基于本體的道路數據模型構建方法

劉華堯，文思

(1.廣西有色勘察設計研究院，廣西南寧 530031;2.桂林理工大學藝術學院，廣西桂林 541000)

1 引言

空間數據庫的研究一直是地理信息科學(GIS)領域的研究熱點。隨著信息技術的飛速發展，GIS的應用范圍已經涉及人類生活的各個層面。然而，不同領域、不同部門在應用GIS系統時往往按照各自需求，采用相互獨立的空間數據格式和建模方法，時空數據的組織有很大的差異，信息孤島由此產生。

對道路而言，交通管理部門需要詳細了解其路面結構、通行能力、行車方式、交通設施等與交通運輸密切相關的信息;而城建部門則關注道路寬度、面積等與城市建設密切相關的信息。這兩個部門對道路的概念化有很大的差異。不同部門對空間數據庫的設計需要數據更加具有針對性，以適應不同行業領域的專業要求，然而空間數據的共享和互操作又要求空間數據庫更加大眾化，能夠適應各種平臺和環境［1］。這樣的矛盾隨著地理信息科學的發展，這種矛盾在可持續發展要求多學科多部門的協作中顯得越來越突出。本體論思想的引入為解決這一問題提供了新的思路。

2 基于本體的地理抽象和描述

本體(Ontology)原本是哲學概念，最早來源于亞里士多德對事物存在本質的研究。它的含義是客觀存在的一個系統本質的抽象解釋和說明［2～3］，從哲學意義上看，本體論關注的是“存在”，即世界在本質上有什么樣的東西存在，或者世界存在哪些類別的實體，是描述領域范圍內公認的知識和概念集。

本體論在計算機科學領域的發展與人工智能和信息技術的起步和發展密不可分。首先是McCarthy受學者Quine的啟發，認識到哲學本體論與人工智能的邏輯構建活動之間的重疊，并于1980年提出:以邏輯概念為基礎的智能系統必須“列出所有存在的事物，并構建一個本體描述我們的世界”［4］。以此為基礎信息學的本體概念目前被廣泛接受的定義是1995年由Gruber提出的:本體是一個領域中共享的概念化模型的形式化和顯式的說明規范［5］。這種抽象的描述方法目前已經成為計算機科學的一種重要方法，尤其是在地理信息科學領域有重要應用。為了更好地將本體理論應用到地理空間的研究中首先要對地理空間的內涵進行抽象和描述。

2.1 基于本體的空間抽象

空間是實體存在的前提和基礎，空間和實體既有獨立性又是統一的整體。并且由于空間和空間內實體的交互作用。這種空間的描述和理解的過程離不開語義的參與，由于不同空間體系中對同一實體的拓撲描述不盡相同就會存在語義異構，系統間難以兼容或無法發共享。而基于本體建立起來的邏輯關系知識庫，是目前一般計算機甚至云計算機能夠普遍接受和共享的。本體間的基本邏輯關系主要包括4種:

(1)“part-of”表達概念之間部分與整體的關系即{a1，a2，a3…，an}∈Rk;

(2)“kind-of”表達概念之間的繼承關系，類似于父類與子類之間的關系即:{Rk1，Rk2，…，Rkn}?R;

(3)“instance-of”表達概念的實例與概念之間關系，類似于面向對象中的類與對象之間的關系即Rki∩Rkj=?或Rki∩Rkj≠?;

(4)“attribute-of”表達某個概念是另外一個概念的屬性即Rki∈M。

2.2 基于本體的實體抽象

基于本體的空間認知是將空間抽象為關系集的描述。它主要以概念網絡層次的形式來表達實體間的關系，不同層級的概念是本體的基本組成元素。由此我們將本體視為由5個基本的建模元語組成［6～7］，表示為:O={C，R，F，A，I}五元組結構具有深遠的影響，具體含義為:

C代表概念(Concepts)或類(Classes)，概念的范圍很廣，可以指描述、操作或生產活動等。從本體的語義層面上看，概念描述的是一系列對象的集合，包括概念名、與其他概念之間的關系等，在道路實體的抽象過程中，主要將其分為單純道路類和交通設施類。

R表示概念之間的相互關系(Relations)，用n維笛卡兒積的子集形式進行描述，表達為R:C1×C2×…× Cn。關系包括子、父類關系以及部分、整體關系等。關系是通過對象元組集合的形式進行表達，通常為二元組集合。對于道路實體而言，就表達了其包含的各種概念之間的關系集。

F表示函數(Functions)，是概念間特殊的關系表達，表示公式中n-1個元素可以唯一決定第n個元素。形式化的定義為F:C1×C2×…×Cn-1→Cn。比如支線與干線的匯聚關系，一條支線最終匯聚一條干線。

A表示公理(Axioms)，是永真性斷言，包括對概念和關系的約束。

I空間集(Space set)是空間對象的空間屬性，它包括基本點對象、線對象、面對象等。在地理本體研究中，需要同時關注空間對象的空間幾何特征及空間關系描述。采用地理本體描述空間對象的空間特征的方法，對點、線、面進行抽象和定義可分為5個類:Point類、Line類、Polygon類、Compound類、Attribute類。具體抽象過程如圖1所示。

圖1 空間對象具體抽象過程

點(Point)類:由點的唯一標識符和(x，y，z)三維坐標進行定義。

線(Line)類:由一系列點的有序對組成，至少有兩個結點，折線通過記錄關鍵點的序列進行描述，若定位的直線僅有兩個點，則為直線段，若有多條折線則為曲線，記錄起點、中間的關鍵點、止點的有序序列，若起、止點重合，則構成環。使用函數表示為f(x，y)或者

面(Polygon)類:由外環的內區域與內環的外邊界圍成的中間范圍。使用函數表示為f(x，y，z)

復合(Compound)類:由點線面等基本幾何對象類組合而成。Compound可使用復合函數f［g(x)，z］、分段函數進行表示。

非空間屬性(Attribute)類:表示出幾何屬性以外的其他所有屬性。

2.3 基于本體的時間抽象

時空數據應是無縫化的有機整體，而空間屬性和非空間屬性的改變或持續都是基于時間發展的，時間的發展又通過空間屬性和非空間屬性的改變和持續來表現。不同空間實體相對獨立的改變在時間軸上具有絕對的同步性。為了實現相對獨立屬性在時空內的無縫關聯，基于本體的思想我們引入時間本體的概念。

時間本體是從空間內對象的一切屬性發展的角度出發，把空間對象屬性的改變與更替就可以抽象為一個對象在某一瞬間由于空間和屬性的變化而死亡或新的對象產生。

空間對象的存在狀態是在一定的時間下，空間實體客觀存在的形式，是空間實體相對穩定的一個過程，一個空間對象在其生命周期里有不同的狀態。空間實體狀態的改變是人類認識、改造地理實體的反映，因而空間對象的產生和變更是一個瞬間狀態，產生和變更采用時刻的方式表示［8］。其變化主要分為3種類型:

空間信息不變，屬性信息的突然變化;屬性信息不變，空間信息的突然變化;空間幾何信息和屬性信息的同時突然變化。

無論是持續還是變化，空間對象的死亡與產生是一個相對狀態，死亡對象的空間特性與產生對象的特性是相關的平且在時間上是一致的，這樣就保證了地理空間的無縫性。空間實體的發展和時間一致性如圖2所示:

圖2 空間對象時態的關系示意圖

3 基于本體的道路模型設計

道路系統作為城市構架的重要組成部分，在交通、規劃、旅游等行業應用中占據舉足輕重的作用。但在構建道路模型數據庫時，受比例尺、用途、區域特征等各種主客觀因素的影響。人們對究竟應選用何種準則對路網要素進行認知、抽象、表達約束等問題未達成一致的認識，使得目前存在著多重抽象表達模式，造成路網要素多尺度表達實體和關系難以量化。本文擬從本體的角度出發，闡述道路抽象和組織。

3.1 道路實體的認識與抽象

道路本體是地理本體的子類，描述包括道路實體及實體間的關系。其中，對道路實體的描述包括空間屬性和非空間屬性。基于本體的空間認知過程是把空間實體的相關屬性封裝為整體，將概念、空間屬性和非空間屬性進行一體化的組織和表達，既實現了語義共享遵循了人類認識現實世界的思維過程，又使用數學方法定義了道路對象、對象所在空間以及對象直接復雜的邏輯關系(如圖3所示)。

圖3 道路本體的認知過程

道路對象的本體描述可以視為是道路實體、現象、特征等以及對他們的描述的總和，在離散的三維空間中，可以將道路對象的本體描述成一個一維數組［9］。

其中，R表示任意路段{R，a1，a2，…，an}表示該路段的道路對象、特征等的集合。

假設α是關于空間變量ai的離散空間，β是該空間的一個路段，我們就可以把自變量β及其在α上的空間參變量變量ai視為一個ai關于R的函數f(R，ai)。f(R，ai)就是一個道路實體，是具有完整道路要素的最小邏輯單元。

對道路的本體描述可以定義成一個五元組Ot= {CP，EP，F，S，L}。其中CP表示道路本體的概念集，控制本體描述的客觀性;EP是概念集及它們之間聯系的精確定義;F是實例聲明集，它確保了Ot的實例是精確地數學描述;S是CP、EP的定義集，它保證了本體中反映的知識是其使用者共同認可的;L是圖層要素主要反映了道路實體之間的拓撲關系和屬性關聯。Ot的定義是在實體之間建立了明確的邏輯關系和語義聯系。由此道路實體在本體空間數據模型的描述即為一個三元組E={Ot，f(R，ai)，L}，模型的構成如圖4所示。

圖4 基于本體的道路實體數據概念

該模型以實體為單位對道路的地理信息進行組織，把客觀世界作為整體看待，在保證了傳統模型便于理解和易于實現等優點的基礎上，增加了道路實體之間的邏輯關系和語義聯系，進一步擴展了傳統模型的。通過對道路對象的本體化描述，實現了道路對象的結構化，數學化、封裝化，描述了道路對象之間的空間和邏輯關系。

3.2 道路對象的時空變換表達

時空數據模型的建立必須符合人的認知規律，圖5所示，基于本體的GIS時空數據模型是將空間對象的變化劃分為對象的屬性改變(Ⅰ、Ⅱ)，對象的合并與分解(Ⅲ、Ⅳ)，對象的繼承(Ⅴ、Ⅵ)3種基本類型。圖中以道路的交通信息為例既描述了變化的類型，表達了空間對象屬性信息不變而空間幾何信息的突然變化、空間幾何信息和屬性信息突然變化的兩種死亡類型，空間對象空間幾何信息不變而屬性信息突然變化的死亡類型。

基于本體的GIS時空數據模型非常直觀地表達了道路對象的變化過程，是地理現象隨時間變化的原始表達，且能夠很好地恢復歷史上某一時刻的所有信息。在整個歷程中，只存儲變化的空間對象，沒有變化的空間對象只需存儲一次。因此，每變化一次，只需記錄很小的數據量。

圖5 道路實體的特征變化

3.3 道路對象的時空信息的組織和管理

道路實體是一個個彼此相互連接的對象，而且輻射范圍廣泛，涉及內容眾多。合理的拆分道路的各種要素是實現科學組織和管理道路信息的重要保證。

基于本體的概念將城市道路實體拆分，首先將道路實體拆分、抽象，進而得到單純道路和交通設施兩個子類，子類中根據不同的功能進行實例化。依據基于本體的地理空間數據模型建模方法，城市道路實體抽象為3個層次如圖6所示。

圖6 道路的抽象層次

基于本體的地理空間數據模型將城市道路本體按照模型的要求存儲在Oracle Spatial對象—關系數據庫中，每個道路實體占用一條記錄，圖形信息存放在SDO _GEOMETRY類型的字段中，數據庫表之間通過對象標識建立聯系。

抽象得到的道路實體的概念及相互關系采用本體模型進行組織，用W3C公布的本體描述語言OWL進行描述，最后存儲到Oracle XML/OWL中。

數據庫表主要包括道路表、交通設施表如圖7所示，每個表中都包含了由本體概念決定的定量定性的道路屬性和設施的屬性，不同的箭頭代表了不同的函數映射關系，是對道路本體各種屬性和聯系的定義。每個表表示一個圖層L，不同道路對象使用相同的屬性或者相同的映射關系就是它們在圖層L上的聯系。道路表不存儲對象的位置信息，只存儲組合對象信息和簡單對象的地址信息。道路的幾何信息和屬性信息的改變的關聯通過時間序列關系連接，保證了屬性幾何信息和非幾何信息的同時更新和記錄。

4 結論

基于本體的地理空間數據模型從人類的思維角度出發，研究地理世界中語義和邏輯關系的描述與表達，將現實世界中的地理現象用空間本體及本體間關系來描述。在信息管理方面，模型以本體的方式存儲空間實體，該方法具有實體管理、修改方便、查詢檢索、空間分析容易等優點。更重要的是它能夠方便的構造用戶需要的任何復雜空間實體。該模型的存儲方法實現了空間實體的圖形信息和屬性信息的一體化管理，突出了語義信息的管理，可以解決不同系統間易造成語義理解誤差甚至錯誤的問題。對現有數據模型進行了擴充，為智慧城市地理信息的表達、存儲和共享等操作提供了借鑒。

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