一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法及装置

摘要

本发明公开了一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法及装置，包括：基于演变尺度对海洋时空动态对象进行清洗，基于得到海洋状态对象，构建海洋序列对象集和海洋链接对象集；基于海洋序列对象集和海洋链接对象集，确定海洋过程对象，建立与海洋过程对象匹配的海洋时空动态过程表达图；对海洋时空动态过程表达图进行修剪和完善，得到目标海洋时空动态演变结构，计算目标海洋时空动态演变结构与预设数量过程对象演变结构的相似度；选取各个相似度中最大值对应的过程对象演变结构作为目标海洋时空动态的对象演变结构。上述过程基于演变尺度对海洋动态演变结构进行提取保证了海洋时空动态对象在时间上的连续性和演变结构的完整性。

说明书

技术领域

本发明涉及地理时空挖掘和海洋空间信息技术领域，尤其涉及一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法及装置。

背景技术

海洋环境异常变化是全球气候变化的重要组成部分，海洋环境异常变化时空演变结构(源地、演变特征和消亡地)与全球或区域极端气候事件，尤其是灾害事件密切相关，对区域经济发展具有重要影响，比如：海洋表面温度动态演变的源地和消亡地与ENSO事件类型密切相关、演变行为的发生区域(合并、分裂)与ENSO事件强度相关。另一方面，海洋环境异常变化的动态演变结构也是开展海洋环境变化机理分析的基础。

目前，综合对地观测技术获取了大量的长时间序列的海洋环境要素数据集，比如海洋表面温度、海表盐度、海表叶绿素a浓度等，深度学习、机器学习和大数据挖掘技术实现了海洋动态对象的识别与提取，然而，海洋异常变化对象的数据观测尺度与海洋异常变化对象的演变尺度存在差异，这种差异影响着海洋时空对象及其演变关系提取的准确度。若数据观测尺度小于海洋异常变化的演变尺度，过多的演变关系被提取；若数据观测尺度大于海洋异常变化的演变尺度，一些重要的演变关系又被忽略掉，因此，由于目前的地理动态对象识别方法主要基于数据观测尺度的海洋异常变化对象的时空拓扑关系和海洋异常变化对象的重叠面积参数，忽略了地海洋异常变化对象的运动特征，致使无法识别运动过快的海洋异常变化对象和过度识别面积较小的海洋异常变化对象，且直接利用数据观测尺度的海洋异常变化对象进行时空动态图表达，也会导致海洋时空动态表达图的不完备性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法及装置，用于解决现有技术中由于目前的地理动态对象识别方法主要基于数据观测尺度的海洋异常变化对象的时空拓扑关系和海洋异常变化对象的重叠面积参数，忽略了地海洋异常变化对象的运动特征，致使无法识别运动过快的海洋异常变化对象和过度识别面积较小的海洋异常变化对象，且直接利用数据观测尺度的海洋异常变化对象进行时空动态图表达，也会导致海洋时空动态表达图不完备性的问题。具体方案如下：

一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法，包括：

获取栅格数据中的海洋时空动态对象，基于演变尺度对所述海洋时空动态对象进行清洗，得到海洋状态对象；

基于所述海洋状态对象，构建海洋序列对象集和海洋链接对象集；

基于所述海洋序列对象集和所述海洋链接对象集，对所述海洋序列对象集进行更新，得到海洋过程对象，建立与所述海洋过程对象匹配的海洋时空动态过程表达图；

对所述海洋时空动态过程表达图进行修剪和完善，得到目标海洋时空动态演变结构，计算所述目标海洋时空动态演变结构与预设数量过程对象演变结构的相似度；

选取各个相似度中最大值对应的过程对象演变结构作为所述目标海洋时空动态过程图的对象演变结构。

上述的方法，可选的，基于演变尺度对所述海洋时空动态对象进行清洗，得到海洋状态对象，包括：

确定海洋时空过程对象的最小生命周期；

遍历所述海洋时空动态对象，计算海洋时空动态对象当前时刻和与所述当前时刻相邻的下一时刻的空间重叠度，保留重叠度大于预设重叠度阈值的当前时刻的各个目标海洋时空动态对象；

获取所述各个目标海洋时空对象的持续时间，保留所述持续时间大于所述最小生命周期的所述各个目标海洋时空对象，将所述各个目标海洋时空对象作为海洋状态对象。

上述的方法，可选的，基于所述海洋状态对象，构建海洋序列对象集和海洋链接对象集，包括：

遍历所述海洋状态对象，计算所述海洋状态对象当前时刻与所述当前时刻相邻的下一时刻的拓扑关系；

基于所述拓扑关系，确定至少一个海洋序列对象和至少一个海洋链接对象；

基于发生时间顺序，构建由所述至少一个海洋序列对象组成的海洋序列对象集和所述至少一个海洋链接对象组成的海洋链接对象集。

上述的方法，可选的，基于所述海洋序列对象集和所述海洋链接对象集，对所述海洋序列对象集进行更新，得到海洋过程对象，包括：

计算所述海洋序列对象集中的每个海洋序列对象与所述海洋链接对象集中各个海洋链接对象的拓扑关系；

将所述拓扑关系为目标拓扑关系的目标海洋序列对象和目标海洋链接对象组成新的海洋序列对象集，其中，所述目标拓扑关系为空间相交且时间相接；

将所述海洋序列对象集中包含所述目标海洋序列对象的部分替换为所述新的海洋序列对象集，得到所述海洋过程对象。

上述的方法，可选的，对所述海洋时空动态过程表达图进行修剪和完善，得到目标海洋时空动态演变结构，包括：

删除所述海洋时空动态过程表达图中的过程节点和与所述过程节点相连的包含边，得到第一海洋时空动态过程表达图；

删除所述第一海洋时空动态过程表达图中的状态节点和与所述状态节点相连的演变边和包含边，得到第二海洋时空动态过程表达图；

在所述第二海洋时空动态过程表达图中，若序列节点对应的序列对象包括过程源地，添加源地节点同时增加所述源地节点到所述序列节点的演变边，若序列节点对应的序列对象包括过程消亡地，添加消亡地节点同时增加所述序列节点到所述消亡地节点的演变边，得到目标海洋时空动态演变结构。

上述的方法，可选的，所述预设数量的过程演变结构包括：演变结构1：只有发展关系的演变结构定义为演变结构1，由状态节点(源地)-序列节点-状态节点(消亡地)组成，演变结构2：只有合并关系和发展关系的演变结构定义为演变结构2，由状态节点(源地)-序列节点-链接节点-状态节点(消亡地)组成，演变结构3：只有发展关系和分裂关系的演变结构定义为演变结构3，由状态节点(源地)-序列节点-链接节点-状态节点(消亡地)组成，演变结构4：同时具有发展关系、两个合并关系和两个分裂关系的演变结构定义为演变结构4，由状态节点(源地)-序列节点-链接节点-状态节点(消亡地)组成，演变结构5：同时具有发展关系、两个以上合并关系和两个以上分裂关系的演变结构定义为演变结构5，由状态节点(源地)-序列节点-链接节点-状态节点(消亡地)组成，

确定所述目标海洋时空动态表达图与预设数量过程对象演变结构的相似度，包括：

计算所述目标海洋时空动态表达图与所述预设数量过程对象演变结构的各个演变序列路径相似度；

计算所述目标海洋时空动态表达图与所述预设数量过程对象演变结构的各个过程演变结构相似度；

基于对应的演变序列路径相似度和对应的演变结构相似度确定所述目标海洋时空动态表达图与预设数量过程对象演变结构的相似度。

一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取装置，包括：

清洗模块，用于获取栅格数据中的海洋时空动态对象，基于演变尺度对所述海洋时空动态对象进行清洗，得到海洋状态对象；

构建模块，用于基于所述海洋状态对象，构建海洋序列对象集和海洋链接对象集；

更新与确定模块，用于基于所述海洋序列对象集和所述海洋链接对象集，对所述海洋序列对象集进行更新，得到海洋过程对象，建立与所述海洋过程对象匹配的海洋时空动态过程表达图；

调整与确定模块，用于对所述海洋时空动态过程表达图进行修剪和完善，得到目标海洋时空动态演变结构，计算所述目标海洋时空动态演变结构与预设数量过程对象演变结构的相似度；

选取模块，用于选取各个相似度中最大值对应的过程对象演变结构作为所述目标海洋时空动态过程图的对象演变结构。

上述的装置，可选的，所述清洗模块包括：

确定单元，用于确定海洋时空过程对象的最小生命周期；

计算和保留单元，用于遍历所述海洋时空动态对象，计算海洋时空动态对象当前时刻和与所述当前时刻相邻的下一时刻的空间重叠度，保留重叠度大于预设重叠度阈值的当前时刻的各个目标海洋时空动态对象；

获取和保留单元，用于获取所述各个目标海洋时空对象的持续时间，保留所述持续时间大于所述最小生命周期的所述各个目标海洋时空对象，将所述各个目标海洋时空对象作为海洋状态对象。

上述的装置，可选的，所述构建模块包括：

第一计算单元，用于遍历所述海洋状态对象，计算所述海洋状态对象当前时刻与所述当前时刻相邻的下一时刻的拓扑关系；

确定单元，用于基于所述拓扑关系，确定至少一个海洋序列对象和至少一个海洋链接对象；

构建单元，用于基于发生时间顺序，构建由所述至少一个海洋序列对象组成的海洋序列对象集和所述至少一个海洋链接对象组成的海洋链接对象集。

上述的装置，可选的，所述更新和确定模块包括：

第二计算单元，用于计算所述海洋序列对象集中的每个海洋序列对象与所述海洋链接对象集中各个海洋链接对象的拓扑关系，

重组单元，用于将所述拓扑关系为目标拓扑关系的目标海洋序列对象和目标海洋链接对象组成新的海洋序列对象集，其中，所述目标拓扑关系为空间相交且时间相接；

替换单元，用于将所述海洋序列对象集中包含所述目标海洋序列对象的部分替换为所述新的海洋序列对象集，得到所述海洋过程对象。

与现有技术相比，本发明包括以下优点：

本发明公开了一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法及装置，包括：基于演变尺度对海洋时空动态对象进行清洗，基于得到海洋状态对象，构建海洋序列对象集和海洋链接对象集；基于海洋序列对象集和海洋链接对象集，确定海洋过程对象，建立与海洋过程对象匹配的海洋时空动态过程表达图；对海洋时空动态过程表达图进行修剪和完善，得到目标海洋时空动态演变结构，计算目标海洋时空动态演变结构与预设数量过程对象演变结构的相似度；选取各个相似度中最大值对应的过程对象演变结构作为目标海洋时空动态的对象演变结构。上述过程基于演变尺度对海洋动态演变结构进行提取保证了海洋时空动态对象在时间上的连续性和演变结构的完整性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的一种海洋对象演变关系示意图；

图2为本申请实施例公开的一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法流程图；

图3为本申请实施例公开的一种海洋时空动态过程表达示意图；

图4为本申请实施例公开的一种海洋过程对象演变结构示意图；

图5为本申请实施例公开的一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法整体执行示意图；

图6为本申请实施例公开的一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取装置结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本发明公开了一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法及装置，应用于从海洋环境异常变化中提取海洋时空动态演变结构。海洋环境异常变化是指海洋环境要素相对于长时间序列平均状态的变化，在空间上具有区域聚集特征，在时间上具有产生、发展(合并、分裂)和消亡的演变过程特征。海洋环境异常变化是全球气候变化的重要组成部分，海洋环境异常变化时空演变结构(源地、演变特征和消亡地)与全球或区域极端气候事件，尤其是灾害事件密切相关，对区域经济发展具有重要影响，比如：海洋表面温度动态演变的源地和消亡地与ENSO事件类型密切相关、演变行为的发生区域(合并、分裂)与ENSO事件强度相关。另一方面，海洋环境异常变化的动态演变结构也是开展海洋环境变化机理分析的基础。目前，综合对地观测技术获取了大量的长时间序列的海洋环境要素数据集，比如海洋表面温度、海表盐度、海表叶绿素a浓度等，深度学习、机器学习和大数据挖掘技术实现了海洋动态对象的识别与提取，随着综合对地观测技术的发展，从时序的卫星遥感数据中获取地理时空变化特征，并利用时空变化特征构建动态演变方面的研究已成为研究热点。早期的时空变化研究主要基于多时相的卫星遥感数据，开展变化检测和趋势分析，变化检测和趋势分析一般基于栅格像素或面向对象。变化检测研究主要解决了栅格像素或对象是否发生了变化及变化程度如何；趋势分析主要基于时空统计方法回答栅格像素或对象变化的趋势如何：升高、降低还是维持不变。因此，该类技术与方法没有考虑地理对象的空间区域特征和时间演变特征，难以解决栅格像素和对象在什么时间、什么地点如何变化的问题。

随着数据获取能力和计算能力的提升，大数据挖掘技术应用到地理时空动态对象提取，研制了大量的地理时空动态对象，比如海洋涡旋、暴雨事件、4维沙尘对象、城市热岛对象等，同时利用图模型进行地理时空动态特征表达。该类对象技术方法一般基于面向对象技术，把地理对象映射为图的节点，把对象之间的关系映射为图的边，从而构建基于图模型的地理时空演变特征，尝试回答地理对象如何变化的问题：发展、合并、分裂等。该类技术方法为开展海洋异常变化演变结构提取提供了基础。然而，海洋环境的动态变化具有高速、连续的变化特征，与陆地上的离散动态变化存在本质差异，增加了海洋时空动态演变结构特征的提取。

海洋异常变化对象的数据观测尺度与海洋异常变化对象的演变尺度存在差异，这种差异影响着海洋时空对象及其演变关系提取的准确度。若数据观测尺度小于海洋异常变化的演变尺度，过多的演变关系被提取；若数据观测尺度大于海洋异常变化的演变尺度，一些重要的演变关系又被忽略掉，因此，从基于数据观测尺度的海洋异常变化对象提取和识别海洋异常变化时空演变结构主要存在以下两点问题：1)由于目前的地理动态对象识别方法主要基于数据观测尺度的海洋异常变化对象的时空拓扑关系和海洋异常变化对象的重叠面积参数，忽略了地海洋异常变化对象的运动特征，致使无法识别运动过快的海洋异常变化对象和过度识别面积较小的海洋异常变化对象，直接利用数据观测尺度的海洋异常变化对象进行时空动态图表达，会导致海洋时空动态图的不完备性或复杂性；2)海洋时空动态图详细记录了海洋对象在所有时刻间的演变关系，难以刻画海洋时空动态演变结构，因此，目前仍缺少技术方法实现从海量时空动态对象中识别和提取海洋时空动态演变结构。基于上述的问题，本发明提供了一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法，该方法中利用海洋环境异常变化在空间上具有区域聚集的特征，在时间上具有产生-发展-消亡演变的过程特征，利用面向对象技术把海洋异常变化的空间区域聚集特征抽象为海洋对象，其中，所述空间区域聚集特征指：根据地理学第一定律，把空间上相似的区域聚合在一起，形成一个一致性的区域，抽象可以理解为定义，即采用海洋对象的形式表达海洋异常变化的空间信息。把时间上的演变特征抽象为海洋过程，从对象演变的尺度，建立海洋异常变化对象演变结构提取方法，其中，所述时间上的演变特征指：海洋异常变化在时间上的产生-发展-消亡完整的过程，抽象可以理解为定义，即采用海洋过程的形式表达海洋异常变化的演变信息；

该方法主要包括：1)基于演变尺度的海洋异常变化对象表达方法，建立海洋时空动态过程表达图，其中，所述海洋时空动态过程表达图包括：海洋时空动态对象和对象演变关系；2)基于海洋时空动态过程表达图提取对象演变结构。

首先，针对实施例中涉及的相关名词进行解释：

海洋状态对象：海洋环境异常变化在数据观测尺度上(天、月、季节等)的空间分布具有聚集特征，这种聚集特征的海洋异常变化的空间区域称之为海洋异常变化对象状态对象，简称为海洋状态对象，其中，所述海洋状态对象如图1中的ID1-ID16所示。

海洋对象演变关系：在前后时刻的数据观测尺度上，海洋状态对象之间存在发展、合并、分裂、分裂合并四种演变关系，称之为海洋对象演变关系。四种演变关系的示意图如图1所示。

海洋链接对象：是一种特殊的海洋状态对象，由前时刻的2个及以上的海洋状态对象演变而来，或在下一时刻演变为2个及以上的海洋状态对象，如图1中的ID3、ID7、ID9、ID11和ID12海洋状态对象为海洋链接对象。

海洋过程和海洋过程对象：海洋环境异常变化在时间序列上具有产生-发展-消亡的演变过程特征，把具有生命周期的海洋环境异常变化称之为海洋过程。海洋过程在数据观测尺度上的海洋状态对象及海洋状态对象之间的演变关系抽象为海洋过程对象。

海洋演变序列和演变序列对象：空间结构和属性特征具有相似变化的海洋异常变化序列，称之为海洋演变序列，对应的海洋状态对象序列称之为海洋序列对象，其中，所述空间结构指空间形态，用1个或多个指数表达，比如形态指数，圆度等；所述属性特征指海洋环境要素的属性值，比如海洋表面温度，指海洋表面温度异常变化的值。

节点：节点是图表达模型的两个基本要素之一，用来表达海洋过程对象、序列对象、状态对象和链接对象。对应的四种节点类型为：过程节点、序列节点、状态节点和链接节点。

边：边是图表达模型的两个基本要素之一，用来表达海洋过程对象与序列对象、序列对象与状态对象之间的包含关系、序列对象之间的演变关系和状态对象之间的演变关系。对象中的两边类型为：包含边和演变边，其中，所述包含边是链接父节点与子节点的边，所述演变边是链接同类节点的边

所述方法的执行流程如图2所示，包括步骤：

S101、获取栅格数据中的海洋时空动态对象，基于演变尺度对所述海洋时空动态对象进行清洗，得到海洋状态对象；

本发明实施例中，所述栅格数据可以为遥感数据、模式数据或者其它数据，所述栅格数据的具体存在形式依据具体的应用场景而定，本发明实施例中不进行具体限定。

获取栅格数据中的海洋时空动态对象，基于演变尺度对所述海洋时空动态对象进行清洗，得到海洋状态对象的具体处理过程如下：

1)首先确定海洋时空过程对象的最小生命周期，其中，所述最小生命周期的定义可以基于经验或者具体情况，本发明实施例中不进行具体限定，优选的，本发明实施例中，定义海洋时空过程对象的最小生命周期为5个数据观测尺度；

2)利用公式(1)计算T时刻和T+1时刻的海洋状态对象的空间重叠度SOD(SpatialOverlap Degree)；

其中，S

3)若T时刻和T+1时刻的SOD不小于0.5，则T时刻的海洋状态对象保留，否则清洗掉T时刻的状态对象；

4)T＝T+1，重复2)和3)获取所有满足条件的海洋状态对象；

5)若海洋状态对象的连续持续时间不小于最小生命周期，则保留所有的海洋状态对象，否则清洗掉所有海洋状态对象。

S102、基于所述海洋状态对象，构建海洋序列对象集和海洋链接对象集；

本发明实施例中，基于所述海洋状态对象，构建海洋序列对象集和海洋链接对象集的具体处理过程包括：

1)海洋序列对象定义为只由发展关系组成的序列海洋状态对象，即海洋序列对象中只有发展关系，且构成海洋序列对象的海洋状态对象具有相似的空间和属性演变特征；海洋链接对象是一种特殊的海洋状态对象，由前时刻的2个及以上的海洋状态对象演变而来，或在下一时刻演变为2个及以上的海洋状态对象；

2)初始化T0时刻的海洋状态对象为海洋序列对象的开始对象；

3)计算T时刻的海洋状态对象(OT)与T+1时刻的所有海洋状态对象(OT+1)的空间拓扑关系，其中，所述空间拓扑关系的计算是通过GIS领域的通用函数计算得到的；

4-1)若仅有1个O

4-2)若存在2个及以上的O

4-3)若存在1个O

5)T＝T+1，重复2)和3)直至所有时刻的海洋状态对象遍历完毕；

6)把符合条件的所有的海洋序列对象按照时间序列链接，构建海洋序列对象集，把符合条件的所有海洋链接对象按照时间顺序链接，构建海洋链接对象集。

S103、基于所述海洋序列对象集和所述海洋链接对象集，对所述海洋序列对象集进行更新，得到海洋过程对象，建立与所述海洋过程对象匹配的海洋时空动态过程表达图；

本发明实施例中，基于所述海洋序列对象集和所述海洋链接对象集，对所述海洋序列对象集进行更新，得到海洋过程对象的具体处理过程如下：

1)定义海洋序列对象集为SO：{SO

4)按照时间先后顺序链接海洋序列对象：SO

5)在海洋序列对象集中删除满足时空拓扑条件的海洋序列对象SO

6)i＝i+1，重复步骤2)～步骤5)，直至所有的海洋序列对象集不再更新，最终的海洋序列对象集为海洋过程对象。

进一步的，建立与所述海洋过程对象匹配的海洋时空动态过程表达图，具体的确定过程如下：

1)建立所述海洋过程对象与图的节点类型之间的映射关系：所述海洋过程对象对应过程节点、序列对象对应序列节点、状态对象对应状态节点、链接对象对应链接节点；

2)建立所述海洋过程对象关系与图的边类型之间的映射关系：所述海洋过程对象与演变序列对象之间的包含关系对应包含边、演变序列对象与海洋状态对象之间的包含关系对应包含边、海洋过程对象与海洋链接对象之间的包含关系对应包含边，海洋状态对象之间的演变关系对应演变边、演变序列对象与海洋链接对象之间的演变关系对应演变边；

3)根据时间发生顺序，海洋时空动态过程表达图如图3所示，包括：过程节点、链接节点、序列加点、状态节点、包含边和演变边。

S104、对所述海洋时空动态过程表达图进行修剪和完善，得到目标海洋时空动态演变结构，计算所述目标海洋时空动态演变结构与预设数量过程对象演变结构的相似度；

本发明实施例中，由于大量海洋状态对象的存在，难以直接地表达海洋时空动态演变结构，需要对海洋时空动态表达图进行调整。根据海洋序列对象的定义：按时间顺序链接的具有相似空间结构和属性演变特征的海洋时刻状态对象序列，即隶属于同一个序列对象的海洋状态对象，具有相似的空间结构和属性演变特征。因此，调整的过程如下：删除所述海洋时空动态过程表达图中的过程节点和与所述过程节点相连的包含边，得到第一海洋时空动态过程表达图；删除所述第一海洋时空动态过程表达图中的状态节点和与所述状态节点相连的演变边和包含边，得到第二海洋时空动态过程表达图；

在所述第二海洋时空动态过程表达图中，若序列节点对应的序列对象包括过程源地，获取序列节点的第一个状态节点对象，记为源地节点，同时增加源地节点到序列节点的演变边，添加到所述第二海洋时空动态过程表达图中；若序列节点对应的序列对象包括过程消亡地，获取序列节点的最后一个状态节点对象，记为消亡地节点，同时增加序列节点到消亡地节点的演变边，添加到所述第二海洋时空动态过程表达图中，得到目标海洋时空动态演变结构。

S105、选取各个相似度中最大值对应的过程对象演变结构作为所述目标海洋时空动态过程图的对象演变结构。

本发明实施例中，预先定义预设数量的过程演变结构，优选的，所述预设数量为5，根据海洋过程对象的产生地(源地)、链接节点、序列节点和消亡地，定义五种过程对象演变结构(ES1～ES5)，示意图如图4所示，包括：

演变结构1：只有发展关系的演变结构定义为演变结构1，由状态节点(源地)-序列节点-状态节点(消亡地)组成。

演变结构2：只有合并关系和发展关系的演变结构定义为演变结构2，由状态节点(源地)-序列节点-链接节点-状态节点(消亡地)组成。

演变结构3：只有发展关系和分裂关系的演变结构定义为演变结构3，由状态节点(源地)-序列节点-链接节点-状态节点(消亡地)组成。

演变结构4：同时具有发展关系、两个合并关系和两个分裂关系的演变结构定义为演变结构4，由状态节点(源地)-序列节点-链接节点-状态节点(消亡地)组成。

演变结构5：同时具有发展关系、两个以上合并关系和两个以上分裂关系的演变结构定义为演变结构5，由状态节点(源地)-序列节点-链接节点-状态节点(消亡地)组成。

进一步的，根据所述目标海洋时空动态过程表达图中的演变序列路径和过程演变结构，利用公式(2)～公式(4)，计算所述目标海洋时空动态过程表达图与定义的五种过程对象演变结构(ES1～ES5)之间的图匹配度GMD(Graph Matching Degree)，包括演变序列路径相似度ESPS(Evolution Sequence Path Similarity)和过程演变结构相似度ESS(Evolution Structure Similarity)，与最大图匹配度对应的演变结构为所述目标海洋时空动态过程表达图的目标对象演变结构，其中，所述目标对象演变机构为所述预设数量过程演变结构中的一种。

GMD＝k

其中，i为1～5，对应5种定义的演变结构类型；k

进一步的，为所述目标对象演变结构时空属性赋值：在所述目标海洋时空动态过程表达图中，源地、消亡地和链接节点对应的对象为海洋状态对象，因此，三类节点的时空信息直接利用海洋状态对象的时空信息赋值；海洋序列节点对应海洋序列对象空间信息采用隶属于序列节点的所有海洋状态对象的空间覆盖并集赋值，时间信息为序列对象的开始时间和终止时间，属性信息为所有海洋状态对象的属性均值。

本发明公开了一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法，包括：基于演变尺度对海洋时空动态对象进行清洗，基于得到海洋状态对象，构建海洋序列对象集和海洋链接对象集；基于海洋序列对象集和海洋链接对象集，确定海洋过程对象，建立与海洋过程对象匹配的海洋时空动态过程表达图；对海洋时空动态过程表达图进行修剪和完善，得到目标海洋时空动态演变结构，计算目标海洋时空动态演变结构与预设数量过程对象演变结构的相似度；选取各个相似度中最大值对应的过程对象演变结构作为目标海洋时空动态的对象演变结构。上述过程基于演变尺度对海洋动态演变结构进行提取保证了海洋时空动态对象在时间上的连续性和演变结构的完整性。

本发明实施例中，基于上述方法的整体执行示意图如图5所示，其中，本发明实施例中利用面向对象技术把海洋异常变化的空间区域聚集特征抽象为海洋对象，把时间上的演变特征抽象为海洋过程，从对象演变的尺度，建立海洋异常变化对象演变结构提取方法。主要包括：1)基于演变尺度的海洋异常变化对象表达方法，基于栅格数据建立海洋时空动态过程表达图；2)基于过程图模型的动态演变结构提取方法，其中，基于演变尺度的时空动态对象图表达方法根据海洋时空过程-演变序列-时刻状态的过程语义，基于图节点-边的表达模型，建立海洋时空动态对象和对象演变关系的海洋时空动态过程表达图。基于过程图模型的动态演变结构提取方法根据对象的时空特征，建立海洋时空过程图骨架并提取目标对象演变结构。

本发明实施例中从对象演变的尺度设计海洋动态演变结构提取方法，刻画了海洋动态对象什么时间从哪里开始(when+where)、如何发生变化和为何发生变化(how+why)及在哪里开始消失(when+where)的生命过程。相对于现有技术中数据观测尺度的海洋时空动态研究，本发明实施例基于演变尺度采用序列路径相似度和结构相似度进行演变结构提取，保证了海洋状态对象在时间上的连续性和演变结构的完整性。本发明实施例在海洋时空动态机理分析和全球气候变化研究方面具有广泛的应用前景。

基于上述的一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取方法，本发明实施例中还提供了一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取装置，所述提取装置的结构框图如图6所示，包括：

清洗模块201、构建模块202、更新与确定模块203、调整与确定模块204和选取模块205。

其中，

所述清洗模块201，用于获取栅格数据中的海洋时空动态对象，基于演变尺度对所述海洋时空动态对象进行清洗，得到海洋状态对象；

所述构建模块202，用于基于所述海洋状态对象，构建海洋序列对象集和海洋链接对象集；

所述更新与确定模块203，用于基于所述海洋序列对象集和所述海洋链接对象集，对所述海洋序列对象集进行更新，得到海洋过程对象，建立与所述海洋过程对象匹配的海洋时空动态过程表达图；

所述调整与确定模块204，用于对所述海洋时空动态过程表达图进行修剪和完善，得到目标海洋时空动态演变结构，计算所述目标海洋时空动态演变结构与预设数量过程对象演变结构的相似度；

所述选取模块205，用于选取各个相似度中最大值对应的过程对象演变结构作为所述目标海洋时空动态过程图的对象演变结构。

本发明公开了一种面向过程的海洋时空动态演变结构提取装置，包括：基于演变尺度对海洋时空动态对象进行清洗，基于得到海洋状态对象，构建海洋序列对象集和海洋链接对象集；基于海洋序列对象集和海洋链接对象集，确定海洋过程对象，建立与海洋过程对象匹配的海洋时空动态过程表达图；对海洋时空动态过程表达图进行修剪和完善，得到目标海洋时空动态演变结构，计算目标海洋时空动态演变结构与预设数量过程对象演变结构的相似度；选取各个相似度中最大值对应的过程对象演变结构作为目标海洋时空动态的对象演变结构。上述过程基于演变尺度对海洋动态演变结构进行提取保证了海洋时空动态对象在时间上的连续性和演变结构的完整性。

本发明实施例中，所述清洗模块201包括：

确定单元206、计算和保留单元207和获取和保留单元208。

其中，

所述确定单元206，用于确定海洋时空过程对象的最小生命周期；

所述计算和保留单元207，用于遍历所述海洋时空动态对象，计算海洋时空动态对象当前时刻和与所述当前时刻相邻的下一时刻的空间重叠度，保留重叠度大于预设重叠度阈值的当前时刻的各个目标海洋时空动态对象；

所述获取和保留单元208，用于获取所述各个目标海洋时空对象的持续时间，保留所述持续时间大于所述最小生命周期的所述各个目标海洋时空对象，将所述各个目标海洋时空对象作为海洋状态对象。

本发明实施例中，所述构建模块202包括：

第一计算单元209、确定单元210和构建单元211。

其中，

所述第一计算单元209，用于遍历所述海洋状态对象，计算所述海洋状态对象当前时刻与所述当前时刻相邻的下一时刻的拓扑关系；

所述确定单元210，用于基于所述拓扑关系，确定至少一个海洋序列对象和至少一个海洋链接对象；

所述构建单元211，用于基于发生时间顺序，构建由所述至少一个海洋序列对象组成的海洋序列对象集和所述至少一个海洋链接对象组成的海洋链接对象集。

本发明实施例中，所述更新和确定模块203包括：

第二计算单元212、重组单元213和替换单元214。

其中，

所述第二计算单元212，用于计算所述海洋序列对象集中的每个海洋序列对象与所述海洋链接对象集中各个海洋链接对象的拓扑关系，

所述重组单元213，用于将所述拓扑关系为目标拓扑关系的目标海洋序列对象和目标海洋链接对象组成新的海洋序列对象集，其中，所述目标拓扑关系为空间相交且时间相接；

所述替换单元214，用于将所述海洋序列对象集中包含所述目标海洋序列对象的部分替换为所述新的海洋序列对象集，得到所述海洋过程对象。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。