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g i s 专题分析模型中知识表示与推理方法研究 摘要 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 ，o i s ) 已经成为人们研究和管 理地理信息的重要工具。现实的需求要求g i s 不仅要完成管理大量复杂的地理数 据的任务，更为重要的是实现与地理数据相关的分析、评价、预测和辅助决策， 从而解决复杂的规划和管理问题。将人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a i ) 领域 的理论和技术与地理信息系统相结合来设计地理信息系统专题分析模型，通过增 强其在知识表示、自动推理、问题求解、决策支持等方面的能力，使得g i s 的专 题分析模型能自动地、智能化地解决复杂的现实问题，是g i s 的重要发展方向之 本文的研究来源自一项9 7 3 国家重点基础研究发展规划课题复杂自然 环境时空定量信息的获取与融合处理的理论与应用，和一项9 7 3 基础研究重大项 目前期研究专项项目课题信息和知识共享的系统理论研究。 目前国内外已有很多将a i 领域的方法嵌入g i s 应用的研究成果，具体应用 领域包括生态评估、环境保护、农林建设、交通运输、灾害预防、养殖副业、通 讯网络规划、商业网点规划、地图制图，等等。本文回顾了这一领域国内外已发 表的研究成果，针对g i s 应用分析模型中运用到的不同a i 技术进行了分类总结 和详细的分析，并对g i s 与a i 技术结合的趋势和前景作了展望。在此基础上， 本文提出一种基于扩展改进的框架系统的g i s 专题知识表示及分析推理方法。文 中以城市地铁建设规划为背景，首先阐释了基于知识的g i s 应用系统的知识获取 过程，给出了知识库中框架和脚本的设计思想和原则，然后具体阐明如何规范化 定义框架的槽和槽值，统一表达形式。在扩展改进的框架知识表示基础上，本文 提出了框架复合的思想，给出了基于谓词逻辑归结反演机制的框架和脚本间变量 置换与复合操作的算法，并进一步阐明了通过框架复合操作来实现知识库推理与 问题求解的方法。 关键词：框架系统，一阶谓词演算，g i s 专题分析模型，知识表示，人工智能 地理信息系统 中图分类号：t p l 8 1 ：p 2 0 8 复旦大学硕士学位论文 g i s 专题分析模型中知识表示与推理方法研究 a b s t r a c t n o w a d a y s ，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 ) h a sb e e no n eo ft h ei m p o r t a n t t o o l sf o rr e s e a r c ha n dm a n a g e m e n to fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n t h er e a l i s t i cd e m a n d s r e q u i r eg i st ou n d e r t a k en o to n l yt h et a s ko fm a n a g e m e n to fal a r g en u m b e ro f c o m p l i c a t e dg e o g r a p h i c a ld a t a ，b u ta l s ot h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nr e l a t e dj o b ss u c h a s a n a l y s i s ，a p p r a i s a l ，p r e d i c t i o na n dd e c i s i o n m a k i n gs u p p o r t ，w h i c hi sam o r e i m p o r t a n ta s p e c ta n de n a b l eg i st os o l v em o r ec o m p l i c a t e dp r o b l e mo fm a n a g e m e n t a n dp l a n n i n g i ti so n eo ft h ei m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o n so fg i st h a ti n t e g r a t i n g t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e si nt h ef i e l do f a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ( a i ) w i t hg i st od e s i g n t h em o d e lo fs p e c i f i ca n a l y s i si ng i sa p p l i c a t i o n t h ee n h a n c e di n t e g r a t i o nm o d e lc a n s o l v ec o m p l i c a t e dp r o b l e m sa u t o m a t i c a l l ya n di n t e l l i g e n t l yb ys t r e n g t h e n i n gg i s s c a p a b i l i t yo fp r o b l e ms o l v i n g ，a u t o m a t i cr e a s o n i n g ，d e c i s i o n m a k i n g ，k n o w l e d g e r e p r e s e n t a t i o na n du s a g e ，e t c ar e v i e wo fi n t e m a la n di n t e m a t i o n a lr e s e a r c ha c h i e v e m e n t si n t h i sf i e l di s p r e s e n t e di nt h ep a p e r t h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fc o m b i n i n gg i sw i t h a ia r es u m m a r i z e da n da n a l y z e d t h e ya r ec l a s s i f i e db yt h ed i f f e r e n ta it e c h n o l o g i e s a p p l i e dt ot h ea n a l y s i sm o d e l so fg i sa p p l i c a t i o n s ，a n dt h et r e n da n dd e v e l o p m e n t p r o s p e c to fi n t e g r a t i o no fg i sa n da it e c h n o l o g i e sa l ea l s od i s c u s s e d o nt h i sb a s i s ，a m e t h o df o rt h er e p r e s e n t a t i o na n dr e a s o n i n go fg i st h e m a t i ck n o w l e d g eb a s e do n e x p a n d e da n di m p r o v e df r a m es y s t e mi sp r o p o s e d t a k i n gt h ep l a no fc o n s t r u c t i o no f u r b a n s u b w a y a st h e b a c k g r o u n d ，t h ek n o w l e d g ea c q u i s i t i o n c o u r s eo ft h e k o n w l e d g e - b a s e ds y s t e mi se x p l a i n e d a tf i r s t ，a n dt h ep h i l o s o p h ya n dp r i n c i p l eo ft h e d e s i g no ff r a m e sa n ds c r i p t si nt h ek n o w l e d g eb a s ea r ep r o v i d e dl a t e r f u r t h e r m o r e ， t h ei d e ao ff r a m ec o m b i n a t i o na n dt h ea l g o r i t h mo fv a r i a b l es u b s t i t u t i o na n df r a m e c o m b i n a t i o no p e r a t i o na r ep u tf o r w a r d ，a n dt h e nt h em e t h o df o rr e a s o n i n ga n d p r o b l e ms o l v i n go f t h ek n o w l e d g eb a s ea r ea l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：f r a m es y s t e m ，f i r s t - o r d e rp r e d i c a t ec a l c u l u s ，g i st h e m a t i ca n a l y s i s m o d e l ，k n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，g i s c l cn u m b e r ：t p l 8 1 ；p 2 0 8 复旦大学硕士学位论文 i v g i s 专题分析模型中知识表示与推理方法研究 1 1 研究背景 第一章引言 目前上海市正在积极建设“数字化城市”，地理信息系统作为人们研究和管 理地理信息的重要工具，无疑将发挥巨大的作用。传统的地理信息系统 ( 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 ) 实现了地理数据的获取、组织、操作和显 示，但由于其分析模型大多是在空间信息和属性数据的基础上进行检索和应用较 简单的数学模型进行空间分析，所以它能够处理的一般都是比较确定并且有较成 熟的解决方案的现实问题，这些问题往往要具有良好的结构性。现实的需求要求 g i s 不仅要完成管理大量复杂的地理数据的任务，更为重要的是实现与地理数据 相关的分析、评价、预测和辅助决策，从而解决复杂的规划和管理问题。因此， 在g i s 基本方法和基础软件已经相对成熟的情况下，g i s 走向实用化的关键是发 展适用的分析模型，如用于城市布局、交通调度、土地资源管理等专门应用的针 对性模型。 任何一个面向实用的专题分析模型都需要大量的知识，以及对这些知识进行 高效组织与有效利用的机制，这一点正是人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a i ) 领域的理论和方法所研究的问题。这一研究的挑战性在于，分析工作是由计算机 自动完成而不是计算机仅作为数据整合与展示的平台，由系统之外的领域专家完 成决策工作。不同的自动分析智能化程度对基础理论研究的需求大为不同，理论 价值也相差很大。将人工智能领域的理论和技术与地理信息系统相结合来设计地 理信息系统专题分析模型，通过增强其在知识表示、自动推理、问题求解、决策 支持等方面的能力，使得g i s 的专题分析模型能自动地、智能化地解决复杂的现 实问题，是g i s 的熏要发展方向之一，并且是一个理论问题远多于技术问题的研 究方向。针对这些理论空白的研究不仅对g i s 专题分析模型，而且对人工智能领 域也具有非常重要的意义。 1 2 本文工作 本文综述了g i s 与a i 相结合这一研究领域国内外已发表的研究成果，针对 g i s 应用分析模型中运用到的不同a i 技术进行了分类总结和详细的分析，并对 g i s 与a i 技术结合的趋势和前景作了展望。在此基础上，本文提出一种基于扩 展改进的框架系统的g i s 专题知识表示及分析推理方法。文中以城市地铁建设规 划为背景，首先阐释了基于知识的g i s 应用系统的知识获取过程，给出了知识库 复旦大学硕士学位论文 g i s 专题分析模型中知识表示与推理方法研究 中框架和脚本的设计思想和原则，然后具体阐明如何规范化定义框架的槽和槽 值，统一表达形式。在扩展改进的框架知识表示基础上，本文提出了框架复合的 思想，给出了基于谓词逻辑归结反演机制的框架和脚本间变量置换与复合操作的 算法，并进一步阐明了通过框架复合操作来实现知识库推理与问题求解的方法。 值得指出的是，更应该注意的是本文中提出的扩展框架定义，框架复合的思 想，以及应用复合操作来实现自动推理解决g i s 专题分析应用中的现实问题。这 些工作对相关研究具有启发和借鉴的意义。 1 3 相关研究 目前国内外已有很多将a i 领域的方法嵌入g i s 应用的研究成果，具体应用 领域包括生态评估【卜4 】、环境保护 5 卅、农林土地建设口。10 1 、地图制图及数据获取 1 1 - 1 6 、交通运输盼2 0 1 、通讯电力网络规划【2 1 啦l 、灾害预防、养殖副业【2 4 1 、城 市规划1 25 1 ，等等。按g i s 应用中涉及的具体a i 方法来分，又有g i s 与专家系统 ( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 或基于知识的专家系统( k n o w l e d g e b a s e de x p e r ts y s t e m ， 强s ) 的结合1 5 , 7 , 1 0 i 1 , 1 4 , 1 7 - 1 9 , 2 1 矧，g i s 与模糊推理的结合1 1 3 , 2 6 ，g i s 与模式识别 ( p a t t e r nr e c o g n i t i o n ，p r ) 的结合i l 。”j ，g i s 与决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ，d s s ) 的结合郾- 9 1 2 , 2 2 - 2 3 】，等等。本文第四章回顾了这一领域国内外已发表 的研究成果，针对g i s 应用分析模型中运用到的不同a i 技术进行了分类总结和 详细的分析，并对g i s 与a i 技术结合的趋势和前景作了展望。 另外，a i 领域中关于知识表示和概念形式化的研究进展对g i s 专题分析模 型的设计也具有借鉴意义。a i 中已经提出了很多知识表示方法，而这些方法必 须同时满足“刻画智能现象”和“计算装置可接受”这两个有时是矛盾的条件， 正是对这两个条件的不同侧重导致了对“表示”的不同认识，使得我们必须面对 “什么是表示”这一基本问题。根据对这个基本问题的不同理解和所采用的方法 论，可以将a i 领域的表示分为知识工程表示观、本体论表示观和认识论表示观 三类【2 7 】，不同的表示观规定了智能模拟研究的不同侧重。其中，知识工程表示观 认为表示是对自然世界描述的计算机模型，它应该满足计算机这一实体的具体限 制，因此，表示可以理解为一类数据结构及在其上的一组操作。本体论表示观假 设表示是对自然世界的一种近似，它规定了看待自然世界的方式，即一个约定的 集合。表示只是描述了在这个世界中，观察者当前所关心的那部分，其它部分则 被忽略。 知识工程的表示观以知识系统的可实现性作为重点，更加注重知识如何形式 化表达以便在计算机中存储和处理，对知识的内容更加强调与领域相关，可以说 复且大学硕士学位论文 g i s 专题分析横穗中知识表示与摊避方法研究 是对智能行为的一种数学抽象模型。目前a i 领域已有很多这样的知识表示方法， 妇：镶淄遂辑、摇蘩、瓣本、产璧式系统、疆义怒终等等。文簸 2 8 1 穷缓了关予 框架知识表示的研究，着重论述了撼于框架表示的知识库中槠的设置问题，如槽 的分类原则、分类视角和槽的组织层次等，分别从“k n o w l e d g e l e v e l ”和 “s y m b o l ，l e v e l ”的携角阐述了横的分类方案。文中以c y c ( 一个大援模知谈麾系 统，含露对大稻理解褥科全书的内容掰需虢鬻谈知识兹编礴积表示) 系统为铡， 首先介绍了c y c 系统中槽的种类和槽间的约束，接着阐述了两种基于 “k n o w l e d g e l e v e l ”视角的槽分类方案( a s s o c i a t i o n - t y p e 和a r g u m e n t t y p e ) 和一 耱基予“s y m b o l l e v e l ”疆爨戆稽分类方案，势鲶密了各个穗分类缝缓方繁中进 行槽检索操作的例予。本文对予樵架知识库中糕絮的定义，概念间语义关联的分 类和槽的设景，以及如何用框架来合理刻画知识对象都具有熬腰的参考价值。文 献 2 9 1 秘文献 3 0 1 分缓了一个梅建概念秘概念阅关联知识的工具_ n o e t i c a ，它 瘸一个强数据类型鹣语义网络来表零知识，基予蠢身的一套丰富的类型系统，以 规范的结构来描述概念信息。n o t i e c a 与典型的信息系统知识裳示的不同之处在 于它所表示的知识是抽象的，高度相关的，并鼠包含元知识。在文献 3 0 1 中， n o t i e c a 簇予懿强数攥粪墅语义瓣绦又演变袋懿焚型豹銎数箨模型( g r a p hd a t a m o d e l ) 。n o t i e c a 提供了为其数据模型服务的可视化和查询工具，它们支持面向 目标的焱询( g o a l - d i r e c t e d q u e r i e s ) 和寻找路径搿询( p a t h - f i n d i n g q u e r i e s ) 。文中 详绍讨论了在一个艺零家知识库中如何爆n o t i e c a 俘为知识表示工其亲表达器薛 知识。概念图结 匈( c o n c e p ts t r u c t u r e ) 是一种基予语言学、，0 疆学、哲学为一体 的知识表示方法，具有表达能力强、表达直观、可靠性好、易于实现、接近自然 语言等特点。概念图以图形表示就是一种有向连遇豳，它包括两种结点：檄念结 点帮关系绩点。熬戆方彝筏表壤念绥杰秘关系结赢之窝豹联系。攘念结点凌示润 题领域中的一个具体域抽象的实体，关系结点裳示概念间的联系。文献f 3 l j 中详 细介绍了用概念图进行知识表示的方法，并给出了綦予概念图液示的知识工程的 剿子。 o n t o l o g y 作为一种能在语义和知识层次上描述信息系统的概念模型建模工 具，自被提出以来就引起了国外众多科研人员的关注，并在计算机的许多领域得 到了广泛鹣应恩。文献 3 2 1 中对基魏o n t o l o g y 戆磷究与应用瑗状遴嚣了综述燃建 介绍，系统阐述了o n t o l o g y 的定义、建模元语、o n t o l o g y 豹攒述语言、o n t o l o g y 的分类及其构造规则。另外，文章对当前有关o n t o l o g y 的理论研究、在信息系 统中的应用以及在语义w e b 中的作用进行了分耄陲，井总结了当翦o n t o l o g y 在信 惑系统中豹应蔫壤式，捂毽在语义w e b 孛o n t o l o g y 、x m l 稳r d f 三者之润豹 关系。文献 3 3 1 中作糟基于所从事的“o n - t o - k n o w l e d g e ”项嗣，描述了个利 复曼大学碗士学位论文 g i s 专题分析横攒中知识表示与摊理方法研究 用本体方法和理论实现自动获取、维护和访问半结构性数据源的软件构架，旨在 应对蠢蕊壤长豹在线馈患。文章黧绕羞“o n - t o + k n o w l e d g ea r c h i t e c t u r e ”套锱了 系统的静部分组件，分析了“o n - t o k n o w l e d g e ”软件体系构架中各个模块的功 能和实现，系统地阐述了用基于o n t o l o g y 技爿芒的应用工具_ 束处理i n t r a n e t 和 i n t e r n e t 上的分布式、半结构他文档的方法。 1 4 本文结构 本文内容共分为六牵。第二章壤要奔绍了s 技术，第三章介绍了a i 中知 识表示与接理技术，烹簧是摇絮秘一酚暹辑羟谈波示窝攉瑗方法，作为后续章节 的铺垫。第四章分析和总结了g i s 与a i 相结合的具体实现方法，针对g i s 应用 分析模裂中运用到的不同a i 技术进行了分类评析，并对g i s 与a i 技术结合的 趋势窝 l 蓍聚终了震望。蘩益掌握窭了扩曩豹撂絮知谚 表忝方法，并跌迭铁建设燕 划为背最阐述了采用扩展的框架系统来构建g i s 专题知识霹的过程。第六奄提出 了框架复合的思想，给出基于扩展的框架知识表承的框架复合操作算法，并分析 了扩展的框架系统中攘理秘闳题求勰的设计和步骤。最后一颦做了总结。 复旦犬学颟士学位论文 4 g 1 s 专题分析攘燕中知识表示与拣理方法研究 第二章g i s 技术概述 当今信息技术突飞猛进，信息产业获得空前发展，信息汝源呈爆炸式扩张。 多尺度、多类型、多时态的地理信息是人类研究和解决土地、环境、人口、灾害、 援划、建设等重大目遴瓣鼹必需静蘩要绩患资源，跫售意裹逮公路上熬熏癸列车。 信息时代对信息资源的采集、管毽、分析提出了更高豹要求。系统论、信怠论、 控制论的形成，计算机技术、通信技术、人造卫耀遥感等空间技术、自动化技术 的应用，为信息资源的科学管理展涿出更加广瀚的前景。地瓒信息系统是在上述 学辩不凝发震静掰变鹜景下产生豹，它是一门煞诗算视麓学、信息辩学、现代遗 地学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科举为一体的新必边 缘学科。地理信息系统的迅速发展不仅为地理信息现代化管理提供了契机，而且 毒裂于箕经裹錾技本产潼数发震。 2 1g l s 的基本概念 圭| 羹壤臻患是指空阏缝瑗分毒瓣褰关售意，窀表示逮表耱侮酾丽缓整鸯的数 量、葳豢、分布特征、联系和规律的数字、文字、图形、图像簿的总称。地理信 息属于空间信息。它与一般信息的隧别在于它具有区域性、多维性和动态饿p 。 区域性怒攘地理信息的定位特征，熙这种定位特镊是通过公共的地理基础米体现 豹。稠魏，蠲经纬瘸袋公萋溺坐标来毒疑疑空阗经鬟，并指定特定静区蠛。多维牲 是指在二维空间的基础上实现多个专题第三维结构。例如，氍一个地面点上，可 取得高程、污染、交通等多种信息。动态性是指地理信息的动态变化特征，即时 事特缝，麸嚣壤邈理傣纛能够醛对阙尺度划分成琴闲时越段蠡馨镶患。这戴要求及 时采集和更新地理信息，并根据多时相数据和信患来寻找时间分布规律，进而对 未来做出预测和预报。 地理臻感系统( 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 ) 楚穆g i s 。荚予g i s 嚣内钤 有许多定义，不同的艨用领域、不阍鑫每专监，对糍的理解是不样的，舀黼还没 有一个完全统一的被酱遍接受的定义。1 9 8 7 年夔阑教育部( d o e ) 下的定义是； “g i s 是一种获取、存储、检查、操作、分析和显承地球空闻数据蛉计算机系统”。 1 9 8 8 年美国国家圭| 垂瑾傣怠与分餐巾，洛( n c g i a ) 下貔定义楚：“为了获取、存褚、 检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库傺理系统”。根据美 国联邦数字地图协调豢员会( f i c c d c ) 的定义，g t s 是由计算机硬件、软件和 不霹豹方法缝戏豹系绞，该系统竣诗矮来支拷空阕羧撵夔采繁、管瑾、廷毽、分 析、建模和显示，以便解决复杂的搋划和管理问越。总之，地联信息系统熄在计 复里太学联士学位论文 g i s 专题分祈横溅串知识表毋与撩疆方法研究 算机软硬件支持下，以采集、存储、管理、检索、分析和描述空间物体的定位分 毒及与之捐关匏属热数蹇，若嚣豁髑户趣题等秀主要 壬务懿诗葵援系统1 3 5 】。 地瑷信息系统是一门特殊而重要的交叉学科，是传统学科和现代技术的共同 产物。它涉及到了地理学、地图学、测量学、计算机科学、遥感科学、管瑕信息 系统等众多学秘，这黧不羼磅究镶城墨潦瑷基来熬成果不叛必壹| 蠡理信息系绞熬菱 展提供了新的技术和方法。作为多门学科的综会，地理信息系统的成果氍体现出 了与这些学科的联系，又具有自己的特征。顾名思义，地理信息系统也是一个以 地理空闻数据库为依援，利用不同舱地理模型，提供合适的空间地理信息的计算 秘技术系统。逮理信患系统翦蠢瑷敬交了管理、矜拆空阉信息豹俦统模式，为久 们更有效的认识和掌撼空间信息提供了强有力的工具，使得人们做出的决策更为 准确、科学。 2 2g l s 靛组成 一个完整的典型的地理信息系统主要由五个部分构成。 1 ) 疆待子系统+ 矮箨系统一般囊终为该予系统棱，玉懿诗簿壤蟊其它一黛癸 阐设备( 包括输入设备、输出设备、数搬存储设备、网络设备等) 构成。 g i s 可充分利用包括从主机服务器到桌顾工作站乃至网络计算的一切计 冀资源。 2 ) 软件予系统。软件子系统燎熬个地理信息系统的核心。依据离硬件子系 统的远近，从下到上可以分为系统软件艨、数据库软件层、g i s 专业软 传秘应雳分耄匿缀痔层。瑟依撵其提供酶凌麓，锑s 专业软馋遥霉镪含懿 下核心模块；数据输入霸颈处理模块、嶷闻数据管毽攘块、空闻数琚处 理和分析模块、数据输出模块、二次开发环境模块等。 3 1 察闯数据。空闽数据是越毽信息系统黔搽作对象，楚瑷实世赛经过模型 糖象后鹩实旗性内容，是现实世秀在媲联结惠系统串豹“逻辑印象”。可 以这些数据刻画了地理实体的空间特征、属性特征、时间特征。空间特 饺是指地理实体的空间位置及其相互关系；属性特征怒指地理实体的名 称、类銎、数爨等；露藤褥缝是撵遮溪实镩蕤薅阕翡交纯嚣发生熬鞠关 变化。根据地溅实体的空间图形表现形式，可将空间数据抽象为点、线、 颟三类元素，馁们的数据袭达方式可以分别采用矢量朔栅格两种组织形 式。 4 ) 相关人员。地联信息系统的相关人员既能括从事g i s 系统和应用系统开 复垦犬举硬士学位论文 6 g i s 专题分析模型中知识表示与推理方法研究 发的专业人员，也包括采用g i s 系统完成日常工作的最终用户。他们的 业务素质和专业知识是g i s 工程及其应用的关键。 5 ) g i s 应用模型。构建和选择合适的g i s 应用模型也是关系到g i s 应用系 统成败的重要因素。尽管g i s 提供了一定的分析能力，但是这种分析能 力相对于许多应用的需求而言是比较弱的，难以完成复杂的、有领域约 束的、动态变化的、特定的智能化信息处理任务。因为完成这些任务必 然涉及到多个不同层次的不同因素，需要海量的人为经验和专家知识， 需要利用面向具体应用的应用模型。g i s 应用模型是g i s 与相关专业连 接的纽带，其作用就是根据关于目标的知识将系统数据重新组织，得出 关于目标的更为有序的新的数据集合的规则和公式，从而有效的支持完 成诸多的与地理数据相关的分析、评价、预测和辅助决策等任务，这正 是g i s 向深层次发展的根本目标。 2 3g i s 的功能和应用 尽管随着应用目的的不同，不同的g i s 软件包提供的功能并不完全一致，实 现的技术也不一样，不过他们提供的基本功能都是类似的，主要有一下四种基本 功能： 1 ) 数据的采集与预处理。数据采集是从外部现实世界中获得数据( 数据来 源包括对现实世界的观测数据、外部文件、地图) ，将空间数据输入计算 机的过程被称为数字化。最新扫描跟总集术使大规模自动数字化成为可 能，中小型作业仍可使用传统手工数字化仪；同时g i s 软件提供强大的 数据转换功能，可从c a d 、文本、关系数据库等几乎所有形式转入数据。 而数据的预处理则是将原始数据转换为满足系统要求的结构化数据。空 间数据只有加工为适合的形式才能被g i s 系统利用，通过各种方式获取 的不同类型空间数据必须经过标准化处理，包括不同比例尺、坐标投影 的转换匹配等。 2 1 数据的存储和管理。采用文件结构构造g i s 数据对于小型应用或许足够， 但当数据规模和使用者人数急剧增长时，必须通过大型数据库系统进行 有效严格的组织管理。在关系型数据库中，不同表格问通过相关项相互 连接，提供g i s 高度的可扩展性和灵活的配置能力。g i s 以分幅的方式 或者分层的方式管理空间数据，并通过对用户透明的数据管理功能实现 拓扑结构完整、逻辑上取消图幅数或图层数限制的空间数据库。 复旦大学硕士学位论文 g i s 专题分析模型中知识表示与推理方法研究 3 ) 空间查询和分析。空间查询和分析是g i s 的核心，是区别于其它类型系 统的重要标志，也是人们用来灵活地解决各类专门问题地有效工具，其 主要目的就是确定众多地理要素间的各种空间关系。g i s 提供从最简单 的点击式查询到各种复杂的空间分析方法。g i s 最引人入胜的地方就在 于通过各种假设分析来模拟区域内空间规律和发展趋势。g i s 提供的众 多空间分析工具中最为常用的有地形分析、地图分析、缓冲区分析、叠 置分析、网络分析等。 4 ) 可视化表达输出。将g i s 的计算结果通过可视化的地图、影像、多媒体 的方式加以直观表达，是g i s 的一大特点。 在上述基本功能的支撑下，通过利用更为广泛的空间分析技术、模型分析技 术、网络技术、二次开发接口等技术，g i s 可以提供极为丰富的高级功能，满足 不同行业的应用需求。 当前对g i s 的研究成果已经诞生了一大批实用系统。g i s 的应用领域扩展的 相当快，已经涉及到了测绘与地图制图、国防、城市规划、资源管理、灾害监控、 环境保护、石油、电力、医疗卫生、农业种植、经济咨询、投资决策、宏观决策 支持等诸多方面。 2 4g i s 的专题数据 g i s 系统中的地理数据包含描述地理现象或地理实体的空间位置、形状、大 小以及它们之间关系的空间数据，也包含描述地理现象或地理实体的定性或定量 指标等属性特征的非空间数据，即属性数据。 g i s 中用于反映地理环境的信息是无限丰富的。而且g i s 技术在各种领域中 的应用也在不断的深入发展，各领域的专业数据与g i s 技术以及g i s 中空间数 据的结合，形成描述特定地理现象的各种专题数据，所以g i s 中专题数据的范畴 不再局限于属性数据( 以往将g i s 中的非空间属性数据也称作专题数据) ，而是 包括了与某个应用专题或某个专业相关的空间信息、属性信息、时间信息等【3 8 】。 所以，也可以说g i s 专题数据是描述特定专题的地理数据的集合。 2 5g i s 的发展动态 自从1 9 6 3 年加拿大测量学家r f t o m l i n s o n 提出并建立世界上第一个地理信 息系统加拿大地理信息系统( c g i s ) 以来，g i s 的研究取得了丰硕的成果， 并且得到了广泛的应用。而且随着更多的应用需求的涌现和其它科学技术的进 复旦大学硕士学位论文 g i s 专题分析模型中知识表示与推理方法研究 展，当前对于g i s 的研究出现了许多充满希望的研究热点： 1 ) g i s 与面向对象技术的结合。g i s 管理数据的传统方式是将图形数据和 属性数据分开管理，利用面向对象技术，人们能够找到一种比较适合人 类思维模式的、直观、结构清晰、有序的方法来管理复杂的空间信息， 通过面向对象数据模型来统一管理g i s 空间数据( 图形数据和属性数 据) 。 2 ) 真三维g i s 。目前大多数g i s 是采用二维来表示现实的三维对象，而将 三维分量z 作为一个属性值，这对于许多地学分析是相当不便的。借助 于计算机图形学的发展，人们已经有可能真实的描述三维物体的几何特 征和属性特征。 3 ) 时空g i s 。在某些应用中，空间实体的时序特征十分重要，时空g i s 除 了处理和分析实体的空间特征外，还要处理和分析它们的时序特征。 4 ) 地理信息建模系统( g i m s ：g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nm o d e l i n gs y s t e m ) 。 如前所述，g i s 应用模型是g i s 解决实际问题的能力所在，其建立和选 择受到日益的重视。传统的g i s 是通过二次开发工具和环境以供用户建 立专业应用模型，这对用户要求较高。而o l m s 本身支持面向用户的空 间分析模型的定义、生成和检验的环境，支持交互式的基于g i s 的分析、 建模和决策。 5 ) i n t e m e t 技术和g i s 的结合。利用i n t e m e t 日新月异的技术进展，g i s 的 信息处理模式出现了许多新奇的变化。其中最引人注目的就是组件式 g i s 和o p e n o i s 。 6 ) o l s 与人工智能技术的结合。利用人工智能中的知识工程、问题求解、 规划、决策、自动推理等技术，能够大大提高g i s 的智能化程度，增强 其应用模型的分析能力。 7 1g i s 与虚拟现实技术的结合。虚拟现实技术使得o l s 能够在三维空间中 模拟和重构逼真的三维地理实体，使得用户在客观世界的虚拟环境中更 有效的管理和分析空间实体数据。 除上述方向以外，“3 s ( g i s 、g p s 、r s ) ”的进一步集成，g i s 与c a d 的集 成，并行技术在g i s 中的应用等都是o i s 发展趋势，而且这些发展方向相互之 间都起着积极的促进作用。 复旦大学硕士学位论文 g i s 专题分析模型中知识表示与推理方法研究 第三章a i 知识表示与推理方法分析人类的智能 活动过程主要是一个获得并运用知识的过程，知识是智能的基础。为了使计算机 具有智能，使它能模拟人类的智能行为，就必须使它具有知识。但知识是需要用 适当的模式表示出来才能存储到计算机中去的，因此关于知识的表示问题成为人 工智能中一个十分重要的研究课题。为使计算机具有智能，仅仅把知识用某种模 式表示出来存储到计算机中去是不够的，还必须使它具有思维能力，即能运用知 识进行推理，求解问题。因此，关于推理及其方法的研究是人工智能的又一个重 要研究课题。目前人们已经对知识表示和推理进行了比较多的研究，提出了很多 理论和方法，这些方法有各自的特点，适用于不同的应用领域。本章概述和分析 了框架与一阶逻辑知识表示及相应的推理方法，作为后续研究工作的铺热。 3 1 框架知识表示与推理 3 1 1 框架理论 1 9 7 5 年美国著名的人工智能学者m i n s k y 在其论文“af r a m e w o r kf o r r e p r e s e n t i n gk n o w l e d g e ”中提出了框架理论，并把它作为理解视觉、自然语言对 话及其它复杂行为的基础。它是针对人们在理解情景、故事时提出的心理学模型， 论述的是思想方法而不是具体实现。该理论认为人们对现实世界中各种事物的认 识都是以一种类似于框架的结构存储在记忆中的，当面临一个新事物时，就从记 忆中找出一个合适的框架，并根据实际情况对其细节加以修改、补充，从而形成 对当前事物的认识d 9 。所以框架提供一种结构，在它里面新的数据将用从过去的 经验中获得的概念来解释。知识的这种结构使人们面临新情况时能从旧经验中进 行预测，引起对有关事项的注意、回忆和推理。所以框架是一种理想的知识表示 方法。框架理论将框架视作知识表示的基本单位，将一组有关的框架连结起来便 形成框架系统。系统中不问框架可以有共同结点，系统的行为是由系统内框架的 变化来表现的。推理过程是由框架间的协调来完成的。 框架是一种结构化的知识表示形式，适合表示固定的、典型的概念、事件和 行为。框架表示法是一种适应性强、概括性高、结构化良好、推理方式灵活、又 能把陈述性知识与过程性知识相结合的知识表示方法。 3 1 2 框架定义 框架( f r a m e ) 是一种描述所论对象( 一个事物、一个事件或一个概念) 属 性的数据结构。一个框架由若干个“槽”结构组成，每一个槽又可根据实际情况 复旦大学硕士学位论文 g i s 专题分析模型中知识表乐与推理方法研究 划分为若于个“侧蕊”。一个檬用于攒述所论对象莱一方疆的属性，一个侧两用 于描述相应属性的一个方面。耩和侧面所具有的属性值分别称为槽值和侧面值。 在一个震撼架表示知识戆系统孛，一般蘩会蠢多令框架，爻了掺称霸区分不疑豹 框架以及一个框架内的不同槽、不同侧面，需要分别给它们赋予不同的名字，分 裂称为框黎名、稽名及镧霭名。勇努，无论蹩对予框粲，还是稽或稍西，都可以 为其附加上一些既明性的信息，一般是指一然约束条件，用于指出什么样的值才 能填入到槽藏侧面中去。 棰粲知谈表示豹b n f 蕹述魏下； ：= ：= 槽 ， ( 槽 】 ：一约荣 ，【 ：= l 用户自定义的槽名 槽值 ：= i f i 框架名的值 i 侧面部分 ：= ，f 侧面 】 撼瑟 ：= 镶蟊德 ：= 系统与定义憋侧匿名 l ：= 静态描述 l 过程l ：一 i i 布尔值 i ：= 1 ，【 ：= 凌上述表示形式霹塔看出。一令槎絮可以骞妊意鸯黢数嚣懿横，一个搂霹隧 有任意有限数目的侧面，一个侧面又可以有任意有限数目的侧面值。一个槽可以 分为游于个键蟊，镪可不分铡瑟，筏箕箍述瓣j 霭健瑟定。努舞，耩值或德西德既 可以照数值、字符串、布尔值，也可以是一个在满足某个给定条件时要执行的动 作或避程，特剐是它还可阻是另一个箍架的名字，铁面实现一个糯架对冀一个梃 美量大学臻壹学位论文 i g i s 专题分析模型中知识表示与推理方法研究 架的调用，表示出框架之间的横向联系。另外，同类的若干对象必然会有一些共 同的属性，因此在对它们进行描述时可以把这些共同属性抽取出来，构成一个上 层框架，各个具体对象独有的属性分别构成下层框架，为了指明框架问的这种层 次关系，可在下层框架中设立一个专用的槽以指出它的上层框架是哪一个。这样 就在框架间建立了纵向联系，通过这种联系，下层框架还可以继承上层框架的属 性。至此，具有横向联系和纵向联系的一组框架便可以构成框架网络。 3 1 3 框架中槽的设置与组织 框架是一种集事物各方面属性的描述为体，并反映相关事物问各种关系的 数据结构。在此结构中，槽起着至关重要的作用，因为不仅要用它描述事物各有 关方面的属性，而且还要用它来指出相关事物间的复杂关系。因此，在用框架作 为知识的表示模式时，对槽的设景与组织应给予足够的重视。具体地说，应该注 意以下几个方面的问题d 9 】： 1 充分表达事物各有关方面的属性 在以框架作为知识表示模式的系统中，知识是通过事物的属性来表示的。为 使系统具有丰富的知识，以满足问题求解的需要，就要求框架中有足够的槽把事 物各有关方面的属性充分表达出来。这里所说的“各有关方面的属性”有两方面 的含义：一是要与系统的设计目标相一致，凡是系统设计目标所要求的属性，或 者问题求解中有可能要用到的属性都应该用相应的槽把它们表示出来；另一是仅 仅需要对有关的属性设立槽，不可面面俱到，以免浪费空间和降低系统的运行效 率。一般来说，一个事物的属性通常都是多方面的，但并不是每一个属性都是系 统所要求的。因此，在选择把哪些属性作为槽的描述对象时，首先要对系统的设 计目标及应用范围进行认真的分析，并依此对事物的属性进行筛选，仅把那些需 要的属性找出来，并为它们建立相应的槽。 2 充分表达相关事物间的各种关系 现实世界中的事物一般不是孤立的，彼此间存在着千丝万缕的联系。为了将 其中有关的联系反映出来，以构成完整的知识体系，需要设置相应的槽来描述这 些联系。 在框架系统中，事物之间的联系是通过在槽中填入相应的框架名来实现的， 至于它们之间究竟是一种什么关系，则是由槽名来指明的。为了提供一些常用且 可公用的槽名，在框架表示系统中通常定义一些标准槽名，下面列出其中用得较 多的几个： 复旦大学硕士学位论文 g i s 专题分析模型中知识表示与推理方法研究 1 ) i s a 槽。i s a 槽用于指出具体事物与其抽象概念间的类属关系。其直观 含义是“是一个”，“是一种”，“是一只”，。当用它作为某下层框架 的槽时，表示该下层框架所描述的事物是其上层框架的一个特例，上层 框架是比下层框架更一般或更抽象的概念。 2 ) a k o 槽。a k o 槽用于具体地指出事物间的类属关系。其直观含义是“是 一种”。当用它作为某下层框架的槽时，就明确地指出该下层框架所描 述的事物是其上层框架所描述事物中的一种，下层框架可以继承其上框 架所描述的属性及值。 3 ) s u b c l a s s 槽。s u b c l a s s 槽用于指出子类与类( 或子集与超集) 之间的类 属关系。当用它作为某下层框架的槽时，表示该下层框架是其上层框架 的一个子类( 或子集) 。 4 ) i n s t a n c e 槽。i n s t a n c e 槽用来建立a k o 槽的逆关系。当用它作为某上层 框架的槽时，可用来指出它的下一层框架是哪一些。 5 ) p a r t o f 槽。p a r t - o f 槽用于指出“部分”与“全体”的关系。当用它作为 某下层框架的槽时，它指出该下层框架所描述的事物只是其上层框架所 描述事物的一部分。p a r t o f 槽只是指出下层框架是上层框架的一个子结 构，两者一般不具有共同的特征，下层框架不能继承上