海洋生态本体的建模方法研究及应用

【摘要】： 21世纪是海洋的世纪。人类生活离不开海洋,海洋为人类提供丰富的食物资源和矿产资源,是人类生存和发展的基础。海洋是容纳热量的大热库,海洋碳循环效率对全球气候的变化有着深远的影响。人类很早就开始了对海洋的探索,并在海洋探索中积累知识,收集数据和资料。自1872-1876年英国“挑战者”号环球海洋考察开创真正意义上的海洋学研究以来,海洋科学研究机构越来越多,观测设备越来越先进,观测手段越来越丰富。至今,各种海洋研究机构存储了大量的海洋数据和资料,这些数据和资料对进一步的海洋探索有着重要的参考价值和理论指导意义。 然而,各种研究机构的数据存储格式并不一致,对数据的共享起到了阻碍作用。海洋元数据可以较好地解决这个问题,能够实现海洋数据的互操作。 但是,各研究机构的数据和资料还存在一词多义、同义词、术语分类不明确等问题,元数据并不能很好地理解和处理这些语义。因此,必须寻找一种新的途径来实现语义的理解。 本体作为共享概念模型的明确的形式化规范说明,可以捕获相关领域的知识,提供对该领域知识的共同理解,确定该领域内共同认可的词汇,并从不同层次的形式化模式给出这些词汇或术语以及词汇间相互关系的明确定义。因此,本体可以担此重任。 本体以其语义优势在很多领域都有着广泛的应用,尤其是在信息检索方面,可以提高检索的查全率和查准率,因此,本文建立了一个海洋生态本体,并在此本体的基础上开发了一个优化的信息检索系统,实验证明,此系统可以有效提高涉海信息检索的效率。 海洋生态是一个复杂的系统,海洋中的各生物因子和非生物因子以及生物因子之间相互依赖、相互作用、相互影响。同时,海洋中充满了角色,如捕食者与被捕食者、生产者与消费者等等,甚至,一个实体可以扮演多个角色,如浮游植物在光合作用中充当化学反应的主体,在细菌分解作用中又扮演着分解对象的角色；氮、磷等营养物质可以加速浮游植物的生长繁殖,起着积极的促进作用,但是,过量的营养物质则会引起赤潮或藻华等海洋灾害,此时的氮、磷等元素又扮演了不利因素的角色。 Hozo的role理论恰好可以描述这些复杂的关系。日本大阪大学沟口实验室在前人的研究基础上提出了自己的role理论,并在这个理论的基础上,开发了一个功能强大的可视化本体编辑工具Hozo。本文的研究工作正是在role理论的基础上开展的,并选择Hozo作为本体开发工具。 本文的研究工作有两大部分：第一,充分利用role理论,建立海洋生态系统的本体模型,并对其中的核心概念进行了形式化建模；第二,基于海洋生态本体开发了一个优化的信息检索系统,该系统能够较好地改进传统搜索引擎在海洋生态领域的检索结果,提高检索效率。 本文的主要内容和组织结构如下： 第一章主要叙述了本课题的研究背景、研究意义和应用价值,并综述了国内外的研究现状。 第二章介绍了本体的定义、分类、描述语言、构建方法和开发工具等方面的理论知识,并对本体的发展动态进行了叙述。 第三章详细介绍了Hozo的本体建模理论,包括Hozo的体系结构、role理论及相关的重要概念,并用丰富的实例阐述了role理论的表达及应用方式。 第四章介绍了海洋生态系统的基本知识,然后借助Hozo开发工具及role理论描述了海洋中各生态因子对海洋生态环境的作用和影响,并对海洋生态环境中的主要现象及作用进行概念建模。 第五章基于本体工程的知识提出了海洋生态本体的构建模型,并利用Hozo完成海洋生态本体的构建。 第六章介绍了OASIS系统的体系结构及采用的优化查询策略,并在JPPF框架下,实现了OASIS系统的分布式并行检索功能。在海洋生态本体的基础上,利用OASIS系统进行了相关实验。实验结果表明,基于海洋生态本体的信息检索系统可以切实提高海洋生态领域信息检索的效率。 第七章对本文的工作内容进行了总结,并指出存在的问题和不足之处。最后对下一步的研究工作进行了展望。