基于本体论的海洋流动场时空数据建模与可视化

For the marine phenomenas, such as the wind, wave, flow, vortex and so on, we presented the marine flow field to conceptualize these phenomenas.Based on the latest research of marine spatio-temporal data model, guided by the spatio-temporal ontology theory, we begin the new research for marine flow field spatio-temporal data modeling and visualization. The research contents include the follow items. (1)Based on the position theory and topology, to establish a set of axiom system for meeting the marine flow field expression. Through extending the spatio-temporal expression for the OWL web ontology langugage, to give the spatio-temporal semantic description and difination for marine flow field. (2)Trough analyzing the Markov characteristics for the 4D space-time cube status of marine flow field, to introduce the Markov chain model, and coustruct a new marine spatio-temporal data model which would be more suitable for the continous movement characters of marine flow field. (3)Based on the new spatio-temporal data model, to construct a multi-dimensional spatio-temporal database / data warehouse, and realize the data integration and management. (4)Under the new data organization framework, through buliding the sequential octrees and estiblishing nodes serial accessing mechanism, to visualize dynamicly the scalar informations. At the same time, combining the smoothed particle hydrodynamics(SPH) model and the the marine wave surface motion equation formed by Gerstner-Rankine model, to simulate the wave field dynamicly in 3D computer enviroment.

针对风、浪、流、涡等海洋现象，以海洋流动场概念进行抽象和概括，在最新海洋时空数据模型研究成果的基础上，以地理本体论为指导，进行海洋流动场时空数据建模与可视化表达方法研究。主要包括：（1）基于位置论和拓扑学理论，建立一套满足海洋流动场基本表述的公理体系，通过对OWL本体定义语言时空表达特征的扩充，进行海洋流动场时空语义层次上的统一描述与定义；（2）通过对海洋流动场四维时空立方体状态的马尔科夫特性分析，引入马尔科夫链模型，构建一套更符合海洋连续运动场特征的时空数据模型；（3）基于新的时空数据模型，进行海洋流动场多维时空数据库/数据仓库的构建研究；（4）在新的时空数据组织框架体系下，通过时序八叉树及不同深度节点串行访问机制的建立，进行海洋流动场标量信息的动态表达，并结合光滑粒子流体动力学（SPH）模型及Gerstner-Rankine模型构建的风浪场表面运动方程，进行风浪场的动态模拟与仿真。

海洋流动场现象是海洋各类信息和变化特征的承载体，进行海洋流动场迁移变化规律的分析以及流动场多维特征可视化表达方法的研究，可为海洋各领域深层次问题研究提供重要参考和依据。本项目借助本体论思想，在对海洋流场领域知识进行特征分析的基础上，进行海洋流场本体语义分析与概念分层，通过扩展本体建模原语，借助OWL语言的优势，进行海洋流场本体的构建与形式化表达，在此基础上，为了进一步分析海洋流场的时空变化特征，分别运用基于欧拉描述和拉格朗日描述的方法，进行了海洋流场时空动态三维可视化表达研究，从而为海洋流场的数据共享和深层规律分析提供了理论和方法支持。项目的主要研究内容包括：①海洋流场时空特性分析，根据洋流的受力状态、成因、空间分布等特征，进行了流场在海洋领域内的概念分类定义，及拓扑特征、多尺度特征、多维特征、时变特征等的分析与研究，为海洋流场语义分析提供了概念基础；②海洋流动场特征分析及特征提取，应用模糊理论和拓扑学思想，对海洋流场边界区域进行规则定义。引入临界点理论，采用限差法、计算物理特征量等方法进行特征点的提取，对海洋流场进行拓扑区域划分；③海洋流场本体语义分析与建模，借助本体论思想，在混合本体建模的基础上，进行了海洋流场局部本体、海洋流场特征结构局部本体、海洋流场数据结构局部本体、海洋流场时空过程本体的语义分析与构建，并利用OWL语言进行了海洋流场现象本体、特征局部本体、数据结构本体等的建模与形式化表达；④海洋流场时空特征可视化表达，为了从多个角度展示海洋流场的动态变化特征，提出了一种新的基于欧拉法描述的海洋流线积分自适应步长追踪模型，并基于光滑粒子的流体动力学法，进行了海洋流场的时序过程模拟与三维可视化表达，提出了SPH与移动立方体算法相融合的海浪建模及动态可视化表达方法。项目研究成果在海洋溢油应急响应决策支持系统、海洋预报要素预警报可视化表达系统等建设中进行了广泛应用，取得了良好应用效果。