地理空間信息智能分析研究

湯競煌，方靖，黃繪青

（湖南省第三測繪院，湖南 長沙 410119）

地理空間信息智能分析研究

湯競煌*，方靖，黃繪青

（湖南省第三測繪院，湖南 長沙 410119）

本文介紹了地理空間領域的基本定義，研究數(shù)據(jù)是如何形成和轉換成可直接作為決策參考的可行性信息。環(huán)境變遷、人類活動等事件驅動下空間信息也在動態(tài)改變，因此從知識認知和關系語義的角度提出了集合層次模型和語義網絡優(yōu)點的一個概念模型，為地理信息智能分析和應用提供了新思路。

地理空間信息；智能分析；語義；層次模型

地理信息是各國信息資源的重要組成部分，是國家發(fā)展產業(yè)、穩(wěn)定社會的重要基石。21世紀起人們逐步將地理信息與其他領域信息相結合，地理信息應用開始向專項化、服務化的方向轉化。2006年，地球空間信息及技術協(xié)會（GITA）和美國地理學家協(xié)會（AAG）將地理空間技術定義為對地理空間信息進行獲取、集成、管理、分析、分配等一系列操作，以解決研究、教育、商業(yè)等領域特定問題的技術。地理空間的革命引起了民用GPS工具，交互式地圖和移動定位裝置的快速發(fā)展，使各行各業(yè)的人員可以以前所未有的方式去使用，收集并理解空間信息。至此，地理空間信息不僅僅是一個基于地理信息系統(tǒng)（GIS）進行工作的分析工具，更是通過實時地理信息來指導人們制定決策的技術手段。

由于人類活動和自然環(huán)境活動的影響，地理環(huán)境每時每刻都在變化，得到的相關數(shù)據(jù)量十分龐大且存在不同的時效性，所以地理空間信息也處于永恒的動態(tài)變化中，因此如何完成對地理空間信息的智能分析，預測地理空間信息的動態(tài)變化成為了重中之重。

1 定義及應用

1.1 基本定義

地理空間是地理學的核心組成部分之一，它通常表示為在地球表面的所有地理實體（包括自然物體和人工設施）形成的相對位置空間。地理空間信息是對地理實體空間幾何特性和屬性特性的描述。智能分析是提供關于人類活動觀點的信息，以滿足決策者的需求。綜合來說，地理空間智能分析就是探究并分析圖像和地理空間信息，來描述、評估、直觀地闡述物理特性，及其相對運動以形成地理相關決策準備的信息挖掘方法。

從戰(zhàn)略層次、行動層次和結果層次來說，地理空間智能分析是：

（1）一個應用學科：發(fā)現(xiàn)、描述、理解及預測這一時空中某事件對地理實體造成的影響；

（2）一種處理過程：發(fā)現(xiàn)、收集、儲存、傳輸及處理數(shù)據(jù)，獲得可行性信息；

（3）一個準備活動：根據(jù)當前的信息內涵在一定程度上針對不同問題做出恰當（不一定是最佳的）的決策支持。

1.2 應用現(xiàn)狀

地理空間智能分析已應用在軍事、商業(yè)、文化等領域，提供了全新的信息服務方式。

軍事領域［1］：結合地圖、影像情報、參戰(zhàn)各方的地理位置三方面內容，感知和更新戰(zhàn)場態(tài)勢，對戰(zhàn)場情景進行可視化顯示和仿真預測。這不僅可以讓參戰(zhàn)人員身臨其境了解戰(zhàn)場態(tài)勢變化，也能對即將發(fā)生的變化做好精確制導武器和精確綜合保障做好應對準備；

商業(yè)領域［2］：整合地理空間信息和業(yè)務數(shù)據(jù)，用消費者群體特征、己方銷售歷史數(shù)據(jù)、競爭方銷售歷史數(shù)據(jù)等完成業(yè)務地圖，以決定商業(yè)發(fā)展方向和保持在業(yè)界的競爭力，這樣同時也節(jié)約了營銷成本、降低商業(yè)運行風險、提升消費者滿意度等；

文化領域：利用地理空間信息，結合文化資料建立歷史文化地理數(shù)據(jù)庫，對歷史地理和文化地理信息進行綜合分析和應用，展示文化資源發(fā)展歷程，達到教育意義。同時也助力于保護地域性文化遺產如建筑群、文化遺址等。

2 地理空間數(shù)據(jù)分類和應用

2.1 數(shù)據(jù)來源和類型

地理空間信息是對被引用或者分析而收集的事實和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的總結后得到的精確直觀的理解結果，因此地理空間數(shù)據(jù)是信息的源泉，信息可被視為是數(shù)據(jù)經過處理的有序化數(shù)據(jù)群。

目前常見數(shù)據(jù)來源有：①文獻。通過收集和分析各類調查報告、實測數(shù)據(jù)、文獻資料、法律法規(guī)，提供元數(shù)據(jù)；②衛(wèi)星遙感和航空遙感；③眾包（利用網絡資源，將地理數(shù)據(jù)采集以自由自愿的方式外包給非特定大眾獲得各種類型的地圖數(shù)據(jù)）。

根據(jù)對象的不同，地理空間數(shù)據(jù)分為以下6種類型［3，4］：

（1）元數(shù)據(jù)：指說明地理空間數(shù)據(jù)內容 、質量 、狀況和其他有關特征的固定式數(shù)據(jù)，用來輔助管理和使用其它類型的地理空間數(shù)據(jù)；

（2）地理數(shù)據(jù)：指揭示自然環(huán)境特性的數(shù)據(jù)，如地貌、植被、土壤、氣候以及天氣；

（3）人文數(shù)據(jù)：指記錄人類活動的數(shù)據(jù)，如城市、街區(qū)、道路、橋梁、電力線/電纜、農田、果園、灌溉渠、水壩、以及礦藏；

（4）地形數(shù)據(jù)：指表達地形特性的數(shù)據(jù)，如高程點、等高線、等值區(qū)域等；

（5）文本數(shù)據(jù)：指由人為賦予表達地理實體固有不變屬性的數(shù)據(jù)，如地域名稱、地貌名稱、河流名稱等；

（6）符號數(shù)據(jù)：指在計算機系統(tǒng)中區(qū)分不同種自然或人文現(xiàn)象的數(shù)據(jù)，如點狀符號、線狀符號、面狀符號、復合符號和注記。

2.2 數(shù)據(jù)—信息轉換及與知識的關系

地理空間數(shù)據(jù)是直觀但離散的記錄，不能被直接使用，從信息論的觀點來看，描述信源的數(shù)據(jù)是信息和數(shù)據(jù)冗余之和，即：數(shù)據(jù)=信息+數(shù)據(jù)冗余。所以數(shù)據(jù)是能被直接存儲和傳輸?shù)男畔卧畔⑹歉鶕?jù)用戶需要從數(shù)據(jù)中提取的有用部分。根據(jù)數(shù)據(jù)的組成結構不同，同樣的數(shù)據(jù)量可能會有不同的信息量。一般而言，數(shù)據(jù)和信息之間通過以下轉換來為各類事件提供決策支持［5］：

其中的具象化是對事件的深層解讀，需要以事件為導向、地理空間知識為基準進行。地理空間知識是人們從測繪活動中得到的認識和經驗，是可直接用于指導的綜合信息。例如控制工程測量時，對于較大測區(qū)，通常先用GPS或導線網進行三等或四等控制測量，而后布設二級導線網；對于小測區(qū)，通常直接布設二級導線網，作為首級控制?？偟膩碚f地理空間知識是多條信息的深度挖掘綜合體，也是收集新的地理空間數(shù)據(jù)的效用框架。

圖1 數(shù)據(jù)—信息轉換過程Fig.1 Data-information transformation

圖2 數(shù)據(jù)、信息和知識間關系Fig.2 The relationship among data，information and knowledge

2.3 地理空間信息的基本要素

本文中的智能分析，指的是使信息變得更易理解、分享和預測，即在不需要實地測繪前提下也能解讀到地理實體的變化狀態(tài)，獲知實體特征屬性，讓人們在超出當前知識的情況下，利用數(shù)據(jù)來擴充對事件的見解。

對于地理實體而言，地理空間信息是由地理空間（Geo-spatial，主要刻畫了實體的空間位置、空間分布和空間相關性）和地理時間（Geotemporal，主要刻畫了實體的存在時間、變化時間和時間序列相關性）度量的二維信息。因為地理實體的特征都是人們自我認識中現(xiàn)實世界的折射，為了更好地刻畫地理實體，Usery［6］提出從空間、專題和時間三個維度以及屬性和關系兩個方面來描述地理特征；魏海平［7］則指出任何地理實體都具有空間、時間和屬性的基本特征，可從對時空的不同需求上決定以哪一項作為主線（表1）。

表1 地理實體特征的空間、時間、屬性間關系Table 1 The relationship among space，time and attribute of geographic entity characteristics

2.4 地理空間信息建模

從表1中可得知在時間變量和空間變量共同影響下的地理實體的初始信息，這些信息是數(shù)據(jù)直接通過空間—屬性關系（拓撲關系、方向關系）、時間—屬性間關系（在…前、在…間，在…后）獲得的，而決策事件需要地理領域知識（結構性和非結構性）和地理空間信息的綜合運用，為實現(xiàn)智能分析，需要重點關注非結構性知識對地理實體特征的影響。本文中使用語義網絡來理解和感知非結構性地理知識［8］：

語義網絡是一種用實體及其語義關系來表達知識的有向網，由節(jié)點和弧線組成，節(jié)點代表實體，如各類事物、概念、情況、屬性、狀態(tài)、事件、動作等，弧線代表語義關系，即弧線連接的兩個實體間的語義描述。語義網的機構類似于人類的知識存儲和聯(lián)想，可以使用自然語言從現(xiàn)有知識和當前信息中獲得新知識。本文中設定事件節(jié)點和實體節(jié)點，用語義來表達事件和實體、實體和實體之間的動態(tài)變化關系詳見表2。

表2 事件—實體與多實體間關系的語義描述Table 2 Semantic descriptions of event-entity relationship and multiple-entity relationship

語義描述雖然能體現(xiàn)出節(jié)點間空間和時間關系，但是對邏輯推導方向的表達仍有不足，對地理空間知識的利用也有所欠缺，易造成對實體特征變化狀態(tài)的混亂分析，以致分析進程死鎖。因此可以對地理空間知識進行分類重組，和地理空間數(shù)據(jù)一起形成以下四層層次結構，提高分析效率：

（1）事件層次：［事件|過程，事件參數(shù)（發(fā)生原因，事件走向，發(fā)生概率，事件發(fā)生時間）］

（2）過程層次：［過程|過程參數(shù)（過程階段（1，2，3…n），階段與事件發(fā)生時間的差值）］

（3）實體層次：［實體|實體參數(shù)（實體特征，階段1/2/…n中變化的實體特征）］

（4）數(shù)據(jù)層次：［參數(shù)—取值/值域］

綜上所述，將語義網絡和層次模型相結合，得到表達基于事件影響的地理實體變化的概念模型，如圖3所示：

圖3 地理空間信息的層次—事件語義網絡概念模型Fig3 Hierarchy-event semantic network conceptual model of geospatial information

如此，事件級和數(shù)據(jù)級之間可以進行循環(huán)推導，驗證事件對地理實體的特征屬性影響結果，完成智能分析。

3 結束語

地理空間是一個整體，為獲得所需信息，需要將地理空間內的地理實體和環(huán)境間的絕對空間關系、實體之間的相對空間關系做出分析。但許多的分析著重于實體結構和表面形態(tài)，使得空間關系僅僅表達了實體的靜態(tài)關聯(lián)。本文從地理空間信息的本質著手，總結了數(shù)據(jù)—信息的轉換流程，以及它們與知識之間的關系。然后從地理實體特征的時間、空間和屬性三要素間關系指出利用語義描述可以有效地表達非結構性地理空間知識，結合層次模型的優(yōu)點設計了一個處理數(shù)據(jù)、分解信息和形成可反饋事件的概念模型，利用基于空間和時間的數(shù)據(jù)來改變地理空間信息隱秘性，預測地理實體的變化態(tài)勢達到智能分析的最終目的。

為了避免數(shù)據(jù)重復、劃分信息重要級別，還應該在事件—實體變化聯(lián)系的時效性方面進行研究，此外空間關系獨立性也是未來研究重點。

/References

［1］ 劉妍，趙新國，韋韜.美國地理空間情報作戰(zhàn)英勇及啟示［J］.裝備學院學報，2013（24）:129.

［2］ 佚名.地理空間信息智能應用——地理空間解決方案助力企業(yè)打開全新的數(shù)據(jù)分析世界［J］.硅谷，2011（17）:113.

［3］ 趙汗青，郭剛.地理空間信息元數(shù)據(jù)模型［J］.測繪通報，2004（z1）:19-23.

［4］ OSGeo中國中心.GIS空間數(shù)據(jù)的來源與類型［EO/OL］.http://www.osgeo.cn-/post/7401.html，2015-03-25.

［5］ Ilkka Tuomi.The Future of Knowledge Management［J］.Lifelong Learning in Europe（LLinE），2002，7（2）:69-79.

［6］ E.L.User.A Feature-Based Geographic Information System Model［J］.Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，1996，62（7）:833-838.

［7］ 魏海平，時空GIS建模研究與實踐［D］.河南：中國人民解放軍信息工程大學，2007.

［8］ 梁怡.人工智能、空間分析與空間決策［J］.地理學報，1997（52）:104-107.

Research On Geospatial Information Intelligent Analysis

Tang Jinghuang，F(xiàn)ang Jing，Huang Huiqing
（The Third Institute of Surveying and Mapping of Hunan，Changsha Hunan 410119）

This paper introduces some basic definitions in the field of geographic space.We study the formation of spatial data and its transformation to the decision-making reference information.Spatial information changes dynamically due to environmental transition and human activity.In that case，we propose a conceptual model from the aspect of knowledge cognition and relation semantics.By integrating the advantages of hierarchical model and semantic web，this model provides a new idea for intelligent analysis and application of geographical information.

geospatial information； intelligent analysis； semantics； hierarchical model

P208

A

1672-5603（2016）02-84-5

*第一作者簡介 湯競煌，男，1979年生，高級工程師，主要從事國土測繪地理信息技術研究工作。E-mail: 598902787@qq.com

2016-2-17；改回日期：2016-5-10。