彭紫荊， 盧毅敏， 黃葵， 劉偉

(1. 福州大學(xué) 空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350002；2. 福州大學(xué) 數(shù)字中國研究院(福建)， 福建 福州 350002；3. 華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 廣東 廣州 510631)

監(jiān)測站點(diǎn)的布局決定著監(jiān)測數(shù)據(jù)能否有效反映所在海域的環(huán)境質(zhì)量狀況.監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)作為載體是近岸海域環(huán)境監(jiān)測中十分重要的一環(huán)，其設(shè)計(jì)首先需要參考環(huán)境保護(hù)部所制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);其次,需要考慮海域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境、污染程度、海岸帶的自然環(huán)境、沿海區(qū)域的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r;最后,還要顧及整個網(wǎng)絡(luò)的冗余度和監(jiān)測布局費(fèi)用.針對監(jiān)測點(diǎn)位的布局問題，文獻(xiàn)[1-3]采用網(wǎng)格將待選址區(qū)域劃分成多個子區(qū)域的方法，劃分出沿海淺層生態(tài)系統(tǒng)區(qū)域，這雖然能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的全覆蓋，但容易產(chǎn)生監(jiān)測站點(diǎn)冗余，增加成本.數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法被用來確定傳統(tǒng)的布局優(yōu)化，聚類分析法常被用來確定區(qū)域綜合水質(zhì)和分區(qū)[1]；物元分析法和灰色關(guān)聯(lián)度分析法被用來量化分析排序站點(diǎn)[4]；貼近度算法被用來監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)[5].以上研究大都基于數(shù)理分析，以量化的方式進(jìn)行，盡管借助公式、定理能分析水質(zhì)等定量化指標(biāo)，但無法解釋監(jiān)測領(lǐng)域的地理要素及語義描述性的問題.

本體能明確特定領(lǐng)域的相關(guān)概念，通過層次化類定義，描述屬性及屬性限制，完整地表達(dá)領(lǐng)域概念之間的關(guān)系，被用于知識分類、表達(dá)、共享與重用[6].將地理知識、監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的信息和數(shù)據(jù)抽象成實(shí)體，進(jìn)行概念化處理，對監(jiān)測領(lǐng)域知識庫的構(gòu)建具有重要意義.描述監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的語義約束、抽取規(guī)則，并進(jìn)行規(guī)則推理是增強(qiáng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)自動化布局的重要環(huán)節(jié).本體在地理領(lǐng)域已有很多卓有成效的研究和探索，Zhu等[6]將本體引入到水環(huán)境研究中，將本體模型與綜合水質(zhì)評價方法相結(jié)合，通過分析和推理得到水質(zhì)評價信息.張采芳等[7]將本體應(yīng)用到交通地理信息系統(tǒng)(GIS)中，借助本體概念層次結(jié)構(gòu)、語義擴(kuò)展等特性組織和分析動態(tài)交通數(shù)據(jù).劉曉慧等[8]基于地理本體理論，繼承已有事件本體模型，擬建立突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)知識模型.洪燁等[9]利用本體論知識，抽取旅游地理學(xué)科知識中的核心概念，通過定義旅游地理本體概念層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了能被共享、重用的旅游地理本體模型.魏家旺等[10]引入知識工程中本體概念，對滑坡地理本體進(jìn)行表達(dá)、建模，實(shí)現(xiàn)滑坡信息的自動提取.

目前,鮮有學(xué)者將本體技術(shù)應(yīng)用于近岸海域環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)布局的知識表示與建模.本文將本體知識庫的思想融入監(jiān)測站點(diǎn)布局中，完成近岸海域環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域知識本體庫的構(gòu)建，并借助規(guī)則推理，提高監(jiān)測站點(diǎn)布局的自動化程度.

1 近岸海域監(jiān)測本體知識庫

1.1 本體概念及構(gòu)建方法

本體是對概念的一種正式而明確的表示，其中,包含特定領(lǐng)域的術(shù)語和概念.通過確定領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的詞匯，明確定義概念中正式指定的關(guān)系和公理，通過形式化的方式提供計(jì)算機(jī)識別，實(shí)現(xiàn)知識和信息的共享與重用.類間關(guān)系通過屬性進(jìn)行描述，父類與子類之間呈現(xiàn)出相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)，子類除了擁有父類屬性外，還擁有自身特有的識別屬性；本體中的類，屬性和相互之間的條件約束都有明確的定義[11].本體知識庫是利用本體描述和組織領(lǐng)域知識的知識集群，基于本體可實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識庫的構(gòu)建，揭示知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，方便存儲和重用知識的管理，提供對領(lǐng)域知識的共同理解[12].

本體構(gòu)建過程是一項(xiàng)復(fù)雜龐大的工程，不僅需要借鑒領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)，還需要共同的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)作為指南.目前主要的本體構(gòu)建方法有TOVE法、骨架法、Methontoloy法、七步法等[13].七步法是由斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院研發(fā)的[14]，具體流程包括：1) 確定本體的領(lǐng)域和范圍；2) 查看是否有可復(fù)用和整合的本體；3) 枚舉領(lǐng)域重要術(shù)語；4) 定義概念層次結(jié)構(gòu)；5) 定義概念的屬性；6) 定義屬性的分面；7) 添加實(shí)例對象.該方法較為成熟，具有一定的通用性.通過分析傳統(tǒng)的七步法，結(jié)合選址—評估—優(yōu)化過程的階段性特點(diǎn)，在不同階段進(jìn)行不同實(shí)例和屬性值的添加，為監(jiān)測站點(diǎn)布局服務(wù)，形成改進(jìn)的七步構(gòu)建法.本體構(gòu)建流程，如圖1所示.

圖1 本體構(gòu)建流程Fig.1 Ontology construction process

1.2 概念層次結(jié)構(gòu)與屬性關(guān)系描述

1.2.1 概念層次結(jié)構(gòu) 由于通過知識采集獲取的領(lǐng)域知識不成體系，因此,嚴(yán)密歸類、合并、分散凌亂的知識，抽取關(guān)鍵性術(shù)語，是形成強(qiáng)邏輯性、高實(shí)用性本體知識庫的關(guān)鍵[15].相關(guān)的布點(diǎn)技術(shù)規(guī)范[16-19]以文本的形式直接羅列了相關(guān)概念，包括監(jiān)測站點(diǎn)、河流、海岸線、潮間帶、功能區(qū)等中間核心概念.采用核心擴(kuò)展法建立本體類間層次結(jié)構(gòu)，即將自頂向下法和自底向上法相結(jié)合.

具體過程包括以下4個過程.

1) 以中間層為起點(diǎn)，將技術(shù)規(guī)范中明確提出的概念進(jìn)行消歧精簡，確定本體中的核心概念.

2) 向上進(jìn)行抽象化，將各類型站點(diǎn)歸為監(jiān)測站點(diǎn)類,操作行為歸屬為操作類,操作類與監(jiān)測站點(diǎn)類形成作用和被作用的關(guān)系;具體的離岸范圍抽象為向海距離,將其作為衡量海域受人類影響程度的重要參考;與監(jiān)測有關(guān)的地理概念抽象為地理要素，從而明確所在海域的周圍環(huán)境.

3) 由內(nèi)向外擴(kuò)展.后期優(yōu)化時，動態(tài)添加優(yōu)化操作類與貼近度類.

4) 由中間核心層向下進(jìn)行具體化，進(jìn)行更細(xì)類的劃分，包括具體的海岸線類型、功能區(qū)類型、河流分類等，從而覆蓋整個監(jiān)測領(lǐng)域的知識，以層次型的知識結(jié)構(gòu)表達(dá)站點(diǎn)監(jiān)測布局中的知識.近岸海域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)本體層次結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示.

圖2 近岸海域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)本體層次結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Ontology hierarchical structure chart of coastal waters monitoring network

1.2.2 屬性關(guān)系描述 屬性描繪概念的內(nèi)在結(jié)構(gòu).數(shù)據(jù)屬性是對個體和數(shù)值間關(guān)系的具體描述，對象屬性是對類間在語義層次上的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系的表達(dá)[20].其中，監(jiān)測領(lǐng)域涉及到地理空間知識，其概念關(guān)系主要包括基本語義關(guān)系和空間關(guān)系[21].基本語義關(guān)系主要包括屬性關(guān)系及實(shí)例關(guān)系，以對象屬性為例，布局對象與布局操作是擁有與被擁有關(guān)系；以數(shù)據(jù)屬性為例，功能區(qū)面積自身的屬性為面積大小.空間關(guān)系是依據(jù)空間對象實(shí)體的幾何形態(tài)和知識表示，將實(shí)例抽象成點(diǎn)、線、面這3種類型.

圍繞監(jiān)測站點(diǎn)，分別定義近岸海域監(jiān)測領(lǐng)域中點(diǎn)、線、面、點(diǎn)-面、點(diǎn)-線，以及點(diǎn)-點(diǎn)等的空間關(guān)系.點(diǎn)與面之間的關(guān)系分為監(jiān)測站點(diǎn)在海域分區(qū)面內(nèi)，點(diǎn)在海域分區(qū)面外部一定閾值范圍內(nèi)，以及點(diǎn)遠(yuǎn)離面.點(diǎn)與線空間關(guān)系分為監(jiān)測站點(diǎn)在海岸線上，點(diǎn)在海岸線周邊一定閾值范圍內(nèi)，以及點(diǎn)遠(yuǎn)離線.點(diǎn)與點(diǎn)間的關(guān)系包括兩站點(diǎn)之間距離在一定閾值內(nèi)，以及相互遠(yuǎn)離.上述關(guān)系中，閾值的設(shè)定可根據(jù)布局背景和需要進(jìn)行動態(tài)設(shè)定.近岸海域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對象屬性和數(shù)據(jù)屬性，分別如表1，2所示.

表1 近岸海域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對象屬性Tab.1 Object attributes of coastal waters monitoring network

表2 近岸海域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)屬性Tab.2 Data attributes of coastal waters monitoring network

為了增強(qiáng)本體模型在計(jì)算機(jī)中的可操作性，需要對本體模型進(jìn)行形式化處理.網(wǎng)絡(luò)本體語言(OWL)以框架邏輯為形式基礎(chǔ)，以描述邏輯為語義推理基礎(chǔ)，在描述語義網(wǎng)特征上，具有很強(qiáng)的表達(dá)能力，能為規(guī)則推理服務(wù)[22].因此,采用OWL作為近岸海域監(jiān)測本體描述語言,對本體形式化的表達(dá)進(jìn)行說明.

1) 部分本體類OWL形式化表達(dá)為

〈owl:Class rdf:ID=“#Coastal_monitoring”〉

〈rdfs:subClassOf 〉

〈owl:Class rdf:ID=“#Layout_object”/〉

〈rdfs:subClassOf 〉

〈rdfs:label〉臨岸監(jiān)測站點(diǎn)〈/rdfs:label〉

〈/owl:Class〉

“Coastal_monitoring”是一個類信息，subClassOf指的是Class下的父類，即“Layout_object”是“Coastal_monitoring”的父類，臨岸監(jiān)測站點(diǎn)則為“Coastal_monitoring”的標(biāo)簽.

2) 部分屬性O(shè)WL形式化表達(dá)為

〈owl:ObjectProperty rdf:ID=“#has_function_area”〉

〈rdfs:domain rdf:resource=“#Functional_area_monitoring”/〉

〈rdfs:range rdf:resource=“#Functional_area”/〉

〈rdfs:label〉擁有功能區(qū)〈/rdfs:label〉

〈/owl:ObjectProperty〉

對象屬性“has_function_area”的定義域?yàn)椤癋unctional_area_monitoring”，值域?yàn)椤癋unctional_area”，表示擁有功能區(qū).

3) 部分實(shí)例OWL形式化表達(dá)為

〈owl:NamedIndividual rdf:about=“#l_13”〉

〈rdf:type rdf:resource=“#Artificial_shoreline”/〉

〈/owl:NamedIndividual〉

其中：rdf:type是一個特殊的屬性，表明前者是后者的實(shí)例；“l(fā)_13”是“Artificial_shoreline”人工岸線的一個具體實(shí)例.實(shí)例是類的具體個體.

1.3 本體規(guī)則庫構(gòu)建

知識庫建模方式有事實(shí)、概念與規(guī)則3個層次.在基于本體構(gòu)建知識庫的過程中，事實(shí)層和概念層已通過本體概念模型表示，而規(guī)則層的構(gòu)建需利用本體概念和關(guān)系進(jìn)行知識規(guī)則的集成[23].從各種近岸海域監(jiān)測站點(diǎn)布局案例及技術(shù)規(guī)范中甄選出3類規(guī)則，即選址規(guī)則、重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域規(guī)則和優(yōu)化規(guī)則，共提取出58條.選址對象共涉及7大監(jiān)測站點(diǎn)類，不同的監(jiān)測站點(diǎn)類型側(cè)重點(diǎn)不同，與之相關(guān)的地理要素也不同.

按照產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行表達(dá)，也稱為If-Then規(guī)則.以選址規(guī)則為例，If：(事實(shí)1)近岸海域監(jiān)測站點(diǎn)類型，(事實(shí)2)類型所擁有的屬性，Then：(結(jié)論1)選址操作.部分規(guī)則描述如下.

1) 選址規(guī)則抽取.

規(guī)則1：If：臨岸近岸監(jiān)測站點(diǎn)x，海岸線為人工岸線，且其向海距離為2～8 km，Then：保留站點(diǎn).

規(guī)則2：If：臨岸近岸監(jiān)測站點(diǎn)x，位于濱海城鎮(zhèn)區(qū)，所在海域水質(zhì)為一類，Then：保留且在2 km處增設(shè)1個臨岸監(jiān)測點(diǎn)位.

規(guī)則3：If：代表性單元監(jiān)測站點(diǎn)x，與質(zhì)心點(diǎn)距離小于15 km，Then：保留站點(diǎn).

規(guī)則 4：If：海域環(huán)境功能區(qū)監(jiān)測站點(diǎn)x，所在功能區(qū)面積小于5 km2，Then：刪除站點(diǎn).

2) 重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域規(guī)則抽取.

規(guī)則1：If：海域環(huán)境功能區(qū)監(jiān)測站點(diǎn)x，所在功能區(qū)為農(nóng)漁業(yè)區(qū)，擁有一類以上水質(zhì)，Then:為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū).

規(guī)則2：If：海域環(huán)境功能區(qū)監(jiān)測站點(diǎn)x，所在功能區(qū)為海濱浴場，擁有二類以上水質(zhì)，Then:為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū).

3 ) 優(yōu)化規(guī)則抽取.

規(guī)則1：If：優(yōu)化對象x，擁有二類貼近度，貼近度值為大于1小于3，不與新增站點(diǎn)存在關(guān)聯(lián)，最近鄰點(diǎn)距離小于20 km，不屬于重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)，Then：優(yōu)化掉.

以優(yōu)化規(guī)則1為例，用Jena規(guī)則語法表示，采用Jena規(guī)則語法進(jìn)行形式化處理并存儲，每條規(guī)則皆由前主體項(xiàng)terms(前提)、hterms(頭部項(xiàng))、規(guī)則名和推理方向定義組成[24-25].

Rule1:(?x rdf:type ns:Optimized_object) (?y rdf:type ns:Similarity_of_grade2)

(?x ns:has_similarity ?y)(?x ns: value_of_similarity ?y) greaterThan(?z,1.0) lessThan(?z,3)(?x ns: associated_with_the_reference_site 'false'^^xsd:boolean)

(?x ns:Nearest_neighbor_distance ?d) lessThan(?d,20000) (?x ns:key_monitoring_region′false′^^xsd:boolea) (?s rdf:type ns:optimized) → (?x ns:has_optimized_operation ?s).

其中：ns是本體知識庫的命名空間；lessThan(小于)和greaterThan(大于)為Jena的內(nèi)置元語；false′^^xsd:boolean表示布爾類型；“→”表示規(guī)則結(jié)論方向.

1.4 本體規(guī)則推理

圖3 推理機(jī)制Fig.3 Reasoning mechanism

知識規(guī)則能對陳述性知識進(jìn)行演繹，實(shí)現(xiàn)基于邏輯理論的本體推理，彌補(bǔ)本體推理能力的不足[26].Jena是美國惠普實(shí)驗(yàn)室針對語義網(wǎng)研發(fā)的應(yīng)用開發(fā)包，能調(diào)用RDF,RDFS和OWL文檔對本體進(jìn)行解析和推理，利用數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)，使用SPARQL語言進(jìn)行查詢，是通用的開源本體推理機(jī)，允許用戶自定義推理規(guī)則[27-29].選取Jena作為規(guī)則形式化描述語言，采用 Jena 自帶的基于自定義規(guī)則的推理機(jī).推理機(jī)制,如圖3所示.

1) 將監(jiān)測數(shù)據(jù)與OWL形式化的RDF本體模型結(jié)合，生成近岸海域監(jiān)測本體實(shí)例，使用ModelFctory中的CreateOntology Model方法創(chuàng)建本體模型，裝載本體文檔[30].

Model model = ModelFactory.createDefaultModel().

2) 加載推理規(guī)則文件與本體文件，創(chuàng)建推理機(jī)，使用Create InfModel()方法創(chuàng)建含有推理規(guī)則的模型對象InfModel.

public InfModel getInfModel(String rulePath,String ontPath)

{this.inf=ModelFactory.createInfModel(getReasoner(rulePath),getOntModel(ontPath));

return this.inf;}

3) 利用 SPARQL對推導(dǎo)出的RDF三元組模型進(jìn)行查詢,得到最后的推理結(jié)果，并將結(jié)果轉(zhuǎn)為列表形式存儲于數(shù)據(jù)庫.

String queryString = “PREFIXns:http:∥www.semanticweb.org/peng/ontologies/distribution#”+ “SELECT ?station_number ?subject ”+ “WHERE {?station_number ns:has_operation ?subject}”.

2 案例研究分析

2.1 福州市近岸海域監(jiān)測站點(diǎn)的實(shí)例添加

圖4 福州市近岸海域現(xiàn)有監(jiān)測站點(diǎn)布局Fig.4 Layout of existing monitoring stations in Fuzhou City coastal waters

福建省福州全市海域面積1.06萬 km2，大陸海岸線920 km，沿岸港灣重要工業(yè)企業(yè)較多，且有3大河流注入海灣.口小腹大的港灣水體交換能力差，自凈能力不強(qiáng)，受污染程度較重.自全國海域環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)組建以來，福州市于2002年采用常用的網(wǎng)格布點(diǎn)法開展站位調(diào)整工作[31].福州市近岸海域現(xiàn)有監(jiān)測站點(diǎn)布局，如圖4所示.

由圖4可知：隨著沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)的不斷推進(jìn)，對于海灣眾多、海岸線狹長的福州市近岸海域，現(xiàn)有的監(jiān)測站點(diǎn)覆蓋度不夠完整，狹長航運(yùn)區(qū)的周圍存在空窗期，有必要在受陸源污染影響大的區(qū)域加密監(jiān)測點(diǎn)位，重新對監(jiān)測站點(diǎn)進(jìn)行布局設(shè)計(jì).

采用網(wǎng)格布點(diǎn)法初步將近岸海域空間劃分成不同粗細(xì)層次的規(guī)則格網(wǎng)，近岸區(qū)網(wǎng)格為10 km×10 km，遠(yuǎn)岸區(qū)網(wǎng)格為20 km×20 km，每個格網(wǎng)以其中心點(diǎn)的坐標(biāo)確定監(jiān)測站點(diǎn)地理位置.監(jiān)測站點(diǎn)布局對象分布，如圖5所示.

圖5 監(jiān)測站點(diǎn)布局對象分布Fig.5 Layout object distribution of monitoring stations

由圖5可知：近岸海域受人為影響大，功能區(qū)眾多，監(jiān)測站點(diǎn)密集，遠(yuǎn)岸區(qū)相對稀疏.考慮到網(wǎng)格布點(diǎn)法僅僅是隨機(jī)布點(diǎn)，需要進(jìn)一步篩選和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò),確定每個實(shí)例所屬的類別,添加相關(guān)屬性是進(jìn)一步選址和優(yōu)化的前提.借助protégé 5.4平臺，在福州近岸海域，構(gòu)建了包括81個類、27條屬性和137個本體實(shí)例.布局對象實(shí)例添加了具體屬性約束值，以s_37為例，“擁有最近鄰點(diǎn)”為s_33；“最近鄰點(diǎn)距離”為10 590.037 m；“擁有貼近度”為t_37；“擁有貼近度值”為1.882；“擁有水質(zhì)類別”為2類水；“擁有功能區(qū)”為閩江口礦產(chǎn)與能源區(qū)；“功能區(qū)面積”為88.143 km2；“與新增站點(diǎn)之間存在關(guān)聯(lián)”為false；“位于重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)”為false.

2.2 推理結(jié)果與分析

經(jīng)過第一階段選址規(guī)則推理,保留原有27個符合規(guī)則的監(jiān)測站點(diǎn)，并增設(shè)7個對照站點(diǎn).選址規(guī)則推理結(jié)果站點(diǎn)分布,如圖6所示.

由圖6可知：s_44屬于臨岸近岸監(jiān)測站點(diǎn)類，對應(yīng)海岸線長度大于50 km，向海距離為2～8 km，避免過于靠近岸線而受到海岸線向海淤漲的影響，依據(jù)規(guī)則推理將其保留，并在5 km處增設(shè)s_59對照站點(diǎn)；s_41也是位于同一岸線附近，且處于重要港口和航運(yùn)區(qū)，自動增設(shè)s_58站點(diǎn)；s_36，s_23，s_9，s_17和s_5屬于海濱浴場監(jiān)測站點(diǎn)類，且浴場寬度大于250 m，需要在2 km處增設(shè)站點(diǎn)，用來分析水質(zhì)變化規(guī)律和變化范圍；s_11，s_25，s_28，s_43位于監(jiān)測代表性單元質(zhì)心點(diǎn)附近，所在的單元都有特有的生態(tài)特點(diǎn)和水團(tuán)特點(diǎn)，主要用來監(jiān)測遠(yuǎn)岸海域環(huán)境狀況.但是，選址規(guī)則只能剔除完全不符合布點(diǎn)規(guī)則的隨機(jī)站點(diǎn)，形成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)仍然存在一定的冗余.

為降低監(jiān)測站點(diǎn)的冗余度，增加監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)代表性，利用優(yōu)化規(guī)則優(yōu)化掉冗余站點(diǎn)，保留重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測站點(diǎn).優(yōu)化結(jié)果站點(diǎn)分布，如圖7所示.

由圖7可知：牛嶼島附近海域功能區(qū)種類少，站點(diǎn)s_7，s_8，s_12，s_4在同一片海域水質(zhì)相同，處于非重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，站點(diǎn)之間貼近度值相似.因此，在進(jìn)行優(yōu)化處理時僅選定s_9與新增站點(diǎn)作為代表監(jiān)測站點(diǎn)；s_33與s_34貼近度值相似，但由于s_33位于長樂海蚌保護(hù)區(qū)，其水質(zhì)為超1類水.因此，對優(yōu)化掉s_34，選定s_33進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測.

圖6 推理結(jié)果站點(diǎn)分布 圖7 優(yōu)化結(jié)果站點(diǎn)分布Fig.6 Station distribution based on inference results Fig.7 Station distribution of optimization results

整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)宏觀上構(gòu)建了完整的類層次結(jié)構(gòu)，適用于類似的海域監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，具有一定的復(fù)用性.微觀上，詳細(xì)到每一站點(diǎn)的具體屬性值，可根據(jù)不同海域的具體情況進(jìn)行修改添加，方便查詢每一站點(diǎn)選定與優(yōu)化的依據(jù).布局的結(jié)果與現(xiàn)有站點(diǎn)對比加強(qiáng)了對近岸海域、受人為活動影響大的海域的監(jiān)測.濱海城市密集區(qū)的站點(diǎn)布設(shè)相對于自然岸線更密集，同時，綜合考慮了生物生態(tài)因素和水團(tuán)因素.綜上分析，對福州近岸海域現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提出以下4個建議.

1) 加強(qiáng)對海濱浴場的監(jiān)測.王爺山海壇的壇南旅游娛樂區(qū)位于福建省平潭島東部海壇灣，距城關(guān)1.5 km.海灘寬500 m，連綿9.5 km，是全國最大的海濱浴場之一.其所在海域水質(zhì)為3類水，應(yīng)在其附近增設(shè)兩處監(jiān)測站點(diǎn)，用來分析水質(zhì)環(huán)境變化規(guī)律和變化范圍.

2) 閩江口每年的污染排海量大，周圍海域的水質(zhì)受到污染嚴(yán)重，入?？谔幒Ｓ蛩|(zhì)為4類水，且周圍有閩江口港口與航運(yùn)區(qū)，對水質(zhì)要求高的黃岐半島東部農(nóng)漁業(yè)區(qū)，閩江口海洋保護(hù)區(qū)，有必要適當(dāng)增加監(jiān)測站點(diǎn).

3) 福清市沿岸與平潭島西側(cè)的海域地處陸地狹角，不利于與外海的水質(zhì)交換，污染物自凈能力差，加上地理位置的特殊性，有狹長的航運(yùn)區(qū)，污染嚴(yán)重，需針對性監(jiān)測.

4) 福州遠(yuǎn)岸海域受人為影響小，水質(zhì)良好，相對于站點(diǎn)的密集度更應(yīng)發(fā)揮監(jiān)測的代表性作用；根據(jù)海域生物生態(tài)，水團(tuán)水質(zhì)特征，進(jìn)行合理的監(jiān)測單元分區(qū)，加強(qiáng)海域監(jiān)測的代表性.

3 結(jié)論與展望

對聚焦近岸海域環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)布局進(jìn)行研究，提出基于本體知識庫的研究方法，探討本體構(gòu)建法及本體模型推理方法，充分發(fā)揮了本體和規(guī)則兩者的優(yōu)勢.通過構(gòu)建領(lǐng)域概念層次結(jié)構(gòu)，分析概念的語義關(guān)系和空間關(guān)系，幫助設(shè)計(jì)者了解布局文本中的語義關(guān)系，完成了本體模型的形式化.利用規(guī)則語法對歸納的描述性規(guī)則進(jìn)行構(gòu)造，得到布局與優(yōu)化的推理規(guī)則，結(jié)合本體推理機(jī)和推理規(guī)則完成各階段規(guī)則的推理.

以福州市近岸海域環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)布局為例，對本體知識庫方法進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明：該方法能有效借鑒模型的專家經(jīng)驗(yàn)知識，擴(kuò)充類似案例的系統(tǒng)知識庫，為近岸海域環(huán)境監(jiān)測站點(diǎn)布局開辟新的思路.布局每一站點(diǎn)都能清晰地查詢到操作的依據(jù)，驗(yàn)證了規(guī)則推理的有效性.布局結(jié)果考慮了海洋環(huán)境質(zhì)量評價和海洋的區(qū)域性特點(diǎn)，優(yōu)化后的方案能夠降低監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的冗余度，提高監(jiān)測站點(diǎn)的代表性.

在本體的知識獲取和構(gòu)建過程中，多為人工操作，雖然保證了知識庫的質(zhì)量，但隨著區(qū)域的擴(kuò)大、實(shí)例屬性的增多，效率降低.監(jiān)測站點(diǎn)布局策略的部分描述性文字存在一定語言上的模糊性，如“兼顧重要海灣和河口”中的“重要”一詞并未進(jìn)行明確的程度指明.文中單一地使用水質(zhì)環(huán)境判斷，存在一定的不足.因此，有待進(jìn)一步對海灣的封閉程度、海域的污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及社會經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)度等多方面因素綜合分析，完善近岸海域環(huán)境監(jiān)測本體知識庫和規(guī)則庫.同時，增強(qiáng)知識自動化獲取和本體的自動化構(gòu)建能力，提高構(gòu)建效率.