海洋時空過程數(shù)據(jù)模型及其原型系統(tǒng)構(gòu)建研究

薛存金，董慶

（中國科學(xué)院數(shù)字地球重點實驗室 中國科學(xué)院對地觀測與數(shù)字地球科學(xué)中心，北京 100094）

隨著“數(shù)字海洋”戰(zhàn)略的提出與實施，海洋信息系統(tǒng)的基本理論（W right et al，1999；蘇奮振等，2004；Su etal，2006）與系統(tǒng)平臺（楊曉梅等，2002；杜云艷等，2004；陳戈等，2004）的研究逐漸成為研究熱點，且其關(guān)鍵性技術(shù)也日臻完善 （蘇奮振 等，2004；Su et al，2006；鄭彥鵬等，2007）。但海洋信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究：海洋數(shù)據(jù)模型的研究卻相對滯后，嚴(yán)重制約了海洋主題應(yīng)用的分析與“數(shù)字海洋”戰(zhàn)略的進一步實施。

海洋數(shù)據(jù)模型是海洋數(shù)據(jù)組織與分析的靈魂，也是海洋信息系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。早期的海洋數(shù)據(jù)組織與存儲基于靜態(tài)的GIS數(shù)據(jù)模型（杜云艷等，2003；季民 等，2004；蘇天等，2005；黃林叢等，2006），無法表達動態(tài)變化的海洋實體。隨著對海洋數(shù)據(jù)的多重特性的研究（Wright et al，1997；蘇奮振 等，2006a），發(fā)展了多種海洋數(shù)據(jù)模型（邵全琴，2001；仉天宇 等，2003；Wright etal，2007），解決了動態(tài)變化的海洋實體的組織與表達。但該類數(shù)據(jù)模型隔離了其內(nèi)在聯(lián)系，無法解決海洋實體連續(xù)動態(tài)變化的問題，尤其是動態(tài)變化模式與內(nèi)在變化規(guī)律及機制的問題。

近年來，針對連續(xù)動態(tài)變化的問題，過程的思想被引入信息系統(tǒng)的構(gòu)建與數(shù)據(jù)模型的研究。Clarmunt等（1997）討論了時空過程的基本類型及基本時空過程的表達模式；過程信息系統(tǒng)闡述了時空過程的基本概念、范疇、框架體系及時空過程功能（蘇奮振 等，2006b）；時空過程的梯形分級描述框架根據(jù)時空粒度的差異，把時空演變過程分級抽象為4級分級描述單位（謝炯 等，2007；薛存金 等，2010）。上述研究為海洋時空過程數(shù)據(jù)模型的過程語義、分級抽象、過程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究及原型系統(tǒng)的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

基于上述討論，本文在海洋實體或現(xiàn)象過程特性與海洋數(shù)據(jù)過程組織分析的基礎(chǔ)上，提出海洋時空過程數(shù)據(jù)模型思想，對海洋時空過程語義、海洋實體或現(xiàn)象的連續(xù)漸變表達機制及海洋數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)進行探討，并構(gòu)建海洋時空過程數(shù)據(jù)模型原型系統(tǒng)，從而實現(xiàn)海洋實體或現(xiàn)象的過程化分析與應(yīng)用。海洋時空過程數(shù)據(jù)模型的研究及其應(yīng)用，一方面彌補了時空數(shù)據(jù)模型在連續(xù)動態(tài)變化表達上的不足，另一方面實現(xiàn)了海洋實體或現(xiàn)象的過程化組織與分析，為海洋實體或現(xiàn)象的預(yù)測預(yù)報及規(guī)律的揭示奠定基礎(chǔ)。

1 海洋現(xiàn)象的過程特性

海洋現(xiàn)象時刻發(fā)生變化，具有“高速”動態(tài)特性。且海洋現(xiàn)象的動態(tài)變化，從其產(chǎn)生至消亡的生命周期內(nèi)，是漸變連續(xù)的，呈現(xiàn)過程特性，與陸地上的瞬時變化（離散事件）存在明顯差異，主要區(qū)別為：（1）海洋現(xiàn)象的動態(tài)性要比陸地上的動態(tài)性更加劇烈；（2）海洋現(xiàn)象的變化是漸變的過程，有其產(chǎn)生、成熟和消亡的生命階段；而陸地上的變化是事件性的，事件一旦發(fā)上，則變化完成；（3）海洋現(xiàn)象的動態(tài)性及變化的連續(xù)性具有時空過程特性。海洋現(xiàn)象的前后時刻（階段）的空間、屬性信息存在明顯差異，但又內(nèi)在聯(lián)系。比如渦旋，上一時刻（階段）與下一時刻（階段）渦旋的中心、邊界、面積、渦度等都會發(fā)生變化，而且每個要素的變化都具有時態(tài)前后的連續(xù)性，且每一要素對渦旋的時空分析都至關(guān)重要。

海洋現(xiàn)象的過程特性是海洋數(shù)據(jù)的GIS存儲組織設(shè)計的基礎(chǔ)，基于離散事件（謝炯 等，2007；薛存金 等，2010）或離散過程 （蘇奮振 等，2006b）的時空數(shù)據(jù)模型都無法從根本上解決海洋數(shù)據(jù)的表達與分析，因而，需要以過程為核心進行海洋數(shù)據(jù)的GIS組織。

2 海洋數(shù)據(jù)的過程組織

海洋現(xiàn)象的過程特性與GIS數(shù)據(jù)的離散存儲存在矛盾，因而，海洋數(shù)據(jù)的過程存儲前必須進行時態(tài)離散化。離散的時態(tài)海洋數(shù)據(jù)信息與海洋現(xiàn)象的時間尺度密切相關(guān)，適宜的時間尺度的確定對海洋數(shù)據(jù)的過程化組織至關(guān)重要。海洋現(xiàn)象過程的生命周期階段：產(chǎn)生、發(fā)展、穩(wěn)定、消弱、消亡階段為海洋過程數(shù)據(jù)的離散化提供了時態(tài)間隔參考，根據(jù)具體的主題應(yīng)用，利用時空聚合或插值實現(xiàn)適宜時態(tài)間隔的確定。此外，根據(jù)現(xiàn)象的過程特性，采用事件、規(guī)則、動力模型等多種演變機制，進行離散的時態(tài)海洋數(shù)據(jù)信息間關(guān)聯(lián)組織，從而實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)的GIS過程組織，其BNF范式如下：

＜Process＞：：= ＜PID＞＜PType＞ ＜ProcessStageID＞＜PTime（ts，te）＞＜PFunctions＞＜ PConstraints＞

其中，Process：組織的海洋對象過程；PID：海洋對象過程的唯一標(biāo)識符；PType：海洋對象過程類型，簡單過程與復(fù)雜海洋對象過程，復(fù)雜海洋對象過程是簡單過程的復(fù)合；＜ProcessStageID＞：：=＜ProductID＞＜ Expand ID＞＜ StableID＞＜ Shrink ID＞＜DestroyID＞：海洋對象過程內(nèi)部的子過程：產(chǎn)生、發(fā)展、穩(wěn)定、消弱、消亡子過程的唯一標(biāo)示符，子過程共同構(gòu)成海洋對象過程；PTime（ts，te）：海洋對象過程的生命周期，用來刻畫海洋對象產(chǎn)生和消亡的時態(tài)信息；PFunctions：海洋對象過程操作，包括海洋事件、規(guī)則、動力模型、時空插值、時空聚合函數(shù)等，用來刻畫海洋過程對象間的關(guān)系及內(nèi)部演變序列；PConstraints：海洋對象過程的時空約束條件。

海洋對象過程的生命周期階段（子過程）具有相同的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，其BNF范式如下：

＜SubProcess＞：：= ＜SPID＞＜ Space（x，y，z，t）＞＜Attributes（a，t）＞＜ Time（ts，te）＞ ＜Pre，Next＞

其中，SubProcess：海洋對象過程的子過程：產(chǎn)生、擴展、穩(wěn)定、消弱和消亡子過程；＜SPID：：=＜ ProductID|Expand ID|StableID|ShrinkID|DestroyID＞：海洋對象子過程唯一標(biāo)識符；Space：子過程對象的空間信息（x，y，z）描述，及其隨時間t變化的空間特性描述；Attributes：子過程對象的屬性信息（a）描述，及其隨時間t變化的非空間屬性描述；Time：對象的時態(tài)性描述，記錄子過程的生命周期；＜Pre，Next＞：子過程上一子過程與下一子過程指針，用來刻畫過程間的內(nèi)在聯(lián)系。當(dāng) SPID為 ProductID時，Pre指向 NULL，Next指向Expand ID；當(dāng)SPID為DestroyID時，Pre指向ShrinkID，Next指向NULL。

3 基于過程的海洋時空數(shù)據(jù)模型

3.1 海洋時空過程語義

在地球信息科學(xué)領(lǐng)域，海洋時空定義為海洋領(lǐng)域空間范圍內(nèi)時間演變序列，海洋過程定義為海洋現(xiàn)象或?qū)嶓w在整個生命周期內(nèi)的連續(xù)漸變序列，同時結(jié)合 Clarmunt等 （1997）、蘇奮振等 （2006b）和薛存金等（2010）的時空過程思想，則海洋時空過程定義為海洋領(lǐng)域內(nèi)具有生命周期的連續(xù)漸變的海洋實體或現(xiàn)象的一種概念抽象。其內(nèi)涵可從以下幾方面理解：

（1）海洋時空過程是對滿足特定條件的實體或現(xiàn)象的概念抽象，在現(xiàn)實世界中并不存在地理實體或現(xiàn)象與之對應(yīng)。比如，海洋鋒和渦旋并不是海洋時空過程，但在其完整的生命周期內(nèi)可抽象為海洋時空過程，可采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)與過程的BNF范式進行組織；

（2）海洋時空過程具有連續(xù)漸變的過程特性。這種過程不是特定的突發(fā)事件序列（Clarmunt et al，1997；Taciana etal，2004），也不是離散過程（謝炯等，2007）。利用離散事件序列或基于事件的數(shù)據(jù)模型（Peuquetetal，1995；李勇等，2007）組織海洋過程數(shù)據(jù)，會造成信息丟失，且無法揭示其內(nèi)在的演變規(guī)律。這是海洋數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的背景，也是其必須考慮的核心內(nèi)容；

（3）海洋時空過程的外在表現(xiàn)形式是海洋實體或現(xiàn)象連續(xù)漸變序列，信息能量的漸變則是其內(nèi)在本質(zhì)，需要海洋動力模型、海洋事件機制、海洋時空操作等實現(xiàn)；

（4）海洋時空過程具有完整的生命周期：產(chǎn)生、發(fā)展、穩(wěn)定、消弱、消亡五個階段，且在不同的生命階段，信息能量的漸變機制不同。

海洋時空過程的內(nèi)涵表明，構(gòu)建的海洋數(shù)據(jù)模型滿足：（1）刻畫海洋實體或現(xiàn)象的連續(xù)漸變特性；（2）記錄海洋實體或現(xiàn)象的連續(xù)漸變機制；與（3）包括海洋過程各個階段的空間、時態(tài)、時空與過程的操作。

3.2 連續(xù)漸變表達機制

海洋現(xiàn)象的連續(xù)漸變表達是海洋數(shù)據(jù)模型構(gòu)建的核心內(nèi)容，其實現(xiàn)依靠海洋過程對象的分級抽象與逐級包含的思想和海洋過程內(nèi)部的演變機制的實施。

海洋過程對象的生命演化包括產(chǎn)生、擴展、穩(wěn)定、消弱與消亡階段，稱之為生命周期階段。生命周期階段有若干個演變序列構(gòu)成，演變狀態(tài)則是演變序列的載體。生命周期階段間、演變序列間、演變狀態(tài)間通過過程對象的演變機制關(guān)聯(lián)，形成逐級包含的時空過程-生命周期階段-演變序列-演變狀態(tài)的分級結(jié)構(gòu)。從面向?qū)ο蠹夹g(shù)與數(shù)據(jù)組織的角度分析，分級結(jié)構(gòu)的海洋過程對象分級抽象為：過程對象、階段對象、序列對象與狀態(tài)對象（圖1）。海洋過程內(nèi)部的演變是信息能量的演變，可采用海洋動力模型、海洋事件機制、海洋時空操作等實現(xiàn)機制的形式化表達。從模型構(gòu)建的角度分析，演變機制統(tǒng)一化為時空函數(shù)，并內(nèi)置于模型內(nèi)部。

圖1 過程對象抽象及其關(guān)系

過程對象的分級抽象與逐級包含刻畫了過程對象內(nèi)部的層次結(jié)構(gòu)與序列關(guān)系，是過程內(nèi)部動力模型、事件機制與時空操作設(shè)計的前提，為連續(xù)漸變表達機制的實施奠定了基礎(chǔ)。過程對象的ADT存儲類型結(jié)構(gòu)中的時空算子則是實現(xiàn)連續(xù)漸變表達機制的函數(shù)接口。因而，構(gòu)建的海洋數(shù)據(jù)模型利用過程對象的分級抽象與逐級包含和過程對象的演變機制隱式記錄海洋現(xiàn)象的連續(xù)漸變，而在底層存儲結(jié)構(gòu)中提供連續(xù)漸變機制實現(xiàn)的函數(shù)接口，從而實現(xiàn)海洋現(xiàn)象的過程對象與連續(xù)漸變機制的存儲與表達。

3.3 海洋時空過程數(shù)據(jù)模型的組織結(jié)構(gòu)

如前所述，基于過程的海洋對象組織結(jié)構(gòu)不僅包括海洋過程對象系列，還包括海洋過程對象間的關(guān)聯(lián)關(guān)系（包含關(guān)系與序列關(guān)系）和海洋過程對象的演變機制。海洋過程對象采用過程對象集表達，分別為過程對象（STPObject）、過程階段對象（STPProduceObject、STPExpandObject、STPStableObject、STPShrinkObject、STPDestroyObject）、過程序列對象（STPSequneceObject）與過程狀態(tài)對象（StateObject）；海洋過程關(guān)聯(lián)關(guān)系用關(guān)聯(lián)集表達，記為RelationshipOfSTPObject；海洋過程對象的演變機制采用函數(shù)集STOperators表達，并集成于過程對象內(nèi)部。圖2給出海洋過程對象的組織結(jié)構(gòu)。

海洋過程對象系列對應(yīng)于底層存儲的過程對象的對象-關(guān)系表，過程對象的空間、時態(tài)與屬性信息采用抽象數(shù)據(jù)類型（Abastact Data Type，ADT）存儲。不同的過程對象具有不同的ADT數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)，分別為：ProcessObjectADT、ProcessStageObjectADT、 ProcessSequenceObjectADT 和 ProcessStateObjectADT。海洋過程對象演變機制的函數(shù)集內(nèi)置于ADT內(nèi)部，負責(zé)提供演變機制的函數(shù)接口。過程對象間關(guān)聯(lián)關(guān)系采用關(guān)系表（RelationshipOfSTPObject）存儲，以過程對象ID（PID、StageID、SequenceID）實現(xiàn)過程對象間的關(guān)聯(lián)。圖3給出海洋時空過程數(shù)據(jù)模型基于海洋過程對象集、關(guān)聯(lián)集與函數(shù)集的存儲視圖結(jié)構(gòu)。

圖2 過程對象及其關(guān)系的存儲結(jié)構(gòu)

圖3 海洋過程數(shù)據(jù)模型的存儲視圖結(jié)構(gòu)

過程對象表（ProcessObjectTable）存儲過程對象的元數(shù)據(jù)信息，包括過程名稱及其時態(tài)信息，而過程的空間與屬性信息存儲在過程對象存儲表（ObjectStorageTable）中，兩者通過過程ID關(guān)聯(lián)。過程階段對象表（StageObjectTable）存儲過程階段對象的元數(shù)據(jù)信息，包括過程階段對象的ID及前一階段與后一階段的ID、過程階段對象的時態(tài)信息與過程階段的特性標(biāo)識。過程階段對象的空間與屬性信息存儲在ObjectStorageTable中，兩者通過過程階段ID關(guān)聯(lián)。過程對象關(guān)系表（ObjectRelatedTable）通過過程ID與過程階段ID關(guān)聯(lián)過程對象表與過程階段對象表，保證了過程對象的連續(xù)漸變性；狀態(tài)時間表（StateTimeTable）通過過程ID與過程階段對象ID的關(guān)聯(lián)，存儲過程對象與過程階段對象的時態(tài)信息。對象標(biāo)識表（Object－TagTable）關(guān)聯(lián)ObjectStorageTable與過程ID或過程階段ID，保證了過程對象或過程階段對象的空間、屬性與時態(tài)信息的一體化存儲與分析。過程對象存儲表是過程對象或過程階段對象的存儲載體，存儲過程對象的屬性與空間信息。從地球信息科學(xué)的角度分析，海洋過程對象的空間信息要么基于矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的點、線、面、體進行組織，要么基于柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的像元進行組織，但無論是何種形式，都可抽象為同一的對象結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。對于基于柵格類型的對象結(jié)構(gòu)，其屬性信息標(biāo)示在柵格像元上，對于基于矢量類型的對象結(jié)構(gòu)，屬性信息標(biāo)示在對象的特征要素上。此外，過程階段對象表隱式地存儲過程對象的連續(xù)漸變表達機制實現(xiàn)接口，即函數(shù)類型（事件、動力模型與時空插值）接口，而在外部應(yīng)用程序負責(zé)連續(xù)漸變機制的具體實現(xiàn)。

4 原型系統(tǒng)構(gòu)建及其功能分析

4.1 原型系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)流程

原型系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 原型系統(tǒng)技術(shù)流程

原型系統(tǒng)構(gòu)建包括海洋時空過程數(shù)據(jù)庫（MarineSTPDMGDB）構(gòu)建和系統(tǒng)功能平臺（MDMProtoTypeSystem）的 研 發(fā) 。MarineST PDMGDB負責(zé)海洋時空數(shù)據(jù)的過程化組織與存儲，其基于Geodatabase9.2時空對象擴展組織存儲結(jié)構(gòu)如圖5所示；而MDMProtoTypeSystem負責(zé)實現(xiàn)海洋現(xiàn)象的時空功能的分析及進一步演變規(guī)律的揭示，其功能框架結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 M arineSTPDMGDB中數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

圖6 MDMProtoTypeSystem功能框架

原型系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)包括海洋數(shù)據(jù)對象組織、海洋數(shù)據(jù)過程組織與海洋過程數(shù)據(jù)引擎。海洋數(shù)據(jù)的對象組織負責(zé)實現(xiàn)海量多源異質(zhì)的海洋數(shù)據(jù)集到海洋對象數(shù)據(jù)集的轉(zhuǎn)換；過程對象組織包括海洋對象數(shù)據(jù)集的過程對象的分級抽象與過程化組織存儲；過程數(shù)據(jù)引擎負責(zé)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與功能平臺之間過程對象的封裝。

4.2 原型系統(tǒng)功能分析

原型系統(tǒng)4個功能模塊框架結(jié)構(gòu)（圖6）中，過程對象獲取是查詢、分析及可視化功能實現(xiàn)的前提，由于底層數(shù)據(jù)庫MarineSTPDMGDB直接存儲過程狀態(tài)對象，而過程階段對象、過程對象的存儲依靠對象關(guān)系表實現(xiàn)，因而，過程對象的獲取、查詢、分析及可視化的技術(shù)實現(xiàn)需要進行過程對象的封裝。圖7、圖8與圖9分別給出其技術(shù)實現(xiàn)流程。表1給出基于過程對象查詢示例，圖10給出查詢結(jié)果基于多窗口的可視化分析。

基于多窗口的可視化分析結(jié)果表明：（1）冷渦1過程對象（ColdSwirl_1）在T11時刻以后消亡；（2）冷渦2過程對象 （ColdSwirl_2）在T14時刻以后消亡；（3）冷渦1過程對象在消亡過程中與冷渦2在衰減過程中在時空上相互重疊；并由此不能推斷（4）冷渦1過程對象的消亡在一定程度上加劇了冷渦2過程對象的消亡。

圖10 基于多窗口的時空過程對象可視化分析

表1 海洋時空過程查詢示例

5 結(jié)論

隨著海洋監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，海洋數(shù)據(jù)海量與海洋信息匱乏之間的矛盾已成為“數(shù)字海洋”戰(zhàn)略實施瓶頸問題之一，其根本原因是缺乏有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行海洋數(shù)據(jù)的組織與存儲。海洋數(shù)據(jù)的GIS特性分析與時空過程數(shù)據(jù)模型在動態(tài)地理實體表達方面的研究，為海洋數(shù)據(jù)模型的研究奠定了基礎(chǔ)。本文把海洋數(shù)據(jù)的過程特性應(yīng)用于海洋數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建，一方面為海洋數(shù)據(jù)的過程化組織提供了理論支撐，另一面方面也為時空數(shù)據(jù)模型在連續(xù)變化地理實體的表達方面提供借鑒。目前，該模型的分級抽象和逐級包含的海洋時空過程語義已成功應(yīng)用在南海中尺度渦過程的案例組織與表達（楊新忠等，2009）和ENSO過程與中國東南沿海降雨異常的過程分析（Xue etal，2012）。然而，鑒于海洋實體或現(xiàn)象的多維動態(tài)復(fù)雜性，設(shè)計的海洋時空過程數(shù)據(jù)模型目前僅實現(xiàn)了具有生命周期的連續(xù)漸變的海洋實體或現(xiàn)象的組織、表達與存儲，而對于非周期性動態(tài)變化的海洋實體或現(xiàn)象，該模型還需要深入擴展。且該模型僅負責(zé)實現(xiàn)海洋現(xiàn)象連續(xù)漸變表達機制的程序接口，而連續(xù)漸變表達機制具體實現(xiàn)依靠海洋動力模型、海洋事件及海洋時空操作等，需要物理海洋學(xué)家的參與與設(shè)計。

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