全息地理空間本體模型構建

張 斌，李宏偉，崔鐵軍

（1.鄭州大學 地球科學與技術學院，河南 鄭州 450052；2. 天津師范大學 地理與環(huán)境科學學院，天津 300387）

全息的內(nèi)涵是對客觀世界，真實現(xiàn)象的全方位表達。任何事物都不是孤立的，都可以拆分為一系列全息元，每個全息元分別反映事物不同側面的特征，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，全息元的組合體現(xiàn)了事物的本質(zhì)特征。對應于空間認知與地理信息服務，也需要表達與空間對象相關的全方位的信息，引入全息的概念[1-3]可以理解為三方面內(nèi)容:一是從數(shù)據(jù)表達上構建全息地理空間數(shù)據(jù)模型；二是從數(shù)據(jù)關聯(lián)上建立全息地理信息關聯(lián)框架；三是從地理信息服務上進行全息地理過程重構，建立全息地理信息服務平臺。本文主要就全息數(shù)據(jù)表達進行論述，即地理空間數(shù)據(jù)全息本體模型的構建。

1 模型概念框架

建立地理空間數(shù)據(jù)本體首先必須明確地理空間中所涉及到的概念、關系、規(guī)則、屬性和實例等內(nèi)容，即建模五元組，之后便可在某種特定的本體語言基礎之上，運用本體創(chuàng)建工具得到相應的本體模型。因此，構建較為完整的地理空間數(shù)據(jù)本體需將相關領域的概念表達清楚。本文從數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式和數(shù)據(jù)特征兩方面入手作為劃分依據(jù)，將地理空間數(shù)據(jù)劃分為空間數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)兩種類型，其中空間數(shù)據(jù)就是傳統(tǒng)意義上的基礎地理信息數(shù)據(jù)，以表達地理空間數(shù)據(jù)的空間特征為主，也就是刻畫地理對象的空間位置和空間關系。地理數(shù)據(jù)則是一系列表達地球表面地理特征的數(shù)據(jù)，是從地理學的視角探索地球奧秘、自然環(huán)境、人類社會、經(jīng)濟發(fā)展等而產(chǎn)生的文字、圖片、報表、聲音、視頻等多種媒體形式的數(shù)據(jù)，與空間數(shù)據(jù)不同，地理數(shù)據(jù)主要描述地理對象的屬性信息，包括時態(tài)信息。前者從空間數(shù)據(jù)的幾何、拓撲及屬性特征入手，從點、線、面及聚合對象等方面進行抽象概括；后者從人類活動出發(fā)，劃分成自然地理數(shù)據(jù)和人文地理數(shù)據(jù)。自然地理數(shù)據(jù)表示客觀世界中存在的一些地理對象或自然現(xiàn)象，如河流、高山、雨、雪等；人文地理數(shù)據(jù)是有人類活動接觸的地理對象或社會經(jīng)濟現(xiàn)象，如政治、經(jīng)濟、文化、社會以及境界等。

在實際應用中，空間數(shù)據(jù)往往是作為底層的可視化和空間分析數(shù)據(jù)，配合地理數(shù)據(jù)進行某些行業(yè)的具體應用。當前，隨著地理信息服務行業(yè)的不斷延伸，地理數(shù)據(jù)在應用中的比重越來越大，作用也越來越顯著。

全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型概念框架如圖1 所示，利用本體知識，自頂向下建立地理空間的概念分類體系，從空間數(shù)據(jù)和地理數(shù)據(jù)2 個層面出發(fā)，以關系、特征、規(guī)則為指導，空間實體、地理對象具體形式為內(nèi)容進行構建，主要可分為3 個部分:空間關系模型、空間數(shù)據(jù)模型和地理數(shù)據(jù)模型。

2 空間關系本體模型

地理空間數(shù)據(jù)所獨有的特征由地理實體的位置、形狀、大小以及相互之間的方向、度量和拓撲關系組成，是地理空間數(shù)據(jù)區(qū)別與其他數(shù)據(jù)的標志性信息[4]。

空間關系從地理空間中基本的點、線、面要素出發(fā)，對于形狀不規(guī)則的復合要素，可以利用其最小外接矩形，建立起拓撲、度量和方位3 種基本的空間關系，在拓撲空間關系中，基本的拓撲關系包括包含、關聯(lián)、鄰接和層次關系，對應于本體的形式化表達就有相離、相鄰、相交等8 種情況；方位關系有固定方位和相對方位之分，前者對方向刻畫建立起統(tǒng)一的參考框架，后者則根據(jù)目標點與參考點的位置不同呈現(xiàn)多種表達方式；度量關系包括距離關系和尺寸位置關系，利用遠、近、大、小等進行形式化表達。此外，對于空間特征的表達還有定量的數(shù)字形式和自然語言的描述形式，如“50 m”、“60 m”、“從這里沿科學大道往西第2 個路口往左再走3 紅綠燈”等[5]，這些信息結合在一起共同構成了空間關系本體概念模型，即空間關系全息元，如圖2 所示。

圖2 空間關系本體概念模型

3 空間數(shù)據(jù)本體表達

地理空間數(shù)據(jù)是對復雜地物簡化抽象的結果，有多尺度、多維、多時態(tài)等特征，這里的空間數(shù)據(jù)代表傳統(tǒng)意義上的基礎地理信息數(shù)據(jù)，各種類型的空間數(shù)據(jù)分別蘊含著地理實體全息空間的反映?？臻g數(shù)據(jù)本體模型就是在此基礎上對空間數(shù)據(jù)邏輯的一種表示，是一切空間數(shù)據(jù)存儲、管理、應用的基礎，也是地理信息服務與應用的支撐。

空間數(shù)據(jù)本體模型是關于空間數(shù)據(jù)組織的概念和方法，它反映了地理空間中地理實體的位置、分布及實體間的空間關系，從全息觀點出發(fā)，也可稱為空間數(shù)據(jù)全息元。根據(jù)人類認識地理空間由簡到繁的層次和傳統(tǒng)地圖數(shù)據(jù)組織和認知的模式，可將空間數(shù)據(jù)全息元劃分為空間數(shù)據(jù)多尺度全息、區(qū)域分塊全息、分層全息、對象全息和空間關系全息。

空間數(shù)據(jù)模型是用戶看到一定的地理空間內(nèi)，不同詳細程度地對分布在三維空間中地理要素對象集、地理要素之間存在空間關系的總體描述，以上5 種空間數(shù)據(jù)全息元分別從不同表達粒度和認知角度刻畫了空間數(shù)據(jù)。按照全息論和本體的思想，將上述5 種空間數(shù)據(jù)全息元有機組合在一起，構成空間數(shù)據(jù)全息元，即全息空間數(shù)據(jù)本體模型，模型可分為幾何對象全息、地理要素全息（簡單、復合）、空間關系全息、可視化全息、地理要素分層全息、區(qū)域分塊全息和工作區(qū)（空間數(shù)據(jù)多尺度）全息。通過全息元間的繼承關系綜合地描述了地理空間復雜的地理實體現(xiàn)象及相互關系。全息空間數(shù)據(jù)本體模型框架如圖3 所示。

圖3 全息空間數(shù)據(jù)本體模型框架

1）描述空間數(shù)據(jù)需要不同比例尺、不同類型（矢量數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)）的空間數(shù)據(jù)，每種空間數(shù)據(jù)構成一個工作區(qū)全息元。

2）工作區(qū)全息元可以劃分為不同的數(shù)據(jù)塊全息元，以數(shù)據(jù)塊全息元為單位，進行數(shù)據(jù)錄入和存儲管理。

3）每一個數(shù)據(jù)塊全息元又可以分為多個要素層全息元。要素層全息元是空間數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集、編輯、管理、分析、應用等的基礎單位。

4）要素層全息元由下一級別的地理要素全息元構成，地理要素全息元是地理對象和現(xiàn)象的基礎表示單位，包含空間信息（幾何對象）和屬性信息。幾何對象全息元是空間數(shù)據(jù)中最小的儲存單元，不體現(xiàn)地理對象的屬性信息，只是表達了地理對象的空間位置、分布和關系，滿足地理對象的快速顯示和查詢。幾何對象全息元附加屬性信息后構成地理要素全息元，又可分為基本要素全息元和復合要素全息元。基本要素全息元是地理對象的最小構成單位。復合要素全息元由一個以上的性質(zhì)相同或相似的基本地理要素全息元有機組合而成，再利用空間關系全息，建立起幾何對象全息元、地理要素全息元相互間的空間關系，這樣就由地理空間、工作區(qū)、數(shù)據(jù)塊、要素層、地理要素、幾何對象和空間關系等全息元共同構成一個空間數(shù)據(jù)全息元。

4 地理數(shù)據(jù)本體表達

地理空間信息的表達，只有空間數(shù)據(jù)是不夠的，還需要加入與人類生產(chǎn)、生活息息相關的地理數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)是基礎地理信息數(shù)據(jù)，是對地理實體和現(xiàn)象的位置、分布和空間關系的描述。通過空間數(shù)據(jù)，我們建立起對客觀世界的描述框架，能夠進行一般的定位查詢、定性搜索和空間關系分析，但是沒有將地理學這一博大精深學科很多經(jīng)典的知識融入進來，也不能滿足與社會各行業(yè)的有效結合，不能探尋自然世界深層次的地理信息，因此，作為空間數(shù)據(jù)的有效補充，我們從地理學的視角，提出地理數(shù)據(jù)的概念，其涵蓋了與地球、自然、人類、社會相關的各類型數(shù)據(jù)，主要體現(xiàn)地理實體和現(xiàn)象的地理特征，或者說屬性特征，這里的屬性更突出各專業(yè)學科、各行業(yè)、各種具體應用。地理數(shù)據(jù)同樣也是體現(xiàn)地理空間的全息元，包括各種自然事物和現(xiàn)象，與人類活動相關的物體與現(xiàn)象，以及人對地球、自然、社會的意識形態(tài)等，如自然資源、洪水災害、建筑物、商品運輸、對產(chǎn)糧區(qū)、工業(yè)區(qū)的劃分以及我國三級階梯的地形走勢等都歸于地理數(shù)據(jù)的范疇。地理數(shù)據(jù)全息元的容量是可變的，從一塊石頭延伸到宇宙太空，都是全息元的單位。地理數(shù)據(jù)全息元在相對獨立的同時，也存在著全息關聯(lián)，如水系既屬于自然資源又是生態(tài)環(huán)境的組成部分，礦產(chǎn)屬于自然資源但又是經(jīng)濟建設信息等[6]。因此，對于地理數(shù)據(jù)的概念等級劃分就顯得很重要，地理數(shù)據(jù)概念體系一旦確定，由于數(shù)據(jù)只涉及屬性方面的語義關系的處理，因此利用本體開發(fā)工具就可以直接構建全息地理數(shù)據(jù)本體模型，即地理數(shù)據(jù)全息元。

目前，地理數(shù)據(jù)的概念體系沒有一個明確的劃分，參考其他學者的地理本體方法，本文采用層級分類的方法。從人類活動出發(fā)，結合地理學中的概念分類，在頂層劃分成自然地理全息元和人文地理全息元。前者表示客觀世界中存在的一些地理對象或自然現(xiàn)象，如河流、高山、雨、雪等；后者是有人類活動接觸的地理對象或社會經(jīng)濟現(xiàn)象，如政治、經(jīng)濟、文化、社會以及境界等。

前不久國家進行機構改革，成立了自然資源部，其目的就是需要對自然地理中的各種資源信息進行優(yōu)化整合。此外，地理科學的學科目錄中也將自然地理與資源環(huán)境合在一起作為二級專業(yè)名稱提出，在國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享服務平臺中也將自然資源主題單獨列出，由此可見自然資源信息的重要性，因此本文從自然資源信息角度建立自然地理概念框架。

本文在此基礎上，將人文地理全息元進一步劃分為人文社會經(jīng)濟全息元、城市地理全息元和生態(tài)環(huán)境全息元等。需要注意的是，從不同觀點出發(fā)，可以得到不同的地理數(shù)據(jù)概念分類。結合自然地理全息元和人文地理全息元，全息地理數(shù)據(jù)本體概念框架如圖4所示。

圖4 全息地理數(shù)據(jù)本體概念框架

5 地理空間數(shù)據(jù)本體模型

將得到的空間數(shù)據(jù)全息元、地理數(shù)據(jù)全息元和空間關系全息元進行整合，利用Protégé 本體構建工具，設計得到全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型，如圖5、6 所示。

圖5 全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型

與傳統(tǒng)空間數(shù)據(jù)模型相比，全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型有6 個方面的新特點:

1）屬性全息，利用本體的特性，在全息元中對屬性靈活配置，體現(xiàn)在兩個方面:類與屬性相分離，數(shù)據(jù)屬性與對象屬性相分離。通過在模型中添加自定義屬性項，確保地理空間數(shù)據(jù)的多主題表達，全方位的對地理空間對象的概念、類別、位置、分布、數(shù)量、質(zhì)量、行為、關系、時間等特征進行描述。

2）尺度全息，利用全息的觀點，從宏觀到微觀，構建了刻畫地理空間的多級尺度全息元，從點、線、面等幾何對象全息元到各種比例尺或類型空間數(shù)據(jù)的工作區(qū)全息元，全方位表達空間特征。

3）形態(tài)全息，不同尺度下地理空間數(shù)據(jù)具有不同的結構形式，也就形成了多種形態(tài)特征，或者說全息元的組合構成了不同的地理空間數(shù)據(jù)形態(tài)，體現(xiàn)在屬性約束、數(shù)據(jù)行為、數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)類型等方面。

4）表達全息，利用地理學的觀點，將自然地理全息元和人文地理全息元納入地理空間數(shù)據(jù)的范圍，進一步豐富了數(shù)據(jù)模型中地理信息的表達，讓空間數(shù)據(jù)不再受限于空間數(shù)據(jù)可視化、空間分析等傳統(tǒng)應用領域，為跨學科、跨專業(yè)的應用分析和科學決策提供可能。

5）動態(tài)全息，在本體模型中設計了時態(tài)屬性，記錄了地理空間對象的位置、屬性等變化的動態(tài)行為信息，利用全息關聯(lián)的時間關聯(lián)規(guī)則，可以建立地理過程模型，進行知識獲取與時空模擬，提供變化預測與決策支持。

6）環(huán)境全息，構建的全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型，支持對二三維、室內(nèi)外、地上地下以及水上水下的空間對象進行描述，并且在應用上，根據(jù)此模型開發(fā)全息地理信息服務平臺支持網(wǎng)絡瀏覽器、PC 客戶端、移動終端等多種用戶平臺，滿足全環(huán)境條件下的定義與使用。

圖6 全息地理空間數(shù)據(jù)本體模型

6 結 語

綜上所述，以本體論、全息論為基礎，把握地理空間數(shù)據(jù)的空間和地理特征，利用空間認知、地理學、地理信息科學等理論方法，研究構建全息地理空間數(shù)據(jù)模型，能夠?qū)臻g地物的性質(zhì)、分類、分級等語義特征進行精確描述，還能對空間位置、空間形態(tài)、空間分布和空間關系等空間特征進行分析，適用于地理空間認知與地理信息智能化服務領域?？茖W的認識從地理空間到全息空間的轉(zhuǎn)化機制，有助于推進我國地理信息科學的研究與發(fā)展，更好地為國家安全、經(jīng)濟建設和創(chuàng)建和諧社會服務。