摘 要： 針對(duì)異構(gòu)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交互困難的問(wèn)題，提出基于NetCDF的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換格式，定義海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交互規(guī)范，實(shí)現(xiàn)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)靈活裝載和隨機(jī)訪問(wèn)。基于此，設(shè)計(jì)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)框架，通過(guò)分層架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)用戶(hù)“一站式”訪問(wèn)。最后，開(kāi)發(fā)原型系統(tǒng)加以驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞: 觀測(cè)數(shù)據(jù); NetCDF; 數(shù)據(jù)交換

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，人類(lèi)探測(cè)海洋的能力日益提升，近年來(lái)，國(guó)家越來(lái)越重視海洋領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)建設(shè)，實(shí)施了大批海洋工程項(xiàng)目，提高了利用海洋的能力。但是，在利用海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)踐中，數(shù)據(jù)交互困難越顯突出，主要體現(xiàn)在如下方面：
(1)數(shù)據(jù)格式復(fù)雜。當(dāng)前海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)常用的數(shù)據(jù)格式包括電報(bào)碼、XML格式文件、文本、數(shù)據(jù)庫(kù)等。不同的數(shù)據(jù)格式要求信息系統(tǒng)提供不同的訪問(wèn)方式，增加了海洋數(shù)據(jù)融合的困難。
(2)海洋應(yīng)用與海洋科學(xué)數(shù)據(jù)存在差異。當(dāng)前數(shù)字海洋所規(guī)范的數(shù)據(jù)格式多為文本或者數(shù)據(jù)庫(kù)文件，但是在預(yù)報(bào)計(jì)算、分析等海洋科學(xué)領(lǐng)域所使用的大多為專(zhuān)業(yè)格式數(shù)據(jù)，如NetCDF、Grid等，這種格式的不統(tǒng)一給數(shù)據(jù)交互帶來(lái)困難。
(3)數(shù)據(jù)分布廣泛，我國(guó)海域廣闊，沿海遍布著大大小小多個(gè)海洋機(jī)構(gòu)，不同機(jī)構(gòu)掌握一定的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，缺乏統(tǒng)一的安排和協(xié)調(diào)，也造成海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)共享困難。
本文針對(duì)我國(guó)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交互存在的實(shí)際困難，提出一套解決方案，在構(gòu)建基于NetCDF通用觀測(cè)數(shù)據(jù)交換格式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，并在天津海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)展示平臺(tái)項(xiàng)目中進(jìn)行驗(yàn)證。
1 相關(guān)研究
近年來(lái)，針對(duì)海洋領(lǐng)域數(shù)據(jù)交換和集成，有許多研究機(jī)構(gòu)做了大量工作，取得了豐富的研究成果。美國(guó)海軍和國(guó)家海洋大氣局實(shí)施開(kāi)發(fā)了IOOS[1-2](Integrated Ocean Observing System)項(xiàng)目，目的是統(tǒng)一分散在各部門(mén)的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，提供共享信息，IOOS框架采用分層設(shè)計(jì)，并以用戶(hù)需求為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)各層間的數(shù)據(jù)流整合，達(dá)到觀測(cè)數(shù)據(jù)集成的目的。IOOS的分段子系統(tǒng)DMAC[3](Data Management and Communications)則主要負(fù)責(zé)海洋數(shù)據(jù)的傳輸和通訊，DMAC定義了一套共同遵守的、通用的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)互操作框架。海洋交互觀測(cè)網(wǎng)ORION[4](Ocean Research Interactive Observatory Networks)項(xiàng)目為科學(xué)家、教育者和普通公眾對(duì)海洋的交互、連續(xù)訪問(wèn)提供了一個(gè)平臺(tái)。美國(guó)NSF、SURA、ONR和NOAA-CSC等組織資助了海洋元數(shù)據(jù)互操作項(xiàng)目MMI [5](Marine Metadata Interoperation)提供了一個(gè)開(kāi)放的資源共享平臺(tái)，便于組織和個(gè)人將與海洋相關(guān)的信息資源注冊(cè)到MMI中，然后進(jìn)行共享。由歐盟資助的MarineXML項(xiàng)目[6]則用于驗(yàn)證XML技術(shù)在提高海洋信息部門(mén)之間，特別是海洋觀測(cè)部門(mén)之間數(shù)據(jù)互操作性中所起的作用。該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)并改進(jìn)海洋標(biāo)記語(yǔ)言MML。
上述項(xiàng)目從不同角度解決海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的交換與共享，但是上述項(xiàng)目沒(méi)有搭建起海洋應(yīng)用與海洋科研之間的信息共享橋梁，此外，上述項(xiàng)目沒(méi)有為用戶(hù)提供一個(gè)屏蔽數(shù)據(jù)共享細(xì)節(jié)的界面，本文設(shè)計(jì)的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)則更多地從用戶(hù)易用的角度給出協(xié)同應(yīng)用與科研的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)信息共享解決方案。
2 基于NetCDF的交換數(shù)據(jù)格式定義
NetCDF（Network Common Data Form）[7-8]網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式由UCAR在其Unidata項(xiàng)目中提出。NetCDF利用矩陣方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具有自描述性、結(jié)構(gòu)獨(dú)立性、隨機(jī)訪問(wèn)性、可追加性、可共享性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋觀測(cè)領(lǐng)域存儲(chǔ)和交換數(shù)據(jù)。根據(jù)我國(guó)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用需求，定義基于NetCDF的海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)格式，如圖1所示。

基于NetCDF的海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)定義領(lǐng)域內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù)交換的一般標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)交換數(shù)據(jù)，使得具有普遍異構(gòu)性的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)以一種通用標(biāo)準(zhǔn)樣式被各類(lèi)web服務(wù)所調(diào)用，解決數(shù)據(jù)交互困難的問(wèn)題。海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)所定義的格式包括六部分內(nèi)容。
(1)ObservationData（觀測(cè)數(shù)據(jù)）：建立海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)，用于標(biāo)識(shí)一個(gè)交換數(shù)據(jù)文件，其中，id為數(shù)據(jù)標(biāo)簽，name為數(shù)據(jù)解釋?zhuān)琌bservationData建立的交換數(shù)據(jù)文件包含一個(gè)維度，多個(gè)變量；
(2)Dimension（維度）：解釋海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)形式，一個(gè)海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)文件包含唯一一組維度定義，Dimension給出交換數(shù)據(jù)各數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的排列，本文給出維度的固定格式，包括：數(shù)據(jù)層次說(shuō)明（level）、緯度（latitude）、經(jīng)度（longitude）和時(shí)間（time）；
(3)Variables（變量）：對(duì)于維度中各參數(shù)的說(shuō)明，包括參數(shù)名、對(duì)應(yīng)參數(shù)類(lèi)型以及參數(shù)的取值；
(4)DataType（數(shù)據(jù)類(lèi)型）：通用數(shù)據(jù)類(lèi)型說(shuō)明；
(5)Attributes（屬性）：變量所包含的屬性說(shuō)明，其組成為屬性名（name）、屬性類(lèi)型（type）、屬性值（value），屬性是海洋交換數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)說(shuō)明，解釋包含作者、生成時(shí)間、數(shù)據(jù)來(lái)源等信息；
(6)Data（數(shù)據(jù)）：海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)內(nèi)容，所定義的數(shù)據(jù)內(nèi)涵與變量中聲明的數(shù)據(jù)標(biāo)簽一致。
圖2利用實(shí)例說(shuō)明海洋觀測(cè)交換數(shù)據(jù)形式。