基于知識(shí)標(biāo)注的地理信息語(yǔ)義服務(wù)框架研究

梁 汝 鵬，李 宏 偉，李 文 娟，梁 穎

基于知識(shí)標(biāo)注的地理信息語(yǔ)義服務(wù)框架研究

梁 汝 鵬1，李 宏 偉1，李 文 娟2，梁 穎2

（1.信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，河南 鄭州 450052;2.73603部隊(duì)，江蘇 南京 210049）

基于空間語(yǔ)義學(xué)基礎(chǔ)理論，將傳統(tǒng)的地理信息服務(wù)技術(shù)與新興的語(yǔ)義服務(wù)技術(shù)相結(jié)合，建立地理信息語(yǔ)義服務(wù)框架及知識(shí)標(biāo)注方法體系，并應(yīng)用于地理空間信息服務(wù)處理中，提供智能化、自動(dòng)化的地理信息服務(wù)發(fā)現(xiàn)、組合與觸發(fā)策略;設(shè)計(jì)基于文本挖掘算法的半自動(dòng)知識(shí)標(biāo)注引擎，提高服務(wù)處理自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)包含豐富語(yǔ)義信息的地理空間語(yǔ)義服務(wù)的發(fā)布;建立基于規(guī)則和推理引擎的地理信息服務(wù)匹配與發(fā)現(xiàn)機(jī)制，提高服務(wù)發(fā)現(xiàn)效率;建立地理信息服務(wù)語(yǔ)義標(biāo)注與服務(wù)匹配評(píng)價(jià)方法，采用基于空間關(guān)聯(lián)規(guī)則的標(biāo)注正確性評(píng)估策略，驗(yàn)證知識(shí)標(biāo)注價(jià)值。

空間語(yǔ)義;語(yǔ)義服務(wù);知識(shí)標(biāo)注;地理空間語(yǔ)義網(wǎng);服務(wù)匹配;相似度計(jì)算;規(guī)則

0 引言

隨著地理信息服務(wù)應(yīng)用的拓展，越來(lái)越多的地理數(shù)據(jù)以服務(wù)的形式在網(wǎng)絡(luò)上注冊(cè)與發(fā)布，使得地理信息服務(wù)的數(shù)量劇增。然而目前用戶(hù)只能通過(guò)關(guān)鍵字搜索并結(jié)合空間過(guò)濾條件查詢(xún)OGC的目錄服務(wù)，發(fā)現(xiàn)所需的數(shù)據(jù)，在受益于目錄服務(wù)帶來(lái)的資源搜索便捷性的同時(shí)，經(jīng)常受到查全率和查準(zhǔn)率不高的困擾［1］。面對(duì)日益龐大的服務(wù)群，如何自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)服務(wù)，成為影響地理信息服務(wù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，也是面向服務(wù)的計(jì)算（Service-Oriented Computing，SOC）中迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題［2］。

傳統(tǒng)的檢索方式在多方面面臨瓶頸，語(yǔ)義網(wǎng)的提出［3］正是為了解決信息爆炸時(shí)代信息淹沒(méi)的問(wèn)題，從海量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中提取有用的信息，實(shí)現(xiàn)知識(shí)提取以至于知識(shí)服務(wù)。鑒于此，Egenhofer［4］進(jìn)一步提出地理空間語(yǔ)義網(wǎng)的概念框架。語(yǔ)義網(wǎng)服務(wù)（SWS）是指在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中添加語(yǔ)義層的描述，提供解決現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）所面臨的問(wèn)題的全新方案［5］，減少人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的信息系統(tǒng)集成。

地理空間語(yǔ)義服務(wù)通過(guò)在傳統(tǒng)地理信息服務(wù)中引入SWS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地理信息服務(wù)發(fā)現(xiàn)、組合與觸發(fā)的完整體系。在這一工作中面臨的主要挑戰(zhàn)在于發(fā)現(xiàn)并解決OGC與SWS技術(shù)框架的不同，滿(mǎn)足表達(dá)地理空間語(yǔ)義的特定需求［6］。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文研究地理信息語(yǔ)義服務(wù)框架及相關(guān)理論基礎(chǔ)，根據(jù)空間語(yǔ)義及地理領(lǐng)域的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)SWS與傳統(tǒng)的地理空間服務(wù)的融合，吸收SWS的理論研究成果，建立地理空間語(yǔ)義服務(wù)基本理論與方法體系。基于知識(shí)標(biāo)注技術(shù)，探索實(shí)現(xiàn)從地理信息服務(wù)到地理信息語(yǔ)義服務(wù)的過(guò)渡。然而知識(shí)標(biāo)注的缺失和語(yǔ)義級(jí)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)、集成、觸發(fā)工具和環(huán)境的缺乏影響了地理空間服務(wù)的深層應(yīng)用［7］。本文針對(duì)地理空間服務(wù)與數(shù)據(jù)共享領(lǐng)域存在的問(wèn)題，開(kāi)展知識(shí)標(biāo)注理論與技術(shù)研究，提出建立面向地理信息語(yǔ)義服務(wù)的知識(shí)標(biāo)注框架及其關(guān)鍵技術(shù)。

1 面向知識(shí)標(biāo)注的本體建模

通常，本體包含描述概念、個(gè)體和概念之間關(guān)系的形式化元組，可用于表達(dá)屬性信息、數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)、不一致聲明及不同對(duì)象間的邏輯關(guān)系［8］。地理本體在空間語(yǔ)義描述中起著基礎(chǔ)性作用［9］，如何實(shí)現(xiàn)地理領(lǐng)域本體構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)化流程，提供地理本體可用性的科學(xué)、完整的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，是當(dāng)前地理本體乃至空間語(yǔ)義模型構(gòu)建過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)，地理本體建模復(fù)雜度的進(jìn)一步降低將是未來(lái)空間語(yǔ)義數(shù)據(jù)大規(guī)模引入與應(yīng)用的前提。

1.1 知識(shí)標(biāo)注概念模型

利用本體實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)中地理數(shù)據(jù)源間的語(yǔ)義交互技術(shù)還不成熟，將本體中的分類(lèi)體系與特定數(shù)據(jù)源中地理要素相關(guān)聯(lián)的研究及策略嚴(yán)重欠缺。因此有必要開(kāi)發(fā)面向地理信息服務(wù)知識(shí)標(biāo)注應(yīng)用的本體概念模型與構(gòu)建策略，實(shí)現(xiàn)標(biāo)注構(gòu)建的一致性和可重復(fù)性，本文采用的知識(shí)標(biāo)注概念模型如圖1。為此需關(guān)注并解決地理信息服務(wù)描述中知識(shí)標(biāo)注的需求分析并建立地理要素與標(biāo)注涵義關(guān)聯(lián)的方法。

圖1 知識(shí)標(biāo)注概念模型Fig.1 Knowledge annotation conceptual model

1.2 地理領(lǐng)域本體層次化設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

地理領(lǐng)域應(yīng)用本體的開(kāi)發(fā)需在已有的形式化本體基礎(chǔ)上進(jìn)行，面向服務(wù)標(biāo)注的地理本體需反映不同用戶(hù)的應(yīng)用視角，從而應(yīng)用于不同類(lèi)型的地理信息服務(wù);同時(shí)，本體必須展現(xiàn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，確保標(biāo)注的正確性和可重復(fù)性?；A(chǔ)本體描述通用的概念分類(lèi)，為實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域本體中的概念映射，需要一個(gè)通用本體（如CYC本體）作為基礎(chǔ)，本體映射也有助于發(fā)現(xiàn)并消除現(xiàn)有本體的不一致性。然而，現(xiàn)有的地理領(lǐng)域本體不能滿(mǎn)足服務(wù)語(yǔ)義標(biāo)注所需的映射及嚴(yán)格的形式化結(jié)構(gòu)，需要建立面向語(yǔ)義標(biāo)注的本體層次（圖2），這種層次性結(jié)構(gòu)支持不同應(yīng)用視角（地理學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境規(guī)劃、旅游等）領(lǐng)域本體的映射。為了開(kāi)發(fā)地理領(lǐng)域的層次化通用本體模型，需要解決下列問(wèn)題：現(xiàn)今哪些本體可用作構(gòu)建地理領(lǐng)域本體的基礎(chǔ)本體模型;地理領(lǐng)域本體包含哪些通用的分類(lèi)，這些分類(lèi)如何映射到頂層本體;如何確保地理領(lǐng)域本體通用分類(lèi)的嚴(yán)謹(jǐn)性等。

圖2 地理本體的三層架構(gòu)Fig.2 The three-layered geo-ontology architecture

1.3 基于知識(shí)發(fā)現(xiàn)的本體構(gòu)建方法

地理信息語(yǔ)義服務(wù)框架核心之一是研究知識(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)在本體構(gòu)建中的應(yīng)用，探索可用于地理本體構(gòu)建的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，主要關(guān)注知識(shí)發(fā)現(xiàn)中文本挖掘和本體學(xué)習(xí)算法在面向語(yǔ)義標(biāo)注的本體構(gòu)建中的應(yīng)用。知識(shí)發(fā)現(xiàn)中對(duì)于非結(jié)構(gòu)化信息或半結(jié)構(gòu)化信息的處理受到關(guān)注，如利用文本挖掘的方法實(shí)現(xiàn)文本中信息的提取，以及將網(wǎng)絡(luò)挖掘、關(guān)聯(lián)模式發(fā)現(xiàn)等新方法應(yīng)用于本體構(gòu)建及基于本體的語(yǔ)義標(biāo)注中;同時(shí)知識(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是分析數(shù)據(jù)中存在的結(jié)構(gòu)性信息，這意味著知識(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)可能是從非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)源（如文本）到結(jié)構(gòu)化本體的一種映射過(guò)程，也是本體構(gòu)建的一個(gè)重要步驟。

基于知識(shí)發(fā)現(xiàn)技術(shù)的本體構(gòu)建主要包含以下應(yīng)用（圖3）［10］：1）術(shù)語(yǔ)提取，如地名的提取;2）術(shù)語(yǔ)到類(lèi)的映射，實(shí)現(xiàn)了術(shù)語(yǔ)與領(lǐng)域本體之間的映射過(guò)程;3）術(shù)語(yǔ)與術(shù)語(yǔ)關(guān)系映射;4）概念聚類(lèi)，通過(guò)計(jì)算不同術(shù)語(yǔ)之間的相似度，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于聚類(lèi)過(guò)程的類(lèi)別劃分;5）通過(guò)概念圖構(gòu)建實(shí)現(xiàn)本體概念的生成。由圖3可知，利用相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘算法實(shí)現(xiàn)從底層的術(shù)語(yǔ)提取到頂層的概念構(gòu)建、概念標(biāo)注的過(guò)程，最后形成了通過(guò)知識(shí)圖表示的領(lǐng)域知識(shí)模型，即本體模型。

圖3 自下而上的本體學(xué)習(xí)過(guò)程Fig.3 Bottom-up ontology graph learning process

地理信息的不同特點(diǎn)需要在算法中體現(xiàn)，研究的核心是如何將這些算法應(yīng)用于地理知識(shí)的提取、術(shù)語(yǔ)的匹配及最終本體構(gòu)建的過(guò)程中，主要包含基于SVM算法的地名提取、基于相似度測(cè)算的術(shù)語(yǔ)映射、基于聚類(lèi)算法的地理概念區(qū)分等。

2 知識(shí)標(biāo)注引擎設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

空間知識(shí)標(biāo)注是地理信息語(yǔ)義服務(wù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。地理空間網(wǎng)絡(luò)中知識(shí)標(biāo)注的資源包含了多種模式描述的地理信息，主要有文本、遙感圖像、掃描地圖、矢量數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息服務(wù)等，因而學(xué)者提出多模式空間知識(shí)標(biāo)注的概念。本文以地理信息服務(wù)的知識(shí)標(biāo)注為研究對(duì)象，知識(shí)標(biāo)注的實(shí)現(xiàn)將為服務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)匹配以至于自動(dòng)組合發(fā)揮重要作用。面向地理信息語(yǔ)義服務(wù)的知識(shí)標(biāo)注需解決以下關(guān)鍵問(wèn)題。

2.1 地理空間服務(wù)模型本體映射

為了實(shí)現(xiàn)OGC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（OWS）的知識(shí)標(biāo)注，從而支持地理信息服務(wù)的語(yǔ)義發(fā)現(xiàn)與語(yǔ)義交互功能，必須將OGC的地理信息服務(wù)映射到WSML編碼的語(yǔ)義服務(wù)抽象模型中，本研究主要關(guān)注OGC的WFS、WMS、WCS、WPS服務(wù)的映射。

加強(qiáng)服務(wù)的語(yǔ)義描述存在自上而下和自下而上兩種方式。OWL-S和 WSMO采用自上而下方式，假定服務(wù)的開(kāi)發(fā)者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)義建模，而不是直接將服務(wù)通過(guò)已有的標(biāo)準(zhǔn)（如 WSDL）描述，但是很多合法的服務(wù)已經(jīng)通過(guò)SOA技術(shù)（如WSDL或REST）發(fā)布。SAWSDL支持的則是自下而上的方式，它提供了一套參考模型，可用于 WSDL文檔及XML框架元素的描述;同時(shí)這一參考模型與底層本體關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)底層元素的最佳語(yǔ)義描述［5］。

為保證與現(xiàn)有OWS服務(wù)的兼容性，本研究采用自下而上的模式，在原有的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)中，通過(guò)轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)服務(wù)描述模型映射，建立與底層領(lǐng)域本體的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)其語(yǔ)義信息的描述，抽象模型如圖4所示。

圖4 OWS服務(wù)映射框架Fig.4 Knowledge annotation framework for OWS

2.2 知識(shí)標(biāo)注工作流創(chuàng)建

為實(shí)現(xiàn)工程化、可重復(fù)性的知識(shí)標(biāo)注流程，必須完善知識(shí)標(biāo)注的工作流，并研究地理信息服務(wù)的知識(shí)標(biāo)注構(gòu)建的原則及相關(guān)的方法論問(wèn)題，本文給出了知識(shí)標(biāo)注基本的工作流模型（圖5），其中的細(xì)節(jié)流程需加以?xún)?yōu)化，并需進(jìn)一步研究語(yǔ)義標(biāo)注構(gòu)建的原則及方法論。

圖5 知識(shí)標(biāo)注工作流Fig.5 Knowledge annotation workflow

2.3 基于文本挖掘的半自動(dòng)知識(shí)標(biāo)注引擎

手工標(biāo)注容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，為提高知識(shí)標(biāo)注的自動(dòng)化程度，可采用文本挖掘相關(guān)算法輔助服務(wù)的知識(shí)標(biāo)注建立過(guò)程［11］。標(biāo)注構(gòu)建中包含一個(gè)重要部分，即概念的匹配過(guò)程，這是建立服務(wù)模型與領(lǐng)域本體映射的關(guān)鍵，其實(shí)現(xiàn)核心是構(gòu)建概念的相似度匹配算法，文本挖掘中的分類(lèi)算法可實(shí)現(xiàn)概念相似度的自動(dòng)計(jì)算［12］，如文檔分類(lèi)算法、SVM（自由向量機(jī)）分 類(lèi) 算 法［13，14］、K-NN（K-Nrearst Neighbours）分類(lèi)算法等［15，16］，均可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義相似性測(cè)度。需要進(jìn)一步研究這些算法對(duì)于地理概念相似度匹配的適應(yīng)性，并根據(jù)地理信息的不同特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)算法的選取與優(yōu)化。

2.4 知識(shí)標(biāo)注正確性評(píng)估與修正算法

知識(shí)標(biāo)注框架的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效與可重復(fù)的標(biāo)注過(guò)程，支持服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、組合及執(zhí)行中不同的應(yīng)用需求。現(xiàn)今大部分的自動(dòng)標(biāo)注方法是基于文本分析算法，通常這些標(biāo)注工具都是為了處理網(wǎng)絡(luò)上文本資源的標(biāo)注，應(yīng)用的多為統(tǒng)計(jì)學(xué)和啟發(fā)式算法，在獲取語(yǔ)義交互的應(yīng)用中局限較大，獲取的語(yǔ)義標(biāo)注往往沒(méi)有考慮底層的地理概念。構(gòu)建知識(shí)標(biāo)注的核心是建立要素類(lèi)型與形式化本體的關(guān)聯(lián)，如果手工標(biāo)注時(shí)標(biāo)注者不熟悉本體中描述的概念或數(shù)據(jù)源，則容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，同時(shí)手工標(biāo)注通常不考慮應(yīng)用中對(duì)數(shù)據(jù)理解視角的不同。因而，在知識(shí)標(biāo)注構(gòu)建完成后，需要檢驗(yàn)與修正手工或文本挖掘算法生成的語(yǔ)義標(biāo)注中的錯(cuò)誤，本文引入基于空間關(guān)聯(lián)規(guī)則的要素特征信息實(shí)現(xiàn)知識(shí)標(biāo)注結(jié)果的評(píng)估與修正，基本原理如圖6所示。

圖6 本體知識(shí)標(biāo)注檢驗(yàn)流程Fig.6 Knowledge annotation appraisal process

3 基于知識(shí)標(biāo)注的語(yǔ)義模式服務(wù)發(fā)現(xiàn)

地理信息服務(wù)的構(gòu)建遵循一系列結(jié)構(gòu)良好的標(biāo)準(zhǔn)（OGC），支持無(wú)縫的應(yīng)用工具集成。為確保與現(xiàn)有方案兼容，地理空間語(yǔ)義服務(wù)框架設(shè)計(jì)須參照通用標(biāo)準(zhǔn)和抽象模型，知識(shí)標(biāo)注目標(biāo)是建立合法的非語(yǔ)義服務(wù)描述與相應(yīng)的語(yǔ)義描述的關(guān)聯(lián)。本文提出基于知識(shí)標(biāo)注的語(yǔ)義模式的地理信息服務(wù)匹配策略。

3.1 地理信息服務(wù)語(yǔ)義匹配與發(fā)現(xiàn)機(jī)制

相對(duì)于傳統(tǒng)的基于索引和文本匹配技術(shù)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)技術(shù)，本體關(guān)聯(lián)的知識(shí)標(biāo)注支持邏輯推理功能，在查詢(xún)信息過(guò)程中，推理引擎（如Pellet）可以精確匹配與語(yǔ)義標(biāo)記的服務(wù)，通過(guò)概念相似度的計(jì)算實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義級(jí)的服務(wù)查詢(xún)與發(fā)現(xiàn)，確保更為精確的查詢(xún)結(jié)果，具體原理如圖7所示。本研究利用企業(yè)級(jí)語(yǔ)義網(wǎng)應(yīng)用與開(kāi)發(fā)工具TBC（TopBraid Composer）對(duì)多種推理引擎（如Jena、Pellet）的支持，建立基于規(guī)則和推理引擎的地理信息服務(wù)語(yǔ)義匹配與發(fā)現(xiàn)機(jī)制，探索語(yǔ)義服務(wù)技術(shù)在地理信息服務(wù)發(fā)現(xiàn)中的應(yīng)用。

圖7 服務(wù)匹配原理Fig.7 Similarity-based semantic match of Web service

3.2 OWS與SWS技術(shù)融合策略

語(yǔ)義網(wǎng)服務(wù)技術(shù)支持自動(dòng)的服務(wù)處理功能，然而，融合語(yǔ)義網(wǎng)服務(wù)技術(shù)與地理空間服務(wù)面臨諸多挑戰(zhàn)。OGC服務(wù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）與ISO開(kāi)放的分布式處理參考模型（RMODP）的結(jié)合，包含地理空間數(shù)據(jù)服務(wù)（WFS、WPS、WMS等）和目錄服務(wù)（元數(shù)據(jù)）;這些服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)包含定義完整的接口，支持服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、檢索和執(zhí)行過(guò)程，但將這些服務(wù)與主流的基于SOAP、WSDL和UDDI描述的服務(wù)“發(fā)布－鏈接－發(fā)現(xiàn)”體系的融合剛剛開(kāi)始［17］。地理空間服務(wù)的一些特點(diǎn)，如服務(wù)體系不同、地理本體的獨(dú)特性等，需要對(duì)現(xiàn)有的SWS技術(shù)（WSMO/WSML/WSMX）進(jìn)一步拓展，從而支持語(yǔ)義級(jí)的地理空間服務(wù)描述以及地理信息服務(wù)的發(fā)現(xiàn)與觸發(fā)過(guò)程。

圖8給出了本研究采用的策略，即通過(guò)服務(wù)抽象模型的映射，實(shí)現(xiàn)地理領(lǐng)域本體與服務(wù)描述應(yīng)用本體之間的關(guān)聯(lián)。該模式的應(yīng)用目標(biāo)主要面向地理信息服務(wù)的自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)基于形式化描述（語(yǔ)義標(biāo)注）的服務(wù)發(fā)現(xiàn)、組合、執(zhí)行流程。

4 地理信息語(yǔ)義服務(wù)框架與關(guān)鍵技術(shù)

圖8 OWS與SWS融合策略Fig.8 OWS and SWS techniques fusion strategy

如何從大規(guī)模地理信息服務(wù)集合中快速且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)服務(wù)是地理信息服務(wù)應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)前基于關(guān)鍵字的服務(wù)發(fā)現(xiàn)方式缺乏語(yǔ)義支持，搜索效率低。本文在語(yǔ)義網(wǎng)服務(wù)框架下（WSMO、WSML）［5］，提出了一種基于知識(shí)標(biāo)注技術(shù)的空間服務(wù)語(yǔ)義模式的服務(wù)發(fā)現(xiàn)、組合與觸發(fā)方法，將地理信息從語(yǔ)法模式轉(zhuǎn)換為語(yǔ)義模式，明確表達(dá)空間數(shù)據(jù)中隱含的知識(shí)，有效克服數(shù)據(jù)源之間的語(yǔ)義異構(gòu)，可以提高地理信息服務(wù)發(fā)現(xiàn)的查全率和查準(zhǔn)率，并降低在服務(wù)組合與觸發(fā)中的人工操作工作量。

本文基于知識(shí)標(biāo)注的地理空間語(yǔ)義服務(wù)框架（圖9）主要包含：1）地理領(lǐng)域本體：包含知識(shí)標(biāo)注、目錄、服務(wù)發(fā)現(xiàn)與執(zhí)行模塊中使用的本體資源。2）語(yǔ)義標(biāo)注引擎：采用信息獲取技術(shù)分析現(xiàn)有地理信息服務(wù)半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)描述，構(gòu)建相應(yīng)的知識(shí)標(biāo)注?；谖谋净驍?shù)據(jù)挖掘算法實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)的標(biāo)注功能，同時(shí)在目錄組件中注冊(cè)相關(guān)的標(biāo)注內(nèi)容，從而擴(kuò)大包含知識(shí)標(biāo)注的服務(wù)數(shù)量。3）語(yǔ)義發(fā)現(xiàn)和執(zhí)行組件：提供基礎(chǔ)的SWS架構(gòu)，獲取語(yǔ)義描述的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源，并由一組用于服務(wù)發(fā)現(xiàn)和動(dòng)態(tài)觸發(fā)的工具集組成，包含處理語(yǔ)義級(jí)地理信息服務(wù)描述的模塊。4）目錄服務(wù)：提供標(biāo)準(zhǔn)的OGC服務(wù)注冊(cè)接口，存儲(chǔ)傳統(tǒng)的地理空間服務(wù)與非空間服務(wù)的入口，利用知識(shí)標(biāo)注組件實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義模式的服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能。目錄服務(wù)需融合WSMX的功能，支持語(yǔ)義發(fā)現(xiàn)，提高服務(wù)發(fā)現(xiàn)的效率。5）應(yīng)用環(huán)境：基于TBC二次開(kāi)發(fā)的服務(wù)發(fā)現(xiàn)工具，并對(duì)地理信息處理服務(wù)的組合應(yīng)用開(kāi)展研究與實(shí)驗(yàn)。

圖9 地理空間語(yǔ)義服務(wù)框架Fig.9 Geospatial semantic Web service framework

為實(shí)現(xiàn)面向地理信息語(yǔ)義服務(wù)的知識(shí)標(biāo)注框架，需解決以下關(guān)鍵技術(shù)：1）基于TBC的空間語(yǔ)義標(biāo)注本體構(gòu)建技術(shù)?；赥BC設(shè)計(jì)工程化的本體構(gòu)建方法，建立本體評(píng)價(jià)與邏輯一致性檢驗(yàn)策略，為語(yǔ)義標(biāo)注的健壯性和容錯(cuò)性奠定基礎(chǔ)。2）基于文本挖掘的概念匹配與空間語(yǔ)義標(biāo)注算法。由于語(yǔ)義標(biāo)注手工工作量大，為實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義標(biāo)注技術(shù)在更大范圍和領(lǐng)域的應(yīng)用，必須嘗試通過(guò)新的技術(shù)和方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)標(biāo)注。3）基于TBC和Pellet推理引擎的語(yǔ)義匹配與服務(wù)發(fā)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)。為優(yōu)化傳統(tǒng)的基于索引和關(guān)鍵字匹配的服務(wù)發(fā)現(xiàn)方法中存在召回率和準(zhǔn)確率較低問(wèn)題，探索基于服務(wù)的語(yǔ)義標(biāo)注信息，利用TBC及其對(duì)Pellet、Jena、Spin等組合推理方法的支持，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義級(jí)的服務(wù)匹配與發(fā)現(xiàn)算法，有效提高服務(wù)發(fā)現(xiàn)效率。在解決以上關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn) OWS（OGC Web Service）與SWS（Semantic Web Services）技術(shù)融合問(wèn)題，本文提出了地理信息語(yǔ)義服務(wù)三層框架的詳細(xì)設(shè)計(jì)（圖10），并定義了各個(gè)層次模塊包含的內(nèi)容與相互關(guān)系。

圖10 語(yǔ)義模式的地理信息語(yǔ)義服務(wù)原型設(shè)計(jì)Fig.10 Design of geospatial SWS prototype of semantic mode

5 結(jié)論

地理空間語(yǔ)義服務(wù)平臺(tái)的搭建是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，本文提出的基于知識(shí)標(biāo)注的地理信息語(yǔ)義服務(wù)框架為語(yǔ)義服務(wù)技術(shù)在地理領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供參考;該框架的實(shí)現(xiàn)包含多個(gè)研究領(lǐng)域成果的融合，融合語(yǔ)義網(wǎng)服務(wù)技術(shù)策略涉及的理論和技術(shù)問(wèn)題較多，如何構(gòu)建半自動(dòng)的語(yǔ)義標(biāo)注算法以降低手工操作的工作量以及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確定與結(jié)果分析都有一些關(guān)鍵方法和技術(shù)問(wèn)題需要解決。本文面向地理信息語(yǔ)義服務(wù)的知識(shí)標(biāo)注框架體系的實(shí)現(xiàn)，可有效提高地理信息服務(wù)發(fā)現(xiàn)的查全率和查準(zhǔn)率，并降低在服務(wù)組合與觸發(fā)中的人工操作工作量，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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Geospatial Semantic Web Service Oriented Knowledge Annotation Framework

LIANG Ru－peng1，LI Hong－wei1，LI Wen－juan2，LIANG Ying2
（1.InstituteofSurveyingandMapping，InformationEngineeringUniversity，Zhengzhou450052;2.73603Troops，Nanjing210049，China）

While benefiting from the convenience of geospatial resource search through keyword WCS（Web Catalog Service），users always encounter the problem of low comprehension and precision.Therefore，in this paper，the geospatial semantic Web service framework and knowledge annotation methodology are designed based on geospatial semantics theory，so as to handle the problem of service discovery.At the same time，the knowledge annotation engine is designed to improve the efficiency of rich semantics service release.And mechanism of semantic matching of service goal is set up based on rule and reason engine.In the end，the way to evaluate the effect of geospatial semantic Web service framework is discussed.Through deploying SWS technology in geospatial Web service handle，a comprehensive framework is set up for semantically annotating geospatial services and for utilizing the kind of knowledge annotation in the process of service discovery，composition and invocation.The major challenge of the work relies on identifying and solving difference between OGC and SWS techniques.To satisfy the specific requirements of expressing geospatial semantics，the intelligent methods are developed for the（semi-）automatic knowledge annotation construction of geospatial Web service，and the geospatial semantic Web service framework is also set up，so as to enhance service discovery，as well as validate the usability of knowledge annotation in the geospatial semantics modeling.It is proved that the knowledge annotation will effectively increase the use of distributed and heterogeneous services and the automatization of geospatial service management.

geospatial semantics;semantic Web service;knowledge annotation;geospatial semantic Web;service matching;similarity computation;rule

P208

A

1672－0504（2012）03－0001－06

2011－12- 26;

2012－02－27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40871183、41140012）

梁汝鵬 （1985－），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⒎?wù)、本體理論與應(yīng)用。E－mail：liangrupeng＠yahoo.cn