基于本體的地理空間信息語義表達(dá)研究

閆李月 左小清 葛小三

摘? 要： 為了研究地理空間信息語義層次上的統(tǒng)一描述，文章在對地理空間信息特征分析的基礎(chǔ)上，基于本體論的語義構(gòu)建思想，選取五元組GeO=的本體組織基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中C表示概念集合或者類（各種實體和現(xiàn)象）、R表示關(guān)系集合（屬性和空間關(guān)系等）、F表示函數(shù)（計算概念間某些特定關(guān)系的函數(shù)）、M表示公理（針對概念或關(guān)系的約束條件）、I表示實例（對象）;以旅游出行計劃為例，對概念、關(guān)系、函數(shù)、公理、實例五種要素的進(jìn)一步定義，提出并構(gòu)建了針對旅游出行領(lǐng)域的應(yīng)用本體;借助OWL語言本體建模創(chuàng)建本體類，實現(xiàn)了針對出行計劃的地理空間信息語義表達(dá)，為地理信息服務(wù)的發(fā)現(xiàn)與組合提供支撐。

關(guān)鍵詞： 地理空間信息;語義;本體;出行計劃;應(yīng)用本體

中圖分類號： TP391? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.01.024

【Abstract】： In order to study the unified description of the semantic level of geospatial information， based on the analysis of geospatial information characteristics， based on the semantic construction idea of ontology， the quintuple GeO= is selected. Ontology organization infrastructure， where C represents a concept set or class （various entities and phenomena）， R represents a relation set （attributes and spatial relationships， etc.）， F represents a function （a function that computes certain relationships between concepts）， and M represents axioms （for the constraints of concepts or relationships）， I represents the instance （object）; taking the travel plan as an example， further definition of the five elements of concepts， relationships， functions， axioms， and examples， proposes and constructs a field for tourism travel. Application ontology; the ontology class is created by OWL language ontology modeling， and the semantic expression of geospatial information for travel planning is realized， which provides support for the discovery and combination of geographic information services.

【Key words】： Geospatial information; Semantics; Ontology; Travel planning; Application ontology

0? 引言

當(dāng)前地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展要求，內(nèi)容上不僅要有地理數(shù)據(jù)和地理信息，還要能更人性化表達(dá)地理知識，和人們的生活認(rèn)知相符合，促進(jìn)GIS的

大眾化和社會化;地理信息服務(wù)的數(shù)量在急劇增加，向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展;在信息交流方面，要求充分利用信息網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜多源的地理信息資源，從數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與信息共享，發(fā)展到更智能化的、基于語義的互操作，滿足不同用戶的需求[28]。從這些需求和

發(fā)展趨勢可以看出，地理信息系統(tǒng)正在向著地理信息資源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，地理空間技術(shù)和語義網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)了基于語義Web Service的地理信息服務(wù)和共享[1，11]。地理空間技術(shù)和語義網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)了基于語義網(wǎng)服務(wù)的地理信息服務(wù)和共享。其中，語義目前是地理信息服務(wù)研究的一個關(guān)鍵問題，讓計算機(jī)識別地理信息所含的語義成為了研究的焦點[2]。

美國喬治梅森大學(xué)LAITS研究中心的DiLiping等[15-17]研究了地理信息服務(wù)鏈中自動服務(wù)發(fā)現(xiàn)和服務(wù)組合的方法，提出了使用“地理樹”和“地理對象”的概念表達(dá)服務(wù)鏈和特定地理信息服務(wù)，并建立地理信息服務(wù)領(lǐng)域本體，形成地理信息服務(wù)的語義描述，實現(xiàn)智能搜索與組合。Lutz使用本體來描述地理信息服務(wù)的語義描述，在此基礎(chǔ)上，深入研究了基于本體論與規(guī)則的地理信息服務(wù)發(fā)現(xiàn)與組合研究[4]。在國內(nèi)，景東升等[2]對基于本體的地理空間信息語義表達(dá)和服務(wù)進(jìn)行了研究，分析了從現(xiàn)實世界到地理元素的抽象過程的九個層次，提出了語義支持的地理空間查詢框架與流程，依據(jù)當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和語義網(wǎng)服務(wù)，結(jié)合基于特征的空間數(shù)據(jù)模型等，提出了包含語義信息的地理空間信息系統(tǒng)概念架構(gòu)。鄭亮、李德仁[9]進(jìn)行了空間服務(wù)語義模式的地理信息服務(wù)發(fā)現(xiàn)的研究，完整的構(gòu)建出了地理信息服務(wù)語義描述的層次模型。張瑞[14]研究了基于情景演算的交通信息服務(wù)動態(tài)組合發(fā)布方法，創(chuàng)造性的構(gòu)建了本題庫和情境庫，還有支持語義分析和推理的模型庫。同時，李德仁、柳來星[10]進(jìn)行了上下文感知的智慧城市空間信息服務(wù)組合的研究，拓展了OWL-S本體，重點研究上下文相關(guān)類，結(jié)合智能規(guī)劃和語義增強(qiáng)等技術(shù)，實現(xiàn)了“智慧旅游”案例。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，地理信息組合服務(wù)面臨的現(xiàn)有挑戰(zhàn)重點是空間資源的發(fā)現(xiàn)和檢索。當(dāng)前已有的描述地理空間信息數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)、注冊地理信息服務(wù)的OGC目錄服務(wù)，都面臨一個缺陷：語義的發(fā)現(xiàn)與表達(dá)。信息及服務(wù)概念層次的知識標(biāo)注，即表示數(shù)據(jù)語義的形式化和明確的描述模式，是構(gòu)建地理信息服務(wù)語義發(fā)現(xiàn)和組合支撐環(huán)境的基礎(chǔ)[5]。地理空間語義網(wǎng)的出現(xiàn)為基于語義的地理信息服務(wù)的研究一大進(jìn)展，提供了一套框架、方法與應(yīng)用模型。伴隨著語義網(wǎng)技術(shù)的不斷研究，語義結(jié)合的信息服務(wù)已經(jīng)在生活、娛樂、軍事等領(lǐng)域擴(kuò)大應(yīng)用。但國內(nèi)針對地理空間信息的語義發(fā)現(xiàn)與表達(dá)技術(shù)的研究并不多，對語義的挖掘仍有局限。本文在已有的語義和地理空間信息發(fā)現(xiàn)與表達(dá)的研究成果基礎(chǔ)上，對基于本體的地理空間信息語義表達(dá)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1? 地理空間信息語義特征分析

1.1? 地理空間信息特性

地理信息系統(tǒng)是一種具體的空間信息系統(tǒng)，研究的基本問題是如何理解和理解地理空間，如何查詢和分析環(huán)境信息，為用戶提供地理信息的支持和服務(wù)。地理空間信息是與地理空間位置有關(guān)的信息，其載體為空間數(shù)據(jù)。由地理學(xué)和地理信息系統(tǒng)的本質(zhì)決定了地理空間信息表現(xiàn)形式的復(fù)雜性，其空間數(shù)據(jù)也往往是異構(gòu)的、需要經(jīng)過重新組織的。地理空間信息具有空間定位性和多維結(jié)構(gòu)性，特征是時序和動態(tài)變化等[11]。

地理空間信息當(dāng)下所具有的特性和特征決定了地理數(shù)據(jù)多種多樣的表達(dá)方式，地理信息系統(tǒng)的研究對象的大范圍和多類別的特點也決定了地理空間信息的語義復(fù)雜性。對于同一個客觀存在的地理信息表達(dá)，在現(xiàn)實世界里它的幾何特征相同，但屬性上卻可能對應(yīng)有大不相同的語義信息，像地貌、土壤、地理位置、氣候、海拔高度等自然特點，還有經(jīng)濟(jì)社會信息，像行政區(qū)劃、人口等。簡單來說，地理空間信息的傳統(tǒng)表現(xiàn)形式通常為地名或空間坐標(biāo)，但是這兩類常見的地理空間信息會由于區(qū)域、文化等語境的不同而代表內(nèi)容各異。隨著人類對地理信息研究的不斷深入和地理空間信息解決方案的不斷完善，地理空間信息的表達(dá)逐漸多元化。比如“焦作”這一地理信息，可以直接按照人們習(xí)慣例如：“焦作”、“山陽”、“懷州”、“JiaoZuo”等名稱來表達(dá)，也可以使用計算機(jī)圖形例如：“矢量地圖”、“影像地圖”或者“柵格地圖”等來表達(dá);還可以用一些間接形式例如：“行政區(qū)劃代碼”、“電話區(qū)號”、“郵政編碼”等來表述;甚至可以用人文現(xiàn)象以代表，如“中國太極拳發(fā)源地”、“云臺山風(fēng)景區(qū)所在地”“司馬懿、韓愈故里”等。

地理信息屬于信息資源中重要的一部分，所含的信息量具大，同時具有空間屬性整合的特點。隨著3S等技術(shù)的興起，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)上提供的空間數(shù)據(jù)增長迅速，形式不再僅是元數(shù)據(jù)，更多的是衛(wèi)星圖象、航攝影像、普通地圖和專題地圖等，數(shù)據(jù)的海量性與其表現(xiàn)形式的多樣性導(dǎo)致了空間信息的搜索也越來越復(fù)雜。地理空間信息的表現(xiàn)形式的多樣性導(dǎo)致了對地理信息準(zhǔn)確描述的困難性、地理空間關(guān)系提取與搜索的復(fù)雜性，由此推進(jìn)了地理空間信息的語義研究。

1.2? 地理空間信息與事件語義學(xué)

事件的語義性是指事件是一個語義單位，其介于詞和句子之間，比詞組意義完整，通過事件語義分析與計算，可以透徹研究其所在句子的意義，進(jìn)而研究所在篇章意義[13，23]。在事件語義學(xué)中，動詞表示的是事件的集合，其分類是由事件的性質(zhì)所決定的，但動詞分類同時決定了不同事件結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。因此事件可以分為對應(yīng)的四種：狀態(tài)事件、活動事件、達(dá)成事件、完成事件。Bach等將狀態(tài)同事件合并，共稱為事態(tài)，只有后三類，為計算機(jī)語義學(xué)領(lǐng)域所接受。事件語義的決定要素是事件謂詞的意義，如事件“小明計劃在焦作旅游”和“2017年的端午節(jié)三天假期，在河南理工大學(xué)讀大三的男生小明計劃在焦作及其周邊的著名景點放松旅游”，雖然后者比前者多了幾個語義成分，但兩個事件的事件謂詞都是“旅游”，并且在兩個事件中事件謂詞的語義相同，在不考慮語境的情況下，它們?yōu)橥粋€事件。

《基于認(rèn)知與計算的事件語義學(xué)研究》中提到，語義角色可以大致分為主事（theme）、接收者（recipient）、時間（time）、原因（cause）、方式（manner）、目的（purpose）等，這是本文在后邊進(jìn)行地理信息本體的構(gòu)建的思路來源。事件語義角色的層次結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。及物動詞的施事跟受事或結(jié)果相對應(yīng)，致事跟結(jié)果相對應(yīng)，主事跟系事相對應(yīng)，因而可以由施事預(yù)測受事和結(jié)果，致事預(yù)測結(jié)果，主事預(yù)測系事。施事、致事和主事被當(dāng)作原型施事的典型小類，而受事、與事、結(jié)果和系事被當(dāng)作是原型受事的典型小類?？臻g在地理學(xué)和天文學(xué)中指的是地球表面的一部分，分為絕對空間和相對空間兩個概念，絕對空間是指其自身的特征，其他一切外在事物是無關(guān)緊要的，無處不在，永不改變;相對空間是可以在絕對空間中移動的結(jié)構(gòu)，或是通過其與物體的相對位置可以感知的絕對空間的度量，通常作為不可移動的空間，包括大氣、地表、地下的空間，都是根據(jù)和地球的相互關(guān)系決定?；谙鄬臻g的考慮，空間類事件語義角色除地點外，還包括能標(biāo)示事件方向特性的源點和終點兩個事件語義角色，其中源點是指事件所表示的動作行為開始的地點，而終點是指事件表示的動作行為的結(jié)束地點。事件語義角色層次結(jié)構(gòu)如圖1。

我們將地理空間信息資源和事件語義學(xué)內(nèi)容結(jié)合起來，剖析地理事件的空間語義特征，表示出完整的包含語義信息的地理行為，表達(dá)出一個具有完整意義的事件，特點是具有地理屬性。例如，在河南理工大學(xué)讀大三的小明提出問題：“清明節(jié)在焦作去哪里玩比較好”。其中，“清明節(jié)”是時間語義成分，等價于“踏青節(jié)”或“4月4日-6日”;“焦作”是空間語義成分，包含焦作市和焦作市周邊一定范圍內(nèi)的目標(biāo)地點，源點是焦作市，終點是“去玩”的目標(biāo)地點;“哪里”即指代目標(biāo)地點;“玩”是一個動作，在本句中的語義等價于“旅游”、“出行”等;“比較好”的約束性不強(qiáng)，可以為“可達(dá)”、“合適”、“最佳”不同層級。整句話等同于“查找4月4日-6日焦作出發(fā)可旅行的地點或項目”，這就是一個具有地理屬性的完整意義的事件，是基于本體的語義分析方法的基礎(chǔ)。

2? 基于本體的地理空間信息語義分析方法

2.1? 基于本體的語義分析

本體（Ontology）最早是哲學(xué)領(lǐng)域的概念，被用來闡明事物的本質(zhì)。Studer給出了本體的完整計算機(jī)概念，同時是迄今為止為學(xué)術(shù)界普遍承認(rèn)的定義：“本體是共享概念模型的明確的形式化說明”。在這個定義中，“共享（share）”是指本體是領(lǐng)域內(nèi)共同接受的概念集，體現(xiàn)的是共同承認(rèn)的認(rèn)識，面向的是集團(tuán)而不是單個人;“概念模型（conceptua lization）”是指通過對客觀世界中某些概念進(jìn)行抽象得到的模型;“明確（explicit）”是說所使用的概念和對這些概念的限定條件的定義是明確的;“形式化（formal）”即計算機(jī)可讀的，能被計算機(jī)識別和處理。對于特定一個領(lǐng)域而言，本體表達(dá)其一套術(shù)語，實體，對象，類，屬性和關(guān)系，提供限制這些術(shù)語解釋的正式定義和公理。本體其實可以看做為傳統(tǒng)軟件中的面向?qū)ο筇峁┑膶ο竽Ｊ?，和其延伸出來的類的定義。

語義分析方法主要包括基于句法規(guī)則的語義分析方法、基于相似度計算的語義分析方法、本體構(gòu)建語義分析和本體推理語義分析等。其中，本體構(gòu)建語義分析方法是將領(lǐng)域本體的構(gòu)建過程看作語義分析過程，對領(lǐng)域本體的概念、屬性、公理關(guān)系進(jìn)行定義，從而實現(xiàn)語義信息的形式化表達(dá)，而本體構(gòu)建的重要內(nèi)容是確定領(lǐng)域本體的邏輯結(jié)構(gòu)[22]。目前本體結(jié)構(gòu)的定義并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，由于研究對象的不同，學(xué)者提出的本體結(jié)構(gòu)相互之間差異比較明顯，如崔巍[24]提出了由圖節(jié)點、邊、規(guī)則集組成的三元組本體集合，景東升[2]提出了由概念、關(guān)系、函數(shù)、公理、實例5部分組成的地理本體結(jié)構(gòu)體系，還有譚永濱等[25]、易茹蘭[26]、黃茂軍[27]等則分別提出四元組、七元組本體邏輯結(jié)構(gòu)。

3? 旅游出行計劃本體構(gòu)建

地理空間信息本體中，地理概念是地理信息語

義共享的基礎(chǔ)，本體間相對獨立，不會因為實際語境的不同而造成結(jié)構(gòu)上的改變，且其對現(xiàn)實世界現(xiàn)象及關(guān)系進(jìn)行形式化定義，可以通過對一套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行概念化產(chǎn)生。而地理信息應(yīng)用本體則與具體的應(yīng)用語境緊密相連，反映的是特定任務(wù)，例如“城鎮(zhèn)道路建設(shè)規(guī)劃”或“地震災(zāi)區(qū)救援”等某一個任務(wù)內(nèi)公共擁有的知識，是應(yīng)用語境內(nèi)普遍承認(rèn)的概念集，能讓幾個地理應(yīng)用或產(chǎn)品同用。特定領(lǐng)域應(yīng)用本體繼承了地理空間信息本體中的概念，再根據(jù)地理元素的應(yīng)用特征擴(kuò)展出具體的屬性。特定領(lǐng)域應(yīng)用本體的構(gòu)建可以簡單概括為6個步驟：（1）確定地理空間信息具體的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍;（2）已有模型的利用;（3）對應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)概念的識別和標(biāo)注;（4）確定描述概念的屬性;（5）確定概念間的關(guān)系和層次;（6）確定應(yīng)用于地理概念和地理關(guān)系之上的約束條件。

3.1? 旅游出行本體的定義

3.2? 旅游出行本體的表達(dá)

基于以上對旅游出行本體概念、關(guān)系、函數(shù)、公理、實例的分析，可以構(gòu)建旅游出行本體。依據(jù)形式化本體結(jié)構(gòu)，使用本體描述語言O(shè)WL對其中的概念、關(guān)系、函數(shù)進(jìn)行描述。對本體進(jìn)行構(gòu)建操作時，可以用一些編輯工具或者集成工具等等，使用較多的是斯坦福大學(xué)的Protégé軟件系統(tǒng)。Protégé是一種可視化的構(gòu)建本體的工具，是一個可擴(kuò)展的建立OWL本體的集成環(huán)境，可用于語義網(wǎng)中本體的構(gòu)建。Protégé為創(chuàng)建并可視化、應(yīng)用各種描述形式的本體，創(chuàng)造了豐富的知識模型的框架和程序，是當(dāng)前構(gòu)建本體的首選工具。

文章用Protégé創(chuàng)建“Travel Plan”項目，增加并命名“scenic spot”類，建立相應(yīng)屬性并與類關(guān)聯(lián)，然后構(gòu)造實例并與相應(yīng)屬性關(guān)聯(lián)，如圖4所示。

4? 結(jié)論

隨著人類獲取地理信息數(shù)據(jù)能力的不斷提升，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)上提供的地理空間數(shù)據(jù)增長迅速，數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式越來越復(fù)雜，形成了海量的地理大數(shù)據(jù)集合。但是由于地理空間信息大數(shù)據(jù)集合的多源

性和異構(gòu)性等原因，至今尚未有令人滿意的地理空間數(shù)據(jù)組合服務(wù)可視化表達(dá)工具，因此對特定領(lǐng)域地理空間信息組合的語義可視化表達(dá)研究有著非常重要的意義。為此，本文借助空間語義事件與本體的知識，基于五元組的地理空間信息本體組織結(jié)構(gòu)，通過特定應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，形成了特殊的六元組旅游出行本體結(jié)構(gòu)，為旅游出行計劃知識的組織提供了一種規(guī)范框架體系。

文章的研究為針對特定應(yīng)用領(lǐng)域的地理空間信息語義表達(dá)研究提供了一種思路，下一步可在基于本體的地理空間信息數(shù)據(jù)組織模型基礎(chǔ)上，深入對語義相似度計算方法、地理信息服務(wù)的組合形式、地理信息服務(wù)鏈的觸發(fā)等方面的研究，以期為現(xiàn)代地理信息服務(wù)的智能化提供理論和方法支撐。

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