CN106815375A - 一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法 - Google Patents

一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法，所述方法包括以下步骤：步骤S1、分析极地科数据的特征；步骤S2、分析极地科学数据的空间关系；步骤S3、确定极地本体的概念分类及空间关系；步骤S4、确定本体标记语言；步骤S5、确定本体构建方法；步骤S6、对本体进行检验；步骤S7、确定本体构建工具并构建本体。其优点表现在：通过构建极地科学数据空间关系本体，能够有效地提高数据的查全率与查准率，能够实现精确位置的查找以及实现不同水深数据的查找，从而高效的实现极地科学数据的共享。

Description

一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法
技术领域
本发明涉及极地科学数据共享领域，具体地说，是一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法。
背景技术
南极和北极大部分地区终年为冰雪覆盖，是地球表面的两大冷源和全球气候变化的主要驱动器。极地环境对全球变化反应也十分敏感，表现出明显的放大作用，是全球气候变化的指示器。全球气候变化已经影响到国际关系和国家政策的制定。同时，极地蕴藏着丰富的能源、矿产、生物、交通运输、旅游等自然资源，在当今世界因人口增长以及经济全球化造成的资源短缺情况和趋势下，两极地域将激发新一轮极地人类活动的兴趣。因此，极地资源和环境在全球占据着非常重要的位置，极地科学考察和研究已经成为各国和地区共同关注的研究热点。目前，各国极地数据库有：南极数据主目录、美国国家冰雪数据中心、英国南极调查局、澳大利亚南极局、中国南北极数据中心等。这些数据库对极地的科学研究起到了积极的推动作用。
极地科学数据作为极地科学考察活动所产生的原始性、基础性数据及其实验分析研究结果，具有重要的科学价值、经济价值和社会价值。我国极地科学考察和研究持续开展了20多年，采集了大量极地科学数据，这些数据是国家花费大量的人力、物力和财力取得的，是我国极地研究的基础，得来不易、非常宝贵，有必要进行科学管理、深入挖掘和充分利用。
虽然国际和国内极地数据库是公开使用的，但是在我国极地科学数据的使用率并不高。2001年至今，共16年来中国南北极数据库正式建成运行以来，共发布数据816GB，而总下载次数仅为16938次，总下载数据量大小为97.4GB，平均每年下载量为6.088GB,仅占全部数据量的0.75％。从数据库使用的角度来看，其原因主要为：
数据库在发布和共享极地科学数据时，采用基于数据属性的元数据表达，研究人员查找所需要的数据时，主要依据极地数据库中记录的元数据进行关键词、主题词等的查找，采用的匹配算法也只是最基础的字符匹配，采用这些方法所提取出来的信息关联性较弱，经常会出现查不全和查不准的问题；另外，现在极地数据库还不能实现基于坐标位置的精确查找；更不能实现不同水深海洋数据的查找。这些问题严重阻碍了极地科学数据的传播和共享。
中国专利文献CN201210205888.3，申请日为：2012.06.18，专利名称为：极地投影模式下多变量时空数据的可视化方法，公开了一种极地投影模式下多变量时空数据的可视化方法，包括以下步骤：获得目标变量和地理区域数据；根据所述目标变量绘制目标变量可视化图像；根据地理区域数据绘制地理区域背景；以及根据所述目标变量可视化图像和所述地理区域背景显示效果图像。
上述专利文献，实现了二维正交经纬空间到二维极地投影空间的三种极地投影变换方法，并支持二维正交经纬空间和二维极地投影空间中统一的矢量表示方式和绘制方法，提供了地理区域背景的辅助定位信息，从而不仅使用户克服了二维正交经纬空间中极地区域不连续的问题，而且能够高效、实时和交互地观察和比较变量在极地区域的分布情况。然而，关于一种使得极地数据关联性较强，能实现基于坐标位置精确查找以及不同海洋数据的查找的极地科学数据本体库构建方法则无相应的公开。
综上所述，亟需一种使得极地数据关联性较强，能实现基于坐标位置精确查找以及不同海洋数据的查找的极地科学数据本体库构建方法。而关于这种构建方法还没有相关的报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供种使得极地数据关联性较强，能实现基于坐标位置精确查找以及不同海洋数据的查找的极地科学数据本体库构建方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、分析极地科数据的特征；
步骤S2、分析极地科学数据的空间关系；
步骤S3、确定极地本体的概念分类及空间关系；
步骤S4、确定本体标记语言；
步骤S5、确定本体构建方法；
步骤S6、对本体进行检验；
步骤S7、确定本体构建工具并构建本体。
作为一种优选的技术方案，步骤S1中的极地科数据的特征包括本质特征、形态特征和来源特征；本质特征是唯一表征极地科学数据本质内涵的属性，不同数据资源的本质特征不同；形态特征是反映极地科学数据内部和外部形态的属性，在使用过程中可以进行有损或无损的转换；来源特征是描述极地科学数据源及处理方法的属性，供数据使用时参考。
作为一种优选的技术方案，步骤S2从拓扑关系、方向关系两个方面建立极地科学数据的三维空间关系表达，深入挖掘极地科学数据内容。
作为一种优选的技术方案，拓扑关系表达拟采用N-模型研究三维空间中点、线、面、体之间的关系，获取N-交矩阵对应的几何图形；方向关系通过建立三维空间方向模型实现。
作为一种优选的技术方案，步骤S3参照相关领域专家的意见，对极地科学数据的相关概念和空间关系进行分析。
作为一种优选的技术方案，步骤S4中采用OWL标记语言。
作为一种优选的技术方案，所述步骤S5的本体构建方法包括以下步骤：
步骤S51、确定极地科学数据的空间关系本体的构建目的和范围，目的就是明确极地科学数据的概念、属性、关系，以满足语义层次的描述，存储极地科学数据的先验知识，形成极地科学数据分类的标准体系和语义关系，实现极地科学数据的共享与重用。
步骤S52、极地科学数据本体分析，依据中国南北极数据中心元数据，参考领域专家意见，分析极地科学数据的相关概念和三维空间关系。
步骤S53、极地科学数据三维空间关系的描述，通过概念模型表达极地科学数据的概念和三维空间关系。
步骤S54、极地科学数据三维空间关系本体的检验，检验本体是否符合标准，若不符合返回步骤S52，直至满足要求。
步骤S55、极地科学数据空间关系本体的建立，使用OWL语言对步骤S53中构建的本体进行形式化表达。
步骤S56、创建极地科学数据空间关系本体实例，通过中国南北极数据中心元数据进行实例数据库构建。
作为一种优选的技术方案，步骤S6中根据本体构建的五条准则：客观性、一致性、完整性、可扩展性和最小承对所构建的极地本体进行评价和检验。
作为一种优选的技术方案，步骤S7中的选用protégé软件构建极地科学数据空间关系本体。
本发明优点在于：
1、本发明的一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法，本体作为共享的概念模型的形式化说明，能对地理信息系统和地理信息服务中的对象以及概念之间的相互关系进行明确的定义，从而使空间数据之间的语义关系能被表达清晰，实现数据的智能关联。因此，研究极地科学数据的三维空间关系的本体表达，挖掘极地科学数据之间的深层关系，能够提高极地数据的查全率和查准率；同时完善极地本体中的三维空间关系的本体表达，能够实现对极地数据的精确查找，同时能实现不同水深的海洋数据的查找；从而高效的实现极地科学数据的共享，所以进行极地科学数据空间关系的本体表达与构建方法的研究具有重要且实际的意义。
2、通过对极地科学数据特点的分析，以及对极地科学数据空间关系的分析建立极地科学数据本体。本体不仅可以清晰地描述领域中的概念及其关系，还可以实现领域知识的共享和重用，且有利于领域知识库的管理和维护。本发明在已有的中国南北极数据中心的基础上，构建极地本体，建立规范化的极地科学数据知识概念体系，确定概念与概念之间的关系和属性。
附图说明
附图1是本发明的一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法的流程框图。
附图2为极地科学数据空间关系框图。
附图3为极地科学数据概念分类框图。
附图4为极地科学数据数值属性框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。
请参照图1，图1是本发明的一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法的流程框图。一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、分析极地科数据的特征。其中极地科数据的特征包括本质特征、形态特征和来源特征，具体如下：
极地科学数据是表征极地区域要素对象、现象、事件等的内容、时空分布特征及其规律的数字、文字、图像、音视频等，通常以多种形态、格式存储在纸质介质、磁盘、光盘及其他数字化媒介上。由于观测手段、时空尺度、类型格式等的不同，以及数据资源误差精度及适用范围的不同，在使用时需要进行数据的标准化、规范化及误差处理等，以满足不同应用目的的用户需求。极地科学数据具有要素内容、时空范围、类型格式、产生方式等多种特征。
这些特征可总结为：本质特征、形态特征和来源特征。本质特征是唯一表征极地科学数据本质内涵的属性，不同数据资源的本质特征不同；形态特征是反映极地科学数据内部和外部形态的属性，在使用过程中可以进行有损或无损的转换；来源特征是描述极地科学数据源及处理方法的属性，供数据使用时参考。
步骤S2、分析极地科学数据的空间关系。
极地科学数据空间关系的描述方法研究：深入挖掘极地科学数据内容，从拓扑关系、方向关系(如图2所示)两个方面考虑，建立极地科学数据的三维空间关系表达。其中拓扑关系表达拟采用N-模型研究三维空间中点、线、面、体之间的关系，获取N-交矩阵对应的几何图形；方向关系通过建立三维空间方向模型实现；另外，针对科考船航迹数据特点，在建立航迹数据空间关系表达前，需要研究航迹数据的分段表示方法。
步骤S3、确定极地本体的概念分类及空间关系
概念是知识的基本单元，能反映事物特有的属性，基于中国南北极数据中心的元数据库，按照“全面性、一致性”的原则,研究极地科学数据的概念分类。“全面性”是指涵盖所有的极地数据。“一致性”是指极地科学数据的概念分类与极地南北极数据中心的数据分类保持一致，尽可能使极地科学数据的概念易于理解。
根据极地科学数据的特征，结合南北极数据中心数据归类的特点，得到极地科学数据概念层次关系如图3所示。确定极地科学数据的数值属性如图4所示。极地科学数据概念层次包括数据形态、数据本质、数据来源三方面。
步骤三中还可参照相关领域专家的意见，对极地科学数据的相关概念和空间关系进行分析。
步骤S4、确定本体标记语言
为了实现计算机对极地科学数据本体的可读性，还需要对本体进行形式化描述。本体的形式化描述语言有XML，XML Schema，RDF，RDF Schema，OIL，DAML+OIL，OWL等。
通过比较，OWL语言能够更清晰地描述领域内概念的含义及这些概念之间的关系，它遵循了面向对象的思想，按类和属性的形式描述领域知识内所包含的结构，它还具有逻辑描述和演算能力。且OWL相对其他标记语言拥有更多的机制来表达语义。
对比上述标记语言，构建极地本体时打算用OWL标记语言，不仅因为它有如上优点，而且很多本体构建工具都支持OWL标记语言。
步骤S5、确定本体构建方法
常见的本体构建方法主要有骨架法、TOVE法、KACTUS法、七步法、SENSUS法、数据挖掘和领域专家相结合的半自动构建方法等。本文综合上述几种方法，提出了一种极地科学数据的空间关系本体的六步法，具体步骤描述如下：
步骤S51、确定极地科学数据的空间关系本体的构建目的和范围，目的就是明确极地科学数据的概念、属性、关系，以满足语义层次的描述，存储极地科学数据的先验知识，形成极地科学数据分类的标准体系和语义关系，实现极地科学数据的共享与重用。
步骤S52、极地科学数据本体分析，依据中国南北极数据中心元数据，参考领域专家意见，分析极地科学数据的相关概念和三维空间关系。
步骤S53、极地科学数据三维空间关系的描述，通过概念模型表达极地科学数据的概念和三维空间关系。
步骤S54、极地科学数据三维空间关系本体的检验，检验本体是否符合标准，若不符合返回步骤S52，直至满足要求。
步骤S55、极地科学数据空间关系本体的建立，使用OWL语言对步骤S53中构建的本体进行形式化表达。
步骤S56、创建极地科学数据空间关系本体实例，通过中国南北极数据中心元数据进行实例数据库构建。
步骤S6、对本体进行检验
由于极地科学数据本体中概念语义及其之间空间关系的复杂性，要构建完善的极地本体需要相关领域专家的参与，否则构建的本体是不完善的。然后根据本体构建的五条准则：客观性、一致性、完整性、可扩展性和最小承对所构建的极地本体进行评价和检验，以便构建比较正式的极地本体。
步骤S7、确定本体构建工具并构建本体
常见的本体构建工具有Ontolingua、OntoSaurus、WebOnto、WebODE、protégé、OntoEdit、OilEd，以上工具都各具特色。protégé软件是一款由斯坦福大学基于Java语言开发的本体编辑和知识获取的开源软件，它提供了本体概念类、关系、属性和实例的构建，并且该软件屏蔽了具体的本体描述语言，用户只需要在概念层次上对本体模型进行构建。另外，protégé软件界面风格与Windows类似，以树形层次目录结构显示本体结构，并支持语义推理功能。结合极地科学数据的特点，故选用protégé软件构建极地科学数据空间关系本体。
本发明的一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法，本体作为共享的概念模型的形式化说明，能对地理信息系统和地理信息服务中的对象以及概念之间的相互关系进行明确的定义，从而使空间数据之间的语义关系能被表达清晰，实现数据的智能关联。因此，研究极地科学数据的三维空间关系的本体表达，挖掘极地科学数据之间的深层关系，能够提高极地数据的查全率和查准率；同时完善极地本体中的三维空间关系的本体表达，能够实现对极地数据的精确查找，同时能实现不同水深的海洋数据的查找；从而高效的实现极地科学数据的共享，所以进行极地科学数据空间关系的本体表达与构建方法的研究具有重要且实际的意义。通过对极地科学数据特点的分析，以及对极地科学数据空间关系的分析建立极地科学数据本体。本体不仅可以清晰地描述领域中的概念及其关系，还可以实现领域知识的共享和重用，且有利于领域知识库的管理和维护。本发明在已有的中国南北极数据中心的基础上，构建极地本体，建立规范化的极地科学数据知识概念体系，确定概念与概念之间的关系和属性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种考虑空间关系的极地科学数据本体库构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、分析极地科数据的特征；
步骤S2、分析极地科学数据的空间关系；
步骤S3、确定极地本体的概念分类及空间关系；
步骤S4、确定本体标记语言；
步骤S5、确定本体构建方法；
步骤S6、对本体进行检验；
步骤S7、确定本体构建工具并构建本体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中的极地科数据的特征包括本质特征、形态特征和来源特征；本质特征是唯一表征极地科学数据本质内涵的属性，不同数据资源的本质特征不同；形态特征是反映极地科学数据内部和外部形态的属性，在使用过程中可以进行有损或无损的转换；来源特征是描述极地科学数据源及处理方法的属性，供数据使用时参考。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2从拓扑关系、方向关系两个方面建立极地科学数据的三维空间关系表达，深入挖掘极地科学数据内容。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，拓扑关系表达拟采用N-模型研究三维空间中点、线、面、体之间的关系，获取N-交矩阵对应的几何图形；方向关系通过建立三维空间方向模型实现。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3参照相关领域专家的意见，对极地科学数据的相关概念和空间关系进行分析。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中采用OWL标记语言。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5的本体构建方法包括以下步骤：
步骤S51、确定极地科学数据的空间关系本体的构建目的和范围，目的就是明确极地科学数据的概念、属性、关系，以满足语义层次的描述，存储极地科学数据的先验知识，形成极地科学数据分类的标准体系和语义关系，实现极地科学数据的共享与重用。
步骤S52、极地科学数据本体分析，依据中国南北极数据中心元数据，参考领域专家意见，分析极地科学数据的相关概念和三维空间关系。
步骤S53、极地科学数据三维空间关系的描述，通过概念模型表达极地科学数据的概念和三维空间关系。
步骤S54、极地科学数据三维空间关系本体的检验，检验本体是否符合标准，若不符合返回步骤S52，直至满足要求。
步骤S55、极地科学数据空间关系本体的建立，使用OWL语言对步骤S53中构建的本体进行形式化表达。
步骤S56、创建极地科学数据空间关系本体实例，通过中国南北极数据中心元数据进行实例数据库构建。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6中根据本体构建的五条准则：客观性、一致性、完整性、可扩展性和最小承对所构建的极地本体进行评价和检验。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中的选用protégé软件构建极地科学数据空间关系本体。
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