一种支持异构传感器语义注册的方法及系统

摘要

本发明涉及智慧城市地理信息服务技术领域，公布了一种支持异构传感器语义注册的方法及系统。其中方法包括以下步骤：步骤1：构建存储传感器元数据信息的传感器元模型本体；步骤2：构建传感器注册信息模型到所述的传感器元模型本体的映射关系；其中系统包括用于构建存储传感器元数据信息的传感器元模型本体的装置，和用于构建传感器注册信息模型到传感器元模型本体的映射关系的装置；本发明提出的一种支持异构传感器语义注册的方法，有助于异构传感器的精确发现和高效管理。

说明书

技术领域

本发明涉及智慧城市地理信息服务技术领域，尤其涉及一种支持异构传感器语义注册的方法及系统。

 

背景技术

对地观测技术不断发展，大量的遥感卫星源源不断地发射，航空航天遥感已经进入了多平台、多传感器和多观测手段的发展阶段。传感网中存在大量异构传感器，例如长江流域大约有10000气象站、1000个水文站的和137颗卫星进行水文监测，提供多种水文信息。异构传感器对于同一概念和术语存在不同的描述，会产生语义冲突和冗余。这些传感器的高效管理和精确发现的需求变得日益强烈，异构传感器的注册对于传感器资源的共享和互操作具有重要意义，从而满足对地观测中综合性的多样化需求。

基于传感器建模语言（Sensor Model Language，SensorML）的传感器信息模型可以提供传感器的元数据信息的描述。传感器信息模型无法实现对传感器资源语义信息的描述，难以满足异构传感器精确发现和高效管理的要求。为了提高传感器的互操作性，需要建立一种传感器本体元模型。为了实现地理空间元数据信息的管理，OGC（开放式地理信息系统协会）制定了相关的目录服务接口标准（Catalog Service for Web，CSW)能与元数据信息模型（如OASIS（结构化信息标准发展组织）制定的ebRIM（ebXML Registry Information Model））绑定，有效应用于地理空间信息资源。注册信息模型（ebRIM）具有标准的描述架构，定义了对象类、属性类型、语法和匹配规则，有助于增强信息的互联互通。基于ebRIM可以实现传感器的存储与查询，但它无法直接支持传感器的语义注册。为了实现异构传感器的语义注册，需要将注册信息模型转换为传感器元模型本体进行存储，并在目录服务中加入语义描述，提供一种支持多种异构传感器发现和访问的平台解决异构传感器的语义冲突和冗余。 

目录服务中融入语义技术有助于提供地理空间数据的智能处理，主要包括两种方式实现：一是将语义融入到注册信息模型。如，Paolucci et al.将Ontology Web Language for Services (OWL-S)映射到UDDI数据模型中实现UDDI的语义描述。此外，在ebRIM中融入语义可以通过三种方式：（1）采用xslt转换文件实现OWL到ebRIM要素的映射，如GeoNetwork（GN）-ebRIM；（2）新增类、分类架构、关系和属性扩展ebRIM，增加语义信息，如美国乔治梅森大学（GMU）-CSW；（3）将本体和关系进行拆解融入到ebRIM架构中。二是实现目录服务中的语义查询。语义查询的实现可以通过两种方式：（1）扩展目录服务接口，直接支持语义查询；（2）不改变目录服务的接口，创建语义中间件实现查询资源和查询结果的匹配。

综合分析，目前的语义注册服务存在以下问题：

（1）仅支持间接的传感器观测现象的语义注册。如52°North组织构建的传感器观测注册服务需要建立与一般目录服务的链接。这种注册与发布方式会造成信息的丢失，使得查询时间大大增加。

（2）查找传感器信息时，存在语义冲突和冗余。若描述传感器的同一个属性时，采用了不同的描述方式，进行此属性查找时会存在语义冲突，使得查询结果不完整。现有的服务难以解决异构传感器查询过程中的语义冲突问题

（3）无法支持异构传感器的语义推理。这些服务可以描述注册信息模型的语法层次信息，但无法提供传感器发现和互操作中需要的推理信息。

 

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种传感器元模型本体，提出了一种支持异构传感器语义注册的方法，有助于异构传感器的精确发现和高效管理。

本发明所采用的技术方案是：一种支持异构传感器语义注册的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建存储传感器元数据信息的传感器元模型本体；

步骤2：构建传感器注册信息模型到所述的传感器元模型本体的映射关系。

作为优选，所述的步骤1还包括以下子步骤：

步骤2.1：分析所述的传感器元模型本体的组成要素及相互关系；

步骤2.2：构建所述的传感器元模型本体的类；

步骤2.3：构建所述的传感器元模型本体的关系；

步骤2.4：构建所述的传感器元模型本体的属性；

步骤2.5：构建所述的传感器元模型本体的个体实例。

作为优选，所述的步骤2还包括以下子步骤：

步骤3.1：分析所述的传感器注册信息模型中注册对象的基本属性、扩展属性、关系和分类架构；

步骤3.2：构建所述的传感器注册信息模型中注册对象基本属性到所述的传感器元模型本体的映射关系；

步骤3.3：构建所述的传感器注册信息模型中注册对象扩展属性到所述的传感器元模型本体的映射关系；

步骤3.4：构建所述的传感器注册信息模型中注册对象关系到所述的传感器元模型本体的映射关系；

步骤3.5：构建所述的传感器注册信息模型中注册对象分类到所述的传感器元模型本体的映射关系。

本发明的技术方案还包括一种支持异构传感器语义注册的系统，其特征在于，包括：

用于构建存储传感器元数据信息的传感器元模型本体的装置；该装置包含：用于分析所述的传感器元模型本体的组成要素及相互关系的装置、用于构建传感器元模型本体的类的装置、用于构建传感器元模型本体的关系的装置、用于构建传感器元模型本体的属性的装置、用于构建传感器元模型本体的个体实例的装置；

用于构建传感器注册信息模型到传感器元模型本体的映射关系的装置；该装置包含：用于分析传感器注册信息模型中注册对象的属性、关系和分类架构的装置、用于传感器注册对象基本属性到传感器元模型本体的映射关系的装置、用于构建传感器注册对象扩展属性到传感器元模型本体的映射关系的装置、用于构建传感器注册对象关系到传感器元模型本体的映射关系的装置、用于构建传感器注册对象分类到传感器元模型本体的映射关系的装置。

本发明相对于现有技术，具有以下优点和积极效果：

（1）提供了支持直接的传感器语义注册方法。相对于52N传感器观测注册服务的间接注册方法，设计的传感器元模型本体可以将传感器信息直接注册到语义注册中心。用户可以直接进行传感器的存储和访问，可以实现传感器信息的快速更新和操作，便于用户查询与管理；

（2）有助于查找传感器过程中的语义消歧。构建的传感器元模型本体有助于解决查找传感器信息时存在的语义冲突问题；

（3）可以支持传感器语义推理。设计的传感器元模型本体描述了传感器元数据在语义层次上的信息，是实现传感器语义注册服务的基础。传感器元模型本体的架构有助于实现传感器中内在关系的推理，如传感器隐含观测能力的推理。

 

附图说明

图1：是本发明的支持异构传感器语义注册的方法流程图。

图2：是本发明实施例提供的传感器元模型本体的构建流程图。

图3：是本发明实施例构建的传感器元模型本体结构的示意图。

图4：是本发明实施例提供的传感器元模型本体进行实例化的示意图。

图5：是本发明实施例提供的实现传感器注册信息模型到传感器元模型本体映射的流程图。

图6：是本发明实施例提供的构建传感器注册对象的基本属性到传感器元模型本体的映射关系示意图。

图7：是本发明实施例提供的构建传感器注册对象的扩展属性到传感器元模型本体的映射关系示意图。

图8：是本发明实施例提供的构建传感器注册对象的关系描述到传感器元模型本体的映射关系示意图。

图9：是本发明实施例提供的构建传感器注册对象的分类描述到传感器元模型本体的映射关系示意图。

 

具体实施方式

目录服务能有效应用于传感器元数据的检索和管理，形成符合自身需要的内容和功能，对外提供查询等服务。本发明构建了一种异构传感器元模型本体，有助于多种传感器的统一管理；在目录服务中针对注册信息模型进行语义扩展，实现了传感器语义信息的存储从而构建传感器的语义注册服务。

下面以具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

请见图1、图2、图5，本发明所采取的技术方案为：一种支持异构传感器语义注册的方法，包括以下步骤：

步骤1：构建存储传感器元数据信息的传感器元模型本体；步骤1还包括以下子步骤：

步骤2.1：分析传感器元模型本体的组成要素及相互关系；

步骤2.2：构建传感器元模型本体的类；

步骤2.3：构建传感器元模型本体的关系；

步骤2.4：构建传感器元模型本体的属性；

步骤2.5：构建传感器元模型本体的个体实例。

步骤2：构建传感器注册信息模型到传感器元模型本体的映射关系；步骤2还包括以下子步骤：

步骤3.1：分析传感器注册信息模型中注册对象的基本属性、扩展属性、关系和分类架构；

步骤3.2：构建传感器注册信息模型中注册对象基本属性到传感器元模型本体的映射关系；

步骤3.3：构建传感器注册信息模型中注册对象扩展属性到传感器元模型本体的映射关系；

步骤3.4：构建传感器注册信息模型中注册对象关系到传感器元模型本体的映射关系；

步骤3.5：构建传感器注册信息模型中注册对象分类到传感器元模型本体的映射关系。

请见图3，是本发明实施例构建的传感器元模型本体的示意图。传感器元模型本体的组成要素及相互关系详细信息，请见表1。 

表1：传感器元模型本体的类及关系的含义说明表

主要从两个方面来表示传感器元模型的信息。请见表1，一是描述传感器信息的类；二是用于描述传感器元数据信息的类。类smo:Datatype包括9个子类（smo:General、smo:Property、smo:geoPosition、smo:timespaceRef、smo:History、smo:Contraint、smo:Contact、smo:Interface、smo:AssociationClass），用于表示传感器非功能型信息采用的数据类型，可以描述传感器非功能型的元数据信息。类smo:General包括6个子类，请见表2，其中smo:ClassificationClass包括四个子类：（1）smo:SensorClassification_IntendedApplication_Class描述传感器预期应用分类信息的类；（2）smo:SensorClassification_ServiceType_Class描述传感器的服务类型分类信息的类；（3）smo:SensorClassification_SystemType_Class描述传感器系统类型分类信息的类；（4）smo:SensorClassification_OrbitType_Class描述传感器的轨道类型分类信息的类，用于描述传感器的分类信息。

表2：传感器元模型本体中类与子类说明

其中：传感器元模型本体包括了13个关系定义，请见表1。类smo:nonFunctional和smo:DataType之间用关系“describedBy”连接，表示非功能型的传感器信息可以由相应的数据类型进行描述。类smo:Functional和smo:ProcessElementType之间用关系“describedBy”连接，表示功能型的传感器信息可以由相应的要素类型进行描述。其他关系描述，如类smo:Identification和smo:General用关系“hasGeneralInfo”连接，表示用于标记传感器的类包含一般属性信息类，已在表1中一一详细阐述，在此不做累述。

其中：传感器元模型本体属性的定义侧重于传感器核心信息的标记，主要包括传感器的关键字、全称、观测范围、输入/输出、位置信息、有效时间和分类架构等。传感器元模型本体的属性说明，请见表3。

表3：传感器元模型本体的属性说明

其中：构建传感器元模型本体的个体实例，本专利采用传感器中分辨率成像光谱仪（MODIS）进行实例化说明。请见图4，是本发明实施例采用MODIS将传感器元模型本体进行实例描述的示意图，分别针对传感器的ID、名称、观测范围、有效时间、输入、输出等信息进行实例化。图4中类名说明请见表3。从传感器元模型本体到MODIS个体的实例化描述如下：

（1）传感器类smo:Sensor实例化后描述传感器为MODIS；

（2）传感器的ID类smo:sensorIDClass实例化后描述MODIS的ID值为urn:ogc:feature:remotesensor:scanner:MODIS_AQUA；

（3）传感器全称类smo:sensorLongNameClass实例化后描述MODIS的全名为分辨率成像光谱仪；

（4）传感器关键词类smo:sensorKeywordsClass实例化后描述MODIS中相关的关键词，包括遥感、陆地表面、云边界与特性、海洋水色、浮游植物、臭氧、MODIS；

（5）传感器的分类传感器MODIS的分类描述包括预期应用、服务类型和系统类型，如预期应用（对地观测成像、陆地表面成像、云边界和臭氧监测、海洋水色成像）的实例化来自传感器预期应用类smo:SensorClassification_IntendedApplication_Class描述；

（6）MODIS服务类型（传感器观测服务）的实例化来自传感器服务类型类smo:SensorClassification_ServiceType_Class；

（7）MODIS系统类型（扫描式成像仪）的实例化来自传感器系统类smo:SensorClassification_SystemType_Class；

（8）传感器观测范围类smo:sensorBBOXClass实例化后描述MODIS的观测范围纬度范围：-90°到 90°，经度范围：-180°到180°；

（9）传感器的有效起始时间类smo:sensorValidTimeBegin实例化后描述MODIS的有效起始时间为2002-05-04T00:00:00.0Z；

（10）传感器的有效终止时间类smo:sensorValidTimeEnd实例化后描述MODIS的有效终止时间为2014-05-04T00:00:00.0Z；

（11）传感器的联系信息类smo:Contact实例化后表示MODIS的联系信息为美国国家航空航天局；

（12）传感器的输入类smo:Input实例化后表示MODIS的输入信息为辐射；

（13）传感器的输出类smo:Output实例化后表示MODIS的输入信息，包括红波段、绿波段、近红外波段。

其中步骤3.1：分析传感器注册信息模型中注册对象的基本属性、扩展属性、关系和分类架构；具体实现过程是通过对传感器注册信息模型中注册对象的分析，将其注册对象的描述划分为基本属性信息、扩展属性信息、关系信息和分类信息四个部分。基本属性信息直接采用ebRIM类的属性描述，包括传感器的对象类型、ID、名称、描述信息；扩展属性信息采用ebRIM类的扩展属性slot描述，包括传感器的简称、关键词、有效时间、位置信息、观测范围信息、输入、输出和参数信息；关系信息采用ebRIM的关系类描述，包括传感器的组成关系、传感器与服务之间的可访问关系、传感器输入关系和传感器输出关系；分类信息采用ebRIM的分类架构描述，包括传感器的预期应用、服务类型、系统类型和轨道类型四种。

请见图6，是本发明实施例提供的构建传感器注册对象的基本属性（传感器类型、传感器ID、名称、说明信息）到传感器元模型本体的映射关系示意图。图6中基本属性映射关系的说明如下：rim:ExtrinsicObject表示注册对象信息模型的外部对象类；ObjectType表示注册对象的类型属性；id表示注册对象的ID属性；rim:Name表示注册对象的名称；rim:description表示注册对象的描述信息；rim:LocalizedString表示属性类型为字符串；value表示某属性的描述值；smo:SensorIdClass描述传感器id信息的类；smo:SensorlongNameClass描述传感器全称信息的类。基本属性的映射关系包括：

（1）将传感器对象类型映射到描述传感器类smo:Sensor中，存储传感器对象类型信息；

（2）将传感器ID信息映射到smo:General的子类smo:SensorIdClass，存储传感器ID信息；

（3）将传感器名称映射到smo:General的子类smo: SensorlongNameClass，存储传感器的全称信息；

（4）将传感器说明信息映射到smo:General的子类smo:SensorDescriptionClass，存储传感器的基本说明信息。

请见图7，是本发明实施例提供的构建传感器注册对象的扩展属性（除了基本属性以外的传感器属性信息）到传感器元模型本体的映射关系示意图；图中rim:Slot表示注册信息模型的扩展属性，如/rim:ExtrinsicObject/rim:Slot=shortName表示注册对象的扩展属性为传感器的简称。图中其他说明如下：keywords表示传感器关键词；ValidTimeBegin和ValidTimeEnd表示传感器的有效起止时间；Location表示传感器的位置信息；ObservedBoundingBox表示传感器可观测的范围信息；Inputs表示传感器的输入信息；Outputs表示传感器的输出信息；parameters表示传感器的参数信息。基本映射关系包括：

（1）传感器简称信息映射到类smo:sensorShortNameClass；

（2）传感器关键词信息映射到类smo:sensorKeywordsClass；

（3）传感器有效起始时间映射到类smo:sensorValidTimeBegin；

（4）传感器有效终止时间映射到类smo:sensorValidTimeEnd；

（5）传感器位置信息映射到类smo:sensorLocationClass；

（6）传感器观测范围映射到类smo:sensorBBOXClass；

（7）传感器输入信息映射到类smo:Input；

（8）传感器输出信息映射到类smo:Output；

（9）传感器参数信息映射到类smo:Parameter。

请见图8，是本发明实施例提供的构建传感器注册对象的关系描述到传感器元模型本体的映射关系示意图。其映射关系包括：

（1）传感器系统与组件之间的关系映射到类smo:SensorAssociation_ComposedOf_Class；

（2）传感器与服务之间的关系映射到类smo:SensorAssociation_AccessibleThrough_Class；

（3）传感器系统和传感器组件的输入关系映射到类smo:SensorAssociation_InputConnection_ Class；

（4）传感器系统和传感器组件的输出关系映射到类smo:SensorAssociation_OutputConnection_Class。

传感器注册对象的关系描述到传感器元模型本体的映射关系具体说明，请见表4：

表4：传感器注册对象的关系描述到传感器元模型本体的映射关系说明表

名称含义rim:Association表示注册对象传感器的关系ComposedOf表示传感器系统由组件组成的关系，连接了传感器系统和组件，表示系统由哪些组件组成AccessibleThrough表示服务和传感器之间的关系，用于连接服务类和注册对象类InputConnection表示传感器系统和传感器组件的输入关系，连接了传感器系统和传感器组件，表示它们之间在输入上的关系OutputConnection表示传感器系统和传感器组件的输出关系，连接了传感器系统和传感器组件，表示它们之间在输出上的关系

请见图9，是本发明实施例提供的构建传感器注册对象的分类描述到传感器元模型本体的映射关系示意图。其中：rim:ClassificationScheme表示注册对象的分类架构；IntendedApplication表示注册对象的分类架构为预期应用，例如可以包含分类节点-水监测Water，并可以为注册对象添加子分类节点-洪水监测FloodDetection；SystemType表示注册对象的分类架构描述系统类型；ServiceType表示注册对象的分类架构描述传感器的服务类型，可以包括传感器观测服务类型节点和传感器规划服务类型的节点；OrbitType表示注册对象的分类架构描述传感器平台的轨道类型，可以包括太阳同步轨道（SunSynchonous）的分类节点。

基本映射关系包括：

（1）传感器预期应用分类映射到类smo:SensorClassification_IntendedApplication_Class；

（2）传感器服务类型分类映射到类smo:SensorClassification_ServiceType_Class；

（3）传感器系统类型分类映射到类smo:SensorClassification_SystemType_Class；

（4）传感器平台轨道类型分类映射到类smo:SensorClassification_OrbitType_Class。

通过上述映射关系的定义，可以支持异构传感器的语义注册，有助于实现传感器的高效管理。

本发明的技术方案还包括一种支持异构传感器语义注册的系统，包括：

用于构建存储传感器元数据信息的传感器元模型本体的装置；该装置包含：用于分析所述的传感器元模型本体的组成要素及相互关系的装置、用于构建传感器元模型本体的类的装置、用于构建传感器元模型本体的关系的装置、用于构建传感器元模型本体的属性的装置、用于构建传感器元模型本体的个体实例的装置；

用于构建传感器注册信息模型到传感器元模型本体的映射关系的装置；该装置包含：用于分析传感器注册信息模型中注册对象的属性、关系和分类架构的装置、用于传感器注册对象基本属性到传感器元模型本体的映射关系的装置、用于构建传感器注册对象扩展属性到传感器元模型本体的映射关系的装置、用于构建传感器注册对象关系到传感器元模型本体的映射关系的装置、用于构建传感器注册对象分类到传感器元模型本体的映射关系的装置。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。