知識地圖概念體系與可視化服務機制

鄭束蕾，楊春雷，陳 濤，方 瀟

1.信息工程大學，河南 鄭州，450052；2.西安測繪研究所，陜西 西安，710054

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知識地圖概念體系與可視化服務機制

鄭束蕾1，楊春雷1，陳 濤2，方 瀟1

1.信息工程大學，河南 鄭州，450052；2.西安測繪研究所，陜西 西安，710054

針對研究中存在缺乏個體針對性、理論總結和應用結合不夠、結構推理功能不強、真實性和安全性難以保證以及缺乏量化數據及實驗支持等問題，本文對知識地圖的概念體系及可視化服務機制進行了研究。首先介紹了知識地圖的概念體系，包括知識的定義和特征、知識分類、空間知識、知識地圖等，在總結知識地圖的研究現狀的基礎上，指出了研究中存在的不足；然后，介紹了知識地圖中知識庫的多源數據特性、知識可視化的研究內容及針對個性化需求的定制、推薦、推送、自適應等服務機制，提出了知識地圖可視化系統中知識庫、符號庫和模板庫的構建方法，并進行了初步實踐。

知識地圖；個性化；知識庫；可視化；服務機制

1 引 言

人類通過人工輸入、傳感器輸入、網絡搜索等采集客觀世界中的事實，并進行符號化描述時就出現了數據；而運用數據庫系統、數據倉庫、數據分析等數據處理技術來組織、過濾或分析而賦予數據一定含義，就獲得在某一特定主題上具有意義的信息。當信息積累到一定程度，運用管理信息系統、事務處理技術、決策支持技術、信息集成技術等信息處理技術，產生出具有更高認識價值的、更為抽象和高度化的信息或進一步上升到知識的信息。他們之間的關系描述如金字塔模型，信息是數據的子集，知識是信息的子集，也是信息的延伸，漸趨向于精煉、理解、共享和重用[1]。

2 知識地圖概念體系

2.1 知識的定義和特征

關于知識的概念，目前沒有準確的界定，國外主要有Tiwana A.[2]，Davenport T.H.[3]，Elias M.A.[4]，Dixon N.M.[5]等觀點，我國學者從認識論、本體論、經濟學和信息論角度分別給出了不同的知識定義[6]。一般認為，知識描述的是萬物實體與性質的是與不是[7]，是人類在實踐中所積累的認識和經驗的總和，是個體通過與環境相互作用后獲得的信息及其組織[8]。廣義理解，數據、信息、概念、規則、模式、規律和約束等是知識的表現形式。知識具有可分享、可跨時空傳遞、可重復、可再生、不可替代五點特征[1]。

2.2 知識分類

關于知識和知識管理的分類方法也有很多。Michael Polanyi教授于1966年提出將知識分為顯性知識(Explicit Knowledge)和隱性知識(Tacit Knowledge)；1996年聯合國經濟與發展組織(OECD)在《以知識為基礎的經濟》報告中面向知識經濟，將知識分為事實知識(know-what)、原理知識(know-why)、技能知識(know-how)、人際知識(know-who)四類。其中，事實知識和原理知識為顯性知識，技能知識和人際知識為隱性知識[9]。國內學者顧新建[10]、仇元福[11]和董金祥[1]也主張利用類似方法對知識管理工具進行分類。另外，從人工智能的角度，楊叔子、丁洪等將知識分為敘述型知識、過程型知識和控制型知識[12]；張攀、王波等認為知識分為事實知識、規則知識、控制知識和元知識[13]，這與OEDC的提法類似。

2.3 空間知識與地理空間知識

關麗認為[14]，空間知識是由空間信息提取、挖掘出來的可供用戶直接采用的知識，凡是與空間定位有關的知識體系都屬于空間知識的范疇。空間知識除了一般知識所具有的地理上分布和系統異構的特征外，還具有動態性、多源性、海量性、存儲格式的多樣性和體系的完備性等特征。

王富強認為[15]，地理空間知識是指地圖承載或者可以用地圖明確表達、脫離于人腦而客觀存在的具有地理定位特征的地理空間顯性知識和暗示知識，是對具有地理位置特征的地理實體(現象)的客觀描述，以及對其屬性和空間關聯關系進行地理思考和地理推理的結果。但筆者認為，以地圖作為載體只是地理空間知識表達的一種形式，非地圖承載的地理實體屬性及空間關聯關系也屬于地理空間知識的范疇，如用文字描述的空間關系、用表格展示的地物屬性等。

2.4 知識地圖與空間知識地圖

通常所說的知識地圖是一種知識(既包括顯性的、可編碼的知識，也包括隱性知識)導航系統，并顯示不同的知識存儲之間重要的動態聯系。它是知識管理系統的輸出模塊，輸出的內容包括知識的來源、整合后的知識內容、知識流和知識的匯聚，比如生活中的網站黃頁、電話黃頁等。我們把知識地圖的概念引入地圖學理論研究。而本文中的知識地圖是空間維度、時間維度、需求特性維度[16]的知識導航與地圖設計維度、地圖綜合維度、專家知識維度等專業維度知識展示的地圖綜合體。地圖知識庫中的知識是知識地圖的重要組成部分。

空間知識地圖是面向不同用戶行為，基于用戶需求模型，對空間數據、遙感影像、統計數據以及其它地理空間信息中的地理空間知識進行分析和挖掘，找出對人們地學決策具有關鍵作用的核心知識單元，并且是對其進行組織、管理和可視化表達，同時提供網絡服務的一個智能知識系統。它為用戶提供可交互、可定制的個性化主動地圖服務，便于用戶快速、準確地獲取、重構、記憶和應用相關地理空間知識，為其空間決策行為提供知識支撐。通過構建空間知識地圖，實現地理空間知識資源的規范化組織和動態組合服務[15]。

3 知識地圖研究現狀及問題

3.1 知識地圖研究現狀

不論地圖是地理空間知識與客觀世界事實知識的表達手段，還是規則知識與控制知識的體現者，地圖中的規則與控制均表現為建立在地圖感受論、地圖傳輸論、地圖認知理論等各種地圖理論基礎上的地圖設計原則。

在地圖由單一信息載體轉變為知識服務工具的過程中，不論是對地圖符號、色彩、分類分級、自動綜合等知識研究[17],還是對用戶、環境、系統、地圖模板建立知識的研究，都充分體現出地圖知識服務的重要性，并且各類核心知識單元以不同表達方式應用于地圖服務系統中[18]。在專題地圖表示方法選擇的推理及色彩設計知識領域[19-21]，華一新等研究了專題地圖設計知識的獲取、表達與推理[22]；在自動綜合知識工程領域[23-26]，郭慶勝等研究了專家知識系統中地圖設計智能化、地圖注記自動配置和智能化地圖自動綜合等方法[27]；在地圖知識服務領域，余卓淵、謝超、張金祿、Chikako KUROKAWA等對基于地圖用戶興趣發現及行為規則挖掘的個性化地圖推薦[28，29]、基于用戶認知規律的符號可視化表達控制[30]、基于色彩與用戶特征關聯規則知識的個性化地圖色彩本體表示方法設計[31]進行了闡述。

3.2 存在問題

隨著網絡技術和信息技術的發展，知識地圖取得了飛速發展，地圖品種極大豐富，服務模式也全面躍變到以網絡為基礎的知識服務模式。知識地圖在向各類用戶拓展普適化服務的同時，還存在以下問題：

(1)知識過量但缺乏針對性。雖然地圖用戶淹沒在龐雜的知識體系中，但卻無法快速準確地獲取自己所需的信息；個性化的知識支持較少。

(2)知識的理論總結和應用結合不夠。不能充分利用地圖專家的知識與經驗，網絡條件下屏幕地圖可視化及數據推送的個性化規則知識積淀很少，知識的獲取與處理困難，已經獲得的知識仍停留在原則層面，沒有實現邏輯表達與充分利用，交互界面柔性差。

(3)知識結構不一致導致知識推理功能不強。只能依據知識庫中通過外部實驗獲取推理規則，實現一定程度上的匹配和推理。系統自動提取交互信息并進行自推理，進而生產新規則的能力不強。

(4)知識的真實性和安全性難以保證。在移動設備支持的泛在制圖大環境下，每個用戶都可以提供地理信息數據，分享生活周邊環境的事實知識，但是其中真偽難辨，缺少有效的知識識別和過濾機制。在知識的傳播分享過程中，個人隱私和信息安全是另一個值得注意的問題。

(5)個性化地圖可用性評價缺乏量化數據及實驗支持。當前的個性化地圖服務大多沒有經過實驗驗證及評價，系統推理結果、適應規則、適應效果的評價缺乏系統標準。并且系統沒有設置自調整參數和閾值，面對不同特征的用戶群體，地圖服務系統的自學習、自評估、自適應能力差。

4 知識地圖的特性、內容及構建方法研究

4.1 知識地圖的多源特性

知識地圖不僅包括時空導航，還包括地圖設計知識、綜合知識、專家知識等內容的展示，而這些知識是以知識庫的形式進行存儲。地圖知識庫的建立是在零散瑣碎的數據規則之間尋找有機的聯系，并且設置多重節點，構建基于本體和語義的知識網。知識地圖兼具地圖特性和空間特性，不但能夠將各種知識以文字、圖形、圖表的形式表達，而且更注重隱性的用戶個性化需求。

(1)從數據結構上看，地圖知識庫的多源數據可以是結構化的關系數據庫數據，也可以是半結構化的文本、圖形和圖像數據，甚至是分布在網絡上的異構型數據。

(2)從空間維度上看，地圖知識來源多種多樣，如不同遙感平臺、不同傳感器采集的不同分辨率的遙感圖像數據，地圖掃描矢量化數據及野外利用各種測量儀器直接測繪的數據。

(3)從時間維度上看，地圖知識是時態數據，數據要保證現勢性和分布式存儲的要求。

(4)從需求特性維度上看，個性化地圖服務的海量數據和存儲格式的多樣性要求提供多接口的數據訪問服務。

(5)從制圖專業維度上看，地圖設計知識、制圖綜合知識、專家知識等都需要挖掘和加工處理，并且需要實驗數據分析的量化支持。相較于一般信息，它更強調體系完整性和邏輯一致性。

4.2 知識地圖可視化內容研究

知識的可視化形式有靜態的文字、表格、表單、圖片等，知識地圖還以地圖為主要形式，附以動畫等多種形式展示時間、空間等多個維度的知識。地圖作為知識的一種特殊展示方法，有很多可視化表現手段。其中，地理實體幾何或屬性特征知識，適合采用定點符號法、統計圖表法等表示；描述地物空間分類、聚類以及關聯的空間關系知識，采用范圍法、質底法，或拓撲地圖等表示；時空演變規則可采用描述地圖變化過程的視頻、地圖動畫、地學圖譜以及傳統的運動符號法等表示。

知識地圖可視化的研究內容包括：研究不同空間知識類型的可視化表達方式，研究空間知識地圖可視化表達基本規則，制定符合用戶認知特征與領域決策的知識地圖導航規則和可視化模板方案，研究以知識地圖為主要知識可視化形式的多元知識可視化表達技術，建立特定領域的導航模板庫、符號模板庫、色彩模板庫、注記模板庫、地圖模板庫，以及通過用戶模型的動態相似度匹配分析實現對模板的自動調用，或通過修改系列參數實現對模板的修改和添加，并且充分利用多媒體(視頻、聲音、動畫等)及超媒體技術拓寬其可視化表達手段，適應不同的個性化需求。

4.3 基于用戶特征的個性化知識地圖服務機制研究

個性化指根據用戶的信息使用行為、習慣、偏好和特定需求，向用戶提供滿足其個性需求的信息內容和功能的一種服務[32]。個性化知識地圖服務以滿足用戶以地圖為載體的知識個性化需求為目標，實現地圖服務資源的個性化、地圖服務方式的個性化、地圖服務內容的個性化，提高用戶效率，改善用戶體驗，使系統能夠在“適當的時機”將“適當的知識”推送給“適當的用戶”。知識地圖的服務機制主要有推送、推薦、定制、自適應等幾種方式。

(1)定制

個性化空間知識地圖中的定制服務是用戶對模板中的參數進行選擇，生成表單提交給系統后，由系統按照用戶的個性化需求快速高效生成定制模板，以滿足用戶對個性化空間知識地圖的使用需要。地圖定制服務可以分為兩種：一種是實時定制實時使用，即用戶交互選擇系統功能與外形后即時可用；另一種是在線定制離線制圖，即用戶在線定制個性化需求地圖，然后由制圖人員根據用戶的定制需求進行離線制圖，再將定制產品推送給用戶使用[18]。

(2)推薦

推薦是根據對用戶模型的匹配分析，將模板庫中的多個地圖模板推薦給用戶，請用戶自行選擇的一種服務方式。通過對用戶以往使用經驗的分析，對所推薦模板進行排序，用戶可以自行調整或添加模板，系統進行記錄和保存。

(3)推送

推送是在對用戶模型進行分析的基礎上，以廣告和群發的形式將用戶可能需要的信息發給用戶。在個性化空間知識地圖的研究中，在對用戶進行分析的基礎上，提煉用戶模型知識，與模板庫中的模板動態匹配，以高相似度的匹配結果為用戶提供服務。

(4)自適應

自適應是比較高級的一種服務方式。目標是機器可以自動識別、智能分析用戶的情境知識和操作知識，然后由機器自動調整模板的樣式，全程在后臺進行，不需要人為干預。基于用戶行為跟蹤與數據挖掘的情景建模技術，為用戶提供顯性定制和隱性自適應的個性化地圖服務。

5 知識地圖可視化系統的設計與實現

5.1 多層結構地圖知識庫構建

構建地圖知識服務系統的多庫和多層組織結構，包括用戶知識庫、用戶模型庫、空間知識庫、領域知識庫、模板庫、規則庫、決策方案庫、算法庫等，利用地圖研究事實-數據-信息-知識-決策之間的關系及轉換機制；研究知識地圖的知識鏈結構，分級對相互關聯的空間知識進行調用和展示，并且輔以時間特性，構建時空多層網狀結構，網狀結構每層節點之間通過知識相互連接，通過超鏈接打開下一級節點，提供粒度更細的節點知識；研究知識獲取、表達與管理、知識庫構建及動態更新與維護技術，實現知識庫的不斷擴展和優化。

5.2 知識地圖符號可視化體系構建

符號設計的標準不統一、不規范，導致用戶對地圖符號的認同感下降，難以從地圖符號中提取有用的知識。我們在遵循一般性符號設計標準和用戶常識性知識經驗的基礎上，設計出具有個性化的符號，并且開發符號編輯器對其進行管理和調用。

本文首先采用問卷調查法和眼動實驗法，設計一系列地圖符號實驗；通過多種地圖學認知實驗方法，研究用戶對符號的辨識感受效果，具體包括：地圖符號辨識度實驗、多組地圖符號的優先次序排序實驗、地圖符號可用性評價實驗等。通過統計分析的方法，確定影響因子及其權重，提煉出一般性的地圖符號設計知識以及個性化用戶模型與符號設計間的匹配知識，建立個性化地圖符號體系。按照知識庫中的知識規則和用戶聚類模型，設計符號編輯器，建立符號庫，對設計的個性化符號進行科學管理。符號編輯器具有修改、保存、添加、刪除、移動、排序等功能，既能實現對已有符號的管理，又能充當用戶根據自身需要修改地圖符號的工具平臺，實現個性化推薦設計功能。具體包括：符號庫模塊、符號元數據庫模塊、符號知識庫模塊等。具體方法參見文獻[33]、[34]。

5.3 知識地圖模板庫的參數化構建

個性化空間知識地圖具有底圖要素、專題要素、整飾要素和時空要素等基本要素。通過對這些要素進行組合及參數化設置，進行模板設計。

本文依據多模式空間知識地圖服務的模板設計方案和規則知識，建立基于參數化模板技術的個性化地圖可視化的控制策略；針對不同的可視化方法，制作支持實現快速可視化的模板庫，包括：符號模板庫、色彩模板庫、注記模板庫等；根據空間知識的組織特征，制作知識地圖導航模板庫，包括：概念圖模板、流程式模板、分類式模板等；根據用戶參數選擇后形成的方案，制作相應的地圖可視化模板。通過動態用戶模型的相似度匹配分析，實現對模板的自動調用。當模板庫中的模板不能滿足用戶的個性化需求時，通過修改系列參數，實現對模板修改和添加。

5.4 個性化知識地圖系統開發實踐

本文面向定制與自適應相結合的服務方式，基于agent技術，研制了個性化空間知識地圖服務原型系統。

系統基本模塊包括：用戶信息獲取模塊、空間知識分析模塊、定制服務模塊、自適應服務模塊、知識庫模塊。為用戶提供基本操作功能及標注、修改、上傳、下載等地圖交互功能；設計決策分析工具，充分利用空間知識及相關算法，提供基于知識的決策支持功能；提供本站及互聯網平臺內相關知識的搜索引擎或超鏈接，訪問其他分布式數據庫，設立用戶交流與反饋平臺。基于用戶模型、可視化模板和規則等知識，采用Ajax技術，構建系統的多Agent框架，實現空間知識地圖的個性化服務。

界面Agent是用戶與系統交互的接口，實現用戶定制界面，包括用戶基本信息、需求信息等，用戶通過界面Agent向系統提交需求，同時通過鼠標、鍵盤等的跟蹤，系統自動獲得用戶與系統交互信息，存儲并進行數據的自動挖掘，更新用戶模型并推送給用戶個性化的知識地圖。

推理與匹配Agent采用提出的改進的用戶模型匹配算法，實現用戶模型的智能匹配，在用戶的動態交互過程中實現基于自適應規則的知識推理。

空間知識分析Agent結合領域知識，通過一定的算法，對用戶需求的空間數據進行分析，獲得決策知識。

地圖可視化Agent將決策知識依據可視化規則以適當的知識地圖形式提供給用戶。知識搜索Agent實現用戶在網絡上進行需求內容的搜索。

交流與評價Agent實現用戶對系統提供的知識地圖的個性化修改，或直接向系統上傳個性化地圖，系統具有存儲和共享功能，用戶可以發表評論，系統具有鼓勵用戶發表建設性評論的機制，使空間知識地圖服務不斷完善。

6 結 論

本文總結了知識地圖研究現狀，分析了目前存在的主要問題，歸納了個性化空間知識地圖的概念和理論體系，介紹了知識庫的多源數據特性、知識地圖中知識可視化的研究內容及針對個性化需求的知識地圖定制、推薦、推送、自適應等服務機制；同時，提出了知識庫、符號庫和模板庫的構建方法，并進行了初步實踐，希望能為類似研究提供借鑒。

[1]董金祥.基于語義面向服務的知識管理與處理[M].杭州：浙江大學出版社,2009.

[2]TiwanaA..The Knowledge Management Toolkit[M].Upper Saddle River,NJ:Prentice Hall,2000.

[3]Davenport T.H, and PrusakL..WorkingKnowledge[M].Boston,MA:Harvard Business School Press,2000.

[4]Elias M.A. and Hassan M.G..KnowledgeManagement[M].UpperSaddle River,NJ:Prentice Hall,2002.

[5]Dixon N.M.. Common Knowledge[M]. Boston,MA:Harvard Business School Press,2000.

[6]王眾托.知識系統工程[M].北京：科學出版社，2004.

[7]趙家祥. 哲學基礎知識[M]. 北京:高等教育出版社，2004.

[8]王振宏，李彩娜. 教育心理學[M]. 北京:高等教育出版社，2011.

[9]聯合國經濟合作與發展組織(OECD).以知識為基礎的經濟[R].北京：機械工業出版社，1997.

[10]顧新建，祁國寧.知識型制造企業——中國制造企業如何贏得知識經濟時代的挑戰[M].北京：國防工業出版社，2000.

[11]仇元福.知識管理理論與應用及其工具的研究[D].杭州：浙江大學，2003.

[12]楊叔子,丁洪等.基于知識的診斷推理[M].北京：清華大學出版社,1993.

[13]張攀,王波，卿曉霞等.專家系統中多種知識表示方法的集成應用[J].微型電腦應用,2004，20(6)：4-5.

[14]關麗等.空間知識網格體系架構及其實現技術探討[J].測繪科學，2007,32(1).

[15]王富強.空間知識地圖相關理論和方法研究[D].鄭州：信息工程大學，2013.

[16]劉小鋒.情境知識管理決策研究：市場預測&圖書館[M].北京：經濟管理出版社,2013.

[17]吳忠性.地圖學一個新的分支學科：制圖領域專家系統正在我國形成[J].地圖，1994,(4)：14-16.

[18]吳增紅.個性化地圖服務理論與方法研究[D].鄭州：信息工程大學,2011.

[19]郭慶勝，周巨鎖．選擇專題地圖表示方法的推理研究[J]．測繪信息與工程，2004,29(2)：31-32．

[20]田晶,黃仁濤,郭慶勝.智能化專題地圖表示方法選擇的研究[J].測繪科學,2007,32(5):170-172.

[21]田晶,黃仁濤.基于先驗知識的專題地圖色彩設計[J].地理空間信息,2007,5(4):106-109.

[22]華一新.專題地圖設計專家系統PC-MAPPER[D].鄭州：解放軍測繪學院,1991.

[23]劉春，叢愛巖．基于“知識規則”的GIS水系要素制圖綜合推理[J]．測繪通報，1999(9)：21-24．

[24]應申，李霖．制圖綜合的知識表示[J]．測繪信息與工程，2003，28(6)：26-28．

[25]宋鷹，何宗宜．基于粒計算的制圖綜合知識獲取模型研究[J]．武漢大學學報(信息科學版)，2009，34(6)：748-751．

[26]鄧紅艷．基于保質設計的自動制圖綜合研究[D].鄭州：信息工程大學,2006.

[27]郭慶勝,任曉燕.智能化地理信息處理[M].武漢:武漢大學出版社,2003.

[28]余卓淵.基于自適應空間信息可視化的個性化地圖設計研究[D].北京：中國科學院，2008.

[29]謝超.自適應地圖可視化關鍵技術研究[D].鄭州：信息工程大學，2009.

[30]張金祿，王英杰，余卓淵等．自適應地圖符號模型與原型系統的實現[J]．地球信息科學學報，2009,11(4)：468-474.

[31]Chikako KUROKAWA, Morishige OTA. The Map Personalization Mechanism Applying Models of Ambience and Personal Preference[C]. Proceedings of the 4th International Symposium on Location Based Services &TeleCartography, The Hong Kong Polytechnic University,2007.

[32]程南清.基于本體的個性化知識服務系統的構建[J].計算機應用與軟件,2009,26(9)：

[33]鄧毅博，陳毓芬，鄭束蕾.不同風格旅游網絡地圖點狀符號有效性眼動實驗研究[C].廣州：第七屆全國地圖學與地理信息系統大會，2012.

[34]鄧毅博，陳毓芬，鄭束蕾等. 基于認知實驗的旅游網絡地圖點狀符號設計[J].測繪科學技術學報，2013(1)：99-103.

Conception System of Knowledge Map and Visualization Service Mechanism

Zheng Shulei1, Yang Chunlei1, Chen Tao2, Fang Xiao1

1.Information Engineering University, Zhengzhou 450052, China 2.Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710000

In connection with the lack of individual, combination of theory and application, also the difficulty to ensure the authenticity and safety, lack of quantitative data and experimental support in research, the paper studies the concept system of knowledge map and related visualization services mechanism. First, the authors introduce the concept system of knowledge map including the definition and characteristics of knowledge, the classification of knowledge, spatial knowledge and knowledge map, etc. Based on the research status of knowledge map, the authors point out the deficiency in research. Then the paper introduces the multi-source characteristics of knowledge database in knowledge map and the research of knowledge map visualization and service mechanism to meet the individual requirements. Finally, the authors propose the construct methods of the knowledge database, symbols database and templates database in the map visualization, and make an elementary practice.

knowledge map； personalized； knowledge database； visualization； services mechanism

2014-12-23。

國家自然科學基金資助項目(41171353)，國家863計劃資助項目(2012AA12A404)，信息工程大學測繪學院學科基礎理論研究基金資助項目(T1103)。

鄭束蕾(1980—)，女，博士研究生，主要從事地理空間認知與地學可視化方面的研究。

P223

A