面向登陸場情報分析的地理空間信息系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)研究*

趙立志 喬 慧

（1.91404部隊 秦皇島 066000）（2.江蘇自動化研究所 連云港 222061）

1 引言

地理空間情報概念于2002年由美國首次提出，美軍對地理空間情報的詮釋為：對影像和地理信息進行開發(fā)處理和分析研究，以描述、評估、可視化地球上的自然特征和地理位置的活動［1］。地理環(huán)境情報一直以來都是指揮信息系統(tǒng)的情報保障基礎(chǔ)。但傳統(tǒng)指揮系統(tǒng)中地理空間數(shù)據(jù)以靜態(tài)空間數(shù)據(jù)為主，且僅作為背景地圖的制圖數(shù)據(jù)來使用，只有與其他偵察類情報數(shù)據(jù)甚至開源地理情報數(shù)據(jù)結(jié)合使用，將來源多樣、類型豐富的各類環(huán)境數(shù)據(jù)提取出來，分析其動態(tài)變化情況并予以融合呈現(xiàn)，地理空間數(shù)據(jù)更加完整，也才能發(fā)揮最大效益。人文情報是地理空間情報的重要組成部分，是“以文化為中心“的戰(zhàn)爭新形態(tài)的重要支撐，現(xiàn)有指揮系統(tǒng)中暫缺乏該類信息的保障。

登陸作戰(zhàn)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中涉及兵種最多、作戰(zhàn)環(huán)境與作戰(zhàn)規(guī)律最復(fù)雜的作戰(zhàn)樣式。為適應(yīng)現(xiàn)代登陸作戰(zhàn)的“機動性”和“突然性”，滿足作戰(zhàn)對陌生地理環(huán)境快速情報保障需求，以及“以文化為中心”的戰(zhàn)爭新形態(tài)，將來源多樣的人文信息與自然地理信息有效結(jié)合，構(gòu)建一個適應(yīng)登陸作戰(zhàn)需求的地理空間情報保障分系統(tǒng)，在信息可視化技術(shù)的輔助下，重點提升地理空間情報的搜集、組織、分析能力以及多域多模態(tài)地理情報融合能力，是兩棲作戰(zhàn)情報保障體系建設(shè)的重要內(nèi)容，也是決定兩棲編隊遂行現(xiàn)代化戰(zhàn)爭成敗的關(guān)鍵要素之一。

2 問題分析

登陸作戰(zhàn)受地理環(huán)境影響極大，如表1所示，登陸時間和登陸地段的選擇、上陸工具的使用、諸兵種的戰(zhàn)斗行動等都受戰(zhàn)區(qū)地理、水文、氣象等條件的制約。其中潮汐潮流直接影響著登陸與抗登陸作戰(zhàn)、布雷、掃雷、艦艇活動和水下武器的使用［2］；氣象條件（如風(fēng)、雨、云、霧等）影響直升機、無人機起降和飛行安全主要因素，也影響?？毡λ煨懈鞣N戰(zhàn)斗掩護；登陸場地理環(huán)境對陸戰(zhàn)兵力展開、機動有直接影響。

表1 登陸場地理空間情報要素及其在作戰(zhàn)籌劃中的作用（部分）

為更好地應(yīng)對陌生地域戰(zhàn)場環(huán)境，須深入了解作戰(zhàn)區(qū)域的人口分布、政治、經(jīng)濟、民眾價值取向、宗教信仰、社會習(xí)俗、社會結(jié)構(gòu)（如種族群體、少數(shù)群體、宗教群體、社團等）、思維行為方式等等，從而為己方制定行動目標和實施方案提供判斷與預(yù)測的依據(jù)，實現(xiàn)決策的最優(yōu)化，有效提升作戰(zhàn)效能。

情報搜集是情報處理分析的前端保障。隨著信息獲取手段的不斷豐富，如表2所示，地理空間情報來源主要包括由各種偵察系統(tǒng)如偵察衛(wèi)星、雷達站、無人偵察機、前出偵察部隊等獲得的諜報、信號、圖像等技部偵信息，以及來自各類社交軟件、智能穿戴設(shè)備等公開來源情報等。情報載體涉及影像、文本、網(wǎng)頁、網(wǎng)絡(luò)報文等非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

表2 地理空間情報來源及載體

與傳統(tǒng)情報相比，地理空間情報呈現(xiàn)以下三方面特征：

1）多要素特征

地理空間情報數(shù)據(jù)可分為自然地理情報數(shù)據(jù)和人文地理情報數(shù)據(jù)。

自然地理數(shù)據(jù)：關(guān)注區(qū)域的地理景觀和自然條件，如地質(zhì)、地形、地貌、水文、江湖、海洋、氣象、氣候、土質(zhì)、植被、自然災(zāi)害現(xiàn)象等。自然地理要素相對穩(wěn)定，變化較小。

人文地理數(shù)據(jù)：是由人類活動所形成的經(jīng)濟、文化，以及與之相關(guān)的各種社會現(xiàn)象，如居民地、交通網(wǎng)、行政境界線、人口、歷史、文化、政治、軍事、企事業(yè)單位、通信、電力等。

信息要素涉及了地理、水文、地質(zhì)、大氣、海洋、社會等專業(yè)學(xué)科或交叉學(xué)科。

2）時間空間多尺度特征

時間和空間特征是地理空間情報區(qū)別于其他情報最明顯的基本特征。

來源多樣的地理空間情報的時間特征具有多尺度（秒級、小時級、日級、季節(jié)/季度級、年級等）、相對性、多標度性（同一時間量用不同尺度時間來描述）、方向性（某事件發(fā)生時間之前或之后）和不確定性等特點［3］?？臻g特征包括描述空間實體的點、線、面、體等的幾何特性，同時描述同一空間實體的多源情報亦具有多尺度特性。

3）高數(shù)據(jù)量低價值特征

來源的多樣化，導(dǎo)致地理空間情報數(shù)據(jù)量的爆炸式增長。遠遠超出了傳統(tǒng)的以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為主的數(shù)據(jù)管理技術(shù)的處理范疇。社交網(wǎng)站和微信等相對主觀、自由的網(wǎng)絡(luò)媒體情報來源的存在，必然會稀釋數(shù)據(jù)本身的價值性，數(shù)據(jù)的可靠度和可信度殘次不齊。地理空間情報的高數(shù)據(jù)量、低價值特征為情報分析帶來了挑戰(zhàn)。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于上述對于登陸作戰(zhàn)地理空間情報保障需求以及情報來源與特征的分析，面向登陸場情報分析地理空間信息系統(tǒng)，一方面須具備將來自傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)情報源的各種時空巨量數(shù)據(jù)相綜合，將不同空間與時間分辨率，不同精度與不確定性情報，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，消除差異、有效融合的能力；另一方面須具備面向登陸作戰(zhàn)應(yīng)用，根據(jù)各個功能要素的職能任務(wù)對情報數(shù)據(jù)進行動態(tài)組織，提供精確情報保障的能力。本文基于所明確的預(yù)期能力目標，進行進一步的系統(tǒng)功能架構(gòu)與軟件架構(gòu)設(shè)計。

從層次上，面向登陸場情報分析的地理空間信息系統(tǒng)功能架構(gòu)共分為數(shù)據(jù)層、知識圖譜構(gòu)建層、知識計算層以及情報服務(wù)層。

1）數(shù)據(jù)層與知識庫層，解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲、索引以及統(tǒng)一訪問問題，建立格式化偵察情報、多媒體偵察情報、作戰(zhàn)數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)文本情報等與知識庫、規(guī)則庫的索引關(guān)系，并為應(yīng)用系統(tǒng)訪問異構(gòu)數(shù)據(jù)源提供透明、高效、安全的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

2）知識圖譜構(gòu)建層，是核心技術(shù)支撐，解決地理空間情報按需組織問題，在領(lǐng)域本體的支撐下，實現(xiàn)對地理空間情報的統(tǒng)一表征與建模，完成地理空間情報實體、屬性以及關(guān)系等3 類知識元素的抽取，形成面向地理空間情報保障的領(lǐng)域知識圖譜。

3）知識計算層，在規(guī)則庫以及領(lǐng)域知識圖譜的支撐下，基于時序、空間關(guān)聯(lián)，對不同情報知識予以語義關(guān)聯(lián)和匯聚，形成水文氣象類、政治民俗類、道路交通類等不同情報類別的情報產(chǎn)品，以及陸戰(zhàn)部隊、防空分隊、戰(zhàn)術(shù)終端等不同用戶類別的情報產(chǎn)品，實現(xiàn)各作戰(zhàn)單元的按需情報保障；根據(jù)用戶查詢需求，基于知識推理計算向用戶推薦相關(guān)情報信息。

4）情報服務(wù)層，在地理空間情報可視化技術(shù)的支持下，面向登陸作戰(zhàn)需求進行情報智能檢索、動態(tài)組織服務(wù)和綜合展示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 地理空間情報數(shù)據(jù)統(tǒng)一表征與建模

地理空間情報以多種形式存在且?guī)в袕?fù)雜的語義異構(gòu)現(xiàn)象，如何發(fā)現(xiàn)有用情報并將多個來源的關(guān)于同一個地理實體的描述融合起來，是構(gòu)建多源地理空間情報系統(tǒng)首要解決的問題。

圖1 面向登陸場情報分析的地理空間信息系統(tǒng)功能架構(gòu)

本體是不同主體（人、機器、系統(tǒng)）之間開展語義交流的基礎(chǔ)，按照本體的概念語義關(guān)系，對知識予以統(tǒng)一表征與建模，是解決信息/知識的共享、理解和重用的行之有效的解決途徑。

面向特定應(yīng)用的地理空間情報本體構(gòu)建面臨的難點在于工程量巨大且缺乏領(lǐng)域?qū)＜宜餐J可的本體庫。因此需要調(diào)研并充分采用已有本體庫，照避難就簡的原則盡量選擇質(zhì)量較好、結(jié)構(gòu)化程度較高的數(shù)據(jù)源，之后通過非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的補充逐步擴大規(guī)則集。針對本文特定應(yīng)用需求，本體構(gòu)建設(shè)想如下：

首先，提取現(xiàn)有領(lǐng)域?qū)＜覙?gòu)建的可復(fù)用本體，包括時間本體、空間本體、數(shù)據(jù)來源本體、地質(zhì)/地形本體、氣象本體、境界區(qū)劃本體等，即通用基礎(chǔ)本體（來自詞匯語義網(wǎng)（WordNet）、地理數(shù)據(jù)庫（Get-Names）、地球與環(huán)境術(shù)語語義網(wǎng)（SWEET）等）；

情報保障領(lǐng)域本體，在通用基礎(chǔ)本體的基礎(chǔ)上，對其予以補充完善，描述地理空間相關(guān)實體概念及其關(guān)系，形成作戰(zhàn)地域自然地理領(lǐng)域本體以及人文地形領(lǐng)域本體；

作戰(zhàn)應(yīng)用本體則是結(jié)合具體作戰(zhàn)任務(wù)情報保障需求，對動態(tài)情報保障予以描述，例如登陸作戰(zhàn)中登陸點選擇、登陸時間選擇以及面向軍兵種任務(wù)的情報需求應(yīng)用本體等。

圖2 登陸場地理空間情報本體構(gòu)建層次

4.2 地理空間情報按需組織與分發(fā)

情報保障系統(tǒng)需要針對不同的用戶和作戰(zhàn)需求提供相應(yīng)的情報保障，情報保障的用戶種類和數(shù)量、內(nèi)容、形式、時效、粒度等都有區(qū)別。因此需要根據(jù)各種情報用戶需求進行針對性、精細化的要素整編，并按照用戶需要的格式進行組織。另外用戶需求并不是一成不變的，除依賴于用戶本身角色的固有需求之外，系統(tǒng)還需具備一定的個性化推薦能力，捕捉用戶興趣并按需組織亦是必要的。

設(shè)想的技術(shù)流程如圖3所示，首先通過領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)情報用戶類別預(yù)先設(shè)立情報興趣模型，在該模型的支撐下，獲取所需情報的各類檢索，形成情報分發(fā)器。并通過日常用戶檢索輸入的頻次及語義相似度計算，在登陸場地理空間情報知識庫的支撐之下，尋找待推薦地理空間情報的最近鄰及其關(guān)聯(lián)集合，利用用戶對推薦情報的評價，完善用戶興趣模型，實現(xiàn)地理空間情報的按需組織。

圖3 基于用戶興趣模型捕捉的情報數(shù)據(jù)按需組織流程

4.3 面向登陸作戰(zhàn)的地理空間情報產(chǎn)品可視化

可視化是地理空間情報的一項關(guān)鍵內(nèi)容，也是其相對于其他情報的一大優(yōu)勢，在視覺描述基礎(chǔ)上，提供可視化描述和動態(tài)理解。當(dāng)前，高維數(shù)據(jù)、層次數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、時態(tài)數(shù)據(jù)是可視化的研究熱點。面向登陸作戰(zhàn)需求，可考慮從地理空間層、任務(wù)層以及智能層的多層展示模型予以設(shè)計實現(xiàn)。

1）理空間層

主要展示地理要素、氣象水文要素以及地理分布等，例如點/線/區(qū)域空間位置分布、熱力圖的頻率空間分布、多尺度時間展示等。

2）任務(wù)層

對所存儲的空間數(shù)據(jù)根據(jù)相應(yīng)任務(wù)的數(shù)據(jù)要求完成篩選，再在電子地圖上顯示出來，形成指揮官需要的直觀圖。主要展示面向具體作戰(zhàn)任務(wù)的地理空間情報要素集合。

3）智能層

在知識計算系列算法的支撐下，登陸場情報分析結(jié)果如通往裝載集結(jié)地域預(yù)定路線的道路、橋梁通行情況；提取作戰(zhàn)區(qū)域水文氣象信息、傳統(tǒng)風(fēng)俗信息，評估作戰(zhàn)有利季節(jié)或時間等，均是基于多個自然地理要素和人文地理要素綜合計算的結(jié)果，既有定量結(jié)果，也有趨勢類、關(guān)聯(lián)類等分析結(jié)果，結(jié)合各分析結(jié)果的特點和登陸指揮官的使用習(xí)慣進行展示方式以及人因工程的設(shè)計是難點，尤其是在充分體現(xiàn)情報產(chǎn)品的價值性上，需要深入挖掘情報內(nèi)涵，突出其對于作戰(zhàn)的最直接意義。

5 結(jié)語

本文以登陸作戰(zhàn)中作戰(zhàn)區(qū)域地理空間情報保障為需求背景，圍繞戰(zhàn)場態(tài)勢中對于戰(zhàn)場環(huán)境刻畫的缺陷，提出了一種面向登陸場情報分析的地理空間信息系統(tǒng)總體架構(gòu)，分析了亟需解決的各項關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)要點，為構(gòu)建更完善的戰(zhàn)場態(tài)勢并進一步提升情報分析能力提供技術(shù)支撐，助力推動數(shù)據(jù)優(yōu)勢經(jīng)由知識優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策與行動優(yōu)勢。