地理本体在空间数据服务中的应用探讨

吴爱芝

摘要：首先对目前地理本体的研究和应用现状进行了简要介绍，之后针对空间数据服务检索中存在的问题，尝试利用地理本体的潜在语义表达和推理能力，实现服务资源查询过程的语义化匹配，并通过典型的案例对具体的实现技术进行了说明，最后指出了仍存在的问题和未来研究的方向。

关键词：地理本体；空间数据服务；语义推理；服务资源检索

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.25.098

1地理本体在空间数据服务中的作用

空间数据是指用来表示空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，它可以用来描述来自现实世界的目标，然而空间数据的多源性、多语义性、多时空性、多尺度性以及表示方法的多样性等特点造成了不同数据之间的多维异构性，这对空间数据的综合应用及系统间的交流造成了极大的不便，造成了目前的空间数据服务的智能化程度较低的现状。

本体的出现为空间数据的语义表达和推理提供了有效的手段，现阶段本体在异构数据集成、智能数据检索、数据挖掘抽取等方面发挥了重要的作用，取得了一定的应用效果。但在领域知识的形式化表达、时空推理分析、潜在语义的发现等方面仍没能很好地发挥本体技术的语义表达和解析能力的优势。本文将在空间信息服务网络环境下，尝试将本体引入到空间数据服务检索中，通过示例展示对领域知识的表达和推理方法，试图为地理本体的应用提供思路和参考。

2地理本体在空间数据服务中的应用

本体知识库所能提供的语义知识不仅仅是行业术语以及概念间的层次关系，更重要的是这些术语间的语义关联。地理本体可通过语义属性和推理规则表达反映地学领域知识的潜在语义关联，可解决目前因为语义关系而造成的空间数据服务的无法精确选择、空间数据服务中的过多依赖人工交互、关键词查询中的匹配错误等问题。

2.1地理本体在空间数据服务中的应用

将地理本体引入到OWS（OGC Web Service体系）中，通过建立面向空间数据服务的多层地理本体和基于本体技术的空间数据服务机制，实现在多源空间数据服务过程中的智能化和精确化，可解决目前因为语义关系而造成的空间数据服务的无法精确选择、空间数据服务中的过多依赖人工交互、关键词查询中的匹配错误等问题。

基于本体的空间数据服务资源发现技术主要研究在不同的数据源服务之间，如何利用基于本体的语义逻辑，来搜索和定位到最适合于用户真实需要的数据源服务。在基于Web服务的数据服务系统中，传统注册中心能够管理的仅仅是服务注册信息，也就是WSDL中必需的信息。这些信息的结构是无差别的，不仅对于数据源是无差别的，甚至对于数据源和计算资源之间也是无差别的。基于本体的改进，就将这种资源发现过程复杂化，查询的请求会被推理机基于已经构建的本体体系来进行推理，推理的结果将大大有助于准确定位用户最终需要的某个数据资源。

当用户提出空间数据服务请求时，首先根据服务要求进行基于语义的分析和匹配，待确定针对特定空间数据资源的具体应用本体后，才通过空间数据资源的接口获得具体的资源数据和服务，使得空间数据服务处理过程是基于语义的，便于多源空间数据服务的集成和互操作。

2.2地理本体应用举例

地理本体在空间数据服务中数据检索的应用中，地理本体知识库的建立和完善是重点，是语义分析和推理的重要依据，直接关系到应用的效果，需要采用与领域专家交互的反复改进和完善过程，目前存在较多的本体建立方法，此处不再累述。下面将通过一个典型案例来反映地理本体在空间数据检索中的应用技术。

用户通常能看到图像的来源（遥感卫星数据）和基本属性，能了解到具体应用所需要的图像特性，但不能直接建立应用和遥感卫星间的关联，下面的实例将采用基于语义的本体技术，来解决应用和卫星间的语义相关性推理分析。

（1）建立一个实验本体，包含有：image、satellite和application三个类（概念），image类的主要语义属性有：分辨率resolution、图像文件大小size、图像反映区域area，satellite类的主要语义属性有：卫星类型kind、传感器名称sensor、轨道orbit，application类的主要语义属性有：应用领域field、应用时间time。

（2）定义这些类间的语义关联，包含有：反映应用关系的applyTo语义关系、反映数据来源的getFrom语义关系、反映使用关系的getUse语义关系，使用OWL描述如下所示：

（3）编写语义推理规则，本实例使用Jena推理机进行语义推理，用于表达遥感应用和观测卫星间潜在语义关系的语义推理规则如下所示：

[ getUse： （？img http：//www.domain2.com#applyTo ？app），

（？img http：//www.domain2.com#getFrom ？sat）

->

（？app http：//www.domain2.com#getUse ？sat） ]

该推理规则所反映的语义含义为：若某个image实例存在与某个application实例对应的applyTo语义关系，并且该image实例存在与某个satellite实例对应的getFrom语义关系，则可推断出该application实例存在与该satellite实例对应的getUse语义关系。

（4）添加各类的实例，设定各实例的语义性，以及各实例间的applTo和getUse对象间语义关系，具体对象属性设置如图1中实线所示（实线表示预先描述的语义信息）。根据上面定义的语义规则，可以分析并发现图1中虚线对应的getUse语义关系的存在（虚线表示经过推导产生的潜在语义关联），下面将使用Jena推理机制，实现这些虚线所表示的对象关系的自动推理产生。

基于此本体库的语义推理演示页面如下所示，其信息检索过程如下：

首先是图像的数据类型属性查询页面，可以通过该页面检索到需要查看的image信息；

查询成功后，可以查看到image实例的全部数据类型属性信息和对象属性关系；

点击具体applicatin实例或satellite实例的超链接可以打开对应实例的属性信息显示页面，若点击application1超链接，则打开application1的属性信息页面，如图2所示，可以看到getuse对象属性对应到satellite1和satellite2；

若点击application2超链接，则在打开的application2的属性信息页面中，如图3所示，可以看到getuse对象属性对应到satellite3。

通过演示页面可以看出，经过Jena基于规则进行的语义推理，推导出了图1中虚线所示的GetUse对象属性，获得了预期的语义推理效果，实现了领域专家知识与程序代码的分离和形式化表达。

同样可依据相同的方法，定义更多类的对象属性，并设定相应的推理规则，即可完成同义关系、近义关系、反义关系等概念间关系的分析，还可对时空关系和领域知识进行形式化描述和推理，以及经过组合后更复杂的基于语义的空间数据检索推理。

3结论

地理本体在地理信息科学中应用受到业内人士的重视，基于本体的地理信息表达和服务具有独到的优势，解决了地理信息的知识重用、知识共享、智能化、和网络化推广等问题，具有广泛的应用前景。本文在调研和分析国内外地理本体的研究现状基础上，分析了现阶段地理本体在领域知识的形式化表达、时空推理分析、潜在语义发现等方面存在的问题，尝试在空间信息服务网络环境下，将地理本体引入到空间数据服务检索中，给出了空间信息领域知识的本体形式化描述和推理方法，通过典型案例对地理本体应用的具体技术进行了说明。地理本体中的语义关联描述和发现技术将在本体应用中发挥重大的作用，本文对该问题进行了探索性的研究，进一步的研究工作包括有：复杂领域知识的形式化表达、空间信息的时空综合化推理、地理本体在网络环境下的应用模式等。

参考文献

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