当前位置:文档之家› WebService的地球系统碳循环建模框架

WebService的地球系统碳循环建模框架

文章编号:1672-1589(2012)02-0057-04中国分类号:N945.12文献标识码:A

基于Web Service的地球系统碳循环建模框架研究

毛曦1,李琦1,张子民2

(1.北京大学遥感与地理信息系统研究所,北京100871;2.山东建筑大学土木工程学院,山东济南250101)

摘要:在分析了现有地球系统碳循环模型后,提出了基于Web Services的建模框架方案。定

义了地球系统碳循环建模框架的体系结构,设计了地球系统碳循环模型服务的元数据。最后,

构建了地球系统碳循环模型服务耦合与兼容性校验方式。实验表明,基于Web Services的地

球系统碳循环建模框架可以实现网络环境下异构碳循环模型服务的集成建模。

关键词:Web Services;碳循环模型服务;集成建模

Web Services Based Urban Area Carbon Cycle Modeling

Framework Research

MAO Xi1,LI Qi1,ZHANG Zi-min2

(1.School of Earth and Space Science,Peking University,Beijing100871,China;

2.School of Civil&Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan250101,China)

Abstr act:Analysis the geographic service standards,this paper proposed Web Services based earth system carbon cycle modeling framework.And it defined the earth system carbon cycle modeling framework architecture,design earth system carbon cycle model service metadata. Finally,it constructed the earth system carbon cycle coupling and compatibility check manner. Experiment shows that the method for earth system carbon cycle modeling framework based on Web Services proposed here is practical and feasible.

Key wor ds:Web Services;Carbon Cycle Model Service;integrated modeling

毛曦(1983-),男,浙江温岭人,讲师,博士,主要从事地学建模等教学与研究。E-mail:maoxi.1122@

https://www.doczj.com/doc/c81105872.html,

收稿日期:

2012-01-20

0引言

当前,全球气候变化问题已经成为人类共同关注的焦点。IPCC 第四次报告认为“自20世纪中叶以来所观测到的全球平均气温的升高,极有可能归因于人为导致的温室气体的增加”[1],如何对于地球系统碳循环进行建模是全球气候变化问题研究的关键环节。然而,在地球系统碳循环的研究过程中,我们看到,一方面,在地球碳循环研究领域内已经存在大量的模型,而新的应用往往又需要频繁地使用这些模型。为了提高构建新应用的效率,研究者希望能够将模型封装成可以被方便重用的黑盒子,并能够快速集成到新的应用中;另

一方面,跨学科研究在地学、环境、

生态、社会等学科中越来越重要。

为了实现学科间的知识共享,来自

不同领域的黑盒子要求能够相互

调用并交换数据[2]。因此,能够高效

快速集成各类异构模型的建模框

架正逐渐成为地学研究的热点。

现有的地球系统碳循环相关

模型由不同研究人员在不同的技

术条件下所开发,存在着很强的异

构性,主要体现在系统、结构、语法

和语义等几个方面:系统级的异构

是指地理分析模型存在于不同的

主机、操作系统和网络中;结构级的

异构是指数据结构、接口和模式上

的不同;语法级的异构是指数据类

型、格式的差异;语义级的异构则是

指在一定领域内专用词汇意义的

难以通用和交流[3]。现有的建模框

架研究主要采用基于模块的集成

建模技术,专注于在结构级与语法

级的异构性屏蔽[4]。基于模块的集

成建模技术要求将模型封装成符

合一定要求的模块,要求模型组件

必须遵循特定的接口规范,在建模

环境中集成到一起。虽然这类方法

增强了空间模型的共享和复用能

力,而且也促进了模型的标准化,

但是,模块之间能够相互通信必须

依赖于建模环境,不同建模环境间

很难交换与共享模型模块。然而,

现有大量的地球系统碳循环相关

模型属于不同的机构,

使用不同的

学术研究

地理信息世界

GEOMATICS WORLD

2012.04No.2

https://www.doczj.com/doc/c81105872.html,

建模工具开发,采用不同的专业术语,基于模块的集成建模技术还无法利用这些系统与语义异构的地球系统碳循环模型。

本文在提出了基于Web Services 的地球系统碳循环基础建模框架,屏蔽模型在系统与语义层面的异构性,提高了地球系统碳循环模型的利用率,从而实现了网络空间下的地球系统碳循环集成建模。

1地球系统碳循环模型

地球系统碳循环是个高度开

放的复杂巨系统,现有的地球系统碳循环模型主要从地球系统碳循环平衡的角度出发,通过计算大气、海洋、陆表生态以及化石燃料碳库,这四个地球系统碳库之间的碳通量,来模拟碳在地球系统中的循环过程(如图1所示)。近年来许多大型国际科学计划都将这些通量的计算设为主要的研究目标。

1.1陆地生态系统碳循环模型

陆地生态系统是其中最活跃

的碳库,也是人类活动集中的场所,是现有地球系统碳循环建模的核心问题。陆地生态系统与大气之间的碳交换主要通过四个途径:总初级生产、植物自氧呼吸、异氧呼吸及燃烧释放(如图2所示)。总初级生产力GPP 直接反映了从大气中进入陆地生态系统的碳总量。由于陆地生态系统碳循环受太阳辐射和气候条件所控制,因此,总初级生产力GPP 可表达为:

GPP (FPAR ,PAR )=FPAR ·PAR ·LUE

·(T ,W ,CO 2)其中:FPAR 为光合辐射截留率;PAR 为总光合辐射;LUE 为光合利用率;T 为温度;土壤湿度W 和大气中CO 2浓度对辐射的实际光合利用效率的影响。

1.2海洋碳循环模型

海洋碳库中的碳储量约是大

气中的50倍,海洋对于调节地球系统中的碳循环起着决定性的作用。海———气之间CO 2的净通量主要受界面间的浓度差和交换系数的影响。目前,主要采用基于膜模式的交换机制来描述海———气之间的交换过程,如图3所示,其中的C g ,C sg ,C s1,C 1分别为气相中的整体浓度、界面处(空气膜与水膜)的

浓度以及水体中的整体浓度。

计算海洋碳通量的主要模型是质量平衡法,其公式为:

Flux=Kg (P CO 2

sw -P CO 2

atm )

其中:Kg 为交换系数;P CO 2

sw 为海

洋CO 2分压;P CO 2

atm 为大气CO 2分压。

现有的地球系统碳循环模型还存在着极大的不确定性,利用现有的模型计算出的地球系统碳循环总源和总汇相抵后,还有一个很大的差值。造成不确定性的原因除了地球系统碳循环涉及很多的影响因素,以及尚有一些机理没有清楚外,在建模的过程中需要综合各个领域的模型与知识,也是一个重要的因素。

2

地球系统碳循环建模

框架系统结构

2.1

模型网络服务

Web Services 作为一种部署在

网络上的对象或者组件,具备良好的封装性,能够在屏蔽程序异构性的同时保留其所具有的自治性,实现松散耦合的分布式互联。为了解决地理信息领域的异构问题,OGC

(Open Geospatial Consortium)也基

于Web Service 技术制定了WMS ,

WCS ,WFS 等系列地理信息服务规

范[8],为地理信息的共享提供了技术基础。

因此,本文依据Web Services 技术与OGC 地理信息服务标准来封装地学模型,实现地理模型网络服务。这些模型服务按照上述的标准统一对外提供服务,建模者不需关心模型的实现细节与部署节点便可使用模型服务,更无需编写任何程序代码即可完成空间模型的耦合,从而使研究者能够将更多的精力投入在模型的科学方面,而不是模型的技术实现上。

2.2系统架构

地球系统碳循环建模框架是

将数据和信息转化成专业领域知识的重要手段和途径。作为支持地球系统碳循环模型建模、管理、耦合和服务的系统软件,在逻辑上由接口层、服务层和模型层组成(如

图3

海洋水-汽交换示意图[7]

Fig.3Water-Vapor exchange of Ocean

[7]

图1地球系统碳循环[5]

Fig.1Carbon cycle of Earth System

[5]

图2

陆地生态系统碳循环过程[6]

Fig.2Carbon cycle of Terrestrial

ecosystem

[6]

学术研究

58

地理信息世界

GEOMATICS WORLD

2012.04No.2

https://www.doczj.com/doc/c81105872.html, 图5

模型服务元数据

Fig.5Model Service

metadata

图4所示)。

模型层由空间数据库和模型库组成,其分别用于存储模型计算所需的数据和模型组件。模型库中每个模型都有各自的工作路径,用于存储模型的配置文件和输入、输出数据。

服务层为整个建模框架的核心,是连接用户和模型间的桥梁,支持着模型服务系统功能的实现。模型层的所有模型都按照服务的标准,封装后在服务层进行注册,而用户在接口层输入的建模或调用操作都由服务层进行统一的处理分发,并进一步通过对模型层的调研得到实现。

接口层为用户使用模型服务系统的功能提供了操作界面。系统采用基于浏览器/服务器的结构,主要为广大用户进行模型服务的浏览、查看、调用等操作,同时为模型

创建者提供模型服务注册的功能。

3

地球系统碳循环模型的服务元数据

在本系统中,设计了一个由三

层元数据(应用元数据、组件元数据和变量元数据)和五个元数据对象(地理网格、时钟、单位、提供者和研究领域)构成的模型服务元数据方案。图5给出了这些元数据层和元数据对象的主要内容,以及它们之间的引用关系。

应用层处于模型服务元数据的顶层,记录了使用模型服务的应

用程序的元数据,主要包括应用的名称、包含顶层模型的代码、应用定义的地理网格的代码和时钟的代码、应用创建机构的代码、应用创建和最后修改的时间、应用所属的领域分类等。

服务层记录了封装模型的服务元数据,主要包括模型服务的名称、耦合的两个模型服务的代码、模型服务定义的地理网格和时钟的代码、模型服务创建的时间和机构的代码、模型所属的领域和模型中所定义的公共变量等。

变量层元数据记录模型的公共变量的元数据,主要包括变量的名称、数据类型、变量单位的代码、缺省值、变量所属的领域和一个变量的映射列表等。在映射列表中,变量记录了具有相同物理意义的变量的代码。

当模型提供者将模型提交到

建模框架中时,提供者还需要按照以上的方案来填充模型的元数据。如果建模者在建模框架中通过耦

合方式来创建模型,则系统能够根据复合模型的结构自动创建模型的元数据。

4

地球系统碳循环模型服务的耦合

4.1

模型服务结构

为了支持模型的耦合操作,建

模框架将模型服务划分成两类:包含具体模型组件的基本模型服务和包含耦合其他模型服务的复合模型服务。建模耦合就是一个不断将模型(基本模型或复合模型)集成在一起的过程,其结果是形成一个如图6所示的具有树状结构的顶层模型。

4.2模型服务耦合方式

耦合方式决定了两个子模型

服务之间的数据依赖关系,这种关

系体现在耦合模型服务调用子模型服务的顺序上,并在耦合模型服务被实例化时最终确定。

三种模型服务耦合方式被设计:单向,对称双向,循环双向。假设模型A 和模型B 耦合成模型C ,

图4

系统结构

Fig.4System

architecture

图6耦合模型服务的结构

Fig.6Structure of Coupling model

service

学术研究

59

相关主题
相关文档 最新文档