本體知識(shí)庫(kù)在土地定級(jí)中的應(yīng)用研究

鐘永友

(陜西理工大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723000)

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本體知識(shí)庫(kù)在土地定級(jí)中的應(yīng)用研究

鐘永友

(陜西理工大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723000)

城鎮(zhèn)土地定級(jí)是對(duì)城市土地利用級(jí)別進(jìn)行劃分，以此來(lái)揭示城鎮(zhèn)內(nèi)部土地質(zhì)量在不同地域的差異。在本體及知識(shí)庫(kù)理論的支持下，將本體知識(shí)引入到土地定級(jí)領(lǐng)域。根據(jù)城鎮(zhèn)土地定級(jí)的主要內(nèi)容及過(guò)程，構(gòu)建兩類(lèi)土地定級(jí)本體模型，即土地定級(jí)類(lèi)型本體和土地定級(jí)因素本體。在此基礎(chǔ)上，集成本體知識(shí)庫(kù)開(kāi)發(fā)土地定級(jí)決策支持系統(tǒng)，并將系統(tǒng)應(yīng)用于陜西省城固縣土地定級(jí)規(guī)劃工作中。結(jié)果表明：本體知識(shí)庫(kù)技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)土地定級(jí)方法與知識(shí)的重用，提高土地定級(jí)的效率和科學(xué)性。

本體知識(shí)庫(kù)；土地定級(jí)；決策系統(tǒng)

0 前 言

城鎮(zhèn)土地定級(jí)是根據(jù)城鎮(zhèn)土地的經(jīng)濟(jì)、自然兩方面屬性及其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中的地位、作用對(duì)城鎮(zhèn)土地使用價(jià)值進(jìn)行綜合分析，通過(guò)揭示城鎮(zhèn)內(nèi)部土地質(zhì)量在不同地域的差異，評(píng)定城鎮(zhèn)土地級(jí)。土地級(jí)反映的是城鎮(zhèn)內(nèi)部土地質(zhì)量的差異。土地定級(jí)的對(duì)象是土地利用總體規(guī)劃確定的城鎮(zhèn)建設(shè)用地范圍內(nèi)所有土地。城鎮(zhèn)以外的獨(dú)立工礦區(qū)、開(kāi)發(fā)區(qū)、旅游區(qū)等用地可一同參與評(píng)定。城鎮(zhèn)土地定級(jí)一般采用因素定級(jí)方法，根據(jù)調(diào)查，收集影響土地級(jí)別的因素，進(jìn)行量化分析，劃定等級(jí)。本文研究通過(guò)建立本體知識(shí)庫(kù)，為因素的選擇、判定提供參考依據(jù)。本體(Ontology)是指關(guān)于存在的客觀世界及其本質(zhì)和規(guī)律的學(xué)說(shuō)，是共享概念模型的明確的形式化規(guī)范說(shuō)明，是關(guān)于共享概念的協(xié)議[1]。它的應(yīng)用為信息與知識(shí)的共享、重用提供了嶄新而獨(dú)具優(yōu)越性的方法，將其引入土地定級(jí)中建立相關(guān)本體模型是一種新的嘗試方法。為土地定級(jí)信息系統(tǒng)中異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理提供幫助。

1 土地定級(jí)領(lǐng)域本體的設(shè)計(jì)

本文依據(jù)城鎮(zhèn)土地定級(jí)的方法流程，收集相關(guān)資料，包括影響土地定級(jí)的自然屬性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性，構(gòu)建土地定級(jí)類(lèi)型及土地定級(jí)因素本體。自然屬性包括土地所處的地理位置、土地性質(zhì)、土壤特征等。社會(huì)屬性主要包括所處區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、土地權(quán)屬狀況等。

1.1 土地定級(jí)類(lèi)型本體

土地定級(jí)類(lèi)型本體主要是根據(jù)土地用途進(jìn)行分類(lèi)而建立的本體模型。主要對(duì)住宅用地、商業(yè)用地和工業(yè)用地進(jìn)行本體建模。目前在城鎮(zhèn)土地分類(lèi)過(guò)程中，上述3類(lèi)用地是使用較為頻繁的3類(lèi)用地，因此，建立類(lèi)型本體較具有代表性。本體包括5個(gè)基本的元素：類(lèi)或概念、關(guān)系(屬性)、函數(shù)、公理和實(shí)例[2]。在土地定級(jí)過(guò)程，對(duì)商業(yè)用地、工業(yè)用地和住宅用地進(jìn)行定級(jí)，是根據(jù)各自的用地類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，主要調(diào)查與該用地相關(guān)的資料，如交通條件、基本設(shè)施、商服繁華程度、人口密度、產(chǎn)業(yè)集聚等相關(guān)的因素，對(duì)上述各用地的影響因素進(jìn)行量化計(jì)算，得到各因素的影響作用分，參照作用分應(yīng)用相關(guān)分析方法法劃分各類(lèi)用地級(jí)別。由上述分析，根據(jù)Frank五層本體概念化的描述，結(jié)合土地的性質(zhì)，對(duì)土地定級(jí)類(lèi)型本體，其分層概念本體如圖1所示。

圖1 土地定級(jí)類(lèi)型本體

圖1中“土地”是地球上單獨(dú)存在物質(zhì)現(xiàn)實(shí)層，“城鎮(zhèn)土地”是“土地”上的一個(gè)觀察點(diǎn)，但對(duì)它的描述是不完整和具體的。最底層是3個(gè)用途類(lèi)型的土地，是“城鎮(zhèn)土地”的一個(gè)實(shí)例對(duì)象。“土地”與“城鎮(zhèn)土地”之間是繼承關(guān)系，“城鎮(zhèn)土地”與“各類(lèi)型土地”之間是對(duì)象實(shí)例關(guān)系。

1.2 土地定級(jí)因素本體

土地定級(jí)因素本體是在分析上述3種用地因素的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。在進(jìn)行定級(jí)過(guò)程中，最重要的是各類(lèi)因素的分析比較、計(jì)算其影響作用分，以此作為定級(jí)的基礎(chǔ)。因此建立此因素本體重點(diǎn)在于研究各影響因素及它們之間的關(guān)系。下面以商業(yè)用地因素本體進(jìn)行描述分析。

商業(yè)用地因素本體：對(duì)影響商業(yè)用地級(jí)別劃分的因素進(jìn)行分析，找出各類(lèi)影響因素；便于根據(jù)因素進(jìn)行定級(jí)量化計(jì)算及對(duì)信息系統(tǒng)的異構(gòu)數(shù)據(jù)處理。各因素之間的相互影響，如相斥、相容、替換等關(guān)系。定量化方法是因素影響度的計(jì)算方法、步驟及計(jì)算公式。影響因素包括繁華程度，交通條件，基本設(shè)施，人口狀況，人口密度，其他影響因素。

根據(jù)上述描述要求，刻畫(huà)各類(lèi)型用地本體之間的影響因素。這些屬性和影響因素有些是從上層父類(lèi)繼承而來(lái)，有些是因素本體派生而來(lái)。

1.3 本體知識(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上述的描述分析，建立兩種類(lèi)型的本體模型。在完成土地類(lèi)型本體和因素本體概念化分析之后，采用Protégé本體編輯工具對(duì)本體進(jìn)行編輯，生成土地定級(jí)領(lǐng)域本體模型。要構(gòu)建本體庫(kù)，需要將本體存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，本研究采用微軟SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)作為存儲(chǔ)管理本體知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。在存儲(chǔ)之前，需要使用本體語(yǔ)言描述工具，將其符號(hào)化。本研究選用OWL語(yǔ)言作為本體的描述語(yǔ)言，并應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具Jena來(lái)構(gòu)建。將用OWL語(yǔ)言形式化后的本體通過(guò)Jena存儲(chǔ)機(jī)制存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，形成土地定級(jí)本體知識(shí)庫(kù)，作為建立土地定級(jí)信息系統(tǒng)中處理異構(gòu)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

2 本體在土地定級(jí)決策系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

處理異構(gòu)數(shù)據(jù)是本體在信息系統(tǒng)中的一個(gè)重要應(yīng)用。本文嘗試通過(guò)建立土地定級(jí)信息系統(tǒng)，應(yīng)用已建立的本體知識(shí)庫(kù)結(jié)合推理規(guī)則，來(lái)對(duì)城鎮(zhèn)土地進(jìn)行等級(jí)劃分。本決策系統(tǒng)是基于規(guī)則推理[3]，結(jié)合類(lèi)型本體與因素本體進(jìn)行影響度分析。該決策系統(tǒng)(DSS)的模型見(jiàn)圖2。

圖2 決策系統(tǒng)模型

基于本體的土地定級(jí)決策系統(tǒng)以ArcGIS的ArcEngine開(kāi)發(fā)組件為基礎(chǔ)，主要用于解決異構(gòu)數(shù)據(jù)，輔助進(jìn)行土地分等定級(jí)的工作。該系統(tǒng)運(yùn)行原理：

1) 用戶(hù)接口UI：提供3類(lèi)用地類(lèi)型的用戶(hù)接口，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；

2) 檢索機(jī)制：從本體知識(shí)庫(kù)中已經(jīng)建立的本體模型，匹配適合的用地類(lèi)型及影響因素；

3) 規(guī)則推理：照推理規(guī)則進(jìn)行初步推理。推理規(guī)則是決策系統(tǒng)中的核心功能，根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)建立規(guī)則庫(kù)，從而方便規(guī)則匹配；

4) 推理計(jì)算： 在規(guī)則推理的基礎(chǔ)上進(jìn)行影響因素的作用分計(jì)算。為定級(jí)提供技術(shù)支撐，同時(shí)將結(jié)果返回給用戶(hù)；

5) 規(guī)則優(yōu)化：在上一步推理計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)則優(yōu)化，淘汰舊的規(guī)則，更新新的規(guī)則至規(guī)則庫(kù)中。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)以陜西省城固縣博望鎮(zhèn)城鎮(zhèn)土地定級(jí)為案例進(jìn)行驗(yàn)證。

1) 3大類(lèi)型用地的劃分。系統(tǒng)根據(jù)收集的資料，建立商業(yè)用地、住宅用地和工業(yè)用地的本體模型。應(yīng)用本體模型，找出各用地的因素以及它們之間的相互關(guān)系，并將本體描述存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中，建立本體知識(shí)庫(kù)。

2) 各類(lèi)用地因素分析及相關(guān)推理。通過(guò)調(diào)查研究收集相關(guān)資料。參照類(lèi)型用地劃分方式及各類(lèi)用地的影響因素，對(duì)這些因素進(jìn)行分析、校對(duì)，去除無(wú)關(guān)的因素。主要分析各因素之間的關(guān)系，如繼承關(guān)系、聚集關(guān)系、包含關(guān)系等。并應(yīng)用推理規(guī)則得出相關(guān)結(jié)論。如在分析商服中心服務(wù)半徑時(shí)，當(dāng)知道市級(jí)中心邊緣到連片區(qū)邊緣時(shí)的距離時(shí)，則可知道市級(jí)商服功能的服務(wù)半徑。如若對(duì)商服功能影響分析時(shí)，同時(shí)受多個(gè)同級(jí)功能影響時(shí)，則取其中最市的商服功能影響作用分。

3) 因素分析計(jì)算。計(jì)算公式主要參考國(guó)標(biāo)《城鎮(zhèn)土地分等定級(jí)規(guī)程》(GB/T 18507-2014)的計(jì)算流程，主要改進(jìn)在于對(duì)各因素之間的影響，根據(jù)因素本體的建立來(lái)進(jìn)行剔除與選用。如在定量化計(jì)算面狀因素時(shí)，面狀因素直接計(jì)算其對(duì)空間上各點(diǎn)的作用分，其步驟為：

對(duì)因素進(jìn)行整理，計(jì)算指標(biāo)值；整理過(guò)程中，就應(yīng)用了本體因素模型進(jìn)行分析。在空間上對(duì)該類(lèi)型用地?zé)o用的指標(biāo)因素進(jìn)行剔除，留下能反應(yīng)主要作用的指標(biāo)因素。

作用分計(jì)算：

ei=100×(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，ei為i指標(biāo)值的作用分；Xi為i指標(biāo)值；Xmin為i指標(biāo)值的最小值；Xmax為i指標(biāo)值的最大值。

通過(guò)計(jì)算優(yōu)化將合理規(guī)則進(jìn)行更新，重新寫(xiě)入規(guī)則庫(kù)。

輔助劃分定級(jí)。土地定級(jí)是一個(gè)重要工作是劃分土地定級(jí)單元，它是評(píng)定和劃分土地級(jí)別的基本空間單位。劃分出的土地定級(jí)單元，可以按其所具有的土地特性值，對(duì)照因素功能分，評(píng)出各單元的因素分值和總分值，作為評(píng)定土地級(jí)別的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的應(yīng)用將對(duì)提高因子、因素計(jì)算精度和土地定級(jí)精度提供幫助。

2.3 應(yīng)用結(jié)果分析

通過(guò)分析研究，應(yīng)用模擬結(jié)果以及相關(guān)的計(jì)算，得出如下部分分析結(jié)果：

1) 城固縣城區(qū)一級(jí)地分布在縣城區(qū)最繁華地段文化路和西二環(huán)路十字為中心一帶，為縣城商服業(yè)最發(fā)達(dá)區(qū)域。其中文化路是縣城商業(yè)區(qū)位較好，交通便利的區(qū)域，南一路、民生路、東一路是近來(lái)來(lái)商業(yè)發(fā)展較快的區(qū)域。這基本反映了綜合土地定級(jí)中高級(jí)別土地級(jí)與高級(jí)商服中心相對(duì)應(yīng)的一般規(guī)律。

2) 在主要道路沿線均出現(xiàn)級(jí)別界線由高級(jí)別向低級(jí)別延伸的現(xiàn)象。在高級(jí)別地區(qū)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于目前評(píng)價(jià)區(qū)商服企業(yè)分布較為廣泛，在主要道路沿線大多形成了大小不一的商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)；在低級(jí)別地區(qū)出現(xiàn)級(jí)別界沿線道路延伸的現(xiàn)象在于土地級(jí)別較低的區(qū)域受其他因素影響的程度比道路影響小，從而突出了道路的作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)土地分等定級(jí)劃分是以縣為主導(dǎo)單位進(jìn)行，由于各地的發(fā)展水平及技術(shù)水平不一致，難免出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，如指標(biāo)因素參差不齊，為了追求簡(jiǎn)潔，采用簡(jiǎn)單加權(quán)平均方法，專(zhuān)家打分法中個(gè)人主觀因素影響過(guò)多等問(wèn)題。如如今技術(shù)與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段，傳統(tǒng)方法中存在的局限性越來(lái)越明顯。將本體知識(shí)庫(kù)引入土地定級(jí)領(lǐng)域，通過(guò)調(diào)查分析建立土地用途類(lèi)型本體與因素本體，以SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)和Jena語(yǔ)法規(guī)則構(gòu)建了連貫無(wú)冗余的本體知識(shí)規(guī)則庫(kù)，以此進(jìn)行規(guī)則推理，完成土地定級(jí)知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)土地分等定級(jí)專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的共享與重用。

[1] Studer R, Njamins V, Fensel D. Knowledge engineering: Principles and methods[J]. Data&Knowledge Engineering, 1998, 25(1/2): 161-197.

[2] 張玉鋒. 智能信息系統(tǒng)[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2008.

[3] 王重洋, 邱炳文, 龍榮, 等. 基于本體案例推理與規(guī)則推理的土地利用空間布局研究[J]. 資源科學(xué), 2013, 35(2): 353-361.

A Research on the Application of Ontology Knowledge Base in Urban Land Grading

ZHONG Yongyou

(SchoolofMathematicsandComputerScience,ShanxiSCI-TECHUnisversity,Hanzhong,Shanxi723000,China)

Urban land grading is a division of the level of urban land use, which reveals the land quality differences in different regions. In support of the theory of ontology and knowledge base，this paper introduces ontology knowledge base into land grading．According to the main content and the process of urban land grading，the land grading types ontology and factors ontology were constructed. On this basis，land grading decision support system integrating ontology knowledge base was developed. It was applied to land grading in Chenggu County,Shaanxi provice．The application indicates that the ontology knowledge base technique can effectively realize the reuse and sharing of mothodology and knowledge in land grading to improve the efficiency and scientificity in land grading．

Ontology Konwledge Base; Land Grading; Decision System

2016-10-22

陜西理工學(xué)院校級(jí)科研基金項(xiàng)目(SLGKY14-21)

鐘永友(1978-)，男，江西萬(wàn)載人，講師，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、信息系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)，手機(jī)：13689168943，E-mail：zhongyongyou@163.com

P208；TP391.1

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.010