[00693640]基于Geo-Ontology的地理信息服务关键技术

本体（Ontology）被认为是哲学的本源，被哲学家用来描述事物的本质，是“对世界上客观存在事物的系统描述”。在信息技术领域，Ontology被定义为“领域中共享的概念模型的形式化和显式的说明规范”；国内外对Ontology的研究方兴未艾，尤其是被视为新一代互联网的语义网的提出，更进一步推进了Ontology的研究和应用。Ontology作为语义网中一种能在知识层提供知识共享和复用的工具，被认为是语义Web的支柱。将本体的概念和思想引入地理信息科学领域则是近10年的事情，它反映了一种研究重心的转移，即由过去的强调计算机模型的形式化到对空间目标域本身的关注。地理本体（Geo-Ontology）是一个特殊领域本体，除具有一般领域本体的基本共性外，还具有自身的特点。课题组将地理本体定义为研究地理信息科学领域内不同层次和不同应用方向上的地理空间信息概念的详细内涵和层次关系，并给出概念的语义标识。地理本体把有关地理科学领域的知识、信息和数据抽象成由一个个具有共识的对象(或实体)，并按照一定的关系而组成的体系，同时进行概念化处理和明确的定义，最后以形式化表达的理论与方法。在地理信息服务领域，诸如地理空间信息语义描述、语义融合问题，语义丰富的地理信息服务发现、匹配技术，面向语义的地理信息专业搜索引擎技术等许多关键技术问题还没有得到很好解决，已经成为制约高效、准确地理空间信息查询与检索的“瓶颈”，必须寻求新的解决途径。在这种情况下，本体（Ontology）因其具有清晰描述和表达地理概念、地理实体语义的能力而成为新的选择。地理本体的最大优势之一是能够清晰描述地理概念的语义，而语义信息是十分复杂的。通过该项目的实施，对基于地理本体的地理信息服务关键技术问题进行了比较系统地研究，在理论、关键技术、原型实现等三个方面取得了许多突破性进展。深入研究基于本体的地理信息服务的基础理论问题--语义不一致问题。从一个应用实例出发，总结出认知导致的语义异质原因包括分类的细节层次差异（分类树的深度）、不同的分类观点或强加单个继承关系、不同的概念化和分类观点等三个方面。尝试引入概念格和形式化概念分析方法，解决语义不一致性问题。形式概念分析和概念格网适合于复杂概念和关系的分解、分类、分级，可以很好地表达概念或分类之间的语义关系和特性，实现地理概念或分类的语义一致性表达。进行领域本体概念设计，构建土地利用领域本体。提出一个适于土地利用领域本体应用研究需要、由顶层通用本体、中间领域本体、底层应用本体构成的三层总体框架。讨论了本体建模、本体定义和表示中的语义关系和地理领域本体构建方法，用UML图对土地利用领域本体进行了描述。详细讨论了与本体相关的表达语言，特别是与Web相关的表达语言OWL。用OWL对土地利用类型本体进行了描述，并在Protégé软件中进行了本体表达。基于地理领域本体和语义相似度方法来解决地理信息Web服务匹配和发现问题，讨论语义相似度、结构相似度、语义相关性问题，为最终寻找和发现满足用户需求的Web地理信息服务奠定基础。从语义相似度的概念出发，讨论了基于WordNet词语间距离的语义相似度算法、基于HowNet义原的语义相似度算法、结构相似度算法，并结合土地利用领域本体给出了相似度计算的实例；与语义相似度相对应，本体之间具有相关性，他们从不同的侧面反映本体概念之间的各种复杂关系。作为领域本体的地理概念化体系，是领域专家对概念及概念体系之间关系所做的权威描述。相关性计算要解决的问题是怎样建立一种合理的机制来量化这些看似主观的相关关系，它所反映的是两个本体互相关联的程度。结合土地利用领域本体给出了相关性计算实例。应用基于OWL语言的Web服务本体----OWL-S，对本体的Web服务进行了语义描述，包括Web服务轮廓、Web服务建模、Web服务基点等，重点分析了过程类型、过程本体和服务控制结构。详细地定义和描述了土地利用变更服务涉及的本体概念和所需要的基本服务，为每个过程设置输入、输出和前置条件等，利用WSDL和OWL-S进行了语义网络服务描述和表达。以河南省2000年LandsatTM4、5、7波段标准假彩色合成遥感影像解译的土地利用/土地覆盖数据为例，讨论基于本体的土地利用数据分级、分类显示方法，建立一个基于领域地理本体的地理信息查询服务原型，实现了基于本体的土地利用数据查询服务，初显GIS表达不同语义粒度（等级）地理要素、面向大众提供地理空间信息服务的优势。单个的地理信息服务不足以满足用户的需求，需要将众多单个的WebServices根据应用需要进行组合，形成新的WebServices组合，才能发挥出web服务的巨大潜力。探讨了Web服务匹配问题，详细定义和描述了单向语义匹配关系；基于单项语义匹配关系，深入探讨了Web服务组合算法思路、过程和实现步骤；结合一个应用实例，用OWL-S对各原子Web服务进行了全面描述，对自动组合算法实现过程进行了推导；基于OWL-S模型描述的GISWebServices自动搜索、匹配、发现和执行过程，总结出了本体语义描述的地理信息服务组合体系结构框架。研究基于本体的地理信息系统开发的软件工程方法，首先分析了传统信息系统开发的一般方法，然后讨论了从一般信息系统建模到基于本体的信息系统建模的演进，构建了基于本体的地理信息系统开发两层结构体系，探讨了基于本体的地理信息搜索的技术途径，对本体和概念范式之间的映射进行了分析和总结。基于商业化软件平台，通过数据转换及综合地名词典的语义信息，生成地理要素基础数据。同时建立地名本体模型，依据地名本体模型构建数据库模式，从而将本体实例数据存储于对象关系数据库中，完成地名本体实例库的构建，支持空间信息检索的地名本体实例库构建，为空间语义检索提供数据基础。探讨地名本体服务框架与功能实现，设计了基于中间件的地名本体服务总体框架，并利用.NET技术实现基于SOAP地名本体服务的发布，定义了地名本体服务接口的相关文档，方便服务的调用。设计空间语义检索引擎，重点研究了面向地名本体服务的空间信息检索总体框架体系的构建与原型系统实现。在空间信息检索原型系统中，实现了传统的关键词搜索技术与地名本体数据的结合，将空间语义检索技术引入到传统搜索中，实现空间信息检索机制的优化。该项目的研究成果“基于土地利用本体的信息查询原型系统”已经通过河南省电子产品质量监督检验所的软件产品测评，并分别在《河南省环境科学保护研究院》、《河南省国土资源调查规划院》、《河南省水土保持监督监测总站》等单位进行了实验性应用。用户认为作为该原型实验系统提供了土地利用本体浏览、土地利用类型图片显示及语义描述、分类分级查询与结果显示、空间关系查询及结果显示、综合查询及结果显示等功能，安装便捷、图形效果清晰，操作灵活、使用方便、性能稳定。