基于Jena的土地適宜性評價本體知識庫構建研究

巫建偉，陳崇成，葉曉燕，林甲祥

（1.福州大學 福建省空間信息工程研究中心，福建 福州350002；2.福建農林大學 計算機與信息學院，福建 福州350002）

0 引 言

土地適宜性評價用以衡量一定土地資源與利用方式的適合程度，可為因地制宜合理利用土地資源，編制土地利用計劃，協(xié)調人、地、環(huán)境關系提供科學依據(jù)，是土地資源可持續(xù)發(fā)展利用的重要研究。隨著計算機和GIS技術在土地適宜性評價領域的應用發(fā)展，逐步回歸分析法、排列成對比較法、層次分析法、加權求和法等數(shù)學模型方法被廣泛集成應用于適宜性評價的因子權重確定及評價模型中，這使得適宜性評價結果的科學性有了很大的提高，這些方法與模型是綜合利用適宜性評價數(shù)據(jù)進行定性分析和定量計算的工具，是系統(tǒng)解決評價問題的有力手段。另一方面，土地適宜性評價、土地利用規(guī)劃等領域的專家，在長期的實踐工作中積累了大量的非常行之有效的經驗知識，許多學者集成知識庫系統(tǒng)、專家系統(tǒng)與GIS技術進行土地適宜性評價空間決策支持系統(tǒng)的構建［1］，試圖對長期積累的知識方法進行有效的利用，應用包括基于規(guī)則的知識推理［2－4］、模糊邏輯推理［5］、神經網絡［6］等智能 技 術，實現(xiàn)了評價過程的自動化進行。土地適宜性評價的各個環(huán)節(jié)都強烈依賴于專家知識，如何有效的利用知識庫系統(tǒng)技術，提取專家知識存儲并直接應用于適宜性評價過程中，是適宜性評價專家系統(tǒng)研究的一項重要內容。本體是近年來知識工程研究的熱點。采用本體作為知識表示的方式，既能使知識具有縱向的類屬分類，還可以通過本體術語間的關聯(lián)關系揭示知識間的內在聯(lián)系，利于知識庫系統(tǒng)的校核與檢驗，可以有效提高知識庫系統(tǒng)的共享與重用性。筆者所在研究小組對于采用本體知識庫進行適宜性評價有一定的研究基礎［7］，但已有的研究工作主要集中于土地適宜性評價本體知識推理的研究與實現(xiàn)，在知識獲取方面的研究比較欠缺。因此，本文在本體知識推理原理分析基礎上，構建小規(guī)模的土地適宜性評價任務本體，重點分析基于Jena［8］的土地適宜性評價規(guī)則構建方法，即本體知識庫中知識規(guī)則的獲取方式。最后，利用形成的本體知識庫，以福建省典型亞熱帶水果荔枝的種植適宜性評價為應用案例，實現(xiàn)評價的自動化進行，從而驗證本研究的科學性與有效性。

1 本體知識推理原理

對于本體知識推理，包含兩種類型的推理，首先是基于本體知識本身的語義推理，該推理為本體基本推理功能，此外，為了滿足更高的問題求解應用需求，在本體之外，進一步利用本體概念和關系進行知識規(guī)則的組織擴展，增加所構建本體領域應用相關的知識規(guī)則，以此來提高本體的應用能力。因此，一個具備較強應用功能的本體知識庫一般包含兩大組成部分，即本體知識模型與知識規(guī)則。

本體知識模型：主要提供語義上的推理功能，包括本體設計時的一致性檢查、類的可滿足性檢查、確定類之間的包含關系、本體之間的蘊含關系檢查，以及應用所涉及的查詢 （例如判斷一個個體是否滿足一個查詢表達式，或者檢索滿足給定查詢表達式的所有個體），即提供支撐數(shù)據(jù)資源共享與集成的推理判斷能力；

知識規(guī)則：主要是在本體庫基礎之上，針對領域內的特定應用，擴展應用規(guī)則 （如：適宜性評價規(guī)則），利用規(guī)則庫中規(guī)則實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務推理能力。

1.1 Jena推理機制

Eiter在論述本體與規(guī)則結合推理的時候，將本體與規(guī)則的結合方式分為同質法與混合法［9］。同質法通過定義一個新的語言來實現(xiàn)規(guī)則和本體的集成，以SWRL為例，它是OWL DL的擴展，是一種獨立本體語言，表達能力強于OWL DL，由于本體與規(guī)則定義語言同質同源，同質法在本體與規(guī)則的集成方面有優(yōu)勢，但是由于規(guī)則描述語言是一種新的語言定義，為了實現(xiàn)規(guī)則推理，則需要開發(fā)相應的推理技術及推理機?；旌戏▌t是保持本體不變，以本體作為領域概念知識模型，并利用本體已有的概念與屬性元素，針對不同的應用制定特定的規(guī)則?；旌戏ǖ膬?yōu)點在于可以利用既有的規(guī)則推理工具的語法進行規(guī)則的構造，并連接相應的推理機進行推理。

利用Jena推理機進行本體知識推理，是一種典型的混合法本體與規(guī)則集成推理。Jena是一種用來構建語義Web應用的Java框架，包含一個基于規(guī)則的推理引擎。Jena推理機制總體結構如圖1所示，其推理子系統(tǒng)通過ModelFactory將推理機與本體模型關聯(lián)起來。在得出推理結果之后通過該Ont／Model API對潛在InfGraph推理結果進行訪問查詢。使用Jena推理機進行知識推理，就是利用推理機綁定推理規(guī)則集與包含數(shù)據(jù)集的本體模型，然后運行推理得到推理模型，查找推理模型得出所需的推理結果。

圖1 Jena規(guī)則推理

1.2 土地適宜性評價本體知識推理

土地適宜性是指土地持續(xù)用于某種特定用途時的適宜狀況，包括適宜與否及適宜程度的高低，用以反映土地的質量等級。土地適宜性評價用于對土地適宜性進行研究，并做出等級評價，其實質是分析研究土地特性或土地質量與土地利用要求的匹配程度。如圖2所示為本研究土地適宜性評價本體知識推理原理示意圖，結合Jena推理機制，將土地質量狀況以本體實例的形式寫入到本體模型中，并將土地利用要求定義為評價規(guī)則，通過Jena推理機，綁定本體模型與規(guī)則集，推理得到推理模型。

圖2 土地適宜性評價本體知識推理原理

2 土地適宜性評價任務本體

一個完整的土地適宜性評價任務通常包含以下幾個步驟流程，首先是選擇合適的土地評價系統(tǒng)；然后是評價系統(tǒng)因素 （評價因子）的選擇與賦權；并確定所有評價因子的分級得分，即評價指標分值；最后針對評價單元的土地要素屬性，與評價因子分級情況進行比對，并獲取相應的評價指標分值，最后依據(jù)一定方法，得到評價單元總的土地質量得分，并判定相應的適宜性等級。

圖3 土地適宜性評價本體類與主要關系

本文所構建的土地適宜性評價任務本體主要目的是用于描述土地適宜性評價的具體任務流程，達到支持土地適宜性評價推理知識推理的目標。因此相對于的本體類與關系術語的抽取及確定也從適宜性評價的任務流程入手。如圖3所示為土地適宜性評價任務本體類及主要關系圖，覆蓋評價單元、評價系統(tǒng)、土地利用方式、土地要素 （評價因子）等幾個方面。

3 基于Jena的土地適宜性評價規(guī)則

依據(jù)Jena推理機制，本體知識庫系統(tǒng)的應用推理依賴于知識庫中規(guī)則的定義。Jena規(guī)則語法中，每一條規(guī)則都是由一系列前提、結論、規(guī)則名組成，而規(guī)則中每一個項均是由本體概念、屬性三元組或Jena規(guī)則內置原語Builtin的調用來形成。本文涉及的評價規(guī)則以Jena規(guī)則形式進行組織，實現(xiàn)知識存儲。知識庫中的適宜性評價規(guī)則主要有兩種，首先是對不同評價指標權重進行定義的評價因子權重規(guī)則；另一類是用于實現(xiàn)推理過程中各評價單元土地質量的分值評定的規(guī)則。下文將就這兩類規(guī)則的獲取及其形式化方式進行描述。

圖4 評價因子重要性賦值接口

3.1 基于AHP的評價因子權重分析

層次分析法 （AHP）能以主觀賦權的方式有效捕捉專家知識，是廣大研究人員進行決策時的有力工具，其應用遍布各不同領域決策過程中所涉及的最優(yōu)化選擇、沖突解決，性能優(yōu)化等工作［10］。如圖4所示為進行基于AHP分析法的評價因子重要性賦值接口，該接口可用于進行評價因子權重的獲取及規(guī)則的生成。具體設置各評價分子之間的重要性標度的方法如圖4中所示，首先是主準則層中氣候、土壤、地形條件重要性的標度，并分別對這3類評價因子次準則層中每一評價因子的內部相對重要性進行標度，形成判斷矩陣；提交計算后，獲取主準則層中的權重，以及次準則層評價因子的內部權重，即層次單排序。結合該權重結果，引用本體知識庫中相應評價因子、屬性關系等概念術語，可生成對評價因子賦權的推理規(guī)則，具體實例見表1。

表1 評價因子賦權推理規(guī)則

3.2 評價因子指標分值評定

依據(jù)土地適宜性評價流程，參評因子對于評價過程的影響主要來源于對評價因子的指標分值標定。因此，作為評價推理主要動力的評價規(guī)則需要包含因子指標分值評定規(guī)則。我們參照傳統(tǒng)的指標分值判定方式，以選定的評價因子為例，當因子屬性信息反映出一定數(shù)值區(qū)間或者類別屬性，則該因子將獲取相應的評價因子得分。

如圖5所示為評價因子指標分值評定接口，在選定評價因子后，用戶可以對評價因子的得分情況進行定義，確定完成后，引用本體知識庫中相應評價因子、屬性關系的概念術語，結合Jena Builtin原語可形成如表2所示的評定規(guī)則。

結合評價因子指標分值評定規(guī)則推理結果與評價因子權重規(guī)則推理結果，可通過評價因子加權得分規(guī)則獲得評價因子的加權得分，見表3。

圖5 評價因子指標分值評定接口

根據(jù)適宜性評價過程，在對所有因子加權得分進行求和后，依據(jù)所有評價因子總分值得分區(qū)間，可判定評價單元所有評價結果等級，見表4為評價結果等級判定規(guī)則。

表2 評價因子指標得分規(guī)則

表3 評價因子加權得分規(guī)則

表4 評價結果等級判定規(guī)則

4 應用分析

小組在前期的工作中［7］，基于Jena開發(fā)包，采用本文第二節(jié)介紹的Jena推理機制實現(xiàn)了本體知識庫系統(tǒng)。本文將以福建省典型亞熱帶水果荔枝的種植適宜性為評價目標，依托小組現(xiàn)有的本體知識庫系統(tǒng)，采用上文描述中由圖4、圖5定義轉化形成的評價規(guī)則集，完成適宜性評價應用推理。

結合有關專家意見，在保證荔枝種植適宜性評價需求情況下，我們選取的評價因子以及相應的具體數(shù)據(jù)見表5。這些數(shù)據(jù)以地圖服務形式進行數(shù)據(jù)服務的發(fā)布，以供評價過程中評價因子屬性數(shù)據(jù)的查詢檢索。結合小組開發(fā)的本體知識庫系統(tǒng)評價推理功能模塊，我們進行了基于WebGIS的適宜性評價系統(tǒng)門戶的開發(fā)。

如圖6所示為在門戶中進行荔枝種植適宜性評價操縱流程。首先，用戶在基于WebGIS的系統(tǒng)界面中點擊所要進行評價的區(qū)域位置，系統(tǒng)根據(jù)位置信息，利用數(shù)據(jù)查詢接口從基礎地圖數(shù)據(jù)服務中進行對應位置地圖要素屬性數(shù)據(jù)的查詢，界面中將給出相應的屬性數(shù)據(jù)檢索結果；進一步的依據(jù)用戶選擇的評價目標，點擊評價推理，系統(tǒng)將確定并獲取相應評價規(guī)則，調用系統(tǒng)評價推理功能模塊，完成評價推理過程，并返回相應的評價結果。

表5 基礎數(shù)據(jù)

該案例評價過程的正常執(zhí)行驗證了本文知識庫構建機制的有效性，門戶系統(tǒng)可以提供準確的基于位置信息的土地適宜性評價推理，方便土地適宜性評價工作者或者普通服務使用者利用手持移動終端實現(xiàn)現(xiàn)場用地適宜性信息的獲取，進而結合實地情況，進行土地利用方式的決策判定，對于科學用地決策具有一定輔助作用。

圖6 荔枝種植適宜性評價操縱流程

5 結束語

本文首先對本體知識庫及本體知識推理原理進行探討，針對本體知識庫的本體知識模型與知識規(guī)則構成，完成土地適宜性評價任務本體與適宜性評價規(guī)則的構建。其中，本體知識庫知識規(guī)則的獲取方式是本文的研究重點，文中針對Jena規(guī)則語法，以基于AHP的評價因子權重評定方式實現(xiàn)了評價因子權重規(guī)則的定義，并以指標分值評定的方式實現(xiàn)了評價規(guī)則的定義。文章最后，以福建省典型亞熱帶水果荔枝的種植適宜性評價為應用目標，結合本體知識庫的構建，實現(xiàn)了應用系統(tǒng)的開發(fā)。該案例系統(tǒng)可以提供準確的基于位置信息的土地適宜性評價推理，方便土地適宜性評價工作者或者普通服務使用者利用手持移動終端實現(xiàn)現(xiàn)場用地適宜性信息的獲取，從而結合實地情況，進行土地利用方式的決策判定，對于科學用地決策具有一定輔助作用。此外，系統(tǒng)實現(xiàn)過程中基礎數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)地圖服務的形式發(fā)布，將其與本文所提的靈活的知識規(guī)則構建方式相結合，可以有效提高系統(tǒng)實用性與使用范圍，一旦評價目標與研究區(qū)域發(fā)生改變，用戶可以重新定義知識規(guī)則來完成適宜性評價推理，該機制很好的滿足了土地適宜性評價的區(qū)域性與目標性特征。

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