導(dǎo)語：地理本體研究論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:地理本體是地理信息科學(xué)中的一個(gè)新興的和正在發(fā)展的研究領(lǐng)域,從提出至今僅有10年的歷史。論文因此,有重點(diǎn)系統(tǒng)分析地理本體研究的發(fā)展歷程與進(jìn)展,對(duì)中國在此方面的研究定位具有重要意義。文章在深入分析科學(xué)領(lǐng)域本體的定義基礎(chǔ)上,進(jìn)行了地理本體定義,探討了地理本體的研究意義,列舉了國際上與地理本體相關(guān)的主要計(jì)劃與學(xué)術(shù)會(huì)議,詳細(xì)剖析了當(dāng)前國內(nèi)外的地理本體理論研究與應(yīng)用方面取得的進(jìn)展。地理本體研究已成為國際GIS領(lǐng)域一個(gè)重要的新興研究方向并得到了蓬勃發(fā)展,而國內(nèi)在這方面的研究才剛剛開始,只有少數(shù)學(xué)者開展了一些探索性的思考和研究。因此,中國應(yīng)緊跟國際地理本體的研究動(dòng)態(tài),積極開展

我國自己的地理本體理論、方法和應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞:本體論;地理本體;語義;語義互操作;信息共享

人類世界幾千年的文明歷程,創(chuàng)造了一個(gè)十分龐大、豐富的客觀知識(shí)世界,波普爾稱之為第三世界(World3)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,知識(shí)共享、重用的需求,迫使人們對(duì)人類所共同擁有的知識(shí)、信息與數(shù)據(jù)進(jìn)行本體重建和網(wǎng)絡(luò)共享,及計(jì)算機(jī)協(xié)助整合。地理知識(shí)、信息與數(shù)據(jù)是客觀知識(shí)世界的重要組成部分,因此地理本體研究是本體重建重要的基礎(chǔ)之一。本體論研究不僅是方法與工具,也是一種科學(xué)思想與理論。

地理本體是地理信息科學(xué)的一個(gè)新興的研究方向,對(duì)其的發(fā)展進(jìn)行綜合分析,為其進(jìn)一步向前發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。本文從本體論出發(fā),著重分析地理本體重建的發(fā)展及研究現(xiàn)狀,提出今后的研究重點(diǎn)與建議。

1本體論研究概況

Ontology原本是一個(gè)哲學(xué)基本問題,指關(guān)于存在及其本質(zhì)和規(guī)律的學(xué)說,后被用于研究實(shí)體存在性和實(shí)體存在的本質(zhì)等方面的通用理論。計(jì)算機(jī)界借用這個(gè)理論,把現(xiàn)實(shí)世界中某個(gè)領(lǐng)域抽象或概括成一組概念及概念間的關(guān)系,構(gòu)造出這個(gè)領(lǐng)域的本體。在近年來,Ontology不但在哲學(xué)領(lǐng)域[2],而且在自然科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域中備受關(guān)注,正逐步成為這些研究領(lǐng)域共同關(guān)注的一個(gè)核心問題[3-5]。

Ontology在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域興起的最主要原因是,語義互聯(lián)網(wǎng)、語義建模和語義集成需要Ontolo-gy作為支持發(fā)展的基礎(chǔ)理論。

雖然Ontology的出現(xiàn)頻率較高,其中文相對(duì)應(yīng)的詞卻很不統(tǒng)一,國內(nèi)許多學(xué)者就Ontology的一詞的譯法和意義進(jìn)行了深入的探討,比較公認(rèn)的譯法是ontology為“本體”和Ontology為“本體論”[6-10]。本文中采用本體論與本體的譯法。

哲學(xué)中的本體論與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的本體論之間有著非常緊密的聯(lián)系。哲學(xué)本體論是科學(xué)本體論的基礎(chǔ),哲學(xué)本體論對(duì)科學(xué)本體論具有重要的指導(dǎo)意義。筆者認(rèn)為:本體論可分為哲學(xué)本體論與領(lǐng)域本體論。本文在此不對(duì)哲學(xué)本體論做深入分析,重點(diǎn)是地理信息的領(lǐng)域本體,即地理本體論。

一個(gè)最基本的概念達(dá)成共識(shí),對(duì)于相互交流和深入研究非常重要。由于本體論在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中是一個(gè)新事物,研究人員在其定義與涵義的理解方面還存在差異。畢業(yè)論文據(jù)有關(guān)學(xué)者分析,Ontology在科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域最早出現(xiàn)于1984年,明確提出且進(jìn)行定義是在1991年[7,11],從此對(duì)Ontology的定義日漸豐富[12-23](見表1),但基本上是大同小異,不存在本質(zhì)方面的區(qū)別和爭(zhēng)議。筆者根據(jù)研究人員的不同定義進(jìn)行分析后,認(rèn)為作為一個(gè)思想、理論和方法,它的概念包括四個(gè)主要方面:①概念化,客觀世界的現(xiàn)象的抽象模型,把領(lǐng)域的知識(shí)抽象為一個(gè)個(gè)確定的對(duì)象;②明確的定義,對(duì)每一個(gè)對(duì)象的概念及它們之間聯(lián)系都進(jìn)行合理地定義;③形式化,需對(duì)概念及它們之間關(guān)系進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)描述且要達(dá)到計(jì)算機(jī)可讀的水平;④共享,本體中反映的知識(shí)是其使用者(包括該領(lǐng)域的專家和一般用戶)共同認(rèn)可的。

上述定義表明,由客觀世界某一領(lǐng)域的事物或現(xiàn)象的本質(zhì)(即本體)到人們對(duì)這些事物或現(xiàn)象的本質(zhì)通過認(rèn)識(shí)活動(dòng)所形成的認(rèn)識(shí)結(jié)果(即概念體系),再從概念體系到人們用特定的符號(hào)系統(tǒng)或語言將某一概念體系做出明確的、形式化的表示或表達(dá),總共涉及了三個(gè)層面的東西。因?yàn)檫@三者之間具有聯(lián)系,應(yīng)該具有一致性或統(tǒng)一性,可以統(tǒng)稱為“本體”[6]。

本體論思想被應(yīng)用到科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域時(shí),就是要把現(xiàn)有的知識(shí)、信息與數(shù)據(jù)采用面向?qū)ο蟮男问竭€原成一個(gè)合理的語義體系,使計(jì)算機(jī)能夠處理,使人們能夠共享。地理本體是一個(gè)特殊領(lǐng)域本體,它具有一般領(lǐng)域本體的基本共性,也有其獨(dú)特之處。

表1本體的各種定義[12-23]

Table1Definitionsofontology

作者(時(shí)間)本體的定義

Neches等(1991)本體是組成主題領(lǐng)域的詞匯表的基本術(shù)語及其關(guān)系,以及結(jié)合這些術(shù)語和關(guān)系來定義詞匯表外延的規(guī)則

Gruber(1993)本體是概念化的明確規(guī)范說明

Guarino等(1995)本體是概念化的、明確的、部分的說明/一種邏輯語言的模型

Uschold(1996)本體是概念化的、明確說明和顯式表達(dá)

Borst(1997)本體是共享的、概念模型的與形式化的規(guī)范說明

Swartout(1997)本體是一個(gè)為描述某個(gè)領(lǐng)域,而按繼承關(guān)系組織起來作為一個(gè)知識(shí)庫的骨架的一系列術(shù)語

Studer(1998)本體是共享的、概念化的、顯式的與形式化的規(guī)范說明

Fensel(2000)本體是對(duì)一個(gè)特定領(lǐng)域中的重要概念共享的形式化描述

NoyF.N.(2001)本體是對(duì)某個(gè)領(lǐng)域中的概念的形式化的明確表示,每個(gè)概念的特性描述

Fonseca(2001)本體是以某一觀點(diǎn)用詳細(xì)明確的詞匯表描述實(shí)體、概念、特性和相關(guān)功能了概念的各個(gè)方面及其約束的特征和屬性的理論

Starla(2003)本體必須包括所使用術(shù)語的規(guī)范說明、決定這些術(shù)語含義的協(xié)議、以及術(shù)語之間的聯(lián)系,來表達(dá)概念

2地理本體論的定義與研究意義

2.1地理本體的定義

地理本體就是把有關(guān)地理科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)、信息和數(shù)據(jù)抽象成由一個(gè)個(gè)具有共識(shí)的對(duì)象(或?qū)嶓w),碩士論文并按照一定的關(guān)系而組成的體系,同時(shí)進(jìn)行概念化處理和明確的定義,最后以形式化表達(dá)的理論與方法。

2.2地理本體的研究意義

地理本體在地理信息科學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注,其重要性已在許多方面得于表現(xiàn),如知識(shí)工程、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和集成、信息檢索與獲取、軟件工程等,實(shí)現(xiàn)世界范圍的知識(shí)級(jí)信息集成。地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展,推動(dòng)各種系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的建設(shè),進(jìn)行了大量的數(shù)字生產(chǎn),隨著高性能網(wǎng)絡(luò)普及,信息共享與互操作變得越來越重要。因此,必須由原來的數(shù)據(jù)建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)與地理本體建設(shè)并重。

地理本體的研究可以為以下幾個(gè)主要方面提供重要的理論與方法支撐:

(1)語義互聯(lián)網(wǎng):語義互聯(lián)網(wǎng)提出后發(fā)現(xiàn)必須定義好底層的領(lǐng)域本體才可能順利構(gòu)造出語義互聯(lián)網(wǎng)。語義互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)就是本體,為使計(jì)算機(jī)能夠理解,必須用形式化的本體來定義互聯(lián)網(wǎng)資源中的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的意義。地理信息資源作為語義互聯(lián)網(wǎng)的重要資源,如何融入語義互聯(lián)網(wǎng)是地理信息科學(xué)的重要課題。地理本體的抽象與構(gòu)建是其重要基礎(chǔ)。怎樣讓地理數(shù)據(jù)與信息在全球信息網(wǎng)格上運(yùn)行,地理空間數(shù)據(jù)定義共享和互操作需要借助本體數(shù)據(jù)庫思想建立一個(gè)統(tǒng)一的語義網(wǎng)絡(luò),來描述同一個(gè)客體在不同專業(yè)空間數(shù)據(jù)庫中的語義描述及其轉(zhuǎn)換[10]。

(2)地理信息系統(tǒng)之間的語義互操作:實(shí)現(xiàn)地理信息資源共享與互操作是地理信息技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。從信息觀點(diǎn)看,為了實(shí)現(xiàn)互操作,兩個(gè)系統(tǒng)必須是信息模型可互操作,為了實(shí)現(xiàn)信息模型互操作,兩個(gè)系統(tǒng)必須在語法上和語義上可互操作。語法互操作是指兩個(gè)系統(tǒng)流動(dòng)和被處理的信息使用相同的結(jié)構(gòu),這個(gè)問題已基本解決。語義互操作是指兩系統(tǒng)對(duì)其中流動(dòng)和被處理的信息有相同的語義理解[24]。語義互操作問題才開始引起研究人員的重視,是今后的研究重點(diǎn)。

(3)知識(shí)級(jí)地理信息共享與知識(shí)重用:隨著大量地理知識(shí)、信息與數(shù)據(jù)的豐富和GIS與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)信息、數(shù)據(jù)和知識(shí)的共享是完全可能的。由于主體(人)對(duì)客觀地理事物的認(rèn)識(shí)存在較大差異,經(jīng)常造成可能共有,但不能真正的共享與重用。例如對(duì)土地覆蓋分類數(shù)據(jù),不同國際組織、不同國家、不同部門和不同群體等具有不同的認(rèn)識(shí),并按照各自的認(rèn)識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)和信息提取,造成相互之間的交流與實(shí)質(zhì)性共享和重用非常困難[25],為此國際上也召開專題協(xié)調(diào)會(huì)議[26]。因此,在某些地理領(lǐng)域抽象一個(gè)合理和共識(shí)性地理本體是非常重要的,同時(shí)建立不同認(rèn)識(shí)之間的語義映射機(jī)制也是非常必要的。

(4)地球科學(xué)中語義建模:在對(duì)地球系統(tǒng)的過程進(jìn)行建模時(shí),需要ontology的輔助使得不同領(lǐng)域的模型能夠互相交互、重用和共享。在描述這些過程時(shí),需要將過程的行為、時(shí)空特性與其他過程的關(guān)系等等描述出來。這些過程描述的集合構(gòu)成一個(gè)過程庫,稱為模擬框架的基礎(chǔ)。在地球系統(tǒng)建模中使用和表達(dá)語義將增強(qiáng)人們對(duì)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)研究和考察的能力,語義網(wǎng)為我們描述的各種解決方法提供平臺(tái)和模型以及模型結(jié)果的使用帶來新的有趣的途徑[27]。

3地理本體的研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)90年代末開始,本體概念及其思想引起了地理信息科學(xué)研究者的注意,許多國際學(xué)術(shù)組織和研究機(jī)構(gòu)開展了一系列相關(guān)研究計(jì)劃,地理信息科學(xué)界的許多國際學(xué)術(shù)會(huì)議也設(shè)立了與本體相關(guān)的討論主題。

在地理本體基礎(chǔ)理論研究方面,主要對(duì)地理本體理論構(gòu)成、地理本體的人文調(diào)查與實(shí)驗(yàn)研究、地理本體的信息學(xué)研究,醫(yī)學(xué)論文特別是地理本體的形式化描述語言和工具及本體創(chuàng)建和集成方法等方面進(jìn)行了廣泛而深刻的思索與探討,并將地理本體理論與方法研究成果應(yīng)用于地理信息集成、地理信息檢索、道路尋找和智能體系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)、社會(huì)及生態(tài)環(huán)境研究等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。下面首先簡(jiǎn)要介紹國際上開展的一些地理本體研究計(jì)劃及召開的一些相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議,然后從基礎(chǔ)理論和應(yīng)用兩個(gè)方面介紹地理本體的研究進(jìn)展。

3.1國際上與地理本體相關(guān)的主要研究計(jì)劃與學(xué)術(shù)會(huì)議

(1)國際上主要的地理本體研究計(jì)劃:科研人員針對(duì)某一個(gè)科學(xué)問題進(jìn)行深入研究經(jīng)常是通過有計(jì)劃和目標(biāo)的研究計(jì)劃與項(xiàng)目,同時(shí)也反映出此科學(xué)問題得到科研人員的重視和具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。地理本體的計(jì)劃主要集中在美國,也逐漸在歐洲得到重視(表2)。

(2)地理本體相關(guān)的主要國際學(xué)術(shù)會(huì)議:在國際信息科學(xué)領(lǐng)域會(huì)議中,特別是空間信息與地理信息科學(xué)的會(huì)議,開設(shè)地理本體或時(shí)空本體的討論專題(表3),職稱論文表現(xiàn)為關(guān)注地理本體的科研人員越來越多和需要交流的科學(xué)問題很多,這也表明此學(xué)科正在發(fā)展。

3.2地理本體基礎(chǔ)理論研究進(jìn)展

地理本體基礎(chǔ)理論研究主要探討地理本體理論構(gòu)成及地理本體的構(gòu)建方法等方面,英語論文即從科學(xué)理論的視角來看,地理本體理論應(yīng)包括哪些基礎(chǔ)理論、需要應(yīng)用哪些科學(xué)工具、存在哪些地理本體的構(gòu)建方法。

由于認(rèn)知科學(xué)現(xiàn)有的以桌面空間現(xiàn)象為基礎(chǔ)的分類理論并不適合于地理對(duì)象,必須發(fā)展新的地理空間本體基礎(chǔ)理論[28]。因此,有些學(xué)者就地理本體基礎(chǔ)理論構(gòu)成問題提出了一些建議。

Smith和Mark認(rèn)為,針對(duì)地理對(duì)象的復(fù)雜性及由許多部分組成的特征,地理本體理論必須包括部分2整體理論(Mereology);針對(duì)地理對(duì)象具有邊界且地理對(duì)象之間存在相接、相離、相交以及封閉和開放等拓?fù)涮卣?地理本體理論也必須包括拓?fù)鋵W(xué)理論;由于常規(guī)拓?fù)鋵W(xué)可能不能解決一些復(fù)雜的地理邊界現(xiàn)象,地理本體還應(yīng)包括純拓?fù)淅碚?Me-reotopology);此外,地理本體研究必須說明地理對(duì)象的維度以及各種空間關(guān)系,也需要幾何學(xué)作為其基礎(chǔ)理論之一;除了上述數(shù)學(xué)理論外,由于許多地理對(duì)象的分類和地理現(xiàn)象的存在與人類的認(rèn)知行為、語言和文化相關(guān),地理本體理論也應(yīng)該將認(rèn)知科學(xué)和人文科學(xué)的調(diào)查和實(shí)驗(yàn)研究納入到其基礎(chǔ)理論體系中[28]。為了便于在部分2整體理論基礎(chǔ)上研究地理實(shí)體與該實(shí)體所處空間區(qū)域的關(guān)系,除了部分2整體理論和拓?fù)鋵W(xué)理論工具外,地理本體理論還應(yīng)包括一般空間定位理論(Ageneraltheoryofspatiallocation)這種地理表達(dá)工具[29]。而有的學(xué)者則進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)地理本體應(yīng)在內(nèi)涵上定義并用形式化語言以計(jì)算機(jī)可以理解的方式表示拓?fù)淅碚摗⒉糠?整體理論、識(shí)別理論、分類理論和依賴?yán)碚?Theoryofdependence),只有基于上述理論發(fā)展起來的地理本體才有助于建立語義上更加一致的地理空間信息模型[30]。由此可見,地理本體基礎(chǔ)理論構(gòu)成應(yīng)包括地理信息科學(xué)中相關(guān)的理論工具,如拓?fù)鋵W(xué)理論、部分2整體理論、幾何學(xué)和純拓?fù)淅碚摰葦?shù)學(xué)工具,以及地理哲學(xué)、地理分類理論、地理認(rèn)知科學(xué)或認(rèn)知心理學(xué)、人類學(xué)和語言學(xué)等諸多學(xué)科。

表2國際上主要的地理本體研究計(jì)劃

Table2Majoroversearesearchprojectsongeo-ontology

計(jì)劃名稱資助機(jī)構(gòu)

空間知識(shí)的本體等級(jí)體系(1995)美國國家科學(xué)基金會(huì)(下稱:NSF)

地理類型的本體調(diào)查(1999)NSF

NSF2CNPq地理空間信息集成合作研究(1999)NSF與巴西國家空間研究所(INPE)

數(shù)字政府:地理空間知識(shí)本體(1999)NSF的“數(shù)字政府”項(xiàng)目

數(shù)字政府:地理空間知識(shí)的表示與分發(fā)(2000)NSF的“數(shù)字政府”項(xiàng)目

空間思考與推理(2003)NSF

IGERT:地理信息科學(xué)綜合培訓(xùn)計(jì)劃(2003)NSF

地理本體研究組ONTOGEO希臘雅典國家技術(shù)大學(xué)鄉(xiāng)村與測(cè)量工程學(xué)院

語義互操作實(shí)驗(yàn)室(MUSIL)德國Munster大學(xué)地理信息科學(xué)研究

表3國際上地理本體相關(guān)的主要學(xué)術(shù)會(huì)議

Table3Majorinternationalconferencesongeo-ontology

時(shí)間會(huì)議名稱

1998年第一屆國際形式化信息系統(tǒng)本體會(huì)議(FOISp98)

1998年第八屆空間數(shù)據(jù)處理國際研討會(huì)(SDHp98)

1999年“場(chǎng)本體(TheOntologyofFields)”的專家會(huì)議

1999年國際空間信息理論大會(huì)(COSITp99)

2000年第一屆國際地理信息科學(xué)大會(huì)(GIScience2000)

2001年國際空間信息理論大會(huì)(COSIT2001)

2002年第二屆國際地理信息科學(xué)大會(huì)(GIScience2002)

2002年由英國陸軍測(cè)量局與利茲大學(xué)聯(lián)合組織“地理本體論研討會(huì)(WorkshoponGeo-On-tology)”

2003年國際空間信息理論大會(huì)(COSIT2003)

2004年第三屆國際地理信息科學(xué)大會(huì)(GIScience2004)

2005年時(shí)空建模、空間推理、空間分析、數(shù)據(jù)挖掘與融合國際會(huì)議(STMp05)

地理本體構(gòu)造方法研究目前有三個(gè)主要研究方向,即本體論研究方向、人文調(diào)查與實(shí)驗(yàn)研究方向和信息學(xué)研究方向。這三個(gè)研究方向的研究方法和側(cè)重的研究?jī)?nèi)容各不相同,是地理本體理論相互補(bǔ)充、相互約束的三個(gè)方面,而不是相互對(duì)立和排斥的[31]。

(1)地理本體論研究:留學(xué)生論文地理本體論研究主要從哲學(xué)角度探討地理本體的構(gòu)成方法方面的研究,即試圖在不同尺度和粒度層次上建立構(gòu)成地理空間領(lǐng)域的各種對(duì)象、過程和關(guān)系等的所有類型,并形成等級(jí)體系。這種研究方法目前主要包括兩個(gè)方面:與領(lǐng)域科學(xué)家進(jìn)行交流,以設(shè)計(jì)建立各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)所有實(shí)體的種類;發(fā)展組織這些實(shí)體種類,例如部分2整體關(guān)系和粒度等的形式化方法。

第一方面的研究很難綜述,但很顯然地理科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)建立了很多分類系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn),如地貌學(xué)中各種地貌的分類系統(tǒng)等。但這些分類系統(tǒng)的合理性和科學(xué)性評(píng)價(jià)方面的研究還相對(duì)滯后。Chrisman批評(píng)了那種發(fā)展大一統(tǒng)的地理本體的做法,認(rèn)為應(yīng)該保留對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的不同看法,發(fā)展可以集成并轉(zhuǎn)換各種分類系統(tǒng)以及解決這些不同分類系統(tǒng)之間語義異質(zhì)性的科學(xué)方法可能是一個(gè)比較合理的研究方向[32]。

實(shí)體類型的組織目前主要采用各種等級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行。樹狀結(jié)構(gòu)是目前組織實(shí)體類型的主流方法,其特點(diǎn)是各種實(shí)體類型根據(jù)其一般性程度被劃分到某個(gè)一般性層次上,而且每個(gè)類型只有一個(gè)父類但可以有多個(gè)子類,這種本體的典型代表就是Word-Net。Kuhn從認(rèn)知科學(xué)中的概念集成思想出發(fā)探討了地理類型的語義建模,揭示了像WordNet這種以樹狀結(jié)構(gòu)或概念等級(jí)組織的本體的優(yōu)勢(shì)和缺陷,認(rèn)為其優(yōu)點(diǎn)在于可以基于概念之間的距離來度量它們之間語義的相似性,而其缺陷一方面表現(xiàn)在這種本體只具有單一的繼承關(guān)系,另一方面表現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)不能抓住概念之間的某些關(guān)系,如概念的功能關(guān)系,而以代數(shù)視圖為基礎(chǔ)的Haskell語言被證明是改進(jìn)這些缺陷和構(gòu)建本體的有力工具[33]。此外,形式化概念分析方法及概念格允許多態(tài)繼承,克服了樹狀結(jié)構(gòu)的固有缺陷,也是組織本體的有力工具[34-35]。

(2)地理本體的人文調(diào)查和實(shí)驗(yàn)研究:地理本體的人文調(diào)查和實(shí)驗(yàn)研究主要采用心理學(xué)或認(rèn)知科學(xué)的調(diào)查和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)方法,研究普通人群對(duì)基本地理概念的理解,或參考樸素地理學(xué)或民間地理學(xué)研究成果,從中抽取地理本體,為地理本體的建立提供經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

Smith和Mark等在此方面進(jìn)行了的一系列實(shí)驗(yàn)研究工作。他們認(rèn)為并假設(shè)地理對(duì)象不僅僅位于空間中,而且在本質(zhì)上與空間相連,從空間繼承了其結(jié)構(gòu)特征,地理類型也往往是與大小或尺度相關(guān)的,而且地理事物或事物類型可能與個(gè)人或文化差異有關(guān)。為了驗(yàn)證這種假設(shè),他們?cè)O(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn),包括:為某些地理類型抽取類型范本的實(shí)驗(yàn);類型實(shí)例及其屬性和組成部分實(shí)驗(yàn);邊界本質(zhì)問題實(shí)驗(yàn);術(shù)語定義實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)都以人為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,通過問卷調(diào)查及調(diào)查結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析來研究地理概念的認(rèn)知方面,從而為地理本體建立經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了這樣一個(gè)事實(shí):地理科學(xué)家和普通人群對(duì)于術(shù)語“地理”和“地理的”的涵義的理解存在很大的差別,因此地理科學(xué)家實(shí)際上研究的并不是民間普通人群概念中的地理現(xiàn)象[36-38]。他們的系列實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行中,并希望通過在不同地區(qū)、不同文化和不同語言背景下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證這些差異是否會(huì)明顯影響人們對(duì)基本地理概念及其本體的理解。在澳大利亞一個(gè)部落土著語言中的景觀元素類型與英語比較研究之后發(fā)現(xiàn),這兩個(gè)系統(tǒng)間在基本層次上就存在本質(zhì)差異,表明地區(qū)和語言文化背景差異確實(shí)會(huì)對(duì)人們頭腦中的基本地理概念及其本體產(chǎn)生明顯影響[39]。

(3)地理本體的信息學(xué)研究:地理本體的信息學(xué)研究采用信息科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)研究模式,研究地理本體的描述、獲取、比較和集成方法以及有關(guān)的形式化表達(dá)工具,以實(shí)現(xiàn)互操作和跨系統(tǒng)轉(zhuǎn)換及地理信息(數(shù)據(jù))的集成與檢索。

本體集成和形式化研究是人機(jī)智能等計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的本體研究中的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容,目前已經(jīng)發(fā)展了許多本體形式化語言和方法。概括而言,目前本體形式化語言主要有兩大類,即基于框架的表示語言和描述邏輯,經(jīng)典的基于框架的表示語言包括Ontolingua、OKBC等;描述邏輯在人機(jī)智能特別是知識(shí)工程領(lǐng)域廣為應(yīng)用,已經(jīng)發(fā)展了多種基于描述邏輯的本體表示語言,如LOOM、OIL等。

在對(duì)比分析各種本體定義語言在定義地理信息本體方面的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,Mota等認(rèn)為這些工具各有特點(diǎn),相對(duì)而言O(shè)ntolingua的功能比較強(qiáng),但也無法完成對(duì)行為的合理定義和聲明,而且也不可能完整定義一般的推理過程,因此應(yīng)擴(kuò)展Ontolin-gua以便可以完整地定義地理信息本體[40]。Visser等對(duì)形式化本體及其在地理信息處理中的應(yīng)用作了一個(gè)簡(jiǎn)潔綜述,對(duì)各種本體語言的形式化程度進(jìn)行了比較,包括描述層次的XML到一階謂詞邏輯層次的概念建模語言CML以及更復(fù)雜、形式化程度更高的知識(shí)交換格式KIF等,并簡(jiǎn)單介紹了一種基于語義的智能信息檢索構(gòu)架[41]。目前,地學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)認(rèn)識(shí)到,雖然計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一般信息本體研究已發(fā)展了許多本體形式化語言和方法,但這些形式化工具并不能完整地定義地理本體,必須擴(kuò)展現(xiàn)有語言和方法或發(fā)展新的能滿足地理本體需要的形式化工具。為此,已有一些學(xué)者就地理本體語言和工具方面提出了一些建議[42-43]。

地理本體并不是無源之水,地理學(xué)研究已經(jīng)形成了許多文本形式的地理領(lǐng)域本體,如各種分類體系及地理空間概念模型等。因此,可以發(fā)展從自然語言文本中抽取生成地理本體的方法,以便充分利用地理學(xué)現(xiàn)有的研究成果。Kuhn提出了一種從自然語言文本中抽取地理領(lǐng)域本體的方法,該方法主要關(guān)注文本中的對(duì)象行為,并以從德國交通代碼文本中抽取汽車導(dǎo)航領(lǐng)域本體為例說明了這種方法的可行性[44]。

不同的信息領(lǐng)域?qū)ο嗤乩憩F(xiàn)實(shí)具有不同的觀點(diǎn),因此存在許多不同的分類系統(tǒng)。相同領(lǐng)域中這些不同的分類系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)之間是互補(bǔ)的,不同的分類系統(tǒng)表達(dá)了同一領(lǐng)域的不同方面,可以在一個(gè)頂級(jí)本體的框架下,應(yīng)用形式化概念分析方法,將這些分類系統(tǒng)與頂級(jí)本體進(jìn)行集成和融合,從而產(chǎn)生集成的概念格,這樣一方面既可以保持各個(gè)分類系統(tǒng)的獨(dú)立性,更重要的是又可以產(chǎn)生比較完整的領(lǐng)域本體,實(shí)現(xiàn)不同分類系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換和互操作。基于這種思想,Kokla等以CYC頂級(jí)本體、WordNet和SDTS(USGS的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn))本體中的“河流”概念為例,應(yīng)用形式化概念分析方法,通過語義因子分解和建立概念格(Conceptlattice)這兩個(gè)步驟,得到了集成的概念格,驗(yàn)證了這種方法的有效性[45]。Kavouras等應(yīng)用形式化概念分析和概念格形式化表達(dá)地理類型及集成不同地理本體的具體方法[46]。此外,也有學(xué)者提出了基于相似性的本體集成方法[47248]。

3.3地理本體應(yīng)用研究進(jìn)展

目前地理本體的應(yīng)用研究主要集中在以下四個(gè)方面:工作總結(jié)(1)地理信息(數(shù)據(jù))集成;(2)地理信息(數(shù)據(jù)集)發(fā)現(xiàn)與檢索;(3)道路尋找(Wayfinding)系統(tǒng)研究;(4)其他應(yīng)用研究。

本體作為共享概念模型建模的有力工具,在解決不同數(shù)據(jù)源之間語義異質(zhì)性、互操作和集成方面的潛在優(yōu)勢(shì)已得到了學(xué)術(shù)界的廣泛重視。在計(jì)算機(jī)學(xué)界,本體方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)集成特別是模式和語義集成方面,有關(guān)這方面的研究進(jìn)展可以參考相關(guān)文獻(xiàn)[49-51]。

不同地理信息(數(shù)據(jù))的集成是近年來地理信息科學(xué)研究的一個(gè)主要內(nèi)容,作為共享地理概念模型或地理認(rèn)知模型的形式化說明,地理本體為地理數(shù)據(jù)提供了形式化語義說明,對(duì)于解決地理數(shù)據(jù)的語義異質(zhì)性和實(shí)現(xiàn)語義層次上的互操作具有很大的潛在優(yōu)勢(shì),通過地理本體可以在集成地理數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)的語義也集成過來。由于地理本體的這種優(yōu)勢(shì),在GIS領(lǐng)域,已經(jīng)有一些學(xué)者開始探討基于本體的空間數(shù)據(jù)集成框架和方法。

Fonseca提出了一種基于本體的地理信息集成框架[52]。在這種集成框架中,地理信息的集成是通過集成不同地理信息源相應(yīng)的底層本體實(shí)現(xiàn)的,因此是一種多本體方法。與一般模型相比,綜合了等級(jí)和角色的模型具有集成更多信息的潛力。在這種框架中,地理本體使用等級(jí)和角色來表達(dá),等級(jí)的使用不僅可有效表達(dá)心智模型中有關(guān)現(xiàn)實(shí)世界的等級(jí)結(jié)構(gòu),還提供了信息集成所需的概化和特化機(jī)制并實(shí)現(xiàn)知識(shí)共享和重用,而角色的使用不僅有效表達(dá)了地理實(shí)體的不同特征以避免多態(tài)繼承問題,還在不同細(xì)節(jié)層次之間以及不同領(lǐng)域本體網(wǎng)絡(luò)之間架起

了一座溝通的橋梁,由于本體的這些特征,地理信息集成可以在不同詳細(xì)層次上進(jìn)行。因此,這種綜合了等級(jí)和角色的本體集成框架可以實(shí)現(xiàn)基于地理信息內(nèi)涵的、多層次的、高集成度的地理信息集成。

Uitermark研究了一種基于本體的地理數(shù)據(jù)集成方法[53]。他認(rèn)為,地理數(shù)據(jù)集成概念框架包括兩個(gè)組成部分:一個(gè)領(lǐng)域本體和一系列調(diào)查規(guī)則。其中領(lǐng)域本體包含一系列共享概念,根據(jù)這些概念可以發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的對(duì)象實(shí)例,而調(diào)查規(guī)定每個(gè)數(shù)據(jù)集的采集規(guī)則,說明了從真實(shí)地理世界到地理數(shù)據(jù)集的轉(zhuǎn)換過程,因此不同地理數(shù)據(jù)集的相應(yīng)對(duì)象實(shí)例必須與不同的調(diào)查規(guī)則集一致。不同地理數(shù)據(jù)集之間通過特化2泛化等級(jí)結(jié)構(gòu)或分類體系(Taxonomy)和部分2整體結(jié)構(gòu)(Partonomy)兩種抽象機(jī)制相聯(lián)結(jié),利用這兩種抽象機(jī)制,可以模擬所謂參考模型中的對(duì)象類的語義關(guān)系,并認(rèn)為不同數(shù)據(jù)集的對(duì)象類之間的語義相似性有三種類型,即等價(jià)對(duì)象類、具有子類2父類關(guān)系的對(duì)象類和具有部分2整體關(guān)系的對(duì)象類。最后以GBKN和TOP10vector兩個(gè)地形數(shù)據(jù)集為例展示這種集成方法的實(shí)施方法及其有效性。

地理信息的查詢與檢索是地理信息集成與應(yīng)用的前提條件。GIS中數(shù)據(jù)的查詢和檢索是一項(xiàng)重要的功能,但由于用戶認(rèn)知和概念世界中的概念與系統(tǒng)模型中的概念之間存在語義異質(zhì)性,用戶查詢出來的數(shù)據(jù)往往并不是他們真正需要的。通過建立包含部分2整體、重疊和相交等空間關(guān)系的地理本體并將之用于查詢請(qǐng)求和數(shù)據(jù)庫之間的詞匯匹配可以解決這種語義異質(zhì)性,從而實(shí)現(xiàn)各種空間查詢和屬性查詢[54]。此外,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展已使地理信息發(fā)現(xiàn)

與服務(wù)成為GIS研究的一個(gè)熱點(diǎn),可以利用地理本體建立智能地理信息發(fā)現(xiàn)和查詢系統(tǒng)以及地理信息服務(wù)系統(tǒng)[55]。

道路尋找系統(tǒng)研究也是國際地理信息科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱門研究問題,許多國際學(xué)術(shù)會(huì)議上都有這個(gè)方面的會(huì)議主題,如GIScience2000、GI-Science2002、COSIT2003等。Raubal認(rèn)為,本體論和認(rèn)識(shí)論是智能體系統(tǒng)的基礎(chǔ),只有基于合理本體基礎(chǔ)上的智能體系統(tǒng)才可能合理地模擬智能體的行為,因此需要發(fā)展從人們對(duì)道路尋找經(jīng)驗(yàn)的描述中抽取本體,以便為基于智能體的道路尋找系統(tǒng)提供所需的本體基礎(chǔ),并將道路尋找模擬過程中需要的本體分為介質(zhì)、本質(zhì)和界面三個(gè)部分,最后以機(jī)場(chǎng)環(huán)境為例說明了這種系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法[56]。也有學(xué)者從旅行者的視角研究了道路尋找系統(tǒng)所需的本體,分析和比較了城市區(qū)域道路尋找系統(tǒng)中交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)者視角中的本體和旅行者視角中的本體的差別,認(rèn)為后者是前者的子集,即旅行者從一個(gè)出發(fā)點(diǎn)到達(dá)一個(gè)終點(diǎn)尋找道路所需的本體可以從交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)本體中抽取[57]。

GIS已經(jīng)在許多領(lǐng)域和行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用,而這些應(yīng)用都涉及到概念建模和語義問題,因此都需要地理本體為其應(yīng)用提供服務(wù)。除了上述地理信息集成、地理信息發(fā)現(xiàn)和查詢檢索及道路尋找系統(tǒng)方面的應(yīng)用外,地理本體的應(yīng)用還包括許多其他方面,地理本體研究已在社會(huì)科學(xué)、生態(tài)學(xué)、土地利用、環(huán)境等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用。例如,公共衛(wèi)生領(lǐng)域基于本體的晚期腎病網(wǎng)絡(luò)GIS決策支持系統(tǒng)SIGNE研究[58]、多尺度生態(tài)系統(tǒng)分類等級(jí)體系的形式化和本體研究[59]、土地覆蓋與利用分類體系的本體集成研究[60]等。隨著地理本體理論與方法的不斷完善,這些應(yīng)用研究將得到進(jìn)一步的蓬勃發(fā)展。

4結(jié)語

地理數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)的在信息時(shí)代得到前所未有的廣泛使用,但由于它們中的許多是基于主體認(rèn)識(shí)的,致使產(chǎn)生了“可共享不可共用”的問題。地理本體作為一種思想、理論和方法,現(xiàn)在科學(xué)與技術(shù)條件下,可以為解決此問題提供一種途徑。

地理本體研究涉及面非常廣。它不僅僅要考慮本領(lǐng)域的科學(xué)研究和與專業(yè)人員,也要考慮地理數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)的普通用戶。它不僅在理論上要有合理性與完整性,更要能夠在計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)。地理本體研究應(yīng)是一個(gè)系統(tǒng)工程,必須進(jìn)行廣泛的交流與合作,并進(jìn)行有規(guī)劃的分工與合作。

地理本體的相關(guān)研究受到更多研究人員的關(guān)注,但在許多基本問題上沒有達(dá)成共識(shí)和取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,例如在構(gòu)建地理本體的方法上存在較大的差異,因此研究人員還有相當(dāng)多需要研究的問題。

地理本體研究已成為國際地理信息科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)重要的新興研究方向并得到了蓬勃發(fā)展,而國內(nèi)在這方面的研究才剛剛開始,只有少數(shù)學(xué)者開展了一些探索性的思考和研究[3,9-10,61-68],并且主要是基于信息學(xué)的本體研究模式。因此,我國應(yīng)緊跟國際地理本體的研究動(dòng)態(tài),積極開展我國自己的地理本體理論、方法和應(yīng)用研究。研究過程必須考慮到中國的民族、文化、語言、空間認(rèn)知的特點(diǎn)。最關(guān)鍵的是,構(gòu)建的地理本體能廣大用戶接受與應(yīng)用,地理本體為語義互操作、語義互聯(lián)網(wǎng)以及地球系統(tǒng)的語義建模等都提供支持。

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