一種構(gòu)建地理國(guó)情本體屬性庫(kù)的方法
——以天津市為例

張志軍，李承鑫

(1.天津市測(cè)繪院，天津 300381； 2.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430079)

一種構(gòu)建地理國(guó)情本體屬性庫(kù)的方法
——以天津市為例

張志軍1，2?，李承鑫1

(1.天津市測(cè)繪院，天津 300381； 2.武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430079)

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)是測(cè)繪服務(wù)科學(xué)發(fā)展的新手段和新途徑，其主要任務(wù)是為各級(jí)政府綜合決策提供客觀、公正和準(zhǔn)確的專題信息。如何實(shí)現(xiàn)地理國(guó)情專題信息的語(yǔ)義共享是地理國(guó)情提供跨行業(yè)、跨部門(mén)和跨學(xué)科的地理信息服務(wù)亟須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文基于本體的理論，提出一種構(gòu)建地理國(guó)情本體屬性庫(kù)的方法，以天津市地理國(guó)情監(jiān)測(cè)內(nèi)容及其服務(wù)行業(yè)為知識(shí)域，對(duì)地理國(guó)情進(jìn)行概念化和形式化表達(dá)，并用protégé軟件實(shí)現(xiàn)了本體屬性庫(kù)的建設(shè)。

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)；地理概念；語(yǔ)義；本體

1 引 言

地理國(guó)情是我國(guó)基本國(guó)情的重要組成部分，是從地理的角度分析、研究和描述國(guó)情，是空間化可視化的國(guó)情信息[1]。其內(nèi)容涵蓋了國(guó)土疆域、地形地貌、地表覆蓋、交通網(wǎng)絡(luò)、江河湖泊、城鎮(zhèn)布局、人口與生產(chǎn)力空間分布、資源環(huán)境狀況、災(zāi)害分布等豐富的自然與人文地理信息[2]。地理國(guó)情的內(nèi)涵決定了地理國(guó)情具有跨行業(yè)、跨部門(mén)、跨學(xué)科等特性。

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)是綜合利用以3S技術(shù)為核心的現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)，對(duì)地理國(guó)情進(jìn)行動(dòng)態(tài)、定量的監(jiān)測(cè)，從地理空間的角度客觀、綜合展示國(guó)情國(guó)力。地理國(guó)情監(jiān)測(cè)是黨和國(guó)家賦予測(cè)繪工作的新職責(zé)、新任務(wù)和新要求，是測(cè)繪服務(wù)科學(xué)發(fā)展的新手段、新途徑。開(kāi)展地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作應(yīng)立足于基礎(chǔ)測(cè)繪，重點(diǎn)為各級(jí)政府綜合規(guī)劃、決策、監(jiān)督等服務(wù)，提供客觀、公正和準(zhǔn)確的參考信息和數(shù)據(jù)，與此同時(shí)與相關(guān)業(yè)務(wù)主管部門(mén)的管理和監(jiān)測(cè)內(nèi)容互為補(bǔ)充[3]。

天津市地理國(guó)情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目于2011年就45個(gè)專題展開(kāi)了監(jiān)測(cè)工作，并將監(jiān)測(cè)成果整理入庫(kù)，建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為各行業(yè)和部門(mén)提供地理信息產(chǎn)品服務(wù)。為輔助不同領(lǐng)域的用戶對(duì)地理國(guó)情相關(guān)地理概念的理解，從而提升地理國(guó)情服務(wù)的通用性和適用性，本文試圖以該監(jiān)測(cè)體系中的地理國(guó)情專題信息為概念范疇，以形式本體為基礎(chǔ)，分析地理國(guó)情涉及地理概念的語(yǔ)義，提出一種構(gòu)建地理國(guó)情本體屬性庫(kù)的方法。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

地理信息共享和互操作一直是地理信息科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，目前不同系統(tǒng)之間的互操作在語(yǔ)法層面得到了較好解決，然而在信息語(yǔ)義層面僅有一些階段性的成果[4～9]，想要達(dá)到地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)者追求的“最高境界”[10]還有待深入的研究和探索，地理信息的語(yǔ)義建模被認(rèn)為是具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵課題[11]。如何從用概念表達(dá)的對(duì)象中抽取出其本體語(yǔ)義，是建立地理國(guó)情本體的關(guān)鍵和實(shí)現(xiàn)地理國(guó)情信息共享的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者試圖利用本體方法研究地理概念語(yǔ)義[12～20]，這種方法也被認(rèn)為是地理信息集成和共享的有效途徑。與此同時(shí)，地理本體和應(yīng)用本體在地理信息集成方面也取得了一定的成果。

綜上所述，本體方法可以在一定條件下實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)集的集成，也能在特定語(yǔ)義層次上完成地理對(duì)象的語(yǔ)義轉(zhuǎn)化，然而如果地理對(duì)象缺乏明確的、形式化的語(yǔ)義表達(dá)，將會(huì)為其共享造成巨大的不便。

3 本體相關(guān)理論和方法

3.1 概念的描述

對(duì)地理對(duì)象的概念性描述一般都是基于自然語(yǔ)言文字的，與描述者的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和背景有很大的關(guān)系，導(dǎo)致在概念描述時(shí)存在著很大的歧義性。如“高層建筑”在維基百科中被描述為:“具有較多層數(shù)高度較高的建筑”，其中“較多”和“較高”兩個(gè)術(shù)語(yǔ)帶有很強(qiáng)的主觀性，其判別閾值取決于領(lǐng)域背景:中國(guó)《民用建筑設(shè)計(jì)通則》將10層及以上的住宅建筑和高度超過(guò)24 m是公共建筑稱為高層建筑；而《日本建筑大辭典》將5層～6層至14層～15層的建筑定為高層建筑。

3.2 語(yǔ)義表達(dá)的方法

對(duì)地理概念的語(yǔ)義描述就是表達(dá)從一個(gè)地理概念空間到另一個(gè)地理概念空間的映射關(guān)系。地理概念空間之間的映射關(guān)系的研究也是當(dāng)前認(rèn)識(shí)語(yǔ)言學(xué)領(lǐng)域?qū)φZ(yǔ)義理論研究的一個(gè)熱點(diǎn)[21]。地理概念空間的轉(zhuǎn)換或?qū)?yīng)主要有比喻法、代數(shù)法、概念集成/綁定法和屬性枚舉法，其中屬性枚舉法是最容易理解的方法，即將概念的屬性一一列舉出來(lái)。

每個(gè)概念都與一定的屬性或性質(zhì)關(guān)聯(lián)，這些定義的屬性足已確定對(duì)象的相關(guān)外延[22]。屬性枚舉法就是基于這點(diǎn)，用地理概念擁有的屬性來(lái)描述概念。如“高層建筑”可以用“占地面積”，“建筑面積”、“層數(shù)”、“高度”等描述其特征。即如何找到概念(“高層建筑”)的本質(zhì)屬性(本體性質(zhì))是枚舉法的關(guān)鍵。

3.3 形式本體和概念化

為減少對(duì)地理國(guó)情描述的歧義和澄清自然文字描述的語(yǔ)義，需要對(duì)地理國(guó)情所表達(dá)的對(duì)象的本質(zhì)進(jìn)行分析，明確地理對(duì)象的本體語(yǔ)義。為達(dá)此目標(biāo)，形式本體的方法為地理國(guó)情的概念化提供了有力理論基礎(chǔ)。形式本體指用系統(tǒng)的、形式的和公理的方法對(duì)事物存在的形式和方式進(jìn)行的邏輯開(kāi)發(fā)的方式。本體被描述為用于描述形式詞匯意圖含義的邏輯理論，即對(duì)世界特殊概念化的本體承諾。

4 地理國(guó)情本體構(gòu)建方法

根據(jù)創(chuàng)建本體的5個(gè)基本準(zhǔn)則(清晰性、一致性、可擴(kuò)展性、最小編碼偏差及最小本體承諾)，本文基于本體開(kāi)發(fā)工程理論和已有的本體創(chuàng)建方法，結(jié)合天津市地理國(guó)情監(jiān)測(cè)內(nèi)容的特征，提出了一種構(gòu)建天津市地理國(guó)情本體的方法。主要包括5個(gè)步驟，如圖1所示。

(1)明確本體的范圍和目的:本文所要構(gòu)建的地理國(guó)情本體庫(kù)包含概念的范圍為天津市地理國(guó)情中所有的地理概念；本體建立的目的是為天津市地理國(guó)情概念建立一套語(yǔ)義描述體系，從而為地理國(guó)情信息的共享和語(yǔ)義互操作服務(wù)。

(2)列舉概念:盡可能列舉出領(lǐng)域內(nèi)的所有概念，對(duì)每個(gè)概念在不同領(lǐng)域中的定義進(jìn)行資料分析和總結(jié)，得到每個(gè)概念的定義并集。

圖1 構(gòu)建地理國(guó)情本體的步驟

(3)概念化:采用屬性枚舉法對(duì)每個(gè)概念進(jìn)行語(yǔ)義表達(dá)，形成知識(shí)框架。

(4)形式化表達(dá):用形式化語(yǔ)言將先前得到的天津市地理國(guó)情概念模型進(jìn)行外在表達(dá)，本文采用OWL DL語(yǔ)言進(jìn)行本體的表達(dá)和建庫(kù)。

(5)評(píng)價(jià)驗(yàn)證:根據(jù)相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所建立的本體進(jìn)行驗(yàn)證。

本文所述的方法是一個(gè)迭代的過(guò)程，所創(chuàng)建的地理國(guó)情本體在特定階段是一個(gè)相對(duì)完善的本體，隨著客觀世界的變化和地理國(guó)情內(nèi)涵的豐富，還需要反復(fù)的評(píng)價(jià)與修改。

4.1 天津市地理國(guó)情本體構(gòu)建的范圍和目的

天津市地理國(guó)情監(jiān)測(cè)項(xiàng)目從城市建設(shè)、生態(tài)環(huán)境、地表變化、土地利用和地質(zhì)變化5個(gè)方面就城鎮(zhèn)化進(jìn)程等45個(gè)專題展開(kāi)了監(jiān)測(cè)工作。本文所構(gòu)建的本體庫(kù)的所涉及的地理概念范圍與之相對(duì)應(yīng)，詳情如表1所示。

天津市地理國(guó)情本體庫(kù)涉及概念示例表 表1

4.2 天津市地理國(guó)情的概念化

天津市地理國(guó)情的概念化是指以天津市地理國(guó)情所涉及的地理概念為研究對(duì)象，分析其所要服務(wù)的知識(shí)領(lǐng)域，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立概念的語(yǔ)義描述集，確定每個(gè)概念語(yǔ)義的描述集和屬性集，從中提取出本體屬性集，從而實(shí)現(xiàn)地理信息的概念化，具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 地理國(guó)情的概念化過(guò)程

以水系為地理國(guó)情概念對(duì)象，其水系的概念化定義為:

D={水系對(duì)象域}

W={水系對(duì)象所有可能狀態(tài)}

假定V為地理國(guó)情中涉及水系的詞匯，水系的形式本體為：

4.3 天津市地理國(guó)情形式化表達(dá)

本體描述語(yǔ)言從自然語(yǔ)言到描述邏輯形式多種多樣，語(yǔ)言的形式化和規(guī)則性越高就越利于機(jī)器理解。對(duì)于地理國(guó)情本體，支持推理的能力是很重要的，它可以檢測(cè)概念間是否互相矛盾，以保證本體的質(zhì)量。網(wǎng)絡(luò)本體語(yǔ)言O(shè)WL(Web Ontology Language)是由W3C(國(guó)際萬(wàn)維網(wǎng)聯(lián)盟)發(fā)布的共享本體的標(biāo)記語(yǔ)言，用來(lái)描述萬(wàn)維網(wǎng)文檔和應(yīng)用中的類和類之間的關(guān)系，并可以通過(guò)形式化語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)邏輯推理。綜合考慮地理國(guó)情本體所需要的表達(dá)力和推理能力后，本文使用OWL DL作為地理國(guó)情本體的描述語(yǔ)言。它主要針對(duì)概念、性質(zhì)、個(gè)體之間關(guān)系的描述，以保證強(qiáng)大的語(yǔ)義表達(dá)能力。

由OWL描述的一個(gè)本體主要包括三種組成元素:類(class)，實(shí)例(individual)和屬性(property)。類代表一些實(shí)例的集合，OWL還支持對(duì)簡(jiǎn)單類進(jìn)行并、交、補(bǔ)運(yùn)算等集合操作得到的復(fù)雜類；實(shí)例作為類的成員出現(xiàn)，是領(lǐng)域中實(shí)際感興趣的對(duì)象；屬性是實(shí)例之間的二元關(guān)系。在OWL中有兩種屬性:對(duì)象屬性和數(shù)據(jù)屬性。

4.4 地理國(guó)情本體屬性庫(kù)的構(gòu)建

選擇合適的建庫(kù)工具是快速、成功地構(gòu)建本體的關(guān)鍵。好的本體編輯軟件應(yīng)該具備本體錄入、一致性檢查、可視化、查詢、推理等功能。protégé軟件是目前使用最廣泛的本體編輯器之一，它提供了圖形化和交互式的本體設(shè)計(jì)環(huán)境，其OWL Plug-in支持OWL描述語(yǔ)言，滿足地理國(guó)情本體屬性庫(kù)的構(gòu)建需求。

在OWL語(yǔ)言語(yǔ)法中，一個(gè)本體屬性由類(A)、實(shí)例(B)、屬性(C)三部分組成，并采用三元組(A→CB)描述三者的關(guān)系。使用protégé軟件構(gòu)建地理國(guó)情本體屬性庫(kù)的過(guò)程也就是對(duì)地理國(guó)情本體屬性的每個(gè)組成部分進(jìn)行構(gòu)建的過(guò)程:

類的構(gòu)建:建立基本本體屬性(如“對(duì)象”、“成因”、“時(shí)間性”、“物質(zhì)性”、“空間性”、“量度”等)的所有子類及實(shí)例，如圖3所示。

圖3 屬性的創(chuàng)建

實(shí)例的構(gòu)建:針對(duì)個(gè)頂?shù)谋倔w屬性(如“成因”)，其分支及具體值即為實(shí)例(“成因”可分為“人工”和“天然”，而“天然”的實(shí)例有“冰川作用”、“風(fēng)蝕作用”等)，如圖4所示。

屬性的構(gòu)建:對(duì)于“功能”、“目的”之類的動(dòng)詞，在protégé中采用屬性進(jìn)行表達(dá)，如圖5所示。

圖4 實(shí)例的創(chuàng)建

圖5 類的創(chuàng)建

5 結(jié) 語(yǔ)

測(cè)繪地理信息科技發(fā)展在“十二五”提出了“構(gòu)建數(shù)字中國(guó)、監(jiān)測(cè)地理國(guó)情、發(fā)展壯大產(chǎn)業(yè)、建設(shè)測(cè)繪強(qiáng)國(guó)”的總體發(fā)展戰(zhàn)略。地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工作將是我國(guó)測(cè)繪地理信息發(fā)展的新方向，本文就如何提供地理國(guó)情信息服務(wù)展開(kāi)思考和研究，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)地理國(guó)情信息語(yǔ)義共享的關(guān)鍵是使其語(yǔ)義描述明確且形式化，而本體屬性枚舉法是一種有效的方法。

在此基礎(chǔ)上，本文以天津市2011年監(jiān)測(cè)成果及其服務(wù)行業(yè)為研究對(duì)象，提出了一種地理國(guó)情本體的建庫(kù)方法，這種方法可以應(yīng)用其他地理概念的形式語(yǔ)義分析，得出明確的形式語(yǔ)義，為解決地理信息的語(yǔ)義共享提供有效的理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法。然而，地理國(guó)情涉及地理概念極其復(fù)雜，如何在地理國(guó)情本體屬性庫(kù)的基礎(chǔ)上，真正實(shí)現(xiàn)所有行業(yè)之間的語(yǔ)義關(guān)系的推理和定制化地理國(guó)情信息的提取，還有待于進(jìn)一步研究。

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中國(guó)城市規(guī)劃協(xié)會(huì)城市勘測(cè)專業(yè)委員會(huì)華東專家組2013年工作會(huì)議在常州淹城順利召開(kāi)

(本刊訊)根據(jù)年度工作計(jì)劃，中國(guó)城市規(guī)劃協(xié)會(huì)城市勘測(cè)專業(yè)委員會(huì)華東專家組2013年工作會(huì)議于5月10日～12日在常州淹城召開(kāi)。本次會(huì)議由華東專家組舉辦，常州市測(cè)繪院承辦，華東專家組全體專家出席了會(huì)議。會(huì)議特邀了城市勘測(cè)專業(yè)委員會(huì)主任委員、專家委員會(huì)主任趙通海，天津市測(cè)繪院馬華山院長(zhǎng)、華北東北專家組組長(zhǎng)胡珂總工程師，并邀請(qǐng)了其他非華東專家組成員的江蘇省省轄市城市勘測(cè)院院長(zhǎng)，共80多人參加了此次會(huì)議。

會(huì)議由城市勘測(cè)專業(yè)委員會(huì)華東專家組組長(zhǎng)儲(chǔ)征偉主持，常州市規(guī)劃局李青副局長(zhǎng)出席開(kāi)幕式并致歡迎詞。會(huì)議期間，趙通海主任委員向大家傳達(dá)了協(xié)會(huì)2013年工作要點(diǎn)，指出當(dāng)前我們正處在城鎮(zhèn)化發(fā)展的新階段，城市規(guī)劃管理的內(nèi)容和方法不斷更新，這些對(duì)城市勘測(cè)、地理信息產(chǎn)業(yè)提供了更大的機(jī)遇和發(fā)展空間，也對(duì)城市勘測(cè)單位提出了更高的要求。城市勘測(cè)單位要加快業(yè)務(wù)拓展，壯大實(shí)力提高服務(wù)與保障能力。

儲(chǔ)征偉組長(zhǎng)傳達(dá)了2013年城市勘測(cè)專業(yè)委員會(huì)專家組組長(zhǎng)石家莊會(huì)議精神，專家組研討了今年及今后華東專家組的相關(guān)工作，與會(huì)代表與專家還交流了城市勘測(cè)工作經(jīng)驗(yàn)、科研成果和學(xué)術(shù)信息，傳遞最新政策并展開(kāi)了熱烈討論。常州市測(cè)繪院劉全海院長(zhǎng)向代表們演示該院最新信息化成果；南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司就地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了報(bào)告。

本次會(huì)議期間得到了常州市測(cè)繪院的周到細(xì)致服務(wù)，與會(huì)代表全體成員向其表示衷心感謝!

(中國(guó)城市規(guī)劃協(xié)會(huì)城市勘測(cè)專業(yè)委員會(huì)華東專家組，常州市測(cè)繪院供稿)

A M ethod for Building Geographical Conditions Ontology Attribute Library——Exem p lifying Tianjin

Zhang Zhijun1，2，Li Chengxin1
(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China； 2.The State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

As a new tool and new approach in the scientific development of surveying and mapping service，themission of geographic national conditionmonitoring is to provide objective，fair and accurate thematic information for integrated decision-making atall levels of government.How to realize the semantics sharing of geographic national condition thematic information is the key problem for geographic national condition to provide cross-industry，cross-sectoral and interdisciplinary information service.Based on ontology theory，this paper proposed amethod for building geographic national conditions ontology attribute database.Conceptualization and formal representation aremade for geographic national information，and Tianjin is selected as knowledge domain for itsmonitoring content and service users，protégésoftware is used to build ontology attribute library.

fundamental geographic information；geographical concept；semantics；formal ontology

1672-8262(2013)03-9-05

P208

A

2012—12—10

張志軍(1983—)，男，工程師，研究方向?yàn)榈乩硇畔?yīng)用和智慧城市。

國(guó)家863項(xiàng)目(SS2013AA120303)；國(guó)家自然基金(41001307)