基于本体论的海洋流场语义分析与表达研究

doi:10.12082/dqxxkx.2018.180287

摘要/Abstract

摘要：

随着海洋观测技术的不断发展,人类获取的海洋数据也快速增长,由于海洋流场是整个海洋系统物质流和能量流输送的主要渠道,基于这些观测数据进行海洋流场迁移变化规律分析及可视化表达研究,对所有涉海领域均具有非常重要的意义。然而,由于海洋时空大数据集合的多源性和异构性等原因,至今尚未有令人满意的海洋流场数据集成共享和动态可视化分析工具,从而导致这些异源异构数据难以实现统一标准下的集成组织与语义共享。为了实现海洋流场语义层次上的统一描述,本文在分析了海洋流场多维特征、拓扑特征、模糊特征等基础上,基于本体论的语义构建思想,提出并构建了基于四元组O=（C,P,R,I）的本体组织基础结构,其中C表示概念集合、P表示属性集合、R表示概念间的关系集合、I表示实例集合,通过对概念、属性、关系结构的进一步定义,共同组合构成了海洋流场整体本体结构。为了给出清晰的本体语义建模过程,以海流现象局部本体构建为例,在对成因性、空间性、时间性、运动性等本体属性分析的基础上,进行了海流概念、本体属性、语义关系的描述和定义,从而为海洋流场组织提供一个规范性框架。进而借助OWL语言本体建模的优势,以地转流为例进行了其形式化表达和本体类构建。研究结果表明,基于本体的海洋流场语义分析方法能有效地解决传统海洋现象描述中的异构问题,可为海洋信息共享与集成研究提供参考。

关键词: 海洋流场, 时空特征, 本体建模, 语义分析, OWL语言

Abstract:

With the development of ocean monitoring technologies, the people are getting more and more ocean data. Because the ocean flow is the main channel for material and energy transportation in the whole ocean system, it is of great significance for all sea related fields to analyze the migration law and visualize the change of the ocean flow field based on these ocean data. However, due to the characteristics of multi-sources and heterogeneity of these ocean space-time large datasets, there are still no satisfactory models and tools for spatio-temporal data analysis and dynamic visualization of ocean flow field. It is also very hard to organize and share these heterogeneous data at an unified standard. For this reason, in order to realize the unified description of ocean flow field at semantic levels, based on the analysis of multi-dimensional, topological and indefinite characteristics of the ocean flow, and based on the idea of ontological semantic analysis, this paper proposed and constructed an ontology organization infrastructure which was composed of four tuples, O=(C,P,R,I), in which C is the collection of concepts, P is the collection of attributes, R is the collection of relationships between concepts, and I is the collection of instances. By combining the definitions of concepts, attributes, and relational structures, the paper constructed the whole ontology structure of ocean flow field. In order to give a clear ontology semantic modeling procedure, the paper took the local ontology construction of ocean current phenomena as an example, gave the definition of concepts, ontology attributes and semantic relationships of ocean flow filed based on the analysis of ontological attributes such as causes, spatiality, temporality, and mobility, providing a specification framework for the organization of ocean flow data. Taking the geostrophic current as the example, with the advantage of Web Ontology Language (OWL) on modeling and constructing ontology, the paper gave the formal expression and constructed the related ontology classes of the geostrophic current. The research showed that the ontology based ocean flow field semantic analysis method could effectively solve the heterogeneous issues in the traditional marine phenomenon description, and could provide certain references for the study of marine information sharing and integration.

Key words: ocean flow field, spatio-temporal characteristics, ontology modeling, semantic analysis, web ontology language

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图/表 6

图1

表1

表2

表3

表4

图2

参考文献 28

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本体属性类型	描述	复合属性	描述
成因性	海流现象的形成因素,如温度、海水密度等	受力	表达海流具体受力类型及平衡状态
		海水密度	表达密度分布状态
		压场变化	表达海水压场状态
空间性	描述海流空间特性	空间形态	特有的形态特征,如涡旋呈螺旋状
		分布区域	空间位置信息
		范围尺度	流场现象分布尺度级别,分为大、中、小3种尺度
时间性	描述海流现象的时间变化,分为周期性变化和时刻变化	周期性变化	针对大规模的海洋现象,呈现季节性、年际性、定常性等特征
时间性	描述海流现象的时间变化,分为周期性变化和时刻变化	时刻变化	包括流场现象生成、持续、消亡的具体时刻
运动性	描述海流的运动状态	水平运动状态	以海流运动方程为基础,描述海流运动过程
		垂直运动状态	以海流运动方程为基础,描述海流运动过程
		流速	海流的运动速度,通过海洋调查测量设备获得
		流向	海流的运动方向,通过海洋调查测量设备获得

关系	表示	含义
部分与整体	part-of	表示概念间整体与部分之间的层次关系
上下义	kind-of	表示概念间分类层次关系
概念与属性	attribute-of	表示属性与概念之间的所属关系
概念与实例	instance-of	表示概念与实例之间的所属关系

分类	关系	表示	含义
顺序关系	东	East	表示海流对象之间的方向位置关系,例如涡旋x位于涡旋y的东北方向
	南	South
	西	West
	北	North
	东北	NE
	西南	SW
距离关系	远	Far	表示海流对象之间距离的远近,具有模糊特性
距离关系	近	Near	表示海流对象之间距离的远近,具有模糊特性
拓扑关系	包含	Contain	表示对象的内部关系,即x包含y
	相离	Disjoint	表示对象间互不相接,即x与y都不存在具有部分关系的z
	相邻	Touch	表示对象间边界关系,即x与y只有边界部分的重叠,不存在内部重叠
	重叠	Overlap	表示对象间的重叠,即存在对象z,使得z既是x的一部分,又是y的一部分,同时x与y互相不包括

分类	关系	表示	含义
时间段间关系	早于	Before(T1,T2)	时间段T1的结束时间在时间段T2的开始时间之前
	晚于	After(T2,T1)	时间段T1的结束时间在时间段T2的开始时间之前
	在…期间	During(T1,T2)	时间段T2的开始时间在时间段T1的开始时间之后,T2结束时间在T1结束时间之前
	开始	Start(T1,T2)	时间段T1和时间段T2开始时间相同
	结束	End(T1,T2)	时间段T1和时间段T2结束时间相同
时间点与时间段间关系	在…之间	Inside(t,T)	时间点t晚于时间段T的开始时间,早于时间段T的结束时间