基于本體的地理空間對象多尺度模型

楊耀明， 湯曉安， 周 莉， 韓興宇

(1.國防科技大學 電子科學與工程學院 湖南 長沙 410073； 2.海軍裝備研究院 北京 100032)

基于本體的地理空間對象多尺度模型

楊耀明1，2， 湯曉安1， 周 莉2， 韓興宇2

(1.國防科技大學 電子科學與工程學院 湖南 長沙 410073； 2.海軍裝備研究院 北京 100032)

隨著地理信息科學的發(fā)展，人們對多類型目標跨尺度空間表達的需求越來越大，而現(xiàn)有的多尺度模型大多屬于領域建模，適用范圍有限，需要針對通用的地理空間對象多尺度模型開展研究.基于本體理論對地理空間對象的多尺度特性進行分析，總結了3類多尺度綜合算子；從概念、邏輯和物理3個層次設計了地理空間對象多尺度模型，探討了基本概念、推理邏輯和數(shù)據庫設計；并通過實驗驗證了多尺度模型的尺度綜合推理過程.該模型充分考慮了多尺度的本體特性，與具體的對象類型、表達方式和綜合方法無關，同時支持本體工具的形式化表達，具有較高的通用性和實用價值.

地理空間對象； 多尺度模型； 本體； 尺度綜合

0 引言

隨著觀測手段的提高以及大數(shù)據技術的興起，多時空尺度的海量觀測數(shù)據，為地理科學帶來了巨大的機遇和挑戰(zhàn)：若尺度問題得不到有效解決，必將影響地球科學研究的下一步發(fā)展[1].面對復合地理空間的多尺度表達問題，需要構建合理普適的地理空間對象尺度模型.文獻[2-5]分別針對態(tài)勢目標、不確定性空間數(shù)據、矢量河網目標、城市空間數(shù)據庫以及城市道路格網等提出了相應的多尺度模型及變換可視化方法.然而普遍存在3方面的問題：尺度模型通用性較低、擴展性差；尺度模型沒有考慮不同類型目標在尺度變換過程中的空間關系維護操作；尺度模型實用化程度不高，尚無法構建能應用于實踐的數(shù)據庫.

為解決地理空間集成環(huán)境構建中尺度模型的通用性和實用性的問題，實現(xiàn)多類型空間對象的自適應尺度變換，本文基于本體理論，結合地理空間對象的本質特征，構建了一個與對象尺度變換具體算法弱相關的模型，以驅動和實現(xiàn)多類型地理空間對象的多尺度自適應變換.

1 地理空間對象多尺度本體分析

1.1 多尺度模型的本體內涵與綜合過程分析

哲學概念“本體”被文獻[6]引入信息科學并定義為“本體是對公認的概念模型進行的明確并形式化的規(guī)范說明”.文獻[7-9]在此基礎上提出了基于本體的地理空間理論、模型及框架，并應用到軍事地理信息[10]等領域.多尺度模型是對地理現(xiàn)實多尺度描述的抽象，是地理本體模型的擴展延伸，因此可以借助本體論思想，挖掘地理空間對象多尺度綜合的本質內涵，建立多尺度抽象表達和綜合的本體框架，以統(tǒng)一的視圖表述對象的多尺度關系，進而實現(xiàn)自動綜合.

多尺度綜合主要包含兩類過程：模型綜合與圖形綜合[11].前者是依據新的用戶視點操作數(shù)據庫，舍掉次要的地物目標，以更加簡化、概括的方式描述空間表達的新模型.后者是在圖形語言產生視覺沖突時，對點線面等幾何目標實施化簡綜合處理的可視化表達過程[12].然而二者并不獨立，模型綜合是數(shù)據先導，圖形綜合是表達結果，二者交替貫穿于尺度綜合的整個過程.因此將二者看作一個整體來對待，即多尺度綜合的領域概念知識，這樣有利于構造更具一般性意義的尺度模型.

1.2 多尺度綜合算子

根據綜合對象的不同以及綜合操作對目標數(shù)據的影響差異，將多尺度綜合算法劃分為3類操作.

定義1 多尺度變換操作M算子：根據同一對象的不同尺度特征，動態(tài)改變部分數(shù)據，實現(xiàn)數(shù)據模型和幾何表現(xiàn)的尺度上卷和下推.該過程中對象要素內涵沒有發(fā)生變化.此操作算子用符號∑M表示.典型操作如數(shù)據化簡、夸大等.

定義2 多尺度聚合與分解操作A算子：將多個對象聚合成一個對象，或將一個對象分解成多個對象.該過程中目標要素、數(shù)據內容、幾何表現(xiàn)和空間關系都發(fā)生了變化.此操作算子用∑A表示.典型操作包括選取、合并、關聯(lián)等.

定義3 多尺度空間關系維護操作S算子：在多尺度變換和聚合分解過程中，維護不同目標之間的位置、拓撲和方向等空間關系，僅改變對象的幾何表現(xiàn)，其要素內涵和數(shù)據模型沒有發(fā)生改變.此操作算子用算子符號∑S表示.典型操作包括關系處理、拼接、移位等.

2 地理空間對象多尺度本體模型

根據Studer的本體定義[6]，本體模型應該包含概念、邏輯和物理3個層次的模型.

2.1 地理空間對象多尺度概念模型

根據Perez[13]對本體概念建模的基本原理要求，從5個方面進行闡述.

1) 概念

尺度層級：指當前地理空間對象所處的尺度級別，即分辨率和空間范圍.

對象目標：指研究的地理空間對象.

空間特征：表征地理空間對象的位置、圖元構造、空間關系等空間屬性.

幾何特征：表征地理空間對象的幾何圖元構造和類型.

空間關系：表征地理空間對象之間的拓撲關系、方向關系及距離關系等.

語義特征：表征地理空間對象語義關系和屬性.

尺度變換方法：表征地理空間對象在尺度變化過程中其特征發(fā)生改變的策略和方法.

概念之間的關系如圖1所示.其余6個概念是對象目標概念的主要屬性，它們之間是屬性關系；幾何特征和空間關系是空間特征的組成部分，它們之間是部分和整體關系；而語義特征和空間特征又是尺度變換方法的處理對象.

圖1 多尺度本體模型概念間的關系Fig.1 Relations between the concepts of the multi-scale ontology model

3) 函數(shù)

多尺度概念模型有3類函數(shù)，如圖2所示.虛線表示概念間的一一對應關系；實線箭頭表示概念間的函數(shù)映射方向.圖2a表示同一對象在不同尺度下特征之間的函數(shù)關系.圖2b表示同一尺度下不同對象合成一個對象的函數(shù)關系.圖2c表示了同一尺度下不同對象之間的空間維護函數(shù)關系，其中，*指變換后目標的特征發(fā)生了改變.

圖2 多尺度本體模型函數(shù)關系Fig.2 Functions of the multi-scale ontology model

4) 公理

描述尺度本體模型中各概念、關系的約束條件和推理關系.約束公理明確地表述概念的值域和概念間的語義關系.推理公理是關于關系之間的推理條件，包括關系間的可逆性、傳遞性等的描述.

5) 實例

實例是對概念、關系、函數(shù)以及公理應用的具體和明確的描述.

2.2 地理空間對象多尺度邏輯模型

對于某一目標對象O，其多尺度邏輯模型可表達為三元組公式

1.試驗品種。試驗種豬為洋二元長白或約長種母豬（LY或YL），其中初產母豬2 256窩，經產母豬2 616窩；公豬為杜洛克或長白、約克外種豬。

O=〈D,K,R〉，

(1)

其中：D表示對象的特征數(shù)據集合(對應于幾何、空間和屬性特征)；K為綜合算子集合(對應于尺度變換方法)；R為數(shù)據-算子的關系集合(對應于函數(shù)關系，也可稱為多尺度綜合關系集合).

設λ為尺度標量，用于標定數(shù)據的尺度層級.數(shù)據集合見公式(2)，其中：dλi|O表示對象O在關鍵尺度λi上的特征數(shù)據.不同尺度下dλi|O之間的層次結構沒有特定的格式，可針對不同的應用和目標對象類型，按照不同的方式來存儲和組織數(shù)據，具備極大的靈活性.多尺度綜合算子集合為公式(3)所示，包含了對象O進行多尺度綜合時涉及的所有綜合算子.公式(4)為數(shù)據與算子的關系集合，描述了對象O在多尺度綜合時算子∑i|O和被操作數(shù)據dλi|O以及與其他對象O′之間的關系.

D={dλi|Oi=0,1,…,n},

(2)

K={∑i|Oi=0,1,…,n}={∑M}∪{∑A}∪{∑S},

(3)

R={ri|Oi=0,1,…,n}={RM}∪{RA}∪{RS}.

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.3 地理空間對象多尺度物理模型

艾廷華歸納了4種面向多尺度表達的數(shù)據庫存儲方式[14]，然而其主要面向同一類型目標數(shù)據且只考慮了Morphing一種尺度變換方法，沒有涉及目標聚合以及多種尺度綜合方法并存的情況.

結合多尺度邏輯模型，本文認為多尺度數(shù)據的存儲應該以“關鍵尺度與綜合關系”型為主.數(shù)據庫中應該存儲目標在關鍵尺度下的對象特征數(shù)據D以及關鍵尺度上的數(shù)據-算子關系集合R.而多尺度綜合算子集合K則作為通用的處理方法，以知識庫的形式存在.關鍵尺度的含義是指在對象目標的特征數(shù)據發(fā)生根本變化時的尺度層級.例如，道路目標在尺度變小的過程中，在某一比例尺λ由原來的條帶形狀變?yōu)榫€狀，幾何特征發(fā)生了根本變化，則該比例尺λ為關鍵尺度.該尺度下幾何特征發(fā)生變化前后的數(shù)據應該保存在數(shù)據庫中.

由以上分析和定義可知，針對在特定尺度λ下的目標O，可根據其所在的關鍵尺度區(qū)間[λi-1,λi)(λ∈[λi-1,λi))，查找相應的數(shù)據與算子關系ri|O，從知識庫中確定所采用的多尺度綜合算子∑i|O，并獲取可能涉及的其他空間目標的數(shù)據dλ|Ok，推導出目標O的數(shù)據dλi|O.

3 實驗分析

本文采用本體構建軟件Protégé4.3和推理插件FaCT++驗證多尺度本體模型的有效性.為聚焦推理過程，實驗模型的基本類縮減為對象目標(objects)、目標數(shù)據(data)、尺度變換方法(operator)、尺度層級(scalar)和多尺度綜合關系(relation).

3.1 實驗1 同一目標不同尺度間的函數(shù)關系

本實驗主要驗證公式(6)，設定的類屬性主要包括尺度層級關系、變換綜合關系、等價關系等.設置實例：目標存在從尺度s1到s2的變換綜合關系r12，其變換方法為k12.該目標待驗證數(shù)據dx存在尺度sx∈(s1,s2)，其綜合關系為rx，對應的綜合算子為kx.在relation類下建立子類R12，其充要條件為“使用綜合算子k12且變換起始尺度層級≥s1且變換目標尺度層級≤s2”.建立同級子類RX，充要條件為“目標尺度層級在(s1,s2)范圍內”.利用推理機可以得到r12∈R12和rx∈RX，進一步設定RX?R12，可以得到kx≡k12.由此可驗證公式(6)，同一目標可以根據其尺度范圍，結合相應的變換綜合關系和綜合算子，實現(xiàn)由關鍵尺度向任意尺度的數(shù)據轉換.

3.2 實驗2 多目標形成唯一目標的函數(shù)關系

本實驗主要驗證公式(7)，設置實例：目標o1～o4在關鍵尺度s存在變換綜合關系r，聚合生成目標oo，其變換方法為k.目標ox待驗證數(shù)據dx在尺度s的綜合關系為rx，對應的綜合算子為kx.在relation類下建立子類R，其充要條件為“使用綜合算子k且綜合變換輸入目標∈{o1,o2,o3,o4}且綜合變換輸出目標為oo”.建立同級子類RInfer，其充要條件為“綜合變換輸入目標∈{o1,o2,o3,o4}且關鍵尺度為s”.利用推理機可以得到r∈R和rx∈RInfer，進一步設定RInfer?R，可以得到kx≡k.由此可驗證公式(7)，若存在關鍵尺度多個目標的聚合綜合關系，則對于其中任意聚合目標數(shù)據都能夠得到相應的綜合算子，從而進一步可實現(xiàn)聚合轉換.

3.3 實驗3 多目標空間關系維護的函數(shù)關系

本實驗主要驗證公式(8)，設置相關實例：目標o1～o4在關鍵尺度s存在變換綜合關系r1～r4，利用變換方法k1～k4，實現(xiàn)數(shù)據d1i～d4i到d1o～d4o的轉換.目標ox待驗證數(shù)據dxi在尺度s的綜合關系為rx，對應的綜合算子為kx.在relation類下建立子類R，其充要條件為“變換綜合關系∈{r1,r2,r3,r4}”.建立同級子類RInfer，其充要條件為“綜合變換輸入目標∈{o1,o2,o3,o4}且關鍵尺度為s”.在operator類下建立子類O，其充要條件為“綜合算子∈{k1,k2,k3,k4}且關聯(lián)的變換綜合關系∈R”.利用推理機可以得到r1～r4∈R和rx∈RInfer，進一步設定RInfer?R，可以得到kx∈O，由此可驗證公式(8).若存在關鍵尺度多個目標的空間維護關系，則對于其中任意目標數(shù)據都能夠得到相應的綜合算子，從而進一步可實現(xiàn)空間關系的維護.

4 總結

本文在分析現(xiàn)有尺度模型利弊的基礎上，結合本體理論對地理空間對象多尺度特性進行分析，從概念、邏輯和物理3個層次設計地理空間對象多尺度模型，并通過實驗驗證了多尺度模型的推理過程.本文提出的地理空間對象多尺度模型充分考慮了多尺度的本體特性，與具體的對象類型、表達方式和綜合方法無關，并可以通過本體工具實現(xiàn)形式化表達，具有較高的通用性和實用價值.下一步將在多尺度自適應變換算法以及三維空間對象多尺度可視化方面開展研究.

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(責任編輯：王浩毅)

An Ontology-based Multi-scale Model of Geospatial Objects

YANG Yaoming1,2， TANG Xiao’an1， ZHOU Li2， HAN Xingyu2

(1.CollegeofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China; 2.NavalAcademyofArmament,Beijing100032,China)

There are much more requests for cross-scale spatial expression of multiple types of targets with the development of geographic information science. However, the existing geospatial scale models mostly belong to special domains with limited application scopes. Therefore it is urgent for the research of common geospatial multi-scale models. The multi-scale characteristics and the integration process of geospatial objects were analyzed based on ontology, as well as three types of integrating operators. A geospatial multi-scale model was designed from conceptual, logical and physical levels, accordingly with the discussion of the basic concepts, reasoning logic and database design. The scale integration reasoning process of the multi-scale model was verified by experiments at last. The ontology-based multi-scale model of geospatial objects took into account the main characteristics of multi-scale and was independent of the specific object type, expression and integration methods, while supporting formal expression by ontology software. The model was of high versatility and practical value.

geospatial objects； multi-scale model； ontology； scale integration

2016-11-27

國家自然科學基金項目(61502519)．

楊耀明(1982—)，男，江西贛州人，博士研究生，主要從事圖形與圖像處理技術研究，E-mail:jamesclarke@qq.com；通信作者：湯曉安(1968—)，男，安徽淮南人，教授，主要從事虛擬現(xiàn)實、信息系統(tǒng)集成研究，E-mail:xatang@nudt.edu.cn．

P208

A

1671-6841(2017)03-0074-05

10.13705/j.issn.1671-6841.2016332