基于本体和agent的地理空间信息语义共享初探_景东升

基于本体和ａｇｅｎｔ的地理空间信息语义共享初探　景东升　中国科学院遥感应用研究所 北京 １００１０１　摘要：地理信息系统中包括空间、时间和专题数据，现在研究焦点集中在第三个成分—语义参照系统。

语义参照系统主要解决应用的概念化是什么。

语义参照模型能在地理信息的生产者和用户解释专题数据的意义，把这种意义从一个信息团体传递给另一个信息团体，即实现地理空间数据语义共享。

本文分析了地理空间信息共享的含义和层次，借鉴语义网络研究思路，提出了地理空间信息语义共享的研究框架。

采用本体概念和方法，形式化定义领域知识，解决地理空间信息研究和应用中存在地理实体语义不明确的问题。

研究如何支持本体的不同使用者之间进行语义层面的信息共享互操作、基于ａｇｅｎｔ的信息抽取和语义映射，实现在用户间或软件代理间对地理空间信息的共同理解和认识。

　关键词：语义共享 本体 ａｇｅｎｔ 地理空间信息 地理概念　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｃｏｎｔａｉｎ　ｓｐａｔｉａｌ，ｔｅｍｐｏｒａｌ，ａｎｄ　ｔｈｅｍａｔｉｃ　ｄａｔａ．　Ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ａｒｅ　ｆｉｒｍｌｙ　ｔｉｅｄ　ｔｏ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｔｏｏｌｓ．　Ｗｅ　ｎｏｗ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｔｈｉｒｄ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ－ｓｅｍａｎｔｉｃ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ．　Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，　ａ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｓｅｍａｎｔｉｃ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｌｌ　ｅｎａｂｌｅ　ｐｒｏｄｕｃｅｒｓ　ａｎｄ　ｕｓｅｒｓ　ｏｆ　ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｅｘｐｌａｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅｍａｔｉｃ　ｄａｔａ　，ｔｏ　ｔｒａｎｓｌａｔｅ　ｔｈｉｓ　ｍｅａｎｉｎｇ　ｆｏｒｍ　ｏｎｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ　ｔｏ　ａｎｏｔｈｅｒ，ａｎｄ　ｔｏ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅ　ｄａｔａ　ａｃｒｏｓｓ　ｄｉｆｆｅｒｉｎｇ　ｓｅｍａｎｔｉｃｓ．　Ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌａｙｅｒｓ　ｏｆ　Ｇｅｏ－ｓｐａｔｉａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｈａｒｅ，　ｍａｋｅｓ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｈｏｕｇｈｔ　ｏｆ　ｓｅｍａｎｔｉｃ　ｗｅｂ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｏｆ　ｇｅｏ－ｓｐａｔｉａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｈａｒｅ．　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ａｍｂｉｇｕｏｕｓ　ｍｅａｎｉｎｇ　ｏｆ　ｇｅｏ－ｓｐａｔｉａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，　ｔｈｅ　ｏｎｔｏｌｏｇｙ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ　ａｎｄ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ，　ｄｏｍａｉｎ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ａｒｅ　ｄｅｆｉｎｅ　ｆｏｒｍａｌｌｙ．　Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｔｈｅ　ｓｅｍａｎｔｉｃ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｓｈａｒｅ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒ－ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｍｏｎｇ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｕｓｅｒｓ，　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｏ　ｑｕｅｒｙ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｍａｎｔｉｃ　ｍａｐｐｉｎｇ　ｏｎ　ｂａｓｉｃ　ｏｆ　ａｇｅｎｔｓ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｄ　ａｍｏｎｇ　ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｃｏｍｍｏｎ　ｍｅａｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｓｅｍａｎｔｉｃ　ｓｈａｒｅ ｏｎｔｏｌｏｇｙ ａｇｅｎｔ ｇｅｏ－ｓｐａｔｉａｌ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　ｃｏｎｃｅｐｔ　１．　引言　在以数字化信息为资源、互联网交互为动脉的新世纪里，地理空间信息系统的发展趋势表现为信息的集成化、智能化和网络化，其核心是解决异构环境下的信息共享问题。

现阶段地理信息共享仍然停留在ＧＩＳ数据的“共享”层次上，即一个ＧＩＳ系统中的数据怎样与另一个系统中的数据相互集成、融合、重组和转换。

下一个阶段的研究内容将集中在如何实现ＧＩＳ数据含义的共享，即要研究ＧＩＳ数据共享的语义问题［１］　［２］　［３］　［４］。

　２．　地理空间信息的共享研究概述　计算机科学对语义共享的研究比较深入。

测绘、地理、计算机科学也已经开始研究ＧＩＳ语义共享问题，例如陈常松［５］、黄裕霞［６］等，形成一些初步的理论结果。

　２．１．　地理空间信息共享的含义　共享指提供一种不依赖于具体系统的中性机制［７］，用来建立包括产品整个生命周期的、完整的、语义一致的数据模型，保证对信息理解的一致性。

数据共享是指多个用户或者多台计算机共用数据库中的数据集。

　语义共享一词来源于数据共享。

顾及ＧＩＳ数据语义的ＧＩＳ数据共享叫做ＧＩＳ语义共享。

语义共享更加强调在数据共享中对语义的处理，保持数据共享过程中语义的稳定性。

地理空间数据共享中的语义共享研究，试图从语义学和符号学的角度来解决ＧＩＳ数据共享过程中的地理信息传输问题。

实现ＧＩＳ数据共享，也就意味着要找出能保证用户正确把握和理解ＧＩＳ语义的手段［１］。

　２．２．　地理空间信息共享的层次　ＧＩＳ互操作可以归纳为技术、数据、语义和企业４个层次（表１）。

表中的网络、硬件、软件是指从技术上如何实现ＧＩＳ互操作，它包括：网络协议、文件系统传输、远程过程调用、分布计算平台、软件规程等，它们的正确配置是实现ＧＩＳ互操作的基础。

数据库和ＧＩＳ应用层是实现不同系统之间数据上的互操作，但是真正的信息互操作不仅仅应该是数据互操作，更应该是语义及含义上的互操作，客户对数据和处理资源的访问是实时的，并且所获得的结果是可以预测的。

企业层是ＧＩＳ中最高层次的互操作，实际上也就是我们通常所称的信息共享。

它包括企业之间和信息部门之间的互操作，涉及政策、法规、经济等因素。

　表１　互操作的层次结构及其支持　Ｔａｂ．　１　Ｔｈｅ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ＧＩＳ　ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ　层次结构　支持　企业　信息　立法、政策、规范、标准、元数据等　应用　语义　标准、语义数据模型、规程、元数据等　数据　ＧＩＳ软件数据库　ＤＢＭＳ、标准、规程、元数据等　技术　软件和网络协议　硬件和网络　规程、协议、标准等　标准、分布计算等　２．３．　语义网和本体研究　上个世纪８０年代，Ｔｉｍ　Ｂｅｒｎｅｒｓ－Ｌｅｅ将超文本技术应用于计算机网络，促成了互联网的诞生。

而今，他所领导的Ｗ３Ｃ正致力于开发语义网。

语义网研究的主要目的，就是扩展当前的ＷＷＷ，使得网络中尽可能多的信息都是具有语义的，是计算机能够理解和处理的。

Ｔｉｍ　Ｂｅｒｎｅｒｓ－Ｌｅｅ给出了语义网中的层次关系—基于ＸＭＬ和ＲＤＦ／ＲＤＦＳ，并在此之上构建本体和逻辑推理规则，以完成基于语义的知识表示和推理。

在语义网中，所有信息将被加上明确的语义信息，从而使智能代理自动对网络上的资源进行处理［８］。

　在人工智能界，最早给出本体定义的是Ｎｅｃｈｅｓ等人，他们将本体定义为“给出构成相关领域词汇的基本术语和关系，以及利用这些术语和关系构成的规定这些词汇外延的规则的定义”。

１９９５年Ｇｒｕｍｂｅｒ提出一个本体是一个共享概念化模型的形式化和显式的说明规范［４］。

Ｓｔｕｄｅｒ等认为本体定义包含四层含义：概念模型（ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）、明确（ｅｘｐｌｉｃｉｔ）、形式化（ｆｏｒｍａｌ）和共享（ｓｈａｒｅ）。

“概念模型”通过抽象出客观世界中一些现象的相关概念而得到的模型。

“明确”指所使用的概念及使用这些概念的约束都有明确的定义。

“形式化”指本体是计算机可读的（即能被计算机处理）。

“共享”指本体体现的是共同认可的知识，反映的是相关领域中公认的概念集。

大多数研究者认为本体主要由概念和关系组成。

概念表示领域中的一组或一类实体。

关系描述概念之间或概念的属性之间的互相作用，如ＩＳ—Ａ、ＩＳ—ＰＡＲＴ—ＯＦ等［９］。

从内涵上来看，不同研究者对于本体的认识是统一的，都把本体当作是领域内部不同主体（人、机器、软件系统等）之间进行交流（对话、互操作、共享等）的一种语义基础。

　２．４．　建立基于本体的语义共享框架　实现语义共享的要完成三个任务，第一，建立满足语义共享要求的空间概念；第二，建立满足语义共享要求的描述系统，即形式化方法；第三，研究提出满足语义共享要求的技术方法。

　ＧＩＳ语义共享不但强调要解决数据层次上的问题，更强调要解决语义层次上的问题，包括地理认知及其逻辑描述，需要一个高度统一的框架对地理现象和地理数据进行规范化的理解、表达和组织（Ｕｓｅｒｙ　１９９３　１９９６，Ｒｕｇｇ　１９９６）。

总体框架是通过建立由地理空间概念模型、逻辑模型和物理模型组成的集成信息模型，建立地理空间概念体系；研究地理本体及其形式化表达；以地理特征为手段，建立地理概念空间的逻辑体系；采用面向对象方法，将地理特征映射到对象关系数据库；在语义本体和地理对象之间以语义本体和ａｇｅｎｔ为交流工具，对不同领域地理概念进行语义映射和信息抽取。

　３．　基于本体的地理概念模型和语义表达　空间信息的概念模型最原始的目的，是规定要表达哪些地理现象以及如何表达这些现象。

地理概念是空间信息的意义基础。

地理空间概念涉及认知分类理论的有关概念和制图学的有关方法，要求正确合适的地理分类体系和表达方法［１０］。

　３．１．　地理概念和地理概念体系　一种地理现象可以是一个真实的地理组成实体，例如建筑物、河流等；也可能是一种分类结果，例如林地、园地等；还可能是一种对某种现象的度量结果，例如高温区、高雨区等，统称它们为地理实体。

地理实体具有类别，具有某种相似属性的地理实体集合构成地理要素。

以这种地理要素为基础所发展起来的空间概念叫基于地理要素的空间概念。

地理概念是对地理事物进行客观描述的空间概念，例如桥、森林、丘陵等［１１］；ＧＩＳ模拟的主要对象是地理系统，空间概念所描述的并不是纯粹的几何空间的概念，而是“地理”的空间概念。

　地理概念体系反映了一种有序性。

从地理知识的认识特点讲，地理概念体系是基于地理分类的地理概念之间概括／继承关系所形成的空间等级体系。

　３．２．　地理概念模型　空间语言的语义单位均会涉及一个或多个地理概念。

从表达的层面上，基本语义是有限的，它们与特定的地理概念相联系。

但并非所有的地理概念均能使用单一的基本语义得以表达，许多情况下需要语义的组合，从而形成由低级到高级的层次语义结构。