（地图学与地理信息系统专业论文）基于本体的地理空间信息语义表达和服务研究.pdf

论文摘要 论文摘要 地理本体研究是一个崭新的研究领域，是地球空间信息科学和数字地球的重要研 究内容之一。美国大学地理信息科学协会( u c g i s ) 在2 0 0 0 年提出4 个新的研究领 域，其中之一是地理信息科学的本体基础：2 0 0 2 年的研究日程表中，空间本体排在十 大长期研究挑战之首。通过基于本体的地理空间信息语义表达和语义共享，把单个团 体的概念推向更广的范围，将这些概念连到全球的w e b 上，利用本体对服务进行语义 描述，使服务能够自动发现、组合、执行和监督，这样的构架将人类的知识和工作开 放给软件智能体进行有意义的分析，使网络地理信息系统体现出了更大的力量。 论文通过对真实地理世界的抽象和地理认知过程的分析，以本体作为地理概念及 其关系的形式化表达方法，提出了地理本体语义场、地理概念分类、地理概念关系类 型和基于描述逻辑的本体模型；研究了基于知网的本体语义标注、本体语义关系的定 量计算方法；研究了本体查询模式，并结合本体推理，提出了基于语义的地理信息查 询框架；分析了语义网络服务，以地理缓冲区服务为例进行了语义服务表达；最后讨 论了适合于本体表达的地理特征模型和语义空间信息系统框架。 论文的主要成果和创新点包括： ( 1 ) 分析了地理本体的定义和内涵，提出了地理本体语义场的概念，将地理概 念划分为自然地理实体和人文地理实体两种类型，将地理概念关系分为空间关系、时 间关系和语义关系三种类型，分别建立了地理概念体系本体、地理概念关系本体，开 展了地理实体间的空间关系计算，并以乘车路线选择为例进行了应用。 ( 2 ) 基于描述逻辑对本体模型及其相关概念进行了定义，分析了基于描述逻辑 的语义推理，建立了本体查询的六种查询模式，提出了基于语义的地理空间查询框架。 ( 3 ) 引入知网常识库对地理本体概念进行了语义标注研究，在此基础上，建立 了树状层次结构和基于知网的概念相似度计算方法、单一关系和基于知网概念相关性 统计的本体相关性计算方法。 ( 4 ) 分析了语义网络服务的服务轮廓、服务模型和服务基点，提出了基于o w l ，s 和a g e n t 的地理空间服务的框架和地理空间语义服务内容，讨论了基于智能体的地理 语义查询体系框架；以地理缓冲区服务为例进行了语义网络服务的表达。 ( 5 ) 讨论了地理空间信息的表达体系和适合地理本体表达又能够结合实用g i s 技术的地理特征模型：提出了面向语义的地理空i 吲信息系统的概念模型框架。该框架 以互联网作为运行平台，通过地理本体和智能体，给w e b g i s 提供了新的框架模式。 基1 ：本体的地理空问信息语义表达和服务研究 ( 6 ) 以我国土壤系统分类为例，初步建立了面向语义的土壤地理信息系统，实 现了土壤分类本体创建、土壤本体查询和检索、土壤本体推理和不同土壤分类系统的 参比，并结合地理特征和地理实体对土壤分类图进行了表达。 关键词：地理本体、地理概念、语义关系， 网络服务，本体驱动地理信息系统 n a b s t r a c t ar e s e a r c ho ng e o - s p a t i a li n f o r m a t i o ns e m a n t i ce x p r e s s i o na n ds e r v i c e b a s e do no n t o l o g y j i n gd o n g s h e n g ( c a r t o g r a p h ya n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rb is i w e n & a c a d e m i c i a nt o n gq i n g x i i n s t i t u t eo f r e m o t es e n s i n g a p p l i c a t i o n s ，c a s ，b e i j i n g ( 1 0 0 1 0 1 ) a b s t r a e t ar e s e a r c ho ng e o o n t o l o g yi st h ei m p o r t a n tc o n t e n to f g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns c i e n c e a n dd i g i t a le a r t h 1 1 1 eo n t o l o g i c a lf o u n d a t i o nf o rg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns c i e n c ei so n eo f f o u rn e wr e s e a r c hf i e l d s t h a tw e r ep r o p o s e db yu c g i s ( u n i v e r s i t yc o n s o r t i u mf o r g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns c i e n c e ) i n2 0 0 0 i n2 0 0 2r e s e a r c ha g e n d a , t h es p a t i a lo n t o l o g yi s t h ef i r s tt o p i co ft h et e nl o n g - t e r mr e s e a r c hc h a l l e n g e s b yt h eg e o s p a t i a li n f o r m a t i o n s e m a n t i ce x p r e s s i o na n ds e m a n t i cs h a r eb a s e do no n t o l o g y , t h ec o n c e p t so fs i n g l e c o m m u n i t ya r ee x p a n d e dt om o r ew i d er a n g eg r a d u a l l ya n da r el i n k e dw i t hi n t e m e t t h r o u g h t h es e m a n t i cd e s c r i p t i o no f s e r v i c eb a s e do no n t o l o g y , w e bs e r v i c e sc a nb ea u t o m a t i cf o u n d o u t , c o m p o s e d ，i m p l e m e n t e da n ds u p e r v i s e d t h e r e f o r e ，t h i ss t r u c t u r em a k e sh u m a n s k n o w l e d g ea n dw o r ko p e nt oa g e n t st h a tc a nc a r r yo u ta n a l y s i ss i g n i f i c a n t l y , w h i c hm a k e s w c b g i ss h o wm o r ee n e r g y b yt h ea b s t r a c to f r e a lg e o g r a p h i cw o r l da n dt h ea n a l y s i so f g e o g r a p h yc o g n i t i v ep r o c e s s ， t h ed i s s e r t a t i o nm a k e so n t o l o g ya st h ef o r m a l i z e de x p r e s s i o nm e t h o do fg e o g r a p h yc o n c e p t s a n dt h er e l a t i o n s h i po f t h e s ec o n c e p t s ；p r e s e n t st h eg e o o n t o l o g ys e m a n t i cf i e l d ，g e o c o n c e p t t y p e s ，t h es e m a n t i cr e l a t i o n s h i pt y p e sa n dt h eo n t o l o g ym o d e lb a s e do nd e s c r i p tl o g i c ； s t u d i e st h eo n t o l o g ys e m a n t i ca n n o t a t i o nb a s e do nh o w n e t ，t h eq u a n t i t a t i v ea r i t h m e t i co f t h e o n t o l o g ys e m a n t i cr e l a t i o n s h i p ；p r e s e n t st h eo n t o l o g yq u e r ys c h e m a sa n dt h es e m a n t i cq u e r y f r a m e w o r kb a s e do no n t o l o g yr e a s o n i n g ；a n a l y z e st h es e m a n t i cw e bs e r v i c ea n dt a k et h e b u f f e rs e r v i c ea sa ne x a m p l e ；d i s c u s s e st h eg e o f e a t u r em o d e is u i t e dt h ee x p r e s s i o no f g e o o n t o l o g ya n dt h ef r a m e w o r ko f s e m a n t i cs p a t i a li n f o r m a t i o ns y s t e m t h ea c h i e v e m e n t sa n di n n o v a f i o n sa sf o l l o w s ： ( 1 ) d i s c u s st h ed e f i n i t i o na n dc o n n o t a t i o no f t h eg e o - o n t o l o g y , p r e s e n tt h ec o n c e p t i o no f g e o o n t o l o g ys e m a n t i cf i e l d ，d i v i d et h eg e o - c o n c e p t si n t op h y s i c a lg e o - e n t i t ya n dh u m a n g e o e n t i t y , d i v i d et h er e l a t i o n s h i p so fg e o - c o n c e p ti n t os p a t i a lr e l a t i o n s h i p ，t e m p o r a l 1 1 1 基1 ：本体的地理空删信息语义表达和服务研究 r e l a t i o n s h i pa n dt h es e m a n t i cr e l a t i o n s h i p ，b u i l dt h eg e o c o n c e p ta r c h i t e c t u r eo n t o l o g ya n d r e l a t i o n s h i po n t o l o g yo fg e o c o n c e p t ，a n dc a l c u l a t et h es p a t i a lr e l a t i o n s h i po fg e o g r a p h y e n t i t i e sa n dt a k et h et r a f f i cr o u t ec h o i c ea st h ee x a m p l et od e m o n s t r a t e ( 2 ) d e f i n et h eo n t o l o g ym o d e la n dt h er e l a t e dc o n c e p t sb a s e do nd e s c r i b el o g i c ， a n a l y z et h es e m a n t i cr e a s o n i n ga n dt h es i xs c h e m a so fo n t o l o g yq u e r y , p r e s e n tt h e f r a m e w o r ko f g e o o n t o l o g ys e m a n t i cq u e r yf r a m e w o r k ( 3 ) i m p o r tt h ec o m m o nk n o w l e d g eb a s e - - h o w n e t ，s t u d yt h es e m a n t i ca n n o t a t i o no f t h e g e o - c o n c e p t ，p r e s e n tt w ok i n d so fa r i t h m e t i co ft h es i m i l a r i t yo fg e o - c o n c e p tb a s e do nt h e t r e eh i e r a r c h yo n t o l o g yc o n c e p td i a g r a ma n dh o w n e tc o n e q m s e m e m ea r c h i t e c t u r e ，a n d t w ok i n d so fa r i t h m e t i co f t h er e l a t i v i t yo fg e o c o n c e p tb a s e do nt h es i n g l er e l a t i o n s h i pa n d l h eh o w n e tc o n c e p tr e l a t i o n s h i p ( 4 ) a n a l y z et h es e r v i c ep r o f i l e s ，s e r v i c em o d e la n ds e r v i c eg r o u n d i n go fo w l s ， p r e s e n tt h ef r a m e w o r ka n d t h ec o n t e n t so f t h eg e o - s p a t i a ls e m a n t i cs e r v i c eb a s e do no w l s a n da g e m ，a n dt a k et h eb u f f e rs e r v i c ea st h ee x a m p l et oe x p r e s st h es e m a n t i cw e bs e r v i c e ( 5 ) d i s c u s st h eg e o s p a t i a li n f o r m a t i o ne x p r e s s i o ns y s t e ma n dt h eg e o g r a p h yf e a t u r e m o d e ls u i t e dt h ee x p r e s s i o no fg e o o n t o l o g ya n dt h eg i st e c h n o l o g y ；p r e s e n tt h ec o n c e p t m o d e lo ft h es e m a n t i cg e o s p a t i a li n f o r m a t i o ns y s t e mt h a tt a k et h ei n t e m e ta st h ep l a t f o r m a n db r i n gt h en e wf r a m e w o r ks c h e m af o rw e b g i si nv i a u e o f t h eg e o o n t o l o g ya n d a g e n t ( 6 ) d e v e l o pt h es e m a n t i cs o i lg i sf o rt h ec h i n as o i lt a x o n o m y ( c s t ) ，b u i l dt h e g e o o n t o l o g yo ft h es o i lc l a s s i f i c a t i o n ，r e a l i z et h ef u n c t i o no fo n t o l o g yq u e r y , o n t o l o g y r e a s o n i n ga n dt h er e f e r e n c eb e t w e e nd i f f e r e n ts o i ls y s t e m s ，a n de x p r e s st h ec l a s s i f i c a t i o n m a pi n t e g r a t e do ng e o g r a p h i cf e a t u r ea n dg e o g r a p h i ce n t i t y k e y w o r d s ：o e o - o n t o l o g y ,g e o c o n c e p t ， w e bs e r v i c e ， s e m a n t i cr e l a t i o n s h i p ， o n t o l o g y d r i v e ng i s 图目录 图目录 图l _ 1 以语义为核心的地理空间信息技术发展趋势5 图l _ 2 基于本体的地理空间信息语义表达与服务研究框架9 图2 1 现实世界与地理空间世界的联系一1 2 图2 2 本体分类层次图1 5 图2 3 基于本体的地理数据框架一1 7 图2 4 地理本体的概念关系图一2 2 图2 5 地理概念关系本体图2 6 图2 6 基于投影和基于圆锥的方向模型2 8 图2 7 地理本体语义关系计算一3 0 图2 8 任意两个地点乘车方法计算实验图3 0 图2 9 乘车路径选择计算逻辑3l 图3 1 分类查询检索示意图3 8 图3 2 士壤分类查询检索示意图一3 9 图3 3 土壤系统分类本体编辑4 7 图4 1 基于知网的土壤系统分类概念体系图( 部分) 5 7 图4 2 以永冻有机土为中心的土壤分类语义相似度等值线图5 8 图4 3 土壤语义相似度可视化自组织图6 0 图4 4 以永冻有机土为中心的土壤分类语义相关度等值线图一6 3 图5 1o w s 服务框架( o s f ) 6 8 图5 2 服务过程控制本体一7 3 图5 3 基于o w l s 的语义服务框架7 5 图5 4 地理空间语义服务的内容模式一7 6 图5 5 基于智能体的地理空间信息查询7 7 图5 6 缓冲区服务本体概念组成图一7 8 图5 7 缓冲区服务的控制流程8 0 图6 1o p e n g i s 的九层模型8 4 图6 2 地理空间数据模型和语言学模型的对应一8 5 图6 3 地理空间本体查询系统一9 4 图6 4 地理空间信息系统通用的概念模型框架一9 6 图7 1 基于本体的土壤信息系统功能框架1 0 3 图7 2 土壤分类土种剖面模型示例1 0 4 图7 t 3 本体合并图1 0 6 图7 4 土壤分类概念与土壤个体的联接1 0 8 图7 5 土壤地理特征的建立和编辑1 0 8 图7 6 土壤系统分类图1 l o 图7 8 土壤分类实例查找结果1 1 2 图7 9 土壤检索的流程图1 1 4 图7 1 0 土壤分类本体参比映射图一1 1 5 基于本体的地理空间信息语义表达和服务研究 表目录 表2 1 本体层次的主要特征( g u a r i n o ) 1 3 表2 2 地理空间概念分类2 l 表2 3 地理本体的概念关系2 5 表2 4 地理本体的面一面本体关系2 7 表2 ，5 地理实体空间关系计算表一3 2 表3 1 描述逻辑基本构件以及对应语义一3 4 表3 2 基于本体模型的查询模式一3 8 表3 _ 3r j ) f s 组成4 2 表3 4o w l 公理4 4 表4 ，1 基于知网的土壤分类概念定义表一5 9 表4 2 概念语义相似性计算结果表一5 9 表4 3 概念语义相关度计算6 3 表5 1 缓冲区分析基本服务过程 x 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和现状 1 1 1 地理空间散据、信息和知识的表达 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 需要表达的内容越来越丰 富，从地理空间数据、地理空间信息发展到地理空间知识，表达方式也从简单的几何 模型、关系模型发展到具有一定语义的地理数据库模型，这为地理空间信息的语义表 达和智能化处理奠定了基础。 1 1 1 1 从地理数据、地理信息到地理知识 数据是对现实世界的数字符号纪录，包括数字、文字、图像、音响等，是信息的 具体表现形式和载体( 邬伦，2 0 0 1 ) 。地学空间数据是指带有地理坐标，即经纬网坐 标的数据，包括资源、环境、经济和社会等领域的一切带有地理坐标的数据。其中地 理数据是指表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数量、质量、分布特征、联系和 规律的数字、文字、图像和图形等的总称。 信息是经过重新组织的，能揭示现实世界内在机理的并有利f 研究工作的数据。 地理信息是与空间地理分布有关的信息，具有空间定位和多维结构的性质。地理信息 属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，具有时序和动态变化的特征。 在地理学中除了能够定量的数据外，大量的是地理概念、地理现象的描述。这些 统称为地理知识( 马霭乃，2 0 0 1 ) 。这里的“地理知识”不是地理常识，而是计算机 信息科学中认为的信息，包括数据与知识两部分。一般来说，数据描述的是与具体对 象和状况相关的事实：而知识描述一般对象和状况集合中的关系。知识可咀从大量的 数据中通过信息的获取、认知等来获取。知识处理包括对知识的获取、表达、组织、 推理等一系列的处理过程，以保障基于知识的智能系统的运行( 周成虎，2 0 0 3 ) 。g i g 的普及和社会化，要求能够进行基于地理知识的查询、分析和处理。在一些空问分析 和决策支持r r l ，如区域分析、土地利用规划、城镇区域发展规划、设施位置选择等， 也需要由决策者或者问题领域的专家在专业领域知识和经验的艏发下，通过分析大量 地理信息的基础卜进行。 可以看出，地理数据、地理信息和地理知识对地理空间表达的概念化程度越来越 高，地理数据主要表达是窄问数据、文字、图形图像等：地理信息表达的是具有空间 和属性数据的地理几何要素，而地理知识则可以对相关的地理概念和地理现象进行描 述，更符合人类的认知习惯。 述，更符合人类的认知习惯。 基于本体的地理空间信息语义表达和服务研究 1 1 1 2 地理空间数据模型发展 地理空间数据模型理论发展自2 0 世纪七十年代。比较典型的有c a d 数据模型、 地学关系模型( g e o - - r e l a t i o n a lm o d e l ) 、面向对象模型( o b j e c t - - - o r i e n t e dm o d e l ) 等。 最早计算机化地图系统的地图主要由c a d ( 计算机辅助制图) 软件绘制。c a d 数据模型以二进制文件格式存储地理数据，并以点、线划和面域的形式表达。很少属 性信息能保存在这些文件里，地图图层和注记是主要的属性表达方式。 1 9 8 1 年，e s r i 推出它第一个商业化g i s 软件a r c l n f o ，应用了第二代地理数据模 型- - - c o v e r a g e 数据模型( 地学关系数据模型) 。地学关系模型描述和表达点、线、面 空间目标及其相互间的拓扑关系，并通过i d 与属性数据联接起来。c o v e r a g e 数据模 型的主要进步在于提供了用户自定义特征表的能力，缺陷主要表现在：特征( f e a t u r e ) 由同样的点、线、多边形集合聚合而成，它们仅能表达一般的行为，难以为每一类实 体定义特定的特征行为。 g e o d a 住出a s e 数据模型是一种新的面向对象数据模型，通过一系列数据对象来操 作地理数据。g e o d a t a b a s e 也存储一些有效的规则和域，当特征被创建或更新时用来 确保它们的属性在与它们相关联的特征和对象的上下文关系中继续有效。g e o d a t a b a s e 数据模型允许扩展标准的特征类型，使用面向对象的类型继承技术来创建自定义特征 ( m i c h a e lz e i l e r ，1 9 9 9 ) 。 地理空间数据模型的发展，使得g i s 数据集里的地理特征更加智能，可以通过赋 予它们自然行为以及允许特征问任何种类的关系，更方便的定义一个地理实体的特 征，通过对地理语义的表达，能够更好的模拟真实地理空间景观和物体。 1 1 2 地理信息系统、地理信息疆务和空问霸格计算 地理信息系统是用于获取、储存、查询、综合、处理、分析和显示地理空间数据 及其与之相关信息的计算机信息系统( 陈述彭，1 9 9 9 ) 。1 9 6 3 年，加拿大学者 r e t o m l i n s o n 首先提出了g i s 这一概念，经过4 0 多年的发展，g i s 的含义有了很大 的改变，从集成式g i s ，模块化g i s ，发展到c o m g i s ，w e b g i s ，直到现在兴起的地 理信息服务和空间网格计算。 1 1 2 1 地理信息系统发展 早期阶段的g i s 是集成式g i s ，系统复杂、庞大，难于与其它应用或系统集成。 随后出现了模块化g i s ，把g i s 按照功能划分为一系列模块，运行于统一的基础环境 之上。但无论是集成式g i s 或是模块化g i s ，都很难与管理信息系统以及专业应用模 型集成高效、无缝的g i s 应用。为解决集成式g i s 与模块化g i s 的缺点，提出了核心 式g i s 的概念。核心式g i s 被设计为操作系统的基本扩展，通过应用程序接口( a p i ) 访问内核所提供的g i s 功能。实现各种功能的动态连接库可以被拆卸和重组，给用户 提供更大的灵活性。随着计算机软件技术的发展，出现了组件式g i s ( c o m o o n e n t sg 1 s ， 第1 章绪论 c o m g i s ) 和万维网g i s ( w e b g i s ) 。c o m g i s 基于标准的组件式平台，各个组件之问 不仅可以进行自由、灵活的重组，而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口。 w e b g i s 是在i n t e m e t 或i n t r a n e t 网络环境下应用采用了w w w 协议的一种兼容、存储、 处理、分析和显示与应用地理信息的计算机信息系统。它的基本思想就是在互联网上 提供地理信息，让用户通过浏览器浏览和获得一个地理信息系统中的数据和功能服 务。从w w w 的任意一个节点，i n t e m e t 用户可以浏览万维网g i s 站点中的空间数据、 制作专题图，以及进行各种空间检索和空间分析，从而使g i s 进入千家万户( 钟耳顺， 1 9 9 8 ：宋关福，1 9 9 8 ) 。 1 1 2 2 地理信息服务 网络服务( w 曲s e r v i c e s ) 是由服务提供者发布的，可以在互联网上使用，并且 人类用户或者计算机应用程序可以访问的业务功能。它们是自包含、自描述、模块化 的应用，可以用于数据的发布，访问，以及通过w e b 来调用( b r a h i m ，2 0 0 4 ) 。利用 w e bs e r v i c e 提供地理信息网络服务，通过w e b 进行互相通讯，可以让各种在线的空 间数据处理系统和基于位置的服务进行无缝的集成，对多源、异构的空间数据进行基 于w e b 的数据发现、数据处理、分析、决策支持和可视化表现，并且可以将空间数据 处理功能与其他信息应用系统进行集成。从这种意义上讲，地理信息网络服务提供了 可互操作的、开放的、动态链接的空间信息服务网络平台。当前对地理信息w e b 服务 的研究方兴未艾，例如王兴玲( 2 0 0 2 ) 研究了如何基于网络提供地理信息服务，并基 于n e t 实现了w m s 服务，卢亚辉( 2 0 0 3 ) 提出了基于w e bs e r v i c e s 的w e b g i s 原型 系统。 1 1 2 3 地理空间网格计算 网格计算是伴随着互联网技术而迅速发展起来的，专门针对复杂科学计算的新型 计算模式。这种计算模式是利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚 拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个节点，而整个计算是由成 千上万个节点组成的“一张网格”，所以这种计算方式叫网格计算。简言之，网格是 把整个网络整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信 息资源、知识资源及专家资源的全面共享。 随着全球信息网格概念的提出，人们不仅要求可以在互连网环境下查询和检索到 地理空间数据，而且要能利用网络上的计算资源进行网格计算。目前的g i s 数据面临 语义描述的不一致的障碍，地理空间数据语义共享和互操作，需要借助本体数据库思 想建立一个统一的语义网格，来描述同一客体在不同专业空间数据库中的语义描述及 其转换( 李德仁，2 0 0 4 ) 。 综上所述，地理空间信息系统的发展趋势是信息的集成化、网络化和智能化，地 理信息系统从单机桌面系统发展到网络地理信息系统，地理网格和地理网络服务的出 基丁本体的地理空问信息语义表达和服务研究 现为地理语义服务和共享提出了迫切的要求。 1 1 3 地理空间信息共享和互操作 网络地理信息系统的核心是解决异构环境下的信息集成与共享问题。语义网和地 理信息互操作的研究为地理空间信息共享提供了理论基础和技术支持。 1 1 3 1 语义共事和互操作 共享指提供一种不依赖于具体系统的中性机制，用来建立包括数据产品完整的、 语义一致的数据模型，保证对信息理解的一致性。根据英汉计算机辞典，数据共 享是指多个用户或者多台计算机共用数据库中的数据集。顾及g i s 数据语义的g i s 数 据共享叫做g i s 语义共享。语义共享更加强调在数据共享中对语义的处理，保持数据 共享过程中语义的稳定性。地理空间信息语义共享，试图从语义学和符号学的角度来 解决g i s 数据共享过程中的地理信息传输问题。实现一个g i s 数据共享，也就意味着 要找出能保证用户正确把握和理解g i s 语义的手段( 陈常松，1 9 9 9 ) 。 g i s 互操作可以归纳为技术、数据、语义和企业4 个层次。其中网络、硬件、软 件是指从技术上如何实现g i s 互操作，包括网络协议、文件系统传输、远程过程调用、 分布计算平台、软件规程等。数据库和g i s 应用是实现不同系统之间数据层上的互操 作，但是真正的信息互操作不仅是数据互操作，更应该是语义及含义上的互操作，用 户对数据和处理资源的访问所获得的结果应该是可以预测的。企业层是g i s 中最高层 次的互操作，实际上也就是我们通常所称的信息共享。计算机科学对语义共享的研究 比较深入。测绘、地理、计算机科学也已经开始研究g i s 语义共享问题，例如陈常松 ( 1 9 9 9 ，2 0 0 3 ) 、黄裕霞( 2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 、丁力( 2 0 0 1 ) 等，形成一些初步的理论结果。 1 1 3 2 语义厨( s e m a n t i cw e b ) 上个世纪8 0 年代，1 hb e r n e r s - l e e 将超文本技术应用于计算机网络，促成了互 联网( w w w ) 的诞生。而今，他所领导的w 3 c 正致力于开发语义网一能理解入类 语言的智能网络。语义网研究的主要目的，就是扩展当前的w w w ，使得网络中尽可 能多的信息都是具有语义的，是计算机能够理解和处理的，便于人和计算机之问的交 互与合作。其研究重点就是如何把信息表示为计算机能够理解和处理的形式，即带有 语义。t i mb e m e r s l e e 给出了语义网中的层次关系一基于x m l 和r d f r d f s ，并在 此之上构建本体和逻辑推理规则，以完成基于语义的知识表示和推理，从而能够为计 算机所理解和处理( tb e m e r s - l e e ，2 0 0 1 ) 。 语义网是对未来网络的一个设想，在这样的网络中，所有信息将被加上明确的语 义信息，从而使智能代理自动对网络上的资源进行处理，使网络信息得到更充分的利 用。语义网使用x m l 来定义定制的标签格式以及用r d f 的灵活性来表达数据，f 一 步需要的就是一种本体的网络语言来描述网络文档中术语的明确含义和它们之问的 关系。地理空间信息的语义是一个需要特别关注的领域( e g e n h o f e r ，2 0 0 2 ) ，地理空 再 第l 章绪论 i 瑚信息是一种重要的信息资源，不仅信息量具大，而且具有空间属性一体化的特征， 显然是语义w e b 中的重要组成部分。 综上所述，当前地理信息系统技术，在信息内容上，不仅仅要能够表达地理数掘 和地理信息，社会化使g i s 已经走出了科研工具的领域，要求g i s 能更人性化表达地 理知识，符合人们的认知习惯，用来支持地理空间信息解译自动化和g i s 空间分析的 智能化；在信息平台上，从二维向多维动态以及网络方向发展。通过互联网络发展地 理空间w e b 服务，实现远程寻找所需要的各种地理空间数据，进行各种地理分布式处 理：在信息的交流上，从数据格式转换、信息共享发展到更智能化的、基于语义的互 操作，满足不同行业信息交流的需要。从地理空间信息内容、信息平台和信息交流的 需求和发展趋势可以看出，语义成为地理信息表达、沟通和地理服务的核心，而地理 空间信息的语义表达和地理信息服务的语义描述也成为人们研究的热点，见图1 1 。 图1 1 以语义为核心的地理空间信息技术发展趋势 1 2 立题依据和研究的意义 1 2 1 问题的提出 在以数字化信息为资源、互联网交互为动脉的新世纪里，数字地球、数字区域、 数字城市，直至数字国土、数字矿山和数字煤嗣等，这一系列数字工程的发展，产生 了海量的地理空间数据( 毕思文，2 0 0 2 ) 。虽然网络上的空间信息资源在不断增长， 但由于行业管理和数据安全的原因，这些空间信息资源大多是面向行业的、依赖于特 定的支撑环境和运行环境。它们各自独立、相对封闭、无法互相沟通和协作，形成了 空间信息孤岛，难以满足i n t e r n e t 上与空间信息相关的综合决策的需要。所以，必须 基于本体的地理空间信息语义表达和服务研究 从g i s 、w e b 和地理知识表达等多方面入手来解决地理空间应用的这些问题。 地理空间信息应用的多元化决定了地理数据表达方式的多样性。地理系统的研究 对象的多种类特点决定了地理信息的多语义性。对于同一个地理信息单元，在现实世 界中其几何特征是一致的，但是却对应着多种语义，如地理位置、海拔高度、气候、 地貌、土壤等自然地理特征：同时也包括经济社会信息，如行政区界限、人口等( 钟 耳顺，1 9 9 9 ) 。地球空间信息的认知是构成2 l 世纪地球信息科学理论体系的重要内容 ( 李德仁。2 0 0 3 ) 。尽管地理信息系统已迅速发展成为地理信息的存贮、查询和显示 的工具，但地理信息的广泛使用还受到其内在的空问数据模型与人的认知模型之间反 差强烈的阻碍。比如现有的3 d g i s 研究都集中在三维可视化技术方面，对于更为基础 的空间认知问题的研究显得很不够( 朱庆，2 0 0 3 ) 。空间信息自身研究的缺乏、地理 空间信息集成和共享困难是限制当前g i s 发展的主要因素( 陈军，2 0 0 2 ) 。 当前地理信息表达和地理信息服务中存在以下几个局限： ( 1 ) 地理信息是海量的，但缺乏对信息的描述，即缺乏语义信息，不同地理空 间信息团体对知识理解差异导致语义异构 传统g i s 主要侧重表达地理特征的几何成分，其语义关系往往不被重视( t a n g ， 1 9 9 6 ) 。对现实世界空间几何目标的抽象忽视了地理现象的本质特性及现象之间的内 在联系，减少了地理g i s 的信息容量；注重空问位置描述的矢量或栅格数据组织模型， 丧失了以分类属性和相互关系为基础的结构化实体所提供的丰富的分析能力( u s e r y ， 1 9 9 3 ) ；基于专题地理分层的空间数据表达思想和单一图层内以矢量或栅格数据结构 基本单元作为地理实体或现象基本建模单元的表达方式，对于复杂地理实体或现象的 描述及地理过程分析存在严重不足。这就使建成的g i s 成了功能层次较低的空问数据 存贮和管理系统，难以进行较高层次的空间分析和辅助决策。忽视语义关系会使人们 在已有的认知水平上对原本为有机整体的地理世界进行僵硬的分割，从而导致基于这 种认识得g i s 在复杂的、深层次的空间分析上显得被动。 在g i s 领域由于人们对世界认知的不同，导致对同一地理现象观察描述会侧重于 对象不同的切面，从而产生观点上的差异，形成语义异构。所以人们对同一地理对象 的观点的异同形成不同地理信息团体( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nc o m m u n i t y ，g i c ) 。由 于现有的时空数据模型多是从计算机表达的角度出发，而不是面向地学问题的，所以 缺少对地理实体或现象的显式定义和基础关系描述，不能在语义层次上实现数据的共 享。因此，需要一个高度统一的框架对地理现象和地理数据进行规范化的理解、表达 和组织( r u g g ，1 9 9 7 ) 。 ( 2 ) 基于关键词的检索质量和效果难以令人满意，不同领域存在知识定义二义 性，面向知识的地理信息检索、查询和推理难以实施 数据检索的性能取决于所用的标识字段的方法和用户对这种方法的理解，因此具 6 第1 章绪论 有很大的局限性。常规的直接基于关键词的信息检索技术已不能满足用户语义上和知 识上的需求，寻求新的方法也就成为目前研究的热点。地理信息的语义缺乏定义，导 致数据检索困难。 目前已有许多基于知识的系统，由于应用目的及用户需求的不同，这些基于知识 的系统采用不同的知识表示、建模方法及开发工具来解决不同的领域问题，常常会出 现“同义异词”或“同词异义”的问题，造成同一个基本概念可能会产生不同的理解， 即所谓的“二义性”，这种差异表现为缺乏可共享的理解，各个系统彼此分离独立， 互操作困难，相互之间无法共享及重用。本体具有良好的概念层次结构和对逻辑推理 的支持，因而在信息检索，特别是基于知识的检索中得到了广泛的应用。通过建立各 自的领域本体和基于本体的知识推理机制，对不同领域本体进行参比和映射，对这些 异构系统进行集成，可以实现面向语义的信息检索和查询。