地理本體在空間數(shù)據(jù)服務(wù)中的應(yīng)用探討

吳愛芝

摘要：首先對目前地理本體的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進行了簡要介紹，之后針對空間數(shù)據(jù)服務(wù)檢索中存在的問題，嘗試?yán)玫乩肀倔w的潛在語義表達和推理能力，實現(xiàn)服務(wù)資源查詢過程的語義化匹配，并通過典型的案例對具體的實現(xiàn)技術(shù)進行了說明，最后指出了仍存在的問題和未來研究的方向。

關(guān)鍵詞：地理本體；空間數(shù)據(jù)服務(wù)；語義推理；服務(wù)資源檢索

中圖分類號：TB

文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.25.098

1地理本體在空間數(shù)據(jù)服務(wù)中的作用

空間數(shù)據(jù)是指用來表示空間實體的位置、形狀、大小及其分布特征諸多方面信息的數(shù)據(jù)，它可以用來描述來自現(xiàn)實世界的目標(biāo)，然而空間數(shù)據(jù)的多源性、多語義性、多時空性、多尺度性以及表示方法的多樣性等特點造成了不同數(shù)據(jù)之間的多維異構(gòu)性，這對空間數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用及系統(tǒng)間的交流造成了極大的不便，造成了目前的空間數(shù)據(jù)服務(wù)的智能化程度較低的現(xiàn)狀。

本體的出現(xiàn)為空間數(shù)據(jù)的語義表達和推理提供了有效的手段，現(xiàn)階段本體在異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、智能數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)挖掘抽取等方面發(fā)揮了重要的作用，取得了一定的應(yīng)用效果。但在領(lǐng)域知識的形式化表達、時空推理分析、潛在語義的發(fā)現(xiàn)等方面仍沒能很好地發(fā)揮本體技術(shù)的語義表達和解析能力的優(yōu)勢。本文將在空間信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，嘗試將本體引入到空間數(shù)據(jù)服務(wù)檢索中，通過示例展示對領(lǐng)域知識的表達和推理方法，試圖為地理本體的應(yīng)用提供思路和參考。

2地理本體在空間數(shù)據(jù)服務(wù)中的應(yīng)用

本體知識庫所能提供的語義知識不僅僅是行業(yè)術(shù)語以及概念間的層次關(guān)系，更重要的是這些術(shù)語間的語義關(guān)聯(lián)。地理本體可通過語義屬性和推理規(guī)則表達反映地學(xué)領(lǐng)域知識的潛在語義關(guān)聯(lián)，可解決目前因為語義關(guān)系而造成的空間數(shù)據(jù)服務(wù)的無法精確選擇、空間數(shù)據(jù)服務(wù)中的過多依賴人工交互、關(guān)鍵詞查詢中的匹配錯誤等問題。

2.1地理本體在空間數(shù)據(jù)服務(wù)中的應(yīng)用

將地理本體引入到OWS（OGC Web Service體系）中，通過建立面向空間數(shù)據(jù)服務(wù)的多層地理本體和基于本體技術(shù)的空間數(shù)據(jù)服務(wù)機制，實現(xiàn)在多源空間數(shù)據(jù)服務(wù)過程中的智能化和精確化，可解決目前因為語義關(guān)系而造成的空間數(shù)據(jù)服務(wù)的無法精確選擇、空間數(shù)據(jù)服務(wù)中的過多依賴人工交互、關(guān)鍵詞查詢中的匹配錯誤等問題。

基于本體的空間數(shù)據(jù)服務(wù)資源發(fā)現(xiàn)技術(shù)主要研究在不同的數(shù)據(jù)源服務(wù)之間，如何利用基于本體的語義邏輯，來搜索和定位到最適合于用戶真實需要的數(shù)據(jù)源服務(wù)。在基于Web服務(wù)的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)注冊中心能夠管理的僅僅是服務(wù)注冊信息，也就是WSDL中必需的信息。這些信息的結(jié)構(gòu)是無差別的，不僅對于數(shù)據(jù)源是無差別的，甚至對于數(shù)據(jù)源和計算資源之間也是無差別的?；诒倔w的改進，就將這種資源發(fā)現(xiàn)過程復(fù)雜化，查詢的請求會被推理機基于已經(jīng)構(gòu)建的本體體系來進行推理，推理的結(jié)果將大大有助于準(zhǔn)確定位用戶最終需要的某個數(shù)據(jù)資源。

當(dāng)用戶提出空間數(shù)據(jù)服務(wù)請求時，首先根據(jù)服務(wù)要求進行基于語義的分析和匹配，待確定針對特定空間數(shù)據(jù)資源的具體應(yīng)用本體后，才通過空間數(shù)據(jù)資源的接口獲得具體的資源數(shù)據(jù)和服務(wù)，使得空間數(shù)據(jù)服務(wù)處理過程是基于語義的，便于多源空間數(shù)據(jù)服務(wù)的集成和互操作。

2.2地理本體應(yīng)用舉例

地理本體在空間數(shù)據(jù)服務(wù)中數(shù)據(jù)檢索的應(yīng)用中，地理本體知識庫的建立和完善是重點，是語義分析和推理的重要依據(jù)，直接關(guān)系到應(yīng)用的效果，需要采用與領(lǐng)域?qū)＜医换サ姆磸?fù)改進和完善過程，目前存在較多的本體建立方法，此處不再累述。下面將通過一個典型案例來反映地理本體在空間數(shù)據(jù)檢索中的應(yīng)用技術(shù)。

用戶通常能看到圖像的來源（遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)）和基本屬性，能了解到具體應(yīng)用所需要的圖像特性，但不能直接建立應(yīng)用和遙感衛(wèi)星間的關(guān)聯(lián)，下面的實例將采用基于語義的本體技術(shù)，來解決應(yīng)用和衛(wèi)星間的語義相關(guān)性推理分析。

（1）建立一個實驗本體，包含有：image、satellite和application三個類（概念），image類的主要語義屬性有：分辨率resolution、圖像文件大小size、圖像反映區(qū)域area，satellite類的主要語義屬性有：衛(wèi)星類型kind、傳感器名稱sensor、軌道orbit，application類的主要語義屬性有：應(yīng)用領(lǐng)域field、應(yīng)用時間time。

（2）定義這些類間的語義關(guān)聯(lián)，包含有：反映應(yīng)用關(guān)系的applyTo語義關(guān)系、反映數(shù)據(jù)來源的getFrom語義關(guān)系、反映使用關(guān)系的getUse語義關(guān)系，使用OWL描述如下所示：

（3）編寫語義推理規(guī)則，本實例使用Jena推理機進行語義推理，用于表達遙感應(yīng)用和觀測衛(wèi)星間潛在語義關(guān)系的語義推理規(guī)則如下所示：

[ getUse： （？img http：//www.domain2.com#applyTo ？app），

（？img http：//www.domain2.com#getFrom ？sat）

->

（？app http：//www.domain2.com#getUse ？sat） ]

該推理規(guī)則所反映的語義含義為：若某個image實例存在與某個application實例對應(yīng)的applyTo語義關(guān)系，并且該image實例存在與某個satellite實例對應(yīng)的getFrom語義關(guān)系，則可推斷出該application實例存在與該satellite實例對應(yīng)的getUse語義關(guān)系。

（4）添加各類的實例，設(shè)定各實例的語義性，以及各實例間的applTo和getUse對象間語義關(guān)系，具體對象屬性設(shè)置如圖1中實線所示（實線表示預(yù)先描述的語義信息）。根據(jù)上面定義的語義規(guī)則，可以分析并發(fā)現(xiàn)圖1中虛線對應(yīng)的getUse語義關(guān)系的存在（虛線表示經(jīng)過推導(dǎo)產(chǎn)生的潛在語義關(guān)聯(lián)），下面將使用Jena推理機制，實現(xiàn)這些虛線所表示的對象關(guān)系的自動推理產(chǎn)生。

基于此本體庫的語義推理演示頁面如下所示，其信息檢索過程如下：

首先是圖像的數(shù)據(jù)類型屬性查詢頁面，可以通過該頁面檢索到需要查看的image信息；

查詢成功后，可以查看到image實例的全部數(shù)據(jù)類型屬性信息和對象屬性關(guān)系；

點擊具體applicatin實例或satellite實例的超鏈接可以打開對應(yīng)實例的屬性信息顯示頁面，若點擊application1超鏈接，則打開application1的屬性信息頁面，如圖2所示，可以看到getuse對象屬性對應(yīng)到satellite1和satellite2；

若點擊application2超鏈接，則在打開的application2的屬性信息頁面中，如圖3所示，可以看到getuse對象屬性對應(yīng)到satellite3。

通過演示頁面可以看出，經(jīng)過Jena基于規(guī)則進行的語義推理，推導(dǎo)出了圖1中虛線所示的GetUse對象屬性，獲得了預(yù)期的語義推理效果，實現(xiàn)了領(lǐng)域?qū)＜抑R與程序代碼的分離和形式化表達。

同樣可依據(jù)相同的方法，定義更多類的對象屬性，并設(shè)定相應(yīng)的推理規(guī)則，即可完成同義關(guān)系、近義關(guān)系、反義關(guān)系等概念間關(guān)系的分析，還可對時空關(guān)系和領(lǐng)域知識進行形式化描述和推理，以及經(jīng)過組合后更復(fù)雜的基于語義的空間數(shù)據(jù)檢索推理。

3結(jié)論

地理本體在地理信息科學(xué)中應(yīng)用受到業(yè)內(nèi)人士的重視，基于本體的地理信息表達和服務(wù)具有獨到的優(yōu)勢，解決了地理信息的知識重用、知識共享、智能化、和網(wǎng)絡(luò)化推廣等問題，具有廣泛的應(yīng)用前景。本文在調(diào)研和分析國內(nèi)外地理本體的研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)階段地理本體在領(lǐng)域知識的形式化表達、時空推理分析、潛在語義發(fā)現(xiàn)等方面存在的問題，嘗試在空間信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，將地理本體引入到空間數(shù)據(jù)服務(wù)檢索中，給出了空間信息領(lǐng)域知識的本體形式化描述和推理方法，通過典型案例對地理本體應(yīng)用的具體技術(shù)進行了說明。地理本體中的語義關(guān)聯(lián)描述和發(fā)現(xiàn)技術(shù)將在本體應(yīng)用中發(fā)揮重大的作用，本文對該問題進行了探索性的研究，進一步的研究工作包括有：復(fù)雜領(lǐng)域知識的形式化表達、空間信息的時空綜合化推理、地理本體在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用模式等。

參考文獻

[1]鄧志鴻，唐世渭，張銘等.Ontology研究綜述[J].北京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002，38（5）：730738.

[2]黃茂軍.地理本體的關(guān)鍵問題和應(yīng)用研究[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2006：1927.

[3]陳建軍，周成虎，王敬貴.地理本體的研究進展與分析[J].地學(xué)前緣，2006，13（3）：8190.

[4]黃茂軍，杜清運，吳運超等.地理本體及其應(yīng)用初探[J].地理與地理信息科學(xué)，2004，20（4）：15.

[5]胡鶴.本體方法及其在時空推理應(yīng)用研究[D].長春：吉林大學(xué)，2004.