基于AtomSpace的土地利用地理實(shí)體知識(shí)表達(dá)與管理

李 怡

(江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院,342300,江西,贛州)

0 引言

全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)導(dǎo)致土地資源供需矛盾加劇,高效地管理和利用土地資源成為全球難題。土地利用管理涉及的領(lǐng)域廣泛,需要全面了解和分析土地資源的利用情況,以支持決策和規(guī)劃,如城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等[1]。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,如何運(yùn)用新技術(shù)來(lái)提高土地利用地理實(shí)體知識(shí)管理的效率和精度,也成為了學(xué)術(shù)界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)[2-3]。傳統(tǒng)的土地利用數(shù)據(jù)通常以靜態(tài)表格或數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)[4-5],這種方式雖可滿(mǎn)足一些簡(jiǎn)單的查詢(xún)需求,但無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)土地利用情況的深度分析和挖掘。因此,建立基于知識(shí)圖譜的土地利用地理實(shí)體知識(shí)表達(dá)和管理系統(tǒng)具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外研究者致力于尋找高效精準(zhǔn)的土地利用地理實(shí)體知識(shí)管理方法。例如,張鵬等[6]提出了基于多智能體系統(tǒng)和地理信息技術(shù)的土地利用規(guī)劃方法優(yōu)化土地利用布局。清華大學(xué)研究人員[7]融合土地利用、人口、經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù),利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了土地利用的綜合評(píng)估和預(yù)測(cè)。Liu等[8]提出了一種基于空間智能的土地利用規(guī)劃方法,通過(guò)遺傳算法優(yōu)化土地利用布局,綜合考慮了空間和屬性信息。Smith等[9]開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于Web和GIS技術(shù)的土地利用信息系統(tǒng),用于土地利用規(guī)劃和管理。國(guó)際遙感與空間信息學(xué)會(huì)[10]提出了基于知識(shí)圖譜的土地利用監(jiān)測(cè)方法,融合空間數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)土地利用情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。本文的研究目的是探究基于AtomSpace的土地利用地理實(shí)體知識(shí)表達(dá)與管理方法,以提高土地利用管理的效率和精度。

1 相關(guān)技術(shù)和概念介紹

AtomSpace是一種開(kāi)源的知識(shí)表示技術(shù),使用超圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示知識(shí)的實(shí)體和關(guān)系。它支持知識(shí)的表示、查詢(xún)和推理,可存儲(chǔ)和管理任何形式的知識(shí),同時(shí)也是一個(gè)查詢(xún)引擎和規(guī)則驅(qū)動(dòng)的推理引擎。AtomSpace圖數(shù)據(jù)庫(kù)提供了14類(lèi)140種的原子類(lèi)型及相關(guān)操作,用于描述各種復(fù)雜信息及其關(guān)系。其中,LINK表示事實(shí)或關(guān)系,NODE代表實(shí)體、概念或?qū)傩?META代表抽象的概念和關(guān)系。其原子類(lèi)型分類(lèi)見(jiàn)表1。

表1 原子類(lèi)型分類(lèi)

2 土地利用地理實(shí)體知識(shí)表達(dá)與管理數(shù)據(jù)模型研究

本文在AtomSpace中設(shè)計(jì)超圖模型,用于管理和查詢(xún)不同行業(yè)部門(mén)的土地利用知識(shí)圖譜。土地利用類(lèi)型用節(jié)點(diǎn)表示,類(lèi)型之間的關(guān)系用邊表示,節(jié)點(diǎn)和邊包含土地利用屬性信息。同時(shí),通過(guò)多重分類(lèi)、多粒度劃分和實(shí)體時(shí)間變化等方法,結(jié)合案例驗(yàn)證,更好地描述和管理地理實(shí)體的復(fù)雜性和多樣性。

2.1 概念模型

概念模型的核心步驟包括:1)定義地理實(shí)體和屬性;2)建立實(shí)體關(guān)系;3)設(shè)計(jì)知識(shí)表達(dá)模型;4)數(shù)據(jù)查詢(xún)和分析。

2.1.1 土地利用地理實(shí)體多重分類(lèi) 本文探討了土地利用地理實(shí)體多重分類(lèi)方法,從農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、旅游業(yè)和商業(yè)服務(wù)業(yè)四個(gè)行業(yè)出發(fā),如圖1所示。

圖1 不同行業(yè)對(duì)土地利用的分類(lèi)

在圖1中,部分一級(jí)地理特征和次一級(jí)地理特征在不同行業(yè)中存在交叉。例如,農(nóng)業(yè)建設(shè)用地可以根據(jù)其用途分為農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)兩個(gè)行業(yè)部門(mén)等,如圖2所示。在次一級(jí)地理特征中交叉關(guān)系,如圖3所示,分別以?shī)蕵?lè)康體用地、景區(qū)、草地、農(nóng)業(yè)建設(shè)用地和交通運(yùn)輸用地作為超邊,各個(gè)地理特征作為節(jié)點(diǎn),更加形象地表達(dá)出了不同行業(yè)部門(mén)對(duì)土地利用地理實(shí)體劃分存在的交叉和關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖2 一級(jí)地理特征關(guān)系圖系

圖3 次一級(jí)地理特征關(guān)系

以上存在交叉的次一級(jí)地理特征可以描述為無(wú)向超圖,如圖4所示。無(wú)向超圖是由節(jié)點(diǎn)和超邊構(gòu)成的一種圖形結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的有向圖和無(wú)向圖不同,它的邊可以連接多個(gè)節(jié)點(diǎn),且邊本身不具有方向性。一個(gè)無(wú)向超圖可以表示為一個(gè)三元組G=(V,E,f),其中V是節(jié)點(diǎn)的集合,E是超邊的集合,而f是一個(gè)將每個(gè)超邊映射到超邊覆蓋V的子集的函數(shù)。無(wú)向超圖可以用來(lái)表示地理特征的多重聯(lián)系和復(fù)雜關(guān)系,例如土地利用中不同地塊之間的空間鄰近性、土地用途之間的約束關(guān)系、土地利用和環(huán)境因素之間的影響關(guān)系等?？梢詫⑦@些地理特征以及它們之間的關(guān)系進(jìn)行形式化表示,以便更好地進(jìn)行分析、建模和決策。

2.1.2 土地利用地理實(shí)體多粒度劃分 多粒度土地利用的超圖,包含多個(gè)粒度和分類(lèi)的節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)地理區(qū)域,而每個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同粒度表示了對(duì)該區(qū)域的不同程度的細(xì)化。如圖5所示,左邊為四個(gè)行業(yè)的一級(jí)地理特征分類(lèi),右邊為次一級(jí)地理特征分類(lèi)。該設(shè)計(jì)使得超圖中的節(jié)點(diǎn)既可作為上一級(jí)超圖的屬性節(jié)點(diǎn),也可作為次一級(jí)超圖中的超邊,從而使土地利用的粒度劃分更加精細(xì)。

圖5 多粒度分類(lèi)超圖

2.2 邏輯模型

2.2.1 土地利用地理實(shí)體知識(shí)表達(dá)方法 AtomSpace的表示方式是面向?qū)ο蟮?因此使用Atom來(lái)表示知識(shí)的不同維度。Atom是AtomSpace中的最小知識(shí)單元,具有自己的類(lèi)型、屬性和關(guān)系等。通過(guò)AtomSpace,可以將地理實(shí)體知識(shí)組織成一個(gè)有結(jié)構(gòu)的圖形,并使用Atom、Link和TruthValue等概念表示不同維度的知識(shí),從而將知識(shí)整合在一起,通過(guò)圖形的形式進(jìn)行分析和查詢(xún)。主要步驟為:1)定義超圖節(jié)點(diǎn)及屬性;2)定義邊及屬性;3)添加關(guān)系到超圖。

2.2.2 土地利用地理實(shí)體節(jié)點(diǎn)的表示 使用AtomSpace中原子節(jié)點(diǎn)來(lái)表示農(nóng)業(yè)部門(mén)不同類(lèi)型的地理實(shí)體。對(duì)于土地利用劃分行業(yè)節(jié)點(diǎn)的定義為(以農(nóng)業(yè)為例):(define industry_concept(ConceptNode“農(nóng)業(yè)”))。對(duì)于土地利用類(lèi)別節(jié)點(diǎn)的定義為(以耕地類(lèi)別為例):(define category_concept(ConceptNode“耕地”))。通過(guò)連接這些節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系和屬性有益于更好地理解和分析不同領(lǐng)域的土地利用。

2.2.3 土地利用地理實(shí)體屬性和值的表示 本文中土地利用地理實(shí)體包括面狀和線(xiàn)狀兩種節(jié)點(diǎn)屬性,面狀屬性包括實(shí)體名稱(chēng)、面積、經(jīng)緯度和劃分時(shí)間,線(xiàn)狀屬性包括實(shí)體名稱(chēng)、長(zhǎng)度、經(jīng)緯度和劃分時(shí)間。這些地理實(shí)體的屬性和值使用AtomSpace中的鏈接節(jié)點(diǎn)來(lái)表示,對(duì)于土地利用中地理實(shí)體節(jié)點(diǎn)的定義及其屬性和值的定義方式以2020年劃分的面積為50 000 m2的水田為例,代碼如圖6所示。

圖6 屬性和值表示的代碼

2.2.4 土地利用地理實(shí)體關(guān)系的表示 在AtomSpace中,根據(jù)不同行業(yè)部門(mén)對(duì)土地利用類(lèi)型劃分的需要設(shè)置不同的關(guān)系類(lèi)型及鏈接的屬性,如表2所示。

表2 地理實(shí)體關(guān)系定義

以上各個(gè)關(guān)系類(lèi)型在AtomSpace中的表示方式如下:1)類(lèi)別關(guān)系(以該水田與耕地類(lèi)別的所屬關(guān)系為例);2)行業(yè)關(guān)系(以耕地類(lèi)別與農(nóng)業(yè)的所屬關(guān)系為例);3)相接(Touches)關(guān)系(以水田、天然草地和農(nóng)村住宅為例);4)重疊(overlaps)關(guān)系(以耕地和農(nóng)業(yè)建設(shè)用地為例);5)包含(contains)關(guān)系(以景區(qū)和草地為例)。各關(guān)系表示方式如圖7所示。

圖7 各關(guān)系類(lèi)型代碼

2.2.5 土地利用地理實(shí)體知識(shí)管理和共享 AtomSpace提供了多種查詢(xún)方法,包括基于模式匹配的查詢(xún)方法、基于規(guī)則的查詢(xún)方法及基于語(yǔ)義的查詢(xún)方法等。以上查詢(xún)方法主要通過(guò)以下5種鏈接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢(xún):1)MeetLink和VariableNode基本查詢(xún);2)QueryLink查詢(xún);3)AndLink多條件查詢(xún);4)GreaterThanLink按數(shù)值過(guò)濾查詢(xún);5)ValueOfLink和SetValueLink考慮性能查詢(xún)值。查詢(xún)處理的執(zhí)行過(guò)程如圖8所示。

圖8 查詢(xún)處理執(zhí)行過(guò)程

AtomSpace提供多種管理知識(shí)的方法,包括不同的存儲(chǔ)、表示和查詢(xún)方法,其超圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是管理地理實(shí)體知識(shí)的主要方法,同時(shí)支持基于模式匹配、規(guī)則和語(yǔ)義的查詢(xún)方法。使用AtomSpace可以更好地理解土地利用情況,做出更合理決策,并實(shí)現(xiàn)更好的交互和合作。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)使用Ubuntu 20.04.5 LTS的64位操作系統(tǒng),并使用Python 3.8.10、Guile 3.0.7開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、AtomSpace 4.1.0及AtomSpace Explorer可視化工具作為知識(shí)圖譜的構(gòu)建工具。

3.2 土地利用地理實(shí)體知識(shí)表達(dá)結(jié)果

地理知識(shí)圖譜的基本思路參見(jiàn)圖9。主要包括三部分:地理實(shí)體知識(shí)建模、地理實(shí)體知識(shí)存儲(chǔ)管理及地理實(shí)體知識(shí)查詢(xún)。

圖9 地理知識(shí)圖譜構(gòu)建流程

由地理知識(shí)圖譜構(gòu)建的基本思路,圖10給出土地利用地理知識(shí)圖譜構(gòu)建算法邏輯概要。

圖10 土地利用地理知識(shí)圖譜算法流程

土地利用地理實(shí)體知識(shí)表達(dá)的結(jié)果是以超圖的形式表達(dá)出來(lái)的,該超圖是用AtomSpace的一個(gè)開(kāi)源的人工智能框架——AtomSpace Explorer來(lái)表達(dá)的。

1)空間知識(shí)表達(dá)結(jié)果。主要有相鄰(Touches)、包含(Contains)、重疊(Overlaps)和相交(Intersect),其四種拓?fù)潢P(guān)系的主要代碼如圖11所示,表達(dá)結(jié)果如圖12所示。

圖11 空間拓知識(shí)表達(dá)主要代碼

圖12 空間知識(shí)表達(dá)結(jié)果

2)時(shí)間知識(shí)表達(dá)結(jié)果。時(shí)間用一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示,用TimeLink鏈接指向所屬地理實(shí)體。其主要代碼和表達(dá)結(jié)果如圖13所示。

圖13 時(shí)間知識(shí)主要代碼和表達(dá)結(jié)果

3)屬性知識(shí)表達(dá)結(jié)果。在土地利用地理實(shí)體知識(shí)表達(dá)的屬性知識(shí)中,其部分主要代碼如圖14所示,表達(dá)結(jié)果如15圖所示。

圖14 屬性知識(shí)表達(dá)主要代碼

圖15 屬性知識(shí)和類(lèi)別關(guān)系與行業(yè)關(guān)系

以不同行業(yè)部門(mén)對(duì)土地利用劃分的地理實(shí)體為核心,將生成的地理知識(shí)集合存儲(chǔ)在AtomSpace圖數(shù)據(jù)庫(kù)中,形成一個(gè)以節(jié)點(diǎn)和關(guān)系互相關(guān)聯(lián)的巨大網(wǎng)絡(luò),即地理知識(shí)圖譜。如圖16所示。

圖16 在AtomSpace圖數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的地理知識(shí)圖譜示意圖

3.3 知識(shí)推理和查詢(xún)

3.3.1 知識(shí)推理 在用AtomSpace實(shí)現(xiàn)土地利用知識(shí)推理的主要步驟為:1)創(chuàng)建土地利用知識(shí)庫(kù);2)定義土地利用知識(shí)規(guī)則。以農(nóng)業(yè)行業(yè)為例,假設(shè)有一個(gè)包含各種土地利用類(lèi)型屬性和關(guān)系的土地利用地理實(shí)體知識(shí)圖譜,如農(nóng)田的種植作物、耕地的土地質(zhì)量等。需根據(jù)農(nóng)業(yè)行業(yè)需求,推理出哪些土地適合種植哪些作物。首先將農(nóng)業(yè)行業(yè)需求表述為規(guī)則,例如,定義一個(gè)規(guī)則,表示“如果土地的土地質(zhì)量評(píng)分大于80,則適合種植小麥”。具體代碼如圖17所示。

圖17 知識(shí)推理的規(guī)則表示主要代碼

然后將規(guī)則應(yīng)用到土地利用地理實(shí)體知識(shí)圖譜上,使用模式匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)則匹配和推理。例如,從土地利用地理實(shí)體知識(shí)圖譜中找到所有的土地節(jié)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的土地質(zhì)量評(píng)分,然后將這些信息和上述規(guī)則進(jìn)行匹配。如匹配成功,則可得出結(jié)論:XX這些土地適合種植小麥。具體代碼如圖18所示。

圖18 知識(shí)推理執(zhí)行過(guò)程主要代碼

3.3.2 知識(shí)查詢(xún) 在用AtomSpace執(zhí)行土地利用知識(shí)查詢(xún)的主要步驟為:1)定義查詢(xún)模式;2)執(zhí)行查詢(xún)規(guī)則。執(zhí)行查詢(xún)規(guī)則會(huì)匹配查詢(xún)模式,并返回符合要求的實(shí)體和關(guān)系。以交通運(yùn)輸用地為例,假設(shè)查詢(xún)土地利用地理實(shí)體知識(shí)圖譜中與交通運(yùn)輸用地地理實(shí)體有關(guān)的行業(yè)等信息,需要定義的查詢(xún)模式如圖19所示。

圖19 查詢(xún)模式定義規(guī)則主要代碼

上述查詢(xún)模式中通過(guò)綁定land變量來(lái)存儲(chǔ)符合條件的地塊實(shí)例,并通過(guò)And操作符將多個(gè)條件進(jìn)行邏輯連接。其中,Evaluation用于對(duì)原子進(jìn)行謂詞邏輯判斷,Variable用于存儲(chǔ)匹配到的實(shí)例信息。該查詢(xún)模式的代碼和結(jié)果如圖20所示。

圖20 知識(shí)查詢(xún)代碼和結(jié)果

3.4 試驗(yàn)評(píng)價(jià)與分析

AtomSpace基于土地利用地理實(shí)體知識(shí)圖譜的實(shí)際應(yīng)用案例驗(yàn)證,可提高地理信息的獲取效率和土地利用地理實(shí)體知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于AtomSpace的土地利用地理實(shí)體知識(shí)圖譜能夠更全面地分析地理實(shí)體,并提高地理信息的獲取效率,包括地理信息的檢索和地理實(shí)體的分析。

4 結(jié)論與展望

本文提出了一種基于AtomSpace的地理實(shí)體知識(shí)表達(dá)與管理方法,能夠有效地表達(dá)和管理土地利用地理實(shí)體的空間、時(shí)間、屬性和復(fù)雜的關(guān)系信息。通過(guò)使用AtomSpace可以將土地利用地理實(shí)體及其復(fù)雜關(guān)系表示為一組可擴(kuò)展的超圖知識(shí)圖譜形式,同時(shí)支持形式化的邏輯推理和知識(shí)查詢(xún)。本文將土地利用地理知識(shí)概念模型中的節(jié)點(diǎn)和關(guān)系映射到圖數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模型中的節(jié)點(diǎn)和關(guān)系,以解決了結(jié)構(gòu)化土地利用地理知識(shí)在圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)問(wèn)題。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于AtomSpace的土地利用地理實(shí)體知識(shí)表達(dá)與管理的準(zhǔn)確性和可視化效果,同時(shí),將該方法應(yīng)用于土地利用地理實(shí)體知識(shí)的查詢(xún)分析和推理中,驗(yàn)證了其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。