息将被注册到 Web 通知服务, 用户 Id 将会返回给规划服务 SPS 将会负责创建一个观测请求, 然后通过传感器观测服务 (SOS) 获取按照 O&M 编码的观测数据 当传感器的观测服务采集处理数据完毕, 规划服务将会发送一个操作已完成的消息返回 58
e-science 应用 给 Web 通知服务 Web 通知会采用 E-mail 或者其他支持的协议通知用户获取传感器观测数据 4.3 实现技术 (1) 目录服务该研究平台采用基于 ebrim 的空间信息 Web 目录服务, 有效地实现传感器网络地理空间数据的发布共享和查询检索 通过目录服务形成数据共享的基础平台, 为数据提供者和数据使用者提供纽带 [4] OGC CSW2.0 规范包含 3 种类型接口 :OGC_Service,Discovery 和 Manager;OGC_Service 接口包含 getcapabilities 操作, 提供了目录服务能力描述及相关信息的 XML 文档 ;Discovery 接口提供 4 个操作, 允许客户端发现和获得在目录服务中的注册信息 ;Manager 接口允许用户使用 推 或 拉 的模式实现目录内容的更新操作 Web 目录服务主要包括服务元数据 数据元数据等注册和发现以及目录服务的分布式管理 服务的注册信息包括传感器服务的版本 关键字 地址和操作描述等信息 如果用户想查询数据 (Finding Data), 可以通过目录服务进行快速检索 ; 如果用户想将自己的数据与他人共享 (Sharing Data), 可以通过目录服务进行发布 数据库采用 PostGIS/ PostgreSQL, 它支持 OGC 的简单要素和 SQL 规范 研究平台通过开源空间元数据工具 GeoNetwork 实现传感器网络目录服务 (2) 网格网格是现在一个新的分布式计算技术, 使用网格计算技术可以使地理上分布的 异构的计算机系统很好地联系起来成为一个虚拟的统一的运算平台 网格系统具有高速计算能力 高速通信系统和几乎无穷的存储容量 网格系统的这些特点正和无线传感器网络互补 利用网格的高速处理能力, 可以使无线传感器网络的数据处理不仅仅停留在数据的简单冗余上, 还可以对其结果进行进一步的处理, 获得更加优良的结果, 同时还可以通过高层数据融合, 帮助人们制定决策 网格能够有效解决传感器网络观测任务的分配的问题 它涉及到对传感观测任务的判断 子任务的合理划分 可使用资源的检测与管理 资源的合理调配与利用 子任务之间的通信与协作 任务结果的汇总等诸多问题的研究与解决 基于 SWE 框架的传感器资源和观测数据资源是一种可共享的资源, 但是这些资源同时具有一定的私有性和保护性 网格系统能对这些资源的使用进行有效的认证和授权, 从而对资源的使用进 行保护和有效利用 系统采用的网格平台是 GT4 [5] (Globus Toolkit 4), 它是一种用于构建计算网格的开放体系结构 开放标准的项目 Globus Toolkit 工具包来源于 Globus 项目 是一个开放源码的网格的基础平台, 基于开放结构 开放服务资源和软件库, 并支持网格和网格应用, 目的是为构建网格应用提供中间件服务和程序库 Globus 对资源管理, 安全 信息服务及数据管理等网格计算的关键理论进行研究并提供了基本的机制和接口 通过支持网格计算和网格应用的一套服务和软件库, 可以帮助规划和组建大型的传感器网格试验平台, 开发适合 e-science 应用的平台 因此, 传感器网络的服务在 ebrim 规范和 ISO19115/ISO19119 元数据标准基础上, 有效结合网格技术实现目录服务支持分布式的管理 5. 结论本文针对基于传感器网络的自然保护区 e-science 环境提出集成 Sensor Web SOA 和 Grid 的框架设计 结合传感器网络框架 SWE, 根据自然保护区 e-science 传感器网络需要对服务进行扩展, 提出实现服务注册和发现的目录服务以及传感器存储服务, 并且对传感器网络中的 e-science 总第 7 期 59
各种服务是如何协同工作流程进行了详细的介绍 对传感器网络的注册 发现进行讨论, 并探讨 了传感器网络中存在的处理能力有限 资源合理调配 资源安全等问题 基于传感器网络的自然 保护区 e-science 环境体系结构可以为科学研究数字化提供有效的技术保障 参考文献 : [1]M. Reichardt. Sensor Web Enablement: An OGC White Paper[S]. Open Geospatial Consortium (OCG), Inc: 2005. [2]Mike B, George Pl, Carl R, John D.OGC Sensor Web Enablement: Overview And High Level Architecture[S].Open Geospatial Consortium (OGC), Inc:2006. [3]Xingchen Chu, Rajkumar Buyya. Service Oriented Sensor Web. Sensor Networks and Configuration[M]. Springer Berlin Heidelberg.2007,51-74. [4]Douglas Nebert, Arliss Whiteside, Panagiotis Vretanos. Catalogue Services Specification[S]. OGC 07-006r1,Version 2.0.2, Corrigendum 2 Release. [5] http://www.globus.org/toolkit/. [6] 曾宣皓, 张旭等, 基于自然保护区传感器网络整合架构设计 [j]. 林业科学研究.2008.21:126-129. [7] 王建国, 一种新型的传感器 Web 标准 传感器 Web 整合框架 [j]. 小型微型计算机系统.2008.29. 收稿时间 :2009 年 4 月 21 日 作者信息 张旭 中国林业科学研究院, 研究员, 从事林业资源环境领域信息技术应用研究 曾宣皓 中国林业科学研究院, 硕士研究生, 从事自然保护区传感器网络技术研究 60