基于地理本體的空間推理方法的探討

閆遂軍

摘要：地理數據、信息和知識在信息時代得到前所未有的關注。地理本體作為一種思想、理論和方法，為“可共享不可共用”的問題提供一種解決途徑。

關鍵詞：地理本體；空間推理

Mark等（1999）首次提出了一個基于常識的地理本體框架，自此以后關于地理空間信息本體的研究受到了廣泛的關注。地理本體的含義體現在通過對共享的地理概念的明確形式化定義，應用于地理信息共享和互操作、基于語義的地理信息集成、地理信息服務等方面。地理本體與地理信息的認知、表達、互操作、尺度、不確定性密切相關，其重要的一點為研究人類思維、信息系統與地理現實世界的關系。本文主要對地理本體的屬性繼承推理、空間關系推理、語義關系推理等推理方法進行探討。

1地理本體的屬性繼承推理

本體中概念具有強烈的層次結構特點，因此不同層次概念之間的屬性存在一定的關聯關系，可以根據這些關系實現地理本體的知識推理。對與概念C及其實例集S，實例集S中的元素中的元素e（e∈S）和概念C之間的關系稱為實例關系，標記為：Instance-of（e，C），表示“實例e為概念C的實例”。實例與概念之間具有屬性的繼承性，即實例繼承概念的屬性。

對于概念集S中的概念C1、C2、C3∈S，如果C1的內涵包含C2的內涵，且C2的外延包含C1的外延，則將概念C1和概念C2之間的關系稱為Is-a關系，并標記為Is-a（C1、C2），表示“概念C1是概念C2的子概念；概念C2是概念C1的父概念”。標記HasAttribute（C、A）用以表示“屬性A為概念C的屬性”；標記HasParperty（C、A）用以表示“性質A為概念C的性質”。基于Is-a關系的知識推理規則如下：

傳遞性：

屬性繼承：

性質繼承：

實例歸屬：

2地理本體的空間關系推理

Casati等（1998）借助于部分學、拓撲學和位置理論等數學工具建立地理本體，并對本體概念的空間位置和空間關系進行形式化描述，并建立一套公理體系。

部分學用來描述部分與整體之間的關系，其核心關系為Part-of（A，B），表示“A是B的一部分”。其相關公理可以表示為：

公理P1：

公理P2：

公理P3：

公理P1和公理P2表示“部分”關系具有自反性和反對稱性；公理P3表示該關系具有傳遞性。

位置理論是建立在部分學的基礎之上，用來研究地理對象和地理對象所占據的空間的關系的一種理論。位置理論的基本關系“恰好位于”，用L（x，y）來表示“對象x恰好位于區域y”，其理論的基本定義為：

定義L1：

定義L2：

定義L3：

定義L1為L的擴展，定義L2為L的弱化，定義L3為兩個地理對象之間的“一致關系”。拓撲學一般用來描述目標之間的相對位置關系。地理目標空間的相對位置關系用連通關系來描述，連通關系用邊界來定義。本文僅討論根據真實邊界為基礎給出的拓撲學定義和公理。真實邊界關系可以用B來表示，B（x， y）的涵義為“x是y的真實邊界”。三種工具的結合可以在地理本體中對地理位置、空間關系等進行形式化描述，進而根據公理來實現空間推理操作。

例如：

3地理本體的語義關系推理

確定兩個地理本體的語義關系，實際上是確定兩個地理本體概念之間的語義關系，可以通過本體間概念的相似度進行判斷。

定義1：相離關系

相離關系是本體概念間相似程度的最低級別，是指應用本體P中概念A的任一實例Ci，與應用本體q中概念B的任一實例Cj的交集為空，即這兩個概念沒有相似性。

定義2：相交關系

相交關系表明應用本體p中概念A與應用本體q中概念B彼此既不包含，也不相離。但總存在一個實例Ck，它既屬于概念A，又屬于概念B，這是一種不完全對應的復合關系。

定義3：包含關系

包含關系表明應用本體p中概念A的實例集是應用本體q中概念B的實例集的一部分，亦即兩本體概念間存在集與子集關系。

定義4：相等關系

相等關系表明應用本體p中概念A的實例集與應用本體q中概念B的實例集相同，即兩本體概念間存在恒等關系。

推理過程為：在兩個本體系統中，根據上述定義進行概念實例集比較，從而確定兩個本體的語義關系。

4展望

隨著云計算和大數據時代的來臨，信息資源愈來愈呈現出異構、海量、動態的分布特點，如何快速、有效的訪問利用這些信息資源，成為人們越來越關注的焦點。地理本體是一種能在結構、語義和知識層次上描述信息的概念模型，本文主要對常見的基于地理本體的空間推理方法進行了總結和探討。通過地理本體的研究，可以較好的利用本體的繼承、可重用和共享特征，實現異構地理信息系統之間、地理信息系統與一般信息系統之間的融合，從而構建更強大的、復雜的地理信息系統。

參考文獻

[1]陳建軍，周成虎，王敬貴.地理本體的研究進展與分析[J].地學前緣，2006，13（3）：81～90.