地理本体的研究进展与分析
- 作者:admin 来源:网络 日期:2008-5-18 4:51:55
实体类型的组织目前主要采用各种等级结构进行。树状结构是目前组织实体类型的主流方法,其特点是各种实体类型根据其一般性程度被划分到某个一般性层次上,而且每个类型只有一个父类但可以有多个子类,这种本体的典型代表就是Word-Net 。Kuhn 从认知科学中的概念集成思想出发探讨了地理类型的语义建模,揭示了像WordNet 这种以树状结构或概念等级组织的本体的优势和缺陷,认为其优点在于可以基于概念之间的距离来度量它们之间语义的相似性,而其缺陷一方面表现在这种本体只具有单一的继承关系,另一方面表现在这种结构不能抓住概念之间的某些关系,如概念的功能关系,而以代数视图为基础的Haskell 语言被证明是改进这些缺陷和构建本体的有力工具[33 ] 。此外,形式化概念分析方法及概念格允许多态继承,克服了树状结构的固有缺陷,也是组织本体的有力工具[34-35 ] 。
(2) 地理本体的人文调查和实验研究:地理本体的人文调查和实验研究主要采用心理学或认知科学的调查和实验检验方法,研究普通人群对基本地理概念的理解,或参考朴素地理学或民间地理学研究成果,从中抽取地理本体,为地理本体的建立提供经验和实验基础。
Smith 和Mark 等在此方面进行了的一系列实验研究工作。他们认为并假设地理对象不仅仅位于空间中,而且在本质上与空间相连,从空间继承了其结构特征,地理类型也往往是与大小或尺度相关的,而且地理事物或事物类型可能与个人或文化差异有关。为了验证这种假设,他们设计了一系列实验,包括:为某些地理类型抽取类型范本的实验;类型实例及其属性和组成部分实验;边界本质问题实验;术语定义实验。这些实验都以人为实验对象,通过问卷调查及调查结果的统计分析来研究地理概念的认知方面,从而为地理本体建立经验基础。这些实验数据揭示了这样一个事实:地理科学家和普通人群对于术语“地理”和“地理的”的涵义的理解存在很大的差别,因此地理科学家实际上研究的并不是民间普通人群概念中的地理现象[36-38 ] 。他们的系列实验仍在进行中,并希望通过在不同地区、不同文化和不同语言背景下分别进行实验,以验证这些差异是否会明显影响人们对基本地理概念及其本体的理解。在澳大利亚一个部落土著语言中的景观元素类型与英语比较研究之后发现,这两个系统间在基本层次上就存在本质差异,表明地区和语言文化背景差异确实会对人们头脑中的基本地理概念及其本体产生明显影响[39 ] 。
(3) 地理本体的信息学研究:地理本体的信息学研究采用信息科学的标准研究模式,研究地理本体的描述、获取、比较和集成方法以及有关的形式化表达工具,以实现互操作和跨系统转换及地理信息(数据) 的集成与检索。
本体集成和形式化研究是人机智能等计算机领域的本体研究中的一个重要研究内容,目前已经发展了许多本体形式化语言和方法。概括而言,目前本体形式化语言主要有两大类,即基于框架的表示语言和描述逻辑,经典的基于框架的表示语言包括Ontolingua 、O KBC 等;描述逻辑在人机智能特别是知识工程领域广为应用,已经发展了多种基于描述逻辑的本体表示语言,如LOOM、OIL 等。
在对比分析各种本体定义语言在定义地理信息本体方面的优缺点的基础上,Mota 等认为这些工具各有特点,相对而言Ontolingua 的功能比较强,但也无法完成对行为的合理定义和声明,而且也不可能完整定义一般的推理过程,因此应扩展Ontolin-gua 以便可以完整地定义地理信息本体[ 40 ] 。Visser等对形式化本体及其在地理信息处理中的应用作了一个简洁综述,对各种本体语言的形式化程度进行了比较,包括描述层次的XML 到一阶谓词逻辑层次的概念建模语言CML 以及更复杂、形式化程度更高的知识交换格式KIF 等,并简单介绍了一种基于语义的智能信息检索代理构架[41 ] 。目前,地学领域已经认识到,虽然计算机领域的一般信息本体研究已发展了许多本体形式化语言和方法,但这些形式化工具并不能完整地定义地理本体,必须扩展现有语言和方法或发展新的能满足地理本体需要的形式化工具。为此,已有一些学者就地理本体语言和工具方面提出了一些建议[42-43 ] 。
地理本体并不是无源之水,地理学研究已经形成了许多文本形式的地理领域本体,如各种分类体系及地理空间概念模型等。因此,可以发展从自然语言文本中抽取生成地理本体的方法,以便充分利用地理学现有的研究成果。Kuhn 提出了一种从自然语言文本中抽取地理领域本体的方法,该方法主要关注文本中的对象行为,并以从德国交通代码文本中抽取汽车导航领域本体为例说明了这种方法的可行性[44 ] 。
不同的信息领域对相同地理现实具有不同的观点,因此存在许多不同的分类系统。相同领域中这些不同的分类系统和标准之间是互补的,不同的分类系统表达了同一领域的不同方面,可以在一个顶级本体的框架下,应用形式化概念分析方法,将这些分类系统与顶级本体进行集成和融合,从而产生集成的概念格,这样一方面既可以保持各个分类系统的独立性,更重要的是又可以产生比较完整的领域本体,实现不同分类系统之间的转换和互操作。基于这种思想, Kokla 等以CYC 顶级本体、WordNet和SDTS (USGS 的空间数据转换标准) 本体中的“河流”概念为例,应用形式化概念分析方法,通过语义因子分解和建立概念格(Concept lattice) 这两个步骤,得到了集成的概念格,验证了这种方法的有效性[45 ] 。Kavouras 等应用形式化概念分析和概念格形式化表达地理类型及集成不同地理本体的具体方法[46 ] 。此外,也有学者提出了基于相似性的本体集成方法[47248 ] 。
3.3 地理本体应用研究进展
目前地理本体的应用研究主要集中在以下四个方面: 代写工作总结 (1) 地理信息(数据) 集成; (2) 地理信息(数据集) 发现与检索; (3) 道路寻找(Wayfinding) 系统研究; (4) 其他应用研究。
本体作为共享概念模型建模的有力工具,在解决不同数据源之间语义异质性、互操作和集成方面的潜在优势已得到了学术界的广泛重视。在计算机学界,本体方法已经广泛应用于数据集成特别是模式和语义集成方面,有关这方面的研究进展可以参考相关文献[49-51 ] 。
不同地理信息(数据) 的集成是近年来地理信息科学研究的一个主要内容,作为共享地理概念模型或地理认知模型的形式化说明,地理本体为地理数据提供了形式化语义说明,对于解决地理数据的语义异质性和实现语义层次上的互操作具有很大的潜在优势,通过地理本体可以在集成地理数据时将数据的语义也集成过来。由于地理本体的这种优势,在GIS 领域,已经有一些学者开始探讨基于本体的空间数据集成框架和方法。
Fonseca 提出了一种基于本体的地理信息集成框架[52 ] 。在这种集成框架中,地理信息的集成是通过集成不同地理信息源相应的底层本体实现的,因此是一种多本体方法。与一般模型相比,综合了等级和角色的模型具有集成更多信息的潜力。在这种框架中,地理本体使用等级和角色来表达,等级的使用不仅可有效表达心智模型中有关现实世界的等级结构,还提供了信息集成所需的概化和特化机制并实现知识共享和重用,而角色的使用不仅有效表达了地理实体的不同特征以避免多态继承问题,还在不同细节层次之间以及不同领域本体网络之间架起
了一座沟通的桥梁,由于本体的这些特征,地理信息集成可以在不同详细层次上进行。因此,这种综合了等级和角色的本体集成框架可以实现基于地理信息内涵的、多层次的、高集成度的地理信息集成。
Uitermark 研究了一种基于本体的地理数据集成方法[53 ] 。他认为,地理数据集成概念框架包括两个组成部分:一个领域本体和一系列调查规则。其中领域本体包含一系列共享概念,根据这些概念可以发现对应的对象实例,而调查规定每个数据集的采集规则,说明了从真实地理世界到地理数据集的转换过程,因此不同地理数据集的相应对象实例必须与不同的调查规则集一致。不同地理数据集之间通过特化2泛化等级结构或分类体系( Taxonomy) 和部分2整体结构( Partonomy) 两种抽象机制相联结,利用这两种抽象机制,可以模拟所谓参考模型中的对象类的语义关系,并认为不同数据集的对象类之间的语义相似性有三种类型,即等价对象类、具有子类2父类关系的对象类和具有部分2整体关系的对象类。最后以GB KN 和TOP10vector 两个地形数据集为例展示这种集成方法的实施方法及其有效性。
地理信息的查询与检索是地理信息集成与应用的前提条件。GIS 中数据的查询和检索是一项重要的功能,但由于用户认知和概念世界中的概念与系统模型中的概念之间存在语义异质性,用户查询出来的数据往往并不是他们真正需要的。通过建立包含部分2整体、重叠和相交等空间关系的地理本体并将之用于查询请求和数据库之间的词汇匹配可以解决这种语义异质性,从而实现各种空间查询和属性查询[ 54 ] 。此外,网络技术的发展已使地理信息发现
与服务成为GIS 研究的一个热点,可以利用地理本体建立智能地理信息发现和查询系统以及地理信息服务系统[55 ] 。
道路寻找系统研究也是国际地理信息科学领域的一个热门研究问题,许多国际学术会议上都有这个方面的会议主题, 如GIScience2000 、GI-Science2002 、COSIT2003 等。Raubal 认为,本体论和认识论是智能体系统的基础,只有基于合理本体基础上的智能体系统才可能合理地模拟智能体的行为,因此需要发展从人们对道路寻找经验的描述中抽取本体,以便为基于智能体的道路寻找系统提供所需的本体基础,并将道路寻找模拟过程中需要的本体分为介质、本质和界面三个部分,最后以机场环境为例说明了这种系统的实现方法[56 ] 。也有学者从旅行者的视角研究了道路寻找系统所需的本体,分析和比较了城市区域道路寻找系统中交通系统设计者视角中的本体和旅行者视角中的本体的差别,认为后者是前者的子集,即旅行者从一个出发点到达一个终点寻找道路所需的本体可以从交通系统设计本体中抽取[57 ] 。
GIS 已经在许多领域和行业中得到了广泛应用,而这些应用都涉及到概念建模和语义问题,因此都需要地理本体为其应用提供服务。除了上述地理信息集成、地理信息发现和查询检索及道路寻找系统方面的应用外,地理本体的应用还包括许多其他方面,地理本体研究已在社会科学、生态学、土地利用、环境等领域得到了初步应用。例如,公共卫生领域基于本体的晚期肾病网络GIS 决策支持系统SIGNE 研究[58 ] 、多尺度生态系统分类等级体系的形式化和本体研究[59 ] 、土地覆盖与利用分类体系的本体集成研究[60 ] 等。随着地理本体理论与方法的不断完善,这些应用研究将得到进一步的蓬勃发展。
4 结语
地理数据、信息和知识的在信息时代得到前所未有的广泛使用,但由于它们中的许多是基于主体认识的,致使产生了“可共享不可共用”的问题。地理本体作为一种思想、理论和方法,现在科学与技术条件下,可以为解决此问题提供一种途径。
地理本体研究涉及面非常广。它不仅仅要考虑本领域的科学研究和与专业人员,也要考虑地理数据、信息、知识的普通用户。它不仅在理论上要有合理性与完整性,更要能够在计算机与互联网上实现。地理本体研究应是一个系统工程,必须进行广泛的交流与合作,并进行有规划的分工与合作。
地理本体的相关研究受到更多研究人员的关注,但在许多基本问题上没有达成共识和取得实质性的进展,例如在构建地理本体的方法上存在较大的差异,因此研究人员还有相当多需要研究的问题。
地理本体研究已成为国际地理信息科学领域一个重要的新兴研究方向并得到了蓬勃发展,而国内在这方面的研究才刚刚开始,只有少数学者开展了一些探索性的思考和研究[3 ,9-10 ,61-68 ] ,并且主要是基于信息学的本体研究模式。因此,我国应紧跟国际地理本体的研究动态,积极开展我国自己的地理本体理论、方法和应用研究。研究过程必须考虑到中国的民族、文化、语言、空间认知的特点。最关键的是,构建的地理本体能广大用户接受与应用,地理本体为语义互操作、语义互联网以及地球系统的语义建模等都提供支持。
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