基于本體技術(shù)的優(yōu)化系統(tǒng)研究與應用

李棟科，丁圣彥，趙清賀

(1.平頂山市公安局網(wǎng)安與技偵支隊，河南 平頂山 467000；2.教育部黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)重點實驗室，河南 開封 475004)

基于本體技術(shù)的優(yōu)化系統(tǒng)研究與應用

李棟科1，2*，丁圣彥2，趙清賀2

(1.平頂山市公安局網(wǎng)安與技偵支隊，河南 平頂山 467000；2.教育部黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)重點實驗室，河南 開封 475004)

為滿足海量異構(gòu)數(shù)據(jù)優(yōu)化需求，對本體的概念和應用進行論述，分析構(gòu)建地理本體的方法，設計基于地理本體的推理與查詢系統(tǒng)、本體控制優(yōu)化模型等優(yōu)化系統(tǒng)子系統(tǒng)。在對過程數(shù)據(jù)作完整性分析、對異構(gòu)數(shù)據(jù)源實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成必要性分析的基礎上，設計并實現(xiàn)基于本體的優(yōu)化系統(tǒng)，既可以消除信息孤島，又可以共享和重用生態(tài)文明政務知識，實現(xiàn)信息增值。應用該優(yōu)化系統(tǒng)對研究區(qū)景觀格局進行多目標優(yōu)化，繪制出該研究區(qū)域的景觀優(yōu)化格局圖。

本體；推理；遺傳算法；優(yōu)化系統(tǒng)

目前，本體技術(shù)在“多個領域”優(yōu)化系統(tǒng)中的應用較為薄弱，尚須進行深入研究。本文對本體、本體優(yōu)化系統(tǒng)的構(gòu)建設計進行論述，其可基于大數(shù)據(jù)采集平臺，對領域內(nèi)研究對象進行有效優(yōu)化，該優(yōu)化系統(tǒng)廣泛應用于生態(tài)、環(huán)保、土管、信息安全等多領域。

1 本體和本體構(gòu)建

本體(ontology)是基于概念模型的明確的、清晰的、系統(tǒng)的形式化規(guī)范說明。地理本體是采用嚴格地形式化(rigorously informal)本體表示方法，規(guī)范定義地理領域的概念和關(guān)系，并對封丘地理本體中的概念進行嚴格地語義解釋，同時基于一些公理、定理和規(guī)則實現(xiàn)知識推理。地理本體構(gòu)造遵循客觀性、完全性、最大單調(diào)可擴展性、一致性、最小約定原則和最小承諾規(guī)則，其構(gòu)建的方法通常有實用方法、理論方法、經(jīng)驗方法。在研究實踐中，常采用3種方法相結(jié)合的綜合法建立。

本研究采用綜合法構(gòu)建封丘地理本體[1-2]，它的構(gòu)造要經(jīng)過5個步驟：1)知識獲取，即勾勒出目標本體的主要輪廓。由于地理本體的構(gòu)建主要是為景觀優(yōu)化服務的，因此首先要分析農(nóng)業(yè)景觀規(guī)劃的相關(guān)領域知識，挖掘農(nóng)業(yè)景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化和景觀空間優(yōu)化的實質(zhì)，遴選和提取領域核心概念(術(shù)語)。2)領域知識概念化。首先建立知識字典，收集整理領域的概念分類等必要信息，并將概念的定義、所屬類別、語義表達、包含的屬性和實例，分別寫入字典項。其次對地理本體概念類知識表進行必要的知識檢驗，保證封丘地理本體中的每個概念都符合準確性規(guī)則、完整性規(guī)則、一致性規(guī)則。最后定義概念間分類關(guān)系。建立概念分類樹，以全面、清晰地表達本體的概念層次和關(guān)系。在研究區(qū)地理本體中，概念和概念之間通過8種關(guān)系(時間關(guān)系、距離關(guān)系、拓撲關(guān)系、方向關(guān)系、分元關(guān)系、概念相關(guān)關(guān)系、功能相關(guān)關(guān)系)來交互。3)概念分類層次的知識檢驗。4)定義類的屬性和實例屬性值。5)使用本體編輯工具Protégé 3.3.1[3]，生成研究區(qū)地理本體。

2 優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)建

本研究設計的優(yōu)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)為3個體系架構(gòu)、5個基本層次，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3個體系為：基于語義分析綜合管理信息系統(tǒng)體系；系統(tǒng)網(wǎng)絡和安全保障體系；生態(tài)優(yōu)化工程標準規(guī)范體系。

5個基本層次為：生態(tài)優(yōu)化工程運行基礎平臺層(計算機網(wǎng)絡設備等)；系統(tǒng)應用支撐平臺層(安全認證、公共數(shù)據(jù)交互、應用系統(tǒng)互操作等)；統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集平臺和生態(tài)業(yè)務系統(tǒng)應用層；系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)交互共享層；基于語義的數(shù)據(jù)挖掘、比對、分析和輔助決策層。

本研究對過程數(shù)據(jù)作了完整性分析，對異構(gòu)數(shù)據(jù)源實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成必要性分析，設計并實現(xiàn)基于本體的綜合管理信息系統(tǒng)，既可以消除信息孤島，又可以共享和重用生態(tài)文明政務知識，實現(xiàn)信息增值。

基于地理本體的空間信息語義表達與服務系統(tǒng)研究設計框架[4-7]，設計地理本體推理與查詢系統(tǒng)，并實現(xiàn)其功能，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設計框架

地理本體推理與查詢系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中：1)推理控制層分為推理和控制2層?？刂茖拥闹饕瓿蓴?shù)據(jù)流(Data Flow)的轉(zhuǎn)發(fā)控制(其中數(shù)據(jù)流包括用戶端優(yōu)化指令輸入數(shù)據(jù)流和返回用戶端語義輸出數(shù)據(jù)流的)。推理層是整個地理本體系統(tǒng)的核心，其目的是在數(shù)據(jù)層接口之上開發(fā)基礎業(yè)務邏輯層，包括本體建庫和推理。推理層主要是完成概念顯式的形式化語義表達，建立基于封丘地理概念的語義數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)有效的本體推理。本研究滿足實現(xiàn)基于Jena的推理要求。描述邏輯的推理功能集中在進行概念集合的一致性檢測，分為包含(subsumption)和相容(satisfiability)兩方面，分別為判斷一個概念是否為另一個概念的子集和判斷一個概念和已有的概念集(本體)是否相容。2)地理本體庫層保存本體、OWL文件和RDF文件。本體數(shù)據(jù)對語義類、語義屬性、語義關(guān)系以及語義規(guī)則進行定義。本層使用連續(xù)的語法表示本體。RDF是定義元數(shù)據(jù)的框架。資源：以RDF形式描述的所有事物屬性，每個屬性都有一個特定的意義，用于定義和描述資源的特性或關(guān)系。語句：一種特定資源與其一個命名屬性及該屬性的值構(gòu)成了RDF語句。

圖3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本體控制優(yōu)化模型是基于景觀格局時空分異特征，在景觀格局現(xiàn)狀數(shù)據(jù)模型、景觀生態(tài)系統(tǒng)服務定量化和主要生態(tài)限制因子定量化評價支撐下，運用景觀生態(tài)學原理，采用本體和人工智能技術(shù)，建立典型農(nóng)業(yè)區(qū)景觀生態(tài)系統(tǒng)本體優(yōu)化模型[8-17]，對典型區(qū)農(nóng)業(yè)景觀格局進行多目標優(yōu)化，繪制研究區(qū)域的景觀優(yōu)化格局圖，為區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)健康發(fā)展提供參考依據(jù)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 本體優(yōu)化控制模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先，基于農(nóng)業(yè)景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化和景觀空間優(yōu)化2個本體，根據(jù)景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化中使用基期年各類景觀用地的經(jīng)濟效益數(shù)據(jù)與生態(tài)效益數(shù)據(jù)，使用多目標線性規(guī)劃模型，以三態(tài)綜合效益(經(jīng)濟效益、社會文化效益、生態(tài)效益之和)最大化為目標函數(shù)，尋求一個適合于約束條件下的最優(yōu)景觀結(jié)構(gòu)初步優(yōu)化方案。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以分為結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標函數(shù)構(gòu)建、結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束規(guī)則庫構(gòu)建和結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型3個組成部分。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標函數(shù)構(gòu)建是在專家打分的基礎上通過層次分析法模型計算出各景觀要素的效益系數(shù)，然后根據(jù)研究區(qū)實際需求采用自定義方式對目標函數(shù)進行局部修改，進而獲得一個科學、合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標函數(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束規(guī)則庫構(gòu)建是用戶根據(jù)區(qū)域的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展目標將社會經(jīng)濟條件、農(nóng)業(yè)景觀條件、各景觀要素約束指標等土地結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)因素轉(zhuǎn)化為對景觀要素數(shù)量的約束，并通過農(nóng)業(yè)景觀結(jié)構(gòu)約束編輯器輸入到農(nóng)業(yè)景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化任務本體中，系統(tǒng)通過農(nóng)業(yè)景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化任務本體將約束解析為相應的結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)則，指導結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型求解。3個組成部分有機結(jié)合，在景觀要素需求預測的基礎上，根據(jù)用戶設定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化約束條件，將景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果反饋。

其次，選擇以遺傳算法模型為主，作為本系統(tǒng)的景觀空間優(yōu)化模型。根據(jù)遺傳算法的特點可以將算法實現(xiàn)分為景觀類型面積指標分解、農(nóng)業(yè)景觀空間優(yōu)化目標函數(shù)構(gòu)建、農(nóng)業(yè)景觀空間優(yōu)化約束規(guī)則構(gòu)建、染色體初始化方式、染色體雜交方式、染色體變異方式、染色體選擇、算法終止條件幾個部分。其景觀要素面積指標分解是通過縣域的規(guī)劃用地量扣除縣級以上規(guī)劃用地的需求作為待分解的用地面積，根據(jù)各個鎮(zhèn)歷年對用地的需求情況按照等比例對待分解用地進行分解；空間優(yōu)化目標函數(shù)構(gòu)建是在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務定量化的基礎上進行，以整個鄉(xiāng)鎮(zhèn)評價累計值為目標函數(shù)，求解滿足約束規(guī)則的縣域優(yōu)化累計值最大的景觀空間模式。景觀空間優(yōu)化約束規(guī)則構(gòu)建是將區(qū)域發(fā)展模式、景觀類型約束指標等景觀優(yōu)化相關(guān)因素轉(zhuǎn)化為對各區(qū)域范圍內(nèi)各景觀要素的保持量、總量以及景觀要素之間的轉(zhuǎn)變量的約束，并通過景觀空間優(yōu)化約束編輯器輸入到系統(tǒng)中。系統(tǒng)通過景觀優(yōu)化任務本體將約束解析為相應的景觀優(yōu)化規(guī)則，指導景觀優(yōu)化模型求解。染色體初始化可以分為3步：第1步，將縣級以上規(guī)劃已經(jīng)確定的局部區(qū)域布局和通過本體知識庫可以確定的景觀空間格局進行初步規(guī)劃；第2步，以生態(tài)系統(tǒng)服務評價最高值優(yōu)先、景觀要素優(yōu)先布局等方式在景觀空間優(yōu)化約束范圍內(nèi)對耕地和城鄉(xiāng)建設用地的布局進行初始化；第3步，對園地、林地、道路交通用地、坑塘、河渠、濕地及裸地繼承性原則(保持現(xiàn)狀不變)進行初始化。染色體雜交方式是隨機選擇染色體雜交組合，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)(因為指標分解到鎮(zhèn)層次，導致各個鎮(zhèn)的城鄉(xiāng)建設用地和耕地的數(shù)量確定)為單元對針對城鄉(xiāng)建設用地和耕地進行雜交(若是不同染色體同一基因的值為耕地或者城鄉(xiāng)建設用地，就以一定概率進行交換)。染色體變異方式是以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元同一染色體進行耕地和城鄉(xiāng)建設用地進行交換。染色體選擇方式是以對適宜值最優(yōu)和適宜值最劣的染色體進行保留，其他染色體以其自身適宜值減去最劣適宜值為概率，以錦標賽選擇方式進行染色體選擇。算法終止條件是染色體進化超過縣域調(diào)研所指定的次數(shù)、算法運算時間超過調(diào)研指定的時間、連續(xù)k次最優(yōu)適宜值沒有提高。通過該算法可以將情景規(guī)劃轉(zhuǎn)換為約束條件，計算出滿意的景觀空間優(yōu)化方案。

最后，基于農(nóng)業(yè)景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化和景觀空間優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)景觀優(yōu)化受到區(qū)域總體發(fā)展規(guī)劃、政府行政長官意志、區(qū)域的復雜社會環(huán)境以及區(qū)域地理環(huán)境等因素的較大影響的特點，通過一個本體優(yōu)化系統(tǒng)半自動地輸出最終景觀優(yōu)化結(jié)果。同時系統(tǒng)計劃提供一個交互式修改子系統(tǒng)，以方便后期優(yōu)化。總之，本研究計劃結(jié)合社會和野外調(diào)查數(shù)據(jù)，綜合政策、管理、自然、人為等因素，統(tǒng)籌分析優(yōu)化條件，科學構(gòu)建生態(tài)廊道和生態(tài)節(jié)點等景觀組分來加強生態(tài)網(wǎng)絡的空間聯(lián)系，在景觀生態(tài)本體優(yōu)化模型驅(qū)動下，以“穩(wěn)定糧食生產(chǎn)，建設美麗生態(tài)新農(nóng)村”為核心，堅持景觀作為一個整體考慮，協(xié)調(diào)人與環(huán)境，在時間和空間上協(xié)調(diào)景觀空間格局和生態(tài)特性及其內(nèi)部的社會文化活動，以優(yōu)化利用景觀。

3 應用

以河南省封丘縣為例優(yōu)化應用。封丘本體優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)量結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標主要是經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益這3個方面。故此，建立的目標函數(shù)為：

maxz=maxVe=maxVs+maxVel=

C1X1+C2X2+C3X3+…+C18X18

其中：Vec、Vs、Vel分別為規(guī)劃實施后達到的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益；Ci為效益當量；Xi為18種用地類型,xi為18種用地類型中的任一種；C1i為各土地利用類型的經(jīng)濟效益系數(shù)；C2i為各土地利用類型的社會效益系數(shù)；C3i為各土地利用類型的生態(tài)效益系數(shù)。優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖5 2025年研究區(qū)優(yōu)化后景觀格局

4 結(jié)語

基于地理本體構(gòu)建優(yōu)化系統(tǒng)，其適用性強。對研究區(qū)景觀格局進行多目標優(yōu)化，繪制出了本研究區(qū)域的景觀優(yōu)化格局圖，為區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)健康發(fā)展提供參考依據(jù)。但優(yōu)化系統(tǒng)部分模塊的可移植性較差，模塊間耦合存在一定問題，系統(tǒng)后期須有諸多地方改進。系統(tǒng)模塊間需要調(diào)用的數(shù)據(jù)流量大，并限于數(shù)據(jù)的可獲取性，部分參數(shù)難以準確設置，對模型的精度存在影響，因此有待繼續(xù)獲取更多的參數(shù)數(shù)據(jù)對模型進行優(yōu)化。同時，下一階段的研究應重視系統(tǒng)面向網(wǎng)絡的深度開發(fā)與應用，使其系統(tǒng)功能更強大，交互更便捷，優(yōu)化效果更佳。

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Research and Application of Optimization System based on Ontology Technology

LIDongke1,2*,DINGShengyan2,ZHAOQinghe2

(1. The Network Security and Technical Reconnaissance Detachment of Pingdingshan City Public Security Bureau, Pingdingshan 467000, China；2. Key Laboratory of Geospatial Technology For the Middle and Lower Yellow River Regions, Ministry of Education，Kaifeng 475004, China)

To meet the massive demand optimization of heterogeneous data, an account of the concept and application of geographic ontology and analysis of its construction method, an optimization system and its subsystem was designed according to the geographic ontology inference and query system and ontology control optimization model. Based on integrity analysis of process data and the necessity analysis of heterogeneous data sources in realizing data integration, the optimization system was designed and implemented, which could not only eliminate information islands but share and reuse the government affairs of ecological civilization and realize the information multiplication. This optimization system was applied to the landscape pattern to perform the multi-objective optimization and plotted landscape optimization pattern mapping of the research area so as to provide reference foundation for the coordinated and healthy development of the regional economy and environment.

ontology; reasoning; genetic algorithm; optimization system

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2015.04.005

2015-10-29

國家自科基金項目“農(nóng)業(yè)景觀異質(zhì)性對非農(nóng)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務的影響研究”(41371195)

李棟科(1983— ),男(漢族),河南平頂山人，工程師，博士,研究方向：大數(shù)據(jù)優(yōu)化、信息安全，通信作者郵箱：ldk021@163.com。 丁圣彥(1963— ),男(漢族),河南商丘人，教授，博士，研究方向：景觀生態(tài)學。

TP311

A

2095-5383(2015)04-0014-04