余 明 朗，明 小 娜，龍 毅＊，張 雪 英

GIS環(huán)境下中文命令的規(guī)則匹配與語(yǔ)義解析

余 明 朗1，2，明 小 娜3，龍 毅1，2＊，張 雪 英1，2

（1.南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023;2.虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023;3.云南省地震局地震應(yīng)急保障中心，云南 昆明 650224）

提出了特征詞雙重屬性的構(gòu)建策略，為帶有約束條件的中文命令直接轉(zhuǎn)化為GIS操作提供了解決方法。針對(duì)復(fù)雜的空間、屬性約束條件，定義了條件文法并設(shè)計(jì)了規(guī)則模板的生成算法;通過(guò)特征詞的雙重屬性建立了中文命令與GIS功能函數(shù)之間的聯(lián)系，采用規(guī)則匹配、函數(shù)映射方法實(shí)現(xiàn)中文語(yǔ)義解析。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)例研究驗(yàn)證了方法的可行性。

GIS;中文命令;特征詞;規(guī)則匹配;語(yǔ)義解析

0 引言

自然語(yǔ)言符合人們的認(rèn)知習(xí)慣、語(yǔ)言習(xí)慣，與圖形語(yǔ)言相比具有運(yùn)用靈活、方便、快速的特點(diǎn)［1］，因此，在GIS中合理地運(yùn)用自然語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)人機(jī)間的信息交互，將有助于GIS的應(yīng)用普及。基于自然語(yǔ)言的GIS要求計(jì)算機(jī)接收中文的GIS命令，并且將它轉(zhuǎn)換為訪問(wèn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)接口的操作［2］。面向GIS的中文命令屬于自然語(yǔ)言理解范疇。依照自然語(yǔ)言處理方法，其解析流程涉及分詞、句法分析及語(yǔ)義分析等內(nèi)容，其中，語(yǔ)義分析是聯(lián)系自然語(yǔ)言與GIS功能的紐帶，對(duì)于帶有約束條件的復(fù)雜GIS命令理解，語(yǔ)義分析是一個(gè)難點(diǎn)。馬林兵等［3－8］研究了基于語(yǔ)義查詢樹和規(guī)則樹的自然語(yǔ)言向擴(kuò)展SQL語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換方法;余建偉等［9］給出了位置感知中定位信息表達(dá)的自然語(yǔ)言描述句式;楊皓東等［10－14］從自然語(yǔ)言處理熱點(diǎn)、地理特征間的空間關(guān)系等方面做了研究，取得了豐富的成果，為自然語(yǔ)言與GIS結(jié)合創(chuàng)造了條件。

本文分析了GIS中文命令的句法模式及其詞語(yǔ)特點(diǎn)，提出了特征詞雙重屬性的表示方法。針對(duì)復(fù)雜的空間、屬性約束條件，依據(jù)上下文無(wú)關(guān)文法形成了條件文法規(guī)則，并設(shè)計(jì)了條件模板的生成算法;通過(guò)特征詞的雙重屬性建立了自然語(yǔ)言與GIS功能函數(shù)之間的聯(lián)系，采用規(guī)則匹配、函數(shù)映射方法實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)義解析。研究自然語(yǔ)言與GIS之間的內(nèi)在聯(lián)系，將有助于擴(kuò)大自然語(yǔ)言在GIS中的應(yīng)用范圍。

1 GIS中文命令及其特征

1.1 GIS中文命令

GIS中文命令是指在GIS應(yīng)用平臺(tái)下，由用戶通過(guò)中文方式發(fā)出的要求執(zhí)行某一個(gè)GIS操作的信息形式，包括命令詞、目標(biāo)詞、空間約束詞和屬性約束詞。命令詞是GIS命令中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫、地圖漫游、信息查詢及空間分析的動(dòng)詞，如打開、放大、右移、查詢等;目標(biāo)詞是GIS操作的對(duì)象（包括地理要素、地理要素集合、聚集函數(shù)），由名詞或名詞短語(yǔ)構(gòu)成，如總統(tǒng)府、賓館、玄武湖面積等;空間約束詞由名詞、具有空間關(guān)系的介詞、方位詞及數(shù)量詞組合而成，常見(jiàn)的空間約束條件如圖1所示;屬性約束詞可分為屬性值約束（如南京市的211工程院校）、屬性字段＋關(guān)系詞＋屬性值的約束（如查詢南京市面積大于玄武湖的區(qū)縣）、聚集函數(shù)的屬性約束（如查詢旅游景點(diǎn)最多的城市）。

1.2 GIS中文命令句型特征

由于自然語(yǔ)言的表達(dá)形式具有口語(yǔ)化強(qiáng)、概括性高、句型復(fù)雜多樣等特點(diǎn)，面向所有自然語(yǔ)言表達(dá)方式的GIS命令難以被完全準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為GIS操作。因此，本文以GIS的常用功能為出發(fā)點(diǎn)，討論自然語(yǔ)言中祈使句、疑問(wèn)句形式的中文命令語(yǔ)義解析方法。

對(duì)于祈使句，命令句型（“［］”表示可選，“＊”表示可多選）模式可描述為：

對(duì)于疑問(wèn)句，其命令句型模式可描述為：

命令詞、目標(biāo)、疑問(wèn)詞間可能含有空間、屬性約束條件。

圖1 常見(jiàn)空間關(guān)系Fig.1 The common spatial relationship

2 特征詞的雙重屬性

GIS中文命令由一系列有序的詞語(yǔ)構(gòu)成。從語(yǔ)言學(xué)角度出發(fā)，依據(jù)詞語(yǔ)的詞義進(jìn)行抽象獲得特征詞的本體屬性（圖2）。如圖2中的EE、ZI、SE、QI分別表示東面、放大、西南、查找等GIS特征詞本體屬性;從具體應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，依據(jù)特征詞在GIS命令中的作用對(duì)其進(jìn)行歸類獲得其概括屬性，如圖2中的TOP、DD、NM、VF分別表示拓?fù)潢P(guān)系、方位關(guān)系、數(shù)量關(guān)系、查詢等概括屬性。

圖2 特征詞雙重屬性Fig.2 Dual properties of characteristics phrases

2.1 特征詞

在GIS中文命令中，去除干擾詞后剩余的與GIS操作有關(guān)的動(dòng)詞、名詞、方位詞、數(shù)量詞、介詞稱為特征詞，它以EntityStruct結(jié)構(gòu)形式存儲(chǔ)于專業(yè)詞庫(kù)中，describe、semantic字段分別存儲(chǔ)本體屬性、概括屬性。例如“查詢中山陵附近的賓館”的特征詞語(yǔ)鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示如圖3。

2.2 本體標(biāo)識(shí)

本體標(biāo)識(shí)為特征詞本體屬性的符號(hào)化表示，表示本體標(biāo)識(shí)的符號(hào)分別由漢字、數(shù)字和字母3種字符組成（第一個(gè)字符不能為數(shù)字）。特征詞中名詞用漢字表示，數(shù)量詞用數(shù)字表示，動(dòng)詞、方位詞、介詞的本體標(biāo)識(shí)用字母組合表示（表1）。本體標(biāo)識(shí)與特征詞間具有的一對(duì)多關(guān)系，既增強(qiáng)了自然語(yǔ)言輸入的靈活性，又簡(jiǎn)化了自然語(yǔ)言處理的復(fù)雜程度。

表1 特征詞雙重屬性示例Table 1 Examples for dual properties of characteristics phrases

2.3 概括標(biāo)識(shí)

概括標(biāo)識(shí)為特征詞概括屬性的符號(hào)化表示。表1針對(duì)GIS領(lǐng)域，將特征詞中指向地理要素、圖層名、屬性名稱、屬性值的名詞分類概括且分別用EI、ES、AT、VA表示;具有拓?fù)淇臻g關(guān)系的介詞用TOP表示;具有方位關(guān)系的方位詞用DD表示;具有邏輯關(guān)系的介詞用CR表示;數(shù)量詞用NM、QN表示。概括屬性與特征詞之間形成一對(duì)多關(guān)系。

3 規(guī)則模板生成

3.1 模板形式

中文信息處理中，常采用上下文無(wú)關(guān)的文法形式化描述自然語(yǔ)言，上下文無(wú)關(guān)文法可表示為四元組（T，NT，S，P），只要給出這4個(gè)部分，即可定義一個(gè)具體的形式語(yǔ)言［13］。其中，T為終結(jié)符號(hào)集合，是形式語(yǔ)法所描述語(yǔ)言中的詞匯的語(yǔ)法類別，在語(yǔ)法中不能重寫為其他項(xiàng)的組合;NT為非終結(jié)符號(hào)集合，可重寫為其他項(xiàng)的組合;V＝T∪NT，V＊表示由V中的符號(hào)所構(gòu)成的全部符號(hào)串，而V＋表示V中除特定串之外的一切符號(hào)串的集合;S為文法規(guī)則的起始符號(hào);P為每一條規(guī)則，可描述為a→b，其中a∈V＋、b∈V＊且a≠b。

GIS命令句型中，條件是表達(dá)最靈活、語(yǔ)義理解最復(fù)雜的片段，手動(dòng)列舉方式既耗時(shí)又易出錯(cuò)，而上下文無(wú)關(guān)文法具有很強(qiáng)的遞歸語(yǔ)言生成能力，可實(shí)現(xiàn)條件的一一列舉。因此，本文在分析了條件構(gòu)成的規(guī)律基礎(chǔ)上，依據(jù)上下文無(wú)關(guān)文法的表示方式，設(shè)定T由概括屬性構(gòu)成，NT用帶有“%”的字符串表示，用符號(hào)“∷＝”代替“→”，用符號(hào)“｜”表示“或”的意思，形成了條件文法模板（圖4）。

圖4 條件文法模板Fig.4 Conditional grammar templet

3.2 規(guī)則生成算法

條件文法中，位于文法左部且不帶“%”的文法為根規(guī)則，帶有“%”的文法為變量規(guī)則，變量規(guī)則可被右部的終結(jié)符重寫。規(guī)則重寫的算法如下：1）加載條件文法模板文件，將根規(guī)則存儲(chǔ)于p HRules中，變量規(guī)則存儲(chǔ)于p HTVar Rules中;2）分別檢查p HRules、p HTVar Rules是否出現(xiàn)左遞歸，若為真，提示錯(cuò)誤，退出，否則，初始化i＝ 0;3）取出p HRules中的第i條規(guī)則;4）尋找第i條規(guī)則右部出現(xiàn)的非終結(jié)符，將非終結(jié)符及其位置存儲(chǔ)于p HTVars中;5）取出變量規(guī)則p HTVar Rules的左部（非終結(jié)符），判斷其是否出現(xiàn)在根規(guī)則的右部，若為真，在p HTVars中找出它對(duì)應(yīng)的位置并用變量規(guī)則的右部重寫該非終結(jié)符;6）判斷根規(guī)則右部是否都為終結(jié)符，若為真，保存至Cond Rule，否則，轉(zhuǎn)至步驟 4;7）i?，若根規(guī)則已完全遍歷，退出，否則，轉(zhuǎn)至步驟 2;8）將Cond Rule寫入文件Cond Rule.txt，形成規(guī)則模板，其中，每一組規(guī)則由條件規(guī)則類型與一組有序的概括屬性構(gòu)成（表2）。

表2 常用條件規(guī)則模板Table 2 The common conditional rule templet

4 GIS中文命令轉(zhuǎn)換與實(shí)現(xiàn)

用戶以中文形式輸入GIS命令，首先進(jìn)入分詞模塊將句子劃分為一系列詞語(yǔ);其次，通過(guò)語(yǔ)句規(guī)范化處理模塊去除干擾詞，形成特征詞鏈表。

GIS命令轉(zhuǎn)換的起點(diǎn)為特征詞鏈，其過(guò)程包含從特征詞鏈中切分命令動(dòng)詞、生成目標(biāo)鏈及條件鏈三部分。首先遍歷特征詞鏈表，判斷概括屬性的類型是否為VX、VV、VP、VF、VL等命令動(dòng)詞。

4.1 GIS中文命令轉(zhuǎn)換

（1）目標(biāo)鏈生成。一般情況下，地圖瀏覽針對(duì)當(dāng)前活動(dòng)的圖層，目標(biāo)為空，而執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫、信息查詢、路徑分析功能時(shí)，用戶會(huì)指定特定的操作對(duì)象（目標(biāo)）。當(dāng)操作對(duì)象多于1個(gè)時(shí)以鏈表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)形成的目標(biāo)鏈。分析操作對(duì)象（目標(biāo)）的基本思想是將目標(biāo)短語(yǔ)根據(jù)長(zhǎng)度Length由大到小排序，從特征詞鏈中取出長(zhǎng)度為L(zhǎng)ength的子特征詞鏈進(jìn)行匹配;若匹配成功，則按下面的算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分析，同時(shí)將最后長(zhǎng)度為L(zhǎng)ength的子特征詞鏈截去。在進(jìn)行下一輪匹配之前，首先判斷截去子特征詞后的新詞語(yǔ)鏈最后一個(gè)詞是否邏輯詞，是邏輯詞表示含有多個(gè)目標(biāo)，反之則說(shuō)明目標(biāo)劃分已經(jīng)完成;否則，更改特征詞鏈，將其最后一個(gè)詞語(yǔ)截去，再根據(jù)上述算法進(jìn)行劃分。如此反復(fù)，直至劃分完成為止。

目標(biāo)短語(yǔ)＝EI｜ES時(shí)，直接將其添加到目標(biāo)鏈;目標(biāo)短語(yǔ)＝EI AT｜ES AT｜EI AG｜ES AG時(shí)，首先將概括屬性為AT、AG對(duì)應(yīng)的本體屬性賦予EI對(duì)應(yīng)的其它信息;其次將EI對(duì)應(yīng)的特征詞添加到目標(biāo)鏈表。

（2）條件鏈生成。GIS中文命令中含有多組約束條件時(shí)以鏈表形式存儲(chǔ)各組條件形成條件鏈表，條件提取采用規(guī)則匹配的思想。存儲(chǔ)條件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為subconditon＋subword＋logical，其中subconditon存儲(chǔ)條件規(guī)則，subwords存儲(chǔ)構(gòu)成該條件規(guī)則的特征詞鏈，logical存儲(chǔ)復(fù)合規(guī)則的邏輯詞。

獲取每一組條件的算法：依次取出條件規(guī)則模板（表1）中的每一組規(guī)則，從特征詞鏈中取出等長(zhǎng)度的子鏈進(jìn)行匹配;若匹配成功，則添加子鏈到條件鏈，同時(shí)截去已匹配的子特征詞鏈。在進(jìn)行下一輪匹配之前，首先判斷修改后的特征詞鏈長(zhǎng)度是否為0，若為0，表示只有一組條件;否則，判斷修改后的特征詞鏈的最后一個(gè)詞是否邏輯詞，非邏輯詞表明分詞處理存在歧義，是邏輯詞則將邏輯詞添加到條件鏈結(jié)構(gòu)，同時(shí)截去該詞，再根據(jù)上述算法進(jìn)行劃分。如此反復(fù)，直至特征詞鏈長(zhǎng)度為0。

4.2 GIS中文命令實(shí)現(xiàn)

語(yǔ)義理解是自然語(yǔ)言處理的必須過(guò)程，GIS中文命令解析旨在將特征詞的雙重屬性映射到GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)的功能函數(shù)（包括函數(shù)對(duì)應(yīng)的參數(shù)）。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換獲取命令動(dòng)詞、生成目標(biāo)鏈與條件鏈，為GIS中文命令實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

（1）GIS功能函數(shù)。在文獻(xiàn)［1］中，分析了命令動(dòng)詞、空間關(guān)系詞與函數(shù)間的關(guān)系，建立了一組GIS基本函數(shù)，其語(yǔ)義解析采用句型與函數(shù)一一映射的方式。經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于功能相似的命令，這種方式在函數(shù)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的代碼冗余;對(duì)于多個(gè)約束條件的復(fù)雜命令，一個(gè)函數(shù)的返回值可能作為另一個(gè)函數(shù)的參數(shù)，多個(gè)函數(shù)間調(diào)用關(guān)系不明確。

本文建立了特征詞雙重屬性與函數(shù)名、函數(shù)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)，運(yùn)用函數(shù)重載方法，依據(jù)命令詞的概括屬性查找語(yǔ)義－函數(shù)映射表（表3），匹配相關(guān)功能函數(shù)，通過(guò)解析本體屬性獲取函數(shù)參數(shù)，執(zhí)行具體操作，完成GIS中文命令解析。

若概括屬性為VF，表明用戶輸入的GIS命令為查詢類命令，需判斷條件鏈長(zhǎng)度是否為0，若為0，表明沒(méi)有約束條件限制，直接調(diào)用簡(jiǎn)單查詢函數(shù);若存在約束條件，需依據(jù)條件進(jìn)一步分類處理。

表3 語(yǔ)義－函數(shù)映射Table 3 The corresponding semantic explaining and function

（2）函數(shù)參數(shù)確定。

數(shù)量參數(shù)（number）：它是數(shù)詞和量詞的組合，可限定地圖縮放的倍數(shù)、地圖移動(dòng)的距離、搜索范圍、生成緩沖區(qū)半徑等;確定數(shù)量參數(shù)的公式如下：

例如，“請(qǐng)向左移四十米”經(jīng)分詞、語(yǔ)句規(guī)范化處理，提取數(shù)量參數(shù)如下：

參照物（refobj）：為地理實(shí)體，是帶有約束條件的查詢語(yǔ)句的構(gòu)成部分;確定參照物即從一組條件參數(shù)中查找概括屬性為EI的特征詞。

空間參數(shù)（spara）：是具有拓?fù)潢P(guān)系、方位關(guān)系的詞;確定空間參數(shù)即從條件中查找概括屬性為TOP、DD的特征詞。

屬性參數(shù)（attpara）：是具有屬性約束條件的查詢語(yǔ)句的構(gòu)成部分，其表示為“屬性名＝‘屬性值’”的形式。對(duì)于屬性字段＋關(guān)系詞＋屬性值：查找條件鏈中概括屬性為AT、VA、CR、EI的詞語(yǔ)，代入下式：

例如，“查詢級(jí)別為五星級(jí)的酒店”，條件段為AT CR VA，屬性參數(shù)為：級(jí)別＝‘五星級(jí)’;對(duì)于只有屬性值的約束條件，查找概括屬性為VA的詞語(yǔ)，根據(jù)它的附加信息補(bǔ)充屬性名，關(guān)系詞賦值為“＝”，代入下式：

例如，“查詢一級(jí)道路”，條件段為VA，屬性參數(shù)為：類別＝‘一級(jí)’;對(duì)于聚集函數(shù)類的屬性條件，需依據(jù)查詢目標(biāo)及計(jì)算函數(shù)（面積、平均值等）獲取屬性參數(shù)。

5 實(shí)例分析

為驗(yàn)證上述思想的可行性，建立了基于中文輸入的地理信息原型系統(tǒng)，其自然語(yǔ)言處理模塊實(shí)現(xiàn)GIS命令輸入、語(yǔ)義解析、函數(shù)映射;地圖顯示模塊負(fù)責(zé)從專題數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索信息并返回自然語(yǔ)言處理結(jié)果。系統(tǒng)以南京市地圖為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用C＃開發(fā)語(yǔ)言，通過(guò)ArcGIS Engine 10二次開發(fā)組件包完成地圖顯示功能。

本文列舉了3個(gè)實(shí)例（表4、圖5）。例句1是屬性約束條件與空間約束條件的組合查詢。針對(duì)“面積大于棲霞區(qū)”的解析，需調(diào)用AE中計(jì)算面積的函數(shù)求取各行政區(qū)面積與棲霞區(qū)面積進(jìn)行比較，找出符合條件的行政區(qū)集合A。拓?fù)潢P(guān)系的約束條件通過(guò)設(shè)置ISpatialFilter的Geometry、Spatial Rel屬性，找出符合條件的行政區(qū)集合B。由于邏輯詞為“或”關(guān)系，因此計(jì)算A∪B獲得查詢結(jié)果。針對(duì)例句2中方位關(guān)系的解析，本文采用基于錐形的八方向法定義方向函數(shù)，將方位距離運(yùn)算轉(zhuǎn)化為緩沖區(qū)與拓?fù)浒P(guān)系求解。例句3為多目標(biāo)路徑分析操作，解析較為簡(jiǎn)單。

表4 實(shí)例分析Table 4 Case study analysis

圖5 應(yīng)用實(shí)例Fig.5 Examples of application

6 結(jié)語(yǔ)

本文以自然語(yǔ)言形式發(fā)布GIS命令，為GIS的人機(jī)交互提供了一種新的手段，有助于GIS的應(yīng)用普及。針對(duì)帶有復(fù)雜約束條件的GIS中文命令直接轉(zhuǎn)化為GIS操作的難點(diǎn)，本文分析了構(gòu)成GIS命令句型的特征，探討了建立特征詞雙重屬性與GIS功能函數(shù)映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)GIS中文命令向GIS操作的轉(zhuǎn)換。分析表明，通過(guò)規(guī)則匹配、函數(shù)映射方式實(shí)現(xiàn)GIS命令語(yǔ)義解析是一種有效、可行的實(shí)現(xiàn)方法。但由于自然語(yǔ)言的復(fù)雜性，切分詞語(yǔ)時(shí)可能產(chǎn)生分詞歧義，進(jìn)而影響特征詞的獲取并導(dǎo)致轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤，相關(guān)問(wèn)題還有待深入研究。

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圖3 特征詞鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
Fig.3 Data structure of characteristics phrase

Rule Matching and Semantic Analysis of Chinese Commands in GIS

YU Ming－lang1，2，MING Xiao－na3，LONG Yi1，2，ZHANG Xue－ying1，2
（1.CollegeofGeographicScience，NanjingNormalUniversity，Nanjing210023;2.KeyLaboratoryofVirtualGeographicEnvironment，MinistryofEducation，NanjingNormalUniversity，Nanjing210023;3.EarthquakeAdministrationofYunnanProvince，Kunming650224，China）

A dual-property-method which is made of ontological and general properties for representing characteristics phrases was proposed in this paper.This method provided a new way for directly converting complicated Chinese commands constrained by spatial and attributive conditions into GIS operations.Several conditional grammar rules were developed and an algorithm was designed to generate templates according to these rules.The connection between natural language and GIS functions was established by using dual-property-method to represent characteristics phrases.Chinese command semantic analysis was realized by using rule matching and function mapping methods.Finally，a case study was made to verify the feasibility of this method.

GIS;Chinese commands;characteristics phrases;rules matching;semantic analysis

P208

A

1672－0504（2012）06－0007－06

2012－07- 24;

2012－09－09

江蘇省科技支撐計(jì)劃（工業(yè)）項(xiàng)目（BE2010100）;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40971231）;江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CXZZ12＿0396）;江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

余明朗（1984－），男，博士研究生，從事語(yǔ)音移動(dòng)GIS、智能導(dǎo)航等方面的研究。＊通訊作者E－mail：longyi＠njnu.edu.cn