本体知识库在土地定级中的应用研究

钟永友

(陕西理工大学 数学与计算机科学学院，陕西 汉中 723000)



本体知识库在土地定级中的应用研究

钟永友

(陕西理工大学 数学与计算机科学学院，陕西 汉中 723000)

城镇土地定级是对城市土地利用级别进行划分，以此来揭示城镇内部土地质量在不同地域的差异。在本体及知识库理论的支持下，将本体知识引入到土地定级领域。根据城镇土地定级的主要内容及过程，构建两类土地定级本体模型，即土地定级类型本体和土地定级因素本体。在此基础上，集成本体知识库开发土地定级决策支持系统，并将系统应用于陕西省城固县土地定级规划工作中。结果表明：本体知识库技术能够有效实现土地定级方法与知识的重用，提高土地定级的效率和科学性。

本体知识库；土地定级；决策系统

0 前 言

城镇土地定级是根据城镇土地的经济、自然两方面属性及其在社会经济活动中的地位、作用对城镇土地使用价值进行综合分析，通过揭示城镇内部土地质量在不同地域的差异，评定城镇土地级。土地级反映的是城镇内部土地质量的差异。土地定级的对象是土地利用总体规划确定的城镇建设用地范围内所有土地。城镇以外的独立工矿区、开发区、旅游区等用地可一同参与评定。城镇土地定级一般采用因素定级方法，根据调查，收集影响土地级别的因素，进行量化分析，划定等级。本文研究通过建立本体知识库，为因素的选择、判定提供参考依据。本体(Ontology)是指关于存在的客观世界及其本质和规律的学说，是共享概念模型的明确的形式化规范说明，是关于共享概念的协议[1]。它的应用为信息与知识的共享、重用提供了崭新而独具优越性的方法，将其引入土地定级中建立相关本体模型是一种新的尝试方法。为土地定级信息系统中异构数据的处理提供帮助。

1 土地定级领域本体的设计

本文依据城镇土地定级的方法流程，收集相关资料，包括影响土地定级的自然属性和社会经济属性，构建土地定级类型及土地定级因素本体。自然属性包括土地所处的地理位置、土地性质、土壤特征等。社会属性主要包括所处区域的社会经济条件、土地权属状况等。

1.1 土地定级类型本体

土地定级类型本体主要是根据土地用途进行分类而建立的本体模型。主要对住宅用地、商业用地和工业用地进行本体建模。目前在城镇土地分类过程中，上述3类用地是使用较为频繁的3类用地，因此，建立类型本体较具有代表性。本体包括5个基本的元素：类或概念、关系(属性)、函数、公理和实例[2]。在土地定级过程，对商业用地、工业用地和住宅用地进行定级，是根据各自的用地类型进行分类，主要调查与该用地相关的资料，如交通条件、基本设施、商服繁华程度、人口密度、产业集聚等相关的因素，对上述各用地的影响因素进行量化计算，得到各因素的影响作用分，参照作用分应用相关分析方法法划分各类用地级别。由上述分析，根据Frank五层本体概念化的描述，结合土地的性质，对土地定级类型本体，其分层概念本体如图1所示。

图1 土地定级类型本体

图1中“土地”是地球上单独存在物质现实层，“城镇土地”是“土地”上的一个观察点，但对它的描述是不完整和具体的。最底层是3个用途类型的土地，是“城镇土地”的一个实例对象。“土地”与“城镇土地”之间是继承关系，“城镇土地”与“各类型土地”之间是对象实例关系。

1.2 土地定级因素本体

土地定级因素本体是在分析上述3种用地因素的基础上建立起来的。在进行定级过程中，最重要的是各类因素的分析比较、计算其影响作用分，以此作为定级的基础。因此建立此因素本体重点在于研究各影响因素及它们之间的关系。下面以商业用地因素本体进行描述分析。

商业用地因素本体：对影响商业用地级别划分的因素进行分析，找出各类影响因素；便于根据因素进行定级量化计算及对信息系统的异构数据处理。各因素之间的相互影响，如相斥、相容、替换等关系。定量化方法是因素影响度的计算方法、步骤及计算公式。影响因素包括繁华程度，交通条件，基本设施，人口状况，人口密度，其他影响因素。

根据上述描述要求，刻画各类型用地本体之间的影响因素。这些属性和影响因素有些是从上层父类继承而来，有些是因素本体派生而来。

1.3 本体知识库实现

通过上述的描述分析，建立两种类型的本体模型。在完成土地类型本体和因素本体概念化分析之后，采用Protégé本体编辑工具对本体进行编辑，生成土地定级领域本体模型。要构建本体库，需要将本体存储到数据库中，本研究采用微软SQL Server数据库作为存储管理本体知识库的数据库管理系统。在存储之前，需要使用本体语言描述工具，将其符号化。本研究选用OWL语言作为本体的描述语言，并应用开发工具Jena来构建。将用OWL语言形式化后的本体通过Jena存储机制存储到数据库，形成土地定级本体知识库，作为建立土地定级信息系统中处理异构数据的基础。

2 本体在土地定级决策系统中的应用

2.1 系统体系结构

处理异构数据是本体在信息系统中的一个重要应用。本文尝试通过建立土地定级信息系统，应用已建立的本体知识库结合推理规则，来对城镇土地进行等级划分。本决策系统是基于规则推理[3]，结合类型本体与因素本体进行影响度分析。该决策系统(DSS)的模型见图2。

图2 决策系统模型

基于本体的土地定级决策系统以ArcGIS的ArcEngine开发组件为基础，主要用于解决异构数据，辅助进行土地分等定级的工作。该系统运行原理：

1) 用户接口UI：提供3类用地类型的用户接口，用于发送和接收数据；

2) 检索机制：从本体知识库中已经建立的本体模型，匹配适合的用地类型及影响因素；

3) 规则推理：照推理规则进行初步推理。推理规则是决策系统中的核心功能，根据已有的经验建立规则库，从而方便规则匹配；

4) 推理计算： 在规则推理的基础上进行影响因素的作用分计算。为定级提供技术支撑，同时将结果返回给用户；

5) 规则优化：在上一步推理计算的基础上进行规则优化，淘汰旧的规则，更新新的规则至规则库中。

2.2 系统应用

系统以陕西省城固县博望镇城镇土地定级为案例进行验证。

1) 3大类型用地的划分。系统根据收集的资料，建立商业用地、住宅用地和工业用地的本体模型。应用本体模型，找出各用地的因素以及它们之间的相互关系，并将本体描述存储于数据库管理系统中，建立本体知识库。

2) 各类用地因素分析及相关推理。通过调查研究收集相关资料。参照类型用地划分方式及各类用地的影响因素，对这些因素进行分析、校对，去除无关的因素。主要分析各因素之间的关系，如继承关系、聚集关系、包含关系等。并应用推理规则得出相关结论。如在分析商服中心服务半径时，当知道市级中心边缘到连片区边缘时的距离时，则可知道市级商服功能的服务半径。如若对商服功能影响分析时，同时受多个同级功能影响时，则取其中最市的商服功能影响作用分。

3) 因素分析计算。计算公式主要参考国标《城镇土地分等定级规程》(GB/T 18507-2014)的计算流程，主要改进在于对各因素之间的影响，根据因素本体的建立来进行剔除与选用。如在定量化计算面状因素时，面状因素直接计算其对空间上各点的作用分，其步骤为：

对因素进行整理，计算指标值；整理过程中，就应用了本体因素模型进行分析。在空间上对该类型用地无用的指标因素进行剔除，留下能反应主要作用的指标因素。

作用分计算：

ei=100×(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，ei为i指标值的作用分；Xi为i指标值；Xmin为i指标值的最小值；Xmax为i指标值的最大值。

通过计算优化将合理规则进行更新，重新写入规则库。

辅助划分定级。土地定级是一个重要工作是划分土地定级单元，它是评定和划分土地级别的基本空间单位。划分出的土地定级单元，可以按其所具有的土地特性值，对照因素功能分，评出各单元的因素分值和总分值，作为评定土地级别的基础。本系统的应用将对提高因子、因素计算精度和土地定级精度提供帮助。

2.3 应用结果分析

通过分析研究，应用模拟结果以及相关的计算，得出如下部分分析结果：

1) 城固县城区一级地分布在县城区最繁华地段文化路和西二环路十字为中心一带，为县城商服业最发达区域。其中文化路是县城商业区位较好，交通便利的区域，南一路、民生路、东一路是近来来商业发展较快的区域。这基本反映了综合土地定级中高级别土地级与高级商服中心相对应的一般规律。

2) 在主要道路沿线均出现级别界线由高级别向低级别延伸的现象。在高级别地区出现这种现象的原因在于目前评价区商服企业分布较为广泛，在主要道路沿线大多形成了大小不一的商业网点；在低级别地区出现级别界沿线道路延伸的现象在于土地级别较低的区域受其他因素影响的程度比道路影响小，从而突出了道路的作用。

3 结 语

我国土地分等定级划分是以县为主导单位进行，由于各地的发展水平及技术水平不一致，难免出现各种各样的问题，如指标因素参差不齐，为了追求简洁，采用简单加权平均方法，专家打分法中个人主观因素影响过多等问题。如如今技术与经济快速发展阶段，传统方法中存在的局限性越来越明显。将本体知识库引入土地定级领域，通过调查分析建立土地用途类型本体与因素本体，以SQL Server数据库和Jena语法规则构建了连贯无冗余的本体知识规则库，以此进行规则推理，完成土地定级知识库的构建，实现土地分等定级专业经验知识的共享与重用。

[1] Studer R, Njamins V, Fensel D. Knowledge engineering: Principles and methods[J]. Data&Knowledge Engineering, 1998, 25(1/2): 161-197.

[2] 张玉锋. 智能信息系统[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2008.

[3] 王重洋, 邱炳文, 龙荣, 等. 基于本体案例推理与规则推理的土地利用空间布局研究[J]. 资源科学, 2013, 35(2): 353-361.

A Research on the Application of Ontology Knowledge Base in Urban Land Grading

ZHONG Yongyou

(SchoolofMathematicsandComputerScience,ShanxiSCI-TECHUnisversity,Hanzhong,Shanxi723000,China)

Urban land grading is a division of the level of urban land use, which reveals the land quality differences in different regions. In support of the theory of ontology and knowledge base，this paper introduces ontology knowledge base into land grading．According to the main content and the process of urban land grading，the land grading types ontology and factors ontology were constructed. On this basis，land grading decision support system integrating ontology knowledge base was developed. It was applied to land grading in Chenggu County,Shaanxi provice．The application indicates that the ontology knowledge base technique can effectively realize the reuse and sharing of mothodology and knowledge in land grading to improve the efficiency and scientificity in land grading．

Ontology Konwledge Base; Land Grading; Decision System

2016-10-22

陕西理工学院校级科研基金项目(SLGKY14-21)

钟永友(1978-)，男，江西万载人，讲师，研究方向：数据挖掘、信息系统研究与开发，手机：13689168943，E-mail：zhongyongyou@163.com

P208；TP391.1

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.05.010