黃冬梅 張倩 王建 魏泉苗 史景聰 朱建鋼

(1上海海洋大學(xué),上海 201306; 2國家海洋局東海分局,上海 200136; 3中國極地研究中心,上海 200136)

0 引言

極地科學(xué)數(shù)據(jù)作為極地科學(xué)考察活動(dòng)所產(chǎn)生的原始性、基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)及其實(shí)驗(yàn)分析研究結(jié)果,具有重要的科學(xué)價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值[1]。自極地考察以來,各國相繼構(gòu)建極地?cái)?shù)據(jù)庫存儲(chǔ)和管理所獲取的極地科學(xué)數(shù)據(jù),如: 美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心[2]、英國南極調(diào)查局[3]、澳大利亞南極局[4]等。同樣,中國南北極數(shù)據(jù)中心(Chinese National Arctic and Antarctic Data Center,簡(jiǎn)稱NADC)作為我國極地?cái)?shù)據(jù)庫的極地區(qū)域數(shù)據(jù)共享運(yùn)行服務(wù)中心,已經(jīng)收集了我國極地考察20多年以來的主要極地科學(xué)數(shù)據(jù)[5],這些數(shù)據(jù)得來不易、非常寶貴,有必要進(jìn)行科學(xué)管理、深入挖掘和充分利用。

NADC是國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的一個(gè)特色分中心,自2009年進(jìn)入運(yùn)行服務(wù)階段以來為廣大極地科學(xué)工作者訪問和獲取極地信息提供了優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)資源,資源利用率大大提高,在極地科研建設(shè)中發(fā)揮著積極的作用。目前NADC采用的是考慮數(shù)據(jù)屬性的元數(shù)據(jù)方式發(fā)布和共享極地科學(xué)數(shù)據(jù)[6]。研究人員查找數(shù)據(jù)時(shí),主要依據(jù)極地?cái)?shù)據(jù)庫中提供的元數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵詞或主題詞的搜索,采用的匹配算法是通用的字符匹配方式。由此查找出來的信息關(guān)聯(lián)性較弱,會(huì)出現(xiàn)查不全和查不準(zhǔn)的問題。同時(shí)極地科學(xué)數(shù)據(jù)具有多學(xué)科交叉、數(shù)據(jù)的屬性信息與數(shù)據(jù)所處的空間位置直接關(guān)聯(lián)的特點(diǎn),而目前在極地元數(shù)據(jù)庫中沒有表達(dá)數(shù)據(jù)之間的空間關(guān)系的數(shù)據(jù)內(nèi)容,不能實(shí)現(xiàn)空間關(guān)聯(lián)信息查找。本體作為共享的概念模型的形式化說明,能對(duì)對(duì)象以及概念之間的相互關(guān)系進(jìn)行明確的定義,考慮空間關(guān)系的本體能夠清晰地表達(dá)空間數(shù)據(jù)之間的空間關(guān)系及語義關(guān)系[7],實(shí)現(xiàn)基于空間關(guān)系的數(shù)據(jù)匹配,提高數(shù)據(jù)的查全率與查準(zhǔn)率。

目前對(duì)極地本體研究的文獻(xiàn)少之又少,Cheng等[8]提出了考慮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)查詢模型,建立了極地本體,實(shí)現(xiàn)極地?cái)?shù)據(jù)共享平臺(tái)之間數(shù)據(jù)的一致性,但沒有對(duì)空間關(guān)系進(jìn)行研究。在考慮空間關(guān)系的本體構(gòu)建方面,宋佳等[9]研究了考慮 GML的時(shí)空地理本體模型,此模型包括要素模型、幾何模型和空間關(guān)系模型,并給出了應(yīng)用實(shí)例,但是 GML語言的語義表達(dá)能力較弱[10],并且文章沒有對(duì)概念分類體系和屬性分類體系做具體說明。馬雷雷等[11]提出了符合常識(shí)空間認(rèn)知的空間關(guān)系本體模型,但在本體構(gòu)建方法上卻沒有對(duì)空間關(guān)系的表達(dá)做詳細(xì)的描述。He等[12]提出了一種模糊空間關(guān)系本體驅(qū)動(dòng)的方法,其本體搭建的目的是用來檢測(cè)復(fù)雜的地理空間特征,并非為了數(shù)據(jù)檢索。Hudelot等[13]通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和描述邏輯學(xué)構(gòu)建空間關(guān)系本體,但構(gòu)建的是針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的本體,其涉及的空間關(guān)系不能完全適用于極地本體。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)資料來看,目前還沒有專門針對(duì)極地?cái)?shù)據(jù)并考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體構(gòu)建研究。

本文從研究極地科學(xué)數(shù)據(jù)的基本概念著手,提出了考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體構(gòu)建方法,并對(duì)其中涉及的概念模型、空間屬性、語義屬性和空間關(guān)系的表達(dá)進(jìn)行論述,最后利用protégé本體構(gòu)建工具完成考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體構(gòu)建與 OWL表達(dá),有效提高了極地?cái)?shù)據(jù)的查全率和查準(zhǔn)率,為極地科學(xué)數(shù)據(jù)的共享提供了有效的解決方案。

1 考慮空間關(guān)系的本體構(gòu)建方法

常見的本體構(gòu)建方法主要有骨架法、TOVE法、七步法等。骨架法[14]是一種構(gòu)建企業(yè)本體的方法,其主要步驟為: 明確本體的應(yīng)用目的和范圍,分析本體,表示本體,評(píng)價(jià)本體,建立本體。TOVE法[15]是多倫多大學(xué)企業(yè)集成實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研制的,其主要步驟為: 設(shè)計(jì)本體構(gòu)建動(dòng)機(jī),非形式化的能力問題,術(shù)語的規(guī)范化,形式化公理,使知識(shí)本體趨于完備。七步法[16]主要用于領(lǐng)域本體的構(gòu)建,其主要步驟為: 確定本體的領(lǐng)域及范疇,考察是否有可復(fù)用本體,列出重要術(shù)語,定義概念,定義概念的屬性,定義屬性的分面,創(chuàng)建實(shí)例[17]。骨架法和TOVE法沒有詳細(xì)描述關(guān)于如何獲取概念和屬性等的相關(guān)技術(shù)方法,七步法相對(duì)成熟,其更多考慮的是通用性,使得構(gòu)建的本體針對(duì)性不強(qiáng),沒有詳細(xì)描述具有空間位置信息的本體構(gòu)建策略,并且以上 3個(gè)方法也沒有考慮當(dāng)本體具體應(yīng)用發(fā)生變化后,需要進(jìn)行本體維護(hù)和本體進(jìn)化環(huán)節(jié)。

本文綜合上述幾種方法,以中國南北極數(shù)據(jù)中心的元數(shù)據(jù)庫為基準(zhǔn),考慮到極地元數(shù)據(jù)僅包含了數(shù)據(jù)所在的空間位置信息,但是沒有包含表達(dá)數(shù)據(jù)間空間關(guān)系的內(nèi)容,提出了一種考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體的構(gòu)建方法,構(gòu)建過程如圖1所示。

具體步驟描述如下:

1.需求分析: 確定極地本體的應(yīng)用目的、用途及用戶群體;

2.信息采集: 收集極地的元數(shù)據(jù)信息及用戶群體信息;

3.概念和屬性的抽取: 對(duì)極地?cái)?shù)據(jù)元數(shù)據(jù)項(xiàng)(比如空間范圍、地點(diǎn))進(jìn)行分析,定義概念及概念的屬性;

4.判斷概念與概念之間的關(guān)系:(1)判斷語義關(guān)系;(2)判斷空間關(guān)系: 判斷空間范圍項(xiàng)是否有值,如果有則取出精確位置; 反之,根據(jù)地點(diǎn)項(xiàng)獲得概略數(shù)據(jù)范圍,根據(jù)精確位置信息或概略數(shù)據(jù)范圍判斷數(shù)據(jù)間的空間關(guān)系;

5.利用本體構(gòu)建的5條準(zhǔn)則對(duì)極地本體進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)是否符合標(biāo)準(zhǔn),若不符合,返回3。直至滿足要求;

6.用本體構(gòu)建軟件構(gòu)建極地本體,通過NADC元數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例數(shù)據(jù)庫構(gòu)建;

7.對(duì)極地本體進(jìn)行歸檔;

8.如果極地本體有新的概念、屬性及關(guān)系的加入,從步驟3開始對(duì)已構(gòu)建本體進(jìn)行擴(kuò)充與更新。

圖1 考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體構(gòu)建方法Fig.1.Construction method of polar scientific data ontology considering spatial relations

2 考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體模型框架

本體是對(duì)數(shù)據(jù)共享概念模型的形式化說明,描述極地科學(xué)數(shù)據(jù),需要對(duì)其有關(guān)的語義概念、屬性和數(shù)據(jù)間的關(guān)系進(jìn)行概括說明,除通用領(lǐng)域本體模型框架中包含的語義概念分類、數(shù)值屬性分類和語義關(guān)系分類外,本文考慮極地科學(xué)數(shù)據(jù)所具有的空間位置特征,在數(shù)據(jù)間關(guān)系描述中增加了空間關(guān)系分類,構(gòu)建了考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體模型框架,如圖2所示。

其中,極地科學(xué)數(shù)據(jù)語義概念分類體系是根據(jù)NADC元數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)特征,并考慮本體構(gòu)建的實(shí)踐確立的,分為數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)本質(zhì)和數(shù)據(jù)形態(tài); 極地科學(xué)數(shù)據(jù)屬性分類提取了元數(shù)據(jù)中只具有描述性的數(shù)據(jù)項(xiàng)并進(jìn)行概括抽象后確定的,包括分辨率、采集高度深度、空間范圍、采集時(shí)間和數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí); 極地科學(xué)數(shù)據(jù)語義關(guān)系描述的是概念與概念、概念與實(shí)例、實(shí)例與實(shí)例之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,分為父子關(guān)系、等同關(guān)系、互斥關(guān)系以及類與個(gè)體關(guān)系; 極地科學(xué)數(shù)據(jù)空間關(guān)系是極地空間實(shí)例之間存在的與空間特性有關(guān)的關(guān)系,分為拓?fù)潢P(guān)系、度量關(guān)系和方位關(guān)系。

圖2 考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體模型框架Fig.2.Model framework of polar scientific data ontology considering spatial relations

3 極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體構(gòu)建

構(gòu)建完整的考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體,需要將數(shù)據(jù)中的語義概念、數(shù)據(jù)屬性、語義關(guān)系和空間關(guān)系進(jìn)行清楚的表達(dá)。根據(jù)中國南北極數(shù)據(jù)中心的元數(shù)據(jù)庫內(nèi)容和極地科學(xué)數(shù)據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)情況,目前,主要可獲得的數(shù)據(jù)信息包括: 標(biāo)識(shí)符、標(biāo)題、空間范圍、時(shí)間范圍和搭載平臺(tái)等。但是這些信息不能直接用來構(gòu)建極地本體,需要對(duì)這些信息進(jìn)行工程化和系統(tǒng)化的處理和擴(kuò)展。

3.1 語義概念分類體系

概念是知識(shí)的基本單元,能反映事物特有的屬性[18]。本文根據(jù)極地?cái)?shù)據(jù)的類型格式、時(shí)間范圍、空間范圍、產(chǎn)生方式、要素內(nèi)容等特征,結(jié)合極地元數(shù)據(jù)目錄,按照“全面性、一致性”的原則,從數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)本質(zhì)和數(shù)據(jù)形態(tài) 3方面對(duì)極地科學(xué)數(shù)據(jù)的語義概念進(jìn)行了概括分類[19]。其中,數(shù)據(jù)來源為極地科學(xué)數(shù)據(jù)的可信度提供了重要的參考價(jià)值; 數(shù)據(jù)本質(zhì)提供數(shù)據(jù)的具體信息;數(shù)據(jù)形態(tài)反映了數(shù)據(jù)的格式和語言特征。據(jù)此得到的極地科學(xué)數(shù)據(jù)語義概念層次關(guān)系如圖3所示。

圖3 極地科學(xué)數(shù)據(jù)語義概念層次關(guān)系Fig.3.Semantic concept hierarchical relationships of polar scientific data

3.2 屬性分類體系

數(shù)值屬性信息是極地科學(xué)數(shù)據(jù)的重要內(nèi)容,是對(duì)極地科學(xué)數(shù)據(jù)概念的具體描述。對(duì)極地現(xiàn)有的元數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉,把具有描述性的數(shù)據(jù)項(xiàng)作為數(shù)值屬性,比如元數(shù)據(jù)項(xiàng)中的“標(biāo)題”、“標(biāo)識(shí)符”等是對(duì)概念分類體系中“數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)”的描述,得到極地科學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)值屬性層次關(guān)系,如圖4所示。

圖4 極地科學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)值屬性層次關(guān)系Fig.4.Numerical attribute hierarchical relationships of polar scientific data

3.3 語義關(guān)系分類體系

語義關(guān)系是用來描述實(shí)例與實(shí)例之間、實(shí)例與概念之間以及概念與概念之間在語義層次上的關(guān)聯(lián)關(guān)系[20]。根據(jù)賈黎莉[21]的研究,相關(guān)的語義關(guān)系主要有12種。通過考察NADC中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)內(nèi)容,結(jié)合構(gòu)建極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體實(shí)踐,本文將這12種語義關(guān)系進(jìn)行了組合和篩選,認(rèn)為考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體的語義關(guān)系主要分為4類,如圖5所示。

圖5 極地科學(xué)數(shù)據(jù)語義關(guān)系Fig.5.Semantic relations of polar scientific data

1.父子關(guān)系。SubClassOf/SuperClassOf,主要用來描述極地科學(xué)數(shù)據(jù)概念之間的父子關(guān)系,如“極地海洋學(xué)”與“海洋地質(zhì)學(xué)”;

2.等同關(guān)系。EquivalentTo,用來描述同級(jí)極地科學(xué)數(shù)據(jù)概念或?qū)嵗g的等價(jià)關(guān)系,如采集時(shí)間“第29次南極考察”與“2012年10月至2013年4月”;

3.互斥關(guān)系。DisjointWith,用來描述同級(jí)極地科學(xué)數(shù)據(jù)概念之間及相同性質(zhì)實(shí)例之間的互斥關(guān)系,如“第20次南極考察”與“第30次南極考察”;

4.類與個(gè)體關(guān)系。Members,用來描述極地科學(xué)數(shù)據(jù)概念與相應(yīng)實(shí)例之間的關(guān)系,如“數(shù)據(jù)采集者”與實(shí)例“李云?！?。

3.4 空間關(guān)系分類體系

在本極地本體構(gòu)建的過程中,著重考慮了空間關(guān)系對(duì)極地本體搭建的重要作用,通過分析數(shù)據(jù)庫中空間范圍數(shù)據(jù)項(xiàng)或地點(diǎn)項(xiàng),將極地?cái)?shù)據(jù)的空間關(guān)系分為度量關(guān)系、方位關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系[22]三類。其中度量關(guān)系分為定量描述與定性描述,由于與度量關(guān)系有關(guān)的研究已經(jīng)比較成熟,故文中不再詳細(xì)描述。極地?cái)?shù)據(jù)空間關(guān)系如圖6所示。

3.4.1 拓?fù)潢P(guān)系

拓?fù)潢P(guān)系是重要的空間關(guān)系,目前,具有代表性的拓?fù)潢P(guān)系模型有 4-交模型,9-交模型和RCC模型等[23]。通過對(duì)拓?fù)潢P(guān)系模型的分析,以及結(jié)合極地科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn),本文采用 9-交模型對(duì)拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行表達(dá)。9-交模型一共可以表達(dá)512種可能的空間關(guān)系,實(shí)際有意義的拓?fù)潢P(guān)系有49種,可抽象為點(diǎn)、線、面之間的關(guān)系,分為點(diǎn)點(diǎn)關(guān)系、點(diǎn)線關(guān)系、點(diǎn)面關(guān)系、線線關(guān)系、線面關(guān)系和面面關(guān)系[24]。例如,站位與航線之間具有“點(diǎn)在線上”的拓?fù)潢P(guān)系。但這49種拓?fù)潢P(guān)系在極地科學(xué)數(shù)據(jù)間并不都存在或有研究意義,例如,點(diǎn)點(diǎn)關(guān)系中“一點(diǎn)在其他諸點(diǎn)的幾何中心點(diǎn)”,這個(gè)關(guān)系在構(gòu)建極地本體中并不關(guān)注,故可以去除此關(guān)系。通過對(duì)極地科學(xué)數(shù)據(jù)的分析,本文共保留如圖6所示的22種拓?fù)潢P(guān)系。

圖6 極地科學(xué)數(shù)據(jù)空間關(guān)系Fig.6.Spatial relations of polar scientific data

3.4.2 方位關(guān)系

方位關(guān)系主要是對(duì)空間關(guān)系的定性描述,本文采用錐形模型對(duì)極地科學(xué)數(shù)據(jù)的方位進(jìn)行表達(dá)。針對(duì)方位關(guān)系的探討,Haar[25]最早提出了四方位錐形模型。Frank[26]提出了八方位錐形模型。王中輝等[27]通過對(duì)空間方向的重新劃分提出了一種改進(jìn)的錐形方向關(guān)系模型。極地元數(shù)據(jù)中對(duì)具有空間位置的科考數(shù)據(jù)記錄的是該數(shù)據(jù)的最小外接矩形范圍,并且數(shù)據(jù)間存在相交的情況。現(xiàn)有的錐形模型考慮的是外接矩形之外的方位,不能表達(dá)兩個(gè)要素在空間中相交的方位關(guān)系。本文在現(xiàn)有錐形模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),以滿足極地?cái)?shù)據(jù)之間的方位關(guān)系需求,具體步驟如圖7所示。在改進(jìn)的錐形模型中,源目標(biāo)K總會(huì)落在參考目標(biāo)H的外方位區(qū)域Eo(東)、So(南)、Wo(西)、No(北)、NWo(西北)、NEo(東北)、SWo(西南)、SEo(東南)、Same(參考目標(biāo)最小外接矩形),和內(nèi)方位區(qū)域Ei(東)、Si(南)、Wi(西)、Ni(北)、NWi(西北)、NEi(東北)、SWi(西南)、SEi(東南)、I(內(nèi)方位中心部分)中的一個(gè)或多個(gè)方位區(qū)域中,分別求源目標(biāo)K和各方位區(qū)域的交,得到方位關(guān)系矩陣,如公式(1)所示:

式中,若源目標(biāo)K與參考目標(biāo)H的某一方位區(qū)域的交集非空,則矩陣中相應(yīng)的元素為1否則為0。

以“中國南極中山站地區(qū)高分辨率平面衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)”(以下簡(jiǎn)稱H)和“2013/2015年中國南極考察海冰浮標(biāo)數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱K)”為例,其中,H的空間范圍為: 68°S—71°S,71°E—78°E,通過改進(jìn)的錐形模型得到H和K的方位關(guān)系如圖8所示。根據(jù)式(1),圖7中H和K對(duì)應(yīng)的矩陣表達(dá)式如公式(2)所示:

圖7 構(gòu)建方位關(guān)系錐形模型流程圖Fig.7.Construction process of azimuthal relationship cone model

圖8 “中國南極中山站地區(qū)高分辨率平面衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)”和“2013/2015年中國南極考察海冰浮標(biāo)數(shù)據(jù)”的方位關(guān)系Fig.8.Position relation between "high resolution planar satellite image data of the Antarctic Zhongshan Station" and"2013/2015 China Antarctic Survey sea ice buoy data"

4 考慮空間關(guān)系科學(xué)數(shù)據(jù)本體應(yīng)用分析

本文以NADC為本體構(gòu)建數(shù)據(jù)來源,NADC存儲(chǔ)和管理了大量我國采集的南北極數(shù)據(jù),包括極地海洋學(xué)、極地生物學(xué)和極地地質(zhì)學(xué)等10大學(xué)科; 數(shù)據(jù)的地理位置覆蓋了整個(gè)極區(qū)和歷屆科考船走航范圍,包括普里茲灣、拉斯曼丘陵、羅斯海等重要考察區(qū)域; 數(shù)據(jù)內(nèi)容包括地圖數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)以及南極長(zhǎng)城站、中山站、北極黃河站等長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)[19]。NADC目前共有1 099條元數(shù)據(jù)(截至2017年4月)。

采用具有邏輯描述和演算能力的OWL語言,按照類和屬性的形式描述了極地本體所包含的結(jié)構(gòu)。并用本體構(gòu)建工具 Protégé進(jìn)行了考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體構(gòu)建。在Classes模塊中構(gòu)建極地科學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)象概念及概念之間的語義關(guān)系; 在ObjectProperties和DataProperties中添加極地科學(xué)數(shù)據(jù)的屬性概念,包括對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性; 在 Individuals中構(gòu)建極地科學(xué)數(shù)據(jù)概念的實(shí)例,并把不同實(shí)例的關(guān)系、屬性,以及規(guī)則約束進(jìn)行了清楚的表達(dá)。

本文選取中山站和拉斯曼丘陵以及鄰近區(qū)域的具有代表性的 500條數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體庫。使用查全率(式(3))和查準(zhǔn)率(式(4))對(duì)本體庫進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在NADC上根據(jù)地點(diǎn)檢索“拉斯曼丘陵”,共得到13條數(shù)據(jù)(圖9)。利用考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體進(jìn)行檢索,檢索到相關(guān)數(shù)據(jù)共 211條(圖10),這211條檢索結(jié)果不僅包括了與拉斯曼丘陵在關(guān)鍵詞完全匹配的記錄,還包括了與拉斯曼丘陵空間分布上存在包含、重合及相交關(guān)系的數(shù)據(jù)。通過計(jì)算,NADC的查全率為6%、查準(zhǔn)率為6%; 在本體庫中的查全率為100%、查準(zhǔn)率為100%。

圖9 NADC檢索拉斯曼丘陵數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.9.Retrieval results of the Larsemann Hills data by NADC

圖10 本體庫檢索拉斯曼丘陵數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.10.Retrieval results of the Larsemann Hills data by ontology library

另外,考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體能夠通過空間關(guān)系的推理實(shí)現(xiàn)空間關(guān)聯(lián)信息的查找。例如,查找“2013/2015年中國南極考察海冰浮標(biāo)數(shù)據(jù)”,其空間范圍為: 緯度南界–70,緯度北界–68,經(jīng)度西界75,經(jīng)度東界79。通過極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體庫查找,共檢索到97條數(shù)據(jù)(圖11),其中包含于此空間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)有 90條,與此空間范圍相交的數(shù)據(jù)有5條,包含此空間范圍的數(shù)據(jù)有2條。

圖11 本體庫空間關(guān)系關(guān)聯(lián)信息檢索結(jié)果Fig.11.Retrieves results by ontology library based on spatial relation of association information

通過以上對(duì)兩種檢索方法的對(duì)比可知,極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體的搜索方法,在數(shù)據(jù)查全率和查準(zhǔn)率上比以字符串匹配為核心的搜索方法有較大的優(yōu)勢(shì),而且由于在本體構(gòu)建中考慮了數(shù)據(jù)的空間關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)空間關(guān)聯(lián)信息的查找。

5 總結(jié)與展望

本文從極地科學(xué)數(shù)據(jù)的基本概念和基本特征著手,通過對(duì)NADC中極地科學(xué)數(shù)據(jù)相關(guān)概念的梳理,參照極地元數(shù)據(jù)庫,對(duì)極地科學(xué)數(shù)據(jù)相關(guān)的概念、屬性、關(guān)系和實(shí)例做了分析與分類,在關(guān)系中特別對(duì)數(shù)據(jù)間的空間關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)描述,提出了考慮空間關(guān)系的極地?cái)?shù)據(jù)本體構(gòu)建方法,最后根據(jù)此方法,搭建了考慮空間關(guān)系的極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體。

本文通過建立極地科學(xué)數(shù)據(jù)本體庫,實(shí)現(xiàn)了空間關(guān)聯(lián)信息的查找,提高了極地科學(xué)數(shù)據(jù)查詢結(jié)果的查全率和查準(zhǔn)率。目前,本文只考慮了二維層面的空間關(guān)系,不能實(shí)現(xiàn)相同位置不同水深的科學(xué)數(shù)據(jù)查詢。極地科學(xué)數(shù)據(jù)的三維空間關(guān)系的本體構(gòu)建將是下一步的研究重點(diǎn)。另外,極地本體的研究和構(gòu)建是一個(gè)龐大的工程,需要相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业膮⑴c,這樣才能使極地科學(xué)數(shù)據(jù)空間關(guān)系本體構(gòu)建更準(zhǔn)確且完整,才能更有效地實(shí)現(xiàn)極地科學(xué)數(shù)據(jù)的共享。

1 李升貴.構(gòu)建極地“三大平臺(tái)”推動(dòng)“數(shù)字極地”建設(shè)—— 908專項(xiàng)“數(shù)字海洋”極地研究中心節(jié)點(diǎn)成果與應(yīng)用[J].海洋開發(fā)與管理,2010,27(6): 49—57.

2 [EB/OL].https://nsidc.org/.

3 British Antarctic Survey.[EB/OL].http://www.antarctica.ac.uk/.

4 Australian Government.Australian Antarctic division: leading Australia’s Antarctic program[EB/OL].http://www.aad.gov.au/.

5 中國南北極數(shù)據(jù)中心.[EB/OL].http://www.chinare.org.cn/index/.

6 程文芳,王偉,張潔,等.極地科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].海洋科學(xué),2015,39(5): 75—84.

7 陳薇.面向語義信息檢索的模糊本體自動(dòng)化構(gòu)建的研究[D].武漢: 華中師范大學(xué),2010.

8 Cheng W F,Zhang X,Zhu J G.A novel Chinese polar knowledge repository based on polar data-sharing ontology[J].Wuhan University Journal of Natural Sciences,2016,21(4): 307—318.

9 宋佳,諸云強(qiáng),王卷樂,等.基于GML的時(shí)空地理本體模型構(gòu)建及應(yīng)用研究[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2009,11(4): 442—451.

10 黃茂軍.地理本體的關(guān)鍵問題和應(yīng)用研究[M].合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2006.

11 馬雷雷.空間關(guān)系本體描述與推理機(jī)制研究[D].鄭州: 解放軍信息工程大學(xué),2012.

12 He L L,Yue P,Jiang L C,et al.Fuzzy spatial relation ontology driven detection of complex geospatial features in a web service environment[J].Earth Science Informatics,2015,8(1): 63—76.

13 Hudelot C,Atif J,Bloch I.A spatial relation ontology using mathematical morphology and description logics for spatial reasoning[C]//ECAI-08 Workshop on Spatial and Temporal Reasoning.Patras,Greece: ECAI,2008: 21—25.

14 Uschold M,King M.Toward a methodology for building ontology[C]//Workshop on Basic Ontological Issues in Knowledge Sharing.Edinburgh: The University of Edinburgh,1995.

15 Grüninger M,Fox M S.Methodology for the design and evaluation of ontologies[C]//Workshop on Basic Ontological Issues in Knowledge Sharing.Montreal: IJCAI,1995.

16 Noy N F,McGuinness D L.Ontology development 101: a guide to creating your first ontology[R].Stanford Knowledge Systems Laboratory Technical Report KSL-01-05 and Stanford Medical Informatics Technical Report SMI-2001-0880,2001.

17 徐安建,王海濤,尉伯虎,等.地理本體構(gòu)建方法研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2013,36(7): 38—40.

18 馬雷雷,李宏偉,連世偉,等.一種自然災(zāi)害事件領(lǐng)域本體建模方法[J].地理與地理信息科學(xué),2016,32(1): 12—17.

19 羅侃,諸云強(qiáng),程文芳,等.極地科學(xué)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方法及應(yīng)用研究[J].極地研究,2016,28(3): 361—369.

20 王東旭,諸云強(qiáng),潘鵬,等.地理數(shù)據(jù)空間本體構(gòu)建及其在數(shù)據(jù)檢索中的應(yīng)用[J].地球信息科學(xué)學(xué)報(bào),2016,18(4): 443—452.

21 賈黎莉.Ontology構(gòu)建中概念間關(guān)系的研究[D].北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2007.

22 吳華意,劉波,李大軍,等.空間對(duì)象拓?fù)潢P(guān)系研究綜述[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2014,39(11): 1269—1276.

23 廖偉華.基于二元關(guān)系的GIS實(shí)體拓?fù)潢P(guān)系的粗糙表達(dá)[J].地理空間信息,2012,10(1): 97—98,106.

24 鄔倫,劉瑜,張晶,等.地理信息系統(tǒng): 原理、方法和應(yīng)用[M].北京: 科學(xué)出版社,2001: 59—60,19.

25 Haar R.Computational models of spatial relations[R].Technical Report: TR-478,MSC-72-03610.College Park,MD: University of Maryland,1976.

26 Frank A U.Qualitative spatial reasoning: cardinal directions as an example[J].International Journal of Geographical Information Systems,1996,10(3): 269—290.

27 王中輝,閆浩文.一種改進(jìn)的錐形方向關(guān)系模型[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2014,39(2): 186—190.