王 建 閆丹鳳 宋 巍 黃冬梅，2 鄭小羅 王 軍

1 上海海洋大學(xué)信息學(xué)院，上海，201306 2 上海電力大學(xué)，上海，200090

隨著智慧海洋工程的推進(jìn)和海洋信息化的發(fā)展，中國(guó)在海洋資源、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域獲得了大量數(shù)據(jù)，同時(shí)，海洋信息獲取技術(shù)早已超出了海面二維的范疇，延伸到了整個(gè)海洋三維一體化的空間范圍［1］。如何加強(qiáng)海洋三維數(shù)據(jù)的科學(xué)管理以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效共享成為了當(dāng)前的第一要?jiǎng)?wù)。但海洋數(shù)據(jù)采集設(shè)備、處理平臺(tái)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式等差異造成了數(shù)據(jù)的語(yǔ)義異構(gòu)問(wèn)題，為數(shù)據(jù)的集成、交換和共享帶來(lái)了困難；同時(shí)在海洋三維信息檢索方面，傳統(tǒng)的關(guān)鍵詞匹配具有數(shù)據(jù)檢索效率低等諸多問(wèn)題。

張峰［2］通過(guò)分析比較傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成方案，得出本體是解決語(yǔ)義異構(gòu)較好的辦法。本體作為一種特殊類型的術(shù)語(yǔ)集，不僅能夠表達(dá)對(duì)象的概念及屬性，還能定義實(shí)例間的關(guān)系，在海洋領(lǐng)域中已有廣泛應(yīng)用。

針對(duì)本體在海洋領(lǐng)域中的管理與共享問(wèn)題，Bermudez 等［3］創(chuàng)建了基于現(xiàn)有詞匯表的海洋本體；云紅艷等［4］構(gòu)建了海洋生態(tài)本體模型和海洋生態(tài)形式化本體，使海洋生態(tài)數(shù)據(jù)能夠高效共享；Wang等［5］建立了基于海洋地球化學(xué)元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的海洋樣本本體。考慮到空間數(shù)據(jù)的屬性與空間位置信息具有直接關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)［6］，通過(guò)空間關(guān)聯(lián)性查詢可有效提高查全率與查準(zhǔn)率。黃茂軍等［7］建立了能夠表達(dá)空間特性的地理本體；馬雷雷［8］提出了符合常識(shí)空間認(rèn)知的二維空間本體模型；Zhang 等［9］在對(duì)地理關(guān)系進(jìn)行語(yǔ)義分析的基礎(chǔ)上，建立了地理對(duì)象空間關(guān)系的本體知識(shí)庫(kù)；Huang 等［10］建立了二維空間關(guān)系的海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體，實(shí)現(xiàn)了海洋科學(xué)數(shù)據(jù)共享。

綜上，現(xiàn)有研究缺乏基于三維空間關(guān)系的海洋本體模型。因此，本文構(gòu)建了考慮三維空間關(guān)系的海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體。針對(duì)本體中三維空間關(guān)系的表達(dá)，提出了適合海洋數(shù)據(jù)的三維空間關(guān)系模型。同時(shí)，基于語(yǔ)義網(wǎng)規(guī)則語(yǔ)言（semantic web rule language，SWRL）構(gòu)建了包含三維空間關(guān)系的海洋本體的推理規(guī)則集，實(shí)現(xiàn)了更精確的海洋數(shù)據(jù)的空間位置檢索，為海洋數(shù)據(jù)的共享提供了有效解決方案。

1 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體的構(gòu)建流程

目前，通用的本體構(gòu)建方法主要有骨架法、七步法、TOVE（Toronto virtual enterprise）等。本文在七步法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了海洋科學(xué)數(shù)據(jù)空間本體構(gòu)建流程，具體如下：

1）確定本體的應(yīng)用范圍為海洋領(lǐng)域。研究目的是建立海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體，輔助海洋數(shù)據(jù)的管理及關(guān)聯(lián)查找。

2）對(duì)現(xiàn)有的海洋本體進(jìn)行歸納總結(jié)。目前對(duì)海洋本體的研究多從語(yǔ)義及二維空間關(guān)系角度開(kāi)展，沒(méi)有從三維空間關(guān)系角度展開(kāi)的研究。

3）根據(jù)海洋信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供的元素信息定義海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的概念及屬性，并確定其等級(jí)體系。

4）構(gòu)建海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的三維空間關(guān)系模型，確定海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的對(duì)象屬性。

5）根據(jù)對(duì)象屬性構(gòu)建合理的海洋本體推理規(guī)則集，實(shí)現(xiàn)實(shí)例之間的知識(shí)推理。

6）通過(guò)本體構(gòu)建軟件構(gòu)建海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體，包括構(gòu)建語(yǔ)義概念、數(shù)據(jù)屬性、對(duì)象屬性、推理規(guī)則。根據(jù)實(shí)例的地理位置信息進(jìn)行分析，獲得實(shí)例之間的空間關(guān)系，并以此搭建本體知識(shí)庫(kù)。

7）對(duì)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體進(jìn)行歸檔。

2 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體構(gòu)建

通過(guò)定義和描述與海洋科學(xué)數(shù)據(jù)相關(guān)的語(yǔ)義概念、數(shù)據(jù)屬性和對(duì)象屬性，從而構(gòu)建較為完整的海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體。其中，語(yǔ)義概念是對(duì)事物本質(zhì)屬性的概括性描述；數(shù)值屬性描述類的屬性；對(duì)象屬性描述類、實(shí)例之間的關(guān)系，如語(yǔ)義關(guān)系、空間關(guān)系等。

2.1 語(yǔ)義概念和數(shù)值屬性分類體系

海洋信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中定義了建立海洋數(shù)據(jù)集所需的核心元數(shù)據(jù)元素，如數(shù)據(jù)集名稱、負(fù)責(zé)單位、地理位置、水深覆蓋范圍、語(yǔ)種、專題類別等。文獻(xiàn)［10］中歸納總結(jié)了海洋數(shù)據(jù)的特征，將其語(yǔ)義概念劃分為3 大類：數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)形態(tài)、數(shù)據(jù)本質(zhì)。本文根據(jù)劃分依據(jù)，對(duì)海洋信息元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中定義的必選元素和部分推薦可選元素進(jìn)行了語(yǔ)義劃分，并設(shè)計(jì)了概念之間的子類-父類關(guān)系（subClassof），構(gòu)建了圖1 所示的概念層次，其中，實(shí)線代表類之間的sub-Classof 關(guān)系。將具有描述性的元素，如開(kāi)始時(shí)間、經(jīng)緯度、數(shù)據(jù)質(zhì)量描述等作為數(shù)值屬性。

圖1 海洋科學(xué)數(shù)據(jù)語(yǔ)義概念分類Fig.1 Classification of Semantic Concepts in Marine Science Data

2.2 海洋本體構(gòu)建中三維空間關(guān)系的定性描述

海洋三維空間關(guān)系是指海洋數(shù)據(jù)之間存在的與空間特性有關(guān)的關(guān)系，如度量關(guān)系、方位關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系等。三維空間關(guān)系的確定是構(gòu)建海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體對(duì)象屬性的重要內(nèi)容，也是建立空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的核心。其中，方位關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系是空間關(guān)系研究的重點(diǎn)［11］。關(guān)于度量關(guān)系的相關(guān)研究已經(jīng)比較成熟，故本文不再贅述。

2.2.1 三維拓?fù)潢P(guān)系

拓?fù)潢P(guān)系是空間關(guān)系中最基本、最重要的關(guān)系，也是空間查詢和推理的基礎(chǔ)，主要表現(xiàn)為空間對(duì)象之間的相鄰、分離和包含等關(guān)系［12，13］。目前拓?fù)淠Ｐ头譃镹-交集模型和區(qū)域連接演算（region connection calculus，RCC）理論。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有拓?fù)潢P(guān)系模型的分析對(duì)比，以及結(jié)合海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，本文對(duì)維數(shù)擴(kuò)展9交矩陣模型（dimensionally extended nine - intersection model，DE-9IM）的取值進(jìn)行三維擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)三維拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)。該模型矩陣表示如下：

式中，A0、B0分別表示空間對(duì)象A、B的內(nèi)部；?A、?B分別表示空間對(duì)象A、B的邊界；A-、B-分別表示空間對(duì)象A、B的外部。

在三維空間拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)中，將空間目標(biāo)交集擴(kuò)展到三維，其交集結(jié)果的維數(shù)取值為｛-1，0，1，2，3｝，依次代表交集為空、交集為點(diǎn)、交集為線、交集為面、交集為體。

2.2.2 三維方位關(guān)系

方位關(guān)系是指對(duì)象之間方向與位置的相對(duì)關(guān)系。最基本的三維空間方位關(guān)系是3DR7模型中的7 種方位關(guān)系，包括上、中、下、東、西、南、北。考慮到海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，現(xiàn)有方位關(guān)系模型不能較好地滿足海洋數(shù)據(jù)的方位關(guān)系劃分，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1）現(xiàn)有的方位模型雖然滿足了對(duì)外方位的劃分，但部分方位模型（3DR7、3DR27［14］、3DR39［15］）沒(méi)有考慮內(nèi)方位關(guān)系，無(wú)法表達(dá)兩個(gè)對(duì)象在空間中相交的具體方位關(guān)系。

2）海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的深度信息十分重要，在其對(duì)內(nèi)部方位關(guān)系劃分時(shí)，需要著重考慮對(duì)深度的劃分。而 現(xiàn) 有 的 考 慮 內(nèi) 方 位 關(guān) 系 的 模 型（3DR44［16］、3DR46［17］）重點(diǎn)研究其水平方位的劃分，忽略了其深度上的方位關(guān)系。

針對(duì)以上問(wèn)題，需要對(duì)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的內(nèi)部方位進(jìn)一步劃分，且內(nèi)方位的劃分重點(diǎn)應(yīng)在深度方向。本文提出了一種考慮內(nèi)方位的三維空間模型——3DR29 模型，將空間方位劃分為29個(gè)區(qū)域，模型示意圖見(jiàn)圖2。該三維方位關(guān)系模型中，o表示外方位；i表示內(nèi)方位；O代表每層方位中間的方位。以參照對(duì)象的最小外接立方體表示對(duì)象本身，延伸對(duì)象的最小外接立方體邊，將外部的三維空間劃分為27個(gè)區(qū)域，形成27個(gè)外方位，分別采用下標(biāo)U、R、D代表上方位、正方位和下方位，如上方位有9個(gè)：（正上方）、（上方東）、（上方南）、（上方西）、（上方北）、（上方西北）、（上方東北）、（上方西南）、（上方東南），其余方位以此類推。將內(nèi)部區(qū)域劃均分為3個(gè)區(qū)域，分別表示為（上方）、（中間）、（下方）。其模型矩陣如式（2）所示，若源目標(biāo)位于參考目標(biāo)的某一方位區(qū)域，則矩陣中相應(yīng)的方位交集取值為1，否則為0。

圖2 3DR29 模型示意圖Fig.2 Diagram of 3DR29 Model

3 基于三維空間關(guān)系的海洋本體推理

本體推理是指在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的推理，即根據(jù)已知的相關(guān)理論定義推理規(guī)則集，借助本體推理機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)系的定性分析和處理。

引入本體推理后，可以通過(guò)已知的關(guān)系獲得隱含的關(guān)系，完善和加強(qiáng)海洋數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，也可以檢測(cè)本體定義過(guò)程中是否存在沖突，保證本體的一致性，優(yōu)化本體的構(gòu)建［18］。此外，由于目前本體實(shí)例及關(guān)系大多是手動(dòng)搭建的，引入空間關(guān)系推理后，能有效減少構(gòu)建本體關(guān)系的工作量。例如，n條數(shù)據(jù)兩兩分析，存在n(n- 1 ) 條拓?fù)潢P(guān)系，而引入推理后，最多只需建立條空間關(guān)系，即可得到所有關(guān)系。

本文根據(jù)對(duì)象屬性的特征以及自定義推理規(guī)則集實(shí)現(xiàn)本體推理。

1）根據(jù)對(duì)象屬性特征的推理。對(duì)象屬性的屬性特性包括對(duì)稱性、傳遞性、互逆性等。通過(guò)定義屬性特性，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的推理。表1 定義了拓?fù)潢P(guān)系的屬性特征。

表1 拓?fù)潢P(guān)系屬性特征Tab.1 Property Characteristics of Topological Relations

2）基于三維空間關(guān)系自定義推理規(guī)則。由于海洋本體的空間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，只定義對(duì)象屬性特征并不能滿足復(fù)雜空間關(guān)系推理的要求，因此需要自定義推理規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)較完備的本體庫(kù)推理。

本文采用SWRL 定義推理規(guī)則，該規(guī)則包括前提（head）和結(jié)論（body）兩部分。表示形式為head→body。表2 展示了部分自定義的SWRL 推理規(guī)則，包括規(guī)則表達(dá)式以及對(duì)應(yīng)的語(yǔ)義描述。

表2 空間推理規(guī)則實(shí)例Tab.2 Examples of Spatial Inference Rules

4 考慮三維空間關(guān)系的海洋本體構(gòu)建應(yīng)用分析

本文將國(guó)家極地科學(xué)數(shù)據(jù)中心（Chinese National Arctic and Antarctic Data Center，NADC）的公開(kāi)數(shù)據(jù)集作為海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體庫(kù)的數(shù)據(jù)源。該數(shù)據(jù)中心記錄了自20世紀(jì)80年代至今中國(guó)主要的極地科學(xué)數(shù)據(jù)，共存儲(chǔ)1 097 條數(shù)據(jù)。使用Protege5.5.0 軟件搭建了海洋科學(xué)數(shù)據(jù)空間本體，并利用中國(guó)極地重點(diǎn)研究區(qū)域普里茲灣地區(qū)具有地理信息的數(shù)據(jù)構(gòu)建了本體實(shí)例。

4.1 基于推理規(guī)則的實(shí)體關(guān)系豐富

根據(jù)極地普里茲灣地區(qū)海洋數(shù)據(jù)中的空間位置信息，共建立了1 226 條三維拓?fù)潢P(guān)系，經(jīng)對(duì)象屬性特征和自定義推理規(guī)則集推理可得2 531 條三維空間拓?fù)潢P(guān)系。以“2007/2008年中國(guó)第24 次南極考察普里茲灣葉綠素a 樣品數(shù)據(jù)”為例，推理前已知且與本條數(shù)據(jù)存在空間相交的數(shù)據(jù)共有6 條。利用本文提出的三維空間關(guān)系的海洋本體推理規(guī)則進(jìn)行推理后，得到了9 條與該條數(shù)據(jù)存在空間關(guān)系的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體關(guān)系擴(kuò)充，使得海洋科學(xué)數(shù)據(jù)本體中實(shí)例之間的關(guān)系更加完整。

4.2 基于本體庫(kù)的查詢結(jié)果分析

本文從查準(zhǔn)率與查全率兩方面對(duì)海洋空間本體庫(kù)進(jìn)行查詢結(jié)果分析。在查準(zhǔn)率方面，相較于二維空間關(guān)系檢索，基于三維空間關(guān)系的檢索更精準(zhǔn)。三維空間關(guān)系檢索過(guò)濾了投影到二維平面后存在相交但在深度上無(wú)交集的數(shù)據(jù)，提高了檢索的查準(zhǔn)率。表3 列舉了部分?jǐn)?shù)據(jù)在二維空間關(guān)系和三維空間關(guān)系中的檢索結(jié)果。例如，當(dāng)檢索“中國(guó)第15 次南極考察普里茲灣葉綠素測(cè)量數(shù)據(jù)”時(shí)，利用考慮二維空間關(guān)系的方法進(jìn)行檢索，結(jié)果包含52 條數(shù)據(jù)，其中存在25 條在空間中并不相關(guān)的數(shù)據(jù)，查準(zhǔn)率為51.9%；而通過(guò)本文方法檢索到27 條數(shù)據(jù)，查準(zhǔn)率為100%。在查全率方面，使用關(guān)鍵字進(jìn)行查詢時(shí)，國(guó)家極地科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站只能檢索到標(biāo)題中包含關(guān)鍵字的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性較弱；而在海洋空間本體中還可以檢索到在空間位置上與之關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)多學(xué)科交叉查詢。例如，當(dāng)要檢索普里茲灣葉綠素?cái)?shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行葉綠素含量的影響因子分析時(shí)，在國(guó)家極地科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站只能檢索到4條包含普里茲灣葉綠素關(guān)鍵字的數(shù)據(jù)信息；而在本文構(gòu)建的本體庫(kù)中可檢索到7 條數(shù)據(jù)，其中，“普里茲灣營(yíng)養(yǎng)鹽”“DO 數(shù)據(jù)”“CTD 數(shù)據(jù)”等，均為同區(qū)域范圍內(nèi)影響葉綠素含量的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

表3 基于二維和三維空間關(guān)系的數(shù)據(jù)檢索結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of Search Results Based on 2D and 3D Spatial Relations

經(jīng)以上對(duì)比分析可知，一方面，基于海洋科學(xué)數(shù)據(jù)空間本體的檢索充分利用了海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的空間位置信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)空間關(guān)聯(lián)查找，極大提高了查全率與查準(zhǔn)率，優(yōu)化了查詢結(jié)果；另一方面，通過(guò)本體庫(kù)進(jìn)行跨學(xué)科數(shù)據(jù)檢索時(shí)，可獲取同區(qū)域不同學(xué)科要素的數(shù)據(jù)，方便了數(shù)據(jù)的獲取，為多學(xué)科數(shù)據(jù)分析提供了有力支撐。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)海洋數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)問(wèn)題及其空間性，本文構(gòu)建了海洋空間本體，并以國(guó)家極地?cái)?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)為海洋本體實(shí)例進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。在海洋空間本體構(gòu)建過(guò)程中，針對(duì)海洋科學(xué)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，定義了適合的拓?fù)潢P(guān)系表達(dá)方式，并提出一種改進(jìn)的三維方位關(guān)系表示模型；同時(shí)引入本體推理，構(gòu)建了空間關(guān)系推理規(guī)則集，進(jìn)一步完善了海洋空間本體。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于海洋空間數(shù)據(jù)，通過(guò)海洋空間本體查詢可以獲得更精確且關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的信息，有效解決了使用關(guān)鍵詞查詢時(shí)得到的信息關(guān)聯(lián)性弱、查全率與查準(zhǔn)率低等問(wèn)題。

但由于大部分實(shí)例和關(guān)系通過(guò)手工構(gòu)建，工作繁多且效率較低，因此，實(shí)現(xiàn)本體的自動(dòng)構(gòu)建將是下一步的研究重點(diǎn)。