導(dǎo)語：語義信息論文：小議語義的信息空間關(guān)系一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

本文作者：劉偉顧和和工作單位：江蘇師范大學(xué)測(cè)繪學(xué)院

地理信息語義分析與關(guān)系構(gòu)建

地理信息除了在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上存在異構(gòu)，在語義上也存在異構(gòu)。地理信息語義上的異構(gòu)可以分為空間數(shù)據(jù)的異構(gòu)和非空間數(shù)據(jù)的異構(gòu)，以下分別對(duì)這兩種語義異構(gòu)進(jìn)行討論。2.1空間數(shù)據(jù)語義分析與空間關(guān)系構(gòu)建地理信息中空間數(shù)據(jù)的語義關(guān)系在本文主要可分為以下3種。1)拓?fù)潢P(guān)系：本文中拓?fù)潢P(guān)系主要指地理對(duì)象間相離（DT）、相接（TO）、重疊（OV）、覆蓋（CO）、包含（CT）、相等（EQ）、被覆蓋（CB）、在內(nèi)部（IN）八種關(guān)系。其中覆蓋（CO）與被覆蓋（CB），包含（CT）與在內(nèi)部（IN）為逆反關(guān)系。2)方位關(guān)系：方位關(guān)系主要指一個(gè)地理實(shí)體相對(duì)于另一個(gè)地理實(shí)體的方向關(guān)系。眾所周知的8個(gè)方位關(guān)系為：北（N）、西北（NW）、西（W）、西南（SW）、南（S）、東南（SE）、東（E）、東北（NE）。本文中以圖形（像）中央的地理實(shí)體作為第一個(gè)起始位置來確定其它地理實(shí)體相對(duì)于此起始位置地理實(shí)體的方位關(guān)系；然后以第一個(gè)起始位置為圓心，在周圍找一個(gè)地理實(shí)體作為參照，依此類推，確定地理實(shí)體之間的相互位置關(guān)系。如圖1所示，首先選A作為第一個(gè)起始參照實(shí)體，建立其他地理實(shí)體與A地理實(shí)體的空間方位關(guān)系；然后在地理實(shí)體（F、G、H）中在選擇一個(gè)作為下一個(gè)參照實(shí)體，本文依順時(shí)針方向選擇F作為第二個(gè)參照實(shí)體，建立其他地理實(shí)體（除去已經(jīng)建立方位關(guān)系的A實(shí)體）與F地理實(shí)體之間的空間方位關(guān)系，依此類推，用同樣的方法建立地理實(shí)體之間的空間方位關(guān)系。ABCDEGFHB/東北B/東B/東南B/南B/西南B/西B/西北B/北A北東南西北北南南西西東東東北西南東南西北東北西南圖1地理實(shí)體的參照關(guān)系圖2空間方位之間的推理關(guān)系在方位關(guān)系中，A實(shí)體和B實(shí)體的空間方位存在以下關(guān)系，如圖2所示。①若B位于A的北方向，則A位于B的南方向；②若B位于A的西北方向，則A位于B的東南方向；③若B位于A的西方向，則A位于B的東方向；④若B位于A的西南方向，則A位于B的東北方向；⑤若B位于A的南方向，則A位于B的北方向；⑥若B位于A的東南方向，則A位于B的西北方向；⑦若B位于A的東方向，則A位于B的西方向；⑧若B位于A的東北方向，則A位于B的西南方向。以上方位關(guān)系在空間推理時(shí)會(huì)用到。用OWL建立其相互關(guān)系后，就可以用Jena(/)推理出相互關(guān)系。3）距離關(guān)系：通常人們用遠(yuǎn)、近、較遠(yuǎn)和較近等來形容兩個(gè)地理實(shí)體之間的距離，但這樣的形容不準(zhǔn)確且容易引起歧義。本文中對(duì)于距離關(guān)系，我們采用對(duì)象質(zhì)心之間的標(biāo)準(zhǔn)歐氏距離。針對(duì)上述空間數(shù)據(jù)的語義異構(gòu)問題，我們提出用屬性關(guān)系圖（ARG）來描述地理實(shí)體及其空間關(guān)系信息。參照?qǐng)D3的圖形和它的ARG，ARG的結(jié)點(diǎn)標(biāo)有對(duì)象的標(biāo)號(hào)。兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的邊標(biāo)有兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的關(guān)系信息。結(jié)點(diǎn)N1與N2之間的邊標(biāo)有（N1,D,203,8.9,N2），這表明N1與N2之間的拓?fù)潢P(guān)系為相離（Disjoint），它們之間的角度為203˚（按照逆時(shí)針、結(jié)點(diǎn)下標(biāo)遞增順序測(cè)量(結(jié)點(diǎn)下標(biāo)遞增順序測(cè)量：假設(shè)N1為起始參照實(shí)體（可以是點(diǎn)或面中心），首先量算N1與N2、N3等的方位，然后是N2與N3、N4等的方位，依次類推，直至建立完整的方位關(guān)系。)），它們之間的距離為8.9個(gè)單位。N1N2N3N1N2N3AGR（N2,CO,315,2.3,N3）(N1,D,203,8.9,N2)(N1,D,274,10.7,N3)(N1,D,D,SW,SW,8.9,10.7,N2,CO,SE,2.3,N3)特征點(diǎn)圖3圖形與其屬性關(guān)系圖ARG的映射過程為每幅圖形創(chuàng)建ARG之后，ARG要映射到特征空間的一個(gè)多維點(diǎn)，特征空間中的點(diǎn)按照某種預(yù)先指定的順序進(jìn)行組織（本文中以中央地理實(shí)體為第一個(gè)起始參照實(shí)體）。首先是第一個(gè)地理實(shí)體，其后是該地理實(shí)體與所有其它地理實(shí)體之間的關(guān)系；然后是第二個(gè)地理實(shí)體以及第二個(gè)地理實(shí)體與隨后所有地理實(shí)體間的關(guān)系，依此類推，直至建立完整的ARG。在這個(gè)階段，對(duì)象之間的方位角也轉(zhuǎn)換為方位謂詞。如圖3，N1與N2之間的角度203˚就映射為西南方位（SW）。2.2非空間數(shù)據(jù)語義分析與關(guān)系構(gòu)建非空間數(shù)據(jù)中的語義異構(gòu)主要由于人們對(duì)同一或相同類的地理實(shí)體在表述概念上存在差異，如對(duì)于南京，有人稱之為金陵，又有人稱之為石頭城；而一些國(guó)家地理劃分中的州在中國(guó)等同于省的概念。非空間數(shù)據(jù)中表示相等或相似的語義關(guān)系又稱為同主體語義關(guān)系。非空間數(shù)據(jù)的語義異構(gòu)一般分為以下兩種：異形同義詞，既不同的詞匯表達(dá)同一個(gè)含義，如南京，又可稱為金陵或石頭城；同形異義詞，即同一個(gè)詞匯表達(dá)不同的含義。其中同形異義詞間的關(guān)系可以用OWL中的以下語義標(biāo)簽描述：differentFrom（個(gè)體不同），兩個(gè)個(gè)體可以顯式聲明為不同；allDifferent（全不同）和distinctMembers（不同成員），這兩個(gè)詞配合使用表示一定數(shù)量的個(gè)體兩兩不同。異形同義詞的關(guān)系可以用以下標(biāo)簽描述：equivalentClass（等價(jià)類），兩個(gè)類可以聲明為等價(jià)，即使它們盡管名字不同，但擁有相同的實(shí)例，等價(jià)類可以用來創(chuàng)建同義類；sameAs（個(gè)體相同），兩個(gè)個(gè)體可以聲明為相同，用它可以創(chuàng)建一系列指向同一個(gè)個(gè)體的不同名字。對(duì)于一些屬性關(guān)系可以用equivalentProperty（等價(jià)屬性），inverseOf（逆反屬性），TransitiveProperty（傳遞屬性），SymmetricProperty（對(duì)稱屬性），F(xiàn)unctionalProperty（函數(shù)屬性），inverseFunctionalProperty（反函數(shù)屬性）等來描述。在建立非空間數(shù)據(jù)的語義關(guān)系時(shí)，本文按照ARG中地理實(shí)體出現(xiàn)的順序構(gòu)建非空間數(shù)據(jù)語義關(guān)系，這樣便于利用第3部分的算法自動(dòng)生成應(yīng)用本體實(shí)例。

數(shù)據(jù)提取與本體實(shí)例生成

分別建立起空間數(shù)據(jù)的屬性關(guān)系圖ARG和非空間數(shù)據(jù)的語義關(guān)系后，可以參照?qǐng)D4所示的應(yīng)用本體實(shí)例生成算法AOGA自動(dòng)生成應(yīng)用本體實(shí)例。創(chuàng)建一個(gè)空OWL文檔按特征空間中特征點(diǎn)的先后順序抽出一個(gè)空間對(duì)象如N1該空間對(duì)象是何種地理實(shí)體創(chuàng)建該空間對(duì)象對(duì)應(yīng)地理實(shí)體的一個(gè)實(shí)例從該空間對(duì)象對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)中抽取一個(gè)屬性創(chuàng)建這個(gè)幾何屬性對(duì)應(yīng)的實(shí)例從該空間對(duì)象對(duì)應(yīng)的非幾何屬性中抽取一個(gè)屬性創(chuàng)建這個(gè)非幾何屬性對(duì)應(yīng)的實(shí)例有新空間對(duì)象輸出創(chuàng)建的OWL文檔有新屬性有新屬性是否是否否是圖4應(yīng)用本體實(shí)例生成算法AOGA首先創(chuàng)建一個(gè)新OWL空文檔并在其中插入根結(jié)點(diǎn)；然后按ARG的特征空間中特征點(diǎn)的先后順序抽出一個(gè)空間對(duì)象如N1，根據(jù)這個(gè)空間對(duì)象的類型創(chuàng)建新節(jié)點(diǎn)并插入到根節(jié)點(diǎn)下，在創(chuàng)建空間對(duì)象節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)建這個(gè)空間對(duì)象的屬性：從該空間對(duì)象N1對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)中抽取一個(gè)幾何屬性，并創(chuàng)建這個(gè)幾何屬性對(duì)應(yīng)的實(shí)例插入到新節(jié)點(diǎn)N1下，進(jìn)行判斷直至所有的空間屬性創(chuàng)建完畢，同理創(chuàng)建這個(gè)空間對(duì)象的非空間屬性，直至所有的非空間屬性創(chuàng)建完畢。一旦空間對(duì)象創(chuàng)建完畢后，還需要進(jìn)行判斷，看是否還有其他空間對(duì)象。如果還有其他空間對(duì)象未創(chuàng)建，則重復(fù)上述過程，直至所有的地理對(duì)象和相應(yīng)的空間屬性與非空間屬性全部轉(zhuǎn)換成應(yīng)用本體實(shí)例。應(yīng)用本體實(shí)例創(chuàng)建完畢后，將所創(chuàng)建的OWL文檔輸出，第四部分將要使用生成的OWL文檔。

試驗(yàn)說明

下面以具體試驗(yàn)來說明，由算法生成的大連灣區(qū)域（DALIANRegion）土地利用應(yīng)用本體實(shí)例描述了大連灣地區(qū)土地利用方面的信息，包含空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的語義信息，圖5是對(duì)應(yīng)土地利用本體的樹狀結(jié)構(gòu)圖。本體構(gòu)建過程參照《國(guó)家資源環(huán)境遙感宏觀調(diào)查土地資源分類系統(tǒng)》和中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所數(shù)據(jù)中心土地利用本體分類體系。當(dāng)用戶提出查找在大連灣東北方向，并位于大連灣50km內(nèi)包含湖泊的所有林地地理實(shí)體時(shí)，此查詢語句較為復(fù)雜包括方位關(guān)系（大連灣東北方向）、距離關(guān)系（大連灣50km內(nèi)）、拓?fù)潢P(guān)系（林地包含湖泊）和語義關(guān)系（林地是有林地、灌木林、疏林地和宜林地的父類）。傳統(tǒng)的方法很難實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜的查詢請(qǐng)求，通過創(chuàng)建DALIANRegion應(yīng)用本體就可以很好的解決這種復(fù)雜的查詢請(qǐng)求。本試驗(yàn)是基于Jena和ArcServer開發(fā)的，首先在服務(wù)器端調(diào)用編寫的本體查詢函數(shù)（用Jena解析），利用應(yīng)用本體實(shí)例中的空間語義關(guān)系進(jìn)行推理。如圖5，“有林地”、“灌木林”、“疏林地”和“宜林地”是林地的子類，宜林地和草山草坡是同義關(guān)系，灌木林和疏林地是林間草地的父類。利用Jena工具很容易就可以把對(duì)林地的查詢自動(dòng)的推理到“有林地”、“灌木林”、“疏林地”、“宜林地”、“草山草坡”和林間草地中去；對(duì)空間關(guān)系的查詢，應(yīng)用本體中已經(jīng)描述了拓?fù)潢P(guān)系（Contain）、方位關(guān)系（EastNorth）和距離關(guān)系（11.7,36.5）只需要用Xpath、Xquery查詢語言進(jìn)行查詢轉(zhuǎn)換即可。然后將查詢到的DALIANRegion土地利用應(yīng)用本體的結(jié)果，組織成SQL語句傳遞給ArcServer的GetFeatureClass類，由ArcServer返回查詢結(jié)果，在客戶端顯示。5結(jié)束語空間信息的查詢與檢索是空間信息共享的前提條件。但由于用戶認(rèn)知和概念世界中的概念與系統(tǒng)模型中的概念之間存在語義異質(zhì)性，用戶檢索出來的數(shù)據(jù)往往并不是他們真正想要的。通過建立等價(jià)關(guān)系、繼承關(guān)系、逆反關(guān)系以及拓?fù)?、方位和距離等空間關(guān)系的地理本體并將之用于檢索請(qǐng)求可以解決這種語義異質(zhì)性，從而實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的檢索。本文在檢索處理過程中，以空間數(shù)據(jù)的屬性關(guān)系圖ARG作為描述地理實(shí)體空間關(guān)系的基礎(chǔ)，基于應(yīng)用本體實(shí)例生成算法AOGA和語義推理工具Jena實(shí)現(xiàn)異構(gòu)消解和語義擴(kuò)展，極大地提高了檢索準(zhǔn)確率。以下是本解決方案的優(yōu)點(diǎn)和將來的工作。①提出了描述空間關(guān)系的ARG模型，利用ARG可以方便的查詢?nèi)我鈨蓚€(gè)地理實(shí)體的空間關(guān)系，改進(jìn)以往空間關(guān)系查詢時(shí)SQL擴(kuò)展的不便性；②建立了非空間數(shù)據(jù)之間的語義關(guān)系，可以更全面的檢索出所需數(shù)據(jù)；③提出了應(yīng)用本體實(shí)例生成方法，可以較為方便的生成所需應(yīng)用本體實(shí)例。作為將來的工作，我們將集中在以下兩點(diǎn)：①建立ARG模型時(shí)，需花費(fèi)大量的時(shí)間，且容易出錯(cuò)，下一步我們將研究更自動(dòng)化的方法建立所需的ARG；②本體建立層次還較低，只是建立到大類，后續(xù)工作，需要在建立地理本體時(shí)，建立到具體地理實(shí)例一級(jí)，要具體到地理實(shí)體的名稱。