空間數據溯源的概念、模型與服務

樂 鵬，郭 霞，張 晨 曉，張 明 達

（武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079）

0 引言

隨著傳感器平臺的發展，人們及時快速獲取大量地理空間數據的能力不斷提高。地球上空現在有150多個地球觀測衛星，這些衛星和無數的空基、陸基、海基傳感器觀測系統每天產生海量的地理空間數據［1］。數據系統也在不斷發展用以支撐科學數據處理。

傳統的地學數據產品通常由數據中心按照預定義的處理流程或工作流生成，在數據產品提供給用戶使用之前，處理算法、工作流、數據產品等一般在內部通過嚴格的有效性檢測，數據的可信度較高。隨著新一代信息基礎設施技術的發展，地球科學數據和數據處理資源在分布式環境下得以充分共享，地理信息網絡服務在地理空間領域得到了廣泛應用，地學數據和服務從網絡中發現和動態聚合，由于空間數據分發和處理的廣泛性、頻繁性和不可預知性，空間數據溯源信息在空間數據產品追蹤溯源、更新、可靠性評估中凸現其重要性，在國際上已經成為地球空間信息科學網絡基礎設施建設的基礎問題。

數據溯源信息記錄了數據產品的起源信息，為用戶進行數據產品可用性和可靠性評估提供了重要參考信息。在科學研究領域數據溯源顯得尤為重要，科學家需要根據溯源信息來判斷數據的可靠性進而決定數據可否用于進一步的科學分析，數據溯源也可輔助用于解決信息基礎設施中的相關問題，包括提高數據共享和數據處理過程的透明度，保證數據產品的可信度，記錄數據處理服務提供者的信譽度，提高科學數據產品的可再現性等。本文主要討論地理空間領域的數據溯源，闡述空間數據溯源的基本概念，對空間數據溯源的研究內容、研究領域和地學領域數據溯源研究類別進行了詳細描述，從模型、層次、粒度和服務等方面探討了空間數據溯源的關鍵研究問題。

1 空間數據溯源的概念

目前，數據溯源（data provenance）因應用領域不同而具有不同的定義。在數據庫領域，數據溯源是指追溯數據及其在數據庫間運動的起源［2］；在科學工作流領域，數據溯源是追溯工作流中過程步驟、輸入輸出數據等信息的過程［3］；在網絡環境下，數據溯源是追溯產生網絡資源的實體、活動及機構信息［4，5］。

與空間數據溯源相關的研究早期可以理解為數據志（data lineage）。20世紀80年代末90年代初，Lanter在GIS中針對數據志圍繞地圖圖層的衍生過程開展了相關研究［6］。在《地理信息元數據》中國國家標準中，數據志記錄了數據的歷史沿革信息，包括獲取或生產數據使用的原始資料說明、數據處理中的參數、步驟及負責單位的相關信息等。萬維網聯盟將數據溯源定義為記錄數據生產、數據變化和數據傳遞過程中所涉及的個人、責任機構、數據實體以及相關活動等信息，是保證數據獲得可靠性、建立信任和實現責任制的重要基礎。維基百科中將數據溯源定義為科學工作流過程記錄的發生在數據轉換、數據分析及數據解釋等過程中的歷史數據。國內早期工作也將空間數據溯源稱為空間數據起源［7］。

本文將空間數據溯源定義為空間數據產品的歷史衍生信息。衍生信息包含的范圍較廣，包括工作流或網絡環境下數據生產過程中使用的方法步驟、工作環境、數據來源、數據生產者等信息，甚至可包含數據生產者的制圖行為、包含位置信息的傳感器資源和用戶自發地理信息等信息。在這些溯源信息的幫助下數據使用者可更為方便地了解數據產品具體的生產過程，有效評估數據產品的可信度與質量。

2 空間數據溯源概述

傳統的數據溯源研究多集中在數據庫系統領域［2，8，9］，隨著近幾年信息基礎設施的發展，科學工作流領域的數據溯源研究正在逐漸得到科學家的關注［10－13］。在服務科學中，《科學》雜志指出數據溯源是服務產品質量控制的重要元素［14］；美國國家科學基金會工作組認為一個健壯穩定的數據基礎設施應該具備支持數據溯源的能力［15］。多個國際會議都以此為主題展開研究討論：數據溯源與標注研討會（IPAW）（2002年至今）、數據溯源理論和實踐研討會（TaPP）（2009年至今）、數據溯源挑戰研討會（2006－2010），語義網與數據溯源管理專題討論會（SWPM）（2009年至今）。W3C數據溯源工作組于2013年正式發布了數據溯源模型推薦標準［16］。

在地理信息科學領域，科學家也開始關注數據溯源技術與地理科學數據系統的結合應用。美國國家科學基金會地學部聯合信息基礎設施辦公室啟動大規模的“地球立方”計劃籌備工作，地學數據溯源是其優先考慮的研究方向之一［17］。在地理信息科學網絡信息基礎設施建設中，空間數據溯源是一個關鍵研究挑戰［18］。國際開放地理信息聯盟OGC在第九、十階段的網絡服務互操作試驗中先后開展數據溯源的相關研究。

2.1 空間數據溯源研究內容

（1）溯源建模。在不同應用領域，針對不同應用需求的數據溯源有著不同的建模和表達方法。數據溯源表達包括溯源模型建立和實現方法。溯源模型能夠支持在數據產品之間的溯源關系查詢和數據處理過程中的溯源信息查詢，代表性的數據溯源模型有：W3C PROV Data Model （PROV-DM）［4］、ISO 19115 Lineage Model。

（2）溯源信息捕獲。在數據量較小的情況下，使用人工或者自動化方式記錄溯源信息都是可行的。然而在開放網絡環境下由于數據量較大及數據處理操作頻繁且復雜，使得人工捕獲和記錄溯源信息非常困難，因此如何高效自動地捕獲數據溯源信息是數據溯源的一個重要研究內容。為實現自動捕獲溯源信息，需要在科學工作流引擎中以及數據處理服務中添加相應的溯源信息捕獲功能。

（3）溯源信息存儲。溯源信息通常被看做是元數據的一種，并與其他的元數據緊密相關。溯源信息既可以存儲在已有的元數據目錄數據庫中，也可以存儲在獨立的存儲系統中，專門用于存儲管理溯源信息的系統稱作數據溯源倉庫。這兩種存儲方式都應該支持溯源信息的分布式存儲，由于溯源信息量很大，所以溯源信息存儲系統的數據處理能力以及請求響應能力要足夠強大才能滿足開放網絡環境下溯源查詢的要求。

（4）溯源信息查詢。溯源信息查詢的設計應該考慮到查詢接口、查詢語言、可查詢和可返回的溯源信息內容。查詢接口定義了溯源查詢的協議和操作方法；查詢語言，比如結構化查詢語言SQL，定義了數據類型；溯源信息內容取決于溯源模型和溯源信息的表達要求。

（5）溯源信息可視化。溯源信息可視化有助于用戶更加清晰直觀地了解數據產品的溯源信息。可視化界面的設計應該簡潔易懂，用戶通過簡單的操作就可以查找到數據產品的溯源信息，溯源信息可視化還有助于用戶更好地了解和評估數據產品。例如，孫子恒等開發了一個用于數據溯源查詢可視化的原型系統GeoPWProv，可以實現不同級別的溯源信息導航和溯源信息可視化［19］。

（6）數據溯源應用。數據溯源應用包括數據質量評估、數據查詢索引、數據產品拷貝和知識產權保護等［11］。在科學研究領域，數據質量評估是數據溯源的主要應用方向。數據溯源信息中的原始數據信息和歷史衍生信息有助于用戶評價最終數據產品的質量；在追溯數據產品生產的過程中查找發現錯誤異常；記錄了數據生產過程中詳細生產信息的工作流可以用來拷貝制作新的數據產品；包含了數據生產者信息的溯源信息可以用來保護數據生產者的知識產權。

2.2 數據溯源研究領域

（1）數據庫。數據庫領域的數據溯源記錄了數據庫中一個視圖或者表的生成過程，包括使用的查詢語句和查詢參數。通過逆向視圖的生成過程可以查詢到視圖中數據的源數據，進而可以選擇更新視圖或者刪除視圖。逆向視圖或者表的生成過程是數據庫領域中數據溯源的典型用法［8，9，11］。

（2）命令腳本。科學工作中腳本被廣泛用于數據處理。科學工作流腳本本身可以進行一些簡單的數據處理，將多個可執行命令和腳本結合起來可執行復雜的數據分析操作。在同一環境下，擁有數據處理功能的腳本的動作可以被腳本自動捕獲。在基于腳本處理的環境中，Foster提出了Chimera系統結合分布式數據網格技術進行數據溯源應用［20］；Bowers提出了科學工作流領域的Kepler系統［21］。

（3）服務。面向服務的架構允許資源和應用的分布式協同工作來進行數據處理和科學發現。科學工作流引擎能夠將單獨的服務串聯起來形成服務鏈執行某一處理任務，工作流引擎在執行數據處理的同時也在捕獲溯源信息，包括服務鏈上每一個服務使用的參數和服務的提供者等信息。Miles提出了跨領域應用的面向服務架構的數據溯源方法［22］。

（4）語義網。語義網技術包括資源描述框架RDF、網絡本體語言OWL、SPARQL查詢語言等。語義網技術的發展為數據共享提供了更加便捷有效的途徑，同時也為數據溯源的發展提供了支撐［23］。語義網環境下的數據關聯技術有助于更有效的信息查詢整合［24］，Zhao等提出用本體概念注釋溯源日志［25］。Golbeck提出了溯源本體論，結合語義網絡服務描述實現溯源信息表達查詢［26］。

2.3 地學領域數據溯源研究類別（圖1）

（1）地理信息系統。數據溯源在地學領域中的應用要追溯到20世紀90年代，Lanter最早提出在GIS中引入數據溯源的應用［6］，Veregin等在GIS軟件中進行空間分析的同時記錄溯源信息，用以進行誤差傳播分析［27］；樂鵬等提出在地理處理工作流中進行元數據追蹤［28］，使用元數據進行地理數據產品的可用性和可靠性評估［29］，并開發了基于數據溯源信息的空間信息服務質量評價模型系統［30］。

（2）地球科學數據系統。地球科學數據系統需要長期保存管理大量的科學數據，數據溯源技術為更加有效存儲管理這些數據提供支持［31］，同時提高了數據集的可信度和可復演性［32］。Frew等在基于腳本的遙感數據處理工作流中添加溯源模塊，實現遙感數據的溯源信息追蹤［33］；Tilmes等討論了地球科學數據處理系統中的關鍵問題［34］；Plale探討了地球科學領域數據溯源功能設計的架構問題［35］。

（3）空間信息網絡服務。地球科學領域的傳統數據溯源研究多關注單機環境下的溯源信息捕獲、表達和應用，然而單機環境下的數據溯源應用不支持分布式溯源信息查詢共享。分布式環境下的面向服務架構為數據溯源發展提供了廣闊前景［36］。在面向服務的分布式環境，數據資源和數據處理資源發展為以服務的形式提供給用戶進行調用，由于數據和處理資源存儲在分布式數據系統中，用戶在分布式環境下進行科學數據分析處理時不必下載到本機，只需遠程調用和處理這些數據資源即可［37］。狄黎平提出在網絡服務工作流環境中將ISO19115和ISO19115-2溯源信息模型結合起來進行數據溯源建模［38］；樂鵬提出使用基于CSW標準的OGC目錄服務實現溯源信息共享［39］，并通過擴展已有的空間目錄服務注冊模型實現溯源信息注冊與發現［40］。

（4）對地觀測傳感網。數據溯源是傳感網環境下的重要研究問題［41］。Panti用關聯數據方法進行傳感網數據的溯源建模和查詢［42］；Ledile利用溯源信息解決傳感網數據存儲中的數據命名和數據索引問題［43］；Park等提出了一種跟蹤傳感網發布環境下傳感網數據的變化過程的方法［44］。

3 關鍵研究問題

3.1 空間數據溯源模型

在地理科學領域中采用基于標準的溯源信息模型對溯源信息的處理及共享有重要意義。國際標準組織科技委員會為地理信息領域制定了一系列元數據標準。ISO 19115：2003定義了地理信息元數據標準。ISO 19115-2：2009擴充了ISO 19115：2003，在新標準中添加了圖像和柵格數據元數據標準，為科學工作流數據溯源制定了專門的元數據類別。目前19115-1版本正在討論中，其中Lineage已被從數據質量元數據包中移出，作為MD＿Metadata直屬的一個元數據包。ISO 19130：2010定義了地理定位圖像傳感器模型標準。ISO19130-2：2012補充添加了合成孔徑雷達、干涉測量合成孔徑雷達、光探測與測量、聲吶等傳感器的元數據標準，據此標準可得到記錄某觀測現象的傳感器信息。ISO的溯源模型（圖2）提供了一些簡單的元素，用于描述地理數據生產過程中所涉及的過程步驟、輸入輸出數據及控制者等信息。

然而要全面記錄地理科學數據生產以及處理過程中的溯源信息以實現地球科學數據的長久利用，僅有這些標準是不夠的。其他組織通過擴展通用信息領域的溯源模型，實現了以互操作的方式進行地理科學數據產品溯源信息的存儲、表達和共享。IPAW定義了主要用于科學工作流領域的開放溯源信息模型OPM。W3C組織在總結了OPM等數據溯源模型的基礎上提出PROV-DM溯源模型［4］，具有較好的通用性。為了實現在分布式環境下的溯源信息交換共享，通過建立模型間的映射（圖3），將PROV-DM模型和ISO19115模型相結合進行數據溯源建模，兩種模型的結合既滿足了地理科學領域特殊的溯源信息表達需求，又實現了在分布式環境下的溯源信息共享要求［36］。

3.2 空間數據溯源層級

在面向服務的分布式環境中，地理空間數據產品經過空間處理服務生成，此環境下的數據溯源信息層次可以分為3層（圖4）：第一層是知識層數據溯源信息，由過程模型通過各處理節點間的控制流和數據流及空間信息服務類型和空間信息數據類型等信息抽象描述了數據產品的衍生過程；第二層是服務層數據溯源信息，其描述了數據產品經過哪些服務處理生成，既包括單個服務也包括由多個服務組成的服務鏈溯源信息；第三層是數據層數據溯源信息，包含了處理過程中的數據溯源信息，這些信息包括地學數據溯源數據類型、溯源數據類型及處理過程中應用的參數以及綁定值等信息。

知識層數據溯源信息記錄了生成地理空間數據產品的處理模型信息，利用該層的信息，用戶可查看處理模型的選擇是否合適，如不合適可選擇更換處理模型生成新的數據產品。服務層數據溯源信息具體描述了生成數據產品的服務鏈信息，得到服務類型信息，用戶可結合服務性能和處理精度選擇其他替代服務生成新的數據產品。數據層數據溯源信息有助于用戶分析誤差來源及誤差傳播等。

圖4 空間數據溯源的3個層次Fig.4 A three-level view of geospatial data provenance

3.3 空間數據溯源粒度

捕獲數據溯源信息時可以根據粒度的大小分別記錄數據溯源信息。空間數據溯源的內容涉及不同空間數據類型、數據處理流程、空間處理算法、算法執行參數等，針對不同的空間數據類型，需要區分不同粒度的空間數據溯源。針對矢量數據，涉及地理要素集和要素層次的溯源信息。針對柵格數據，涉及文件和像素層次的溯源信息。具體而言：1）要素級別溯源，記錄矢量圖像上某一矢量要素的溯源信息。以矢量數據融合為例，對于融合產生的新數據，除了記錄輸入的源地理要素集和目標地理要素集外，往往需要記錄細粒度溯源信息。包括幾何和屬性溯源信息，以查詢融合結果中的地理要素是由哪兩個地理要素通過何種融合處理生成，例如地理要素的幾何數據來自哪個地理要素，幾何融合算法參數（如最大距離）、屬性數據來自源數據或目標數據中的哪個屬性、屬性融合方法參數（如編碼轉換）等。地理要素集可以理解為一個數據集，其溯源信息屬于粗粒度，適用于地理要素集內的所有地理要素，而要素層次的溯源信息為單個地理要素所特有，屬于細粒度的溯源信息。2）像素級別溯源，記錄柵格影像上一個像元的溯源信息。針對柵格數據，以影像覆蓋數據為例，一個全球的數字地形高程覆蓋數據往往是由多個數字高程模型（DEM）傳感器數據源聯合生成，這些DEM數據源在空間范圍、分辨率上存在不同，因此，在評價全球DEM數據某像素點上高程的精度時，用戶需要追溯該點高程數據來自哪個數據源。在該應用中，需要記錄像素級溯源信息。3）柵格影像AOI級別溯源，記錄柵格影像上用戶感興趣區域的溯源信息。當部分區域來源一致時，可以建立基于區域（Area of Interest，AOI）的溯源記錄（圖5）。如果考慮更粗粒度，可以僅記錄基于文件層次的溯源信息。

3.4 空間數據溯源服務

這些不同粒度的空間數據溯源信息，對傳統的空間數據模型和GIS軟件提出了挑戰，在建立一個支持溯源的GIS時，需要考慮不同的表達策略、捕捉策略、存儲策略和服務策略。現有的大多數數據系統并不支持數據溯源應用，隨著信息基礎設施在地理空間信息領域的發展，面向服務架構的數據溯源應用為空間數據溯源在信息基礎設施中的發展提供了新的前景。

本文結合不同粒度的空間數據溯源信息，以開放式空間信息服務為實現環境，提出適應空間信息服務架構的空間數據溯源服務參考框架。一方面同時考慮地理要素集和要素層次的溯源信息共享，另一方面考慮在設計上實現與已有系統兼容，即與空間信息服務架構的融合。空間數據溯源的管理遵循面向服務思想（圖6），溯源信息在空間數據處理服務以及服務鏈執行過程中被捕獲，用戶可以通過服務請求數據處理結果，服務鏈執行過程中的溯源信息被發布到網絡目錄服務中，傳統的目錄服務并不支持溯源信息相關的服務。通過擴展網絡目錄服務信息注冊模型以兼容標準元數據目錄服務接口為用戶提供空間數據溯源服務。遵循一定標準的客戶端通過元數據目錄服務接口與目錄服務進行通訊，發送溯源請求并得到返回結果。用戶可以發送不同粒度的數據溯源請求來訪問相應溯源信息：網絡目錄服務提供數據集級別的溯源信息服務，網絡要素服務則提供要素級別的溯源信息服務。

本實驗中，網絡目錄服務和網絡要素服務分別由開 源 軟 件 Omar［45］和 GeoServer［46］實 現。Omar提供了網絡目錄服務的接口，它采用PostgreSQL進行數據存儲。GeoServer是一個開源GIS服務器，支持Shapefile格式或PostGIS表格形式的地理要素數據的發布。網絡處理服務由空間信息處理服務平臺GeoPW［47］提供。GeoPW提供了不同空間數據類型和格式的空間數據在線分析處理服務。空間信息處理服務執行的一般流程為：服務接收輸入數據和運行參數，解析之后傳給處理算法，并將算法執行結果重新發布為網絡數據。不同層次的溯源信息在不同階段進行捕獲。數據集的溯源在算法外部捕獲，記錄處理服務的輸入、輸出、處理過程等信息；要素級別的溯源信息在算法內部捕獲，記錄單個要素的溯源信息。空間數據溯源服務原型系統的實現主要是對GeoPW的空間信息處理引擎進行擴展，對其執行日志進行語義標注，或通過服務代理收集各個空間信息服務提供的溯源信息。其中數據集級別的溯源信息遵循擴展的網絡目錄服務信息注冊模型，可將其送往Omar后臺數據庫中，用戶向該目錄服務發送查詢請求，即可從數據庫中查找相應信息，將結果返回給用戶界面。如圖7顯示了數據集層次的溯源信息。空間信息處理服務的輸入數據可來自GeoServer提供的網絡要素服務，在空間信息處理服務執行過程中，要素級別的溯源信息存放在地理要素數據的屬性表中，通過對GeoServer的網絡要素服務請求即可獲得要素級別的溯源信息。本實驗利用開源GIS工具集Geo Tools實現了要素級別溯源信息查詢客戶端。如圖8演示了在客戶端對要素溯源進行可視化的界面，用戶可以點擊查詢相應要素的溯源信息，如圖上彈出對話框所示。

圖7 祖輩數據溯源Fig.7 Ancestor tracing of feature types

本文的空間數據溯源服務原型系統可與已有的空間信息服務架構兼容。在使用目錄服務存儲和管理地理要素集溯源信息時，對網絡目錄服務信息注冊模型進行了針對地理數據溯源模型的擴展，從而能夠基于互操作接口訪問空間數據溯源信息。要素層次的溯源信息與現有地理要素數據結構耦合，在縮減溯源信息存儲空間的同時，從溯源層面豐富了現有的地理要素模型，能利用現有的空間數據管理軟件進行溯源查詢。通過重用現有的數據模型及服務架構，該溯源服務原型系統既能實現地理要素集和要素層次溯源信息的自動捕獲和共享，也為其他溯源系統的構建提供了可借鑒的方式。

4 結語

空間數據溯源是地理科學數據管理和處理的重要研究內容。本文詳述了空間數據溯源的研究現狀，包括空間數據溯源的概念、研究內容、研究領域、已有的成果以及關鍵研究問題。其中在關鍵研究問題中指出一個基于標準的數據溯源模型是實現科學數據產品間溯源信息共享的基礎。不僅如此，文中提到了分布式環境下空間數據溯源的分層思想和溯源信息粒度理論，為數據溯源系統的設計提供了科學依據。地理空間領域信息基礎設施的發展為數據溯源應用帶來了新的挑戰，文中提到的關鍵問題為空間數據溯源未來的發展提供了新的方向和指導方案。

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